稀土鈰對UV-B輻射脅迫下植物光合作用光反應(yīng)的影響研究.pdf

1、臭氧層衰減誘發(fā)UV-B輻射抵達(dá)地球表面增加，對陸生植物的影響引起學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。探討稀土對UV-B輻射脅迫傷害植物的影響與機(jī)理，是稀土環(huán)境植物學(xué)研究的拓展和延伸，其結(jié)果可為減輕UV-B輻射傷害植物的防護(hù)對策提供參考。本文采用水培方法，以油料作物大豆(Glycinemax)、品種“墾農(nóng)18”為試驗(yàn)材料，研究稀土鈰對UV-B輻射脅迫下植物光合作用光反應(yīng)的影響。探討了Ce(Ⅲ)對UV-B輻射脅迫下植物光合作用原初反應(yīng)、電子傳遞、光合放氧及光合

2、磷酸化的影響機(jī)制，并利用電鏡技術(shù)同步觀察大豆葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)在上述條件下的相應(yīng)變化。主要內(nèi)容如下： i.確定了Ce(Ⅲ)對大豆幼苗的“劑量-效應(yīng)”和“時(shí)間-效應(yīng)” 通過葉面噴施不同劑量Ce(Ⅲ)，考察大豆幼苗光合速率(Pn)動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)各個(gè)劑量處理下Pn連續(xù)15d動(dòng)態(tài)變化規(guī)律不盡相同，證實(shí)Ce(Ⅲ)對大豆幼苗光合作用的影響具有劑量效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)。20mg·L-1Ce(Ⅲ)處理下Pn的增幅最大，且增幅維持較高水平的時(shí)間

3、最長，由此確定，該劑量為本實(shí)驗(yàn)中的適宜劑量(下同)。 ii.確定了大豆苗期UV-B輻射的適宜劑量和時(shí)間 測定不同UV-B輻射劑量下大豆葉片Pn變化，發(fā)現(xiàn)UV-B輻射劑量與葉片Pn呈顯著負(fù)相關(guān)。與對照植株相比，UV-B輻射強(qiáng)度為0.15W·m-2時(shí)，Pn顯著降低；為0.45W·m-2時(shí)，Pn的降幅＞50％。因此確定，0.15W·m-2和0.45W·m-2UV-B輻射為本實(shí)驗(yàn)中的低(T1)、高(T2)效應(yīng)劑量。 ii

4、i.發(fā)現(xiàn)Ce(Ⅲ)可緩解UV-B輻射對大豆光合作用傷害 Ce(Ⅲ)能提高大豆幼苗葉綠素(Chl)與類胡蘿卜素(Car)含量、氣孔導(dǎo)度(Gs)、飽和光光合速率(Ps)、飽和CO2光合速率(Pm)、表觀量子效率(AQY)與羧化效率(CE)，在一定程度上減緩了因UV-B輻射降解葉綠素、增加氣孔阻力、降低量子產(chǎn)額、光合磷酸化和二磷酸核酮糖羧化酶(RuBP羧化酶)活性而導(dǎo)致的Pn下降。Car含量增加能有效防止UV-B輻射引起Chl發(fā)生光氧

5、化，減輕了UV-B輻射對光系統(tǒng)的損傷。動(dòng)態(tài)測定結(jié)果顯示，由于Ce(Ⅲ)介導(dǎo)，減緩了5項(xiàng)指標(biāo)在UV-B輻射期(1～5d)的下降趨勢，而加快了在UV-B輻射結(jié)束后(6～11d)的上升速度，縮短了恢復(fù)歷程，最終呈現(xiàn)較好的恢復(fù)效果，且低劑量的恢復(fù)效果好于高劑量。Pn與Chl含量、Gs、AQY及CE相關(guān)性分析結(jié)果表明，不同劑量UV-B輻射對植物光合作用的影響機(jī)制存在差異。如低劑量下Pn變化更多受Chl含量和AQY影響，高劑量下Pn消長主要與CE與

6、Gs相關(guān)。另外，不同UV-B輻射劑量下，Ce(Ⅲ)緩解Pn遞減的機(jī)制不盡一致。低劑量輻射下，Ce(Ⅲ)對AQY的調(diào)控對Pn影響最大，而在高劑量下，Ce(Ⅲ)維持較高Gs與CE活性最為關(guān)鍵。 iv.證明Ce(Ⅲ)可減輕UV-B輻射對大豆光合原初反應(yīng)過程和電子傳遞的抑制 研究發(fā)現(xiàn)，Ce(Ⅲ)促使大豆幼苗Fv/F0、Fv/Fm、φPSⅡ、ETR、qP、qN顯著升高，在一定程度上緩解了UV-B輻射脅迫降低原初光能轉(zhuǎn)化效率、抑制P

7、SⅡ潛在活性、阻礙電子傳遞而造成的光合功能下降。其中，qN的增大能有效增強(qiáng)植物用于保護(hù)光合系統(tǒng)的熱耗散能力，減輕UV-B輻射對PSⅡ的損傷。綜合Ce(Ⅲ)對UV-B輻射脅迫下大豆幼苗Fv/Fm、ETR、qP及qN動(dòng)態(tài)影響的結(jié)果可知，由于Ce(Ⅲ)介導(dǎo)，減緩了Fv/Fm、ETR及qP在脅迫期(1～5d)的下降趨勢，加快了在恢復(fù)期(6～11d)的上升速度，縮短恢復(fù)歷程，最終呈現(xiàn)良好的恢復(fù)效果，且低劑量UV-B輻射的緩解與恢復(fù)效果優(yōu)于高劑量。

8、qN變化則既反映了Ce(Ⅲ)對UV-B輻射脅迫下植物光合器官自身保護(hù)機(jī)制有促進(jìn)作用，也體現(xiàn)了Ce(Ⅲ)提高UV-B輻射脅迫下葉片吸收光能總量是改善整個(gè)原初反應(yīng)受阻的主要因素。Pn與Fv/Fm、ETR、qP及qN的相關(guān)性分析結(jié)果表明，UV-B脅迫對植物葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)的影響存在顯著的劑量-效應(yīng)關(guān)系，且對光合作用原初反應(yīng)過程和電子傳遞各環(huán)節(jié)影響機(jī)制存在差異。如低劑量脅迫下Pn變化明顯受ETR與qN變化的影響，且Fv/Fm與qP的變化也有

9、貢獻(xiàn)。高劑量下，Pn變化只與ETR變化達(dá)到顯著相關(guān)。Ce(Ⅲ)通過對UV-B輻射脅迫下各熒光參數(shù)的調(diào)控來改善植物光合能力，調(diào)控效果不僅受脅迫強(qiáng)度的影響，也與Ce(Ⅲ)的緩解機(jī)制有關(guān)。 v.發(fā)現(xiàn)Ce(Ⅲ)能改善UV-B輻射脅迫下大豆葉片光合原初反應(yīng)的能量分配 在光合原初反應(yīng)的能量分配方面，Ce(Ⅲ)能促使大豆葉片吸收光能的總量增加，加快內(nèi)囊體膜上光電的轉(zhuǎn)換和電子的傳遞，降低由于UV-B輻射傷害而導(dǎo)致的過剩激發(fā)能(Ex)積累

10、。從而消除過剩激發(fā)能誘發(fā)的膜脂過氧化對光合器官的潛在威脅。 vi.確認(rèn)Ce(Ⅲ)可改變UV-B輻射對大豆葉片光化學(xué)反應(yīng)影響 通過研究Ce(Ⅲ)對UV-B輻射脅迫下大豆葉片光合放氧與光合磷酸化影響發(fā)現(xiàn)，在體實(shí)驗(yàn)的靜態(tài)結(jié)果表明：20mg·L-1Ce(Ⅲ)能提高大豆幼苗Hill反應(yīng)活力，加快光合電子傳遞，增強(qiáng)光合磷酸化活力，從而促進(jìn)整個(gè)光能轉(zhuǎn)換和光化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程。在一定程度上減緩了UV-B輻射引起的光能轉(zhuǎn)換與電子傳遞受阻、光合磷

11、酸化活力降低及Mg2+-ATPase活性受抑制，且對低劑量的防護(hù)效果優(yōu)于高劑量。動(dòng)態(tài)測定結(jié)果顯示：Ce(Ⅲ)有效減緩了大豆幼苗Hill反應(yīng)活力、Mg2+-ATPase活性及光合磷酸化速率在脅迫期的下降趨勢，而加快了在恢復(fù)期的上升速度，縮短恢復(fù)歷程，最終呈現(xiàn)較好的恢復(fù)效果，且低劑量的優(yōu)于高劑量。Pn與Hill反應(yīng)活力、光合磷酸化速率及Mg2+-ATPase活性相關(guān)性分析結(jié)果顯示，低劑量UV-B輻射下，Pn變化更多受Hill反應(yīng)活力影響，高

12、劑量UV-B輻射下，Pn消長主要與光合磷酸化速率和Mg2+-ATPase活性相關(guān)。表明不同UV-B輻射強(qiáng)度下，Ce(Ⅲ)緩解Pn遞減的機(jī)制不盡一致。 vii.證實(shí)Ce(Ⅲ)對大豆離體完整葉綠體存在劑量效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng) 從大豆葉片中提取完整的葉綠體，研究Ce(Ⅲ)對離體完整葉綠體光合作用光化學(xué)反應(yīng)活性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出：Ce(Ⅲ)對離體完整葉綠體光化學(xué)反應(yīng)活性的影響同樣具有劑量效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)，此規(guī)律與在體情況基本一致。兩者

13、的區(qū)別是，離體情況下Ce(Ⅲ)的適宜劑量(10mg·L-1)較低，且所需的起效時(shí)間短(180min)。 viii.Ce(Ⅲ)減輕UV-B輻射對大豆離體完整葉綠體光化學(xué)反應(yīng)的抑制 進(jìn)一步研究Ce(Ⅲ)對UV-B輻射脅迫下離體葉綠體光合作用光化學(xué)反應(yīng)活性的影響，靜態(tài)測定結(jié)果顯示：10mg·L-1Ce(Ⅲ)能有效提高離體葉綠體Hill反應(yīng)活力、Mg2+-ATPase活性及光合磷酸化速率，減緩UV-B輻射對離體葉綠體光化學(xué)反應(yīng)活

14、性的抑制作用。動(dòng)態(tài)結(jié)果表明：各項(xiàng)處理的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律與在體實(shí)驗(yàn)結(jié)果近似，這雖然不能直觀證明Ce(Ⅲ)能進(jìn)入細(xì)胞直接作用于葉綠體，但在一定程度上說明Ce(Ⅲ)對在體和離體葉綠體光化學(xué)反應(yīng)活性的調(diào)控機(jī)理相同。 對比在體與離體實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，離體實(shí)驗(yàn)中停止UV-B輻射脅迫后，恢復(fù)效果不明顯，這與在體實(shí)驗(yàn)有區(qū)別。說明離體實(shí)驗(yàn)存在自身的局限性。由于微環(huán)境的簡化而使葉綠體自修復(fù)能力減退。所以只有將活體與離體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合才能更準(zhǔn)確地反映Ce(Ⅲ)對

15、UV-B輻射脅迫下大豆葉片光化學(xué)反應(yīng)活性影響的真實(shí)情況。 ix.Ce(Ⅲ)減輕UV-B輻射損傷大豆葉片葉綠體是其維持葉片光合光反應(yīng)功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) Ce(Ⅲ)、UV-B輻射及Ce(Ⅲ)+UV-B處理下大豆葉肉細(xì)胞葉綠體超微結(jié)構(gòu)的變化為：與對照相比，Ce(Ⅲ)處理組的葉綠體結(jié)構(gòu)有明顯改善，基粒片層清晰且增厚，排列整齊，淀粉粒多而大，嗜鋨顆粒減少。UV-B輻射導(dǎo)致葉綠體膨脹，被膜系統(tǒng)損壞；片層結(jié)構(gòu)模糊，部分解體；淀粉顆粒數(shù)目減

16、少、體積減小。傷害程度與輻射劑量相關(guān)，與所測得的生理生化指標(biāo)變化一致。與之相比，Ce(Ⅲ)+UV-B組類囊體片層、基粒、淀粉粒的數(shù)量，嗜鋨顆粒的分布、葉綠體的完整性及其在細(xì)胞內(nèi)的分布等都有明顯改觀。且對低劑量傷害的減緩效應(yīng)優(yōu)于高劑量。 6d后第二次取樣結(jié)果顯示：與第一次取樣結(jié)果相比，Ce(Ⅲ)組基本沒有變化，表明Ce(Ⅲ)對葉綠體光合結(jié)構(gòu)的改善作用能持續(xù)一段時(shí)間，此結(jié)論與所測得生理指標(biāo)結(jié)果吻合。UV-B組葉綠體損傷有所好轉(zhuǎn)，低劑