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几种酚酸类物质胁迫下不同杉木无性系叶绿素荧光参数的比较分析

王丽敏  
【摘要】: 化感作用是指植物生长过程或植物腐烂过程中产生的化感物质对邻近植物生长的干扰。杉木(Cunninghamia Lanceolata)是我国南方最重要的造林树种之一,其化感作用已经得到国内外学者的证实,由于连栽导致地力衰退,生产力下降。自毒作用是导致其连栽障碍的一个重要原因。当前,已经鉴定出的杉木自毒物质包括没食子酸、邻羟基苯甲酸和肉桂酸等诸多物质。 本研究采用在光自养培养箱中培养材料(它能在严格控制的环境下培养,排除了外界环境因素的干扰,并可节省时间和空间。),以组培作为实验手段,通过分别向无糖沙培基质中添加外源邻羟基苯甲酸和肉桂酸的方法,探讨这两种杉木自毒物质对7个优良杉木无性系组培苗叶绿素荧光的响应机制。具体研究内容为:在邻羟基苯甲酸(40 mg·L-1、80 mg·L-1、120 mg·L-1)和肉桂酸(30 mg·L-1、65 mg·L-1、100 mg·L-1)胁迫下不同杉木无性系叶绿素荧光参数的变化。通过测定不同胁迫时期(前期0-7天、中期8-14天、后期15-21天)不同胁迫浓度各处理的叶绿素荧光参数Fo、Fm、Fv、Fv/Fm、Fv/Fo、φPSⅡ、qP、qN和NPQ的变化,进行比较分析,为选育杉木耐自毒物质品系及建立耐自毒物质评价指标提供科学依据和理论参考。研究结果表明: 1、不同酚酸胁迫对不同杉木无性系Fo、Fm和Fv的影响 PSⅡ反应中心的热耗散增加导致Fo降低,PSⅡ反应中心的破坏或可逆失活引起Fo的增加。因此,可根据Fo的变化推测反应中心的状况和可能的光保护机制。就杉木无性系FS21而言,在邻羟基苯甲酸40mg·L-1胁迫下,胁迫7天、14天、21天后的Fo值比对照处理后的Fo值分别降低3.5%、升高10.56%、升高3.1%。由此看出,不同无性系在不同酚酸浓度胁迫下,其Fo值先下降后上升,说明随胁迫时间延长,该无性系逐渐启动恢复机制,可能与其自身抗逆性较强有关。 从测定的Fo、Fm、Fv数据看出,在不同胁迫时间下,随着胁迫浓度的升高,不同杉木无性系Fo值逐渐升高,而Fm和Fv值均呈先下降后上升趋势。就杉木无性系师103而言,在120mg·L-1邻羟基苯甲酸胁迫下,胁迫7天、14天、21天后的Fo值比对照处理后的Fo值分别升高了1.68%、9.42%、6.97%,胁迫7天、14天、21天后的Fv值比对照处理后的Fv值分别降低了16.06%、9.13%、9.75%。在不同胁迫时间不同胁迫浓度下,无论是Fo上升还是Fv下降均是其抗性增强的表现。同理,由实验结果得出杉木无性系FS01、FS21和师103自身抗逆性较强。 2、不同酚酸胁迫对不同杉木无性系Fv/Fm和Fv/Fo的影响 在荧光参数中,Fv/Fm和Fv/Fo被公认为是叶片光合效率的重要依据。Fv/Fm是植物发生光抑制的敏感指标,但由于PSII的光保护反应即非光化学能量耗散和PSⅡ的伤害都可以引起此比值降低。如表所示,FS13和师103均呈下降趋势,且随着酸胁迫浓度增大,Fv/Fm值越来越小,这表明PSⅡ活性中心受到损伤,且下降幅越大,损伤越大。同时,Thomas证明Fv/Fm下降是由于Fm下降和Fo上升,且主要是由Fm下降引起的。比较七个无性系Fv/Fm的降低过程,发现FS13和师103下降幅度较大,其余5个无性系呈弱上升趋势。说明经邻羟基苯甲酸胁迫后,FS13和师103的光合功能受到影响,但仍表现出一定的抗酸性,而其余五个无性系比FS13和师103的光抑制较轻,即耐酸胁迫能力较强。 本试验中,不同酸胁迫下不同杉木无性系Fv/Fm和Fv/Fo值变化不明显,差异不显著。在邻羟基苯甲酸胁迫下,随酸胁迫浓度的增大,各无性系Fv/Fm和Fv/Fo值不断降低,结果表明,邻羟基苯甲酸120mg·L-1胁迫使杉木叶片PSⅡ光化系统受到伤害,降低了PSⅡ原初光能转化效率,使杉木幼苗PSⅡ潜在活性中心受损,光合作用原初反应过程受抑制。而在肉桂酸胁迫下,随酸胁迫浓度的增大,各无性系Fv/Fm和Fv/Fo值先上升后下降,表明其先启动恢复机制,而后导致荧光猝灭减少,光合电子传递和膜的能态化逐渐受到抑制,甚至导致PSⅡ光化系统受伤害, PSⅡ潜在活性中心受损。研究表明,杉木无性系FS07和FS21具有较好的抗性和较好的光合性能,为以后选育高生长量、高光合速率杉木无性系提供了理论依据。 3、不同酚酸胁迫对不同杉木无性系qP和NPQ的影响 qN和NPQ都反应热耗散的变化,但是NPQ比qN能更准确地反映无性系的非光化学猝灭的情况。一般qP和qN值在0-1之间变化,NPQ大于1。由测定数据可得,在不同浓度酚酸胁迫下,各无性系qP值和NPQ值均大幅上升。就杉木无性系FS01而言,在肉桂酸30mg·L-1胁迫下,胁迫7天、14天、21天后的qP值比对照处理下qP值分别升高了20.41%、24.49%、40.82%,而胁迫7天、14天、21天后的NPQ值比对照处理下NPQ值分别升高了40.63%、43.75%、46.88%。可以看出,在不同胁迫浓度相同胁迫时间段下NPQ值的上升幅度均比qP值高,而且NPQ值上升幅度越大,光合机构的受损程度越小,这也在一定程度上提高了它抵抗酚酸胁迫的能力. NPQ值的增加,表明其卡尔文循环的活性受抑制的程度增大,PSⅡ的潜在热耗散能力增强,对无性系FS01本身是一种保护作用。该试验筛选出,抗性较强的无性系有FS01、FS07、FS21和师103,而抗性较弱的无性系有FS01和FS13。酚酸胁迫对各杉木无性系造成的损害与胁迫时间有关,如果胁迫时间较短,经一定时间后其功能可恢复;但如果胁迫时间较长,就有可能对杉木幼苗造成不可逆的损害。 但是,肉桂酸65 mg·L-1胁迫下无性系FS13和肉桂酸100 mg·L-1胁迫下无性系师103的NPQ值变化趋势与其他处理下NPQ值变化趋势有所不同,随着胁迫时间的延长NPQ先升高后降低。在肉桂酸65 mg·L-1胁迫下,无性系FS13胁迫7天、14天、21天后的NPQ值比对照处理的NPQ值分别升高27.91%、升高40.7%、降低10.47%;在肉桂酸100 mg·L-1胁迫下,无性系师103胁迫7天、14天、21天后的NPQ值比对照处理的NPQ值分别升高4.35%、升高6.52%、降低10.87%。随着胁迫时间的延长,NPQ逐渐增加,表明其卡尔文循环的活性受抑制的程度增大,PSⅡ的潜在热耗散能力增强,对无性系FS13和师103本身是一种保护作用;随着培养时间继续延长,NPQ又开始下降,表明无性系FS13和师103的正常生理功能受到一定伤害,对热能的耗散能力有所减弱。该实验结果表明,酚酸胁迫对各杉木无性系造成的损害与胁迫时间有关,如果胁迫时间较短,经一定时间后其功能可恢复;但如果胁迫时间较长,就有可能对杉木幼苗造成不可逆的损害。 综上所述,在杉木自毒物质邻羟基苯甲酸和肉桂酸胁迫下,在7个供试材料中,杉木无性系FS07和FS21耐自毒作用能力较强,杉木无性系FS01、FS03、FS04和师103居中,FS13最弱。可见,不同无性系对自毒物质胁迫的忍受能力有明显差异,这为今后培育适于在连栽地上生长的杉木优良无性系选择提供理论依据。


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