光強(qiáng)和溫度對(duì)羅勒幼苗葉片葉綠素?zé)晒獾挠绊?/h1>
2013-12-01 08:27:49鄭桂英張會(huì)慧孫廣玉
草業(yè)科學(xué) 2013年10期
田 野,鄭桂英,張會(huì)慧,許 楠,王 娟,孫廣玉
(東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)
光強(qiáng)和溫度對(duì)羅勒幼苗葉片葉綠素?zé)晒獾挠绊?/p>
田 野,鄭桂英,張會(huì)慧,許 楠,王 娟,孫廣玉
(東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)
以花色素苷含量不同的紫羅勒(Ocimumbasilicum‘Purple Ruffles’)和丁香羅勒(O.gratissimum)為研究對(duì)象，將其低溫(4 ℃)暗處理3 h后，分別轉(zhuǎn)換到弱光(200 μmolom-2·s-1)和強(qiáng)光(1 000 μmolom-2·s-1)下，研究花色素苷對(duì)葉片葉綠素?zé)晒馓匦约肮夂夏芰糠峙涞挠绊?。結(jié)果表明，弱光下，丁香羅勒幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)較常溫均無(wú)顯著變化(Pgt;0.05)，但弱光導(dǎo)致低溫處理后的紫羅勒幼苗葉片光化學(xué)反應(yīng)的量子產(chǎn)額(YPSⅡ)低于高光處理，而依賴于類囊體膜兩側(cè)質(zhì)子梯度和葉黃素循環(huán)的量子產(chǎn)額(YNPQ)較高。說(shuō)明紫羅勒和丁香羅勒對(duì)弱光的響應(yīng)不同，弱光有利于促進(jìn)丁香羅勒幼苗葉片脅迫解除后的恢復(fù)，卻導(dǎo)致紫羅勒幼苗葉片恢復(fù)的時(shí)間延長(zhǎng)。低溫處理后，高光使丁香羅勒幼苗葉片F(xiàn)v/Fm降低，發(fā)生光抑制，而紫羅勒幼苗可能由于葉片中花色素苷含量較高，發(fā)揮其光衰減和過(guò)濾作用，導(dǎo)致低溫預(yù)處理紫羅勒幼苗葉片并沒有發(fā)生光抑制。低溫處理后，高光下丁香羅勒幼苗葉片YPSⅡ降低，失活PSⅡ反應(yīng)中心的熱耗散量子產(chǎn)額(YNF)明顯升高，而高光下，紫羅勒幼苗葉片YPSⅡ升高，YNPQ降低，而進(jìn)一步說(shuō)明了花色素苷可能在光破壞防御上發(fā)揮了作用。
花色素苷；低溫；葉綠素?zé)晒?；光抑?/p>
羅勒(Ocimumbasilicum)為唇形科羅勒屬一年生草本植物，可食用，氣味芳香，其提取物具有藥用價(jià)值[1]。羅勒品種繁多，其中紫羅勒(O.basilicum‘Purple Ruffles’)，又稱紫葉九層塔，是羅勒的變種之一，其葉片富含大量的花色素苷，花色素苷在食品、藥品和化妝品行業(yè)有廣泛應(yīng)用價(jià)值[2]。在我國(guó)北方地區(qū)，尤其是黑龍江省，紫羅勒主要作為城市綠化和觀賞植物，其培育方式多采用溫室育苗后移栽大田。由于溫室內(nèi)溫度高、光強(qiáng)低，移栽到大田后，植物必然受到低溫和高光強(qiáng)的脅迫。在對(duì)紫羅勒的管理中發(fā)現(xiàn)，育苗移栽后的低溫高光強(qiáng)下，富含花色素苷的紫羅勒比綠色葉片的羅勒生長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)，受逆境的危害程度小。由于二者之間花色素苷含量差異較大，因此，葉片中的花色素苷可能在逆境下發(fā)揮了作用?；ㄉ剀帐菑V泛分布于植物體中的水溶性天然色素，也是某些植物葉片、果實(shí)以及其他器官主要的呈色物質(zhì)[3]。花色素苷能作為抗氧化劑防止高光氧化造成的傷害[4-5]，并且可以抵御UV-B輻射[6]、低溫[7]和同化二氧化碳[8]等造成的傷害?；ㄉ剀盏男纬蓪?duì)減輕光抑制或者光氧化傷害具有重要作用[9]。Hughes等[10]研究發(fā)現(xiàn)處于冬季高光條件下的常綠草本植物Galaxurceolata葉片會(huì)累積花色素苷，葉片顏色由綠轉(zhuǎn)紅，這為花色素苷具有光衰減和抗氧化功能提供了有利證據(jù)。Pietrini等[11]研究證明，玉米(Zeamays)葉片中的花色素苷能夠保護(hù)葉綠體，防止低溫光抑制產(chǎn)生，從而提高光合效率。目前，有關(guān)低溫和光強(qiáng)脅迫對(duì)植物葉片影響的研究都集中于黃瓜(Cucumissativusvar.sativus)[12]、辣椒(Capsicumannuumvar.annuum)[13]、矮嵩草(Artemisialancea)和垂穗披堿草(Elymusnutans)等[14]花色素苷含量較少的常綠植物。但是，在低溫高光條件下，紫羅勒葉片中的花色素苷在保護(hù)葉綠體，防止高光和低溫光抑制等方面是否具有作用，鮮見報(bào)道。為此，本試驗(yàn)以富含花色素苷的紫羅勒為研究對(duì)象，以花色素苷較少的丁香羅勒(O.gratissimum)為對(duì)照試驗(yàn)材料，利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)研究低溫脅迫后不同光強(qiáng)下羅勒幼苗葉片花色素苷含量與葉片光能吸收和分配等的關(guān)系，旨在闡明紫羅勒葉片的花色素苷對(duì)低溫高光強(qiáng)下光破壞的防御作用，以期為羅勒的栽培管理和園林綠化提供參考。
1 材料與方法
1.1試驗(yàn)材料 試驗(yàn)于2012年1月在東北林業(yè)大學(xué)植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試品種為紫羅勒(R)和丁香羅勒(G)，其中紫羅勒葉片均為紫色，丁香羅勒葉片為綠色。于1月初播種，將種子種植在直徑12 cm、高15 cm的培養(yǎng)缽中，每缽5粒，采用草炭土與蛭石(體積比為2∶1)的混合物為培養(yǎng)基 。在光照強(qiáng)度200 μmol·m-2·s-1、日溫23～27 ℃、夜溫17～22 ℃、相對(duì)濕度75%左右的溫室中培養(yǎng)，定期澆水和苗期管理。待幼苗出土長(zhǎng)至約10 cm時(shí)進(jìn)行間苗處理，每缽保留生長(zhǎng)相對(duì)一致的幼苗1株。
1.2處理和測(cè)定方法 模擬黑龍江省春季室外低溫環(huán)境(一般夜間溫度4～6 ℃，白天溫度20～25 ℃，最大光照強(qiáng)度1 000 μmol·m-2·s-1)和移栽前大棚環(huán)境，設(shè)置4個(gè)處理(表1)。隨機(jī)選取生長(zhǎng)在溫室中的長(zhǎng)勢(shì)一致的紫羅勒和丁香羅勒幼苗各40盆進(jìn)行試驗(yàn)，每處理10盆。選取從上向下的第1片完全展開的成熟葉片測(cè)定各種生理指標(biāo)，活體測(cè)定葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)后，繼續(xù)檢測(cè)其它生理指標(biāo)，每處理重復(fù)3次。
表1 溫度、光照強(qiáng)度的處理組合Table 1 Temperature and light intensity combinations
利用無(wú)水乙醇法[15]測(cè)定葉綠素總量(Chl)、葉綠素a (Chl a)和葉綠素b (Chl b)含量，并計(jì)算葉綠素a和b的比值(Chl a/Chl b)。按照Pirie和Mullins[16]的方法測(cè)定葉片中花色素苷(Ant)的含量，并計(jì)算花色素苷和葉綠素的比值(Ant/Chl)。
葉綠素?zé)晒鈪?shù)參照Hu等[17]的方法測(cè)定。取從上向下的第1片成熟葉片經(jīng)過(guò)0.5 h暗適應(yīng)，利用便攜式脈沖調(diào)制熒光儀FMS-2 (Hansatch公司，英國(guó))測(cè)定葉片的初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和潛在光化學(xué)效率(Fv/Fo)，并測(cè)定不同光強(qiáng)下(約200和1 000 μmol·m-2·s-1)葉片的電子傳遞速率(ETR)和實(shí)際光化學(xué)效率(ФPSⅡ)。按張會(huì)慧等[18]的方法分別計(jì)算出PSⅡ反應(yīng)中心吸收光能的去向，即用于光化學(xué)反應(yīng)的光量子產(chǎn)額(YPSⅡ)、依賴于類囊體膜兩側(cè)質(zhì)子梯度和葉黃素循環(huán)的光量子產(chǎn)額(YNPQ)、基本的熒光量子產(chǎn)額和熱耗散的能量產(chǎn)額(Yf,D)以及失活PSⅡ反應(yīng)中心的熱耗散能量產(chǎn)額(YNF)。
1.3數(shù)據(jù)處理 運(yùn)用Excel和DPS軟件對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(SE)，并采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)比較不同數(shù)據(jù)的組間差異。
2 結(jié)果與分析
2.1羅勒幼苗葉片葉綠素和花色素苷含量的差異 品種之間比較，紫羅勒和丁香羅勒幼苗葉片中的總?cè)~綠素、葉綠素a和葉綠素b含量差異不顯著 (Pgt;0.05)。但紫羅勒幼苗葉片花色素苷含量是丁香羅勒的29.63倍，兩者之間差異顯著(Plt;0.05)，且紫羅勒幼苗葉片花色素苷/葉綠素比值也顯著高于丁香羅勒，是丁香羅勒的21.12倍(表2)。
2.2低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片生長(zhǎng)表型的影響 與未經(jīng)過(guò)低溫處理的兩種羅勒相比，低溫處理3 h后的兩種羅勒幼苗葉片均出現(xiàn)了不同程度的傷害，其中丁香羅勒幼苗葉片受害更為嚴(yán)重。在弱光下，低溫處理后的兩種羅勒幼苗成熟葉片邊緣出現(xiàn)水漬狀，葉片表現(xiàn)出冷害癥狀。低溫處理后，在高光下，丁香羅勒幼苗幼葉出現(xiàn)水漬狀，較老葉片均變淡并逐漸發(fā)黃，葉片邊緣逐漸失綠，且從葉柄開始表現(xiàn)冷害癥狀，但是，紫羅勒幼苗幼葉表現(xiàn)正常(圖1)。
表2 羅勒幼苗葉片葉綠素和花色素苷含量Table 2 Chlorophyll and anthocyanin content in leaves of Ocimum basilicum seedlings
注：表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。同行不同小寫字母表示兩個(gè)種間差異顯著(Plt;0.05)。
Note: Data in the table are mean±SE. Different lower case letters within the same row indicate significant differences between two species at 0.05 levels.
圖1 低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗生長(zhǎng)表型的影響Fig.1 Effects of different light intensities on leaves of Ocimum seedlings after low temperature treatment
注：CK1為常溫弱光，CK2為常溫高光；TL-LL為低溫弱光，TL-LH為低溫高光。下圖同。
Note：CK1, CK2, TL-LL, TL-LH are treatments of normal temperature and low hight,normal temperature and high light,low temperature and low light,and low termperature and high light,respectively.The same below.
2.3低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片F(xiàn)o和Fm的影響 紫羅勒幼苗葉片F(xiàn)o和Fm均顯著低于丁香羅勒幼苗葉片。低溫處理后，在弱光下，兩種羅勒幼苗葉片F(xiàn)o和Fm均降低，而在低溫處理后高光下，丁香羅勒幼苗葉片F(xiàn)o和Fm較常溫高光處理降低14.81%和53.93%，但紫羅勒幼苗葉片F(xiàn)o和Fm均升高，尤其是紫羅勒幼苗葉片，F(xiàn)m較常溫高光處理升高35.31%(圖2)。
2.4低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo的影響 紫羅勒幼苗葉片F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo低于丁香羅勒幼苗葉片。低溫處理后，弱光沒有改變兩種羅勒幼苗葉片的Fv/Fm和Fv/Fo(Pgt;0.05)，但高光強(qiáng)卻明顯降低了丁香羅勒幼苗葉片F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo，比CK1分別降低了18.22%和55.56%(Plt;0.05)，而強(qiáng)光對(duì)紫羅勒幼苗葉片F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo影響不大(圖3)。
2.5低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片qP和qNP的影響 與CK1和CK2比較，低溫處理后，弱光降低了兩種羅勒幼苗葉片qP，紫羅勒葉片qP降低的更為明顯。與CK1比較，高光使紫羅勒幼苗葉片qP顯著升高了12.6%(Plt;0.05)，而丁香羅勒幼苗葉片qP略有降低，與CK1比較差異不顯著(圖4)。低溫處理后，弱光對(duì)兩種羅勒幼苗葉片qNP影響不大，與CK1比較差異不顯著(Pgt;0.05)，而高光卻明顯降低了兩種羅勒幼苗葉片qNP，且紫羅勒幼苗葉片qNP與CK1比較差異顯著(Plt;0.05)。
圖2 低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片F(xiàn)o和Fm的影響Fig.2 Effects of different light intensities on Fo and Fm in leaves of Ocimumseedlings after low temperature treatment
注：同一種不同小寫字母表示處理間差異顯著(Plt;0.05)。下同。
Note:Different lower case letters for the same species show significant difference among four treatments at 0.05 level.The same below.
圖3 低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo的影響Fig.3 Effects of different light intensities on Fv/Fm and Fv/Fo in leaves of Ocimumseedlings after low temperature treatment
圖4 低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片qP和qNP的影響Fig.4 Effects of different light intensities on qP and qNP in leaves of Ocimumseedlings after low temperature treatment
2.6低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片ФPSⅡ和ETR的影響 低溫處理后，弱光下兩種羅勒幼苗葉片ФPSⅡ和ETR較CK1均無(wú)顯著變化，高光下兩種羅勒幼苗葉片ФPSⅡ較CK1分別降低了20.11%和11.77%，差異顯著(Plt;0.05)。但是，無(wú)論常溫還是低溫，高光下丁香羅勒和紫羅勒幼苗葉片ETR較CK1顯著增加，分別是低溫弱光處理羅勒幼苗葉片的3.99倍和4.41倍，且差異顯著(Plt;0.05) (圖5)。
圖5 低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片ФPSⅡ和ETR的影響Fig.5 Effects of different light intensities on ФPSⅡ and ETR in leaves of Ocimumseedlings after low temperature treatment
2.7低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心光能分配的影響 丁香羅勒幼苗葉片YPSⅡ低于富含花色素苷的紫羅勒幼苗葉片，但YNPQ則高于紫羅勒幼苗葉片。低溫處理后，弱光下兩種羅勒幼苗葉片YPSⅡ較CK1低，高光下丁香羅勒幼苗葉片YPSⅡ和YNPQ均比CK1降低，幼苗葉片Yf,D和YNF較常溫處理則明顯升高，其中丁香羅勒幼苗葉片YNF是常溫弱光處理的3.32倍。低溫處理后，在高光下，紫羅勒葉片YPSⅡ較低溫弱光處理明顯升高18.08%，而葉片YNPQ和YNF較低溫弱光處理分別降低59.81%和45.75%，Yf,D則無(wú)明顯變化(圖6)。
圖6 低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心吸收光能分配參數(shù)的變化Fig.6 Effects of different light intensities on the PSⅡenergy allocation pathways in leaves of Ocimum seedlings after low temperature treatment
3 討論
植物在逆境條件下葉片光能利用能力下降[19]，葉片吸收的光能不能完全利用，出現(xiàn)光能過(guò)剩，如果不能通過(guò)熱耗散等途徑將過(guò)剩光能耗散掉，則會(huì)對(duì)光合機(jī)構(gòu)產(chǎn)生傷害[20]，尤其是在低溫陰暗處生長(zhǎng)的植物，突然轉(zhuǎn)移到高光下會(huì)引起植物光抑制和光傷害的發(fā)生。逆境條件下，F(xiàn)v/Fm降低指示植物葉片發(fā)生了光抑制[21]，F(xiàn)o降低是由于PSⅡ反應(yīng)中心的熱耗散增加[22]，而Fo升高表示PSⅡ反應(yīng)中心受到破壞或可逆失活[23]。本研究中，低溫處理后的高光導(dǎo)致了丁香羅勒幼苗葉片F(xiàn)o、Fv/Fm、Fv/Fo和ФPSⅡ顯著降低，而弱光下無(wú)明顯變化，同時(shí)，丁香羅勒幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心的熱耗散增加，而潛在光化學(xué)效率降低，說(shuō)明低溫高光導(dǎo)致了丁香羅勒幼苗葉片受到光抑制，而低溫弱光下丁香羅勒并未發(fā)生光抑制。低溫處理后的弱光還是強(qiáng)光下，紫羅勒幼苗葉片F(xiàn)o和Fv/Fm均無(wú)顯著差異，可見低溫處理后的強(qiáng)光并未使紫羅勒幼苗葉片發(fā)生光抑制。但低溫處理后的弱光下，紫羅勒幼苗葉片吸收的光能分配給PSⅡ反應(yīng)中心的光能減少，光化學(xué)淬滅系數(shù)qP顯著降低，用于光化學(xué)反應(yīng)的量子產(chǎn)額(YPSⅡ)明顯減少，這可能是由于紫羅勒幼苗葉片富含花青素而降低了光能的吸收。兩個(gè)品種在低溫處理后的高光下，紫羅勒幼苗葉片qP較丁香羅勒幼苗顯著升高，可能是高光使葉片吸收過(guò)剩的光能導(dǎo)致丁香羅勒幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心失活或者不可逆破壞，而紫羅勒幼苗葉片中富含大量的花色素苷吸收多余藍(lán)綠光以保護(hù)葉肉細(xì)胞，從而減少光能的吸收，紫羅勒幼苗葉片未產(chǎn)生過(guò)剩光能或者過(guò)剩光能相對(duì)少，進(jìn)而保護(hù)PSⅡ反應(yīng)中心進(jìn)行正常的光化學(xué)反應(yīng)，這也是紫羅勒幼苗葉片F(xiàn)o均低于丁香羅勒幼苗葉片的重要原因之一。兩種羅勒幼苗葉片ФPSⅡ和ETR是低溫處理后在不同光強(qiáng)下測(cè)得的，ФPSⅡ和ETR的變化情況可以間接說(shuō)明植物對(duì)低溫脅迫恢復(fù)的快慢程度。本研究表明，高光使低溫處理后兩種羅勒幼苗葉片ФPSⅡ和ETR較常溫處理降低，且丁香羅勒幼苗葉片ФPSⅡ和ETR較紫羅勒幼苗降低幅度顯著，但在低溫處理后弱光下，兩種羅勒幼苗葉片ФPSⅡ和ETR無(wú)明顯影響?？梢姼吖馐箖煞N羅勒幼苗葉片受低溫脅迫后的恢復(fù)速率不同，且高光對(duì)丁香羅勒幼苗葉片的恢復(fù)速率影響較大，甚至有可能破壞了丁香羅勒幼苗葉片，造成不可逆的損害。因此，在低溫恢復(fù)過(guò)程中，高光使丁香羅勒幼苗葉片原初光化學(xué)效率和潛在光化學(xué)活性降低，電子傳遞速率減慢，而低溫處理后在高光下紫羅勒幼苗葉片恢復(fù)速率相對(duì)較快。由于紫羅勒含有較高含量的花色素苷，減緩了葉片對(duì)光能的吸收，降低了過(guò)剩光能的積累，從而表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗低溫抗高光能力。
從植物吸收光能的分配去向來(lái)分析低溫處理后不同光強(qiáng)下兩個(gè)品種羅勒的響應(yīng)情況，低溫處理后弱光下兩種羅勒幼苗葉片各能量分配變化基本一致，但在高光下，可能由于紫羅勒幼苗葉片中花色素苷的存在，YPSⅡ高于丁香羅勒幼苗和未經(jīng)低溫預(yù)處理的紫羅勒幼苗，而低溫處理的丁香羅勒幼苗葉片YNF均明顯高于紫羅勒幼苗和未經(jīng)低溫處理的丁香羅勒幼苗，可見低溫處理過(guò)程中高光對(duì)紫羅勒幼苗葉片吸收能量分配影響不大，紫羅勒幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心失活反應(yīng)中心較少[18]，而高光導(dǎo)致丁香羅勒幼苗葉片吸收的光能較多，葉片PSⅡ反應(yīng)中心失活數(shù)量劇增，從而產(chǎn)生光抑制或者氧化傷害。植物對(duì)光抑制破壞的防御有很多種方式，其中利用熱耗散是其中一種防御方式。本研究中，低溫處理后高光下，丁香羅勒幼苗主要通過(guò)增加依賴于類囊體膜兩側(cè)質(zhì)子梯度和葉黃素循環(huán)、基本的熒光量子產(chǎn)額和熱耗散以及失活PSⅡ反應(yīng)中心的熱耗散等方式來(lái)保護(hù)葉片，其中最為顯著的是失活PSⅡ反應(yīng)中心的熱耗散。有研究表明，PSⅡ反應(yīng)中心失活過(guò)程消耗能量，以減輕剩余有活性PSⅡ反應(yīng)中心的壓力[21]，反之，有活性的PSⅡ反應(yīng)中心隨后能激活這些失活PSⅡ反應(yīng)中心[24]。有研究表明，弱光對(duì)低溫傷害恢復(fù)的促進(jìn)作用，在弱光下便達(dá)到飽和[25]，因此弱光下，丁香羅勒幼苗葉片PSⅡ活性恢復(fù)速率較快，使葉片對(duì)光能的吸收和利用達(dá)到平衡。但在高光下，低溫處理的紫羅勒幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心并未受到光抑制的破壞，在弱光下，紫羅勒幼苗葉片YPSⅡ明顯降低，而YNPQ升高，Yf,D和YNF變化不明顯，可見弱光不利于紫羅勒幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心活性恢復(fù)，使紫羅勒幼苗葉片恢復(fù)到對(duì)照水平的時(shí)間延長(zhǎng)，但并未影響紫羅勒的PSⅡ反應(yīng)中心正常的生理功能，而高光有利于紫羅勒幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心活性恢復(fù)較快較好。
4 結(jié)論
低溫高光引起丁香羅勒幼苗葉片光抑制，表現(xiàn)PSⅡ光化學(xué)活性和電子傳遞速率降低，而紫羅勒幼苗葉片由于花色素苷的保護(hù)作用，并未發(fā)生光抑制。弱光有利于丁香羅勒幼苗葉片PSⅡ活性恢復(fù)，卻延長(zhǎng)了紫羅勒幼苗葉片的恢復(fù)時(shí)間。適當(dāng)?shù)恼陉幱欣诘蜏孛{迫的丁香羅勒幼苗葉片恢復(fù)正常，以避免葉片再受高光脅迫，而富含花色素苷的紫羅勒幼苗葉片即使高光也未受到光抑制，可能是花色素苷在植物恢復(fù)過(guò)程中保護(hù)紫羅勒幼苗葉片免受高光脅迫。
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Effectsoflightintensityandtemperatureonchlorophyllfluorescenceinleavesofbasilseedlings
TIAN Ye, ZHENG Gui-ying, ZHANG Hui-hui, XU Nan, WANG Juan, SUN Guang-yu
(College of Life Science, Northeast Forest University, Harbin 150040, China)
In this paper, takingOcimumbasilicum‘purple ruffles’ andO.cimungratissimumseedlings at different anthocyanin contents in leaves of two varieties as test material, effects of anthocyanin in leaves on chlorophyll fluorescence and light energy distribution in leaves ofO.basilicumseedlings exposed to low (200 μmol·m-2·s-1) and high (1 000 μmol·m-2·s-1) light intensity after low temperature at 4 ℃ in dark for 3 hours were studied. The results showed that fluorescence parameters in leaves ofO.gratissimumseedlings at low temperature were essentially unchanged under low light. The quantum yield of photochemistry (YPSⅡ) in leaves ofO.basilicum‘purple ruffles’ seedlings under low light after low temperature was lower than that under high light. However, the quantum yield of trans-thylakoid pH gradient and xanthophyll-regulated thermal energy dissipation (YNPQ) was higher than that of high light. It indicated that responses ofO.basilicum‘purple ruffles’ andO.gratissimumseedlings to low light were different. The low light was beneficial to promote recovery in leaves ofO.gratissimumseedlings after releasing low temperature stress, and low light led toO.basilicum‘purple ruffles’ seedlings to extend recovery time from low temperature. The Fv/Fmin leaves ofO.gratissimumseedlings was decreased under high light after low temperature, and photoinhibition in leaves ofO.gratissimumseedlings was occurred. Photoinhibition in leaves ofO.basilicum‘purple ruffles’ seedlings was not occurred under high light because of the high content of anthocyanins in leaves, which played the role of the light attenuation and filtration. The high light decreased of YPSⅡand increased quantum yield of thermal dissipation associated with the presence of non-functional PSⅡ (YNF) in leaves ofO.gratissimumseedlings after low temperature, while high light resulted in the increase of YPSⅡand the decrease of YNPQin leaves ofO.basilicum‘purple ruffles’ seedlings after low temperature pretreatment. It concluded that anthocyanin in leaves ofO.basilicum‘purple ruffles’ played a role in plant photoprotective mechanisms.
anthocyanin； low temperature； chlorophyll fluorescence； photoinhibition
SUN Guang-yu E-mail:sungy@vip.sina.com
Q945.11
A
1001-0629(2013)10-1561-08
2013-01-29 接受日期：2013-03-20
國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2011BAD08B02-3);國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31070307、30771746);黑龍江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD201105) 作者簡(jiǎn)介:田野(1988-)，女，遼寧興城人，在讀碩士生，主要從事植物生理生態(tài)學(xué)研究。E-mail:2012tianye@gmail.com
孫廣玉(1963-)，男，黑龍江巴彥人，教授，博導(dǎo)，主要從事植物生理生態(tài)學(xué)研究。E-mail:sungy@vip.sina.com
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田 野,鄭桂英,張會(huì)慧,許 楠,王 娟,孫廣玉
(東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)
光強(qiáng)和溫度對(duì)羅勒幼苗葉片葉綠素?zé)晒獾挠绊?/p>
田 野,鄭桂英,張會(huì)慧,許 楠,王 娟,孫廣玉
(東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)
以花色素苷含量不同的紫羅勒(Ocimumbasilicum‘Purple Ruffles’)和丁香羅勒(O.gratissimum)為研究對(duì)象，將其低溫(4 ℃)暗處理3 h后，分別轉(zhuǎn)換到弱光(200 μmolom-2·s-1)和強(qiáng)光(1 000 μmolom-2·s-1)下，研究花色素苷對(duì)葉片葉綠素?zé)晒馓匦约肮夂夏芰糠峙涞挠绊?。結(jié)果表明，弱光下，丁香羅勒幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)較常溫均無(wú)顯著變化(Pgt;0.05)，但弱光導(dǎo)致低溫處理后的紫羅勒幼苗葉片光化學(xué)反應(yīng)的量子產(chǎn)額(YPSⅡ)低于高光處理，而依賴于類囊體膜兩側(cè)質(zhì)子梯度和葉黃素循環(huán)的量子產(chǎn)額(YNPQ)較高。說(shuō)明紫羅勒和丁香羅勒對(duì)弱光的響應(yīng)不同，弱光有利于促進(jìn)丁香羅勒幼苗葉片脅迫解除后的恢復(fù)，卻導(dǎo)致紫羅勒幼苗葉片恢復(fù)的時(shí)間延長(zhǎng)。低溫處理后，高光使丁香羅勒幼苗葉片F(xiàn)v/Fm降低，發(fā)生光抑制，而紫羅勒幼苗可能由于葉片中花色素苷含量較高，發(fā)揮其光衰減和過(guò)濾作用，導(dǎo)致低溫預(yù)處理紫羅勒幼苗葉片并沒有發(fā)生光抑制。低溫處理后，高光下丁香羅勒幼苗葉片YPSⅡ降低，失活PSⅡ反應(yīng)中心的熱耗散量子產(chǎn)額(YNF)明顯升高，而高光下，紫羅勒幼苗葉片YPSⅡ升高，YNPQ降低，而進(jìn)一步說(shuō)明了花色素苷可能在光破壞防御上發(fā)揮了作用。
花色素苷；低溫；葉綠素?zé)晒?；光抑?/p>
羅勒(Ocimumbasilicum)為唇形科羅勒屬一年生草本植物，可食用，氣味芳香，其提取物具有藥用價(jià)值[1]。羅勒品種繁多，其中紫羅勒(O.basilicum‘Purple Ruffles’)，又稱紫葉九層塔，是羅勒的變種之一，其葉片富含大量的花色素苷，花色素苷在食品、藥品和化妝品行業(yè)有廣泛應(yīng)用價(jià)值[2]。在我國(guó)北方地區(qū)，尤其是黑龍江省，紫羅勒主要作為城市綠化和觀賞植物，其培育方式多采用溫室育苗后移栽大田。由于溫室內(nèi)溫度高、光強(qiáng)低，移栽到大田后，植物必然受到低溫和高光強(qiáng)的脅迫。在對(duì)紫羅勒的管理中發(fā)現(xiàn)，育苗移栽后的低溫高光強(qiáng)下，富含花色素苷的紫羅勒比綠色葉片的羅勒生長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)，受逆境的危害程度小。由于二者之間花色素苷含量差異較大，因此，葉片中的花色素苷可能在逆境下發(fā)揮了作用?；ㄉ剀帐菑V泛分布于植物體中的水溶性天然色素，也是某些植物葉片、果實(shí)以及其他器官主要的呈色物質(zhì)[3]。花色素苷能作為抗氧化劑防止高光氧化造成的傷害[4-5]，并且可以抵御UV-B輻射[6]、低溫[7]和同化二氧化碳[8]等造成的傷害?；ㄉ剀盏男纬蓪?duì)減輕光抑制或者光氧化傷害具有重要作用[9]。Hughes等[10]研究發(fā)現(xiàn)處于冬季高光條件下的常綠草本植物Galaxurceolata葉片會(huì)累積花色素苷，葉片顏色由綠轉(zhuǎn)紅，這為花色素苷具有光衰減和抗氧化功能提供了有利證據(jù)。Pietrini等[11]研究證明，玉米(Zeamays)葉片中的花色素苷能夠保護(hù)葉綠體，防止低溫光抑制產(chǎn)生，從而提高光合效率。目前，有關(guān)低溫和光強(qiáng)脅迫對(duì)植物葉片影響的研究都集中于黃瓜(Cucumissativusvar.sativus)[12]、辣椒(Capsicumannuumvar.annuum)[13]、矮嵩草(Artemisialancea)和垂穗披堿草(Elymusnutans)等[14]花色素苷含量較少的常綠植物。但是，在低溫高光條件下，紫羅勒葉片中的花色素苷在保護(hù)葉綠體，防止高光和低溫光抑制等方面是否具有作用，鮮見報(bào)道。為此，本試驗(yàn)以富含花色素苷的紫羅勒為研究對(duì)象，以花色素苷較少的丁香羅勒(O.gratissimum)為對(duì)照試驗(yàn)材料，利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)研究低溫脅迫后不同光強(qiáng)下羅勒幼苗葉片花色素苷含量與葉片光能吸收和分配等的關(guān)系，旨在闡明紫羅勒葉片的花色素苷對(duì)低溫高光強(qiáng)下光破壞的防御作用，以期為羅勒的栽培管理和園林綠化提供參考。
1 材料與方法
1.1試驗(yàn)材料 試驗(yàn)于2012年1月在東北林業(yè)大學(xué)植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試品種為紫羅勒(R)和丁香羅勒(G)，其中紫羅勒葉片均為紫色，丁香羅勒葉片為綠色。于1月初播種，將種子種植在直徑12 cm、高15 cm的培養(yǎng)缽中，每缽5粒，采用草炭土與蛭石(體積比為2∶1)的混合物為培養(yǎng)基 。在光照強(qiáng)度200 μmol·m-2·s-1、日溫23～27 ℃、夜溫17～22 ℃、相對(duì)濕度75%左右的溫室中培養(yǎng)，定期澆水和苗期管理。待幼苗出土長(zhǎng)至約10 cm時(shí)進(jìn)行間苗處理，每缽保留生長(zhǎng)相對(duì)一致的幼苗1株。
1.2處理和測(cè)定方法 模擬黑龍江省春季室外低溫環(huán)境(一般夜間溫度4～6 ℃，白天溫度20～25 ℃，最大光照強(qiáng)度1 000 μmol·m-2·s-1)和移栽前大棚環(huán)境，設(shè)置4個(gè)處理(表1)。隨機(jī)選取生長(zhǎng)在溫室中的長(zhǎng)勢(shì)一致的紫羅勒和丁香羅勒幼苗各40盆進(jìn)行試驗(yàn)，每處理10盆。選取從上向下的第1片完全展開的成熟葉片測(cè)定各種生理指標(biāo)，活體測(cè)定葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)后，繼續(xù)檢測(cè)其它生理指標(biāo)，每處理重復(fù)3次。
表1 溫度、光照強(qiáng)度的處理組合Table 1 Temperature and light intensity combinations
利用無(wú)水乙醇法[15]測(cè)定葉綠素總量(Chl)、葉綠素a (Chl a)和葉綠素b (Chl b)含量，并計(jì)算葉綠素a和b的比值(Chl a/Chl b)。按照Pirie和Mullins[16]的方法測(cè)定葉片中花色素苷(Ant)的含量，并計(jì)算花色素苷和葉綠素的比值(Ant/Chl)。
葉綠素?zé)晒鈪?shù)參照Hu等[17]的方法測(cè)定。取從上向下的第1片成熟葉片經(jīng)過(guò)0.5 h暗適應(yīng)，利用便攜式脈沖調(diào)制熒光儀FMS-2 (Hansatch公司，英國(guó))測(cè)定葉片的初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和潛在光化學(xué)效率(Fv/Fo)，并測(cè)定不同光強(qiáng)下(約200和1 000 μmol·m-2·s-1)葉片的電子傳遞速率(ETR)和實(shí)際光化學(xué)效率(ФPSⅡ)。按張會(huì)慧等[18]的方法分別計(jì)算出PSⅡ反應(yīng)中心吸收光能的去向，即用于光化學(xué)反應(yīng)的光量子產(chǎn)額(YPSⅡ)、依賴于類囊體膜兩側(cè)質(zhì)子梯度和葉黃素循環(huán)的光量子產(chǎn)額(YNPQ)、基本的熒光量子產(chǎn)額和熱耗散的能量產(chǎn)額(Yf,D)以及失活PSⅡ反應(yīng)中心的熱耗散能量產(chǎn)額(YNF)。
1.3數(shù)據(jù)處理 運(yùn)用Excel和DPS軟件對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(SE)，并采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)比較不同數(shù)據(jù)的組間差異。
2 結(jié)果與分析
2.1羅勒幼苗葉片葉綠素和花色素苷含量的差異 品種之間比較，紫羅勒和丁香羅勒幼苗葉片中的總?cè)~綠素、葉綠素a和葉綠素b含量差異不顯著 (Pgt;0.05)。但紫羅勒幼苗葉片花色素苷含量是丁香羅勒的29.63倍，兩者之間差異顯著(Plt;0.05)，且紫羅勒幼苗葉片花色素苷/葉綠素比值也顯著高于丁香羅勒，是丁香羅勒的21.12倍(表2)。
2.2低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片生長(zhǎng)表型的影響 與未經(jīng)過(guò)低溫處理的兩種羅勒相比，低溫處理3 h后的兩種羅勒幼苗葉片均出現(xiàn)了不同程度的傷害，其中丁香羅勒幼苗葉片受害更為嚴(yán)重。在弱光下，低溫處理后的兩種羅勒幼苗成熟葉片邊緣出現(xiàn)水漬狀，葉片表現(xiàn)出冷害癥狀。低溫處理后，在高光下，丁香羅勒幼苗幼葉出現(xiàn)水漬狀，較老葉片均變淡并逐漸發(fā)黃，葉片邊緣逐漸失綠，且從葉柄開始表現(xiàn)冷害癥狀，但是，紫羅勒幼苗幼葉表現(xiàn)正常(圖1)。
表2 羅勒幼苗葉片葉綠素和花色素苷含量Table 2 Chlorophyll and anthocyanin content in leaves of Ocimum basilicum seedlings
注：表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。同行不同小寫字母表示兩個(gè)種間差異顯著(Plt;0.05)。
Note: Data in the table are mean±SE. Different lower case letters within the same row indicate significant differences between two species at 0.05 levels.
圖1 低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗生長(zhǎng)表型的影響Fig.1 Effects of different light intensities on leaves of Ocimum seedlings after low temperature treatment
注：CK1為常溫弱光，CK2為常溫高光；TL-LL為低溫弱光，TL-LH為低溫高光。下圖同。
Note：CK1, CK2, TL-LL, TL-LH are treatments of normal temperature and low hight,normal temperature and high light,low temperature and low light,and low termperature and high light,respectively.The same below.
2.3低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片F(xiàn)o和Fm的影響 紫羅勒幼苗葉片F(xiàn)o和Fm均顯著低于丁香羅勒幼苗葉片。低溫處理后，在弱光下，兩種羅勒幼苗葉片F(xiàn)o和Fm均降低，而在低溫處理后高光下，丁香羅勒幼苗葉片F(xiàn)o和Fm較常溫高光處理降低14.81%和53.93%，但紫羅勒幼苗葉片F(xiàn)o和Fm均升高，尤其是紫羅勒幼苗葉片，F(xiàn)m較常溫高光處理升高35.31%(圖2)。
2.4低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo的影響 紫羅勒幼苗葉片F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo低于丁香羅勒幼苗葉片。低溫處理后，弱光沒有改變兩種羅勒幼苗葉片的Fv/Fm和Fv/Fo(Pgt;0.05)，但高光強(qiáng)卻明顯降低了丁香羅勒幼苗葉片F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo，比CK1分別降低了18.22%和55.56%(Plt;0.05)，而強(qiáng)光對(duì)紫羅勒幼苗葉片F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo影響不大(圖3)。
2.5低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片qP和qNP的影響 與CK1和CK2比較，低溫處理后，弱光降低了兩種羅勒幼苗葉片qP，紫羅勒葉片qP降低的更為明顯。與CK1比較，高光使紫羅勒幼苗葉片qP顯著升高了12.6%(Plt;0.05)，而丁香羅勒幼苗葉片qP略有降低，與CK1比較差異不顯著(圖4)。低溫處理后，弱光對(duì)兩種羅勒幼苗葉片qNP影響不大，與CK1比較差異不顯著(Pgt;0.05)，而高光卻明顯降低了兩種羅勒幼苗葉片qNP，且紫羅勒幼苗葉片qNP與CK1比較差異顯著(Plt;0.05)。
圖2 低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片F(xiàn)o和Fm的影響Fig.2 Effects of different light intensities on Fo and Fm in leaves of Ocimumseedlings after low temperature treatment
注：同一種不同小寫字母表示處理間差異顯著(Plt;0.05)。下同。
Note:Different lower case letters for the same species show significant difference among four treatments at 0.05 level.The same below.
圖3 低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo的影響Fig.3 Effects of different light intensities on Fv/Fm and Fv/Fo in leaves of Ocimumseedlings after low temperature treatment
圖4 低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片qP和qNP的影響Fig.4 Effects of different light intensities on qP and qNP in leaves of Ocimumseedlings after low temperature treatment
2.6低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片ФPSⅡ和ETR的影響 低溫處理后，弱光下兩種羅勒幼苗葉片ФPSⅡ和ETR較CK1均無(wú)顯著變化，高光下兩種羅勒幼苗葉片ФPSⅡ較CK1分別降低了20.11%和11.77%，差異顯著(Plt;0.05)。但是，無(wú)論常溫還是低溫，高光下丁香羅勒和紫羅勒幼苗葉片ETR較CK1顯著增加，分別是低溫弱光處理羅勒幼苗葉片的3.99倍和4.41倍，且差異顯著(Plt;0.05) (圖5)。
圖5 低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片ФPSⅡ和ETR的影響Fig.5 Effects of different light intensities on ФPSⅡ and ETR in leaves of Ocimumseedlings after low temperature treatment
2.7低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心光能分配的影響 丁香羅勒幼苗葉片YPSⅡ低于富含花色素苷的紫羅勒幼苗葉片，但YNPQ則高于紫羅勒幼苗葉片。低溫處理后，弱光下兩種羅勒幼苗葉片YPSⅡ較CK1低，高光下丁香羅勒幼苗葉片YPSⅡ和YNPQ均比CK1降低，幼苗葉片Yf,D和YNF較常溫處理則明顯升高，其中丁香羅勒幼苗葉片YNF是常溫弱光處理的3.32倍。低溫處理后，在高光下，紫羅勒葉片YPSⅡ較低溫弱光處理明顯升高18.08%，而葉片YNPQ和YNF較低溫弱光處理分別降低59.81%和45.75%，Yf,D則無(wú)明顯變化(圖6)。
圖6 低溫處理后不同光強(qiáng)對(duì)羅勒幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心吸收光能分配參數(shù)的變化Fig.6 Effects of different light intensities on the PSⅡenergy allocation pathways in leaves of Ocimum seedlings after low temperature treatment
3 討論
植物在逆境條件下葉片光能利用能力下降[19]，葉片吸收的光能不能完全利用，出現(xiàn)光能過(guò)剩，如果不能通過(guò)熱耗散等途徑將過(guò)剩光能耗散掉，則會(huì)對(duì)光合機(jī)構(gòu)產(chǎn)生傷害[20]，尤其是在低溫陰暗處生長(zhǎng)的植物，突然轉(zhuǎn)移到高光下會(huì)引起植物光抑制和光傷害的發(fā)生。逆境條件下，F(xiàn)v/Fm降低指示植物葉片發(fā)生了光抑制[21]，F(xiàn)o降低是由于PSⅡ反應(yīng)中心的熱耗散增加[22]，而Fo升高表示PSⅡ反應(yīng)中心受到破壞或可逆失活[23]。本研究中，低溫處理后的高光導(dǎo)致了丁香羅勒幼苗葉片F(xiàn)o、Fv/Fm、Fv/Fo和ФPSⅡ顯著降低，而弱光下無(wú)明顯變化，同時(shí)，丁香羅勒幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心的熱耗散增加，而潛在光化學(xué)效率降低，說(shuō)明低溫高光導(dǎo)致了丁香羅勒幼苗葉片受到光抑制，而低溫弱光下丁香羅勒并未發(fā)生光抑制。低溫處理后的弱光還是強(qiáng)光下，紫羅勒幼苗葉片F(xiàn)o和Fv/Fm均無(wú)顯著差異，可見低溫處理后的強(qiáng)光并未使紫羅勒幼苗葉片發(fā)生光抑制。但低溫處理后的弱光下，紫羅勒幼苗葉片吸收的光能分配給PSⅡ反應(yīng)中心的光能減少，光化學(xué)淬滅系數(shù)qP顯著降低，用于光化學(xué)反應(yīng)的量子產(chǎn)額(YPSⅡ)明顯減少，這可能是由于紫羅勒幼苗葉片富含花青素而降低了光能的吸收。兩個(gè)品種在低溫處理后的高光下，紫羅勒幼苗葉片qP較丁香羅勒幼苗顯著升高，可能是高光使葉片吸收過(guò)剩的光能導(dǎo)致丁香羅勒幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心失活或者不可逆破壞，而紫羅勒幼苗葉片中富含大量的花色素苷吸收多余藍(lán)綠光以保護(hù)葉肉細(xì)胞，從而減少光能的吸收，紫羅勒幼苗葉片未產(chǎn)生過(guò)剩光能或者過(guò)剩光能相對(duì)少，進(jìn)而保護(hù)PSⅡ反應(yīng)中心進(jìn)行正常的光化學(xué)反應(yīng)，這也是紫羅勒幼苗葉片F(xiàn)o均低于丁香羅勒幼苗葉片的重要原因之一。兩種羅勒幼苗葉片ФPSⅡ和ETR是低溫處理后在不同光強(qiáng)下測(cè)得的，ФPSⅡ和ETR的變化情況可以間接說(shuō)明植物對(duì)低溫脅迫恢復(fù)的快慢程度。本研究表明，高光使低溫處理后兩種羅勒幼苗葉片ФPSⅡ和ETR較常溫處理降低，且丁香羅勒幼苗葉片ФPSⅡ和ETR較紫羅勒幼苗降低幅度顯著，但在低溫處理后弱光下，兩種羅勒幼苗葉片ФPSⅡ和ETR無(wú)明顯影響?？梢姼吖馐箖煞N羅勒幼苗葉片受低溫脅迫后的恢復(fù)速率不同，且高光對(duì)丁香羅勒幼苗葉片的恢復(fù)速率影響較大，甚至有可能破壞了丁香羅勒幼苗葉片，造成不可逆的損害。因此，在低溫恢復(fù)過(guò)程中，高光使丁香羅勒幼苗葉片原初光化學(xué)效率和潛在光化學(xué)活性降低，電子傳遞速率減慢，而低溫處理后在高光下紫羅勒幼苗葉片恢復(fù)速率相對(duì)較快。由于紫羅勒含有較高含量的花色素苷，減緩了葉片對(duì)光能的吸收，降低了過(guò)剩光能的積累，從而表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗低溫抗高光能力。
從植物吸收光能的分配去向來(lái)分析低溫處理后不同光強(qiáng)下兩個(gè)品種羅勒的響應(yīng)情況，低溫處理后弱光下兩種羅勒幼苗葉片各能量分配變化基本一致，但在高光下，可能由于紫羅勒幼苗葉片中花色素苷的存在，YPSⅡ高于丁香羅勒幼苗和未經(jīng)低溫預(yù)處理的紫羅勒幼苗，而低溫處理的丁香羅勒幼苗葉片YNF均明顯高于紫羅勒幼苗和未經(jīng)低溫處理的丁香羅勒幼苗，可見低溫處理過(guò)程中高光對(duì)紫羅勒幼苗葉片吸收能量分配影響不大，紫羅勒幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心失活反應(yīng)中心較少[18]，而高光導(dǎo)致丁香羅勒幼苗葉片吸收的光能較多，葉片PSⅡ反應(yīng)中心失活數(shù)量劇增，從而產(chǎn)生光抑制或者氧化傷害。植物對(duì)光抑制破壞的防御有很多種方式，其中利用熱耗散是其中一種防御方式。本研究中，低溫處理后高光下，丁香羅勒幼苗主要通過(guò)增加依賴于類囊體膜兩側(cè)質(zhì)子梯度和葉黃素循環(huán)、基本的熒光量子產(chǎn)額和熱耗散以及失活PSⅡ反應(yīng)中心的熱耗散等方式來(lái)保護(hù)葉片，其中最為顯著的是失活PSⅡ反應(yīng)中心的熱耗散。有研究表明，PSⅡ反應(yīng)中心失活過(guò)程消耗能量，以減輕剩余有活性PSⅡ反應(yīng)中心的壓力[21]，反之，有活性的PSⅡ反應(yīng)中心隨后能激活這些失活PSⅡ反應(yīng)中心[24]。有研究表明，弱光對(duì)低溫傷害恢復(fù)的促進(jìn)作用，在弱光下便達(dá)到飽和[25]，因此弱光下，丁香羅勒幼苗葉片PSⅡ活性恢復(fù)速率較快，使葉片對(duì)光能的吸收和利用達(dá)到平衡。但在高光下，低溫處理的紫羅勒幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心并未受到光抑制的破壞，在弱光下，紫羅勒幼苗葉片YPSⅡ明顯降低，而YNPQ升高，Yf,D和YNF變化不明顯，可見弱光不利于紫羅勒幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心活性恢復(fù)，使紫羅勒幼苗葉片恢復(fù)到對(duì)照水平的時(shí)間延長(zhǎng)，但并未影響紫羅勒的PSⅡ反應(yīng)中心正常的生理功能，而高光有利于紫羅勒幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心活性恢復(fù)較快較好。
4 結(jié)論
低溫高光引起丁香羅勒幼苗葉片光抑制，表現(xiàn)PSⅡ光化學(xué)活性和電子傳遞速率降低，而紫羅勒幼苗葉片由于花色素苷的保護(hù)作用，并未發(fā)生光抑制。弱光有利于丁香羅勒幼苗葉片PSⅡ活性恢復(fù)，卻延長(zhǎng)了紫羅勒幼苗葉片的恢復(fù)時(shí)間。適當(dāng)?shù)恼陉幱欣诘蜏孛{迫的丁香羅勒幼苗葉片恢復(fù)正常，以避免葉片再受高光脅迫，而富含花色素苷的紫羅勒幼苗葉片即使高光也未受到光抑制，可能是花色素苷在植物恢復(fù)過(guò)程中保護(hù)紫羅勒幼苗葉片免受高光脅迫。
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Effectsoflightintensityandtemperatureonchlorophyllfluorescenceinleavesofbasilseedlings
TIAN Ye, ZHENG Gui-ying, ZHANG Hui-hui, XU Nan, WANG Juan, SUN Guang-yu
(College of Life Science, Northeast Forest University, Harbin 150040, China)
In this paper, takingOcimumbasilicum‘purple ruffles’ andO.cimungratissimumseedlings at different anthocyanin contents in leaves of two varieties as test material, effects of anthocyanin in leaves on chlorophyll fluorescence and light energy distribution in leaves ofO.basilicumseedlings exposed to low (200 μmol·m-2·s-1) and high (1 000 μmol·m-2·s-1) light intensity after low temperature at 4 ℃ in dark for 3 hours were studied. The results showed that fluorescence parameters in leaves ofO.gratissimumseedlings at low temperature were essentially unchanged under low light. The quantum yield of photochemistry (YPSⅡ) in leaves ofO.basilicum‘purple ruffles’ seedlings under low light after low temperature was lower than that under high light. However, the quantum yield of trans-thylakoid pH gradient and xanthophyll-regulated thermal energy dissipation (YNPQ) was higher than that of high light. It indicated that responses ofO.basilicum‘purple ruffles’ andO.gratissimumseedlings to low light were different. The low light was beneficial to promote recovery in leaves ofO.gratissimumseedlings after releasing low temperature stress, and low light led toO.basilicum‘purple ruffles’ seedlings to extend recovery time from low temperature. The Fv/Fmin leaves ofO.gratissimumseedlings was decreased under high light after low temperature, and photoinhibition in leaves ofO.gratissimumseedlings was occurred. Photoinhibition in leaves ofO.basilicum‘purple ruffles’ seedlings was not occurred under high light because of the high content of anthocyanins in leaves, which played the role of the light attenuation and filtration. The high light decreased of YPSⅡand increased quantum yield of thermal dissipation associated with the presence of non-functional PSⅡ (YNF) in leaves ofO.gratissimumseedlings after low temperature, while high light resulted in the increase of YPSⅡand the decrease of YNPQin leaves ofO.basilicum‘purple ruffles’ seedlings after low temperature pretreatment. It concluded that anthocyanin in leaves ofO.basilicum‘purple ruffles’ played a role in plant photoprotective mechanisms.
anthocyanin； low temperature； chlorophyll fluorescence； photoinhibition
SUN Guang-yu E-mail:sungy@vip.sina.com
Q945.11
A
1001-0629(2013)10-1561-08
2013-01-29 接受日期：2013-03-20
國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2011BAD08B02-3);國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31070307、30771746);黑龍江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD201105) 作者簡(jiǎn)介:田野(1988-)，女，遼寧興城人，在讀碩士生，主要從事植物生理生態(tài)學(xué)研究。E-mail:2012tianye@gmail.com
孫廣玉(1963-)，男，黑龍江巴彥人，教授，博導(dǎo)，主要從事植物生理生態(tài)學(xué)研究。E-mail:sungy@vip.sina.com
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