CO2浓度升高对苦草(Vallisneria natans)叶绿素荧光特性的影响

韩燕青 刘 鑫 胡维平 张平究 邓建才* 成泽霖

(1.安徽师范大学国土资源与旅游学院，芜湖 241000； 2.中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，南京 210008； 3.上海海洋大学水产与生命学院，上海 201306)

CO2浓度升高对苦草(Vallisnerianatans)叶绿素荧光特性的影响

韩燕青1,2刘 鑫2胡维平2张平究1邓建才2*成泽霖3

(1.安徽师范大学国土资源与旅游学院，芜湖 241000；2.中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，南京 210008；3.上海海洋大学水产与生命学院，上海 201306)

为了探究大气CO2升高对沉水植物光合生理的影响，利用便携式植物效率分析仪(Handy PEA)，在无损的情况下测定不同CO2浓度处理下的苦草(Vallisnerianatans)叶绿素荧光诱导曲线，并采用JIP-test分析方法分析数据，研究CO2浓度对苦草叶片叶绿素荧光特性的影响。结果表明在实验进行60 d后，与对照相比，高CO2浓度处理下的苦草叶片PSⅡ反应中心受体侧荧光参数Vj、Mo显著升高，Sm、ψo、φEo显著降低，叶片电子传递能力减弱；K相相对可变荧光Wk显著提高，PSⅡ反应中心供体侧放氧复合体OEC受到伤害；ABS/RC、DIo/RC、TRo/RC、DIo/CSo显著升高，ETo/RC、REo/RC、ETo/CSo、REo/CSo显著降低，苦草叶片用于热耗散的能量显著增加，导致用于电子传递及传递到电子链末端的能量显著减少；性能参数Fv/Fm、PIabs显著降低，苦草叶片PSⅡ潜在活性和光合作用原初反应过程受到抑制。以上结果表明，在长期高CO2浓度处理下，苦草叶片光合机构功能受到抑制，PSⅡ反应中心活性降低，光合功能下调，发生光适应现象。

苦草；CO2浓度升高；光系统Ⅱ；叶绿素荧光

化石燃料的燃烧以及土地利用方式的转变，导致大气中CO2浓度从工业革命前的270 μmol·mol-1升高到当前的390 μmol·mol-1，预计到本世纪末将达到1 000 μmol·mol-1[1～2](IPCC，2013)。受大气中CO2浓度升高的影响，水体中的总无机碳(DIC)也在以约1∶10的比例增高[3]。水体中DIC作为沉水植物光合作用的底物，其含量的变化对沉水植物的光合生理产生直接影响。迄今为止，高浓度CO2对植物光合生理的研究多见于陆生植物[4～7]，而对水生植物光合生理的影响研究较少且主要集中在藻类[8]、挺水植物[9]和部分海洋高等植物[10]，对沉水植物的研究由于CO2受到水气界面及水植物体界面上的扩散阻力影响，研究起来有一定的困难，因而关于CO2浓度升高对沉水植物光合生理特征的影响，鲜有研究报道。

苦草(Vallisnerianatans)为多年生无茎沉水草本，是最为常见的沉水植物之一，广泛分布于我国江、河及湖泊中，对河湖水体污染物净化能力强，是减缓水体富营养化进程的重要沉水植物[11]。苦草也是当前太湖优势沉水植物，常被作为沉水植物群落恢复重建的先锋物种，应用于富营养化水体的生态修复。本研究通过JIP-test分析技术，利用便携式植物效率分析仪，测定不同CO2浓度处理下苦草叶绿素荧光诱导曲线，阐明苦草叶片叶绿素荧光变化特征，研究CO2浓度升高对苦草光合生理特征的影响，为全面认知沉水植物对大气CO2浓度升高的响应，提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

实验于2015年9月至11月在中科院南京地理与湖泊研究所东山太湖湖泊生态系统研究站进行，实验用苦草采自苏州东太湖湖区，快速运回实验室后洗净苦草叶片表面的附着物，用纯水预培养2天，选择长势良好形态相近的苦草放于培养装置中培养，苦草初始生物量为(2.22±0.30) g，株高(21.59±2.90) cm，平均叶片数8片。

1.2 实验处理

实验为室内模拟实验，设计对照和CO2浓度为1 000 μmol·mol-12个处理，试验期间24 h不间断向半封闭培养装置供气。对照为现有空气CO2浓度，利用空气压缩机将新鲜空气从外部吸入，经气体流量计控制气体流速，直接导入到对照培养装置；目标加富CO2浓度则通过导入高纯CO2和新鲜空气到CO2加富器(CE-100-3，武汉瑞华)获取，而后经集气袋(50 L)充分混匀后通入培养装置，浓度变化幅度可控制在5%以内。半封闭培养装置长宽高均为0.9 m，设计水深0.8 m，每装置放置24株苦草，每处理3次重复。实验用水采自东太湖湖区，为中营养水平，实验期间定期添加营养盐，保证植株营养正常供给。

1.3 测定方法

1.3.1 水体DIC浓度测定

在实验进行60 d时采集水样，每培养装置采集50 mL水样，送与中国科学院南京地理与湖泊研究所所级公共技术分析测试中心分析检测水样DIC浓度，测定仪器为总有机碳分析仪。

1.3.2 叶绿素荧光诱导曲线测定

在水样采集的同时进行叶绿素荧光诱导曲线的测定。测定时，选取苦草第三完全展开叶片，夹上暗适应叶片夹(距离叶片顶端3 cm处)， 后利用连续激发式荧光仪Handy PEA Senior(Hansatech Instrum-ents，Norfol，UK)测定快速叶绿素荧光诱导动力学曲线，仪器可自动记录从10 μs到2 s之间高分辨率间隔荧光信号，并可自动导出相关荧光参数。各荧光参数见表1。

1.4 数据处理

实验所得原始数据采用Excel 2003软件进行处理，采用SPSS 19.0统计软件进行单因素方差分析，图、表中数据均为平均值±标准差，图表中标注0.01水平极显著差异用(A，B)表示，0.05水平显著差异用(a，b)表示。

2 结果与分析

2.1CO2浓度升高对培养水体DIC浓度的影响

在实验进行60 d时对培养水体DIC浓度进行检测(图1)，结果显示对照处理培养水体DIC浓度为13.04 mg·L-1，1 000 μmol·mol-1CO2浓度处理培养水体DIC浓度为15.53 mg·L-1，相比对照升高16.01%，且差异达到显著水平(P<0.05)，这表明长期高CO2浓度处理显著增加了培养水体DIC浓度。

表1 快速叶绿素荧光诱导动力学曲线部分参数及其生物学意义

图1 不同浓度CO2对培养水体DIC浓度的影响Fig.1 Effect of different CO2 concentrations on the culture water DIC

图2 不同CO2浓度处理下苦草叶片OJIP曲线Fig.2 The OJIP curve of V.natans leaves exposed to different CO2 concentrations

2.2CO2浓度升高条件下苦草叶片快速叶绿素荧光诱导曲线的变化特征

图2为不同CO2浓度处理的苦草叶片叶绿素荧光诱导曲线(OJIP)。与对照相比，1 000 μmol·mol-1CO2浓度处理60 d导致苦草叶片OJIP曲线从J相之后显著下降，其中I、P相的荧光值Fi、Fm比对照分别下降了12.13%和19.65%(P<0.05，表2)，这表明长期的高CO2浓度处理降低了苦草叶片的最大荧光值，抑制了PSⅡ反应中心的活性。

2.3CO2浓度升高对苦草叶片PSⅡ受、供体侧的影响

2.4CO2浓度升高对苦草叶片比活性参数的影响

由表2可知，在实验进行60 d后，随着CO2浓度升高，ABS/RC、DIo/RC、TRo/RC、DIo/CSo分别升高17.61%、56.24%、10.10%、45.3%(P<0.05)，ETo/RC、REo/RC、ETo/CSo、REo/CSo变化相反，相比对照分别降低22.44%、32.46%、32.16%、40.15%(P<0.05)，ABS/CSo、TRo/CSo则无明显变化。这表明长期高CO2浓度处理虽然增加了苦草叶片单位反应中心和单位面积吸收的能量，但同时也显著增加单位反应中心和单位面积用于热耗散的能量，导致单位反应中心和单位面积用于电子传递及传递到电子链末端的能量显著减少。

2.5CO2浓度升高对苦草叶片最大光化学效率及光化学性能的影响

在实验进行60 d后，1 000 μmol·mol-1CO2浓度处理下的苦草叶片荧光参数Fv/Fm和PIabs均明显降低(表2)，Fv/Fm相比对照降低6%(P<0.05)，PIabs相比对照降低39.41%(P<0.05)。表明长期高CO2浓度处理降低了苦草叶片最大光化学效率和光合性能指数。

表2不同浓度CO2对苦草叶片叶绿素荧光参数的影响

Table2EffectofdifferentCO2concentrationsonchlorophyllfluorescenceparametersintheleavesofV.natans

参数ParameterCK1000μmol·mol-1Fo218±27.72a233.75±23.01aFj950.22±99.99a896.6±71.11aFi1158.78±79.15b1018.2±54.93aFm1281.56±73.28b1029.67±115.13aVj0.69±0.09a0.77±0.07bSm15.85±3.71b12.42±2.41aMo1.64±0.18a2.06±0.06bψo0.25±0.02b0.19±0.03aφEo0.20±0.02b0.14±0.03aWk0.53±0.03a0.58±0.03bABS/RC2.12±0.13a2.49±0.22bDIo/RC0.36±0.05a0.56±0.11bTRo/RC1.76±0.11a1.93±0.10bETo/RC0.48±0.09b0.37±0.07aREo/RC0.17±0.03b0.11±0.02aABS/CSo218±27.72a245.8±33.51aDIo/CSo32.00±2.95a46.49±5.46bTRo/CSo180.46±18.91a188.51±18.35aETo/CSo52.96±6.83b35.93±2.95aREo/CSo18.39±2.22b11.01±0.70aFv/Fm0.83±0.02b0.78±0.04aPIabs1.45±0.22b0.87±0.15a

3 讨论

本文的研究目的在于运用叶绿素荧光技术，在无损的情况下探究高CO2浓度处理下的苦草叶绿素荧光特征。结果表明，在实验进行60 d后，高CO2浓度处理下培养水体DIC浓度显著升高，苦草叶片叶绿素荧光诱导曲线、最大荧光值、PSⅡ供体侧和受体侧状态、比活性参数、电子传递能力、最大光化学效率等指标发生显著改变，苦草叶片光合机构状态和光合能力受到抑制。

Fv/Fm代表PSⅡ的最大光化学效率，提高光合化学效率有利于光合色素把所捕获的光能以更高的速率和效率转化为化学能，为碳同化提供更加充足的能量，在非胁迫条件下该参数的变化极小，是反映在各种胁迫下植物光合作用光反应受抑制程度的关键指标[25～26]。1 000 μmol·mol-1CO2浓度处理60 d后苦草叶片最大光化学效率Fv/Fm相比对照明显降低，这表明苦草叶片PSⅡ原初光能转化效率降低，PSⅡ潜在活性和光合作用原初反应过程受到抑制。郝兴宇[27]在对绿豆的研究中发现大气CO2浓度升高后，绿豆在发育后期(鼓粒期)叶片Fv/Fm同样降低，与本实验结果一致并猜测可能与PSⅡ反应中心受到迫害有关。但从宁夏枸杞在CO2浓度倍增条件下Fv/Fm升高[28]及鼓槌石斛Fv/Fm在CO2浓度增加条件下没有明显变化[29]来看，植物叶片Fv/Fm对高CO2浓度的反应因不同的植物种类而异。为了更为准确反映苦草光合机构的状态，引入了荧光参数PIabs，PIabs包含了RC/ABS、φPo和ψo三个相互独立的参数，对胁迫比Fv/Fm更敏感，能更好地反映胁迫对植物叶片PSⅡ的影响[30～31]。本研究中，PIabs与Fv/Fm变化一致，1 000 μmol·mol-1CO2浓度处理60 d后PIabs显著低于对照，苦草叶片光合性能下降，光合功能下调。

1.Kump L R.Reducing uncertainty about carbon dioxide as a climate driver[J].Nature,2002,419(6903):188-190.

2.Yelle S,Beeson R C,Trudel M J,et al.Acclimation of two tomato species to high atmospheric CO2:I.Sugar and starch concentrations[J].Plant Physiology,1989,90(4):1465-1472.

3.Goudriaan J.Interaction of ocean and biosphere in their transient responses to increasing atmospheric CO2[J].Vegetatio,1993,104(1):329-337.

4.赵旭,刘艳芝,李天来,等.根际CO2浓度富集对番茄光合生理的影响[J].应用生态学报,2015,26(7):2069-2073.

Zhao X,Liu Y Z,Li T L,et al.Effect of root-zone CO2enrichment on tomato photosynthetic physiology[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2015,26(7):2069-2073.

5.王海珍,韩路,徐雅丽,等.胡杨异形叶光合作用对光强与CO2浓度的响应[J].植物生态学报,2014,38(10):1099-1109.

Wang H Z,Han L,Xu Y L,et al.Photosynthetic responses of the heteromorphic leaves inPopuluseuphraticato light intensity and CO2concentration[J].Acta Phytoecologica Sinica,2014,38(10):1099-1109.

6.Gao J,Han X,Seneweera S,et al.Leaf photosynthesis and yield components of mung bean under fully open-air elevated CO2[J].Journal of Integrative Agriculture,2015,14(5):977-983.

7.赵甍,王秀伟,毛子军.不同氮素浓度下CO2浓度、温度对蒙古栎(Quercusmongolica)幼苗叶绿素含量的影响[J].植物研究,2006,26(3):337-341.

Zhao M,Wang X W,Mao Z J.The effect of CO2concentration and temperature on chlorophyll content ofQuercusmongolicaFisch.under different nitrogen levels[J].Bulletin of Botanical Research,2006,26(3):337-341.

8.李平,苏海虹,关万春.高CO2和UVR对叉节藻和刚毛藻生长及光化学效率的影响[J].水生生物学报,2014,38(4):636-641.

Li P,Su H H,Guan W C.The effect of high CO2concentrations and UVR on growth and photochemical efficiency inAmphiroasp.(rhdophyta) andCladophorasp.(chlorophyta)[J].Acta Hydrobiologica Sinica,2014,38(4):636-641.

9.谢立勇,姜乐,冯永祥,等.FACE条件下CO2浓度和温度增高对北方水稻光合作用与产量的影响研究[J].中国农业大学学报,2014,19(3):101-107.

Xie L Y,Jiang L,Feng Y X,et al.Impacts of elevated CO2and increasing temperature on rice photosynthesis and yield in north China under FACE system[J].Journal of China Agricultural University,2014,19(3):101-107.

10.秦秀刚,仲启铖,来琦芳,等.CO2浓度对细基江蓠繁枝变型生长和光合特性的影响[J].海洋渔业,2016,38(1):57-65.

Qin X G,Zhong Q C,Lai Q F,et al.Effect of CO2on growth and photosynthetic characteristics ofGracilariatenuistipitatavar.liuiZhang et Xia[J].Marine Fisheries,2016,38(1):57-65.

11.Grisé D,Titus J E,Wagner D J.Environmental pH influences growth and tissue chemistry of the submersed macrophyteVallisneriaamericana[J].Canadian Journal of Botany,1986,64(2):306-310.

12.李耕,高辉远,赵斌,等.灌浆期干旱胁迫对玉米叶片光系统活性的影响[J].作物学报,2009,35(10):1916-1922.

Li G,Gao H Y,Zhao B,et al.Effects of drought stress on activity of photosystems in leaves of maize at grain filling stage[J].Acta Agronomica Sinica,2009,35(10):1916-1922.

13.Jiang C D,Jiang G M,Wang X,et al.Enhanced photosystem 2 thermostability during leaf growth of Elm(Ulmuspumila) seedlings[J].Photosynthetica,2006,44(3):411-418.

14.Strasser B J.Donor side capacity of Photosystem Ⅱ probed by chlorophyll a fluorescence transients[J].Photosynthesis Research,1997,52(2):147-155.

15.Krause G H,Weis E.Chlorophyll fluorescence and photosynthesis:the basics[J].Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology,1991,42(1):313-349.

16.熊传敏.光合作用机理的研究进展[J].中学生物学,2006,22(1):7-9.

Xiong C M.Research progress in the mechanism of photosynthesis[J].Middle School Biology,2006,22(1):7-9.

17.云建英,杨甲定,赵哈林.干旱和高温对植物光合作用的影响机制研究进展[J].西北植物学报,2006,26(3):641-648.

Yun J Y,Yang J D,Zhao H L.Research progress in the mechanism for drought and high temperature to affect plant photosynthesis[J].Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica,2006,26(3):641-648.

18.Strasser B J,Strasser R J.Measuring fast fluorescence transients to address environmental questions:the JIP test[M].//Mathis P.Photosynthesis:From Light to Biosphere.The Netherlands:Kluwer Academic Publisher,1995:977-980.

19.李鹏民,高辉远,Strasser R J.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.

Li P M,Gao H Y,Strasser R J.Application of the fast chlorophyll fluorescence induction dynamics analysis in photosynthesis study[J].Journal of Plant Physiology and Molecular Biology,2005,31(6):559-566.

20.黄秋娴,赵顺,刘春梅,等.遮荫处理对铁尾矿基质臭柏实生苗快速叶绿素荧光特性的影响[J].林业科学,2015,51(6):17-26.

Huang Q X,Zhao S,Liu C M,et al.Effects of shading treatments on chlorophyll fluorescence characteristics ofSabinavulgarisseedlings grown in iron tailings media[J].Scientia Silvae Sinicae,2015,51(6):17-26.

21.耿显华,于丹,黄永明,等.高浓度CO2下苦草的生长和生理生化反应[J].水生生物学报,2004,28(3):304-309.

Geng X H,Yu D,Huang Y M,et al.Growth and physio-biochemistry responses ofVallisneriaspiralisL.to CO2enrichment[J].Acta Hydrobiologica Sinica,2004,28(3):304-309.

22.许大全.光合作用及有关过程对长期高CO2浓度的响应[J].植物生理学通讯,1994,30(2):81-87.

Xu D Q.Responses of photosynthesis and related processes to long-term high CO2concentration[J].Plant Physiology Communications,1994,30(2):81-87.

23.Paul M J,Pellny T K.Carbon metabolite feedback regulation of leaf photosynthesis and development[J].Journal of Experimental Botany,2003,54(382):539-547.

24 范桂枝,蔡庆生.植物对大气CO2浓度升高的光合适应机理[J].植物学报,2005,22(4):486-493.

Fan G Z,Cai Q S.Mechanism of plant photosynthetic acclimation to elevated atmospheric CO2[J].Chinese Bulletin of Botany,2005,22(4):486-493.

25.刘劲松,石辉,李秧秧.镉胁迫对黄瓜幼苗光合和叶绿素荧光特性的影响[J].水土保持研究,2011,18(5):187-190,196.

Liu J S,Shi H,Li Y Y.Effects of Cd2+stress on photosynthesis and chlorophyll fluorescence characteristics of cucumber seedlings[J].Research of Soil and Water Conservation,2011,18(5):187-190,196.

26.张安林,潘远智,姜贝贝,等.遮荫对香水百合光合特性及叶绿素荧光参数的影响[J].西南师范大学学报:自然科学版,2011,36(5):163-167.

Zhang A L,Pan Y Z,Jiang B B,et al.Effects of shading on photosynthesis and chlorophyll fluorescence parameters inLiliumspp.[J].Journal of Southwest China Normal University:Natural Science Edition,2011,36(5):163-167.

27.郝兴宇,韩雪,李萍,等.大气CO2浓度升高对绿豆叶片光合作用及叶绿素荧光参数的影响[J].应用生态学报,2011,22(10):2776-2780.

Hao X Y,Han X,Li P,et al.Effects of elevated atmospheric CO2concentration on mung bean leaf photosynthesis and chlorophyll fluorescence parameters[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2011,22(10):2776-2780.

28.刘汉峰,王雁,沈应柏.CO2倍增对鼓槌石斛光合作用特性的影响[J].广东农业科学,2012,39(7):6-9.

Liu H F,Wang Y,SHEN Y B.Effects of doubled atmospheric CO2concentration on photosynthesis ofDendrobiumchrysotoxum[J].Guangdong Agricultural Sciences,2012,39(7):6-9.

29.石元豹,曹兵.CO2浓度倍增对宁夏枸杞叶绿素荧光参数的影响[J].经济林研究,2015,33(3):108-111.

Shi Y B,Cao B.Effects of doubled CO2concentration on chlorophyll fluorescence parameters inLyciumbarbarumleaves[J].Nonwood Forest Research,2015,33(3):108-111.

30.van Heerden P D R,Strasser R J,Krüger G H J.Reduction of dark chilling stress in N2-fixing soybean by nitrate as indicated by chlorophyll a fluorescence kinetics[J].Physiologia Plantarum,2004,121(2):239-249.

31.van Heerden P D R,Tsimilli-michael M,Krüger G H J,et al.Dark chilling effects on soybean genotypes during vegetative development:parallel studies of CO2,assimilation,chlorophyll a fluorescence kinetics O-J-I-P and nitrogen fixation[J].Physiologia Plantarum,2003,117(4):476-491.

32.夏建荣,高坤山.水华鱼腥藻生长与光合作用对大气CO2浓度升高的响应[J].植物生态学报,2002,26(6):652-655.

Xia J R,Gao K S.Responses of growth and photosynthesis ofAnabenaflos-aquaeto elevated atmospheric CO2concentration[J].Acta Phytoecologica Sinica,2002,26(6):652-655.

This research is supported by National Natural Science Foundation(41271213, 41230853)；State Water Pollution Control and Management Technology Major Projects(2014ZX07101-011)；Chinese Academy of Sciences Key Deployment Project(KZZD-EW-10)

introduction：HAN Yan-Qing(1991—),male,master,mainly engaged in aquatic ecology research.

date:2016-09-29

EffectsofCO2EnrichmentonChlorophyllFluorescenceCharacteristicsofVallisnerianatans

HAN Yan-Qing1,2LIU Xin2HU Wei-Ping2ZHANG Ping-Jiu1DENG Jian-Cai2*CHENG Ze-Lin3

(1.College of Territorial Resources and Tourism,Anhui Normal University,Wuhu 241000；2.State Key Laboratory of Lake Science and Environment,Nanjing Institute of Geography and Limnology,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008；3.College of Fisheries and life science,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306)

To explore the effects of elevated atmospheric CO2on photosynthetic physiology of submerged plant, we studied the effects of high concentrations of CO2on chlorophyll fluorescence characteristics ofVallisnerianatansby measuring the rapid fluorescence induction kinetics curves(OJIP) of the leaves with Plant Efficiency Analyzer and analyzing with JIP-test. TheVj,MoofV.natanswere significantly increased andSm,ψoandφEowere significantly reduced after 60 days, and the electron transfer diminished capacity ofV.natanswas decreased compared with the control; the donor side of PSⅡ reaction center was hurt because the Wk was increased; the specific activity parametersABS/RC,DIo/RC,TRo/RC,DIo/CSowere significantly increased,ETo/RC,REo/RC,ETo/CSo,REo/CSosignificantly decreased, and the energy for heat dissipation significant increased lead to the energy of electron transfer and electron transfer chain end were significantly decreased. Compared with the control, the performance parametersFv/FmandPIabswere also decreased. Therefore, the long-term high concentrations of CO2suppressed photosynthetic apparatus state, decreased PSⅡreaction center activity and down regulated photosynthetic function ofV.natans, and theV.natansappeared light acclimation.

Vallisnerianatans;CO2enrichment;PSⅡ;chlorophyll fluorescence

国家自然科学基金(41271213，41230853)；国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07101-011)；中国科学院重点部署项目(KZZD-EW-10)

韩燕青(1991—)，男，硕士研究生，主要从事水生植物生态学方面研究。

* 通信作者：E-mail:jcdeng@niglas.ac.cn

2016-09-29

* Corresponding author：E-mail:jcdeng@niglas.ac.cn

Q945.11

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2017.01.007