低温胁迫对杂4红掌光合作用及叶绿素荧光的影响

学生综合性课题论文题目：低温胁迫对杂4红掌光合作用及叶绿素荧光的影响姓名薛花兰学号2012132128专业生物技术班级123班指导教师及职称魏爱丽实验学期2014-2015学年二学期太原师范学院教务处编印低温胁迫对杂4红掌光合作用及叶绿素荧光的影响（太原师范学院薛花兰2012132128）摘要:温度是植物生长和发育的必要条件之一，低温是影响许多植物的产量和地理分布的一个主要环境因素。光合系统对低温胁迫非常敏感，实验采用低温胁迫的方法,利用光合仪测定技术和叶绿素荧光技术,研究在低温胁迫下红掌的光合生理变化。本实验以杂4红掌为试材,培养条件：光周期12/12h，温度25/18℃，光强62000lx培养。分别转入低温弱光(3/3℃,光周期12/12h，光强62000lx)和偏低温弱光(10/10℃，光周期12/12h，光强62000lx)下分别胁迫22h,然后用光合仪和叶绿素荧光仪对其叶片进行测定，研究其光合速率及叶绿素荧光特性的变化［3］。结果表明，与对照组CK相比,10℃的低温胁迫使杂4红掌叶片的净光合速率(Pn)降低，最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ实际光化学效率（ΦPSⅡ）。研究发现，低温胁迫会直接损伤光合机构，使PSⅡ反应中心失活，引起其光能原初捕捉能力和光能同化率减弱，增加了通过热辐射消耗的光能比例，最终导致粉冠军光合作用能力减弱。关键词:杂4红掌;低温胁迫;光合作用;叶绿素荧光动力学参数引言：近年来，叶绿素荧光分析技术应用于光合作用机理、植物抗逆生理等方面的研究已取得一定进展，由于其可以快速、灵敏和无损伤地研究和探测完整植株在胁迫下的光合作用，所以经常用来探测植物的生长、病害及受胁迫的生理状况［1］。光合作用是植物最重要的合成代谢途径之一，是植物合成有机物和获取能源的根本途径，直接关系着植物的生长状况和最终产量。而低温胁迫对植物的光合作用产生多方面的影响，也是植物受低温胁迫影响最明显的生理过程之一［2］。研究植物在低温胁迫下的光合作用有助于了解植物对低温的生理适应机制，可为育种、引种和筛选耐低温品种提供科学依据，为抗性栽培提供理论指导。红掌，天南星科，花烛属。性喜温热多湿而又排水良好的环境，怕干旱和强光暴晒。其适宜生长昼温为26～32℃，夜温为21～32℃。所能忍受的最高温为35℃，可忍受的低温为14℃。光强以16000～20000lx为宜，空气相对湿度(RH)以70%～80%为佳。四季开花。原产于南美洲热带雨林潮湿、半阴的沟谷地带，通过引种改良和用光、温、水调节系统的大棚栽培，现世界各国均有栽培。1材料和方法1.1材料杂4红掌1.2所用仪器TPS—1光合仪，FMS—2荧光仪，培养箱，灯泡（作光源用）或者室外阳光1.3方法1.3.1材料培养将从农科院园艺所温室中购买的粉冠军培养于17日在人工气候箱（光照培养箱）培养。培养条件为：对照（CK）：光周期为12/12小时，温度为25/18℃，光强6200/0Lux，18日上午进行低温处理：光周期为12/12小时，温度为3/3℃，光强6200/0Lux1.3.2低温胁迫处理一天后把人工气候箱中的部分正常培养材料（光周期为12/12小时，温度为25/18℃，光强6200/0Lux）放在培养箱中3/3℃处理2－3小时，处理完后进行测定。1.3.3光合特性参数的测定选择并标记长势相同的三片叶子，直接测定净光合速率。将TPS—1光合仪与叶室连接，打开主机电源进行设定。夹上叶片，C02下降稳定后记录测定结果。以人工气候箱中培养的粉冠军为对照组，低温处理的粉冠军为实验组，设置两个重复。测定结束，将数据导出，记录分析结果。1.3.4叶片叶绿素荧光参数的测定叶绿素荧光参数的测定用FMS—2荧光仪测定各项荧光参数,测定叶片的部位与光合作用相同,测定前先暗适应20min,测定时调整叶片使其受光量尽量一致,以减少误差。测定暗适应下初始荧光产量(F0)、最大荧光产量(Fm)、可变荧光产量(Fv=Fm-F0),暗反应下PSⅡ(电子传递速率)反应中心完全开放的最大光化学速率（Fv/Fm)，以及光适应下同一发育阶段的叶片的初始荧光产量(F0’)、最大荧光产量(Fm’)、可变荧光产量(Fv’=Fm’-F0’)、光反应下PSⅡ反应中心完全开放的最大光化学速率（Fv’/Fm’)、稳态荧光产量（Ft或Fs）。公式为:实际光化学效率ΦPSⅡ=(Fm’-Fs’)/Fm’;光化学猝灭系数qP=(Fm’-Fs’)/(Fm’-F0’)；1-qP表示PSⅡ反应中心的关闭程度；非光化学猝灭系数qNP=(Fm-Fm’)/(Fm-F0’)；ETR=PSⅡ*absorbedPFD*0.5。1．4.3测定项目及方法选定植株的主要功能叶片进行光合作用及叶绿素荧光参数的测定，25℃恒温预处理1d后，先测定各参数作为初始值;低温胁迫处理后开始每天进行各参数的测定。每株测5片颜色均匀的叶片，每处理重复3次，取平均值作为观察值。1．5数据分析所有试验数据处理及相关分析、制图、制表和显著性差异检验使用Excel和dps软件完成．2结果与分析2．1低温胁迫对杂4红掌叶片光合作用的影响2．1．1对杂4红掌叶片Pn的影响Pn是指单位时间内单位面积同化的二氧化碳的量与叶片呼吸作用释放的CO2的量之差，表示叶片在单位时间内所得的净光合产物［10］。由图一、图二可知，低温胁迫下，杂4红掌叶片的Pn呈下降趋势。光合速率PnCK3.8±2.28710℃1.35±1.0627℃1.65±1.768图一-101234567CK10度27度系列1图二恢复2小时后对杂4红掌叶片Pn的影响由图一、图二可知，恢复2小时后，老叶Pn比CK高，新叶则降低。恢复2h老叶的Pn恢复2h新叶的PnCK0±00.167±0.28910℃0.025±0.0960±0图三恢复2小时Pn-0.2-0.100.10.20.30.40.5CK10度Pn老叶新叶图四2.1.2对杂4红掌叶片Tr的影响低温胁迫下，杂4红掌的Tr随胁迫时间的延长呈下降趋势(图2)。蒸腾速率TrCK0.737±0.54210℃0.02±0.02827℃0.11±0.014图5低温胁迫对杂4红掌Tr的影响-0.500.511.5CK10度27度Tr系列1图6恢复2小时红掌叶片Tr的影响由图7、图8可知，恢复2小时后，老叶Tr比CK高，新叶则降低。老叶恢复2小时蒸腾速率Tr新叶恢复2小时蒸腾速率TrCK0.025±0.0260.036±0.09727℃0.35±0.0340.267±0.041图7恢复2小时候后Tr00.10.20.30.40.5CK10度Tr老叶新叶图82．1.3对杂4红掌叶片Gs的影响低温胁迫下，杂4红掌的叶片Gs随胁迫时间的延长呈下降趋势。气孔导度GsCK29.667±22.23410℃0.5±0.70727℃3±0图9低温胁迫对Gs的影响-100102030405060CK10度27度Gs系列1图10恢复2小时后，老叶Gs比CK低，，新叶则相反。老叶恢复2小时气孔导度过Gs新叶恢复2小时气孔导度过GsCK6.333±0.5779.333±3.21410℃8.5±17±1图11恢复2小时Gs02468101214CK10度Gs老叶新叶图122．2．4对杂4红掌叶片Ci的影响Ci是指细胞间未参与光合作用部分的CO2浓度，通常该值越大，说明被光合作用同化的CO2越少［10］。胞间隔CO2浓度CiCK228.667±198.67710℃0±027℃97±137.179图13-1000100200300400500CK10度27度系列1图14恢复2h后，老叶Ci比CK低，新叶则相反。恢复2h后老叶Ci恢复2h后新叶CiCK394±10.536396.333±34.77510℃391±19.114405.667±10.017图15恢复2小时后Ci050100150200250300350400450CK10度Pn老叶新叶图162．2温胁迫对杂4红掌叶绿素荧光的影响2．2.1对杂4红掌叶片Fv/Fm的影响Fv/Fm反映了PSⅡ反应中心光能转化效率，是PSⅡ受到伤害的重要指标，对逆境胁迫较为敏感［11］，Fv/Fm下降越多，表明PSⅡ损伤越大［12］。Fv/Fm的变化可反映低温胁迫下PSⅡ受伤害的程度。由图17、18低温胁迫下，杂4红掌叶片的Fv/Fm下降。老叶Fv/Fm新叶Fv/FmCK0.766±0.0080.776±0.03310℃0.744±0.0120.738±0.04127℃0.749±0.0180.769±0.037图17低温胁迫对杂4红掌老叶、新叶Fv/Fm0.640.660.680.70.720.740.760.780.80.82CK10度27度Fv/F老叶新叶图182．3．4对杂4红掌叶片ΦPSⅡ的影响ΦPSⅡ表示PSⅡ反应中心在部分关闭状态下的实际光化学效率，可作为植物光合电子传递速率快慢的指标［15］老叶ΦPSⅡ上升，新叶下降。老叶ΦPSⅡ新叶ΦPSⅡCK0.461±0.0310.528±0.00610℃0.535±0.080.501±0.05527℃0.424±0.0360.495±0.05图19低温胁迫对老叶、新叶实际光合效率的影响00.10.20.30.40.50.60.7CK10度27度实际光合效率老叶新叶图20结果表明，低温胁迫损害了杂4红掌叶片的光合系统，因此导致植物光合电子传递效率显著下降。2.3分析光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧的过程。影响光合作用有两大因素：外部因素和内部因素。外部因素主要为光照，温度，湿度和CO2浓度；内部因素有叶龄和叶的生育期等。温度会影响其光合作用的整个过程。低温对植物造成的伤害,表现为膜脂的相态发生改变,膜的通透性增加,体内的活性氧和自由基含量增加,一些次生代谢物质积累等【4】。这些现象的出现主要是由于低温对植物细胞膜系统的破坏,导致参与生命活动的各种酶的结构被破坏,活性降低,从而使细胞的代谢系统紊乱。光是光合作用的能量来源，所以光强度对光合作用影响极大。CO2是光合作用的原料，所以CO2浓度对光合作用也有极大的影响。温度对光合作用的影响比较复杂。因为光合作用分为光反应和暗反应两个部分，而光反应与温度无关。暗反应是一系列复杂的酶促反应与温度关系很大【5】。为了研究温度对光合作用的影响，实验中要控制光照强度与CO2浓度保持一致，低温胁迫红掌，进而使其光合作用与叶绿素荧光发生变化。由上两表中数据可分析，10℃的低温胁迫与对照组CK相比：①杂4红掌光合速率(Pn)降低，②最大光化学效率(Fv/Fm)降低，③PSⅡ实际光化学效率（ΦPSⅡ）降低低温胁迫导致杂4红掌能力减弱的原因是：①气孔和非气孔因素,判定依据主要是根据Ci和Ls的变化方向,即Ci降低和Ls升高,Ci升高和Ls降低【6】。低温胁迫导致光合作用时的气孔抑制，使气孔导度下降，蒸腾失水减弱造成光合作用减弱外，还会直接损伤光合机构，降低PSⅡ潜在活性及光化学效率，使PSⅡ反应中心失活，引起其光能原初捕捉能力和光能同化率减弱，吸收的光能但不能推动电子传递，增加了通过热辐射消耗的光能比例，最终导致粉冠军光合作用能力减弱。②再者，由于光合作用的暗反应是由酶催化的化学反应，低温抑制光合的原因是低温导致膜脂相变，叶绿体超微结构破坏以及酶的活性。温度对光合机构的影响涉及到叶绿体膜的稳定性，而膜的稳定性与膜脂脂肪酸组成有关，膜脂不饱和脂肪酸的比例随生长温度的提高而降低。低温(3℃)胁迫使粉冠军的Pn下降,胁迫时间越长下降幅度越大,影响光合作用的效率。另外，植物遭受环境胁迫，其光合作用必然受到影响，最终影响植物的生长，低温下植物的光合能力有不同程度降低，低温对光合作用的影响也较为复杂，其还涉及到植物本身的基因型差异、生长发育状况、土肥条件、生长环境和胁迫处理程度等因素的影响。低温胁迫导致粉冠军细胞膜受损,膜脂过氧化加剧,根系活力降低,光合作用下降,蛋白质降解加速,活性氧代谢紊乱。粉冠军经低温胁迫后,叶片相对细胞膜透性、根系活力、叶片丙二