張振文，林立銘，余厚美，李開(kāi)綿，陳松筆

(中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 熱帶作物品種資源研究所/農(nóng)業(yè)部木薯種質(zhì)資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家薯類加工技術(shù)研發(fā)分中心，海南 儋州 571737)

溫度對(duì)木薯葉片葉綠素?zé)晒饧癛ubisco酶的影響

張振文，林立銘，余厚美，李開(kāi)綿，陳松筆*

(中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 熱帶作物品種資源研究所/農(nóng)業(yè)部木薯種質(zhì)資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家薯類加工技術(shù)研發(fā)分中心，海南 儋州 571737)

木薯；葉片；葉綠素?zé)晒猓粶囟?；Rubisco

光合生理是淀粉積累和產(chǎn)量形成的生物學(xué)基礎(chǔ)，其生理生態(tài)過(guò)程一直是植物應(yīng)用基礎(chǔ)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。隨著新型的葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，這種快速、無(wú)損傷、能較好地反映植物葉片光合功能的技術(shù)，已經(jīng)成為研究植物葉片光合生理過(guò)程的重要技術(shù)手段，在植物葉片光合生理和抗逆性研究中得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。植物葉綠色熒光絕大部分是由光合系統(tǒng)Ⅱ天線葉綠素a發(fā)出的，與光合作用過(guò)程的各個(gè)步驟密切偶聯(lián)，任何一步的變化都會(huì)影響到光合系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)，從而引起熒光變化，進(jìn)而反映了光合作用過(guò)程的變化，是光合作用的有效探針[5]。研究表明，熒光參數(shù)與溫度關(guān)系密切，在低溫脅迫下木薯葉片葉綠素含量和熒光參數(shù)出現(xiàn)不同程度的差異[6-8]，且不同品種間存在顯著性差異[9]，同時(shí)誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒膺€可以有效地降低葉片花葉病發(fā)病程度[10]。同樣，作為木薯葉光合作用中關(guān)鍵酶之一的1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(Rubisco)，其活性和表達(dá)量也受溫度的影響，與凈光合速率基本保持一致[11]，但在高溫脅迫下不同品種間的葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)和光合系統(tǒng)中所需Rubisco的表達(dá)情況如何，尚不清楚。

為此，本文以木薯盆栽苗為研究對(duì)象，探討了葉片葉綠素?zé)晒庠诓煌瑴囟葪l件下的變化，分析不同品種在不同溫度下其光合生理和Rubisco酶表達(dá)情況，有利于了解木薯苗期葉片對(duì)溫度的耐受能力，為木薯高產(chǎn)栽培技術(shù)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料來(lái)源于中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所木薯種質(zhì)資源圃保存的3個(gè)品種，分別是華南5(ManihotesculentaCrantz. cv. M. South China 205，SC205)、華南8號(hào)(ManihotesculentaCrantz. cv. M. South China 8，SC8)和從泰國(guó)引進(jìn)的KU50，以及從國(guó)際熱帶農(nóng)業(yè)中心(CIAT)引進(jìn)的野生木薯(ManihotglazioviiMueller von Argau，Wild)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

Fv=Fm-F0

1.2.2 蛋白質(zhì)印跡 塊根總蛋白提取參考莊盈婷[12]的丙酮沉淀法，抗體使用試劑盒(Agrisera公司生產(chǎn))。

1.3 統(tǒng)計(jì)與分析

采用Sigmaplot 11.0軟件制作圖表，利用Gel-Pro Analyzer 4.0分析蛋白質(zhì)印跡，并利用SAS 8.1軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 光化學(xué)量子效率

圖1 不同木薯品種最大光量子產(chǎn)量比較

然而，從實(shí)際光化學(xué)量子效率PhiPS2(ΦPSⅡ)來(lái)看，KU50和Wild在不同溫度條件下，其PhiPS2均顯著高于栽培中的SC205和SC8(圖2)，且達(dá)到極顯著差異(表1)，可見(jiàn)國(guó)內(nèi)主要栽培品種SC205和SC8的實(shí)際光能利用率不高，遠(yuǎn)低于KU50和Wild。此外，在25 ℃條件下，SC205和SC8葉片的PhiPS2極顯著高于其他溫度條件，說(shuō)明25 ℃是該品種木薯苗期葉片光合作用較為適應(yīng)的溫度，適應(yīng)我國(guó)木薯種植地的氣溫條件。

表1 不同品種木薯苗期葉片熒光參數(shù)方差分析

表2 不同溫度木薯苗期葉片熒光參數(shù)方差分析

圖2 不同木薯品種實(shí)際光量子產(chǎn)量比較

2.2 光化學(xué)淬滅系數(shù)

光化學(xué)淬滅(qP)反映PSⅡ天線色素分子吸收光能后，用于光化學(xué)電子傳遞的份額，因此也反映了色素天線吸收的光能用于光合電子傳遞的變化，由光合作用引起的熒光淬滅，反映了光合活性的高低[14]；同時(shí)，qP也反映PhiPS2初級(jí)電子受體(QA)氧化還原狀態(tài)的變化。要保持高的光化學(xué)淬滅，就要使PSⅡ反應(yīng)中心處于開(kāi)放狀態(tài)。本研究發(fā)現(xiàn)，qP在KU50和Wild的葉片中極顯著高于SC205和SC8(圖3-A)，與PhiPS2的變化基本一致，且不同溫度條件下qP差異不顯著，說(shuō)明KU50和Wild對(duì)環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)。SC205和SC8這2個(gè)品種卻在25 ℃時(shí)才表現(xiàn)出較高的光化學(xué)活性，并在45 ℃時(shí)達(dá)到最低水平(圖3-A)，說(shuō)明高溫對(duì)這2個(gè)品種苗期葉片光合十分不利，處于光抑制狀態(tài)。

在非光化學(xué)猝滅(NPQ)系數(shù)中，NPQ反映了由于內(nèi)囊體膜內(nèi)基質(zhì)酸化而引起的內(nèi)囊體膜能化的能量耗散，能量耗散主要發(fā)生在天線色素上，跨類囊體膜質(zhì)子梯度的形成是引起NPQ變化的必要條件，反映了植物過(guò)剩光能。本研究發(fā)現(xiàn)，25 ℃下，葉片剩余的光能較多，而45 ℃時(shí)相對(duì)較少，說(shuō)明葉片吸收后的光能未能被充分利用，其中KU50和Wild葉片的NPQ在不同溫度條件下均極顯著高于SC205和SC8(圖3-B，表1)，說(shuō)明這2個(gè)品種的光補(bǔ)償點(diǎn)低于常規(guī)栽培品種SC205和SC8。

圖3 光化學(xué)和非光化學(xué)淬滅系數(shù)

2.3 Rubisco差異表達(dá)分析

一直以來(lái)，核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)是探討作物光合機(jī)理的重要限速酶，存在于葉綠體基質(zhì)中，是C3植物光合作用的關(guān)鍵羧化酶，催化CO2固定和參與光呼吸。研究表明：增強(qiáng)Rubisco酶活力是提高光合作用的重要途徑，而環(huán)境溫度是影響其活化狀態(tài)的主要原因[15]。木薯是一種高光效的熱帶作物，含有一定的量Rubisco酶。本研究表明，隨著溫度的升高4個(gè)品種對(duì)溫度的響應(yīng)存在差異。在45 ℃高溫下，KU50和野生品種葉片中Rubisco酶具有較高的表達(dá)，且野生品種(Wild)在45 ℃條件下，其表達(dá)量極顯著高于25 ℃，但栽培種SC8和SC205在45 ℃時(shí)Rubisco表達(dá)量最低；在15 ℃低溫下，SC205的Rubisco表達(dá)量最高，并呈現(xiàn)隨著溫度升高而降低的趨勢(shì)(圖4)。

3 結(jié)論與討論

3.1 溫度對(duì)熒光參數(shù)的影響

圖4 不同溫度下木薯葉片Rubisco差異表達(dá)分析

3.2 溫度對(duì)Rubsico酶活性的影響

Rubisco酶是光合碳同化作用的關(guān)鍵酶，是調(diào)節(jié)光合和光呼吸，從而決定凈光合的一個(gè)關(guān)鍵酶，具有熱不穩(wěn)定性，其羧化、加氧活性受環(huán)境溫度影響十分明顯[20]。多數(shù)研究表明，影響植物光合作用的各種生態(tài)因子都通過(guò)Rubisco而起作用[21]。本研究表明，隨著溫度的升高，野生品種葉片中Rubisco表達(dá)的量增加，說(shuō)明野生種適應(yīng)高溫條件，這與野生種高溫條件葉片的高熒光效率相一致。對(duì)于栽培種，一般認(rèn)為光合最適溫度為25 ℃，但3個(gè)栽培品種僅有SC8的Rubisco表達(dá)量在25 ℃時(shí)達(dá)最高，而KU50甚至出現(xiàn)最低，這很可能是不同品種Rubisco活化酶(RCA)對(duì)溫度的響應(yīng)并不一致[21]。

由此可知，木薯葉片葉綠素?zé)晒庑逝c溫度和品種密切相關(guān)，而葉片葉綠素?zé)晒庑士梢蚤g接地反映RCA含量的變化情況，也間接反映出Rubisco酶的活性。然而，木薯葉片中還存在另一個(gè)碳同化的途徑，不同溫度條件下，這2個(gè)碳同化途徑是如何協(xié)同調(diào)節(jié)木薯葉片的光合作用有待進(jìn)一步研究。

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(責(zé)任編輯：曾小軍)

Effects of Temperature on Chlorophyll Fluorescence Parameters and Rubisco Activity in Cassava Leaves

ZHANG Zhen-wen, LIN Li-ming, YU Hou-mei, LI Kai-mian, CHEN Song-bi

(Institute of Tropical Crop Genetic Resources, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / Key Laboratory of Conservation and Utilization of Cassava Genetic Resources, Ministry of Agriculture / National Center of Potato Processing Technique Research and Development, Danzhou 571737, China)

Cassava; Leaf; Chlorophyll fluorescence; Temperature; Rubisco

2016-07-05 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.31371684)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-12)；農(nóng)業(yè)部木薯種質(zhì)資源創(chuàng)新利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 共同資助項(xiàng)目。

張振文,副研究員，主要從事木薯光合和采后生理研究。*通訊作者：陳松筆。

S533

A

1001-8581(2017)01-0001-05