Na2CO3 胁迫下星星草叶绿素荧光动力学研究

汪月霞

指导教师：孙国荣 教授

本报告的主要内容

目前地球的土地状况植物受到胁迫的分类植物抵抗胁迫（抗逆性）的机制星星草叶绿素荧光动力学研究

1.1. 目前地球 的土地状况目前地球 的土地状况

Areas of greatest Areas of greatest

aquifer depletion, aquifer depletion, saltwater intrusion saltwater intrusion and groundwater and groundwater contamination in contamination in US.US.

地球上可用于农业耕作土地的分配

胁迫引起作物大幅度减产胁迫引起作物大幅度减产

所以 , 保护农业耕作土地非常重要 , 而研究和反展那些能抗逆境的植物尤其迫切 . 星星草就是一种盐碱耐性较强的禾本科牧草，经人工种植后能够在碱斑地上生长发育，对盐碱土壤具有改良作用 .

2. 植物受到胁迫的分类 2.1 生物胁迫： 病、虫、杂草 动物 人为因素等。

• 2.2 非生物胁迫：

• 水分（旱、涝）； 盐； 温度（热、冷、冻）； 辐射（可见、紫外） ； 化学物质（杀虫剂、重金属、空气污染）。

3 3 植物抵抗胁迫（抗逆性）的机制植物抵抗胁迫（抗逆性）的机制• 3.1 3.1 避逆避逆 (avoidance)(avoidance) 机制机制 ————物种进化形成的组成物种进化形成的组成

性性的适应的适应 ..• 3.23.2 耐逆耐逆 (tolerance)(tolerance) 机制机制 ——调整生理反应机制——调整生理反应机制

（驯化）（驯化）以适应胁迫。以适应胁迫。

3.2 植物驯化过程通过改变基因表达方式来形成抗逆性的生理反应机制

而星星草它是通过耐逆 (tolerance) 机制 ——调整生理反应机制（驯化）以适应胁迫的 .

4 星星草叶绿素荧光动力学研究 众所周知，光合作用是植物最重要的生命活动之一，

研究光合作用对盐胁迫的响应，对于阐明盐胁迫对植物的伤害机理和提高作物的抗盐性十分必要的 ,光合机理 ( 示意图1, 示意图2) 。

光 合 作 用

叶绿素分子对光的吸收及能量的释放示意图叶绿素分子对光的吸收及能量的释放示意图

PS (Ⅰ 上 )PS (Ⅱ 下 ) 反应中心结构模式

叶绿素荧光动力学是近年来在光合作用机理研究中发展起来的一种新型、快速、简便、精确且整体无损伤检测植物光合作用生理状况的新技术。

目前，植物体内叶绿素荧光动力学，在植物抗性生理学、生态学及农业方面的应用都有一些研究，但对其与植物耐盐性关系尤其是碱性盐的研究很少。因此，本文研究了 Na2CO3 胁迫对星星草叶绿素荧光的影响，以期揭示植物荧光动力学与其耐盐性的关系，为研究星星草耐盐生理机制以及植物的抗盐生理积累资料。

4.1         材料与方法 4.1.1 材料培养及处

理：用容积为 600ml的塑料盆装满珍珠岩，加注 Hoagland 培养液至珍珠岩表面湿润，然后将星星草种子均匀撒在其上 .

4.1.2 待幼苗长到二叶期以上进行盐胁迫处理。用漏斗加 10% Na2CO3 至珍珠岩底层，并补充相应数量的 Hoa

gland 培养液到达原湿润程度，使塑料盆中 Na2CO3 溶液浓度分别为 0 ， 0.2 ， 0.4 ， 0.6 ， 0.8 ， 1.0 ， 1.2（ % ）。

4.2 方法测定

相对电导率测定渗透势测定

叶绿素荧光参数的测定

• 4.2.1 相对电导率测定

当盐胁迫处理 7 天后，按照 Maribel L. Dionisio-Sese 的方法用 326 电导率仪测定星星草叶片的电导率。

当盐胁迫处理 7 天后，按照 Maribel L. Dionisio-Sese 的方法用 326 电导率仪测定星星草叶片的电导率。

4.2.2 渗透势测定

在盐胁迫处理 7d 后，采用 5520 型蒸压计渗压计 (Hansatech 公司 ) 来测定培养基质和星星草叶片的渗透势

盐盐胁胁迫迫处处理理七七天天后后

叶绿素荧光参数

4.2.3 叶绿素荧光参数的测定

FMS2 型便携式调制荧光分析仪(Hansatech 公司 )

(天线吸收的光能用于天线热耗散的相对份额 )

(天线吸收的光能用于天线热耗散的相对份额 )

Fv/Fm( 光系统 II(PS II)的最大光化学效率 )

ΦPSII(PSII实际光化学效率 )

ETR ( 电子传递速率 )

Fv’/Fm’

(PSⅡ 有效光化学量子效率 )

qP

( 光化学淬灭系数 )

qNP( 非光化学淬灭系数 )

Fv/Fo( 光系统 II 的潜在光化学效率 )

EEP

( 光合天线吸收的光能被用于光化学反应的相对份额 )

PR

光化学速率

HDR(热耗散速率 )

HD

4.3 数据统计分析

采用 SigmaPlot2000统计软件进行相关分析和作图，图中数据均为 6次重复实验的平均值

4.4. 4 4 结果与分析结果与分析

4.4.1 培养基质渗透势与 Na2CO3 浓度的关系 ( 图 1)

4.4.2 星星草幼苗渗透势与 Na2CO3 浓度的关系 ( 图 2)

4.4.3 星星草叶片电解质外渗率与 Na2CO3

胁迫浓度的关系 ( 图 3)

Fig 3. Relationship between Na2CO3 concentration

and EC of leaves of P.tenuiflora (Y=0.0920-0.1199X+0.2007X2,R2=0.9349,n=7,P<0.01)

Na2CO3 concentration (%)0.0 .2 .4 .6 .8 1.0 1.2 1.4

EL

%

.06

.08

.10

.12

.14

.16

.18

.20

.22

.24

.26

.28

Na2CO3 concentration(%)

0.0 .2 .4 .6 .8 1.0 1.2 1.4

OP

CS

(ba

r)

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

Fig 1. Relationship between Na2CO3 concentration and osmotic potential of culture solution of P.tenuiflora (Y=-2.6014-4.1738X,R2=0.9940,n=7,P<0.0001)

Na2CO3 concentration(bar)0.0 .2 .4 .6 .8 1.0 1.2 1.4

OP

L(ba

r)

-24

-22

-20

-18

-16

-14

-12

-10

Fig 2. Relationship between Na2CO3 concentration and osmotic potential of leaves of P.tenuiflora(Y=-10.8517-9.7172X,R2=0.8896,n=7,P<0.01)

4.4.4.1 星星草叶片 Fv/Fm (Fv/Fm 是 PSII 在非胁迫条件下参数值在 0.85左右，变化极小 ) ﹑ Fv/Fo ﹑ ΦPSII (ΦPSII 表示光系统 II 反应中心受到环境胁迫时，存在部分反应中心关闭情况下的实际原初光能转化效率 ) ﹑ETR 与 Na2CO3 胁迫强度的关系 ( 图 4,5,6,7)

4.4.4 叶绿素荧光参数与 Na2CO3 浓度的 关系

Fig 4.relationship between Na2CO3 concentration and Fv/Fm of leaves of P.tenuiflora (Y=0.8013+0.0416X-0.0609X2,R2=0.8692,n=7,P<0.05)

Na2CO3 concentration(%)

0.0 .2 .4 .6 .8 1.0 1.2 1.4

Fv/

Fm

.75

.76

.77

.78

.79

.80

.81

.82

Fig5.The relationship between Fv/Fo of leaves of P.tenuiflora and Na2CO3 concentration

(Y=4.0763+0.7616X-1.2094X2,R2=0.8725,P<0.01)

Na2CO3 concentration(%)0.0 .2 .4 .6 .8 1.0 1.2 1.4

Fv/

Fo

3.0

3.2

3.4

3.6

3.8

4.0

4.2

4.4

Fig 6. Relationship between Na2CO3 concentration and

PSII of leaves of P.tenuiflora (Y=0.5166+0.0788X,

R2=0.8400,n=7,P<0.01)

Na2CO3 concentration (%)0.0 .2 .4 .6 .8 1.0 1.2 1.4

PS

II

.50

.52

.54

.56

.58

.60

.62

.64

Fig 7. Relationship between Na2CO3 concentration and

ETR of leaves of P.tenuiflora .(Y=2.2722+0.7216X,R2=0.9524,n=7,P<0.001)

Na2CO3 concentration(%)0.0 .2 .4 .6 .8 1.0 1.2 1.4

ET

R

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

3.2

4.4.4.2 Fv’/Fm’ (Fv’/Fm’指类囊体能化时 PSⅡ固有效率，反映开放的 PSⅡ 反映中心原初光能转化效率 ) qP ( qP 为荧光光化学淬灭效率，主要反映处于激发态的 PSII 反应中心通过电荷分离进行原初光化学反应，产生去激能力的大小 ,也是对 PSII 原初电子受体ＱＡ氧化态的一种量度，代表 PSII 反应中心开放部分的比例 , 可以反映光合电子链的电子传递速度 ) qNP ( 反映了ＰＳ

Ⅱ反应中心非光化学能量耗散能力的大小 ) ﹑EEP ( 光合天线吸收的光能 ) 与 Na2CO3 胁迫强度的关系 ( 图

8,9,10,11)

Fig 8. Relationship between Na2CO3 concentration and

Fv'/Fm' of leaves of P.tenuiflora .(Y=0.7710+0.0150X

-0.0487X2,R2=0.9051,n=7,P<0.01)

Na2CO3concentration(%)0.0 .2 .4 .6 .8 1.0 1.2 1.4

Fv'

/Fm

'

.71

.72

.73

.74

.75

.76

.77

.78

Fig 9.Relationship between qP of leaves of P.tenuiflora and Na2CO3concentration

(Y=0.6574+0.1388X,R2=0.9083,P<0.001)

Na2CO3 concentration(%)0.0 .2 .4 .6 .8 1.0 1.2 1.4

q p

.64

.66

.68

.70

.72

.74

.76

.78

.80

.82

.84

Fig 10.Relationship between nP of leaves of P.tenuiflora and Na2CO3 concentration

Na2CO3 concentration(%)0.0 .2 .4 .6 .8 1.0 1.2 1.4

nP

.14

.15

.16

.17

.18

.19

.20

Fig11. relationship between energy expense for photochemistry of leaves of P.tenuiflora and Na2CO3 concentration

(Y=0.5151+0.0717X,R2=0.7717,P<0.01)

Na2CO3 concentration(%)0.0 .2 .4 .6 .8 1.0 1.2 1.4

EE

P

.50

.52

.54

.56

.58

.60

.62

4.4.4.3 星星草叶片光化速率﹑光合天线吸收的光能被用于热耗散的相对份额﹑天线色素热耗散与 Na2CO3 浓度的

关系 ( 图12,13,14)

Fig12.The relationship between Na2CO3 concentration

and photochemical rate of leaves of P.tenuiflora

(Y=5.394+1.6309X,R2=0.9363,P<0.001)

Na2CO3 concentration(%)0.0 .2 .4 .6 .8 1.0 1.2 1.4

PR

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

Fig13.Relationship between heat dissipation of leaves of P.tenuiflora and Na2CO3 concentration

(Y=0.2193+0.0434X,R2=0.7863,P<0.01)

Na2CO3 concentration (%)0.0 .2 .4 .6 .8 1.0 1.2 1.4

HD

.21

.22

.23

.24

.25

.26

.27

.28

.29

Fig.14 Relationship between Na2CO3 concentration and heat dissipation rate of leaves of P.tenuiflora (Y=2.2886+0.8577X,R

2=0.9209,P<0.001)

Na2CO3 concentration (%)0.0 .2 .4 .6 .8 1.0 1.2 1.4

HD

R

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

3.2

3.4

3.6

4.5 小结与讨论

本实验结果表明，在超过 0.4% 浓度的 Na2CO3

胁迫下，星星草叶片的电解质外渗率显著增加，说明其在一定浓度的 Na2CO3 胁迫下，膜系统才开始受到伤害，进而减小了叶绿体最大光化学效率 Fv/Fm ，这与很多胁迫下的报道都一致 .

同时，它也减小了 PSII潜在光化学效率 Fv/Fo ，减小了 PSII 有效光化学量子效率 Fv’/Fm’ 。这说明一定浓度的 Na2CO3 胁迫使光系统 II受到了损伤。

在热、高辐射、盐和矿物质的胁迫下， PSII实际光化学效率 ΦPSII 减小都曾有过报道 , 然而，本实验中星星草实际光化学效率 ΦPSII 的结果却随着胁迫浓度的增大而增大，这说明 Na2CO3 胁迫使星星草吸收的光能用于电子传递的部分越来越大，这与电子传递速率（ ETR ）增大的结果是一致的。但是这与一些在 NaCl 胁迫状态下的研究结果相反 ,推测这可能是由于在胁迫情况下，星星草所具有的“补偿”理论，即为了抵抗一定的胁迫，使 PSII 反应中心开放的部分比例增大，促进了光合电子传递速度也增大，荧光光化学猝灭系数（ qP ）也增大，以此来保证它在胁迫下能继续生存。

在超过 0.4% 浓度的 Na2CO3 胁迫下，光化学速率、热耗散速率都也都随着胁迫浓度的增大而增大 .

星星草幼苗的超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性随着 Na2CO3 胁迫强度的增强而维持在较高的水平 (孙国荣， 2001)

PSII 原初光能转化效率（ Fv/Fm) 、 PSII潜在光化学效率（ Fv/Fo) 和开放的 PSII反应中心原初光能转化效（ Fv’/Fm’ ) 均随着 Na2CO3 胁迫的增强而减小 . 而实际原初光能转化效率（ ΦPSII) 、捕光色素吸收的光能被用于光化学反应的相对份额（ EEP) 、电子传递速（ ETR) 、光化学速率（ PR) 、捕光色素吸收的光能被用于热耗散的相对份额（ HD) 及热耗散速率（ HDR ）则随着 Na2CO3 胁迫的增强而增大。

这些研究结果不仅说明在小于 0.4%Na2CO3 胁迫下星星草幼苗可能存在精细的渗透调节机制调节着气孔开度，使其光合作用得以顺利进行 .

而且暗示着星星草幼苗在不同强度 Na2CO3 胁迫下存在着不同的方式以调节光能吸收与利用之间的平衡。

同时也说明星星草幼苗在高强度 Na2CO3 胁迫下具有与其它植物不同的保护机制，可能通过两条途径耗散过剩的光能，一方面通过增加捕光色素吸收的光能被用于热耗散的相对份额（ HD ） , 及热耗散速率（ HDR ；另一方面通过增大实际原初光能转化效率（ ΦPSII) 、捕光色素吸收的光能被用于光化学反应的相对份额（ EEP ）、电子传递速率（ ETR ）、光化学速率（ PR ），增强假循环式光合磷酸化过程，而由此引起的活性氧的增加则通过体内较高活性的保护酶系统来清除，以保护光合器免受过剩光能的损伤。

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