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PSⅠ和PSⅡ之間的電子傳遞被抑制，會導致PSⅡ受體側(cè)電子傳遞受阻，同時導致PSⅠ受體側(cè)電子供應不足。目前人們已經(jīng)了解，當PSⅡ流向PSⅠ的電子被阻斷，在光下會導致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有快速修復機制而PSⅠ沒有，因此PSⅡ光抑制后可以很快修復，而PSⅠ光抑制后則恢復很慢。整個光化學

2、反應的活性取決于光化學反應中活性最低的一個，因此一旦PSⅠ發(fā)生光抑制，PSⅠ就會在較長時間內(nèi)成為原初光化學反應的限制因素。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活性的恢復是冷敏感植物抗冷性育種和冬季保護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的機制，為冬季保護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下，PSⅠ光抑制均比PSⅡ光抑制更嚴重，這暗示著PSⅠ是低溫光脅迫下光抑制的首要位點。低溫下，較強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，在較強光下由于PSⅡ的嚴重光抑制限制了電子由PSⅡ向PSⅠ的傳遞，從而保護了PSⅠ免受強光的進一步破壞。
　　 通過本實驗我們提出兩個假設:PSⅠ是低溫光脅迫下首要光抑制位點;PSⅠ光抑制的程度受來自PSⅡ的電子影響。為了驗

5、證這兩個假設，我們進行了下面的研究。
　　 (2)為了驗證PSⅠ是低溫光脅迫下首要光抑制位點，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光抑制更加嚴重，活性氧含量也更高。進一步研究發(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，進而導致PSⅡ光抑制加劇。
　　 (3)為了進一步研究兩光系統(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行對比試驗。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為黃瓜葉片的PSⅡ?qū)ぐl(fā)壓的增加更敏感導致的，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，導致PSⅡ激發(fā)壓較高引起的。
　　 以上兩項研究的結(jié)果表明， PSⅠ是植物葉片低溫光抑制的首要位點，而PSⅡ光抑制只是PSⅠ光抑制的二次效應:PSⅡ受體側(cè)電子傳遞受阻進而引起PSⅡ激發(fā)壓增加導致的。這是與其他逆境下截然不同的，因為在強光、

9、高溫等脅迫下，PSⅠ均不發(fā)生光抑制，上述脅迫直接導致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。在保護地栽培以及抗低溫育種中，不應僅僅關(guān)注PSⅡ的光抑制，應當更加關(guān)注如何避免和減少PSⅠ的光抑制以達到增加植物抗冷性的目的。
　　 (4)為了驗證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PSⅡ向PSⅠ的電子傳遞被阻斷時，無論處理光

10、強和過剩激發(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)觀點認為，反應中心的過度激發(fā)是導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、

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，則藍光下PSⅠ光抑制最重。實驗發(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。由于藍光比紅光和綠光更有效地激發(fā)PSⅡ，因此藍光導致PSⅡ光抑制最重;由于藍光下PSⅡ向PSⅠ的電

12、子傳遞最多，所以藍光導致的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?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，促進氣孔關(guān)閉，加劇葉片PSⅡ光抑制，傳統(tǒng)觀念認為隔絕紫外線有利于植物的生長。但是傳統(tǒng)觀點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，紫外線會導致PSⅡ光抑制，但不會直接傷害PSⅠ。而當?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，進而減輕PSⅠ光抑制的

14、發(fā)生。這一結(jié)果表明，在冬季保護地栽培中，不應使用隔絕紫外線的玻璃而應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構(gòu)的傷害。另外，與實驗中所使用的不含紫外線的人工光源相比，實際生產(chǎn)中相同強度的自然光所導致的PSⅠ光抑制可能較低，因此室內(nèi)人工光源下進行的PSⅠ光抑制研究無法代替田間實驗。
　　 (7)光合機構(gòu)對逆境的抗性不僅與脅迫對光合機構(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構(gòu)活性的恢復程度。為此我們研究了

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

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

17、片表面光照強度，從而有利于PSⅠ活性的恢復。
　　 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，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，在冬季保護地栽培以及作物抗冷性育種，不應以減輕PSⅡ光抑制為目的，應以減輕PSⅠ光抑制為目標，而適當?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，不應以開棚升溫為主而應以閉棚避光為主，