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高等植物中,PSⅠ和PSⅡ串连工作,二者相互作用。当PSⅠ和PSⅡ之间的电子传递被抑制,会导致PSⅡ受体侧电子传递受阻,同时导致PSⅠ受体侧电子供应不足。目前人们已经了解,当PSⅡ流向PSⅠ的电子被阻断,在光下会导致PSⅡ产生大量活性氧,加重PSⅡ光抑制。然而,对于PSⅡ向PSⅠ电子传递受阻对PSⅠ活性造成的影响还了解较少。另外,由于PSⅡ有快速修复机制而PSⅠ没有,因此PSⅡ光抑制后可以很快修复,而PSⅠ光抑制后则恢复很慢。整个光化学反应的活性取决于光化学反应中活性最低的一个,因此一旦PSⅠ发生光抑制,PSⅠ就会在较长时间内成为原初光化学反应的限制因素。低温光胁迫下,冷敏感植物会发生PSⅠ光抑制,因此,避免PSⅠ光抑制的发生和加速光抑制后PSⅠ活性的恢复是冷敏感植物抗冷性育种和冬季保护地栽培中亟待解决的问题。
本研究从不同角度分析了光抑制发生过程以及光抑制恢复过程中PSⅡ与PSⅠ之间的相互作用,特别是PSⅡ向PSⅠ的电子传递对PSⅠ低温光抑制的影响,从而阐明低温光抑制和光抑制恢复的机制,为冬季保护地栽培和抗冷性育种提供理论依据。本研究主要结果如下:
(1)低温光胁迫下,PSⅠ和PSⅡ都发生光抑制,且随着处理时间的延长和处理光强的增加,PSⅠ和PSⅡ光抑制逐渐加重。在不同处理时间和不同光强下,PSⅠ光抑制均比PSⅡ光抑制更严重,这暗示着PSⅠ是低温光胁迫下光抑制的首要位点。低温下,较强的光会造成较多的过剩激发能。随着过剩激发能((1-qP)/NPQ)的增加,PSⅡ活性持续下降,在过剩激发能较低时,PSⅠ活性也随着过剩激发能的增加而明显下降,但是当过剩激发能增加到一定程度时,PSⅠ活性不再随着过剩激发能的增加而明显下降。这暗示PSⅡ向PSⅠ的电子传递是PSⅠ光抑制发生所必需的,在较强光下由于PSⅡ的严重光抑制限制了电子由PSⅡ向PSⅠ的传递,从而保护了PSⅠ免受强光的进一步破坏。
通过本实验我们提出两个假设:PSⅠ是低温光胁迫下首要光抑制位点;PSⅠ光抑制的程度受来自PSⅡ的电子影响。为了验证这两个假设,我们进行了下面的研究。
(2)为了验证PSⅠ是低温光胁迫下首要光抑制位点,我们首先研究了黄瓜不同展开程度叶片在低温光胁迫下两光系统之间的关系。进行低温光处理后,不同展开程度黄瓜叶片的光合速率都受到显著抑制,但是幼叶的PSⅡ和PSⅠ光抑制更加严重,活性氧含量也更高。进一步研究发现,虽然低温下幼叶PSⅠ和PSⅡ的光抑制都更严重,但是随着PSⅡ激发压的增加,幼叶PSⅡ光抑制程度较轻,这表明幼叶的PSⅡ对激发压的敏感程度较低,另外PSⅠ光抑制与PSⅡ激发压的关系不受叶片展开程度的影响。这表明,与成熟叶片相比,幼叶对低温的敏感主要是由于幼叶的PSⅠ对低温更敏感,从而引起较高的激发压,进而导致PSⅡ光抑制加剧。
(3)为了进一步研究两光系统的关系,我们用耐冷植物杂交酸模与冷敏感程度黄瓜进行对比试验。冷敏感植物黄瓜和耐冷植物杂交酸模经历低温光处理后,杂交酸模叶片保持较高的光合速率、较低的活性氧水平、较高的PSⅠ和PSⅡ活性。为了探讨低温下PSⅠ和PSⅡ的关系,我们比较了PSⅠ活性与PSⅡ激发压,以及PSⅡ激发压与PSⅡ活性的关系。我们发现,虽然耐冷植物杂交酸模在低温下PSⅡ光抑制较轻,但是其PSⅡ光抑制对激发压增加的敏感性却更大,而且在黄瓜和杂交酸模叶片中相同程度的PSⅠ光抑制所引起的PSⅡ激发压的增加是类似的。这表明,低温光胁迫下冷敏感植物黄瓜叶片的PSⅡ光抑制程度较重不是因为黄瓜叶片的PSⅡ对激发压的增加更敏感导致的,而是由于黄瓜叶片PSⅡ激发压较高引起的。通过JIP分析发现,低温光胁迫下黄瓜叶片PSⅡ激发压的增加是由于受体侧QA到PSⅠ末端电子传递受阻。因此,与耐冷植物杂交酸模相比,黄瓜叶片的PSⅡ光抑制较重主要是由于黄瓜叶片的PSⅠ对低温光胁迫更加敏感,导致PSⅡ激发压较高引起的。
以上两项研究的结果表明, PSⅠ是植物叶片低温光抑制的首要位点,而PSⅡ光抑制只是PSⅠ光抑制的二次效应:PSⅡ受体侧电子传递受阻进而引起PSⅡ激发压增加导致的。这是与其他逆境下截然不同的,因为在强光、高温等胁迫下,PSⅠ均不发生光抑制,上述胁迫直接导致PSⅡ光抑制的发生。
因此,PSⅠ的低温抗性是决定整个植物抗冷能力的关键因素之一。在保护地栽培以及抗低温育种中,不应仅仅关注PSⅡ的光抑制,应当更加关注如何避免和减少PSⅠ的光抑制以达到增加植物抗冷性的目的。
(4)为了验证PSⅠ光抑制的程度受来自PSⅡ的电子影响,我们用DCMU阻断PSⅡ向PSⅠ的电子传递,发现当PSⅡ向PSⅠ的电子传递被阻断时,无论处理光强和过剩激发能如何,都不会发生PSⅠ光抑制。相同的结果也在在不同冷敏感植物黄瓜和杂交酸模叶片,以及黄瓜不同展开程度叶片中发现:当PSⅡ向PSⅠ的电子传递被阻,PSⅠ低温光抑制被完全避免。
(5)然而传统观点认为,反应中心的过度激发是导致光抑制的根本原因,激发程度越大则光抑制越重。为了判断在低温光胁迫下决定PSⅠ光抑制程度的是PSⅠ的激发程度还是来自PSⅡ的电子的量,我们用不同光质的单色光在低温下处理叶片。由于波长不同,蓝、绿、红光对PSⅡ的激发程度逐渐下降,而对PSⅠ的激发程度逐渐增加。如果PSⅠ光抑制程度取决于它的激发程度,则红光下PSⅠ光抑制最重,如果PSⅠ光抑制程度取决于PSⅡ向PSⅠ传递电子的量,则蓝光下PSⅠ光抑制最重。实验发现,低温不同光质处理后,红光引起的PSⅠ和PSⅡ光抑制最轻,蓝光最重,而绿光居中,PSⅠ光抑制和PSⅡ光抑制基本上同步发生。由于蓝光比红光和绿光更有效地激发PSⅡ,因此蓝光导致PSⅡ光抑制最重;由于蓝光下PSⅡ向PSⅠ的电子传递最多,所以蓝光导致的PSⅠ光抑制最重。本研究结果支持了上文得出的PSⅡ向PSⅠ传递的电子的量决定了PSⅠ低温光抑制程度的结论。
以上两项研究的结果表明,在低温光抑制过程中,PSⅡ向PSⅠ的电子传递是PSⅠ光抑制发生的必要条件。适当的PSⅡ光抑制可以减少PSⅡ向PSⅠ的电子传递,从而减轻PSⅠ光抑制。因此在保护地栽培以及抗低温育种中,片面的追求PSⅡ的高活性和高抗性会加剧PSⅠ光抑制,从而降低叶片对低温的抗性。
(6)紫外线会抑制叶片展开,促进气孔关闭,加剧叶片PSⅡ光抑制,传统观念认为隔绝紫外线有利于植物的生长。但是传统观点并没有考虑紫外线对PSⅠ以及对PSⅡ与PSⅠ间的相互作用的影响。我们发现,在低温光处理时,紫外线会导致PSⅡ光抑制,但不会直接伤害PSⅠ。而当低温下紫外线与可见光同时存在时,紫外线加剧了PSⅡ光抑制,却减轻了PSⅠ光抑制。这可能是由于紫外线加重了PSⅡ光抑制,从而减少PSⅡ向PSⅠ的电子传递,进而减轻PSⅠ光抑制的发生。这一结果表明,在冬季保护地栽培中,不应使用隔绝紫外线的玻璃而应选用能够透过紫外线的棚膜,这样可以减少低温对叶片光合机构的伤害。另外,与实验中所使用的不含紫外线的人工光源相比,实际生产中相同强度的自然光所导致的PSⅠ光抑制可能较低,因此室内人工光源下进行的PSⅠ光抑制研究无法代替田间实验。
(7)光合机构对逆境的抗性不仅与胁迫对光合机构的伤害程度有关,在更大程度上还取决于去除胁迫后光合机构活性的恢复程度。为此我们研究了光抑制后的恢复过程中PSⅠ与PSⅡ的关系。低温光抑制后,在常温下,PSⅡ活性可以快速恢复且对光强不敏感,PSⅠ活性在弱光(15μmol m-2 s-1)下可以快速恢复,但在较强光下(200μmol m-2s-1)恢复较慢。为了研究PSⅡ向PSⅠ的电子传递在恢复过程中对PSⅠ活性恢复的影响,我们在低温光处理后对叶片进行DCMU浸泡处理,然后在常温较强光(200μmol m-2 s-1)下进行恢复。当用DCMU阻断PSⅡ向PSⅠ电子传递时,即使在较强光下(200μmol m-2s-1) PSⅠ活性也能快速恢复。这表明在低温光抑制的恢复过程中,PSⅠ活性恢复较慢,只有当PSⅡ向PSⅠ的线性电子传递较低时才能有效恢复。PSⅡ活性恢复较快可能导致PSⅡ向PSⅠ的线性电子传递过快,从而抑制PSⅠ活性的恢复。因此在抗低温育种中,不应片面追求光抑制后PSⅡ活性的快速恢复,应当综合的考虑两个光系统的协调;在保护地栽培中,当发生低温光胁迫后,不应立刻开棚升温,而应在一定时间采取措施降低叶片表面光照强度,从而有利于PSⅠ活性的恢复。
综上所述,本研究首次提出PSⅡ向PSⅠ的电子传递会加重PSⅠ低温光抑制并抑制PSⅠ活性的恢复,证明PSⅠ的低温抗性是决定植物抗冷能力的关键因素。并且指出,在冬季保护地栽培以及作物抗冷性育种,不应以减轻PSⅡ光抑制为目的,应以减轻PSⅠ光抑制为目标,而适当的PSⅡ光抑制对于减轻PSⅠ低温光抑制是有利的。在低温胁迫以及低温胁迫结束后的一段时间,不应以开棚升温为主而应以闭棚避光为主,这有利于减轻PSⅠ光抑制和加速PSⅠ活性的恢复。另外,为了减轻PSⅠ光抑制,温室/大棚建设时应采用可透过紫外线的薄膜而不应采用隔绝紫外线的玻璃。