光照对盾叶薯蓣荧光光谱和叶绿体结构的影响

光照对盾叶薯蓣荧光光谱和叶绿体结构的影响 光照对盾叶薯蓣荧光光谱和叶绿体结构的 影响 第27卷第1期 2006年1月 占人学(n然科学版) JournalofJishouUniversity(NaturalScienceEdition) V0J.27No.1 Jan.2o()6 文章编号:1007—2985(2006)01—0080—06 光照对盾叶薯蓣荧光光谱和叶绿体结构的影响 王菊凤,李鹄呜,廖飞勇,何平 (1,巾南林学院生命科学与技术学院,湖南长沙410004;2,吉首大学生物资源与环境科学学院,湖南吉首416000; 3.吉首大学天然药物研究中心,湖南吉首416000;4.中南林学院环境艺术殴计学院, 湖南长沙410004;5.LI国囤际』=程街询公司,北京10(O44) 摘要:对生长在l0,55,100,270~mlol?nl".?s光强下弱光生态型盾叶薯蓣的长期适应性进行了测定.结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,生长 光条件不同其77K荧光峰也出现明显的变化.弱光条件(10,55()l-nl一?s)下无F595和F740荧光峰(55fmaol?m?s下 有F'74|D肩峰),但有F720主峰;能量主要分配到光系统?;暗适应后引起了LHCII和CP43组成的功能发生改变;红光诱导分 配到光系统II的能量比例下降;类囊体膜折叠指数较大,淀粉粒较小.较强光杀件(100,270fLmol-I11-s)下77K荧光光谱 无F720,但有F'74|D峰较强;光系统?的激发能量较强;暗适应后增加了LHCI到PSI.RC的传递效率;红光诱导分配到光系统 Il的能量比例下降;类囊体膜折叠指数较小.淀粉粒较大. 关键词:光照;弱光生态型盾叶薯蓣;77K荧光光谱;叶绿体结构 中图分类号:Q945.11;Q949.718.27文献标识码:B 盾叶薯蓣属薯蓣科薯蓣属植物,J泛分布于If1国南部山区….盾I1卜薯蓣中含有较高的薯蓣皂苷元,而 薯蓣皂苷元广泛用于生产药品,如可的松,性激素等.同时,薯蓣皂苷元可以治疗多种疾病lJ.自20世纪 70年代以来,由于盾叶薯蓣被过量开采,其野牛资源已接近枯竭.F1前,作为医药原料的盾叶薯蓣主要由 中国南部山区人工种植而获得. ?』区光照强,强光会引起光抑制和光破坏.盾I1f薯蓣在野外经常生长森林边缘,主要靠发散光 照射;因此,山区并不是盾叶薯蓣牛K的理想生境,表现在薯蓣皂苷元的产低,这样就不能满足需求.到 目前为止,对盾叶薯蓣的研究主要集中在土壤,水和温度对它的影响"j.笔者研究了弱光型盾I1f.薯蓣对 不同光照长期适应后77K荧光光谱和叶绿体结构的变化. 1材料与 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 1.1材料 通过前期的工作?发现,24个盾叶薯蓣(DioscoreazingiberensL~)生态型中有3个株型明显表现出对 同光强的适应性,它们分别是:低光强生态型盾叶薯蓣,简称为DZFL,生长光强为10m01.m一?s,;中 等光强牛态型盾叶薯蓣,简称为DZTM,生长光强为50/1tool?m一?s..;高光强生态型盾叶薯蓣,简称为 DZTH,生长光强为270~tmol?m?s.实验中采用DZTL,生长光强分别为10,55,1o0,270/xmol?m一?s... 1.2实验方法 1.2.1低温77K荧光光谱的测定使用LS一50B发光光度讣(PerkinElmerLLC,UK) 和FLWINIJ~B系统测 收稿日期:2005—10—13 基金项目:德国国际学术交流中心资助项日 作者简介:王菊凤(1965一),女,湖南省龙LIJ县人,首大学l物资源环境科学学院助理研究员,颀十研究牛,主要 从事植物生理及植物资源研究;李鹄呜(1%2一),,湖南,肯_=;}II乡市人,吉白.,,...rtL生物资源环境科学学院教授,博 十,t要从事生理牛态学研究. 第1期J菊风,等:光照对盾叶薯蓣荧光光谱和叶绿体结构的影响8l 定77K荧光.激发光波长435nlTl,激发缝宽10lqm,发射缝宽5nlT1.该光度计配有液氮盒,进行实验时先加 满液氮.盾叶薯蓣叶片切成条状,置入样品管中.各类样品经各种相应的处理后,即放入液氮中预冷至 77K(一196?),然后将样品管插入样晶室进行测定.根据文献[14]对荧光光谱上的发射荧光峰进行命名. 生长存光照强度为55/,mol-m,?s下的盾叶薯蓣,被用来研究高温强光胁迫对低温77K荧光光谱的 影响,凶为此光强下的盾口f薯蓣生长旺盛.选定健康均一的叶片在原位用强光(10oo/,mol?m,?s)照射 1.5h,同时该叶的一部分用锡箔纸遮盖.叶片温度控制在32?,用恒温器保持温度.光照处理结束后,植 物放回原处.此后每过一定时间取处理叶的一部分测定其低温77K荧光光谱,处理如下:处珲A,将在光 下进行光合作用的叶片直接进行测定;处理B,叶片暗适应15min进行测定;处理C(状态2的诱导),叶片 暗适应10min后,用强度为l540tmaol?m,?s,,波长为670nlTl的红光,即"状态2光"?照射15min;处理 D(状态1的诱导),叶片暗适应10min后,用强度为1163/,tool?m,?s,,波长为716nlTl的红光,即"状态1 光"l1照射15min.在B,C,D的处理过程中,样品管口用湿棉花塞住以防止叶片干燥; 在c,D的处理过程 中,光源与样品之间用流动水冷却,使样品管内温度控制在(24士2)oC. 1.2.22个光系统激发能量比值的计算根据光系统?(Ps?)和光系统I(PsI)荧光峰面积来估算激发 能1乍2个光系统之间的比例. 1.2.3叶绿体超微结构观察选定叶龄为45,55d的盾叶薯蓣叶片,在原位用1000/,tool?m一?s强光照 射lh,同时该叶的一部分用锡箔纸遮盖.叶片温度控制在32?,用恒温系统控制温度.光照处理结束后, 植物放同原处.用能反光的锡箔纸遮光1h后,取下切成宽1mill,长4,5mill的碎片,用固定液A(5%戊二 醛和4%的F0醛液)同定1h,磷酸缓冲液(KH,P04/K2HPO4,pH值为7.0)洗涤3次.用固定液B(2%Os04)浸 泡1h并用缓冲液洗涤1次,样品置于缓冲液巾保存15h.再经30%,60%,90%的丙酮溶液脱水30min,最 聚合,修块,切片,定位,染色,干燥后,观察拍照. 后在100%的丙酮脱水lh.经包埋, 2结果与讨论 2.1盾叶薯蓣77K荧光光谱 盾?十薯蓣在正常光照状态下进行光合作用,取其叶片迅速冷冻至77K,并测定其荧光光谱(见表l,网 1).难看出,生长在同光照强度下的口f片的荧光光谱有较大的差异. 表1生长在不同光照下的野生型盾叶薯蓣77K荧光主峰及2个光系统激发能量的比值 注m表不卞峰;s表用峰;一表不尢峰 在弱光下生长的叶片没有明的F695,在强光下生长的叶片却有明显的肩峰F695,也就是说,CP47 蛋白可能是由强光诱导产生的或与植物适应强光有密切的关系.此外,弱光下生长的叶片没有波K大于 730nm的荧光峰(即F740),但随着生长光强的增加,F740越来越明显.这呵能是 LHCI随,上长光强的增加 而增加,因为光照强度增加,PSII得到的光能较多,于是PSI通过增加LHCI来获得较多的光能以,F衡2个 光系统所得到的能量;也可能是从LHCI到PSI—RC的能量传递效率降低甚至中断r. 在光系统II内部,CP43和CP47上荧光的比值(F685/F695)随光强的增加而减小,从10/unol'm,.s 下的1.86减少到270mol?m-2?s-下的i.30.这也与前面的推测相一敛.CP43则与弱光适应有关,光强越 低,CP43荧光越强. 激发能量在10tnno1.ill-2?s弱光下主要分配在光系统I1.这是因为在弱光下,叶绿体I大J有较多的基 82吉酋大学(自然科学版)第27卷 相 对 荧 光 强 度 扩_1O/1tool'm一s一:b__55/,mol'nl一's;c一100/mlo]'m.s一;d270/,mol'm's一 图l生长在不同光照强度下的DZTI的77K荧光光谱 粒,光系统II相对较多.但当光强在55,270l~tmol?llq?s时,随光强的增加,光系统II的激发能量逐渐增 加,这说明野生型盾叶薯蓣平衡光能分布的能力较弱.这也可能是野生型盾叶薯蓣不能适应强光的原因. 2.2暗适应后盾叶薯蓣77K荧光光谱的变化 取与上述相同的叶片,置于黑暗中15min(100tsmol-m一-s..,暗适应40rain),然后在液氮中冷冻至77 K,并测定其荧光光谱.结果表明,暗适应可大大改变其荧光光谱(表2,图2). 相 对 荧 光 强 度 a一10t,mol'【T】一?s(15rain);1]一55/.~mol'm一.s一(15min);c一10o/,mol'm's(15rain);d__"O/~mol'm一's(40rffin) 图2生长在不同光照强度下的DZTL叶片在暗适应处理后的77K荧光光谱 生长在10~tmol?m,-s光强下的叶片有2个峰.卜j未进行暗适处理的比较,光系统II的主峰由未 进行暗适应的F685被LHCII发出的F680所取代,光系统I的主峰的波长也有所减小.暗适应处理可诱导 LHCII发出荧光F680.这意味着暗适应处理导致能量从LHCII向其他复合体传递 F685的消 的效率降低j-. 失则说明,从LHCII向CP43的能量传递减少或中断了.出现这种情况,可能是LHCII与CP43之间的某一 成分在暗适应处理过程中被氧化,从而引起LHCII和CP43及有关成分空间位置或功能状态的改变. 生长在55tanol?m?s光强下的叶片除在684,724nm处有2个主峰外,在680,728nlTl处各有1个肩 峰,728nlTl处的肩峰一般认为是F720的卫星带.j未进行暗适应处理的比较,光系统II的主峰F685m虽 未改变,却出现了F680s;光系统1的主峰波长没有改变,未暗适虑前的肩峰F740s消失了,但出现了 F720s.而Fv74o与F720的此消彼长说明,从LHCI到PSI—RC的能量传递效率增加了. 生长在100ttmol?m?s光强下的叶片在暗适应处理15rain后,除在695,733nnl处有 2个主峰外,在 686nm处有1个肩峰.暗适应处理前的主峰为F685m,暗适应处理后原为肩峰的1%95成了主峰,暗适应处 理前的主峰F685成了肩峰.暗适应处理前后F685和F695主次的改变说明,暗适应处理前CP43收集的能 量多于CP47收集的能量,暗适应处理后则相反.其町能的原因是,在暗适应过程中首先降低从LHCII到 CP43之间的能量传递效率,从LHCII到CP47之『日J的能量传递调节则滞后一些. 生长住100/xmol-m一?s光强下的叶片在暗适应处理时间达40min后,其主峰在678,730nm处,同时 第1期王菊风,等:光照对盾叶薯蓣荧光光谱和叶绿体结构的影响83 在675nlll处有一肩峰,在730am两边的肩峰几乎接近730am处主峰F720m的高度.显然,PSII荧光的主 峰波长进一步变短J一,LHCII发出的荧光增加了.F685和F695的消失意味着,从LHCII到CP43和CP47的 能量传递全都减少或中断了.在PSI中,LHCI的荧光减少,PSI.RC的荧光增加了.这再次说明暗适应处理 可增加从I~ICI到PSI.RC的能量传递效率,或LHCI730和PSI.RC有能量竞争关系. 表2不同光强下生长的盾叶薯蓣叶片暗适应后的77K荧光主峰及光系统激发能量的比值 沣in表不峰;s表不峰;一袁永尤峰;A和B是暗逝应时川分别为4o,15rain的样品 2.3红光诱导后盾叶薯蓣77K荧光光谱的变化 分别用670,71611/13红光照射15rain后测定其77K荧光光谱,该光谱有一变化,但都在一定的波长 内变动,发射峰的名称无变化.主峰的比值及激发能量在不同光系统之间的分市变化较大(见表3) 表3不同光强下的盾叶薯蓣经670.716nm红光诱导后的77K荧光光谱 主峰的比值及2个光系统的激发能量的比值 670,716lqlql红光町以诱发状态转变.67011113_红光的照射可以引起捕光系统II外周色素蛋白磷酸化, 并转移到光系统I,从f导致光系统I发出的荧光量增多,于是便会降低.716nm红光则诱发相反的 过程,导致升高.对于生长在光强为270,55tmlol?HI_.?s..下的野生型盾叶薯蓣叶片,670,71611/13红 光明显地诱发了不同的反应.670nm红光诱导状态2的…现,使LHCII的外周色素蛋白与光系统l1分离并 转移至光系统l,以致变小;716nm红光诱导状态1的产生,诱发与上述相反的过程,于是.变 大.生长在光强为270ptmol?111_.?s下的盾叶薯蓣叶片的和的差值仅为0.09(0.44,0.35);而55 /mlol?HI..?s下的盾口t-薯蓣叶片的俐经670,716n-n红光作用后的变化值为0.38.这种差异应该凶 可移动的外于牛长在弱光下的植株叶片具有较多的PSII及LHCII,因而有较多的,周LHCII蛋白. 2.4光照强度对叶绿体超微结构的影响 光照强度能显着地影响盾叶薯蓣叶绿体的超微结构(见表4,表5,图3).LichtenthalerIiK等根据折 甍膜长度占类囊体膜总长度的百分率来计算类囊体膜的折叠度 (stackingdegree,SD).笔者以荩粒在叶绿体 切片上所占的面积j基粒和基质类囊体所占面积之和的比来估计类囊体的折叠指数(stackingindex,SI), 对于同一物种的同一生态型来说,这是一个可行且较方便的方法(见表4).从表4町看出,盾叶薯蓣类囊 体膜的折叠指数随光强的增加而变小,淀粉粒随光强的增加而增加.每个叶绿体切片上的基粒数和每个基 粒上的类囊体数都随光照强度的降低而增加,叶绿体的平均大小也随光照强的降低而有所增大. 表4不同光照强度下盾叶着蓣叶绿体内基粒,基质和淀粉粒所占面积百分比(每组统计l5个叶绿体) 84吉酋大学(自然科学版)第27卷 表5光强对盾叶薯蓣叶绿体基粒密度,基粒宽度,基粒的类囊体数及叶绿体大小的影响 注a表示统计叶绿体数为15;b表示统计基粒数为33—45;c表示统计基粒数为32;d表示统计叶绿体数为25 Im ? Im b ? ?s一':b55tLmol?m?s一';c一27Olmlol?m?s alOtLmol?m一 图3生长在不同光照强度下的野生型盾叶薯蓣叶绿体超微结构电镜照片 3结语 综上所述,与在稳定光照条件下进行光合作用的情况相比,暗适应处理导致能量从LHCII向其他复合 体(CP43,CP47)传递的效率降低,甚至中断从LHCII向其他复合体的能量传递.出现这种情况,可能是LH. cII,CP43,CP47或有荚成分在暗适应过程中被氧化,从rrg,~I起LHCI1,CP43,CP47 及有关成分空间位置或功 能状态的改变.与此相反,暗适应处理可增加从LHCI730到PSIRC的能量传递效率.这一结果提示:(1)激 发能从捕光系统到反应中心存在一种调控机制,可控制LHCII到2个光系统能量传递.(2)2个光系统能量 传递的调控机制是不同的:(i)PSII中激发能量的传递可能是光诱导的正反馈调节, 这是强光总是首先损 伤PSII的原因之一,也是PSII需要有很多保护机制的原因;PSI巾的能量传递则是 光诱导的负反馈调节. (.1)对于PSI来说,有一最适宜的光照强度.若光强过岛,系统便降低从LHCI到 PSI.RC的传递效率或分 配比例;若光强过低,系统便增加从LHCI到PSI—RC的传递效率或分配比例.于是, 到达光系统I反应中心 的能量便维持在一个适当的水平. 参考文献: [1]丁志遵.甾体激素药源植物[M].北京:科学出版社,1983. [2]ARAGHINIKNAMM,CHUNGS,NELSON-WH? ET,eta1.AntloxidantActivityofDioscoreaandDehy&uepiandrostemne(DHEA) inOlderHttmansIJ1.LifeSeiences,1996,59:147—157. 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EffectofLightIntensityonFluorescenceSpectraandChloroplast StructureofDioscoreaZingiberensis WANGJu—feng,LIHu—min,LIAOFei—yong4,HEPings (1.CollegeofLifeScienceandTechnology,Centrals0ufhForestryUniversity,Changsha410004,China;2.CollegeofBiological ResoumesandEnvironmentalScience,JishouUniversity,Jishou416000,HunanChina;3.StudyCentreof Natt,ralPhamlaeon,JishouUniversity,Jishou416000,HunanChina;4.EnvironmentalArt DesignCollege,Centrals0uthForestryUniversity,Changsha410004,China;5.China InternationalProjectConsulrationCorporation,Beijing10(X)44,China) Abstract:ThelongadaptationsofDioscoreazingiberen~dstypelow— lightintensityto10,55,lO0and270tmaol'm,' s, lightweretested.Theresultsshowedthatthefluorescencespectrumwasdifferentasthegrowthlightwasdifl~nt. Indarkgrowthlight(10and55m01?m,.s),thespectraoftheD.zingiberemistypelow— lightintensityhadnot F595andfv740fluorescencepeaks(in55tanol?m,?shadfv740shoulderpeak),buthadtheF 720mainpeaks._rhe energyweremainlydistributedtophotosystemII.DarkadaptationchangedthefunctionofIJ-ICIIandCP43.Redlight of670nmand716nminducedfor15raindecreasedtheenergydistributedtophotosystemlI.Thestackingindexof chloroplastwaslargerthanthoseinthehighergrowthlight(10oaJ1d270tmaol'm"..s)'lJutthestan:hgrainWSS smaller.Inthehighergrowthlight(100and270ttmol?m's 一),thespectraoftheD.zingiberer~istypelow—lightin— tensityhadnotF720.huttheF740mainpeakswerestronger.Theexcitedenergyofphotosysteml1wasstronger.Dark adaptationincreasedtheenergytransferringefficiencyfromLHCttoPSI— RC.Redlightof670nmand716nminduced f0r15minincreasedtheenergydistributedtophotosystemII.Thestackingindexof'chlompla stwassmaller,butthe starchgrainwaslarger. Keywords:light;Dk)scoreazingiberensistypelow— lightintensity;77Kfluorescencespectra;chloroplaststructure (责任编辑易必武) 刀副m?B rjr;r}rlrl