生态与土壤管理岗位

杜远鹏　邢浩　翟衡

　　摘　要：探讨光强对臭氧胁迫下‘赤霞珠’葡萄叶片光系统II（PSII）的影响机制。以一年生‘赤霞珠’为试材，设置不同光强（适光800 μmol·m-2·s-1和强光1600 μmol·m-2·s-1）下臭氧（110 nL·L-1）处理，以无臭氧胁迫的适光和强光处理作为各自的对照，测定葡萄叶片气体交换参数和叶绿素荧光快速诱导动力学曲线，并结合叶绿素荧光淬灭分析葡萄叶片光合性能的变化。结果表明：与适光处理相比，强光处理、臭氧处理和强光+臭氧处理均显著降低叶片净光合速率（Pn），并明显改变了O-J-I-P曲线形状。强光处理与臭氧处理相比，葡萄叶片Fv/Fm有明显下降。JIP-test分析表明，强光和臭氧协同处理下叶片单位面积有活性反应中心的数量（RC/CSm）和捕获的激子将电子传递到QA以后的其他电子受体的概率（ψo）下降幅度最大，其次为强光处理。同时强光处理、臭氧处理和强光+臭氧处理均显著提高了叶片非光化学淬灭（NPQ），光化学淬灭系数（qP）均不同程度的降低。上述结果说明，光照影响了葡萄PSII活性对臭氧胁迫的敏感性，光强越强，臭氧对PSII的伤害越大。

　　关键词：葡萄，臭氧，光照，光系统II

　　臭氧（O3）是构成地球大气圈的一种微量气体。平流层的O3具有吸收紫外线的作用，而对流层的O3是对生物有极大伤害的污染物。近几十年来O3已经成为首要污染物，全球近1/4的国家或地区面临O3浓度超出60 nL·L-1的威胁。由于人类活动和生物源的排放，O3浓度仍以每年0.5%-2.5%的速率增长，预计2015-2050年全球地表O3浓度将在现有基础上增加20%-25%。前人研究表明，O3具有强氧化性，可对叶片造成光氧化，分解光合色素，阻碍光合电子传递，损伤光保护系统，降低光能利用效率，抑制卡尔文循环，进而导致作物减产。同时，O3也能改变植物类囊体膜的成分，从而导致叶绿素荧光产量发生变化。本实验室前期研究发现，低浓度O3（25-55 nL·L-1）可通过气孔限制引起葡萄叶片Pn的下降，当O3浓度达到并超过80nL·L-1时，非气孔限制造成PSII功能受到抑制。光是光合作用的驱动力，过高的光强则会造成光合机构接收的光能超过其所能利用的量而导致光合速率的降低。有研究表明，PSII是光抑制的主要位点。当叶片吸收的光能不能及时转化成化学能时，容易导致活性氧的产生，对光系统造成氧化破坏，抑制光合作用。PSII电子受体侧对强光胁迫敏感。研究发现，盛夏晴天上午10点到下午2点的光强在1500-2000 μmol·m-2·s-1范围内，强光加剧‘赤霞珠’叶片PSII功能的抑制。

　　前期田间调查发现，在葡萄生长期，臭氧胁迫往往伴随强光天气。强光天气下臭氧胁迫症状明显。随着季节变化，一些葡萄品种在光照较强的季节，叶片上经常出现O3伤害的斑褐。田间气象站和臭氧检测仪的数据表明，强光天气下大气中臭氧浓度有很大提高。前人主要对臭氧或光照单因素影响作物光合性能进行研究，但臭氧和光照协同对葡萄叶片光合性能的影响鲜有报道。本试验通过模拟臭氧和光照协同胁迫，测定‘赤霞珠’葡萄的气体交换参数和叶绿素荧光参数，研究了胁迫过程中叶片光合性能变化规律，以期探索光强在葡萄叶片臭氧伤害中的作用，并为葡萄叶幕管理提供一定的理论依据。

　　1　材料与方法

　　1.1　材料

　　试材为一年生‘赤霞珠’盆栽苗，幼苗于2016年4月5号种植于直径25cm、高35cm的盆中，土:沙:基质=2:1:1。5月中旬前，盆栽苗放在日光温室中培养，一棵幼苗只留一个芽。培养期间昼（14 h）夜（10h）温度为23-28℃/15-20℃，中午最大光强为1200μmol·m-2·s-1左右，大气平均温度达到25℃之后搬运到葡萄园避雨棚中，5 d浇一次水，不留副梢，待长至12-15片完全展开叶时进行试验处理。臭氧熏蒸系统参考王金欢等和耿庆伟等的方法并有所改进。

　　1.2　方法

　　试验于2016年5-7月在山东农业大学葡萄园内进行。在晴朗上午进行试验，选择枝干粗度和叶片数量相对一致的苗木放置到气室内。气室内部用LED光源进行补光，光照强度由光强测定仪测定，环境温度为23-28℃。本实验室前期预实验发现，‘赤霞珠’葡萄在110nL·L-1处理3h后，葡萄叶片出现明显O3伤害的斑褐，1600μmol·m- 2·s-1的光强能够导致光抑制，由此本实验采用的臭氧浓度为110nL·L-1，光照强度为1600μmol·m-2·s-1。试验设计了4个处理，于在上午7: 00-10: 00进行，每个处理重复6-7盆。

　　T1：盆栽‘赤霞珠’葡萄经适光处理（800μmol·m-2·s-1）3h；

　　T2：盆栽‘赤霞珠’葡萄经强光处理（1600μmol·m-2·s-1）3h；

　　T 3 ： 盆栽‘ 赤霞珠’ 葡萄经臭氧处理（110nL·L-1）和适光（800μmol·m-2·s-1）协同处理3h，以下简称臭氧处理；

　　T 4 ： 盆栽‘ 赤霞珠’ 葡萄经臭氧（110nL· L- 1） 和强光（1600μmol·m-2·s-1）协同处理3h。处理结束后立即进行葡萄叶片气体交换参数和叶绿素荧光参数的测定。

　　1.3　指标测定

　　光合指标测定：所测叶片为‘赤霞珠’第4-6节位的功能叶片， 每组随机抽取1 0 片叶， 用CIRAS-2便携式光合系统测定仪测定叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（E）等参数。测定时控制光强为适光强度（800μmol·m-2·s-1），CO2浓度为（360±20）nL·L-1，温度为25℃左右。

　　用连续激发式荧光仪测定快速叶绿素荧光诱导曲线。从O-JI-P曲线上可直接获得如下参数：F o为最小荧光（20μ s ） ； F k为K点（300μs）的荧光；Fj为J点（2ms）的荧光；Fi为I点（30ms）的荧光；Fm为0.3~2 s之间的最大荧光。通过J I P - t e s t分析得到的O-J-I-P曲线，可得到如下参数：PSII最大光化学效率：φPo=TRo/ABS=Fv/Fm；J点相对荧光：Vj=（Fj–Fo）/（Fm–Fo）；捕获的激子将电子传递到电子传递链中超过QA的其它电子受体的概率：ψo=ETo/TRo=1–Vj；用于电子传递的量子产额：φEo=ETo/ABS= [1–（Fo/Fm）]×ψo；单位面积有活性反应中心数目：RC/CSm=Fm×φPo×（Vj/Mo）。用（Fm–Fo）进行标准化后相对可变荧光的变化：Wt=(Ft–Fo)/(Fm–Fo)。测定前叶片预先暗适应30 min。

　　采用英国Hansatech公司的FMS-2型便携脉冲调制式荧光仪测定。

　　太阳辐射利用田间气象站监测，田间臭氧浓度利用O3浓度监测仪（DR70C-臭氧型）测量。

　　1.4　数据分析

　　采用Microsoft Excel 2013处理数据和制图，采用DPS 7.05软件进行方差分析，LSD法进行多重比较，显著水平为0.05。

　　2　结果与分析

　　2.1　田间臭氧浓度与太阳辐射变化的相关性

　　图1为2016年5月至8月正午臭氧浓度和正午太阳辐射变化的相关性。根据O3浓度监测仪长期监测田间臭氧浓度数据发现臭氧浓度在夜间维持较低浓度，白天随着人类活动增加浓度不断加大，到正午达到高峰，到下午维持较高浓度；太阳辐射在正午达到最大值。从图2-A可以看出，5月至8月正午臭氧浓度最低为20 nL·L-1左右，最高为55nL·L-1左右，7月24日臭氧正午臭氧浓度达到60 nL·L-1。从图2-B看出，一天内，正午臭氧浓度和光强的变化有显著相关，正午太阳辐射大的天气正午臭氧浓度普遍较高，臭氧与光照胁迫往往同时存在。

　　2.2　不同光强对臭氧胁迫下葡萄叶片气体交换参数的影响

　　由表1 看出， 与适光处理相比，强光处理、臭氧处理和强光+臭氧处理均显著降低了‘赤霞珠’叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（E），其中以强光+臭氧处理下降幅度最大，分别下降了64.3%、69.0%和62.5%。各处理胞间CO2浓度（Ci）相比对照有显著性提升，强光、臭氧处理和强光+臭氧处理分别提升了16.9%、20.3%和45.0%。强光+臭氧处理葡萄Pn、Gs和E最低，Ci最高。

　　2.3　不同光强对臭氧胁迫下葡萄叶片快速叶绿素荧光诱导曲线的影响

　　不同处理对葡萄叶片O-J-I-P曲线的影响不同。图2-A显示的是葡萄叶片O-J-I-P原始曲线的变化，可以看出强光处理和臭氧处理显著降低了葡萄的Fm值；强光+臭氧处理比臭氧处理葡萄叶片的Fm值下降幅度更大。为增加不同处理之间的可比性，对原始O-J-I-P 荧光曲线进行标准化后得到相对荧光变化曲线（图2-B），强光处理、臭氧处理和强光+臭氧处理均导致葡萄叶片O-J-I-P曲线出现较明显的K点（300μs）与J点（2ms），在K点位置臭氧处理提升最大，强光+臭氧处理提升最小；在I点位置强光+臭氧处理提升最大，臭氧处理提升较小，强光处理提升最小，表明强光和臭氧协同胁迫导致葡萄叶片PSII反应中心受体侧伤害程度大于供体侧。

　　2.4　不同光强对臭氧胁迫下葡萄叶片叶绿素荧光参数的影响

　　Fv/Fm反映了原初光化学反应的最大量子产额，即叶片的最大光化学效率。从表2可以看出，在强光处理和强光+臭氧处理下，葡萄叶片Fv/Fm相比对照有明显下降，分别下降了15.2%和41.2%。臭氧处理相比对照下降4.3%。表明臭氧与强光具有加强效应，随着光照强度的增加，臭氧胁迫也越严重。

　　ψo表示捕获的激子将电子传递到QA 以后的其他电子受体的概率。φEo反映了反应中心吸收的光能用于电子传递的量子产额，即反应中心吸收的光能将电子传递到电子传递链中超过QA的其它电子受体的概率。RC/CSm反映了叶片单位面积内有活性反应中心的数量。从表2可以看出，强光处理能显著降低葡萄叶片ψo、φEo和RC/CSm，相比适光处理分别下降了36.7%，45.9%和44.1%。与臭氧处理相比，强光+臭氧处理葡萄叶片ψo和φEo有显著下降，分别下降了33.3%和57.4%。臭氧处理降低了葡萄的RC/CSm，相比适光处理下降了10.5%；强光+臭氧处理显著降低了葡萄的RC/CSm，比适光处理降低了66.7%。

　　2.5　不同光强对臭氧胁迫下‘赤霞珠’葡萄叶片叶绿素荧光淬灭的影响

　　ETR反映指通过光系统的非环式电子传递。从图3-A看出，强光处理能显著降低葡萄叶片ETR，比适光处理降低了25.2%；与臭氧处理相比，强光+臭氧处理葡萄叶片ETR下降了26.7%。qP为光化学淬灭系数，反映总PSII的反应中心开放反应中心所占的比例，从图3-B看出强光处理使葡萄叶片qP下降，而强光+臭氧胁迫相比臭氧胁迫qP 有显著下降，下降了21.5%。NPQ为非光化学淬灭，可以反映叶片热耗散的变化和光抑制程度，从图3-C看出，强光处理显著提高了葡萄叶片的NPQ，比适光处理提高了134.8%，臭氧处理与强光+臭氧处理相比没有显著性变化。

　　3　结论

　　赤霞珠’葡萄对强光更为敏感。强光进一步加剧了臭氧对葡萄叶片净光合速率、单位面积有活性反应中心和最大光化学效率和捕获的激子将电子传递到QA以后的其他电子受体的概率等的影响，表明强光和臭氧协同处理加强了PSII的光抑制。本课题组前期研究发现，通过改变葡萄叶幕类型，通过减弱葡萄的微域光强改善果实品质，因而提示我们可以通过改变架式，如篱架改棚架来降低部分葡萄叶表面的光照强度从而降低臭氧伤害程度。