林业科学  2006, Vol. 42 Issue (11): 8-11   PDF    
0

文章信息

马博英, 徐礼根, 蒋德安.
Ma Boying, Xu Ligen, Jiang De'an.
模拟酸雨对假俭草叶绿素荧光特性的影响
Effects of Simulated Acid Rain on Chlorophyll Fluorescence Characteristics in Eremochloa ophiuroides
林业科学, 2006, 42(11): 8-11.
Scientia Silvae Sinicae, 2006, 42(11): 8-11.

文章历史

收稿日期:2005-11-17

作者相关文章

马博英
徐礼根
蒋德安

模拟酸雨对假俭草叶绿素荧光特性的影响
马博英1, 徐礼根2, 蒋德安2     
1. 浙江教育学院生物系 杭州 310012;
2. 浙江大学生命科学学院植物生理与生物化学国家重点实验室 杭州 310058
摘要: 研究模拟酸雨(pH 2.5、pH 3.0)对假俭草叶绿素荧光特性的影响。结果表明:酸雨6 h胁迫引起假俭草PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ潜在活性(Fv/F0)、光化学猝灭系数(qP)、PSⅡ电子传递量子产率(ФPSⅡ)、光合电子传递速率(ETR)和非光化学猝灭系数(NPQ)下降, pH 2.5处理比pH 3.0处理的下降幅度大; 酸雨处理停止24 h后, Fv/FmFv/F0qP、ФPSⅡETRNPQ回升; 酸雨处理停止48 h后, 回升至接近对照。研究还表明, 利用非损伤的叶绿素荧光技术可快速检测草对环境因子变化的响应。
关键词: 模拟酸雨    假俭草    叶绿素荧光    
Effects of Simulated Acid Rain on Chlorophyll Fluorescence Characteristics in Eremochloa ophiuroides
Ma Boying1, Xu Ligen2, Jiang De'an2     
1. Department of Biology, Zhejiang Education Institute Hangzhou 310012;
2. State Key Lab. of Plant Physiology and Biochemistry, College of Life Sciences, Zhejiang University Hangzhou 310058
Abstract: Eremochloa ophiuroides was used to study the effects of acid rain stress on chlorophyll fluorescence characteristics.The results showed that maximal photochemical efficiency of PSⅡ(Fv/Fm), potential activity of PSⅡ(Fv/F0), photochemical quenching(qP), quantum yield of PSⅡ electron transport(ΦPSⅡ), electron transport rate of PSⅡ(ETR), non-photochemical quenching(NPQ)in leaves were reduced after 6 h stress with acid rain.The decline of above parameters in treatment with pH 2.5 were faster and larger than that with pH3.0.Fv/FmFv/F0qP、ФPSⅡETR、NPQ in treatment began to be gradually recovered after the treatment ended for 24 h, and up to the level of control after the treatment ended for 48 h.The results also demonstrated the potential use of this fast and noninvasive techniques———chlorophyll fluorescence to screen for different acid rain tolerant genotypes and to detect the physiological response of grasses to different environmental factors.
Key words: simulated acid rain    Eremochloa ophiuroides    chlorophyll fluorescence    

当前, 酸雨已成为全球和区域生态环境恶化的主要原因之一, 酸雨的成因及其对土壤、水体、大气、建筑物、动植物、微生物等的危害以及如何有效控制酸雨, 已引起广泛关注(汪家权等, 2004)。近年来, 有关酸雨对各种植物生长及生理影响的研究已有大量报道(庄捷等, 2006; 齐泽民等, 2004)但针对野生草、乡土草的研究较少(吴杏春等, 2004), 而野生草、乡土草在水土保持、国土绿化和环境净化中发挥着重要作用。

假俭草(Eremochloa ophiuroides)又称中国草坪草, 原产于中国及东南亚, 是世界著名的暖季型草坪草和水土保持草, 属禾本科蜈蚣草属, 多年生草本植物, 也是蜈蚣草属中惟一可用作草坪草的物种。1916年首次将假俭草引种到美国, 现在美国的东南部广泛种植(苟文龙等, 2002; Islam et al., 2005; 孙吉雄, 2004)。假俭草叶形优美, 植株低矮, 铺展能力强, 是世界三大暖季型草坪草之一。目前, 中国有95 %的草种依赖于进口, 唯假俭草、结缕草与狗牙根等少数草种为中国原产和特有的乡土草种(徐礼根等, 2004)。乡土草种适应能力强、养护管理要求低, 因此种植和维护也较容易。假俭草喜在酸性土壤中生长, 耐旱、耐贫瘠, 且具有抗SO2等有害气体及吸附尘埃的功能(孙吉雄, 2004)。在其他植物难以生长或生长不良的酸性区域, 假俭草可能对植被重建和生态修复有潜在价值。

植物叶绿素荧光分析技术是近年发展起来的用于光合作用机理研究和光合生理状况检测的一种新技术, 尽管该技术已在植物的抗逆生理(Wang et al., 2006; Havaux et al., 2005)、作物育种栽培(Varotto et al., 2000)、植物生态(吴楚等, 2005)等方面得到了广泛的应用, 但迄今很少用于草坪草研究(李雪芹等, 2006)。本文利用叶绿素荧光技术, 对假俭草在模拟酸雨条件下的叶绿素荧光参数进行测定, 研究酸雨对假俭草叶绿素荧光特性的影响, 探讨酸雨对假俭草光合系统影响的机制, 为筛选和利用抗酸雨草种提供理论参考。

1 材料与方法 1.1 材料培养与处理

假俭草, 野生, 采自浙江温州山区, 移植于蛭石基质中, 试验盆直径13 cm, 下接水培营养液(1/4浓度国际水稻配方营养液), 每周换1次, 在浙江大学华家池校区人工智能温室内培养, 昼夜温度分别为25 ℃和18 ℃, 相对湿度70 %±5 %, 培养1个月后进行试验(草圈的直径大于60 cm)。

在试验前先做不同酸度的预试验, 发现pH 3.5和pH 4.5的酸雨处理对假俭草的叶绿素荧光几乎没有急性毒理影响, 并确定用pH 2.5、pH 3.0这2个对假俭草的叶绿素荧光有一定影响的处理酸度进行深入试验。模拟酸雨的配制:由于浙江东南部, SO2和NOx对酸性沉降起重要的作用, 一般硫酸和硝酸的摩尔比为5:1, 故用化学纯硫酸和硝酸按摩尔比5:1配成混合酸母液, 蒸馏水稀释调节到相应的pH值(2.5和3.0), 以蒸馏水作为对照。

试验设置2个处理组和1个对照组, 每个处理和对照重复3次, 每个处理组喷洒1种pH值的模拟酸雨。在6 h内每隔30 min喷洒模拟酸雨1次, 喷洒至叶片彻底湿润, 每盆每次喷洒约100 mL, 共喷洒12次。

试验选取长势一致的假俭草的第2片完全展开叶(从上往下)于酸雨处理6 h后、酸雨处理停止24 h(恢复24 h)和48 h(恢复48 h)后测定叶绿素荧光参数。

1.2 光合作用和叶绿素荧光参数的测定

在各处理的生长条件下, 用Li-6400便携式光合系统测定仪测定光合速率, 用荧光叶室6400-40(美国, Li-Cor公司)测定荧光参数, 将待测草坪草暗室暗适应20 min后, 先照射检测光(< 0.05 μmol·m-2s-1)测定叶片的初始荧光(Fo), 再用饱和白光(7 200 μmol·m-2s-1)光照1 s测得最大荧光(Fm), 同一样品在持续的光化学活性光(PFD为1 200 μmol·m-2s-1)下, 得到稳态荧光(Fs), 再用饱和光(PFD 6 000 μmol·m-2 s-1)照射, 得到光下最大荧光(F'm), 关闭光化学活性光, 照射远红光以测量光适应的F'o。PS Ⅱ最大光化学效率Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm, 光化学猝灭系数qP=(F'm-Fs)/(F'm-F'o), PS Ⅱ电子传递量子产率ФPS Ⅱ=(F'm-Fs)/F'm(Genty et al., 1989), 非光化学猝灭系数NPQ=(Fm-F'm)F'm(Bilger et al., 1990), 光合作用电子传递速率ETR=[(F'm-Fs)F'm]fIαleaf(f为所吸收的量子被PS Ⅱ利用的比例, Ⅰ为光通量密度, αleaf为叶片对光的吸收系数)。以上所有测定均重复3次。

2 结果与分析 2.1 酸雨对假俭草Fv/FmFv/F0的影响

Fv/Fm是PS Ⅱ最大光化学效率, 反映的是PS Ⅱ原初光能转化效率(Maxwell et al., 2000; Demmig-Adams et al., 1996), Fv/Fo代表PS Ⅱ的潜在活性(Krause et al., 1991; 邱栋梁等, 2002)。由图 1可见, 酸雨处理6 h后, 假俭草的Fv/Fm下降, 其中pH 2.5处理组的下降幅度大于pH 3.0处理组, Fv/Fo的变化趋势与Fv/Fm基本一致。酸雨处理停止后24 h, Fv/Fm回升, 至酸雨处理停止后48 h, Fv/Fm回升至接近对照, Fv/FmFv/Fo的恢复, 显示PS Ⅱ反应中心利用光能的效率、PS Ⅱ的潜在活性逐步恢复。

图 1 酸雨对假俭草Fv/FmFv/Fo的影响 Fig. 1 Effects of simulated acid rain on Fv/Fm and Fv/Fo of E.ophiuroides T1 :未处理; T2 :胁迫6 h; T3 :恢复24 h; T4 :恢复48 h。T1 : Before treatment; T2 : Stress for 6 h; T3 :Recovery for 24 h; T4 :Recovery for 48 h.下同The same below.
2.2 酸雨对假俭草qPNPQ的影响

光化学猝灭系数(qP)反映的是PS Ⅱ天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额, 要保持较高的光化学猝灭就要使PS Ⅱ反映中心处于“开放”状态, 所以光化学猝灭在一定程度上反映了PS Ⅱ反应中心的开放程度(Genty et al., 1989), qP越大, QA-重新氧化成QA的量越多, 即PS Ⅱ的电子传递活性越大。由图 2可见, 酸雨处理6 h后, 减少了假俭草叶绿体PS Ⅱ反应中心开放部分的比例, 因关闭部分的PS Ⅱ反应中心不能进行稳定电荷分离, 从而抑制了其光合电子传递能力, 其中pH 2.5处理组的减少幅度大于pH 3.0处理组, 酸雨处理停止24 h后, PS Ⅱ反应中心开放部分的比例逐步提高, 光合电子传递能力加强, 至酸雨处理停止48 h后, 提高至接近对照水平。

图 2 酸雨对假俭草qPNPQ的影响 Fig. 2 Effects of simulated acid rain on qPNPQ of E.ophiuroides

NPQ是非光化学猝灭的表示方法之一(Bilger et al., 1990), 表示PS Ⅱ天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉的部分。由图 2可见, 酸雨处理6 h后, 假俭草的NPQ下降, 酸雨处理停止24 h后, 过剩光能通过增加热耗散来消耗, 至酸雨处理停止48 h后, NPQ已恢复至接近对照水平。

2.3 酸雨对假俭草ФPSⅡETR的影响

PS Ⅱ电子传递量子产率(ФPS Ⅱ)表示作用光存在时PS Ⅱ的实际光量子效率, 反映了PS Ⅱ反应中心在环境胁迫中有部分关闭情况下的实际原初光能捕获效率, 也是实际的PS Ⅱ反应中心进行光化学反应的效率(Carrasco et al., 2002), 由图 3证实, 酸雨处理6 h后, 光化学反应效率、电子传递速率均下降, 胁迫停止后, 即能逐渐回升。

图 3 酸雨对假俭草ФPS ⅡETR的影响 Fig. 3 Effects of simulated acid rain on ФPSⅡETR of E. ophiuroides
3 讨论

叶绿素荧光猝灭分析技术常用于检测植物光合机构对环境胁迫的响应(吴楚等, 2005; 罗俊等, 2004; 冯玉龙等, 2002)。模拟酸雨处理使假俭草的Fv/FmFv/F0NPQ下降, 揭示假俭草叶绿体的PS Ⅱ反应中心受到伤害, 电子从PS Ⅱ反应中心到QA、QB和PQ的运输受到阻碍, 这也影响了反应中心色素的激发能向PS Ⅱ转运。qP、ФPS ⅡETR的降低亦证实了光合电子传递的受阻(Griffin et al., 2004), 而植物在进行光合作用时电子传递总是与光合磷酸化相偶联, 形成碳同化合成有机物的能量ATP, 非循环光合磷酸化以NADP接受Z链电子还原成NADPH, 胁迫下光合电子传递受抑, 会抑制为光合碳同化提供ATP和NADPH, 从而影响假俭草的正常光合作用。

已有研究表明, 草坪草对环境胁迫的响应在生理指标(MDA含量、叶绿素含量、膜脂含量、电导率、抗氧化系统、光合速率等)上有一定的变化(Huang et al., 1998; 何亚丽等, 2002; Larkindale et al., 2004; 马博英等, 2005)。曾有报导以狗牙根、马尼拉、高羊茅3个不同类型的草坪草品种为材料, 试验了90天模拟酸雨对草坪草叶绿素含量、抗氧化酶活性、丙二醛(MDA)含量和质膜透性等生理指标的影响, 证明酸雨对草坪草生理指标的影响作用较叶片可见伤害更为敏感(吴杏春等, 2004)。本试验6 h的酸雨处理, 假俭草并未表现出可见的伤害斑, 说明酸雨对假俭草叶绿素荧光参数的影响作用较叶片可见伤害、其他生理指标更为敏感、快速, 叶绿素荧光猝灭分析技术为检测草类植物响应酸雨等环境因素作出的生理变化、筛选抗酸雨的草品种提供了一种无损伤、简便、快捷、有效的方法。

停止酸雨处理48 h后, 上述叶绿素荧光参数的相应指标即可恢复至接近对照, 说明假俭草光合系统对酸雨胁迫有一定的修复能力。重视研究能抵御环境压力(如酸雨)的草坪地被植物, 选择对酸雨有一定耐性的草类植物(如假俭草)进行先期绿化, 对维护和提高草坪草质量、美化和净化环境、修复受损的生态系统有重要的实践意义。

参考文献(References)
冯玉龙, 曹坤芳, 冯志立, 等. 2002. 夜间低温对不同光强下生长的两种热带树苗光合作用的影响. 植物生理与分子生物学学报, 28(6): 433-440.
苟文龙, 白史且, 张新全, 等. 2002. 假俭草遗传多样性及应用研究进展. 中国草地, 2: 48-52.
何亚丽, 刘友良, 陈权, 等. 2002. 水杨酸和热锻炼诱导的高羊茅幼苗的耐热性与抗氧化的关系. 植物生理与分子生物学学报, 28(2): 89-95.
李雪芹, 徐礼根, 金松恒, 等. 2006. 4种草坪草叶绿素荧光特性的比较. 园艺学报, 33(1): 164-167. DOI:10.3321/j.issn:0513-353X.2006.01.038
罗俊, 张木清, 林彦铨, 等. 2004. 甘蔗苗期叶绿素荧光参数与抗旱性关系研究. 中国农业科学, 37(11): 1718-1721. DOI:10.3321/j.issn:0578-1752.2004.11.024
马博英, 徐礼根, 金松恒, 等. 2005. 多效唑浸种对黑麦草耐热性的影响. 园艺学报, 32(6): 1118-1120. DOI:10.3321/j.issn:0513-353X.2005.06.034
齐泽民, 王玄德, 宋光煜. 2004. 酸雨对植物影响的研究进展. 世界科技研究与发展, 26(2): 36-41. DOI:10.3969/j.issn.1006-6055.2004.02.007
邱栋梁, 刘星辉, 郭素枝. 2002. 模拟酸雨对龙眼叶片气体交换和叶绿素荧光参数a的影响. 植物生态学报, 26(4): 441-446. DOI:10.3321/j.issn:1005-264X.2002.04.010
孙吉雄. 2004. 草坪学. 2版. 北京: 中国农业出版社, 100-101.
汪家权, 吴劲兵, 李如忠, 等. 2004. 酸雨研究进展与问题探讨. 水科学进展, 15(4): 526-530. DOI:10.3321/j.issn:1001-6791.2004.04.023
吴楚, 王政权, 孙海龙, 等. 2005. 氮磷供给对长白落叶松叶绿素合成、叶绿素荧光和光合速率的影响. 林业科学, 41(4): 31-36. DOI:10.3321/j.issn:1001-7488.2005.04.006
吴杏春, 林文雄, 洪清培, 等. 2004. 模拟酸雨对草坪草若干生理指标的影响. 草业科学, 21(8): 88-92. DOI:10.3969/j.issn.1001-0629.2004.08.023
徐礼根, 谭志坚, 谭继清. 2004. 美国结缕草品种来源和应用区域. 园艺学报, 31(1): 124-129. DOI:10.3321/j.issn:0513-353X.2004.01.035
庄捷, 陈奋飞, 陈岩松, 等. 2006. 酸雨对林木伤害的研究. 西部林业科学, 35(1): 129-133. DOI:10.3969/j.issn.1672-8246.2006.01.028
Bilger W, Bjorkman O. 1990. Role of the xanthophyll cycle in photoprotection elucidated by measurements of light-induced absorbance changes, fluorescence and photosynthesis in Hedera canariensis. Photosynththesis Research, 25(3): 173-185. DOI:10.1007/BF00033159
Carrasco R M, Rodriguez J S, Perez P. 2002. Changes in chlorophyll fluorescence during the course of photoperiod and in response to drought in Casuarina equisetifolia forst. Photosynthetica, 40(3): 363-368. DOI:10.1023/A:1022618823538
Demmig-Adams B, Adams Ⅲ W W, Barker D H, et al. 1996. Using chlorophyll fluorescence to assess the fraction of absorbed light allocated to thermal dissipation to of excess excitation. Physiologia Plantarum, 98(2): 253-264.
Genty B, Briantais J M, Baker N R. 1989. The relationship between the quantum yield of photosynthesis electron transport and quenching of chlorophyll fluorescence. Biochimica et Biophysica Acta, 990: 87-92. DOI:10.1016/S0304-4165(89)80016-9
Griffin J J, Ranney T G, Pharr D M. 2004. Photosynthesis, chlorophyll fluorescence, and carbohydrate content of Illicium taxa grown under varied irradiance. Journal of the America Society for Horticultural Science, 129(1): 46-53. DOI:10.21273/JASHS.129.1.0046
Havaux M, Eymery F, Porfirova S, et al. 2005. Vitamin E protects against photoinhibition and photooxidative stress in Arabidopsis thaliana. The Plant Cell, 17(12): 3451-3469. DOI:10.1105/tpc.105.037036
Huang B R, Liu X Z, Fry J D. 1998. Shoot physiological responses of two bentgrass cultivars to high temperature and poor soil aeration. Crop Science, 38: 1219-1224. DOI:10.2135/cropsci1998.0011183X003800050018x
Islam M A, Hirata M. 2005. Centipedegrass(Eremochloa ophiuroides(Munro)Hack.): Growth behavior and multipurpose usages. Grassland Science, 51(3): 183-190. DOI:10.1111/j.1744-697X.2005.00014.x
Krause G H, Weis E. 1991. Chlorophyll fluorescence and photosynthesis: the basics. Annual Review Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 42: 313-349. DOI:10.1146/annurev.pp.42.060191.001525
Larkindale J, Huang B R. 2004. Changes of lipid composition and saturation level in leaves and roots for heat-stressed and heat-acclimated creeping bentgrass (Agrostis stolonifera). Environmental and Experimental Botany, 51: 57-67. DOI:10.1016/S0098-8472(03)00060-1
Maxwel K, Johnson G N. 2000. Chlorophyl fluorescence-a practical guide. Journal of Experimental Botany, 51(345): 659-668. DOI:10.1093/jexbot/51.345.659
Varotto C, Pesaresi P, Maiwald D, et al. 2000. Identification of photosynthetic mutants of Arabidopsis by automatic screening for altered effective quantum yield of photosystem Ⅱ. Photosynthetica, 38(4): 497-504. DOI:10.1023/A:1012445020761
Wang P, Duan W, Takabayashi A, et al. 2006. Chloroplastic NAD(P) H dehydrogenase in tobacco leaves functions in alleviation of oxidative damage caused by temperature stress. Plant Physiology, 141(2): 465-474. DOI:10.1104/pp.105.070490