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植物常因具有独特的叶片斑纹而观赏价值倍增。引种于日本的矢竹Pseudosasa japonica是园林绿化中的重要材料[1],变型有花叶矢竹P. japonica f. akebonosuji和曙筋矢竹P. japonica f. akebono。前者有3种叶色,白叶、白绿相间条纹叶和白色渐渐复绿的复绿叶[2],后者叶色多为放射状暗条纹的淡绿叶。3种矢竹叶色丰富、秆型挺拔,是研究叶色变异的理想材料。不同叶色会影响植物光合能力,主要由叶片中色素种类和含量决定。王振兴等[3]对狗枣猕猴桃Actinidia kolomikta彩叶和绿叶研究发现,色素含量是影响叶色的重要因素;吴雪霞等[4]揭示了遮光使得光化学反应的能量在茄子Solanum melongena叶片所吸收的光能中占比逐渐增加,天线色素耗散的能量逐渐减少;银丝竹Bambusa multiplex ‘Silverstripe’不同叶色间的光合色素含量存在显著差异,随绿色叶片面积的下降而下降[5]。叶色是各种色素含量的综合表现,通常表现为绿色是因为叶绿素含量较高,而其他的色素含量比较低[6]。研究发现:随着色素累积水平的改变,植物叶色也发生相应变化[7],这种叶色变异与色素类物质合成降解、叶绿体发育等因素密切相关。张向娜等[8]发现:叶色中叶绿素和类胡萝卜素对茶树Camellia sinensis光合作用、抗逆性、鲜叶适制性等有重要影响。在可见光波段,水稻Oryza sativa不同叶色的冠层光谱反射率随着植株生长而不断变化,叶绿素含量与一阶微分光谱的相关系数呈极显著正相关[9]。色素也反映了植物的光合能力和生理状态,光合色素在光能的吸收、传递和转换过程中起着关键的作用,能驱动光合作用把光能转变为化学能[10],载体为光系统Ⅰ(PSⅠ)和光系统Ⅱ(PSⅡ)。有研究发现:光胁迫下的杂种杨无性系光化学能量储存分配到PSⅡ的份额要比分配到PSⅠ的多[11]。本研究以3种矢竹不同叶色叶片为对象,解析不同叶色叶片反射光谱特性、PSⅡ和PSⅠ特性之间的差异,探索不同叶色竹种光合能力差异,为进一步探究叶色变异机制奠定基础。
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对同一发展期的叶片调查发现:不同种矢竹叶片颜色差异较大(图1)。花叶矢竹的叶色会出现白叶(AL)和具绿色条纹的花叶(SL),其中白叶能逐渐复绿,但是绿度小且泛黄;曙筋矢竹叶片(VL)为淡绿色;矢竹叶片(GL)呈深绿色。
由表1可知:AL中叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素质量分数最低,与其他叶片差异极显著(P<0.05)。GL的叶绿素a 、叶绿素b 质量分数为最高,叶绿素a较VL高29.8%,较SL高8.8%;叶绿素b较VL高25.1%,较SL高7.6%;类胡萝卜素较VL高20.1%,较SL低11.4%;而SG与VL的差异不显著(P>0.05)。AL的Chl a/b、Car/Chl均为最高,显著高于其他3种叶片;其中SA为叶片白色部分,未测出光合色素。
材料 Chla/(mg·g−1) Chlb/(mg·g−1) Car/(mg·g−1) Chl a+b/(mg·g−1) Chl a/b Car/Chl AL 0.34±0.015 a 0.26±0.010 a 0.32±0.015 c 0.60±0.035 a 1.3±0.007 a 0.53±0.022 b SG 20.39±0.170 b 18.27±0.120 b 5.52±0.020 a 38.66±0.250 c 1.1±0.020 b 0.14±0.010 a VL 17.09±0.080 b 15.72±0.070 b 4.07±0.184 b 33.81±0.140 b 1.0±0.013 b 0.12±0.007 a GL 22.19±0.120 c 19.66±0.150 b 4.89±0.020 a 41.85±0.220 c 1.14±0.024 b 0.11±0.005 a 说明:同列内不同小写字母表示材料间差异显著(P<0.05) Table 1. Difference of photosynthetic pigment content in different colors’ leaves of P. japonica
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除AL外,其他的反射光谱曲线均具有典型的绿色植被反射光谱特征,在500与670 nm左右的位置有2个低反射区。不同叶片反射光谱的反射率在蓝光区(430~470 nm)、绿光区(500~560 nm)不同,SA在绿光区明显高于SG、VL、GL,在556 nm 处达最高值,为0.385,比VL、SG和GL分别高8.0%、46.7%和51.2%;GL在近红外区(780~1 000 nm)最高,达0.600,其他叶片趋于一致(图2A)。由一阶导数(图2B)可以看出,除AL外,其他叶片在绿光区(550~560 nm)和红光区(650~760 nm)均出现最大峰值,黄光区(560~600 nm)出现最小峰值。
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图3所示:不同叶色矢竹叶片的叶绿素归一化指数、光化学植被指数变化趋势一致,从大到小依次为GL、SG、VL、SA、AL。GL(0.420)与SG(0.350)叶绿素归一化指数无显著差异,但显著(P<0.05)高于其他叶片,AL的2种植被指数值均为最低,分别为0.180和0.165。
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由图4可以看出:GL的Fv/Fm为0.80,SG和VL的Fv/Fm降低为0.72和0.75,说明它们反应中心的活性有所下降。而AL显著(P<0.05)低于其他叶片,仅为0.32。GL的Fv/Fm显著(P<0.05)高于AL和SG,VL的Fv/Fm占GL的94%。说明反应中心活性从大到小依次为GL、VL、SG、AL。叶片光化学性能指数PIABS可以更为准确地反映植物光合机构的状态[22]。其中:ψP0为暗适应后的最大光化学效率,ψ0为反应中心捕获的激子将电子传递到电子传递链中QA−下游电子受体的概率。SG与VL的PIABS差异不显著(P>0.05),但都与GL差异显著(P<0.05),分别为GL的46.2%与42.1%。AL的PIABS最低,为0.32。VL与GL的Fv/Fm无显著差异(P>0.05),PIABS存在显著差异(P<0.05),GL较VL高56.3%。
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如图5A所示:AL的初始荧光(F0)最大,SG的F0最小,说明AL的反应中心发生可逆性失活,SG的反应中心活性或类囊体的完整性均大于其他叶片。2 ms时的荧光强度(FJ)和30 ms时的荧光强度(FI)、最大荧光产量(FP=Fm)均表现为AL大于其他叶片,SG均小于其他叶片。SA为花叶矢竹条纹叶(SL)中的白色部分,未检测出相关数据。GL和VL的荧光诱导动力学曲线(OJIP曲线)差异不大,在O、J、I点近乎相同,大于SG且小于AL。将OJIP曲线双重归一化后得到快速叶绿素荧光诱导动力学曲线(图5B),3个竹种的不同叶色叶片均存在O、J、I、P点,说明光合电子链仍然能够有效运转。J点和I点主要反映PSⅡ受体侧活性。VL的曲线与GL没有重合,在J点处明显分开。J点出现是由于电子传递时间差而还原态质体醌A(QA−)大量累积导致的荧光迅速上升,说明VL累积的QA−最多。I点与P点一致,从大到小依次为VL、AL和SG、GL,当达到P点时,说明PSⅡ完全关闭,荧光产量最高。
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由图6可以看出:各叶片在t时的820 nm相对吸收值(It)呈“V”型变化,且SG、VL、GL变化趋势相同。在16 ms时,各叶片的820 nm相对光吸收值达到最低点,1~16 ms,各叶片的820 nm相对吸收值均呈现下降趋势,且下降速度从大到小依次为SG、VL、GL、AL、SA。180 ms时,820 nm相对光吸收值达到最大值,从大到小依次为SG、VL、GL、SA、AL。16~180 ms,各叶片的820 nm相对吸收值整体呈现上升趋势。由图7可以看出:GL的ΔI/I0最大,且与其他叶片差异显著(P<0.05),SA的ΔI/I0最低,AL与SA的ΔI/I0差异不显著(P>0.05),与其他叶片差异显著(P<0.05)。PSⅠ最大氧化还原能力从大到小依次为GL、VL、SG、AL、SA。花叶矢竹条纹叶白色部分(SA)复绿之后(AL)ΔI/I0上升,说明PSⅠ活性上升。
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如图8所示:在能量传递效率方面,捕获的光量子进入电子传递的效率(Ψ0)和吸收的光能进入电子传递的效率(φE0)的趋势一致,均从大到小依次为AL、SG、VL、SG,且AL与其他叶片差异显著(P<0.05)。在单位反应中心的性能方面,不同叶片的反应中心吸收光能(ABS/RC)、PSⅡ的最大捕获量(TRO/RC)、用于电子传递的能量(ETO/RC)、单位反应中心的热耗散(DIO/RC)这4个代表单位反应中心的性能的参数趋势较为一致。ABS/RC从大到小依次为AL(8.13)、SG(2.97)、VL(2.38)、GL(1.96)。AL吸收的光能远远高于其他叶片,还原QA的能量及用于电子传递的能量最高。但是GL的单位面积反应中心(RC/CSO)的数量最多,SG的RC/CSO数量为最少。
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相关分析表明(表2):矢竹类叶片的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素质量分数与叶绿素归一化指数(ChlNDI)、光化学植被指数(PRI)都显著正相关(P<0.05)。且叶绿素a、叶绿素b与ChlNDI、PRI呈极显著正相关(P<0.01)。ChlNDI和吸收的光能进入电子传递的效率(φEo)呈极显著正相关(P<0.01),与Fv/Fm、PIABS显著正相关(P<0.05);但PRI与PIABS相关性不显著(P>0.05),PRI与Fv/Fm、φEo为显著(P<0.05)相关。
光谱参数 Chla Chlb Chl a+b Car Fv/Fm PIABS φEo ChlNDI 0.966** 0.961** 0.924** 0.898* 0.883* 0.802* 0.937** PRI 0.969** 0.977** 0.931** 0.929** 0.759* 0.648 0.823* 说明:*表示P<0.05,**表示P<0.01 Table 2. Correlation between reflectance spectrum parameters and pigment contents