油茶叶片捕光色素分子内禀特性和光能利用效率对光照强度的响应

何玉琳，吴 杨*，叶子飘，周赛霞，叶思诚，刘文鑫

(1 九江学院 江西油茶研究中心，江西九江 332005；
2 井冈山大学 数理学院，江西吉安 343009；
3 中国科学院庐山植物园，江西 九江 332900)

光照是影响植物生长发育最重要的生态因子之一。光调控作物物质生产是一个复杂的生化和生物物理过程，涉及光合机构的组成、光合色素和光合酶的生物合成、光驱动的电子传递、CO2的固定和同化[1]。植物生长需要特定的光照强度，高于或低于正常光强度对植物光合作用和干物质积累都有很大影响。植物在生长过程中常常遭遇弱光胁迫，如大气环境变化导致的光照辐射降低，间套作种植方式造成的荫蔽等。一般而言，弱光条件下的叶片为收获更多光能，会表现出叶片变薄，叶面积变小，栅栏组织变薄，叶绿素含量增加等特征，但同时气孔密度和气孔导度降低，CO2传递受阻，光合速率下降。较高的光照强度则会扰乱植物的能量平衡。在夏季或日间等光强较高的条件下，超过代谢所需的多余能量会在叶绿体类囊体膜中积累，从而造成光合系统结构受损，引起光合活性降低[1-4]。

建立数学模型是研究植物光合特性的有效手段。前人利用直角双曲线模型、非直角双曲线模型对光响应曲线、CO2响应曲线进行了大量的拟合分析。普遍认为，弱光条件下植物叶片光补偿点和光饱和点降低、表观量子效率提高，使其在光限制条件下能够最大限度地利用光能来制造有机物。但弱光环境中生长的叶片往往具有较低的暗呼吸速率、CO2饱和点、CO2羧化效率以及较高的CO2补偿点[5-7]。不同种类、品种或品系间植物光合效率的高低及其光环境的适应能力，以及不同模型的拟合效果都有很大差别。叶子飘等[8-10]提出的光合机理模型能较好拟合光合速率对光和CO2的响应曲线，特别是光合电子传递效率对光响应模型能进一步明确叶片光系统功能和捕光色素分子物理特性，为深入研究植物光合生理奠定了基础，近年来被国内外学者广泛应用。

油茶是中国独有的食用性、多年生木本油料作物。它虽然具有较强的抗逆性和生态适应能力，但较低的叶片光合速率和粗放的栽培模式导致其产量常年低而不稳。不同光强环境条件下，油茶光能利用特征与光合碳生产潜力目前亦缺乏深入研究。为此，本研究通过设置不同光照强度处理，系统分析油茶叶片光能吸收、电子传递、捕光色素分子内禀特性与光能利用效率之间的关系，为实现油茶高光效育种和生产提供依据。

1.1 试验设计

试验于2020年在九江学院江西油茶研究中心进行，供试材料为油茶品种‘长林4号’。选取生长良好、均匀一致的2年生油茶苗，移栽于250 mm × 190 mm的种植盆内，每盆1株。将油茶苗放置于自然生长条件下缓苗1个月后，再将其放入人工气候室内(宁波江南仪器厂，GXZ-280E)进行光照处理。试验设置L100(全光照，450～500 μmol·m-2·s-1)、L70(70%光照，300～350 μmol·m-2·s-1)、L40(40%光照，180～200 μmol·m-2·s-1)、L10(10%光照，45～50 μmol·m-2·s-1)共4个光照强度处理；
每个处理30盆，共120株；
光周期设定为12 h/12 h(昼/夜)，培养温度为28 ℃/22 ℃(昼/夜)，栽植后保持一致的管理，并保证土壤水分充分供应。

1.2 测定项目与方法

在不同光照条件下处理40 d后，选择完全展开的功能叶片(上数2～3叶)进行以下光合指标的测定和相关参数的估算。

1.2.1 光合色素含量采用丙酮和无水乙醇(2∶1)的混合液法对叶片光合色素进行提取，提取液利用紫外分光光度计分别在470、645、663 nm波长下测定吸光度值，叶绿素含量(叶绿素a与叶绿素b之和)按照Arnon方法[11]进行计算。每处理随机选取5株油茶苗测定，取其平均值。

1.2.2 光合气体交换和叶绿素荧光参数每处理分别随机选取5株油茶苗，用于叶片光合气体交换和叶绿素荧光参数的测定。利用Li-6800XT便携式光合仪，在各处理生长光强下测定得到净光合速率(Pn)、光系统 Ⅱ(PSⅡ)有效光化学量子产量(Fv′/Fm′)、PS Ⅱ最大光化学量子产量(Fv/Fm)、PS Ⅱ实际光化学效率(ΦPS Ⅱ)、电子传递效率(ETR)、光化学淬灭系数(qP)、非光化学淬灭系数(NPQ)。然后参照Demmig-Adams等[12]的方法计算光能分配：

光化学耗散=qP×Fv′/Fm′×100%；

天线热耗散=(1-Fv′/Fm′)×100%；

过剩激发能=(1-qP)×Fv′/Fm′×100%。

1.2.3 光与CO2响应曲线及参数每处理分别随机选取5株油茶苗，进行光响应曲线和CO2响应曲线的测定。在光响应曲线测定时，叶室温度为25 ℃，红蓝光源，由CO2气体小钢瓶控制CO2浓度为400 μmol·m-2·s-1，光合有效辐射梯度设定为：2 000、1 800、1 500、1 200、900、600、400、200、150、100、70、40、10和0 μmol·m-2·s-1。在CO2响应曲线测定时，叶室CO2梯度设定为：400、300、200、100、50、30、400、500、600、800、1 000、1 200、1 500和1 800 μmol·m-2·s-1，设定光强为1 200 μmol·m-2·s-1。

首先，利用测定数据根据叶子飘等[9]非直角双曲线修正模型进行拟合，并计算光合速率-光响应曲线对应的暗呼吸速率(Rd)、最大净光合速率(Pna-max)、饱和光强(Isat)、光补偿点(Ic)，光合速率-CO2响应曲线对应的光呼吸速率(Rp)、最大净光合速率(Pnc-max)、饱和胞间CO2浓度(Cisat)、CO2补偿点(Γ)。

1.2.4 植株水平光能利用效率植株水平光能利用效率(LUEP)参考以下公式计算：

LUEp=(D·f)/R

其中，D为光处理期间植株地上部分增长的干物质量(kg·m-2)，每处理随机选取5株油茶苗测定，取其平均值；
f为木本植物干物质的化学能，20 MJ·kg-1[14]；
R为光处理期间植株接受的300～800 nm内的光辐射能(MJ·m-2)，用Spectra Pen光谱仪进行测定。

1.3 数据分析

采用SPSS 19统计分析软件对数据进行差异显著性检验(LSD法，α=0.05)。利用光合计算软件(http://photosynthetic.sinaapp.com/index.html)对光合作用参数曲线进行拟合分析。

2.1 光强对油茶叶片气体交换参数和叶绿素荧光参数的影响

表1显示，随光照处理强度的降低，油茶叶片净光合速率(Pn)、电子传递效率(ETR)及非光化学淬灭系数(NPQ)均呈现逐渐下降趋势，且各处理间大多差异显著(P<0.05)；
与L100处理(对照)相比，L10处理叶片Pn、ETR和NPQ分别显著降低了74.78%、83.00%和34.20%。同时，随光照处理强度的降低，油茶叶片PS Ⅱ最大光化学量子产量(Fv/Fm)、PSⅡ实际光化学效率(ΦPSⅡ)和光化学淬灭系数(qP)则逐渐升高，且L100处理与L40和L10处理间存在差异显著，而与L70处理间无显著差异；
与L100处理相比，L10处理叶片Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP值分别显著提高了5.19%、65.38%和17.24%。可见，在高光强下，油茶叶片的净光合速率和电子传递效率提高，热耗散增加，而其PSⅡ最大光化学量子产量、PSⅡ实际光化学效率和光化学淬灭系数则显著降低，而在低光强条件下则表现出相反规律。

表1 不同光强对油茶叶片气体交换与叶绿素荧光参数的影响

2.2 光强对油茶叶片光能分配比例的影响

由表2可知，光照强度强烈影响着油茶叶片所吸收光能的分配比例。L100、L70和L40处理油茶叶片的吸收光能分配比例排序均为天线热耗散>光化学耗散>过剩激发能，而L10处理排序则为光化学热耗散>天线热耗散>过剩激发能。随着光照强度的降低，油茶叶片所吸收光能中的光化学耗散和过剩激发能逐渐增加，天线热耗散逐渐降低。其中，与L100处理相比，L70处理间的吸收光能分配比例没有显著变化，而L40、L10处理天线热耗散比例显著减少，光化学耗散比例显著增加，但过剩激发能没有显著差异。说明在光照强度较低的情况下，油茶植株吸收的光能大部分用于进行光化学反应，而非光化学过程分配份额相对减少。

表2 不同光强下油茶叶片吸收光能分配比例的变化

2.3 光强对油茶叶片光响应曲线和CO2响应曲线特征参数的影响

油茶叶片光响应曲线的特征参数暗呼吸速率(Rd)、最大净光合速率(Pna-max)、饱光强(Isat)均随光照强度的下降而逐渐降低，而光补偿点(Ic)则先升后降，并在L70处理下达到最大值，各指标在处理间的差异大多达到显著水平(图1，A；
表3)。其中，与L100处理相比，L70处理的Pna-max和Isat值没有显著变化，其Rd值显著降低了30.51%，而Ic值却显著提高了6.07%；
L40处理的Rd、Pna-max、Isat和Ic值分别显著下降了72.32%、25.48%、32.25%和25.83%，L10处理则分别显著下降了85.31%、58.90%、47.35%和61.81%；
同时，随光照强度降低，油茶叶片CO2响应曲线的特征参数光呼吸速率(RP)、最大净光合速率(Pnc-max)、饱和胞间二氧化碳浓度(Cisat)和 CO2补偿点(Γ)也随之逐渐下降(图1，B；
表4)。其中，与L100处理相比，L70处理油茶叶片RP、Pnc-max、Cisat和Γ值除Pnc-max外降幅均达到显著水平，L40处理分别显著降低了47.69%、56.04%、26.59%和27.40%，L10处理则分别显著降低了65.12%、68.82%、38.19%和47.84%。

表3 不同光强下油茶叶片光响应曲线特征参数的变化

表4 不同光强下油茶叶片CO2响应曲线特征参数的变化

2.4 光强对油茶叶片电子传递效率和叶片水平光能利用效率光响应特征参数的影响

图2，A显示，各光强处理油茶叶片电子传递效率ETR值在光照强度较低时随光照强度增加而快速增加，随后增长较为平缓，ETR值在达到峰值后呈现缓慢降低的趋势；
其中，与L100处理相比，L70、L40和L10处理油茶叶片最大电子传递效率(Jmax)分别显著降低了10.60%、29.31%和48.68%，最大电子传递效率相对应的饱和光强(IJ-sat)分别显著降低了20.24%、41.17%和48.10%，且各处理间差异均达到显著水平(表5)。同时，随着光照强度的增加，各光强处理油茶叶片水平光能利用效率(LUEL)均急剧上升，在达到峰值后逐渐下降；
在光照强度大于100 μmol·m-2·s-1时，高光强处理LUEL开始明显高于低光强处理(图2，B)。其中，油茶叶片最大光能利用效率(LUEL-max)在L70、L40和L10处理下分别比L100处理显著降低了25.03%、43.05%和43.32%；
而最大光能利用效率相对应的饱和光强(IL-sat)在L70和L40处理下分别较L100处理显著提高18.22%和29.72%，在L10处理下则较L100处理显著降低40.34%(表5)。

图2 油茶电子传递效率和叶片水平光能利用效率对光响应曲线

2.5 光强对油茶叶片叶绿素含量和捕光色素分子内禀参数的影响

表6 不同光强下油茶叶片叶绿素含量和捕光色素分子内禀参数的变化

图3 油茶叶片处于最低激发态的捕光色素分子数和捕光色素分子有效光能吸收截面的光响应曲线

2.6 光强对油茶干物质增长量和植株水平光能利用效率的影响

图4显示，油茶干物质增长量在L70处理下与L100处理没有显著差异，而在L40、L10处理下分别较L100处理显著下降了77.73%和95.55%；
油茶植株水平光能利用效率(LUEP)以L70处理最大，其比L100处理显著增加了51.52%，而L40处理稍低于L100处理，L10处理则较L100处理显著降低了56.26%。

图4 不同光照强度下油茶干物质增长量和植株水平光能利用效率的变化

为明确油茶的光合特性，前人针对不同油茶栽培品种间光合气体交换参数、光响应曲线和CO2响应曲线特征进行了大量的对比研究。总结前人结果发现，不同品系间油茶的光能吸收利用率和CO2同化效率存在着较大差异。大多数油茶具有较高的光呼吸速率(Rp)，光合作用过程中的能量损耗较多，但油茶能够同时较好地适应强光和弱光环境，具有较宽的光能利用范围[15-16]。然而油茶对不同光照环境的适应机制尚缺乏深入研究。光呼吸和暗呼吸会消耗一部分能量和有机物，但对于维持植株体内正常的碳、氮代谢活动和应对环境变化具有重要意义，与光合作用一起构成了植物维持自身生命活动的复杂代谢网络[17]。生长旺盛、光合速率高的植株往往也伴随着较高的光呼吸速率和暗呼吸速率[18-19]。本研究结果表明，油茶叶片净光合速率(Pn)、潜在最大光合能力(Pna-max、Pnc-max)、光呼吸速率(Rp)、暗呼吸速率(Rd)、光补偿点(Ic)、CO2补偿点(Γ)、饱和光强(Isat)、饱和胞间CO2浓度(Cisat)、电子传递效率(ETR)、最大电子传递效率(Jmax)及最大电子传递效率相对应的饱和光强(IJ-sat)均随光照强度的降低而呈现下降趋势。说明在弱光条件下，油茶光合产物净积累以及光合速率达到最大值所需的光照辐射和CO2浓度更低，并且代谢活动也趋向缓慢；
而在强光条件下，油茶较高的光合速率、光饱和点、饱和胞间CO2浓度以及PSⅡ反应中心的电子传递活性可以减轻强光胁迫对植株的危害，有利于固碳能力的提高和有机物的积累[6,20-21]。

本试验中不同光照处理油茶叶片PSⅡ反应中心的最大光能转化效率(Fv/Fm)值处于0.77～0.81之间，说明强光和弱光处理均未对光系统造成明显伤害。弱光下油茶叶片光化学淬灭系数qP和光化学耗散比例增加，非光化学淬灭系数NPQ和天线热耗散比例减少，且Fv/Fm和PSⅡ实际光化学效率(ΦPSⅡ)随光照强度的降低而升高。说明在光照强度较低的情况下，油茶叶片吸收的光能大部分用于进行光化学反应，PSⅡ系统对原初光能的实际利用能力在弱光下得到提升，这与代大川等[7]、贾浩[22]、黄亚丽等[23]的研究结果类似。利用叶片光能利用效率的光响应模型进一步拟合分析可知，油茶LUEL值在光照强度较低时，随光照强度增加而急剧上升，当光照强度大于100 μmol·m-2·s-1时，高光强处理LUEL开始明显高于低光强处理，并获得了最高的LUEL-max值，即光能利用潜能较大。周新华等[24]、吴艺梅等[25]研究结果表明适当减少光照能够促进油茶苗木株高、叶面积以及干物质的增长。但本试验结果表明，植株水平上，全光照和70%光照处理均显著提高了油茶干物质的增长量，而70%光照处理则获得了最高的光能利用效率。

由此可见，油茶在低光强下可以通过增加叶绿素含量、天线色素分子数和本征光能吸收截面来增加其对光能的吸收。然而捕光色素分子的有效光能吸收截面降低，捕光色素分子处于最低激发态的平均寿命变长，累积在最低激发态的天线色素分子数增多，容易产生大量活性氧[8]。虽然尚未对光反应系统造成严重破坏，但限制了电子在捕光色素分子之间的传递和光合电子流的产生，光能捕获与电子传递效率不能同时提高，不利于光能的吸收和利用。

油茶叶片净光合速率、光呼吸速率、暗呼吸速率以及电子传递效率随光照强度的增强而提高。弱光环境中油茶叶片能够提高PSⅡ系统光化学效率，分配更多光能用于光化学反应，并通过提高叶绿素含量、天线色素分子数和本征光能吸收截面来增强其叶片对光能的吸收，然而捕光色素分子的有效光能吸收截面降低，捕光色素分子处于最低激发态的平均寿命变长，累积在最低激发态的天线色素分子数增多，限制了光合电子流的产生和电子传递效率的提高，降低了油茶植株的光合生产力与光能利用效率。