弱光對菊花光合特性和氮代謝關鍵酶活性的影響

韓霜

摘要：對南農雪峰和南農宮粉2個菊花品種進行弱光處理，研究這2個品種光合特性和氮代謝關鍵酶活性的變化。以菊花品種南農雪峰和南農宮粉為試驗材料，設置對照（自然光照）和處理（30%自然光照）2種光照度，利用 LI-6400型便攜式光合儀測定不同光照度處理對2個菊花品種光響應曲線和光合參數凈光合速率（Pn）的影響，并利用分光光度計研究弱光對葉片硝酸還原酶（nitrate reductase，簡稱NR）、谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase，簡稱GS）活性的影響。結果表明，弱光下菊花光飽和點（light saturation point，簡稱LSP）上升、光補償點（light compensation point，簡稱LCP）、光飽和時光合速率、表觀量子效率（apparent quantum efficiency，簡稱AQY）下降；弱光條件下NR與GS活性均下降，其中南農雪峰的NR和GS活性整體高于南農宮粉的相應酶活性。

關鍵詞：弱光；光合特性；氮代謝；硝酸還原酶；谷氨酰胺合成酶

中圖分類號： S682.1+10.1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）19-0217-03

收稿日期：2016-05-19

基金項目：河南省科技廳科技攻關項目（編號：142102110184、142102110185）；河南省教育廳項目（編號：2016-JSJYYB-085）。

作者簡介：韓 霜（1982—），女，河南商丘人，博士，講師，主要從事植物光合作用方面的研究。E-mail：htshd_012@163.com。 菊花（Chrysanthemum morifolium）是中國十大名花和世界四大切花之一，具有較高的觀賞價值和經濟價值。菊花是短日照、喜陽植物，它是中國主要的出口創匯花卉，生產上主要采用集約化設施栽培，然而設施栽培中普遍存在弱光問題，嚴重影響菊花品質[1]。設施弱光是制約菊花生產的主要因素之一，弱光使光合速率下降，同時影響氮素的吸收。研究弱光環境下菊花的光合特性和氮代謝關鍵酶活性的變化，有助于加快耐弱光菊花育種進程和優化設施栽培技術[2]。

光是植物進行光合作用的基礎，不僅可以調節植物的正常發育，為植物的生長發育提供同化力，促進氣孔開放，而且在植物關鍵酶活化方面也有重要作用。在弱光與植物光合特性關系的研究中，目前人們已經在番茄、黃瓜、甜瓜、辣椒、草莓、油桃、葡萄等多種植物上進行了比較系統的研究[3]。植物的生長發育是在遺傳和環境2個因素相互作用條件下通過一系列復雜的生理、生化反應完成的。低、高等植物獲得有機氮的主要途徑是無機氮（主要是NO3-）的還原、同化和有機氮化合物的合成及它們之間的相互轉化[4]。前人在弱光對蔬菜氮代謝關鍵酶活性的影響研究中發現，弱光可降低氮代謝的還原能力和同化關鍵酶[硝酸還原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）]的含量和活性以及含氮化合物的累積量，這些變化導致蔬菜體內硝酸鹽吸收與還原同化的不平衡，從而造成NO3-的累積，因此弱光是影響蔬菜硝酸鹽積累的主要因素之一，植物的正常生長發育和最基本的物質代謝都是通過氮代謝完成的[5]。以往的研究多關于單個因素，即弱光對單一品種的研究，而弱光對不同菊花品種光合特性和氮代謝關鍵酶活性影響方面的研究較少。本試驗主要關于弱光對不同菊花品種生理和生化方面的影響與變化進行研究，探討不同菊花品種耐弱光能力的差異，為培育耐弱光的菊花品種奠定基礎，從而提高菊花的產量和品質，給人們帶來更高的觀賞價值和經濟價值。

1 材料與方法

本試驗于2015年6—8月在商丘師范學院進行。

1.1 試驗材料和處理

供試材料為菊花品種南農雪峰和南農宮粉。選擇生長一致的枝干插穗，扦插生根后移植到花盆中，花盆土壤中營養土、珍珠巖、蛭石體積比=2 ∶1 ∶1。緩苗后，隨機分組，一組為正常光照，另一組用遮陽網遮蓋。2015年7月1日—7月28日處理，光照度分別設為正常光照（對照）和30%光照（弱光處理），分為正常南農雪峰（ZXF）、弱光南農雪峰（RXF）、正常南農宮粉（ZGF）、弱光南農宮粉（RGF），以7 d為1個周期，共5個時間點，測量光合特性及氮代謝關鍵酶活性。隔天澆水，隔5 d澆營養液。調查期間每天9：00—11：00取樣，每隔7 d取樣1次，取樣時用同一打孔器打出圓片，先用錫箔紙包裹放入液氮中，采集完再放入超低溫冰箱中，整個試驗樣品采集結束后，統一進行GS、NR活性檢測，每個處理3次重復。最后1個時間點測量光合參數，繪制CO2響應曲線。

1.2 試驗方法

1.2.1 光合特性的測定 選取同等葉位的功能葉片，利用LI-6400光合儀（美國LI-COR公司）通過控制光照度進行光響應曲線測定，每個品種每個處理設置3個重復，最后測定結果取平均值。

1.2.1.1 光合參數和光響應曲線測定 在CO2濃度為 380 μmol/mol，溫度為25～30 ℃，葉室內光合有效輻射（簡稱PAR）梯度設置為1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50、20、0 μmol/（m2·s）的條件下，測定光合參數[凈光合速率（Pn）等]。響應曲線以x軸為光合有效輻射，y軸為凈光合速率，分別用y=a+bx和y=ax2+bx+c方程擬合。從而得出Pn-PAR光響應曲線，求出光飽點（簡稱LSP）、光補償點（簡稱LCP）和表觀量子效率（簡稱AQY）。

1.2.1.2 CO2響應曲線的繪制 安裝CO2鋼瓶（“O”形圈），將蘇打管調節旋鈕擰到完全Scrub位置，干燥劑管調節旋鈕擰到完全Bypass位置，設定CO2梯度為400、300、200、100、50、400、400、600、800、1 000、1 200 μmol/（m2·s）分別進行測量，每個處理3次重復。endprint

1.2.2 氮代謝關鍵酶活性的測定 光響應曲線測定結束后選取同等葉位的2個功能葉片進行打孔，用錫箔紙包裹后迅速放入液氮中，進行氮代謝關鍵酶活性的測定。

1.2.2.1 NR活性的測定 NR活性測定參照王小純等的方法[6]進行。測定之前準備好需要用到的試管和離心管并標上對應標記，每個品種、每個處理分別進行3次重復，取平均值，用分光光度計在540 nm條件下比色。

1.2.2.2 GS活性的測定 GS活性的測定參照Zhang等的方法[7]進行，用分光光度計在540 nm條件下比色。

1.3 統計分析

采用單因素方差分析同一品種不同處理對菊花光合特性和氮代謝關鍵酶的影響，并進行Duncans多重比較，采用雙因素方差分析光照和品種對各測定參數的影響。試驗數據使用Excel 2007軟件整理，統計分析用SPSS V21.0（美國）軟件。

2 結果與分析

2.1 弱光對不同菊花品種光合特性的影響

2.1.1 弱光對不同菊花品種光合參數的影響 由表1可知，2個菊花品種在飽和點的光合速率均為對照>弱光，說明弱光處理能導致凈光合速率下降。表觀量子效率可以反映植株在一定弱光下的適應能力[8]。最大表觀量子效率隨著處理時間的延長有所變化，且在正常光照下，南農雪峰的表觀量子效率高于正常光照下的南農宮粉（表1）。同一品種在不同處理條件下，正常處理表觀量子效率大于弱光條件下的，說明光照度降低，表觀量子效率也會隨之降低，但南農宮粉弱光條件下的表觀量子效率比南農雪峰低，可能是弱光下南農宮粉對光吸收能力受到限制，從而降低了凈光合速率。

暗呼吸速率的降低是植物為適應弱光環境所表現出的，越是耐弱光的植物，其暗呼吸速率越低，分析對照和弱光下的Pn-PAR曲線，可以得到相似的結論。弱光條件下暗呼吸速率降低，有助于植物積累碳，南農雪峰弱光條件下暗呼吸速率低于南農宮粉的暗呼吸速率，由于暗呼吸速率是植物適應弱光的一種體現，這就說明南農雪峰較南農宮粉更能適應弱光。

2.1.2 弱光對不同菊花品種光合響應曲線的影響 圖1中2個菊花品種在弱光和正常光處理下的Pn-PAR響應曲線顯示，當對照南農雪峰、對照南農宮粉和弱光南農雪峰、弱光南農宮粉PAR范圍分別為800～1 200、1 000～1 200、1 000～1 200、600～800 μmol/（m2·s）時，Pn隨著PAR的增大幾乎呈線性增加，而當PAR超過上述值則隨PAR的增大，Pn增加緩慢，甚至有所下降，表明PAR已接近或達到光飽和點。

2.1.3 弱光對不同菊花品種CO2響應曲線的影響 由圖2可知，在不同光照條件下，Pn對CO2濃度變化的響應趨勢相同，即隨著CO2濃度的升高，Pn逐漸升高直至趨于穩定狀態，說明CO2濃度的升高有利于菊花Pn的提高。但是不同菊花品種對弱光的響應有差異，表現為南農雪峰在弱光條件下對CO2利用與自然光照條件差異不明顯，南農宮粉在弱光條件下在CO2濃度>1 000 μmol/mol范圍內對CO2的利用效率明顯下降，說明南農宮粉對弱光的適應性差。

2.2 弱光對菊花關鍵酶活性的影響

2.2.1 弱光對NR活性的影響 由圖3可見，隨著時間的延長，正常光照下南農雪峰的NR活性大于弱光下的南農雪峰NR活性，7 d后NR活性迅速降低，但南農宮粉的NR活性在0～14 d呈現先升高后降低的趨勢。結果表明，南農雪峰的NR活性平穩下降，而南農宮粉的NR活性變化不穩定?？梢?，光照度能影響不同菊花品種的NR活性，不同菊花品種對弱光的響應有差異，南農宮粉對弱光較南農雪峰敏感，說明南農雪峰更能適應弱光環境。

2.2.2 弱光對GS活性的影響 由圖4可知，正常光照下南農雪峰的GS活性明顯高于南農宮粉的GS活性，而且上升速度較快，而弱光條件下2個品種均呈現不同的趨勢，試驗開始7 d時南農宮粉GS活性大于南農雪峰，之后弱光條件下南農雪峰GS活性整體上大于南農宮粉GS活性。根據差異顯著分析，正常光照下2個品種差異不顯著，而在弱光條件下2個品種差異顯著，后期正常光照下GS保持較高活性，而弱光下GS活性較低。

3 結論與討論

光照條件的變化能明顯改變葉片的光合作用、葉綠素熒光參數、葉綠體超微結構、最終影響物質的積累[8-10]。光合速率下降的主要原因是光能的供應，由于氮素是菊花生長發育過程中需要量最大的營養元素之一，在氮代謝的整個途徑中，NR作為植物體內的關鍵酶和限速酶，同時也是一種誘導酶，可提供光合作用所需要的能量；光照度對NR活性有重要影響，同時NR作為限制性關鍵酶調控整個氮素還原同化進程[11-12]。弱光降低了菊花對NO3-的利用，從而降低了菊花對氮素的吸收，同時菊花的氮素還原力和同化能力也有所降低，不利于氮素的積累，導致碳、氮代謝受阻，光合速率下降。從數據的分析中可以得出，南農雪峰更能適應弱光環境，在一定的弱光條件下，光合特性和氮代謝關鍵酶所受影響不是特別明顯，而南農宮粉對弱光較敏感。

高等植物氮同化的主要途徑是由GS[13]和谷氨酸合酶（GOGAT）構成的循環反應，此循環反應是整個氮代謝的中心，在氮素的利用及高等植物的各個發育階段的氨同化過程中起著十分重要的作用[14]。本試驗結果表明，NR和GS活性易受光照的影響，遮光條件下對光合作用參數影響較大，弱光條件下Pn下降，同時也受到細胞內NO3-濃度的影響。因此可知，弱光對2個菊花品種的光合特性和氮代謝關鍵酶活性有明顯影響，而南農雪峰比南農宮粉更易于適應弱光。

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