鑭脅迫下外源H2O2對裸燕麥幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)和光合碳同化酶活性的影響

劉建新,歐曉彬,王金成

甘肅省高校隴東生物資源保護(hù)與利用省級重點實驗室/隴東學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,慶陽 745000

中國是稀土(Rare Earths,RE)儲量、生產(chǎn)和消費大國,RE農(nóng)用給中國農(nóng)業(yè)帶來巨大經(jīng)濟效益,但隨著RE資源開發(fā)和農(nóng)用普及,RE元素在農(nóng)田土壤積累產(chǎn)生的環(huán)境安全問題引起人們的高度關(guān)注[1]。我國已將RE確定為主要環(huán)境污染物之一[2]。RE元素在土壤中的積累導(dǎo)致農(nóng)作物生理代謝紊亂和產(chǎn)質(zhì)量降低[3]。鑭(La)是15種La系元素和釔、鈧組成的RE元素中豐度最大、性質(zhì)最活潑的一種。研究表明,La脅迫導(dǎo)致黑麥草(Loliumperenne)幼苗活性氧積累、碳氮代謝紊亂、礦質(zhì)元素吸收障礙和光合作用降低[4-5],高濃度La處理下煙草(Nicotianatabacum)的光化學(xué)反應(yīng)[6]和碳同化酶活性[7]受抑、光合速率和干物質(zhì)積累下降[8],水稻(Oryzasativa)營養(yǎng)吸收分配[9]和黃瓜(Cucumissativus)膜脂脂肪酸組成[10]改變、類囊體結(jié)構(gòu)破壞和光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)活性降低[11],高濃度La和酸雨復(fù)合脅迫時大豆(Glycinemax)幼苗葉綠體超微結(jié)構(gòu)破壞、生長顯著受到抑制[12]。因此,探索提高農(nóng)作物對RE脅迫的抗性途徑是克服RE應(yīng)用負(fù)面效應(yīng)亟需解決的問題。

過氧化氫(Hydrogen peroxide, H2O2)是植物體內(nèi)重要的第二信使分子,它參與植物對逆境響應(yīng)的調(diào)節(jié),能夠提高植物對環(huán)境脅迫的抗性[13]。研究表明,H2O2介導(dǎo)脫落酸誘導(dǎo)的擬南芥(Arabidopsisthaliana)氣孔關(guān)閉[14],胞外H2O2參與銅脅迫對煙草細(xì)胞死亡的誘導(dǎo)作用[15],內(nèi)源H2O2誘導(dǎo)大豆根尖和邊緣細(xì)胞的耐鋁反應(yīng)[16]。外源H2O2處理能夠緩解干旱誘導(dǎo)的活性氧積累對黃瓜葉綠體膜的傷害[17],提高玉米(Zeamays)幼苗的耐鹽性[18],增強葡萄(Vitis)對低溫[19]和水稻對鎘(Cd)脅迫[20]的耐性。光合作用是植物最為重要的生理代謝過程。Chen等[21]的研究表明,高濃度RE占據(jù)Mg2+作用位點競爭性抑制由Mg2+激活的1, 5-二磷酸核酮糖羧化酶活性,降低番茄(Lycopersiconesculentum)的光合效率。Jiang等[22]研究發(fā)現(xiàn),外源H2O2能夠提高PSⅡ的光化學(xué)效率和氧化態(tài)質(zhì)體醌的比例。那么,外施H2O2能否通過調(diào)控PSⅠ和PSⅡ的光能分配和碳同化酶活性緩解La脅迫對PSⅡ的光抑制,從而增強作物對La脅迫的適應(yīng)性,目前的研究尚未見報道。裸燕麥(Avenanuda)是我國北方和西南陰涼山區(qū)廣泛種植的禾本科燕麥屬一年生小雜糧作物,籽粒的蛋白質(zhì)和脂肪含量遠(yuǎn)高于禾本科其它作物,并富含黃酮和β-葡聚糖等藥效成分,能夠降低血清膽固醇和改善胃腸功能[23]。本研究探討噴施H2O2預(yù)處理對La脅迫下裸燕麥幼苗生長及葉片葉黃素循環(huán)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、光系統(tǒng)吸收光能分配和碳同化關(guān)鍵酶活性的影響,揭示外源H2O2對RE脅迫下作物光合生理響應(yīng)的調(diào)控機理,以期為深入探究H2O2調(diào)節(jié)光合作用的機理及利用H2O2增強作物RE脅迫耐性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年4—7月在隴東學(xué)院生物科技園日光溫室和甘肅省高校隴東生物資源保護(hù)與利用省級重點實驗室進(jìn)行。供試裸燕麥選用中國東北和西北地區(qū)廣泛種植的吉林省白城市農(nóng)科院選育的新品種‘白燕7號’,該品種成熟期早、抗旱和抗病性強,產(chǎn)量高。挑選大小均一的‘白燕7號’裸燕麥種子300粒播種在塑料盆(口徑20 cm,高14 cm)中,基質(zhì)為珍珠巖,置日光溫室常規(guī)培養(yǎng),晝/夜溫度為(25—36)℃/(15—21)℃,濕度約70%,光強420—580 μmol m-2s-1。待幼苗2葉1心時進(jìn)行間苗,每盆選留一致壯苗約200株,并澆灌1/2 Hoagland營養(yǎng)液250 mL以補充養(yǎng)分,幼苗3葉1心期時進(jìn)行試驗處理。以氯化鑭(LaCl3·6H2O)提供La3+,供試30% H2O2為Sigma公司產(chǎn)品。

1.2 設(shè)計方案

1.3 測定指標(biāo)和方法

1.3.1植株生長量

將幼苗從盆中取出,洗凈并擦干水分后用直尺測量自根結(jié)至最高葉尖高度和主根尖長度分別作為株高和根長,然后將幼苗從根結(jié)處分成根系和地上部,分別稱量鮮重后置烘箱中105℃殺青30 min,65℃烘干至恒重,電子天平稱量干重。

1.3.2葉黃素組分

取0.50 g幼苗倒2葉于預(yù)冷研缽中,加5 mL 85%丙酮研磨勻漿后轉(zhuǎn)入離心管4000r/min離心5 min,上清液用0.45 μm微孔濾膜過濾后參考Cheng[28]的方法用高效液相色譜儀測定紫黃質(zhì)(V)、環(huán)氧玉米黃質(zhì)(A)和玉米黃質(zhì)(Z)含量,以(A+Z)/(V+A+Z)表示脫環(huán)氧化狀態(tài)。

1.3.3葉綠素?zé)晒鈪?shù)

用FMS- 2脈沖調(diào)制式熒光儀(Hansatech,英國)測定6000 μmol m-2s-1光強下幼苗倒2葉的穩(wěn)態(tài)熒光(Fs)、最大熒光(Fm′)和最小熒光(Fo′)后,將葉片暗適應(yīng)30 min,測定初始熒光(Fo)和最大熒光(Fm)。根據(jù)測定的熒光參數(shù)計算PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)=(Fm-Fo)/Fm,實際光化學(xué)效率ΦPSII=(Fm′-Fs)/Fm′,光化學(xué)猝滅系數(shù)qP=(Fm′-Fs)/(Fm′-Fo′)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ=Fm/Fm′-1,調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NPQ)=1-ΦPSII-1/[NPQ+1+qP×Fo′/Fs×(Fm/Fo-1)],非調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NO)=1/[NPQ+1+qP×Fo′/Fs×(Fm/Fo-1)][29-30]。根據(jù)Braun等[31]的公式計算兩個光系統(tǒng)的激發(fā)能分配系數(shù)：PSⅠ激發(fā)能分配系數(shù)α=f/(1+f),PSⅡ激發(fā)能分配系數(shù)β=1/(1+f),其中f=(Fm′-Fs)/(Fm′-Fo′),兩個光系統(tǒng)間激發(fā)能分配的不平衡性用(β/α-1)表示。按Demmig-Adams等[32]的方法計算：吸收光能用于光化學(xué)反應(yīng)的份額P=Fv′/Fm′×qP,天線熱耗散的份額D=1-Fv′/Fm′,非光化學(xué)反應(yīng)耗散的份額Ex=Fv′/Fm′×(1-qP)。

1.3.4光合碳同化酶活性

取1.00 g液氮速凍后-70 ℃保存的幼苗倒2葉參照Rao等[33]的方法進(jìn)行酶液提取。1, 5-二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)、1, 7-二磷酸景天庚酮糖酯酶(SBPase)、1, 6-二磷酸果糖醛縮酶(FBAase)和轉(zhuǎn)酮醇酶(TKase)活性按試劑盒(購自上海研吉生物科技有限公司)說明檢測,用HBS- 1096A酶標(biāo)儀測定450 nm波長的吸光值,計算其濃度,酶活性單位以U/g鮮重表示。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用SPSS 20.0方差分析和Duncan法多重比較(顯著性水平α=0.05)。數(shù)據(jù)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 La脅迫下外源H2O2對裸燕麥幼苗生長的影響

由表1可知,與CK相比,La脅迫下裸燕麥幼苗根長、株高及根系、地上部鮮重和干重顯著降低；噴施H2O2預(yù)處理顯著緩解了La脅迫下幼苗根長、株高及根系、地上部鮮重和干重下降的程度,根長和株高降幅分別下降了4.7%和8.2%,根系和地上部鮮重降幅分別下降了9.0%和16.8%,根系和地上部干重降幅分別下降了11.8%和9.4%。單一H2O2處理與CK相比對裸燕麥幼苗根長、株高、根系和地上部鮮重、根系干重?zé)o顯著影響,但顯著提高了地上部干重,增幅為10.1%。

表1 La脅迫下外源H2O2對裸燕麥幼苗生長的影響

CK：噴施蒸餾水12 h后用Hoagland營養(yǎng)液澆灌處理,The seedlings were treated with Hoagland nutrient solution after leaf spaying H2O for 12 h；La：噴施蒸餾水12 h后用含1.20 mmol/L La3+的Hoagland溶液澆灌處理,Hoagland nutrient solution containing 1.20 mmol/L La3+after leaf spaying H2O for 12 h；La+ H2O2：噴施5 mmol/L H2O212 h后用含1.20 mmol/L La3+的Hoagland溶液澆灌處理,Hoagland nutrient solution containing 1.20 mmol/L La3+after leaf spaying 5 mmol/L H2O2for 12 h；H2O2：噴施5 mmol/L H2O212 h后用Hoagland溶液澆灌處理,Hoagland nutrient solution after leaf spaying 5 mmol/L H2O2for 12 h。同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2 La脅迫下外源H2O2對裸燕麥幼苗葉片葉黃素循環(huán)的影響

葉黃素循環(huán)是類囊體膜上V、A和Z相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象,(A+Z)/(V+A+Z)與過剩光能耗散密切相關(guān)[28]。從表2可見,La脅迫下裸燕麥幼苗葉片V和(V+A+Z)含量顯著低于CK,而A、Z含量和(A+Z)/(V+A+Z)與CK相比顯著提高；外施H2O2顯著提高了La脅迫下裸燕麥幼苗葉片的V含量,卻降低了A、Z、(V+A+Z)含量和(A+Z)/(V+A+Z),降幅分別為27.6%、13.4%、7.1%和10.4%。單一H2O2處理與CK相比,V含量顯著降低,Z含量和(A+Z)/(V+A+Z)顯著提高,A、(V+A+Z)含量差異不顯著。

表2 La脅迫下外源H2O2對裸燕麥幼苗葉片葉黃素循環(huán)的影響

V：紫黃質(zhì),Violaxanthin；A：環(huán)氧玉米黃質(zhì),Antheraxanthin；Z：玉米黃質(zhì),Zeaxanthin；(A+Z)/(V+A+Z)：表示脫環(huán)氧化狀態(tài), Denotes de-epoxidation extent of xanthophyll cycle

2.3 La脅迫下外源H2O2對裸燕麥幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

葉綠素?zé)晒鈪?shù)可反映植物吸收、傳遞、耗散和分配光能的特性,是光合作用的探針[30]。由表3可知,與CK 相比,La脅迫裸燕麥幼苗葉片PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、實際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)和光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)分別顯著降低21.1%、70.8%和55.1%,非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)、調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NPQ)和非調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NO)分別顯著提高72.6%、70.9%和24.9%。與La處理相比,La+ H2O2處理顯著抑制了裸燕麥葉片F(xiàn)v/Fm、ΦPSⅡ、qP的下降及NPQ、Y(NPQ)、Y(NO)的升高,其Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP分別提高了15.7%、99.3%和62.7%,NPQ、Y(NPQ)、Y(NO)分別降低了7.7%、14.1%和12.6%。單一H2O2處理的上述各熒光參數(shù)與CK相比無顯著差異。

表3 La脅迫下外源H2O2對裸燕麥幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

Fv/Fm：PSⅡ最大光化學(xué)效率,PSⅡ maximal photochemistry efficiency；ΦPSⅡ：實際光化學(xué)效率,Practical photochemical efficiency；qP：光化學(xué)猝滅系數(shù),Photochemical quenching coefficient；NPQ：非光化學(xué)猝滅,Non-photochemical quenching coefficient；Y(NPQ)：調(diào)節(jié)性能量耗散,Regulated energy dissipation；Y(NO)：非調(diào)節(jié)性能量耗散,Non-regulated energy dissipation

2.4 La脅迫下外源H2O2對裸燕麥幼苗葉片光系統(tǒng)間激發(fā)能和PSⅡ吸收光能分配的影響

從表4可見,與CK 相比,La脅迫下裸燕麥幼苗葉片PSⅡ激發(fā)能分配系數(shù)(β)和雙光系統(tǒng)間激發(fā)能分配不平衡系數(shù)(β/α-1)及PSⅡ吸收光能用于天線熱耗散的份額(D)和非光化學(xué)反應(yīng)耗散的份額(Ex)顯著升高,分別提高了29.0%、390.2%、83.8%和42.5%,而PSⅠ激發(fā)能分配系數(shù)(α)和PSⅡ吸收光能用于光化學(xué)反應(yīng)的份額(P)則與之相反,分別下降了42.3%和70.8%。與單一La處理相比,La+ H2O2處理顯著抑制了β、(β/α-1)、D和Ex的升高及α和P的下降,其β、(β/α-1)、D和Ex分別降低了12.9%、55.6%、19.3%和11.1%,α和P分別升高了42.1%和99.3%。單一H2O2處理和CK間上述各參數(shù)差異不顯著。

表4 La脅迫下外源H2O2對裸燕麥幼苗葉片光系統(tǒng)間激發(fā)能和PSⅡ吸收光能分配的影響

Table 4 Effect of exogenous H2O2on distribution of excitation energy between two photosystems and PSⅡ luminous energy in leaves of naked oat seedlings under La stress

處理Treatmentαββ/α-1PDExCK0.407±0.002a0.593±0.002c0.458±0.011c0.483±0.006a0.296±0.004c0.221±0.003cLa0.235±0.002c0.765±0.002a2.245±0.025a0.141±0.002c0.544±0.004a0.315±0.002aLa+H2O20.334±0.002b0.666±0.002b0.997±0.015b0.281±0.003b0.439±0.004b0.280±0.003bH2O20.406±0.004a0.594±0.004c0.463±0.021c0.479±0.003a0.300±0.006c0.222±0.009c

α：PSⅠ激發(fā)能分配系數(shù),PSⅠexcitation energy distribution coefficient；β：PSⅡ激發(fā)能分配系數(shù),PSⅡexcitation energy distribution coefficient；β/α-1：雙光系統(tǒng)間激發(fā)能分配的不平衡偏離系數(shù),Unbalanced distribution of coefficient deviation on excitation energy between two photosystems；P：光化學(xué)反應(yīng)份額,Quotient of absorbed luminous energy used for photochemical action；D：天線熱耗散份額,Quotient of absorbed luminous energy used for antenna heat dissipation；Ex：非光化學(xué)反應(yīng)耗散份額,Quotient of absorbed luminous energy used for non-photochemical dissipation

2.5 La脅迫下外源H2O2對裸燕麥幼苗葉片光合碳同化關(guān)鍵酶活性的影響

表5表明,La脅迫下裸燕麥幼苗葉片4種光合碳同化關(guān)鍵酶活性顯著降低,1, 5-二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)、1, 7-二磷酸景天庚酮糖酯酶(SBPase)、1, 6-二磷酸果糖醛縮酶(FBAase)和轉(zhuǎn)酮醇酶(TKase)活性分別比CK下降了46.1%、56.7%、60.5%和29.9%。La+ H2O2處理的Rubisco、SBPase和FBAase活性分別比單一La處理顯著提高了36.2%、54.8%和70.5%,但TKase活性差異不顯著。單一H2O2處理和CK相比,Rubisco和FBAase活性顯著提高,而SBPase和TKase活性差異不顯著。

表5 La脅迫下外源H2O2對裸燕麥幼苗葉片光合碳同化關(guān)鍵酶活性的影響

Table 5 Effect of exogenous H2O2on photosynthetic carbon assimilation key enzyme activities in leaves of naked oat seedlings under La stress

處理 TreatmentRubisco活性 Rubisco activity/(U/g鮮重)SBPase活性 SBPase activity/(U/g鮮重)FBAase活性 FBAase activity/(U/g鮮重)TKase活性TKase activity/(U/g鮮重)CK3.43±0.160b8.63±0.306a3.77±0.097b12.42±0.181aLa1.85±0.092d3.74±0.093c1.49±0.070d8.71±0.074bLa+H2O22.52±0.065c5.79±0.085b2.54±0.100c8.56±0.096bH2O24.17±0.217a8.73±0.314a4.45±0.070a12.39±0.239a

Rubisco：1, 5-二磷酸核酮糖羧化酶,ribulose 1, 5-biphosphate carboxylase；SBPase：1, 7-二磷酸景天庚酮糖酯酶,sedoheptulose- 1, 7-bisphosphatase；FBAase：1, 6-二磷酸果糖醛縮酶,fructose- 1, 6-bisphosphate aldolase；TKase：轉(zhuǎn)酮醇酶,transketolase

3 討論

光合作用是植物生長發(fā)育物質(zhì)和能量的來源,也是對La脅迫最敏感的生理過程之一[6- 8]。La脅迫下,外源H2O2對裸燕麥幼苗生長抑制的緩解作用(表1)最終歸因于葉片光合功能的改善。葉綠素?zé)晒馐菬o損傷探查光合機構(gòu)的有效探針,通過對葉綠素?zé)晒鈪?shù)的分析,結(jié)合光合碳同化關(guān)鍵酶活性的變化,可以揭示外源H2O2緩解裸燕麥幼苗La脅迫傷害的光合生理機制。

Fv/Fm代表PSⅡ原初光化學(xué)效率,其值降低是光抑制發(fā)生的重要特征；ΦPSⅡ反映PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率,其值大小與反應(yīng)中心激發(fā)能捕獲效率、開放程度及QA下游電子傳遞有關(guān)[32]。La脅迫下,裸燕麥幼苗葉片F(xiàn)v/Fm和ΦPSⅡ顯著降低(表3),表明La脅迫引起了PSII反應(yīng)中心的光抑制損傷,導(dǎo)致原初光能捕獲效率降低,光合電子由PSII反應(yīng)中心向QA、QB及PQ庫的傳遞受到抑制。光合暗反應(yīng)對ATP和NADPH的需求也會反饋影響ΦPSⅡ[34]。因此,CO2同化能力下降對ATP和NADPH需求減少也可能是La脅迫下裸燕麥PSⅡ電子傳遞受限的因素之一。這與前人以煙草[6]和黃瓜[11]為材料研究得出的高濃度La破壞類囊體膜結(jié)構(gòu),導(dǎo)致PSⅡ光合活性下降的研究結(jié)果類似。其原因可能與La3+直接結(jié)合葉綠體蛋白或取代Mg2+后改變?nèi)~綠體形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)[35]。田武英等[36]研究表明,外源H2O2處理能夠提高菜豆(Phaseolusvulgaris)葉片ΦPSⅡ和qP,而降低NPQ和Y(NPQ)。本研究結(jié)果表明,外源H2O2顯著提高了La脅迫下裸燕麥幼苗葉片的Fv/Fm和ΦPSⅡ,說明H2O2能夠減輕La脅迫對PSⅡ反應(yīng)中心的損傷,從而增強了PSⅡ電子傳遞速率和光能轉(zhuǎn)換效率。qP是天線吸收的光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額,代表PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度[30]；NPQ是PSⅡ天線色素吸收的光能以熱能形式耗散的部分[32],NPQ主要由調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NPQ)和非調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NO)組成,Y(NPQ)與高能態(tài)猝滅有關(guān),并參與葉黃素循環(huán)的保護(hù)過程,Y(NO)與光抑制和光破壞有關(guān)[37]。本試驗中,La脅迫顯著降低裸燕麥幼苗葉片qP的同時,顯著提高了NPQ和Y(NPQ)(表3),說明La脅迫對光合機構(gòu)的抑制降低了PSⅡ的光化學(xué)效率,從而啟動過剩激發(fā)能耗散機制以保護(hù)光合機構(gòu)免遭光破壞。盡管如此,La脅迫下光化學(xué)反應(yīng)降低引起的過剩光能還是造成了光合機構(gòu)的光抑制破壞[Y(NO)上升]。NPQ的誘導(dǎo)與依賴跨類囊體膜質(zhì)子梯度的葉黃素循環(huán)密切相關(guān)[28]。La脅迫下裸燕麥幼苗葉片NPQ提高的同時(表3),葉黃素循環(huán)組分V含量顯著降低,A、Z含量和脫環(huán)氧化狀態(tài)(A+Z)/(V+A+Z)顯著提高(表2),進(jìn)一步說明依賴葉黃素循環(huán)中V向Z轉(zhuǎn)化的熱耗散機制可能是La脅迫下裸燕麥過剩光能耗散的重要途徑。外源H2O2處理使La脅迫下裸燕麥葉片qP、V含量顯著提高,A、Z含量和(A+Z)/(V+A+Z)及NPQ、Y(NPQ)和Y(NO)顯著降低(表2、3),說明外源H2O2主要通過增加PSⅡ反應(yīng)中心開放比例提高光能利用效率,從而降低La脅迫引起的光抑制破壞,依賴葉黃素循環(huán)的非輻射能量耗散增強并非是La脅迫下H2O2保護(hù)裸燕麥葉片光合機構(gòu)的主要機制。

植物PSⅠ和PSⅡ激發(fā)能的均衡分配是光合電子高效運轉(zhuǎn)和協(xié)調(diào)傳遞的保證[38]。本試驗中,裸燕麥幼苗在La脅迫下分配給PSⅠ的激發(fā)能α明顯減少,而分配至PSⅡ的激發(fā)能β顯著增多,致使表征激發(fā)能分配不平衡的β/α-1增大(表4),說明La脅迫導(dǎo)致激發(fā)能在兩個光系統(tǒng)間的分配失衡。PSⅡ激發(fā)能的顯著增加會誘導(dǎo)反應(yīng)中心可逆失活,甚至導(dǎo)致PSⅡ和類囊體膜結(jié)構(gòu)的破壞,從而使光合電子傳遞受阻,光合作用的高效運行受到制約[39]。外源H2O2處理使La脅迫下的裸燕麥幼苗葉片β和β/α-1顯著降低,α顯著升高(表4),表明外源H2O2能夠調(diào)節(jié)La脅迫裸燕麥葉片激發(fā)能的均衡分配,從而促進(jìn)雙光系統(tǒng)間光合電子的協(xié)調(diào)傳遞。外源H2O2對整個光合機構(gòu)功能的改善是其提高La脅迫下裸燕麥幼苗光能光化學(xué)利用份額P(表4)的重要原因,P值升高將減少PSⅡ過剩光能的積累,從而使天線色素依賴NPQ耗散的激發(fā)能份額D值減小。在PSⅡ反應(yīng)中心關(guān)閉或失活使已傳遞到反應(yīng)中心的激發(fā)能不能用于光化學(xué)反應(yīng)時,只能通過反應(yīng)中心耗散份額Ex的增加誘發(fā)大量活性氧的產(chǎn)生,并直接損傷反應(yīng)中心葉綠素結(jié)構(gòu)蛋白,造成ΦPSⅡ的降低[34]。本試驗結(jié)果表明,外源H2O2對La脅迫下裸燕麥葉片Ex升高有顯著的減緩作用(表4),說明外源H2O2可以通過降低Ex來緩解La脅迫對反應(yīng)中心的損傷。這與外源H2O2處理能夠通過提高活性氧清除能力減緩受旱黃瓜葉綠體膜傷害的研究結(jié)果類似[17]。有研究報道,Cyt-b559介導(dǎo)的環(huán)式光合電子傳遞[40]和脫去外周天線的PSⅡβ在基粒片層和基質(zhì)片層間移動進(jìn)行的雙光系統(tǒng)光能分配[41]是反應(yīng)中心激發(fā)能耗散的兩種主要方式。外源H2O2究竟以何種方式下調(diào)La脅迫下裸燕麥幼苗葉片的Ex,其作用機制尚需進(jìn)一步研究。

圖1 外源H2O2緩解裸燕麥La脅迫傷害的光合生理途徑圖Fig.1 Photosynthetic physiological pathway for exogenous H2O2alleviates the harm caused by La stress to naked oats

植物光合碳同化酶與原初光化學(xué)反應(yīng)、電子傳遞和光合磷酸化相比更易受環(huán)境脅迫的影響[7,41]。如圖1所示,外源H2O2緩解裸燕麥La脅迫傷害的諸多光合生理途徑機制人們還不得而知。Rubisco是催化1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)羧化和加氧反應(yīng)的關(guān)鍵酶。干旱引起蘆葦(Phragmitescommunis) Rubisco活性降低,而鹽漬逆境導(dǎo)致Rubisco含量下降[42]。高濃度稀土元素抑制Mg2+激活的Rubisco, 并占據(jù)Mg2+作用位點抑制番茄凈光合效率[21]。La脅迫對煙草Rubisco活性的降低表現(xiàn)為對該酶活化過程的抑制[7]。因為Rubisco只有經(jīng)過活化后才具有催化活力,而活化是Rubisco活性部位中一個賴氨酸的ε-NH2與CO2形成氨基甲酯后與Mg2+鍵合生成酶-CO2-Mg2+活性復(fù)合體的過程[43]。本研究中,La脅迫下裸燕麥葉片Rubisco活性顯著下降(表5),這一方面可能與La脅迫下光反應(yīng)活性降低前饋抑制暗反應(yīng)有關(guān),另一方面可能是La3+取代Mg2+影響了Rubisco的活化過程。而外源H2O2有效減緩了La脅迫下Rubisco活性的下降(表5),這可能與外源H2O2能夠提高活性氧清除能力減輕葉綠體傷害程度有關(guān)[7],但其具體機制有待探究。RuBP作為光合暗反應(yīng)中CO2的受體,其再生過程相關(guān)酶1,7-二磷酸景天庚酮糖酯酶(SBPase)活性的略微下降則導(dǎo)致CO2固定的明顯抑制[44]。1,6-二磷酸果糖醛縮酶(FBAase)和轉(zhuǎn)酮醇酶(TKase)在催化光合C3循環(huán)反應(yīng)中控制著CO2的固定[45]。因此,SBPase、FBAase和TKase是光合C3循環(huán)中的關(guān)鍵酶。本研究表明,La脅迫下裸燕麥葉片SBPase、FBAase和TKase活性顯著下降,H2O2預(yù)處理使La脅迫下裸燕麥葉片的SBPase和FBAase活性降幅顯著減小,但TKase活性的變化不大(表5)。說明外源H2O2可以調(diào)控植物光合碳同化過程,H2O2通過提高光合碳同化關(guān)鍵酶活性促進(jìn)La脅迫下裸燕麥幼苗光合作用的進(jìn)行。白曉娟等[20]研究指出,H2O2緩解水稻Cd毒害的作用與H2O2降低Cd向地上部的轉(zhuǎn)運、提高巰基物質(zhì)(還原型谷胱甘肽、非蛋白巰基和植物絡(luò)合素)解毒作用密切相關(guān)。張玲等[46]研究發(fā)現(xiàn),H2O2預(yù)處理減輕裸燕麥Cd引發(fā)的氧化傷害與植株SOD、CAT、POD活性和GSH/GSSG比值提高有關(guān)。而外源H2O2提高La脅迫下植物光化學(xué)效率和碳同化關(guān)鍵酶活性的生理和分子生物學(xué)機制尚需進(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

外源H2O2通過增加PSⅡ反應(yīng)中心的開放比例,調(diào)節(jié)激發(fā)能在PSⅠ和PSⅡ間的均衡分配,提高了光能轉(zhuǎn)換效率,從而降低了La脅迫對裸燕麥幼苗葉片PSⅡ反應(yīng)中心的損傷；并通過PSⅡ捕獲激發(fā)能用于光化學(xué)猝滅比例的提高及天線熱耗散和反應(yīng)中心非光化學(xué)耗散份額的降低,減輕了La脅迫下裸燕麥幼苗葉片過剩激發(fā)能引起的光抑制,而依賴葉黃素循環(huán)的非輻射能量耗散并未成為La脅迫下H2O2保護(hù)光合機構(gòu)的重要機制。另外,外源H2O2還通過誘導(dǎo)光合暗反應(yīng)關(guān)鍵酶活性升高,增強了La脅迫裸燕麥幼苗的碳同化能力,進(jìn)而緩解了La脅迫對裸燕麥幼苗生長的抑制。