不同光、温对冷敏感植物黄瓜与耐冷植物Rumex K-1 PSⅠ和PSⅡ光化学活性的影响

摘要

光合系统II(PSII)与光合系统I(PSI)共同组成了光合线性电子传递链,但两系统对温度/光胁迫存在着不同的敏感性。我们以冷敏感植物黄瓜(津春-4号)和起源于北纬45度的耐低温植物杂交酸膜(Rumex K-1(Patientia×R.tianschaious))为实验材料,通过测定光合气体交换、放氧活性、叶绿素口调制式脉冲荧光、820nm光透射与叶绿素α快相荧光同步信号、活性氧(ROS)与活性氧清除酶活性、叶绿体的超微结构等,研究了低温和高温在不同光强条件下对植物叶片光合机构的影响。主要结果如下： 1.在4℃与300 μmolm-2S-1PFD胁迫下,黄瓜叶片饱和光下的CO2同化速率和最大放氧速率出现急剧的下降,PSI的最大光化学效率(ΔI/Io)显著下降,同时PSII最大光化学效率(Fv/Fm)降低,表明发生了低温光抑制。在黄瓜与Rumex K-1叶片中,我们均发现:PSI光化学活性(△I/Io)的下降明显快于PSII捕获光量子驱动电子到QA-后电子传递链的效率(Ψo)。以上结果表明,对冷敏感植物黄瓜和耐冷植物Rumex K-1来说,PSI均为低温光抑制主要位点。 2.低温光胁迫下,黄瓜叶片PSII开放反应中心的捕光效率(Fv’/Fm’)和光下PSII实际,光化学效率(φPSII)均出现明显的降低,同时,电子传递链还原程度(1-qP)显著增强。我们在黄瓜和Rumex K-1叶片上均看到PSII活化压的增加与PSI光抑制间存在密切的关系。这可能是PSI光抑制限制了PSII的电子向PSI传递,增加了电子受体QA的还原状态。同时,QA-的积累可减少流向PSI的电子,这可以减缓对PSI的进一步的光抑制。 3.低温光下,虽然黄瓜叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性升高,但过氧化物酶(CAT),抗坏血酸.谷胱甘肽循环中的关键酶：抗坏血酸过氧化物酶(APX),谷胱甘肽还原酶(GR)和脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)的活性在逐步失活,单脱氢抗坏血酸还原酶(MDHAR)则几乎不变化,同时,叶片H2O2,O-·2和丙二醛(MDA)含量逐渐积累。以上事实说明虽然黄瓜叶片SOD活性升高,但其他抗氧化酶系统活性的下降,不能有效地清除积累的活性氧,从而导致细胞的氧化破坏。 4.与耐冷植物Rumex K-1相比,在低温光胁迫下,黄瓜叶绿体膜脂组分的变化更为剧烈,其中磷脂酰胆碱(PC)、磷脂酰甘油(PG)以及硫代异鼠李糖基甘油二酯(SQDG)的不饱和度下降幅度更大。这可能是导致黄瓜PSII和PSI光化学活性以及放氧复合体活性对低温比较敏感原因之一。 5.黄瓜叶绿体对低温-光胁迫更加敏感。低温下,黄瓜类囊体逐渐扭曲和膨胀,叶绿体内膜形成小泡,最终,叶绿体被膜瓦解,使得基质与胞质组分出现混合。而Rumex K-1叶绿体能够进行有效的避光运动,其叶绿体的机构几乎未受低温-光胁迫的影响。我们认为,在过剩光能条件下,叶绿体避光运动在减少光能吸收,降低叶绿体的氧化胁迫方面具有重要的生理意义。 6.高温(40℃)黑暗条件下,冷敏感植物黄瓜叶片放氧活性及PSI,PSII光化学活性不受影响,而耐冷植物Rumex K-1的放氧活性显著降低,PSII最大光化学效率下降,同时PSI反应中心色素P700还原明显地变缓。 7.40℃,照光条件下,黄瓜光合系统活性维持稳定。100μmolm-2s-1光下Rumex K-1的OEC活性和PSII光化学活性几乎不受影响,同时P700+还原速率保持稳定。而300μmolm-2s-1光下,Rumex K-1的PSII,OEC活性受到轻微地抑制,导致P700+还原速率出现轻微的下降。以上结果表明高温下,冷敏感植物黄瓜具有较高的热稳定性,而耐冷植物RumexK-1的OEC和PSII表现为热敏感性,在高温胁迫下PSII电子供应能力显著下降,限制了P700+的还原。

目录

论文说明：中英文缩写(Abbreviations)

声明

摘 要

1.引言

1.1光在光合作用中的双重作用

1.2低温对植物的影响

1.2.1低温对膜脂的影响及膜脂饱和度与低温耐性间的关系

1.2.2低温下PSI光抑制

1.2.3低温下PSII光抑制

1.2.4低温下线粒体呼吸优化光合碳同化，保护叶绿体免受光抑制

1.2.5低温对叶绿体超微结构，叶绿体运动影响

1.2.6低温胁迫下的光破坏防御机制

1.3高温对植物影响

1.3.1高温对植物光合作用的影响

1.3.2高温下PSⅡ的光抑制

1.3.3高温对植物生物膜的影响

1.4本研究的目的、意义

2.材料与方法

2.1材料培养

2.2光抑制处理

2.3.实验方法

2.3.1光合气体交换参数的测定

2.3.2放氧活性的测定

2.3.3叶绿素α荧光参数测定

2.3.4叶绿素α荧光诱导动力学OJIP曲线的测定与JIP-test分析

2.3.5 P700的820 nm光透射

2.3.6叶绿体色素的测定

2.3.7 O2--和H2O2的测定

2.3.8 MDA测定

2.3.9活性氧清除酶的活性测定

2.3.10可溶性蛋白的测定

2.3.11类囊体膜脂含量的测定方法

2.3.12超薄切片的制作与电子透射电镜的观察

2.4.统计与分析

3.结果与分析

3.1低温光抑制

3.1.1低温黑暗对PSII光化学性质的影响

3.1.2低温黑暗对PSI光化学性质的影响

3.1.3室温弱光(100 μmolm-2s-1PFD)对叶片光化学性质的影响

3.1.4室温中等光(300 μmolm-2s-1PFD)对叶片光化学活性影响

3.1.5低温中等光下叶片的光抑制

3.1.6低温中等光下叶片色素的变化

3.1.7低温中等光下活性氧的积累与清除酶系统的变化

3.1.8低温中等光胁迫下光合机构活性的变化

3.1.9低温光胁迫下类囊体膜脂组分变化

3.1.10低温胁迫下线粒体呼吸的变化

3.1.11低温胁迫下叶绿体运动与叶绿体超微结构的变化

3.2 高温对光合机构的影响

3.2.1室温黑暗对PSⅡ的影响

3.2.2高温黑暗对光合机构的影响

3.2.3高温下光合机构的光破坏保护作用

4.讨论

4.1冷敏感和耐冷植物的低温光抑制

4.2冷敏感和耐冷植物的高温光抑制

4.3活性氧代谢与低温光抑制的关系

4.4叶绿体膜脂的变化与低温光抑制的关系

参考文献

致谢

攻读学位期间论文发表及撰写情况