臭氧對黃豆葉片的急慢性毒性作用研究
--采用氣體交換與葉綠素熒光成像結合方式(LI-6400XT與CF Imager)
調制式葉綠素a熒光成像系統(CF Imager,Technologica,UK)可原位、定量、可視化測量葉片不同部位PSⅡ的電子傳遞效率Fq′/Fm′(Baker & Oxborough 2004;Oxborough 2004b);也可以用于檢驗植物的生理變化過(guò)程和脅迫:例如葉片不同部位的CO2同化速率(Genty & Meyer 1994)、葉片不同部位的胞間二氧化碳濃度Ci(Meyer & Genty 1998);探索植物的生理節律(Rascher et al.2001);間接評價(jià)動(dòng)物啃食對植物生理的影響(Aldea et al.2005);觀(guān)測氣孔的聚塊分布(West et al.2005)以及解釋植物-病菌的相互作用(Chaerle et al.2004)等。
本文通過(guò)結合使用CF Imager與LI-6400XT兩種儀器,探索臭氧(O3)對于葉片的急慢性毒性作用:
Fv′/Fm′是光下PSⅡ最大的量子效率,其大小反映了PSⅡ反應中心的相對完整性。一般情況下,其值下降會(huì )伴隨PSⅡ反應中心受損或PSⅡ的下調(Baker & Oxborough 2004)。Fq′/Fv′與QA庫的氧化狀態(tài)成非線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系。Fq′/Fv′減小可以歸因于PSⅡ電子傳遞下游的改變,包括1-5二磷酸核酮糖羧化/加氧酶(Rubisco)以及卡爾文循環(huán)的變化(Baker & Oxborough 2004)。
熒光數據的空間分析可以提供葉片臭氧(O3)急慢性毒性效應的更深入的機理解釋。如果葉片的急慢性暴露實(shí)驗的損傷機制是一樣的,例如細胞的程序化死亡(PCD),應該可以觀(guān)測到葉片尺度上相似的損傷模式。本文即通過(guò)對葉片光合作用氣體交換參數與熒光參數的同步測量,利用空間分析技術(shù)定量評價(jià)植物葉片的光合作用的損傷機制。實(shí)驗材料是黃豆(Glycine max cv. NE3399)。有研究表明,這種主要的糧食作物對臭氧(O3)變化非常敏感(Ashmore & Marshall 1999)。
圖1 急性暴露實(shí)驗400ppb暴露6h。黑條(■)是O3處理的,白條(□)是對照處理(n=4)。(a)電子傳遞效率(Fq′/Fm′);(b)葉片的凈光合速率(A);(c)Fq′/Fm′的空間異質(zhì)性參數(NbrSD),數據表示為Mean±SE,*表示p<0.05。
圖2 慢性暴露實(shí)驗90ppb[O3],8h/d,28d?!袷荗3暴露處理,○是對照處理。(a)是電子傳遞效率Fq′/Fm′(●);(b)葉片凈光合速率(A)(■);(c)Fq′/Fm′的空間異質(zhì)性參數(NbrSD)(▲)。數據表示為MEAN±SE,p值如表中所示。
圖3 葉片尺度不同處理數字照片與熒光參數直觀(guān)成像結果。第一排是數字照片,第二排是熒光參數Fv/Fm假彩色合成圖片,第三排是熒光參數的頻度直方圖。(a)是對照組葉片;(b)是6h 400ppb急性暴露實(shí)驗;(c)是90ppb[O3]8h/d暴露28d實(shí)驗組。
圖4 葉片不同部位(從基部到頂端)的Fv/Fm。(a)急性暴露實(shí)驗400ppb 6h,數據表示為MEAN±SE;(b)慢性暴露實(shí)驗90ppb[O3] 8h/d 暴露28d;數據表示為MEAN±SE;(c)兩種不同處理Fv/Fm與對照組的比值;(d)p值列表。
結論:兩種不同的實(shí)驗處理均使得葉片的CO2同化速率較對照組下降了40%,PSⅡ效率下降了20%,但是急性暴露實(shí)驗熒光參數的空間異質(zhì)性更高。急性暴露實(shí)驗Fq′/Fm′的下降源自PSⅡ最大量子效率以及反應中心開(kāi)放比例的下降;而慢性暴露實(shí)驗Fq′/Fm′的下降只與第一個(gè)因素的下降有關(guān)。因此,兩種處理對葉片的損傷機制是不同的,野外實(shí)驗中采取單一的實(shí)驗處理并不能全面闡述葉片的損傷機制。
引自【Is a short, sharp shock equivalent to long-term punishment? Contrasting the spatial pattern of acute and chronic ozone damage to soybean leaves via chlorophyll fluorescence imaging】 CHARLES 2009