银杏叶片生长和衰老过程中叶绿体光合能力的变化及其叶绿素荧光动力学研究

摘要

本研究以大田栽培的十年生银杏实生苗为试材,研究了自然条件下叶片生长和衰老过程中叶绿体光合能力的变化及其叶绿素荧光动力学特性；以盆栽三年生银杏实生苗为试材,研究了叶绿素荧光参数对温度变化的响应。结果表明:
　　 1、生长过程中叶绿体光合能力的变化
　　 随着叶片的展开,叶片叶绿素(包括叶绿素a与b)含量、可溶性蛋白含量、鲜重和干重逐渐增加；叶绿体光合磷酸化活性、ATP含量、Ca2+-ATPasc和Mg2+-ATPasc的活性、叶绿体放氧活性以及PSⅡ、PSⅠ和全电子链的电子传递活性、净光合速率(Pn)和Fv/Fm逐渐提高；ABS/CS和TRo/CS较多而DIo/CS非常少；淀粉粒不断积累。这些结果表明光合器官在展叶过程中逐步发育和完善,展叶过程中叶片吸收的光能主要用于固定CO2,相对叶面积可作为叶片发育成熟程度的可靠标志之一。幼叶的Fv/Fm和ETo/RC仅略低于完全展开叶,表明相对叶面积达到32％后,幼叶的原初光化学反应己基本建成。而相对叶面积达到71％时,净光合速率才达到完全展开叶片的70％左右,表明幼叶的光合能力主要受碳同化暗反应的限制。幼叶细胞中由SOD、APX,CAT和POD组成的抗氧化酶保护系统及时建立起光保护的相关机制,使幼叶在田间自然强光下没有产生严重的光抑制。虽然展叶过程中叶片类胡萝卜素含量变化不大,但幼叶类胡萝卜素含量与叶绿素含量之比显著高于全展叶片,且随着叶面积的增加该比值下降。展叶过程中叶绿体的超微结构有着明显改变,基粒类囊体逐渐丰富,片层结构更为发达,排列更加整齐,光合机构逐步完善。总之,叶绿体的光合能力随着叶片展开而逐渐增强。
　　 2、衰老过程中叶绿体光合能力的变化
　　 总叶绿素含量在叶片全展后迅速下降,表明叶片的衰老在其全展后即已起始。在衰老过程中,叶绿素a含量始终要高于叶绿素b。类胡萝卜素含量在衰老过程中几乎没有变化,而类胡萝卜素与叶绿素比值随着叶片的衰老而呈上升的趋势,在衰老末期尤为显著。衰老末期,类胡萝卜素在避免过剩激发能对光合系统的破坏方面可能起着重要作用。叶绿体中ATP含量、叶绿体放氧活性、电子传递活性、光合磷酸化活性、Ca2+-ATPasc和Mg2+-ATPase的活性均随着叶片的衰老不断下降,且Mg2+-ATPase活性明显强于Ca2+-ATPasc活性。随着叶片的衰老,其叶绿体内SOD、APX、POD和CAT四种酶酶活性均呈先升高后降低的趋势,衰老后期活性最高。直到衰老末期,四种酶酶活性才同时大幅下降。表明叶绿体在叶片全展到衰老后期期间一直保持着较高的活性氧清除的酶促能力。叶片衰老过程中其叶绿体的超微结构也发生了显著变化:随着叶片的衰老,叶绿体内基质片层变得松散,叶绿体体积逐渐膨大,形态以不正常的圆形为主,类囊体膜的结构遭到破坏,基粒类囊体膜逐渐松散或消融,基质逐渐散失,嗜锇滴变大并逐渐增多。随着衰老的加剧,叶绿体开始解体,被膜破裂,内含物减少,内部结构出现破坏,最后叶绿体完全解体。总之,叶绿体的光合能力随着叶片的衰老而不断下降。
　　 3、生长过程中的叶绿素荧光动力学
　　 Wk在12:00-15:00之间出现高峰,ψEo及Ψo在8:00-12:00之间逐渐下降,表明光抑制情况下PSⅡ反应中心供体侧和受体侧功能都受到暂时抑制。中午时段,ABS/RC和TRo/RC明显增加,RC/CS明显下降,表明中午时的强光、高温伤害了PSⅡ的反应中心,使PSⅡ的光能转效率下降,导致过剩激发能增加。而DIo/RC增加,说明叶片在中午时段启动了某种能量耗散机制,以耗散过剩激发能。Fv/Fm和Fv/Fo一天中均先下降后上升在13点左右达到最低点,说明此时叶片的PSⅡ活性中心受损,光合作用原初反应过程受抑制。PIabs一天中也先下降后上升在13点左右达到最低点,但下降和上升的幅度比Fv/Fm大得多,说明随着光温的日变化,PIabs比Fv/Fm变化更敏感。随着光温的日变化,银杏叶片展叶过程中无论是幼叶还是成熟叶片,Fv/Fm、PIabs以及Fv/Fo在一天中均先下降后上升,并都在13点左右达到最低点,但19时都能基本恢复到早7时的水平。说明中午时的强光、高温虽然伤害了PSⅡ的反应中心,但这只是PSⅡ反应中心发生可逆失活,光合机构并未受到不可逆损伤。
　　 4、衰老过程中的叶绿素荧光动力学.
　　 叶片衰老过程中前期、中期和后期的快速叶绿素荧光诱导动力学曲线均具有O、J、I、P相等典型特征位点,衰老末期则不明显。在日变化过程中,J、I、P等相荧光在早7时相对较高,后逐渐降低,于13时左右达到最低值,然后又逐渐升高,衰老前期、中期和后期于18时左右基本恢复到早7时的水平,而衰老末期则明显不能恢复,表明衰老末期光合机构已发生不可逆损害。随着光温的日变化,衰老前期、中期和后期叶片的Fv/Fm、PIabs以及Fv/Fo在一天中均先下降后上升,且低谷均出现在12点左右。衰老末期叶片的Fv/Fm和Fv/Fo也先下降后上升,低谷在12点左右,而衰老末期PIabs在一天中几乎不变,维持在非常低的水平。随着叶片的衰老,Wk逐渐上升,J、I、P等相荧光明显下降,Fv/Fm、Fv/Fo、PIabs、ψEo和Ψo逐渐下降,表明衰老过程中PSⅡ的供体侧和受体侧功能都受到了伤害。ABS/RC和TRo/RC明显增加,ET。/RC几乎没有变化,DIo/RC也逐渐增加,RC/CS明显下降,表明随着叶片的衰老,PSⅡ的反应中心逐渐受到损伤,使PSI/的光能转化效率下降,导致过剩激发能增加。总之,随着叶片的衰老,光合机构被逐渐破坏,到衰老末期已发生不可逆损害。
　　 5、温度对叶绿素荧光动力学的影响
　　 温度变化(5℃.30℃)对银杏叶片的J、I、P等相荧光都产生一定影响,其中以J相荧光变化比较明显。在5℃-15℃之间,IP相后的可变荧光略有上升；而在20℃-30℃之间IP相后的相对可变荧光则明显下降,说明20℃-30℃为固定CO2的适宜温度,温度降低(5℃-15℃)则明显抑制了叶片固定CO2的能力。在5℃-30℃之间,Wk、Fo、Fm、Fv/Fm几乎没有变化,表明在此温度范围内PSⅡ的供体侧没有受到伤害,叶片没有受到光抑制。ψEo和Ψo随着温度降低而逐渐下降,表明降低温度使得PSⅡ反应中心受体侧相对电子传递速率降低。以室温25℃为对照,无论温度降低或升高,RC/CS均上升,而ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC及DIo/RC均下降。说明25℃为银杏叶片进行光化学反应的最适温度。总之,5℃-30℃之间的温度对PSⅡ的供体侧没有影响,对PSⅡ电子传递速率和PSⅡ反应中心能量分配影响很小。