光照对两种热带雨林树种幼苗光合能力、热耗散和抗氧化系统的影响

 研究了生长于不同光照条件下（100%、25%和8%光强）热带雨林冠层树种绒毛番龙眼（Pometia tomentosa）和中层树种滇南风吹楠（Horsfieldia tetratepala）幼苗的光合能力、热耗散、活性氧和保护性酶的活性。结果表明,绒毛番龙眼的最大光合速率随着生长光强的增加而提高,而滇南风吹楠在全光条件下的最大光合速率反比25%光照条件下的低。全光条件下两个树种光系统II的最大光化学效率（Fv/Fm）都显著降低,表明发生了长期光抑制。当把生长于遮荫条件下的幼苗移到全光下,从凌晨到中午随着光强的增加光抑制加剧,日落时生长于8%光照条件下的绒毛番龙眼及生长于8%和25%光照条件下的滇南风吹楠的光抑制不能完全恢复。非光化学猝灭对光强的响应曲线表明,随着生长光强的增加滇南风吹楠的热耗散能力增强,而生长在全光和25%光照条件下的绒毛番龙眼的热耗散能力都比滇南风吹楠的弱。两个树种叶片中O-[]·2、H2O2含量、SOD和CAT活性均随着生长光强的增加而提高;在同一光照条件下,绒毛番龙眼叶片中O-[]·2、H2O2含量、SOD和CAT活性显著高于滇南风吹楠。上述结果表明,在光抑制条件下,冠层树种绒毛番龙眼较大程度通过提高保护性酶的活性来保护光合机构免受损伤,而中层树种滇南风吹楠却较大程度通过增强非光化学猝灭来耗散过量光能;滇南风吹楠对强光的适应性差。     

生长环境光强对两种热带雨林树种幼苗光合作用的影响

以西双版纳热带雨林中演替后期种绒毛番龙眼和先锋树种山黄麻为材料 ,于雾凉季测定了不同光强下生长的 2种树苗叶片最大净光合速率 (Pmax)、叶绿素荧光参数以及光合色素含量和比叶重 (L MA) ,探讨了不同生态习性热带雨林树种幼苗对光强的适应及光保护机制。发现在一定光强范围内随生长环境光强的增加 ,2种树苗 L MA、荧光的非化学猝灭 (N PQ)、类胡萝卜素(Car)含量、Car与叶绿素 (Chl)之比升高 ,光饱和点和光补偿点也有随生长环境光强的增大而升高的趋势 ,Chl含量降低 ,2种树苗均能通过形态和生理特性的变化适应不同的光强环境。相同的生长光强下 ,绒毛番龙眼光抑制明显比山黄麻重 ,山黄麻适应强光的能力强。随生长环境光强的增加 ,山黄麻 N PQ增加不显著 ,热耗散较少 ,相同光强下其 Pmax显著高于绒毛番龙眼。绒毛番龙眼则相反 ,其热耗散随生长环境光强的升高显著增多 ,但 Pmax差异不显著。表明先锋种山黄麻主要通过提高 Pmax利用光能防止光合机构光破坏 ,而演替后期种绒毛番龙眼却较大程度通过增强非光化学猝灭来耗散过量光能。上午人为降低光强度对先锋种山黄麻影响不大 ,但可以明显缓解绒毛番龙眼的光抑制 ,表明上午一定程度的遮光 (如有雾 )可减缓绒毛番龙眼光抑制     

热带雨林下砂仁叶片光合作用和叶绿素荧光参数在雾凉季和雨季的日变化

于雾凉季和雨季研究了自然条件下透光率不同的3块雨林样地下砂仁叶片光合参数和叶绿素荧光参数的日变化。结果表明：(1)砂仁叶片净光合速率(Pn)与叶表光量子通量密度(PFD)和气孔导度(Gs)呈正相关,与胞间CO2浓度呈负相关,PFD是影响Pn的主导因素。雾凉季砂仁叶片Pn和Gs及其日变幅均低于雨季,相同光强下雾凉季Pn及表观光能和CO2利用效率也低于雨季,这与雾凉季的光强和温度较低有关。(2)随日间光强的增加光系统Ⅱ最大光能转换效率(Fv／Fm)、光系统Ⅱ光能捕获效率(Fv‘／Fm’)和电子传递量子效率(ΦPSI)下降,非光化学猝灭系数(NPQ)和电子传递速率则上升,黄昏各参数都能恢复到黎明时的水平。表明随光强的增加,砂仁热耗散增多,日间光抑制加重,这种光抑制是光合功能下调的保护性反应而非光破坏。(3)Fv／Fm、Fv‘／Fm’和ΦPSI与PFD呈负相关,NPQ与PFD呈正相关。相同光强下雾凉季Fv／Fm、Fv’／Fm’和ΦPSI低于、NPQ则高于雨季,这与雾凉季Pn较低有关。(4)随栽培时间的延长砂仁衰老和产量降低均不明显,砂仁的产量随生长环境光强的增加而呈升高趋势。各季节不同光强下生长的砂仁在午间高光强时均未发生光合机构的破坏,且随光强的升高其Pn呈上升趋势,说明砂仁具有适应更高光强并获得高产的潜力。     

叶黄素循环和D1蛋白周转在毛竹叶片光保护中的作用

利用叶绿素荧光技术,对强光胁迫下以及叶黄素循环抑制剂-二硫苏糖醇(DTT)和D1蛋白合成抑制剂-硫酸链霉素(SM)处理后毛竹(Phyllostachys edulis (Carr.) Lehaie)的光抑制特征进行研究。结果显示:在夏季中午强光或人为强光胁迫下,毛竹叶片最大光化学效率Fv/Fm均显著降低;在下午光强减弱或黑暗、弱光条件下,Fv/Fm可有效恢复。DTT和SM均可抑制毛竹叶片非光化学淬灭(NPQ),且DTT效果明显优于SM。另外,在强光下,DTT和SM处理均能使毛竹叶片Fv/Fm、实际光化学效率Y(Ⅱ)和光化学淬灭qP等荧光参数下降幅度增大。研究结果表明毛竹叶片具有完善的光破坏防御机制,NPQ与叶黄素循环和D1蛋白周转紧密关联,在叶片光保护机制中具有重要作用。     

绒毛番龙眼对生长光强的形态和生理适应

在100％、50％、25％和8％自然光强下栽培绒毛番龙眼幼苗并研究了其对光环境的适应。100％生长光强下绒毛番龙眼通过增大叶片悬挂角(midrib angle,MA)和比叶重(lamina mass per unit area,LMA),减少叶氮在捕光组分中的分配等降低光能捕获;通过增加类胡萝卜素含量增加热耗散。虽如此,还是发生了比较严重的光抑制,加之叶氮在光合机构中的分配最少,导致光合能力最低,长势最差。8％生长光强下绒毛番龙眼通过降低MA、LMA以及叶片技转,增加叶氮在捕光组分中的分配等提高光能捕获能力,光能转换及利用效率较高,热耗散水平较低,但由于环境光较弱,限制了光合碳同化,植株生长也较慢。50％和25％生长光强下绒毛番龙眼有较强的光能捕获、利用和耗散能力,在几种光处理中长势最好。     

水淹对水芹叶片结构和光系统II光抑制的影响

通过探讨在水淹条件下水芹(Oenanthe javanica)叶片结构的变化以及出水对其光系统II功能和光抑制的影响, 阐明水芹光合机构在水淹条件下及出水后死亡的可能原因。结果表明: 水淹条件下新生沉水功能叶光系统II(PSII)最大光化学效率(Fv/Fm) 、电子传递活性与对照叶片差异很小, 但水淹使气生功能叶的Fv/Fm显著降低; 植株总生物量呈负增长趋势; 活体弱光条件下, 沉水叶出水后2小时叶片相对含水量(RWC)和Fv/Fm无显著变化; 中等光强和强光条件下其RWC和Fv/Fm迅速降低; 离体条件下, 5小时的中等光强对沉水叶的Fv/Fm影响不显著, 在随后的弱光下能恢复到出水时的初始状态; 强光能使沉水叶的Fv/Fm大幅降低, 且弱光下不能恢复到出水时的初始水平; 在解剖结构上, 水芹沉水叶的叶片总厚度、上下表皮厚度和气孔大小都显著低于气生叶, 而且沉水叶没有明显的栅栏组织分化, 但是沉水叶上表皮的气孔密度显著高于气生叶。研究结果表明, 水淹使水芹原气生叶PSII功能迅速衰退, 但对新生沉水叶片影响很小。水芹植株出水后, 沉水叶片结构变化使其在光下保水能力下降, 而强光导致了光合机构的光抑制和反应中心失活。田间条件下两者共同作用则加剧了对叶片光合机构的破坏, 进而致使其死亡。     

水淹对水芹叶片结构和光系统Ⅱ光抑制的影响

通过探讨在水淹条件下水芹（Oenanthe javanica）叶片结构的变化以及出水对其光系统II功能和光抑制的影响,阐明水芹光合机构在水淹条件下及出水后死亡的可能原因。结果表明：水淹条件下新生沉水功能叶光系统Ⅱ（PSⅡ）最大光化学效率（Fv/Fm）、电子传递活性与对照叶片差异很小,但水淹使气生功能叶的Fv/Fm显著降低;植株总生物量呈负增长趋势;活体弱光条件下,沉水叶出水后2小时叶片相对含水量（RWC）和Fv/Fm无显著变化;中等光强和强光条件下其RWC和Fv/Fm迅速降低;离体条件下,5小时的中等光强对沉水叶的Fv/Fm影响不显著,在随后的弱光下能恢复到出水时的初始状态;强光能使沉水叶的Fv/Fm大幅降低,且弱光下不能恢复到出水时的初始水平;在解剖结构上,水芹沉水叶的叶片总厚度、上下表皮厚度和气孔大小都显著低于气生叶,而且沉水叶没有明显的栅栏组织分化,但是沉水叶上表皮的气孔密度显著高于气生叶。研究结果表明,水淹使水芹原气生叶PSⅡ功能迅速衰退,但对新生沉水叶片影响很小。水芹植株出水后,沉水叶片结构变化使其在光下保水能力下降,而强光导致了光合机构的光抑制和反应中心失活。田间条件下两者共同作用则加剧了对叶片光合机构的破坏,进而致使其死亡。     

西宁和海北麻花艽净光合速率和叶绿素荧光参数的日变化比较

以青藏高原药用植物麻花艽为材料,研究了西宁和海北两个地区麻花艽叶片的净光合速率和叶绿素荧光参数的日变化进程。结果表明：在中午太阳辐射较强时两地麻花艽叶片的净光合速率（Pn）均下降,下午随日间光强的减弱逐渐上升,形成双峰曲线;海北麻花艽叶片的净光合速率（Pn）及其日变幅均低于西宁。随日间光强的增加麻花艽叶片的PSⅡ最大光化学效率（Fv／Fm）、PSⅡ的潜在活性（Fv/Fo）下降,非光化学猝灭系数（NPQ）则上升,黄昏各参数都恢复到接近早晨的水平,表明未发生光合机构的破坏;一天中海北麻花艽叶片的Pn、Fv／Fm、Fv／Fo均低于西宁,表明随海拔的升高、光强的增加,海北麻花艽热耗散增多,午间光抑制加重。     

夜间低温对2种热带雨林树种幼苗叶绿素荧光的影响

研究了夜间低温(5℃±1℃,12h,连续3个晚上)对生长于3种光照条件下(100%、25%和8%光照)的热带雨林冠层树种绒毛番龙眼(Pometiatomentosa)和中层树种滇南风吹楠(Horsfieldiatetratepala)幼苗叶绿素荧光的影响。结果表明:低温处理使生长于全光下的绒毛番龙眼幼苗的Fv/Fm(PSII最大光化学量子产量)急剧降低,中午发生了强烈的光抑制,但随着低温胁迫的解除Fv/Fm能很快恢复,表明没有发生不可逆的光氧化损伤。低温使生长于全光和25%光照条件下2个树种幼苗的NPQ(非光化学猝灭,热耗散)受到抑制,但没有引起2个树种幼苗Fo(初始荧光)的升高,不会导致幼苗PSII反应中心的失活。2种热带雨林植物对低温的抗性可能与这些植物的地理分布和历史渊源有关。     

遮荫棉花转入强光后光合作用的光抑制及其恢复

研究了遮荫棉花（Gossypium hirsutum L.）突然由遮荫条件暴露在自然强光下时,叶绿素荧光发射、叶绿体色素组成、净光合速率（Pn）等在光照转移当天以及随后的适应过程中（光照转换后15d内）的变化。遮荫棉花突然转到强光下,叶片发生了严重的光合作用光抑制,叶绿素荧光参数Fv/Fm和φPSⅡ急剧降低,且明显低于自然光照下生长的叶片,而F。值却明显升高。这些参数即使在光照转换的次日清晨也不能完全恢复。Fv/Fm和Pn在光照转换以后的4d内持续降低,在第6天以后开始逐渐升高,在10-12d达到稳定值,表现出遮荫棉花叶片对光强变化的一定适应性,但Fv/Fm和Pn均未达到自然光照条件下生长的棉花叶片的相应值。最后的Pn值较遮荫下叶片增加60%,但同自然光照下生长的叶片相比只有后的40%。试验结果还表明,光照转换以后叶片内叶黄素循环库逐渐增大,在较短的时间内（3d）即可达到较高的水平。遮荫棉花突然转么自然强光下,叶片Fv/Fm及Pn的降低与PSⅡ反应中心的破坏有关,在对强光的适应过程中依赖叶黄素循环的热耗散等保护机制增强。光保护机制的逐渐完善有助于减轻叶片由遮荫转到强光下遭受的光破坏。     

Photochemical efficiency of adult and young leaves of the neotropical understory shrub Psychotria limonensis (Rubiaceae) in response to changes in the light environment

We explored the short-term adjustment in photochemical efficiency (Fv/Fm) in adult and young leaves of the understory neotropical shrub Psychotria limonensis Krause (Rubiaceae) in response to rapid changes in the light environment. Leaves were collected from 20 individual plants growing under sun and shade conditions on Gigante Peninsula, Barro Colorado Natural Monument (Republic of Panama), during the wet season of 1996. Leaves were distributed in four sequences of light treatments (AB leaves were expanded under sun and were transferred to shade, BA leaves experienced the opposite transfer, and the controls AA and BB leaves that were expanded and maintained under sun or shade conditions). Adult and young leaves did not differ in overall photochemical efficiency. Instead, differences were found among light environments, for which leaves transferred from shade to sun showed the lowest Fv/Fm ratios. There was no relationship between photochemical efficiency and leaf temperature. In P. limonensis, understory plants are susceptible of photoinhibition independently of the leaf ontogenetic stage. The approach utilized in this experiment allowed the rapid exploration of this capacity, and could be applied to poorly studied understory species.     

田间条件下棉花幼叶光合特性及光保护机制

通过比较棉花(Gossypium hirsutum)幼叶和完全展开叶气体交换参数及叶绿素荧光特性的差异, 探讨高光强下幼叶的光抑制程度及明确光保护机制间的协调机理。在田间自然条件下, 以棉花刚展平的幼嫩叶片(幼叶)和面积已达到最大的完全展开叶片为研究对象, 通过测定不同发育阶段叶片气体交换参数及叶绿素a荧光参数的变化, 并运用Dual-PAM100对不同发育阶段的叶片进行快速光响应曲线的拟合。结果表明: 幼叶和完全展开叶片在光合、荧光特性方面表现出明显的差异。与完全展开叶相比, 较低的叶绿素(Chl)含量和气孔导度(G_s)是幼叶较低净光合速率(P_n)的限制因素, 从而直接导致其光系统II (PSII)实际光化学效率(Φ_PSII)和光化学猝灭系数(q_P)的降低。在1800 μmol·m^-2·s^-1光强以下, 完全展开叶具有较强的围绕PSI循环的电子流(CEF), 有利于合成ATP, 是其具有较高光合能力的原因之一。相同光强下, 幼叶较低的光饱和点(LSP)更易受光抑制, 但其PSII原初光化学效率(F_v/F_m)的日变化幅度显著小于完全展开叶, 说明强光下幼叶通过类胡萝卜素(Car)猝灭单线态氧、光呼吸(P_r)、热耗散(NPQ)以及PSI-CEF等光保护机制能有效地耗散过剩的光能, 从而避免其光合机构发生光抑制。     

夏季南亚热带森林演替中后期优势种幼叶花色素苷的光保护作用

为探讨夏季南亚热带森林演替过程中优势树种幼叶的光保护机制,以演替中期优势树种木荷(Schima superba)、黧蒴(Castanopsis fissa)、锥栗(C.chinensis)和演替后期优势种华润楠(Machilus chinensis)、厚壳桂(Cryptocarya chinensis)、黄果厚壳桂(C.concinna)为材料,分析了2种生长光强(全光照和30%全光照)下6种优势种幼叶和成熟叶的叶片表型、光合色素含量、花色素苷含量、抗氧化能力、类黄酮含量、总酚含量和最大量子产量(Fv/Fm)恢复效率间的差异。结果表明,两个演替阶段幼叶的叶绿素含量(Chl a+b)、Chl a/b比成熟叶低,但光保护物质比成熟叶多;演替中期幼叶的花色素苷含量和总抗氧化能力比演替后期的高,而类黄酮和总酚含量比演替后期的低;全光照下幼叶的总酚、类黄酮、总抗氧化能力及Fv/Fm恢复效率都要比30%全光照的高,并且含有花色素苷的幼叶恢复得更快。因此,植物的光合能力与自身的光保护潜力成反比关系,演替中期优势种幼叶的光保护在很大程度上是因为花色素苷的积累而演替后期优势种是因为自身抗氧化物质(类黄酮、总酚)的共同作用。     

Patterns of spatio-temporal distribution of winter chronic photoinhibition in leaves of three evergreen Mediterranean species with contrasting acclimation responses

High irradiance and relatively low temperature, which characterize Mediterranean winters, cause chilling stress in plants. Downregulation of photosynthetic efficiency is a mechanism that allows plants to survive these conditions. This study aims to address whether this process shows a regular spatial pattern across leaf surface or not. Three species (Buxus sempervirens, Cistus albidus and Arctostaphylos uva-ursi) with contrasting responses to winter stress were studied. During 7 days, macro and micro Fv/Fm spatial patterns were monitored by the use of chlorophyll fluorescence imaging techniques. In the field, the strongest photoinhibition was found in B. sempervirens, while there was almost no chronic photoinhibition in C. albidus. In leaves of the first species, Fv/Fm decreased from base to tip while in C. albidus it was uniform over the leaf lamina. An intermediate behavior is shown by A. uva-ursi leaves. Spatial heterogeneity distribution of Fv/Fm was found inside the leaves, resulting in greater Fv/Fm values in the inner layers than in the outer ones. Neither xanthophyll-linked downregulation of Fv/Fm nor protein remobilization were the reasons for such spatial patterns since pigment composition and nitrogen content did not reveal tip-base differences. During recovery from winter, photoinhibition changes occurred in Fv/Fm, pigments and chloroplast ultrastructure. This work shows for the first time that irrespective of physiological mechanisms responsible for development of winter photoinhibition, there is an acclimation response with strong spatio-temporal variability at leaf level in some species. This observation should be taken into account when modeling or scaling up photosynthetic responses.     

早熟桃夏季叶色转红过程中的光化学响应特征

比较研究了‘早美’和‘春蕾’2个早熟桃品种夏季叶色转红对太阳光能的利用和光系统Ⅱ的叶绿素荧光特征的影响。结果表明：早熟桃叶片色素组成的变化会显著影响其光合和叶绿素荧光特性。叶色转红后,早熟桃净光合速率（Pn）日均值、PSII最大光化学效率（Fv/Fm）、PSII实际光化学效率（ФPSII）均上升,无显著光抑制,而绿叶对照‘红花碧桃’的电子传递速率（ETR）、Fv／Fm和ФPSII值均显著下降,7月光合明显受抑制。叶色转红程度较深的‘早美’在夏季高温强光下表现优于‘春蕾’和对照。淬灭分析表明：叶片花色素苷的积累能在短时间内增加PSII天线色素吸收的光能用于光化学反应的份额（P）与用于反应中心热耗散的相对份额（D）。转红后的叶片光化学淬灭系数（qp）显著高于绿叶,PSII光化学效率较高,但耗散过剩激发能的能力显著低于绿叶对照。     

Photoinhibition and recovery of photosynthesis in Coffea arabica and C. canephora

Photosynthetic parameters were determined in disks from leaves of C. arabica cv. Red Catuaí and C. canephora cv. Kouillou grown in the field. Kouillou showed a relatively higher irradiance requirement for saturating photosynthesis, lower chlorophyll (Chl) content, and higher Chl a/b ratio than Catuaí. Photoinhibition of photosynthesis under bright irradiance was manifested by decreases in maximum photochemical efficiency (evaluated by the variable to maximum fluorescence ratio, Fv/Fm), as a consequence of an increased initial and a quenched maximum fluorescence. Restoration of Fv/Fm following photoinhibition in low irradiance was faster in Kouillou than in Catuaí. Chloramphenicol both accelerated photoinhibition (mainly in Kouillou) and blocked its recovery for at least 190 min in either cultivar. Photosynthetic oxygen evolution under photoinhibitory conditions was decreased by chloramphenicol; in control leaf disks this decrease was only observed in C. arabica, but with a rapid recovery within 90 min of low irradiance exposure. In both coffee cultivars, the depressed photochemical efficiency of photosystem 2 was not accompanied by a concomitant lowering in oxygen evolution during reversal from photoinhibition.     

Photoinhibition and recovery of photosynthesis in Coffea arabica and C. canephora

Photosynthetic parameters were determined in disks from leaves of C. arabica cv. Red Catuaí and C. canephora cv. Kouillou grown in the field. Kouillou showed a relatively higher irradiance requirement for saturating photosynthesis, lower chlorophyll (Chl) content, and higher Chl a/b ratio than Catuaí. Photoinhibition of photosynthesis under bright irradiance was manifested by decreases in maximum photochemical efficiency (evaluated by the variable to maximum fluorescence ratio, Fv/Fm), as a consequence of an increased initial and a quenched maximum fluorescence. Restoration of Fv/Fm following photoinhibition in low irradiance was faster in Kouillou than in Catuaí. Chloramphenicol both accelerated photoinhibition (mainly in Kouillou) and blocked its recovery for at least 190 min in either cultivar. Photosynthetic oxygen evolution under photoinhibitory conditions was decreased by chloramphenicol; in control leaf disks this decrease was only observed in C. arabica, but with a rapid recovery within 90 min of low irradiance exposure. In both coffee cultivars, the depressed photochemical efficiency of photosystem 2 was not accompanied by a concomitant lowering in oxygen evolution during reversal from photoinhibition.     

不同品种美国山核桃叶绿素荧光参数日变化的研究

以湖南省永州市冷水滩采穗圃中的美国山核桃为试材,研究了叶绿素荧光参数的日变化规律。结果表明:初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、PSII原初光能转化效率(Fv/Fm)、光合量子产额(Yield)、光化学猝灭系数(qP)、非光化学猝灭系数(qN)和表观电子传递速率(ETR)均存在着明显的日变化。其中Fv/Fm、Fm、Yield、qP均呈先下降后上升的趋势,在中午强光下降低到最低值;qN则呈先上升后下降的趋势,在中午时分达到峰值;Fo呈下降趋势,部分品种傍晚稍有回升,但仍比早晨低;ETR日变化呈双峰曲线。不同品种间Fv/Fm、Yield、ETR、qP、qN对光强和温度的响应也存在着明显差异,可作为鉴定品种耐光抑制能力大小的指标。