0 引言

大氣電離層相對地面有 360kV 的正電位,導致地球表面存在一個強度約為 130V/m 的自然電場環境.地球上生物的生命活動都受到該電場環境的影響,并在長期的進化過程中逐漸適應了自然電場環境,演化出與之對應的生理特征.當電場環境發生改變,如人為外加高壓靜電場,必然對其中生物的生命活動產生影響.這種影響被稱為高壓靜電場的生物效應,該效應引起了科學界的極大關注,并由此發展的高壓靜電技術已經廣泛應用到農業、醫學等各個領域.如高壓靜電場可明顯延長蔬果的儲藏時間[1],提前或遲滯植物開花時間[2];促進植物愈傷組織的生長與分化[3];提高種子發芽率等[4].然而,關于高壓靜電場對植物葉綠素熒光參數的影響的研究較少.研究高壓靜電場處理對植物葉綠素熒光參數的影響,不僅對高壓靜電植物學效應機理研究具有重大意義,而且對于生產實踐具有非常重要的指導意義.

葉綠素熒光技術在測定葉片光合作用過程中葉片對光能的吸收、傳遞、分配、耗散等方面具有獨特作用.相對傳統氣體交換指標,葉綠素熒光參數可以更好反應植物葉片的內在特征.因此,葉綠素熒光技術被視為研究植物光合作用與環境關系的內在探針[5 - 8].本文以"津優 1 號"黃瓜為研究對象,研究了高壓靜電場處理對黃瓜幼苗葉綠素熒光參數的影響,旨在進一步探索高壓靜電促進植物生長機理,并為其在種植業中的實際應用提供理論依據.

1 材料與方法

1. 1 供試材料

供試黃瓜\\(Cucumis sativus L. \\) 種子選用津優一號.選取飽滿整齊一致的種子,用 5% 福爾馬林浸泡種子 0. 5h,洗凈后置于蒸餾水中浸泡 24h\\(置于 28°C恒溫光照培養箱內\\)催芽;將發芽的種子播于裝有珍珠巖的穴盤內,溫室晝溫\\(28 ±2\\)℃,夜溫\\(16 ±2\\)℃,自然光照并澆灌 Hoagland 營養液\\(pH 6. 5\\);待培養至第 30 天待用.

1. 2 實驗設備

高壓靜電發生裝置如圖 1 所示.裝置主要由電極板、屏蔽罩與一個直流高壓發生器構成\\(BBG 脈寬調制型直流高壓發生器,北京機電研究院高電壓技術公司\\).

1. 3 試驗處理

從黃瓜幼苗中挑選大小相近、長勢相似的植株,每 10 株為一組均勻放置于不同強度高壓靜電場下處理.處理組電場強度分別為 0. 5、1. 0、1. 5、2. 0、2. 5、3. 0kV / cm,處理時間 120min.另設一組作為對照\\(ck\\),除不加電場外,其余條件相同.整個實驗在人工氣候室進行,溫度\\(25 ± 1\\) °C,相對濕度 60% ~70%,光照強度 200μmol/\\(m2·s\\).

1. 4 測定方法方法

處理后,使用 IMAGE - PAM 葉綠素熒光成像系統\\(德國 WALZ 公司生產\\)測定各株幼苗從植株頂部向下第一完全展開功能葉的葉綠素熒光參數.將待測材料充分暗適應 30min 以上,在室溫\\(25 ± 1 \\)°C 下測定幼苗的葉片固定熒光 \\( Fo\\)、光化學淬滅系數\\(qP\\)、PSⅡ最大光化學效率\\(Fv/Fm\\)、表觀光電子傳遞速率\\(ETR\\)、非光化學萃滅系數 NPQ 與 qN.

2 結果與分析

固定熒光又稱初始熒光,指 PSII 反應中心處于完全開放時的熒光產量[9 - 10].如圖 2 所示,當外加高壓靜電場強度較低時 Fo 基本與對照組維持同一水平.

場強超過 1. 0kV/cm 時 Fo 值開始隨外加電場增強而增加,并在 2. 0kV/cm 時達到最大,此后保持在高水平.

PSⅡ最大光化學效率 Fv / Fm,反映 PSⅡ光化學效率的變化,降低說明其發生光抑制的程度越高[11].如圖 2 所示,1. 5kV/cm 以內的高壓靜電場對黃瓜幼苗光化學效率影響不大,2. 0kV/cm 及以上強度的外加電場使 Fv/Fm 顯著降低.

ETR 即表觀光合電子傳遞速率,反映光化學反應的啟動速率[10 - 12].如圖 3 所示,外加電場較弱時 ETR與電場強度呈正相關,超過 1. 5kV/cm 的高壓靜電場則使 ETR 值降低,且場強為 3. 0kV/cm 時低于對照組.

光化學淬滅系數 qP表示光合活性的高低,其隨外加電場強度增加的變化規律與 ETR 相似,也呈現"先增后減"的趨勢,且于 1. 0kV/cm 場強時取得最大值0. 56,如圖 3 所示.

NPQ 與 qN均反映植物細胞的非光化學猝滅狀況,即 PSⅡ天線色素吸收的多余光能無法用于光化學電子傳遞,而以熱能的形式耗散掉,對光合機構起自我保護作用[8,13 -15].由圖 4 可見,適宜強度的高壓靜電場處理可降低 NPQ 與 qN值,提高黃瓜幼苗的光能利用率.其中,0 ~ 1. 0kV/cm 以內,NPQ 與 qN隨場強增加而降低;反之,電場強度超過 1. 0kV/cm,NPQ 與 qN則與場強呈正相關,耗散的光能增加.

3 討論

葉綠體間質中懸浮有由膜囊構成的類囊體,類囊體膜上含有光合色素和電子傳遞鏈組分,是光能向化學能轉化的關鍵[16 - 19].當類囊體電壓處于正常狀態下\\( -70 ~ +165mV\\)時,熒光產額與類囊體電壓呈線性正相關.即,類囊體電壓每增加 100mV,熒光產額增加 9% \\( ± 2% \\)[20].當外加電場強度超過臨界范圍,類囊體電壓每增加 100mV,原初電荷分離常數與基本電荷復合速率常數分別下降約 8% 與 50%[21].本研究中,類囊體直徑約 0. 5μm,場強增加每1. 0kV / cm ,在類囊體兩端產生約為 50mV 的電勢差,因而在一定范圍內,熒光產額增加.其表現在,隨外加電場增強 ETR 即表觀光合電子傳遞速率與光化學淬滅系數 qP升高,電場提高了 PSⅡ的電子傳遞活性;同時,反映植物細胞的非光化學猝滅狀況的參數 NPQ 與 qN下降,以熱能的形式耗散掉的光能降低[12,16].因而,黃瓜幼苗對光能的利用率升高,耗散的光能降低,有利于光合作用.高壓靜電場強度大于為 1. 0 kV/cm時,類囊體電壓升至正常狀態上限\\(165 mV\\),對光能轉化的促進作用達到最強.當外加電場繼續增強,上述促進隨外加電場增強逐漸減弱.超過 2. 0kV/cm 的高壓靜電場使參數 Fo 升高,表明 PSⅡ反應中心受到破壞或不可逆失活[13,20 -21,24].此外,NPQ 與 qN顯著上升,ETR 與 qP下降,說明葉片吸收的光能耗散增多,光能轉化效能降低,從側面反應了光合作用結構遭到破壞[24 - 25].

4 結論

本文對不同強度高壓靜電場對黃瓜幼苗葉綠素熒光參數的影響進行了實驗研究.結果表明,較低強度的外加高壓靜電場可以促進黃瓜幼苗葉片將光能轉化為化學能.其中,在 0. 5 ~1. 5kV/cm 階段促進作用顯著,過高強度的外加電場則不利于光能的轉化.該研究為利用高壓靜電場提高植物對光照利用效能提供了理論依據,并為靜電除蟲等技術提供了安全電壓的數據依據.

參考文獻:

[1] Knorr D. Novel approaches in food - processing technology:new technologies for preserving foods and modifying function[J]. Current Opinion in Biotechnology,1999,10\\(5\\): 485- 491.

[2] 鄧鴻模,虞錦嵐,周艾民. 高壓靜電場促進植物生長技術的研究[J]. 物理,2000,29\\(9\\): 550 -552.

[3] 李一. 高壓靜電場提高頑拗型秈稻花培效率的研究[J].作物研究,1997,11\\(1\\): 12 -13.

[4] Moon J D,Chung H S. Acceleration of germination of tomatoseed by applying AC electric and magnetic fields[J]. Journalof electrostatics,2000,48\\(2\\): 103 - 114.

[5] Govindjee. Sixty - three years since Kautsky:Chlorophyll afluorescence[J]. Australian Journal of Plant Physiology,1995,22\\(2\\): 131 - 160.

[6] Schweiger J,Lang M,Lichtenthaler H K. Differences in flu-orescence excitation spectra of leaves between stressed andnon - stressed plants[J]. Journal of Plant Physiology,1996,148\\(5\\): 536 - 547.

[7] 張守仁. 葉綠素熒光動力學參數的意義及討論[J]. 植物學通報,1999,16\\(4\\): 444 -448.

[8] 徐德聰,呂芳德,劉小陽,等. 葉綠素熒光測定技術的研究[J]. 安徽農業科學,2008,35\\(35\\): 11335 -11337.

[9] Kooten O,Snel J F H. The use of chlorophyll fluorescencenomenclature in plant stress physiology[J]. PhotosynthesisResearch,1990,25\\(3\\): 147 - 150.

[10] 陳建明,俞曉平,程家安. 葉綠素熒光動力學及其在植物抗逆生理研究中的應用[J]. 浙江農業學報,2006,18\\(1\\) : 51 - 55.

[11] 徐曉昀,郁繼華,頡建明. 高溫脅迫對黃瓜葉片葉綠素熒光猝滅的效應[J]. 甘肅農業大學學報,2007,42\\(2\\) : 60 - 62.

[12] 賀立紅,賀立靜,梁紅. 銀杏不同品種葉綠素熒光參數的比較[J]. 華南農業大學學報,2006,27\\(4\\): 43 -46.

[13] Arnold W,Azzi J. The mechanism of delayed light produc-tion by photosynthetic organism and new effect of electricfields on chloroplasts[J]. Photochemistry and photobiolo-gy,1971,14\\(3\\): 233 - 240.

[14] 周秀杰,趙紅波,馬成倉. 硅對嚴重干旱脅迫下黃瓜幼苗葉綠素熒光參數的影響[J]. 華北農學報,2008,22\\(5\\) : 79 - 81.

[15] Genty B,Briantais J M,Baker N R. The relationship be-tween the quantum yield of photosynthetic electron transportand quenching of chlorophyll fluorescence[J]. Biochimicaet Biophysica Acta \\( BBA\\) - General Subjects,1989,990\\(1\\): 87 - 92.

[16] 王可玢,許春輝. 水分脅迫對小麥旗葉某些體內葉綠素a 熒光參數的影響[J]. 生物物理學報,1997,13 \\(2\\):273 - 278.

[17] 李功藩,蔡琬平,吳亞君,等. 葉綠體結構狀態與光化學活性的關系[J]. 植物生理學報,1987,13\\(3\\): 295- 301.

[18] 刁豐秋,章文華. 鹽脅迫對大麥葉片類囊體膜組成和功能的影響[J]. 植物生理學報 \\( ISSN0257 - 4829\\),1997,23\\(2\\): 105 - 110.