低溫弱光脅迫下黃瓜葉片光系統(tǒng)I與光系統(tǒng)II的相互作用.pdf

1、高等植物中，PSⅠ和PSⅡ串連工作，二者相互作用。當(dāng)PSⅠ和PSⅡ之間的電子傳遞被抑制，會導(dǎo)致PSⅡ受體側(cè)電子傳遞受阻，同時導(dǎo)致PSⅠ受體側(cè)電子供應(yīng)不足。目前人們已經(jīng)了解，當(dāng)PSⅡ流向PSⅠ的電子被阻斷，在光下會導(dǎo)致PSⅡ產(chǎn)生大量活性氧，加重PSⅡ光抑制。然而，對于PSⅡ向PSⅠ電子傳遞受阻對PSⅠ活性造成的影響還了解較少。另外，由于PSⅡ有快速修復(fù)機(jī)制而PSⅠ沒有，因此PSⅡ光抑制后可以很快修復(fù)，而PSⅠ光抑制后則恢復(fù)很慢。整個光化學(xué)

2、反應(yīng)的活性取決于光化學(xué)反應(yīng)中活性最低的一個，因此一旦PSⅠ發(fā)生光抑制，PSⅠ就會在較長時間內(nèi)成為原初光化學(xué)反應(yīng)的限制因素。低溫光脅迫下，冷敏感植物會發(fā)生PSⅠ光抑制，因此，避免PSⅠ光抑制的發(fā)生和加速光抑制后PSⅠ活性的恢復(fù)是冷敏感植物抗冷性育種和冬季保護(hù)地栽培中亟待解決的問題。
　　 本研究從不同角度分析了光抑制發(fā)生過程以及光抑制恢復(fù)過程中PSⅡ與PSⅠ之間的相互作用，特別是PSⅡ向PSⅠ的電子傳遞對PSⅠ低溫光抑制的影響，從

3、而闡明低溫光抑制和光抑制恢復(fù)的機(jī)制，為冬季保護(hù)地栽培和抗冷性育種提供理論依據(jù)。本研究主要結(jié)果如下:
　　 (1)低溫光脅迫下，PSⅠ和PSⅡ都發(fā)生光抑制，且隨著處理時間的延長和處理光強(qiáng)的增加，PSⅠ和PSⅡ光抑制逐漸加重。在不同處理時間和不同光強(qiáng)下，PSⅠ光抑制均比PSⅡ光抑制更嚴(yán)重，這暗示著PSⅠ是低溫光脅迫下光抑制的首要位點(diǎn)。低溫下，較強(qiáng)的光會造成較多的過剩激發(fā)能。隨著過剩激發(fā)能((1-qP)/NPQ)的增加，PSⅡ活性持續(xù)

4、下降，在過剩激發(fā)能較低時，PSⅠ活性也隨著過剩激發(fā)能的增加而明顯下降，但是當(dāng)過剩激發(fā)能增加到一定程度時，PSⅠ活性不再隨著過剩激發(fā)能的增加而明顯下降。這暗示PSⅡ向PSⅠ的電子傳遞是PSⅠ光抑制發(fā)生所必需的，在較強(qiáng)光下由于PSⅡ的嚴(yán)重光抑制限制了電子由PSⅡ向PSⅠ的傳遞，從而保護(hù)了PSⅠ免受強(qiáng)光的進(jìn)一步破壞。
　　 通過本實(shí)驗(yàn)我們提出兩個假設(shè):PSⅠ是低溫光脅迫下首要光抑制位點(diǎn);PSⅠ光抑制的程度受來自PSⅡ的電子影響。為了驗(yàn)

5、證這兩個假設(shè)，我們進(jìn)行了下面的研究。
　　 (2)為了驗(yàn)證PSⅠ是低溫光脅迫下首要光抑制位點(diǎn)，我們首先研究了黃瓜不同展開程度葉片在低溫光脅迫下兩光系統(tǒng)之間的關(guān)系。進(jìn)行低溫光處理后，不同展開程度黃瓜葉片的光合速率都受到顯著抑制，但是幼葉的PSⅡ和PSⅠ光抑制更加嚴(yán)重，活性氧含量也更高。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，雖然低溫下幼葉PSⅠ和PSⅡ的光抑制都更嚴(yán)重，但是隨著PSⅡ激發(fā)壓的增加，幼葉PSⅡ光抑制程度較輕，這表明幼葉的PSⅡ?qū)ぐl(fā)壓的敏感

6、程度較低，另外PSⅠ光抑制與PSⅡ激發(fā)壓的關(guān)系不受葉片展開程度的影響。這表明，與成熟葉片相比，幼葉對低溫的敏感主要是由于幼葉的PSⅠ對低溫更敏感，從而引起較高的激發(fā)壓，進(jìn)而導(dǎo)致PSⅡ光抑制加劇。
　　 (3)為了進(jìn)一步研究兩光系統(tǒng)的關(guān)系，我們用耐冷植物雜交酸模與冷敏感程度黃瓜進(jìn)行對比試驗(yàn)。冷敏感植物黃瓜和耐冷植物雜交酸模經(jīng)歷低溫光處理后，雜交酸模葉片保持較高的光合速率、較低的活性氧水平、較高的PSⅠ和PSⅡ活性。為了探討低溫下P

7、SⅠ和PSⅡ的關(guān)系，我們比較了PSⅠ活性與PSⅡ激發(fā)壓，以及PSⅡ激發(fā)壓與PSⅡ活性的關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)，雖然耐冷植物雜交酸模在低溫下PSⅡ光抑制較輕，但是其PSⅡ光抑制對激發(fā)壓增加的敏感性卻更大，而且在黃瓜和雜交酸模葉片中相同程度的PSⅠ光抑制所引起的PSⅡ激發(fā)壓的增加是類似的。這表明，低溫光脅迫下冷敏感植物黃瓜葉片的PSⅡ光抑制程度較重不是因?yàn)辄S瓜葉片的PSⅡ?qū)ぐl(fā)壓的增加更敏感導(dǎo)致的，而是由于黃瓜葉片PSⅡ激發(fā)壓較高引起的。通過JIP

8、分析發(fā)現(xiàn)，低溫光脅迫下黃瓜葉片PSⅡ激發(fā)壓的增加是由于受體側(cè)QA到PSⅠ末端電子傳遞受阻。因此，與耐冷植物雜交酸模相比，黃瓜葉片的PSⅡ光抑制較重主要是由于黃瓜葉片的PSⅠ對低溫光脅迫更加敏感，導(dǎo)致PSⅡ激發(fā)壓較高引起的。
　　 以上兩項(xiàng)研究的結(jié)果表明， PSⅠ是植物葉片低溫光抑制的首要位點(diǎn)，而PSⅡ光抑制只是PSⅠ光抑制的二次效應(yīng):PSⅡ受體側(cè)電子傳遞受阻進(jìn)而引起PSⅡ激發(fā)壓增加導(dǎo)致的。這是與其他逆境下截然不同的，因?yàn)樵趶?qiáng)光、

9、高溫等脅迫下，PSⅠ均不發(fā)生光抑制，上述脅迫直接導(dǎo)致PSⅡ光抑制的發(fā)生。
　　 因此，PSⅠ的低溫抗性是決定整個植物抗冷能力的關(guān)鍵因素之一。在保護(hù)地栽培以及抗低溫育種中，不應(yīng)僅僅關(guān)注PSⅡ的光抑制，應(yīng)當(dāng)更加關(guān)注如何避免和減少PSⅠ的光抑制以達(dá)到增加植物抗冷性的目的。
　　 (4)為了驗(yàn)證PSⅠ光抑制的程度受來自PSⅡ的電子影響，我們用DCMU阻斷PSⅡ向PSⅠ的電子傳遞，發(fā)現(xiàn)當(dāng)PSⅡ向PSⅠ的電子傳遞被阻斷時，無論處理光

10、強(qiáng)和過剩激發(fā)能如何，都不會發(fā)生PSⅠ光抑制。相同的結(jié)果也在在不同冷敏感植物黃瓜和雜交酸模葉片，以及黃瓜不同展開程度葉片中發(fā)現(xiàn):當(dāng)PSⅡ向PSⅠ的電子傳遞被阻，PSⅠ低溫光抑制被完全避免。
　　 (5)然而傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，反應(yīng)中心的過度激發(fā)是導(dǎo)致光抑制的根本原因，激發(fā)程度越大則光抑制越重。為了判斷在低溫光脅迫下決定PSⅠ光抑制程度的是PSⅠ的激發(fā)程度還是來自PSⅡ的電子的量，我們用不同光質(zhì)的單色光在低溫下處理葉片。由于波長不同，藍(lán)、

11、綠、紅光對PSⅡ的激發(fā)程度逐漸下降，而對PSⅠ的激發(fā)程度逐漸增加。如果PSⅠ光抑制程度取決于它的激發(fā)程度，則紅光下PSⅠ光抑制最重，如果PSⅠ光抑制程度取決于PSⅡ向PSⅠ傳遞電子的量，則藍(lán)光下PSⅠ光抑制最重。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低溫不同光質(zhì)處理后，紅光引起的PSⅠ和PSⅡ光抑制最輕，藍(lán)光最重，而綠光居中，PSⅠ光抑制和PSⅡ光抑制基本上同步發(fā)生。由于藍(lán)光比紅光和綠光更有效地激發(fā)PSⅡ，因此藍(lán)光導(dǎo)致PSⅡ光抑制最重;由于藍(lán)光下PSⅡ向PSⅠ的電

12、子傳遞最多，所以藍(lán)光導(dǎo)致的PSⅠ光抑制最重。本研究結(jié)果支持了上文得出的PSⅡ向PSⅠ傳遞的電子的量決定了PSⅠ低溫光抑制程度的結(jié)論。
　　 以上兩項(xiàng)研究的結(jié)果表明，在低溫光抑制過程中，PSⅡ向PSⅠ的電子傳遞是PSⅠ光抑制發(fā)生的必要條件。適當(dāng)?shù)腜SⅡ光抑制可以減少PSⅡ向PSⅠ的電子傳遞，從而減輕PSⅠ光抑制。因此在保護(hù)地栽培以及抗低溫育種中，片面的追求PSⅡ的高活性和高抗性會加劇PSⅠ光抑制，從而降低葉片對低溫的抗性。

13、　　 (6)紫外線會抑制葉片展開，促進(jìn)氣孔關(guān)閉，加劇葉片PSⅡ光抑制，傳統(tǒng)觀念認(rèn)為隔絕紫外線有利于植物的生長。但是傳統(tǒng)觀點(diǎn)并沒有考慮紫外線對PSⅠ以及對PSⅡ與PSⅠ間的相互作用的影響。我們發(fā)現(xiàn)，在低溫光處理時，紫外線會導(dǎo)致PSⅡ光抑制，但不會直接傷害PSⅠ。而當(dāng)?shù)蜏叵伦贤饩€與可見光同時存在時，紫外線加劇了PSⅡ光抑制，卻減輕了PSⅠ光抑制。這可能是由于紫外線加重了PSⅡ光抑制，從而減少PSⅡ向PSⅠ的電子傳遞，進(jìn)而減輕PSⅠ光抑制的

14、發(fā)生。這一結(jié)果表明，在冬季保護(hù)地栽培中，不應(yīng)使用隔絕紫外線的玻璃而應(yīng)選用能夠透過紫外線的棚膜，這樣可以減少低溫對葉片光合機(jī)構(gòu)的傷害。另外，與實(shí)驗(yàn)中所使用的不含紫外線的人工光源相比，實(shí)際生產(chǎn)中相同強(qiáng)度的自然光所導(dǎo)致的PSⅠ光抑制可能較低，因此室內(nèi)人工光源下進(jìn)行的PSⅠ光抑制研究無法代替田間實(shí)驗(yàn)。
　　 (7)光合機(jī)構(gòu)對逆境的抗性不僅與脅迫對光合機(jī)構(gòu)的傷害程度有關(guān)，在更大程度上還取決于去除脅迫后光合機(jī)構(gòu)活性的恢復(fù)程度。為此我們研究了

15、光抑制后的恢復(fù)過程中PSⅠ與PSⅡ的關(guān)系。低溫光抑制后，在常溫下，PSⅡ活性可以快速恢復(fù)且對光強(qiáng)不敏感，PSⅠ活性在弱光(15μmol m-2 s-1)下可以快速恢復(fù)，但在較強(qiáng)光下(200μmol m-2s-1)恢復(fù)較慢。為了研究PSⅡ向PSⅠ的電子傳遞在恢復(fù)過程中對PSⅠ活性恢復(fù)的影響，我們在低溫光處理后對葉片進(jìn)行DCMU浸泡處理，然后在常溫較強(qiáng)光(200μmol m-2 s-1)下進(jìn)行恢復(fù)。當(dāng)用DCMU阻斷PSⅡ向PSⅠ電子傳遞時，

16、即使在較強(qiáng)光下(200μmol m-2s-1) PSⅠ活性也能快速恢復(fù)。這表明在低溫光抑制的恢復(fù)過程中，PSⅠ活性恢復(fù)較慢，只有當(dāng)PSⅡ向PSⅠ的線性電子傳遞較低時才能有效恢復(fù)。PSⅡ活性恢復(fù)較快可能導(dǎo)致PSⅡ向PSⅠ的線性電子傳遞過快，從而抑制PSⅠ活性的恢復(fù)。因此在抗低溫育種中，不應(yīng)片面追求光抑制后PSⅡ活性的快速恢復(fù)，應(yīng)當(dāng)綜合的考慮兩個光系統(tǒng)的協(xié)調(diào);在保護(hù)地栽培中，當(dāng)發(fā)生低溫光脅迫后，不應(yīng)立刻開棚升溫，而應(yīng)在一定時間采取措施降低葉

17、片表面光照強(qiáng)度，從而有利于PSⅠ活性的恢復(fù)。
　　 綜上所述，本研究首次提出PSⅡ向PSⅠ的電子傳遞會加重PSⅠ低溫光抑制并抑制PSⅠ活性的恢復(fù)，證明PSⅠ的低溫抗性是決定植物抗冷能力的關(guān)鍵因素。并且指出，在冬季保護(hù)地栽培以及作物抗冷性育種，不應(yīng)以減輕PSⅡ光抑制為目的，應(yīng)以減輕PSⅠ光抑制為目標(biāo)，而適當(dāng)?shù)腜SⅡ光抑制對于減輕PSⅠ低溫光抑制是有利的。在低溫脅迫以及低溫脅迫結(jié)束后的一段時間，不應(yīng)以開棚升溫為主而應(yīng)以閉棚避光為主，