光強(qiáng)對(duì)4種亞熱帶森林植物光合電子傳遞

光強(qiáng)對(duì)4種亞熱帶森林植物光合電子傳遞向光呼吸分配的影響*林植芳彭長連孫梓健林桂珠摘要：研究夏季生長于自然光和遮陰降低光強(qiáng)至36%和16%下的4種亞熱帶自然林植物幼苗的光合特性.除荷樹外，黧蒴和林下灌木九節(jié)與羅傘在自然光下的光合速率比36%光下低，出現(xiàn)光合馴化(下調(diào))現(xiàn)象?高光強(qiáng)下總的光合電子傳遞速率J及其向光呼吸傳遞的比F率J/J明顯增大.J/J在自然光下的葉片中高達(dá)0.5?0.6,與提高的Rubisco氧化速率、OFOF乙醇酸氧化酶活性和光呼吸速率相一致，表明提高光合電子向光呼吸途徑的傳遞比率是高光高溫下森林植物的一種保護(hù)性調(diào)節(jié)機(jī)制.關(guān)鍵詞：亞熱帶森林植物光合電子傳遞光呼吸乙醇酸氧化酶Rubisco的V/V比OC光合作用非環(huán)式電子傳遞是光合碳代謝的能源[1].在C植物中，光呼吸是光誘導(dǎo)的3電子流支路和產(chǎn)生還原劑的主要池庫[2,3].近年來已有證據(jù)表明光呼吸具有在CO供應(yīng)受限制條件下耗散過剩光能、驅(qū)動(dòng)Calvin環(huán)的運(yùn)行、促進(jìn)Pi的循環(huán)利用和防止植物受光氧化損傷的重要生理功能口?6].光合電子流在CO還原、O的光還原和NO-光還原等途徑的分配是“光合作用控制”的重要環(huán)節(jié)之一.光合電2子流向光2呼吸分配比例受2外界環(huán)境條件和Rubisco動(dòng)力學(xué)特性等所調(diào)控口,8].深入研究不同植物種類及其在不同環(huán)境條件下光合電子流傳遞分配的規(guī)律將有助于闡明“光合控制”的特點(diǎn)、模式和機(jī)理.南亞熱帶森林由具有不同生活型和不同植物種類組成垂直多層次的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其中不同層次的植物處于差別較大的微環(huán)境中.對(duì)廣東省鼎湖山自然林植物的研究表明群落上層和下層植物的葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)、葉綠素和礦質(zhì)元素含量、光合速率和水分狀況皆表現(xiàn)一定的差別[9,10].本文從“光合控制”的角度，利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)和CO交換測(cè)定方法進(jìn)一步探討了在2不同生長光強(qiáng)下，兩種喬木和兩種灌木幼苗在廣東夏季高溫多濕季節(jié)時(shí)光合電子傳遞向光呼吸分配的特點(diǎn).材料與方法植物材料廣東鼎湖山自然保護(hù)區(qū)常綠闊葉林的上層喬木代表種荷樹(Schimasuperba)、黧蒴(Castanopsisfissa)及林下灌木代表種九節(jié)(Psychotriarubra)、羅傘(Ardisiaquinquegona)的幼苗盆栽于自然光照和黑色尼龍綱眼布遮陰的大棚中.幼苗于1998年4月初栽種，每盆1株，每種光處理30?40盆，常規(guī)水肥管理.遮光的兩個(gè)處理為自然光照的36%和16%，作為100%的光以入射于葉面的光量子通量表示，在7月中旬的上午9時(shí)平均為873》mol.m-2.s-1,中午12時(shí)平均為1605》mol.m-2.s-1.取植株頂端下數(shù)第3和4片成熟葉為試驗(yàn)材料.從4月到7月的此段生長期正值華南地區(qū)多雨高溫季節(jié)，全日為晴天的天數(shù)較少.方法光合速率和暗呼吸速率在植物生長環(huán)境中用LCA-4便攜式光合裝置作連體測(cè)定.同時(shí)用PAM調(diào)制熒光儀測(cè)定葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)，以(F‘-F)/F，計(jì)算PSII非環(huán)式電子傳遞效率0 [11].總的通過PSII的電子流傳遞速率J則利用熒光數(shù)據(jù)參照Krall等人⑵的公式計(jì)算,PSI F即J=(0 )(I)(a)(f),其中I是入射于葉面的光強(qiáng)，a是葉片吸光的比例，通常F PS][為80%,f是光能在PSII分配的比例，在C植物中常為50%.3Rubisco的氧化速率(V)、羧化速率(V)及氧化/羧化比(0)按Sharkey：i2]的方法OCTOC\o"1-5"\h\z計(jì)算.即： O C0=v/v=2r/(co), (1)OC 2V=(A+R)/(1/0-0.5)， (2)odV=A+0.5V+R， (3)C odr*=r*‘xp, (4)r*‘=42.7+1.68(T-25)+0.0012(T-25)2, (5)式中，A為凈光合速率，R為光下的線粒體呼吸速率?「偽沒有Rd時(shí)的CO補(bǔ)償點(diǎn)，「*，為在一定范圍的溫度下的「*，(C0)=0.6Ca，代表Rubisco羧化位點(diǎn)的CO2濃度.22乙醇酸氧化酶用含MgCL10mmol/L,EDTA0.25mmol/L,半胱氨酸lmmol/L的Tris-HCl緩2沖液50mmol/L，pH7.6提取，鹽酸苯肼法測(cè)活性[13].非環(huán)式光合電子流向光呼吸的分配以公式J=2[J-4(A+R)]/3計(jì)算叫].O F d結(jié)果2.1CO交換速率及PSII非環(huán)式電子傳遞速率與效率由表1可見，降低生長光強(qiáng)使4種木本植物的葉溫和呼吸速率下降，而光合速率在不同植物間的變化趨勢(shì)有所不同.森林上層優(yōu)勢(shì)種荷樹的光合速率在36%光下與自然光下相近，16%光下降至62%.另一種喬木黧蒴和兩種林下灌木植物九節(jié)和羅傘在36%光下的光合速率則分別增高31.4%，12%和14.2%,接著也隨光強(qiáng)進(jìn)一步降低而在不同程度上減弱了CO同化速率.這表明荷樹對(duì)自然條件下的高光強(qiáng)有較好的適應(yīng)性，而后3種植物的光合作用在高光下出現(xiàn)了下調(diào)的現(xiàn)象.表14種木本植物在不同生長光強(qiáng)下葉溫、光合速率和呼吸速率的變化種類光強(qiáng)/%葉溫/°C光合速率/pmol.m-2.s-i呼吸速率/pmol.m-2.s-1僑木)10036.1±0.45.87±0.921.61±0.00荷樹Schimasuperba3635.0±0.65.79±0.591.00±0.151634.7±0.23.64±0.600.72±0.1410036.7±0.74.17±0.362.42±0.52黧蒴Castanopsisfissa3635.0±0.65.48±1.761.02±0.311634.1±0.33.96±1.340.69±0.25(灌木)10036.9±0.15.39±0.052.29±0.25九節(jié)Psychotriarubra3635.1±1.36.04±1.851.02±0.271634.6±0.22.94±0.071.05±0.1310037.2±0.86.76±0.321.92±0.01羅傘3634.5±0.47.72±0.960.82±0.10Ardisiaquinquegona1634.2±0.24.31±0.090.58±0.19圖1是在不同光強(qiáng)下通過PSII的電子流效率（①）和從熒光數(shù)據(jù)計(jì)算的總電子流速率（J）.e的大小取決于psii開放中心捕獲和激發(fā)光能的效率及開放F PSI的psii中心的數(shù)目mo】?自然光下生長的九節(jié)的e 明顯比其生長于低光強(qiáng)者和PSI同在自然光生長的其他3種植物低，顯示強(qiáng)光引起九節(jié)的psii開放的反應(yīng)中心相對(duì)數(shù)目及其吸收光子的效率降低?九節(jié)和羅傘在36%光下的e 比100%光和16%psi光下高，與其在36%光下具有較高的光合速率相一致.從葉綠素a熒光測(cè)定而計(jì)算的非環(huán)式電子流速率J隨光強(qiáng)的提高而增大，除100%光下的九節(jié)外，4種植物在F同一光強(qiáng)下的J值甚為接近（圖1）.36%光下J為100%光下的41%?66%，而16%光下的J降到16%?25%?結(jié)果表明在高光下的葉綠體中產(chǎn)生較多的電子流，并以F較快的速率通過非環(huán)式電子傳遞作為光合碳代謝的能源..V':卅-eihc 'fi'：=.；,■ n'■；j.-!.（；i軸i弊：,■圖1不同光強(qiáng)下生長的木本植物葉片非環(huán)式光合電子傳遞速率（J）及psii電子傳遞的量子效率（e）的變化F psi2.2光呼吸速率、乙醇酸氧化酶活性和Rubisco的氧化與羧化速率荷樹、黧蒴和羅傘的光呼吸速率在弱光下下降，與自然光相比，36%光下降低了7%?10%,16%光下降低32%?47%.九節(jié)的光呼吸速率則在36%光下稍為增高（圖2（a））.光呼吸水平受Rubisco氧化酶和乙醇酸氧化酶活性的制約.4種植物的乙醇酸氧化酶活性（GAO）與光強(qiáng)的關(guān)系存在兩種不同變化圖式（圖2（b））.荷樹和羅傘的GAO活性與光強(qiáng)的變化一致，100%光下最高，16%弱光下活性分別降低了41%和57%;黧蒴和九節(jié)則以36%光下的GA0活性較高，比高光下增高5%和13%，且在16%光下仍可保持98%和91%的活性.光強(qiáng)對(duì)Rubisco氧化速率的影響（圖2（c））與光呼吸速率和GAO活性的變化趨勢(shì)基本一致.高光強(qiáng)提高光呼吸速率與提高Rubisco氧化速率和GAO活性相對(duì)應(yīng).圖3示Rubisco羧化速率V及V/V比.可見,COC36%光下的V在4種供試植物中僅略為降低（3%?10%），而16%光下卻明顯降低C了31%?45%.不同光強(qiáng)下4種植物的V皆高于V，但弱光下不論V或V的變幅基C O OC本相似，因而V/V比值在3種光強(qiáng)下甚為相近，在4種植物間也無明顯的差別.OC.o5fl:二.DJ(}.-5D4.3.工2.2.LEQ$融弊fhtt C-fifUitiP.mhraA.tjuin^ue^ana圖2生長光強(qiáng)對(duì)光呼吸、乙醇酸氧化酶活性和Rubisco氧化速率的影響口1(10%0亠口1(10%0亠圖3生長光強(qiáng)對(duì)Rubisco羧化速率（V）和氧化/羧化速率比（V/V）的影響COC光合非環(huán)式電子傳遞向光呼吸的分配J代表分配到光呼吸的電子流速率，J/J反映總電子流用于參與光呼吸（Rubisco氧化作用）的比例.圖4是不同光強(qiáng)下4種植物J和J/J的變化，兩OOF者的水平也因生長光強(qiáng)不同而有明顯的差異?從圖4（b）可見，自然光下有高達(dá)50%?60%的電子流流向光呼吸過程，36%光下此比率降至39%?47%，而16%光下則只有21%?33%的電子流分配到光呼吸.光呼吸受光誘導(dǎo)也受葉溫所調(diào)節(jié)[14,15].因此，夏季的強(qiáng)光和較高的葉溫（37°C左右，表1）可能是導(dǎo)致自然光下生長的植物具有高的光呼吸電子傳遞分配比率和高光呼吸速率的主要原因.自然光強(qiáng)下，兩種喬木植物的J/J較兩種灌木植物高，可能與不同生活型植物之間對(duì)光強(qiáng)適應(yīng)的OF代謝調(diào)控能力的差異有關(guān).OOOOOOOOOOOOOO2oR642-匸Elm-圖4不同光強(qiáng)下光合非環(huán)式電子傳遞分配到光呼吸的比例討論Valentini等人[3]曾報(bào)道土耳其櫟木葉片在1d中總的電子流的提高與輻射的增強(qiáng)相平行.Peterson⑻也看到煙草葉片的最大總電子傳遞速率在高輻射下達(dá)到高水平.本文中，生長于3種光強(qiáng)下的4種南亞熱帶自然林植物的總電子流速率J和Rubisco的羧化速率V與光強(qiáng)變化有密切的關(guān)系，生長于自然光下的葉片有最大的J和V,降低光強(qiáng)使J和V受到明顯的限制，這表明光強(qiáng)是影響這幾種喬F C F C木或灌木光合電子傳遞和碳同化的重要制約因子.光的作用不但在于活化和調(diào)節(jié)Rubisco的活性，而且可驅(qū)動(dòng)更多的電子流參與CO?的還原，并通過活化NADP-MDH的活性和增大通過PSII和PSI的電子通量，為CO同化提供更多的還原力NADPH.16%光強(qiáng)下幾種植物的低光合速率顯然主要與其低的J和低的V有關(guān).36%光強(qiáng)FC下雖然J比自然光下明顯減少，但其水平（74~82》mol.mw）仍與已報(bào)道的在600?700》mol.m-2.s-1光強(qiáng)下的蘋果、烏檀樹的最大電子速率73?82pmol.m-2.s-1相近[16]，且V與PSII電子傳遞的量子效率0仍保持于高水平.光呼吸是C植物在空氣中生存的必要生理過程，甚至在無凈光合作用時(shí)，光呼吸也能驅(qū)動(dòng)電3子傳遞[5].光呼吸是光合作用非環(huán)式電子流分配的主要途徑[2].在飽和輻射下，土耳其櫟木的總電子流有約40%用于光呼吸.前人的工作發(fā)現(xiàn)不同植物的光呼吸與凈光合速率之比可從0.15到0.70之間，平均約0.56,在逆境下高達(dá)0.8?0.9[3].本文的結(jié)果表明在不同生長光強(qiáng)下，光呼吸與凈光合速率之比達(dá)0.39?0.59之間（結(jié)果未表示），而光合電子傳遞用于光呼吸的分配率（J/J）OF在0.21到0.60之間，自然光下的植物中約有50%?60%的總電子流參與光呼吸，而在低的限制光強(qiáng)下此比率逐步降低.這表明森林植物的光呼吸明顯受到光強(qiáng)的調(diào)控.高光強(qiáng)下有高的光呼吸速率的原因在于光合電子傳遞向光呼吸的分配比率，Rubisco的氧化速率V和乙醇酸氧化酶活性皆受到提高光強(qiáng)所促進(jìn).可見，光不但影響參與光合碳還原及光合氧化環(huán)中重要的酶類活性和總的電子傳遞速率及效率，還可改變電子傳遞在不同途徑中的分配比率.在高光強(qiáng)及其伴隨的夏季較高溫度下，幾種木本植物提高J/J值、增強(qiáng)光呼吸可能是其在代謝水平上耗散過剩光OF能的一種有效的保護(hù)性調(diào)節(jié)機(jī)制，以調(diào)節(jié)光合作用光反應(yīng)與碳代謝之間的平衡，防止強(qiáng)光的損傷作用.4種供試植物光合電子傳遞和Rubisco動(dòng)力學(xué)特性隨光強(qiáng)而變化的趨勢(shì)大致相同，尤其是反映Rubisco氧化與羧化平衡的V/V，在不同光強(qiáng)OC和不同植物間很接近，暗示不同植物種類在夏季生長季節(jié)中對(duì)3種光強(qiáng)皆有一定的適應(yīng)調(diào)整能力.然而，當(dāng)處于低溫干旱的冬季條件下，是否會(huì)顯示較明顯的種間或生活型上的差異，仍需進(jìn)一步研究.■*中國科學(xué)院“九五”資源與環(huán)境重點(diǎn)資助項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：KZ952-J1-105）作者簡介：彭長連聯(lián)系人（E-mail:pengchl@）作者單位：林植芳（中國科學(xué)院華南植物研究所，廣州510650）；彭長連（中國科學(xué)院華南植物研究所，廣州510650）；孫梓?。ㄖ袊茖W(xué)院華南植物研究所，廣州510650）；林桂珠（中國科學(xué)院華南植物研究所，廣州510650）參考文獻(xiàn)：[1]HarbinsonJ,GentyB,BakerNR.TherelationshipbetweenCO2assimilationandelectrontransportinleaves.PhotosynthRes,1990,25:213?224KrallJP,EdwardGE.RelationshipbetweenphotosystemIIactivityandCOfixationinleaves.PhysiolPlant,1992,86:180?1872ValentiniR,EpronD,DeAngelisP,etal.InsituestimationofnetCOassimilation,photosyntheticelectronflowandphotorespiration2inTurkeyoak(Q.CerrisL.)leaves:diuralcycleunderdifferentlevelsofwatersupply.PlantCellEnviron,1995,18:631?640EpronD,GodardD,CornicG,etal.LimitationofnetCOassimilation2ratebyinternalresistancetoCOtransferintheleavesoftwotreespecies2(FagussylvaticaL.andCastaneasativaMill.).PlantCellEnviron,1995,18: 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