阴生和阳生环境下慈竹叶片叶绿素荧光特性比较
摘要：为探究慈竹叶片对不同光环境的适应，取相同长势的阴生叶和阳生叶测量叶绿素荧光参数，比较两者F0、SM、Fv/Fm、DI0/RC、TR0/RC、DFabs、DFtotal、PItotal的数值差异。结果表明，两者最大的光化学效率Fv/Fm相近；阳生叶光合系统的驱动力（DFtotal）和活性（PItotal）显著高于阴生叶（P＜0.05），反映出阳生叶的光合性能高于阴生叶，叶绿体光系统比较发达；阴生叶捕获总能量（TR0/RC）和耗散总能量（DI0/RC）显著高于阳生叶（P＜0.05）。本研究对了解慈竹叶片对光环境适应机制和慈竹栽培的光环境需求有一定的参考价值。
植物个体对环境变化会做出一系列的生理反应[1]。光照是影响光合作用的一个重要因素，面对不同的光照环境，植物叶片的结构将会发生相应变化；阴生叶适应低光环境，需要提高叶片的曝光度，只有通过增大叶片表面积去实现[2]；同时，阴生环境下叶片的蒸腾作用相对较低，为增大叶片表面积提供了可行性[3]。但是，在一些特殊的物种中，阳生叶比阴生叶大[4]，并且阳生叶机械组织更发达，叶片比阴生叶更厚[5]。同一种植物，阴生环境下的叶绿素总含量大于阳生叶，且叶绿素b和叶绿素a的比值更高[6]，影响了PSⅡ的活性，进一步导致阴生叶和阳生叶的叶绿素荧光参数发生变化。自从1834年Brewster发现了叶绿素荧光，并经过Kautsky等[7]的进一步研究，逐步形成了理论体系，叶绿素荧光作为光合作用研究的探针，得到了广泛应用。
叶绿素荧光参数对检测植物受到的环境胁迫和生理应答具有敏感性。通过叶绿素荧光数据分析，可检测植物是否受到光照、温度、水分、营养等方面的环境胁迫[8-11]，并了解植物对这些胁迫的适应能力，Fm是干旱胁迫较敏感的一项数据。干旱胁迫下，植物叶片Fm和Fv/Fm均表现出下降趋势[12]；低温胁迫下，植物叶片叶绿素含量降低，净光合速率随之降低，Fv/Fm也随着温度降低而下降[13]。同样，叶绿素荧光参数可反映出植物对光环境的响应；强光环境下，慈竹叶Fv/Fm下降明显，光化学效率降低[14]。
慈竹（BambusaemeiensisL.C.Chia&H.L.Fung）是禾本科竹亚科植物，主要分布在中国大陆，以四川盆地最为丰富[15-16]；慈竹是一种很重要的观赏经济资源。本研究对阴生和阳生环境下生长的慈竹叶片，通过快速叶绿素荧光测定，明确光照条件和叶绿素荧光参数之间的关系，以揭示慈竹叶片对不同光环境的响应机制，从而为栽培慈竹提供理论依据。
1材料与方法
1.1试验材料及地点
选择中国地质大学（武汉）东区八角楼南侧生长的一丛慈竹为研究对象，分别选取阴生和阳生环境下生长的末端一级分支各20枝；试验所用竹叶均发育健康，长势良好，并取自每一枝的第3叶。试验时间为2023年3月17日，晴天。
1.2研究方法
1.2.1叶绿素荧光参数的测定。暗适应叶夹避开叶脉夹住慈竹叶，使其暗适应20min，采用Pocket-PEA（Hansatech）测定各类叶绿素荧光参数。叶片细胞内的叶绿素，通过吸收捕获仪器发射出的光能从基态跃迁到激发态，处于不稳定的状态，叶绿素分子需要回到稳定的基态，多余的能量会以荧光的形式发射出来，经过20min暗适应的慈竹叶，在仪器发射的可见光的刺激下会产生暗红色的荧光，并且在2s的测定时间内，荧光强度随时间的变化而变化，形成OJIP曲线。仪器可计算得出Fv/Fm值、SM、DI0/RC、TR0/RC、DFabs、DFtotal、PItotal等有关叶片性能的叶绿素荧光动力参数。叶绿素荧光动力学技术，是用于分析叶绿素荧光参数的技术，在测定叶片光合作用过程中，光系统的RC（Reactioncenter反应中心）、ABS（Absorption反应中心吸收的光能）、TR（Trapping捕获的光能）、DI（Dissipation耗散的能量）以及PI（PerformanceIndex性能指标）具有独特的作用[17]。Fv/Fm表示PSⅡ的最大光化学效率[18]，常被作为光抑制的指标[19]；Sm是标准OJIP曲线与坐标轴y轴围成的面积，代表使QA库完全被还原所需的能量，反映了系统库承载电子的能力；DI0/RC代表单位反应中心耗散的能量；TR0/RC表示单位反应中心捕获用于电子传递的能量[20]；DFabs表示以反应中心吸收的光能为基础的驱动力；DFtotal指示PSII、PSI和系统间电子传递链的整体驱动力；PItotal指示叶片整体性能。
1.2.2数据处理。将Pocket-PEA测得的2s内200个时间点的叶绿素荧光值，通过蓝牙的方式传送到电脑，经过标准化处理，利用Excel绘制标准化后的OJIP快速荧光动力学曲线。通过SPSS、Statistic分别求出阴生叶和阳生叶F0、SM、Fv/Fm、DI0/RC、TR0/RC、DFabs、DFtotal、PItotal的平均值，并通过t-test检验均值是否具有显著性差异（P＜0.05则认为差异显著）。
2结果与分析
2.1阴生叶和阳生叶OJIP快速荧光动力学曲线及最大光化学效率Fv/Fm
式中，Vt：某时间点测得叶绿素荧光值标准值；Ft：某时间点测得叶绿素荧光值原始值；F0：初始叶绿素荧光值；Fm：叶绿素荧光最大值。
此公式将所有测得的值标准化，x轴为时间的对数，y轴为标准化处理后的叶绿素荧光值，做出双重标准化OJIP曲线。
由图1可知，阴生叶和阳生叶的OJIP曲线没有较大差距，但阴生叶OJIP曲线与Y轴围成的面积Sm小于阳生叶。由图2可知，阴生叶和阳生叶的最大光化学效率Fv/Fm相近；阳生叶的PItotal为2.55，阴生叶PItotal为1.24，阳生叶显著高于阴生叶（P＜0.01），说明阳生叶总性能高于阴生叶。
2.2叶片各项叶绿素荧光参数对比
t-test检验结果显示，阴生叶和阳生叶的最大光化学效率Fv/Fm无显著差异，但阴生叶Sm、DFabs、DFtotal、PItotal值均远小于阳生叶，DI0/RC、TR0/RC远大于阳生叶，显著性水平为P＜0.05（表1）。
以阳生叶的参数设为单位1，阴生叶的参数比阳生叶参数得到比值，将各项相比得到的一系列比值绘制雷达图，显示阴生叶捕获的光能（TR0/RC）以及耗散的光能（DI0/RC）多于阳生叶（图3）。
以阳生叶的参数设为单位1，阴生叶的参数比阳生叶参数得到比值，将各项相比得到的一系列比值绘制雷达图，显示阴生叶捕获的光能（TR0/RC）以及耗散的光能（DI0/RC）多于阳生叶（图3）。
3讨论
PSⅡ反应中心是PSⅡ将光能转化为光化学能的核心部位[21]，叶绿素荧光参数反映了PSⅡ的各种性能。本试验表明，阴生叶和阳生叶的OJIP曲线没有较大差距，但阴生叶OJIP曲线与Y轴围成的面积Sm小于阳生叶；阴生叶Sm平均值为28.641，阳生叶为39.263；阴生叶Sm小于阳生叶，代表阴生叶光系统库受体醌的电子承载能力小于阳生叶。阴生叶PSⅡ受体侧醌容量减小（Sm），为尽可能保持光化学效率，就需要将同样多的电子传输更多次数，因此，阳生叶片电子传递能力更强，效率相对于阴生叶更高[22]。阴生叶单位反应中心捕获用于电子传递的能量以及耗散的能量远高于阳生叶，每一次电子运输都要消耗能量，运输次数多，需要的光能以及耗散的能量自然会变多[23]。从宏观上表现，叶片需要吸收更多的光能来满足电子传递需要的能量，这是阴生叶适应阴生环境的一种体现，提高了阴生叶对于弱光的利用能力[24]。
阴生叶和阳生叶的Fv/Fm值相近，没有显著差异，阴生叶为0.773，阳生叶为0.776，全部稳定在0.75~0.85之间[25]，说明两者最大光化学效率相近，并没有受到任何抑制或者胁迫，阴生环境对Fv/Fm没有显著影响[26]。叶片吸收的光能共有3种去路，分别是自身利用、耗散、以荧光的形式发射出去，阴生叶和阳生叶发射出的最大荧光（Fm）的能量相近，阴生叶捕获的光能（TR0/RC）多于阳生叶，耗散的能量（DI0/RC）同样高于阳生叶。因而，两者自身利用的光能相近，这也与阴生叶与阳生叶光化学效率相近符合。
阳生叶DFabs、DFtotal值极显著高于阴生叶（P接近0），显示PSII内部驱动力，以及PSII、PSI和系统间电子传递链的整体驱动力远高于阴生叶；因为阳生叶驱动力比较高，一次性传输的电子多于阴生叶，阴生叶驱动力小，电子传递量少。PItotal总性能指数，指示PSII、PSI和系统间电子传递链的整体功能活性指数，阳生叶为PItotal平均值2.550，阴生叶PItotal平均值为1.243，说明阳生叶整体功能活性远高于阴生叶光合系统；无论是驱动力还是活性，阳生叶都要高于阴生叶，说明在阳生环境下慈竹能更好地发挥光合作用的能力。阳生叶叶绿体光系统比阴生叶发达，而阴生叶为了尽可能适应阴生环境，利用弱光，不管是吸收总能量、捕获总能量还是耗散总能量，阴生叶的都要比阳生叶多，需要尽可能地吸收光的能量，来满足正常光合作用所需的能量。
综上所述，慈竹更适应阳生环境，阴生环境下的叶片为了自适应，通过减小PQ库承载电子能力，促进叶片在弱光环境下吸收更多光能，但这同时也会使叶片的性能大幅下降。未来，可对比阴生叶和阳生叶细胞大小及细胞机械组织的厚度，进一步探究慈竹叶片的组织结构对不同光环境的适应情况。
