叶绿素荧光分析技术是一种以光合作用理论为基础,利用植物体内的叶绿素作为天然探针, 研究和探测植物的光合生理状况及各种外界因子对植物细微影响的新型植物活体测定和诊断技术。叶绿素荧光分析技术在测定叶片光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等方面具有独特的作用, 与“表观性”的气体交换指标相比, 叶绿素荧光参数更具有反映“内在性”的特点。因此, 叶绿素荧光动力学技术被称为测定叶片光合作用快速、无损伤的良好探针。推荐使用仪器：叶绿素测定仪、叶绿素含量仪。

红叶石楠( Photinia ×fraseri)是蔷薇科石楠属杂交种的统称,为常绿小乔木,因其鲜红色的新梢和嫩叶而得名,素有“红衣卫士”、“绿篱之王”之美誉。它是园林绿化的重要彩叶植物之一,可极大地丰富园林景观,在园林绿化中孤植、丛植、群植、片植皆可,季相变化明显,装饰性强,具有很高的园林应用价值。目前国内外有关红叶石楠的研究较多, 且多集中于栽培管理、组织培养、逆境胁迫、病虫害防治等方面, 而对于红叶石楠光合生理日变化方面的研究尚未见相关报道。本研究以与红叶石楠同属的光叶石楠[ Photinia glabra( Thunb1) Maxim ]为对照,利用叶绿素荧光仪进行活体检测,初步研究了红叶石楠与光叶石楠叶绿素荧光参数差异,以及二者叶绿素荧光参数日变化的响应,以期为红叶石楠在园林应用配置和栽培管理方面提供理论指导。

1　材料与方法

1.1　试验地点与材料

试验地点位于安庆师范学院(菱湖校区)校园内。安庆位于中国安徽省西南部、长江下游北岸, 北纬30131°,东经117102°,境内山地、丘陵和洲圩、湖泊各占三分之一。属亚热带沿江季风性湿润气候,四季分明,年平均气温1415 ～1616℃,年平均降水量1300 ～1500mm,无霜期248d。本试验以栽种于安庆师范学院(菱湖校区)校园内的红叶石楠和光叶石楠为研究对象,立地条件相同,土壤水分、肥力等条件相近,由园林绿化人员统一管理。

1.2　试验方法

试验于2008年3月进行,此时红叶石楠和光叶石楠的新叶均呈现较鲜艳的红色。选择晴朗无风的日子,利用PAM22100型(Walz, Effeltrich, Germany)便携式调制叶绿素荧光仪测定各荧光参数。分别选取3株生长健壮的红叶石楠和光叶石楠为试验对象,在每株树上再各选取冠层中部向阳的3片长势一致、照光均一且刚由红变绿的功能叶,进行叶绿素荧光参数的测定。样品经受自然光照,从8∶00 ～18∶00,每隔2h测定叶绿素荧光各个参数,即时最大荧光产量( Fm′) 、光系统II有效量子产量(ΦPSII) = ( Fm′- Ft) /Fm′、表观光合电子传递速率( ETR) =ΦPSII ×PAR ×01 5 ×01 84、光化学淬灭( qP) = ( Fm′- Ft) / ( Fm′- Fo) 、非光化学淬灭( qN) = ( Fm - Fm′) / ( Fm - Fo) ;每个树种重复9次;同时记录光合有效辐射强度( PAR)环境因子的参数变化。

1.3　数据分析

所测数据利用Excel进行整理,用SPSS1410 进行相关具体分析。

2　结果与分析

2.1　光合有效辐射强度( PAR)的日变化

由图1可知,光合有效辐射1d中的变化趋势表现为单峰曲线,即从早上8∶00开始逐渐上升,下午14∶00时达到最大值559μmol /m2 ·s,为最初时的13.63 倍,之后快速下降, 18∶00时降为最初时的50%。

2.2　即时最大荧光产量( Fm′)和光系统II有效量子产量(ΦPSII)的日变化Fm′是光适应的样品打开饱和脉冲时得到的最大荧光产量,反映自然状况下植物体光合机构开放程度。红叶石楠和光叶石楠Fm′的日变化表明(图2) ,两种石楠均呈现出相同的变化趋势,先不断下降,再缓慢上升。在10: 00之前,光叶石楠的Fm′高于红叶石楠,从10: 00～17: 00之间,红叶石楠的Fm′略高于光叶石楠,之后又逐渐恢复至早上的水平状态。说明随着光强的不断增强,引起了电子在两个光系统之间的累积,同时也反映了跨膜质子梯度的建立,因此Fm′不断下降。虽然两种石楠在午间均发生了电子在两个光系统之间的累积,但电子在红叶石楠两个光系统之间累积的较少,传递较光叶石楠顺畅。

ΦPSII是光系统II的有效量子产量,表示植物体光合机构将吸收的光能进行转化的能力。由图2还可看出,红叶石楠和光叶石楠ΦPSII的日变化趋势与Fm′的变化趋势基本一致,只是交叉点不同, 12 ∶00 之前均是光叶石楠的ΦPSII高于红叶石楠, 12 ∶00 ～17∶00之间, 红叶石楠的ΦPSII高于光叶石楠。至18∶00时,又恢复至早上的水平。红叶石楠的ΦPSII变化幅度范围在0.13～0.69,光叶石楠的ΦPSII变化幅度范围在0.04～0.76,红叶石楠的变幅范围明显小于光叶石楠,在14∶00两者均达到最低,且红叶石楠高于光叶石楠。说明随着光强的不断增强,两种石楠将光能转化为有效量子的能力下降;午间红叶石楠有效量子产量下降的幅度较光叶石楠小。

2.3　表观光合电子传递速率( ETR)的日变化ETR是光合机构吸收光能发生电荷分离产生电子并沿电子传递链向下传递的速率。红叶石楠与光叶石楠ETR的日变化趋势差别较大,如图3 所示,两者整体均呈现出“双峰”曲线,两者的第二峰均出现在下午16∶00,但第一峰的出现时间呈现明显的差异。光叶石楠ETR的第一峰出现上午在10∶00,第二峰出现在下午16 ∶00; 而红叶石楠ETR 的第一峰出现在中午12∶00,第二峰出现在下午16∶00。在整个日变化过程中,红叶石楠的ETR 均明显高于光叶石楠。由此可见,随着光照强度的不断增强,两种石楠的电子传递速率均快速上升,而在午间均有部分的回落;之后两种石楠的ETR恢复进程不一致,在午后红叶石楠的ETR能够迅速恢复,而光叶石楠的ETR恢复较缓慢。

2.4　光化学淬灭( qP)和非光化学淬灭( qN)的日变化

qP反映的是PSⅡ天然色素吸收光能用于光化学电子传递的份额,光化学淬灭又在一定程度上反映了PSⅡ反应中心的开放程度。红叶石楠和光叶石楠qP的日变化趋势(如图4)基本相同,均表现为单谷曲线,且两者的谷底出现时间一致,均在下午14∶00,但两者的qP变幅具有一定的差异。红叶石楠qP的变幅范围在0.207～0.747,而光叶石楠qP的变幅范围在0.115～0.776。从早上8∶00～11∶00,两者的qP相差不大,之后在11∶00～17∶00之间,红叶石楠的qP均显著高于光叶石楠,傍晚时两者皆基本恢复至早上水平。qN反映的是PSⅡ天然色素吸收的光能中不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉的光能部分,热耗散是植物保护PSⅡ的重要机制。与qP的变化相反,两种石楠的qN呈现的是单峰曲线(图4) ,峰的最大值也出现在下午14∶00。红叶石楠qN的变幅范围在0.257～0.824,而光叶石楠qN的变幅范围在0.257～0.986。在整个日变化过程中,红叶石楠的qN均低于光叶石楠。

以上结果表明,由于午间光强过强,两种石楠的qP不断下降, qN快速上升,说明两者PSⅡ反应中心的光化学电子传递份额均降低,同时PSⅡ反应中心的开放程度减少,增加过剩激发能的耗散,以保护光合机构免受光抑制的破坏;且在午间红叶石楠表现出qP高于光叶石楠, qN低于光叶石楠,说明在午间红叶石楠PSⅡ反应中心的光化学电子传递份额高于光叶石楠,热耗散小于光叶石楠,表现出对当地环境更强的适应性。

2.5　荧光特征与光合有效辐射强度相关性分析

PAR是影响叶绿素荧光参数的主要环境因子之一,而各叶绿素荧光参数与PAR之间又有着不同的关系。由表5可以看出, PAR与两种石楠的Fm′、ΦPSII 、qP之间存在极显著的负相关,与qN之间存在极显著的正相关,而与ETR之间未达到显著相关水平。说明当光强超过一定强度时, ETR与PAR不再呈明显的线性关系,非辐射能量耗散发挥了作用,可能是光保护或光损伤的结果。

3　讨论与结论

植物光合作用的光抑制是光合机构吸收的光能超过光合作用所能利用的光能而引起的光合活性降低的现象。光抑制不仅仅是PSII受伤害的一种表现形式,而且还可能是光合机构防御伤害的一种保护方式。强光下ΦPSII、Fm′的下降是光抑制的最显著特征之一。本研究中两种石楠随着日间光照强度的不断变化, Fm′、ΦPSII呈现出“V ”型曲线, 在中午12∶00时, Fm′和ΦPSII降至最低,表明两者在午间均出现了光抑制。由于光抑制的存在,影响了质子梯度的建立及激发能在两个光系统间的分配, PSⅡ活性下调,叶片的反应中心活性可逆失活或受损,光合作用原初反应过程受到抑制,光合电子由PSⅡ反应中心向QA、QB及PQ库的传递过程受到影响。同时在午间红叶石楠的Fm′、ΦPSII均高于光叶石楠,表明红叶石楠的量子产量较高,且传递较顺畅。但至傍晚时两种石楠的Fm′、ΦPSII又恢复早晨的水平,说明午间部分PSⅡ反应中心发生可逆性失活,并未造成光合机构的破坏,这也是植物在长期生境中所形成的一种自我保护机制。徐德聪等研究显示,不同品种美国山核桃叶片的ETR日变化呈双峰曲线。本研究中两种石楠ETR的日变化也呈现出双峰曲线,说明当光强超过一定强度时, ETR与PAR并未呈明显的线性关系,非辐射能量耗散发挥了作用,可能是光保护的结果。同时结果还表明,午后两种石楠ETR 的恢复进程不一致,红叶石楠的ETR能够在午后迅速恢复,而光叶石楠的ETR在午后恢复很缓慢,红叶石楠表现出对当地环境更强的适应性。

正常情况下,叶绿素吸收的光能主要通过光合电子传递、叶绿素荧光和热耗散三种途径消耗,这三种途径间存在着此消彼长的关系。午间植物体接受的能量超过其所能转化的能量,植物体会通过减少光能的吸收或增加对所吸收光能的利用和耗散等方式避免过量光对光合机构的伤害。本研究显示,两种石楠日变化中qP呈现“V”型曲线,而qN 呈现单峰曲线,表明PSⅡ反应中心由QA向QB的电子传递受到抑制,从天线上捕获的光能用于光化学反应的份额减少, PSⅡ反应中心的光化学活性降低,因此导致过剩激发能的增加,为保护光合器官免受光破坏,更多的激发能需要以能量耗散的形式散失,主要是依赖叶黄素循环的热耗散。在午间,红叶石楠的qP高于光叶石楠,而光叶石楠的qN高于红叶石楠,说明红叶石楠光化学反应保持较高的速率,较少的光能用于热耗散,而光叶石楠正好相反。

综上所述,在日变化过程中,两种石楠午间均出现光抑制现象,且红叶石楠的Fm′、ΦPSII 、ETR 、qP均高于光叶石楠,光叶石楠的qN高于红叶石楠,表明在午间红叶石楠仍能保持较高的量子产量,电子传递速率较高,两个光系统之间电子累积较少,红叶石楠光能利用效率较高,热耗散较小,能保证吸收的光能最大程度地进入电子传递系统进而进行碳固定;而光叶石楠量子产量低,电子传递速率较低,电子在两个光系统之间累积较多,大部分的能量以热能的形式耗散了,用于进行光合电子传递的能量大大减少。由此可以得出,光叶石楠对高光强较为敏感,而红叶石楠对高光则具有较强的适应性,表现出对当地环境较高的适应性。红叶石楠主要分布在黄河以南,而光叶石楠主要分布在长江以南,本研究结果也证实了该点,因此,在进行园林配置时,光叶石楠应用于南方,而红叶石楠可应用于我国的大部分地区,红叶石楠在园林配置方面表现出更大的优势;在栽培管理方面,光叶石楠表现出耐荫,红叶石楠表现出喜光。