8种猕猴桃叶绿素荧光动力学及其光合潜力比较研究

8种猕猴桃叶绿素荧光动力学及其光合潜力比较研究原寒1,2，谷仙1,2，白克智1，李彩虹1，蒋高明1,2*1中国科学院植物研究所，植被与环境变化国家重点实验室，北京，1000932中国科学院大学，资源与环境学院，北京，100040*通讯作者邮箱：jgm@1资助项目：四川省科技计划项目2017JZ00141资助项目：四川省科技计划项目2017JZ0014；德阳中科先进制造创新育成专项资金项目，YC-2016-QY04摘要：叶绿素荧光动力学特征反应植物的光合生理潜力，可作为植物引种驯化的辅助手段。猕猴桃为起源于中国的重要水果，有重要的经济与生态价值。本研究选择8个猕猴桃主栽品种（红阳、Hort16A、金丰、徐香、海沃德、米良、翠玉、华美2号），比较了快速光响应曲线、初始斜率（α）、最大电子传递速率（ETRmax）、半饱和光强（Ek）、光化学淬灭（qP）和非光化学淬灭（NPQ）等差异。结果表明，红阳在各个光化光强度下的电子传递速率均显著高于Hort16A和其他6种美味猕猴桃品种，整体表现为金丰>徐香>华美>米良>海沃德>翠玉（P<0.05）；在所有品种中，徐香α值最低但其半饱和光强（Ek）最高，翠玉最大电子传递速率（ETRmax）最低，并且α值、半饱和光强（Ek）也处于较低水平；Hort16A半饱和光强（Ek）最低但其α值处于较高水平；红阳的光化学淬灭和非光化学淬灭均高于其他品种。红阳的综合表现最好，因此可大面积推广种植。本研究可为培育优质猕猴桃，开发优质猕猴桃资源提供生理生态学依据。关键词：猕猴桃；叶绿素荧光；主栽品种Acomparativestudyonthechlorophyllfluorescencecharacteristicsandphotosyntheticpotentialsof8KiwifruitvarietiesinSouthChinaYuanHan1,2,GuXian1,2,BaiKezhi1,LiCaihong1,JiangGaoming1,2*1StateKeyLaboratoryofVegetationandEnvironmentChange,InstituteofBotany,theChineseAcademyofSciences,Beijing100093,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China*Correspondingauthor：GaomingJiangE-mail:jgm@Abstract:Chlorophyllfluorescencekineticsreflectsthephotosyntheticphysiologicalpotentialofplantswhichcanbeusedasanassistantmeansforplantbreeding.KiwifruitisanimportantfruitoriginatinginChinawithimportanteconomicandecologicalvalue.Inordertoselectthebestvarietywithhighphotosyntheticpotential,Chlorophyllfluorescencesof8Kiwifruitcultivars(Hongyang,Hort16A,Jinfeng,Xuxiang,Hayward,Miliang,CuiyuandHuamei2)weremeasuredandcompared.Themeasurementsincludedrapidlightcurve,initialslope(α),maximumelectrontransferrate(ETRmax),semi-saturatedlightintensity(Ek),photochemicalquenching(qP)andnon-photochemicalquenching(NPQ).TheresultsshowedthattheelectrontransferratesofHongyangundervariouslightintensitiesweresignificantlyhigherthanthoseofHort16Aandsixotherdeliciouskiwifruitvarieties(P<0.05).Theoverallperformanceofflorenceswasasfollowing:Jinfeng>Xuxiang>Huamei>Miliang>Hayward>Cuiyu(P<0.05).XuxiangdisplayedthelowestαbutthehighestEk.TheETRmaxofCuiyuwasthelowest,andthevaluesofαandEkwerealsolower.TheEkofHort16Awasthelowesthoweveritsαvaluewashigherthansomeothers.TheqPandNPQofHongyangwasnotedtobehigherthanthoseofothervarieties.Hongyanghadthebestcomprehensivephotosyntheticperformance,soitmightbeanidealvarietywhichneededbewidelypromoted.Thisinvestigationmightprovidephysio-ecologicalbasisforexploringhigh-qualitykiwifruitresources.Keywords:Kiwifruit;Chlorophyllfluorescence;Maincultivars猕猴桃（Actinidiaspp），又称奇异果，隶属于猕猴桃科(Actinidiaceae)，猴桃属（Actinidia），为浆果类落叶藤本果树，是一种营养丰富、品质鲜美的水果。猕猴桃富含人体所需的17种氨基酸、维生素C、及多种微量元素等营养。全世界猕猴桃属共66种，我国是猕猴桃的原产地，也是优势主产区，然而在全球范围内，新西兰从中国引种的猕猴桃市场占有率却最高。优质猕猴桃培育与开发技术，限制了我国猕猴桃产业发展。因此，挖掘与培育优质猕猴桃品种，保护猕猴桃遗传多样性具有重要的理论与应用价值。我国猕猴桃资源中，有62种集中于秦岭以南和横断山脉以东山地[1-4]。猕猴桃主要栽培品种是从美味猕猴桃（A.deliciosaLiangetFerguson.）、中华猕猴桃（A.chinensisPlanch.）、少量的软枣猕猴桃（A.argutaPlanch.）和毛花猕猴桃（A.erianthaBenth.）中选育而来的[5]，其中中华猕猴桃和美味猕猴桃是我国栽培最广泛的两个种。中华猕猴桃为中国特有果种，因其口感独特、经济价值高，近年来种植规模逐年扩大[6]。然而，由于缺乏合理布局规划和适生性分析，出现了品种单一化、易感病虫害等生态问题[7-8]。光合作用是植物生长发育的物质基础，受遗传因素和环境因素的双重影响[9-10]。光合速率测定的传统方法主要为半叶法、植物生长分析法、气体交换测定法等，测定结果受环境影响较大[11]。叶绿素荧光分析技术是近年来光合作用研究的重要手段之一，对判断植物叶片对光能的吸收、传递、耗散、分配等具有独特的作用[12]。该技术不需破碎细胞，不会伤害到生物体，通过对叶绿素荧光的测定间接研究植物光合潜力的变化，是一种简便、快捷、可靠的方法[13]。鉴于此，叶绿素荧光检测技术被广泛地应用于植物光合机制[14-15]、环境胁迫[16-17]以及作物育种栽培[18]等研究领域。我国各地育种专家培育了很多猕猴桃品种，选育特征以生物量、产量和环境适应性等基础农艺性状为主[19-20]，对于其光合潜力缺乏深入的研究。本研究利用叶绿素荧光技术，比较不同猕猴桃品种光合特性差异，探索叶绿素荧光动力学特征与猕猴桃品种差异之间的关系。本研究为我国猕猴桃育种，提供叶绿素荧光动力学方面的证据。1材料与方法1.1供试材料试验地位于四川省自然资源研究院什邡基地种质资源圃，以8个主栽品种为实验材料，分别是中华猕猴桃（红阳、Hort16A）和美味猕猴桃（金丰、徐香、海沃德、米良、翠玉、华美2号）。海沃德是新西兰第1代猕猴桃主栽品种，至今仍是世界猕猴桃产业的主栽品种。“Hort16A”（Earligold，中国称“黄金果”）是新西兰第2代猕猴桃代表品种，缺点是易于感染溃疡病[21]。红阳猕猴桃是四川省自然资源科学研究院和苍溪县农业局从中华猕猴桃实生苗中选育出的一个优良新品种，该品种填补了世界猕猴桃红肉品种的空白，其突出的性状是果实子房鲜红色，横切面果肉呈红、黄绿相间图案，具有特殊的佐餐视觉价值[22]。每个品种选择株高、粗度、生长势等大致相同的雌株3株，每株选择树冠外围生长旺盛、无病虫害的功能叶2片，共24株72片叶，供测定。1.2叶绿素荧光测量及计算方法使用MINI-PAMⅡ的调制荧光仪，在室内测定猕猴桃叶片的快速光响应曲线（rapidlightcurve,RLC）。用MINI-PAMⅡ荧光探头分别在光化光为0、132、200、299、441、662、861、1205、1572μmol·m-2·s-1下测定猕猴桃叶片的电子传递速率（electrontransportrate，用ETR表示）。叶片相对电子传递速率：ETR=YieldⅡ×PAR×0.5×0.84其中YieldⅡ是PSⅡ的电子传递效率，由MINI-PAMⅡ直接测定，PAR是光合有效辐射；0.5为光能在PSⅡ和PSI2个光系统中分配比例[23]；0.84为叶片的光吸收系数[24-25]。测定数据经过拟合之后计算植物快速光曲线的初始斜率（α）、最大电子传递速率（ETRmax）、饱和光强（PARsat）和半饱和光强（Ek）。1.3数据统计采用SPSS25.0对实验数据进行统计分析，用Excel2010拟合猕猴桃快速光响应曲线，通过光合计算直角双曲线修正模型[26-28]计算植物初始斜率（α）、最大电子传递速率（ETRmax）、饱和光强（PARsat）和半饱和光强（Ek），其数学表达式为：ETR=αPARsat=b+c/b-1c

Ek=ETRmax/α。式中，ETR为光合电子传递速率，α为快速光曲线的初始斜率，b和c为系数。2结果与分析2.1快速光响应曲线电子传递速率(ETR)反映实际光强下的相对电子传递速率，与CO2同化速率密切相关。本实验中8个猕猴桃品种均呈现出随着光化光增强，电子传递速率增加的趋势。光强由0μmol·m-2·s-1升高到132μmol·m-2·s-1，电子传递速率呈直线增加趋势；光强由132μmol·m-2·s-1变为200μmol·m-2·s-1，电子传递速率不变，或略有下降；之后电子传递速率随光强增强而不断升高。8个猕猴桃品种中，红阳在各个光化光强度下的电子传递速率均显著高于其他品种，翠玉均显著低于其他品种（P<0.05）。对于2种中华猕猴桃品种，红阳在各光强度下的电子传递速率均显著高于Hort16A（P<0.05），各光强下红阳分别高出Hort16A25.6%、28%、38.4%、35.5%、37.6%、47.3%、51.6%、43.7%（P<0.05）。对于6种美味猕猴桃品种，整体表现为金丰>徐香>华美>米良>海沃德>翠玉。图1不同猕猴桃品种的快速光响应曲线Fig.1RapidLightCurveofdifferentKiwifruitcultivars2.2PSⅡ光化学效率ETRmax反映了无光抑制时PSⅡ的最大潜在电子传递速率，Ek为半饱和光强，当PAR小于Ek时，光化学淬灭在荧光响应中起主导作用；反之，非光化学淬灭占主导地位。α是植物叶片补光能力的体现，反映植物叶片对光能的利用效率。通过对以上3个参数分析，可以判断猕猴桃光合能力高低。表1不同品种的PSⅡ光化学效率参数Table1PhotochemicalefficiencyparametersofPSIIofdifferentKiwifruitcultivars品种αETRmax（μmol·m-2·s-1）Ek（μmol·m-2·s-1）红阳0.1207±0.01106a29.68±3.11a257.40±34.66cdHort16A0.1101±0.00705a18.48±1.03bc169.06±7.33d金丰0.1066±0.00781a24.73±2.36ab239.11±33.47cd徐香0.0416±0.00337b23.24±2.94b564.61±68.79a海沃德0.0522±0.00407b16.40±1.00cd334.07±52.44bc米良0.0499±0.00904b18.07±1.71bcd403.63±56.46b翠玉0.0469±0.00488b12.76±0.59d301.66±57.38bcd华美0.0526±0.00484b20.21±1.54bc394.41±35.07b注：表中数值为平均值±标准误，同列数据后无相同小写字母表示差异显著（P<0.05）Note:Thevalueinthetableisthemean±standarderror,thesameletterindicatessignificantdifferencesafterthesamecolumndata.红阳猕猴桃α值和最大电子传递速率（ETRmax）均为最高，徐香半饱和光强（Ek）最高，且均显著高于其他品种。红阳和Hort16A属于中华猕猴桃，其α值、半饱和光强（Ek）差异不显著。6个美味猕猴桃品种：金丰、徐香、海沃德、米良、翠玉、华美，金丰的α值显著高于其他5个品种，徐香半饱和光强（Ek）显著高于其他5个品种。在所有品种中，徐香α值最低但其半饱和光强（Ek）最高，说明其与其他品种相比，有较好的适应强光的能力；翠玉最大电子传递速率（ETRmax）最低，并且α值、半饱和光强（Ek）也处于较低水平，说明其光合能力较弱；Hort16A的半饱和光强（Ek）最低但其α值处于较高水平，反映出其在低光强下，有较高的光合能力，但高光强下的光合能力不如其他品种。2.3光化学淬灭和非光化学淬灭8个猕猴桃品种均表现为随着光化光的增强，光化学淬灭（qP）呈下降趋势，非光化学淬灭（NPQ）呈现上升趋势（图2、图3）。在不同光强下，红阳光化学淬灭和非光化学淬灭均为最高，翠玉和海沃德光化学淬灭和非光化学淬灭均处于较低状态，金丰光化学淬灭较高而非光化学淬灭较低，徐香的光化学淬灭较低而非光化学淬灭较高。在弱光下，红阳、金丰、海沃德光化学淬灭均高于其他5个品种；而在弱光下，8个品种NPQ均接近于零，随着光强增加，NPQ均呈现上升趋势，并且在光强为441μmol·m-2·s-1之后，NPQ呈现出红阳>徐香>Hort16A>米良>金丰>华美>翠玉>海沃德的规律（P<0.05）。图2不同猕猴桃品种的光化学淬灭曲线Fig.2PhotochemicalquenchingcurvesofdifferentKiwifruitcultivars图3不同猕猴桃品种的非光化学淬灭曲线Fig.3Non-photochemicalquenchingcurvesofdifferentKiwifruitcultivars3结论与讨论叶绿素荧光动力学技术被称为测定叶片光合功能快速、无损伤的探针，其参数是反映植物叶片PSⅡ生理状况的良好指标[29]。据报道，电子传递速率(ETR)越高形成的活跃化学能（ATP和NADPH）就越多，从而为暗反应的光合碳同化积累更多所需的能量，以促进碳同化的高效运转和有机物的积累[30]。植物的相对电子传递速率表示植物吸收的光能沿光合电子传递链被传递利用了多少，很大程度上反映了植物光合作用能力[31]。本研究结果显示，无论是电子传递速率ETR还是最大潜在电子传递速率ETRmax，中华猕猴桃红阳均高于Hort16A，此结果与郑小华等人的研究结果基本一致[32]。美味猕猴桃中金丰的电子传递速率均高于徐香、海沃德、米良、翠玉、华美，表明红阳和金丰光合能力强，这一结果与快速光响应曲线初始斜率α的计算结果相吻合（表1）。Hort16A较低的Ek和弱光下较高的α，表明尽管Hort16A对强光的耐受能力较低，但它在低光强下的光能利用效率较高，可以在低光照下更有效地利用光能进行光合作用；参数qP和NPQ也证明了这一点，这与其对环境的要求相符[33-34]。因此在栽种地点的选择上，要避免夏季强光对该品种伤害；在生产上，应加强夏季对猕猴桃的田间管理，通过冠层喷灌降温或加盖遮阳网等措施，提高叶片的光合水平。以上8种猕猴桃品种，除徐香外，其他7种的快速光响应曲线均表现出在光化光强度为200μmol·m－2·s－1时，电子传递速率呈现出下降或停滞趋势，可能是PSⅡ反应中心被氧化，导致电子外流，之后非光化学淬灭占主导作用，这种现象不再明显[15]。光合作用、叶绿素荧光和热耗散是植物光合作用吸收光能的主要3个去向，如果植物的叶绿素荧光产量下降，说明植物的光合作用增强或者以热能形式散失。叶绿素荧光产量下降称为荧光淬灭，荧光淬灭又分为光化学淬灭(光合作用引起)和非光化学淬灭(热能形式散失引起)[35]。红阳光化学淬灭和非光化学淬灭均高于其他品种，表明其利用弱光的能力最高，在强光下热耗散能力较强，能一定程度上避免过剩光对PSⅡ的伤害；光化学淬灭在一定程度上反映了PSⅡ的开放程度，在弱光下，红阳、金丰、海沃德光化学淬灭较高，表明这3个品种在弱光下的光合能力高于其他5个品种。综上所述，作为试验材料的8个猕猴桃品种各有其特点，但总体来说，红阳光合能力较强，并且其在达州的引种表现好，具有适应性强、坐果率高、品质优、丰产等特点，因此可推广种植。而在林下及阴坡，由于Hort16A具有较低的Ek和弱光下较高的α，对强光耐受能力较低，但在低光强下的光能利用效率较高，更有效地利用弱光进行光合作用，也可适宜林下或阴坡推广。参考文献[1]黄宏文,龚俊杰,王圣梅,等.猕猴桃属(Actinidia)植物的遗传多样性[J].生物多样性,2000,8(1):1-12[2]韩礼星,黄贞光.2002.猕猴桃优质丰产栽培技术彩色图说[M].北京:中国农业出版社:8[3]中国科学院中国植物志编辑委员会.1984.中国植物志[M].北京:科学出版社,49(2):261-263[4]徐小彪,张秋明.中国猕猴桃种质资源的研究与利用[J].植物学通报,2003,20(6):648-655[5]袁继存.2010.不同猕猴桃种的光合特性比较研究[D].西北农林科技大学,果树学,2010,硕士.[6]王茹琳,李庆,何仕松,等.中华猕猴桃在中国潜在分布及其对气候变化响应的研究[J].中国生态农业学报,2018,26(1):27-37.[7]刘瑶,朱天辉,樊芳冰,等.四川猕猴桃溃疡病的发生与病原研究[J].湖北农业科学,2013,52(20):4937-4942.[8]涂美艳,江国良,陈栋,等.四川省猕猴桃产业发展现状及对策[J].湖北农业科学,2012,51(10):1945-1949.[9]PMelgarejo,DManuelSalazer,FArtes.Organicacidsandsugarcompositionofharvestedpomegranatefruits[J].EuropeanFoodResearchandTechnology,2000,211(3):185-190.[10]叶金山,王章荣.杂种马褂木杂种优势的遗传分析[J].林业科学,2002,38(4):67-71.[11]李少昆.作物光合作用研究方法[J].石河子大学学报（自然科学版）,2002,4(4):321-330.[12]张守仁.叶绿素荧光动力学参数的意义及讨论[J].植物学通报,1999,16(4):444-448.[13]尤鑫,龚吉蕊.叶绿素荧光动力学参数的意义及实例辨析[J].西部林业科学,2012,41(5):90-94.[14]李鹏民,高辉远,StrasserRJ.快速叶绿素荧光诱导动力学分析在光合作用研究中的应用[J].植物生理与分子生物学学报,2005,31(6):559-566.[15]RalphPJ,GademannR.Rapidlightcurves:apowerfultooltoassessphotosyntheticactivity[J].AquaticBotany,2005,82:222–237.[16]衣艳君,李芳柏,刘家尧.尖叶走灯藓(Plagiomniumcuspidatum)叶绿素荧光对复合重金属胁迫的响应[J].生态学报,2008,28(11):5437-5444．[17]滕中华,智丽,宗学凤,等.高温胁迫对水稻灌浆结实期叶绿素荧光、抗活性氧活力和稻米品质的影响[J].作物学报,2008,34(9):1662-1666.[18]白志英,李存东,赵金锋,等.干旱胁迫对小麦代换系叶绿素荧光参数的影响及染色体效应初步分析[J].中国农业科学,2011,44(1):47-57.[19]罗萱,李才国,张蕾,等.早熟抗溃疡病猕猴桃优系“JS67”选育初报[J].中国南方果树,2018,5:148-150.[20]韩飞,黄宏文,刘小莉,等.软枣猕猴桃新品种“猕枣2号”的选育[J].中国果树,2018(1):91-93.[21]陈庆红,张蕾,罗萱,等.猕猴桃主栽品种及其对产业发展的影响[J].西北园艺,2017,3:16-18.[22]邱利娜,刘学琦,景晓卫.红阳猕猴桃在达州的引种表现及栽培技术[J].四川农业科技,2017,4:22-23.[23]MajorKM,DuntonKH.Variationsinlight-harvestingcharacteristicsoftheseagrasses,Thalassiatestudinum:Evidenceforphotoacclimation[J].JournalofExperimentalMarineBiologyEcology,2002,275:173-189.[24]EhleringerJ,PearcyRW.VariationinquantumyieldforCO2uptakeamongC3andC4pl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