劉會芳，韓宏偉，王 強(qiáng)，莊紅梅，王 浩

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝作物研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】哈密瓜(Cucumismelovar. saccharinus)是新疆的特色優(yōu)勢作物。哈密瓜是喜光、溫作物，設(shè)施栽培的哈密瓜，因光照時(shí)間縮短、光照強(qiáng)度減弱，光合效率降低，導(dǎo)致果實(shí)中糖分積累減少，造成品質(zhì)下降[1]。研究哈密瓜光合作用調(diào)控機(jī)制，培育高光效、耐弱光品種是提高設(shè)施哈密瓜品質(zhì)的關(guān)鍵。植物葉片顏色突變通常是葉綠體發(fā)育異常或葉綠素代謝途徑發(fā)生基因突變引起的。葉色突變體不僅可以作為形態(tài)學(xué)標(biāo)記，簡化良種繁育過程中雜交種子純度鑒定工作[2]，還是開展植物光合作用機(jī)制、光形態(tài)建成、葉綠體結(jié)構(gòu)與功能等基礎(chǔ)研究的理想材料，對植物基因功能鑒定、互作機(jī)制、表達(dá)調(diào)控等研究也具有重要的科學(xué)價(jià)值。【前人研究進(jìn)展】近年來，有利用水稻[3-4]、玉米[5]、甘藍(lán)型油菜[6-7]、薄皮甜瓜[8]等多種作物的葉色突變體材料開展了突變的農(nóng)藝性狀、生理及分子機(jī)制的研究?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】針對快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)特性研究，瓜類中黃瓜有過研究，但哈密瓜未見報(bào)道。哈密瓜突變體的相關(guān)研究也未見報(bào)道。研究哈密瓜葉色黃綠突變體Cmygl-1快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)特性?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以1個(gè)哈密瓜葉片顏色黃化自然突變體Cmygl-1為材料，前期試驗(yàn)中對其光合氣體交換參數(shù)測定發(fā)現(xiàn)，在弱光與低濃度CO2環(huán)境中，突變體有較高的凈光合速率。研究哈密瓜葉色黃化突變的光合機(jī)理，為設(shè)施哈密瓜高光效品種改良提供支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

以從新疆哈密瓜地方品種炮臺紅的高代自交系中獲得的葉色黃綠自然突變體(Cmygl-1)(MT)及其葉色正常的野生型近等基因系(WT)為材料。均由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝作物研究所蔬菜栽培課題組提供。

1.2 方 法

分別播種突變體(Cmygl-1)(MT)及其葉色正常的野生型(WT)各30株，相同管理，待其生長至兩葉一心，選擇完好的功能葉片測定快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線，每個(gè)品種重復(fù)5株。

快速葉綠素 a 熒光誘導(dǎo)曲線測量采用便攜式植物效率分析儀 M-PEA(Hansatech，英國)。所有葉片測定前均暗適應(yīng)20 min。根據(jù) Strasser 等(2000)[9]的方法計(jì)算以下熒光參數(shù)：Mo、Sm、ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC、DIo/RC、φPo、ψo(hù)、φEo、φRo、φDo、RC/CSo 、ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo、DIo/CSo、PI(abs)、VJ。數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2003，作圖采用Origin75和Microsoft Excel 2003。

2 結(jié)果與分析

2.1 突變體快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線

研究表明，突變體葉片的O-J-I-P曲線形狀發(fā)生了變化，F(xiàn)m大幅降低且到達(dá)所需時(shí)間較短，曲線整體較為平緩，拐點(diǎn)不明顯。且突變體葉片熒光產(chǎn)額整體低于野生型，初始熒光Fo和最大熒光Fm均顯著小于野生型植株，產(chǎn)額分別相差1 751.6、19 664。突變體的光合機(jī)構(gòu)已經(jīng)破壞。圖1～3

研究表明，突變體及野生型植株葉片的O-P標(biāo)準(zhǔn)化曲線，標(biāo)準(zhǔn)化公式是相對熒光值F=(Ft-Fmin)/(Fmax-Fmin)。標(biāo)準(zhǔn)化后的突變體O-P曲線整體抬高，J點(diǎn)和I點(diǎn)均高于野生型，O點(diǎn)和P點(diǎn)重合。

ΔVt是將突變體相對可變熒光VJ，野生型相減所得，反映ΔK-(300 μs)、ΔJ-(2 ms)和ΔI-( 30 ms)band 的值。ΔK-band、ΔJ-band、ΔI-band均大于0，突變體的放氧復(fù)合體(OEC)有一定程度的破壞，失去活性導(dǎo)致QA-有大量積累，同時(shí)ΔI-band > 0，QB2-合成減少，分析得出QA 與QB 之間的電子傳遞受到嚴(yán)重抑制，PSII受體側(cè)已經(jīng)破壞。WK是將突變體快速熒光曲線標(biāo)準(zhǔn)化后所得到的曲線，標(biāo)準(zhǔn)化公式是WK=(Ft-Fo)/(FJ-Fo)，ΔWK=WK，突變體-WK，野生型，反映ΔL-(130 μs)band的值。ΔL-band略大于0，且K點(diǎn)不太明顯，PSII復(fù)合物之間連接緊密度降低，導(dǎo)致能量傳遞的暢通性降低。圖4

2.2 突變體葉片JIP-test參數(shù)

研究表明，突變體葉片的Ψo、φpo、φEo、φRo、PI(abs)均小于野生型，φDo相反。單位面積內(nèi)的能量傳遞和變化情況顯示，突變體葉片的ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo、RC/CSo均小于野生型，DIo/CSo相反。突變體葉片的ETo/RC小于野生型，TRo/RC與野生型相等，ABS/RC、DIo/RC均大于野生型。突變體反應(yīng)中心能夠吸收較多光能，但電子傳遞能力不夠，最終只能通過增加熱耗散的能量份額，降低過多能量對反應(yīng)中心的損害。圖5

3 討 論

正常條件下，有活性的PSII捕獲光能，通過電子傳遞和耦聯(lián)的光合磷酸化形成同化力，推動碳同化反應(yīng)[10]。試驗(yàn)中的野生型哈密瓜葉片O-J-I-P曲線，曲線有典型的 O、J、I、P 4個(gè)拐點(diǎn)，但突變體對應(yīng)曲線J- I- P三相間的曲線已經(jīng)趨于水平，拐點(diǎn)不明顯，標(biāo)準(zhǔn)化后的曲線相對野生型 J、I 2點(diǎn)抬高，O、P點(diǎn)重合，且出現(xiàn)了陽性的K- band和L- band。有研究表明，J點(diǎn)的抬高意味著 QA處電子傳遞效率下降[11-12]，且J-I相的升高可能是由于 PSII活性反應(yīng)中心數(shù)量減少，也可能是由于活性 PQ分子的相對數(shù)量減少[13]。Strasser[14-15]等的研究顯示，K- band可以反映線性電子傳遞鏈供體側(cè)OEC的受損程度和 PSII供體側(cè)的電子傳遞能力；而L-band可以反映PSII各組分的連通性。對相對可變熒光ΔVt曲線和ΔWk曲線分析可知，突變體 K- band(0.311 4)、L- band(0.116 9)均大于0，且初始熒光和最大熒光均顯著小于野生型，說明突變體的供體側(cè)放氧復(fù)合體和受體側(cè)均有一定程度的損壞，PSII復(fù)合物之間連接不夠緊密，電子傳遞能力減弱，導(dǎo)致QA-大量積累。

Ψo、φEo、φRo、φDo等參數(shù)是表示植物能量分配的熒光參數(shù)。試驗(yàn)突變體材料中，Ψo、φRo、φEo均大幅減少，為了消耗過多的激活的激子，熱耗散的比率(φDo)增加。 ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo、DIo/CSo在一定程度下反映了在 QA 可還原的狀態(tài)時(shí)單位 PSII的活性。分析可知，突變體材料中 PSII的活性降低，單位面積吸收、捕獲和用于電子傳遞鏈中的光能(ABS/CSo、TRo/CSo、ETo/CSo)均降低，熱耗散(DIo/CSo)增加。其中RC/CSo數(shù)值的降低會導(dǎo)致反應(yīng)中心循環(huán)次數(shù)增加。 ETo/ RC、 TRo/ RC、 ABS/ RC、 DIo/ RC反映了單位反應(yīng)中心能量分配比率，突變體材料單位PSII吸收的能量2倍于野生型，但捕獲的能量于野生型相等， 用于電子傳遞的能量比率約占野生型30，而熱耗散的比率則6倍于野生型。在這里引入2個(gè)概念，捕獲的光能占吸收光能的比率( TRo/ ABS)和 QA-處的電子轉(zhuǎn)運(yùn)效率( ETo/ TRo)， 突變體與野生型分別是0.381、0.784和0.133、0.486，突變體對應(yīng)值的降低，說明 PSII的光能利用率以及電子經(jīng)過 QA的速率降低， 最終導(dǎo)致φ Ro、 PI( abs)均下降。

4 結(jié) 論

突變體材料的ABS/RC增加而ABS/CSo降低，PSII反應(yīng)中心數(shù)量減少。TRo/RC與野生型相同而ETo/RC降低，反應(yīng)活性也大幅降低，相對可變熒光ΔVt曲線和ΔWk曲線也證實(shí)了這一點(diǎn)。結(jié)合ΔL-band略大于0，且K點(diǎn)不太明顯，得出電子傳遞效率低的主要原因應(yīng)是反應(yīng)中心數(shù)量的劇烈減少。反應(yīng)中心雖能吸收較多能量，但能夠捕獲的很少，能夠傳遞到電子傳遞鏈中的更少，其余均通過熱耗散形式散失了。最終導(dǎo)致PSII最大光化學(xué)效率φRo和綜合性能指數(shù)PI(abs)降低。光合作用從類囊體膜上的葉綠素吸收光能開始，捕光色素蛋白質(zhì)復(fù)合物將捕獲光能，并將電子迅速傳遞給PSII反應(yīng)中心。