四种热带树木对零上低温敏感的光合生理机制

Due to the fragmentation of tropical forests and increasing demand on tropical hardwood timber, afforestation using tropical high-quality timber species in marginal tropical areas is presently under practice. Tropical tree species are very sensitive to chilling temperature. Occasionally, cold winds invade these areas for several days and cause severe damage to the introduced tropical plants. However, the mechanisms underlying sensitivity of typical tropical trees to chilling temperature remain unclear. Our previous studies have shown that photosystem II of tropical tree species is very sensitive to chilling temperature. Furthermore, cyclic electron flow may play an important role in photoprotection for tropical tree species exposed to chilling temperature. The present project will further study the effect of chilling temperature on photosynthesis of four tropical tree species using chlorophyll fluorescence and superoxide anion radical analysis, antimycin A and methyl viologen treatments. The main aims are to understand: (a) the physiological mechanism of chilling-induced photodamage of photosystem II in tropical tree species; (b) how does activity of photosystem I affect the repair of photosystem II in tropical tree species? (c) how does cyclic electron flow alleviate photodamage of photosystem II at chilling temperature in tropical tree species? These results will help illustrate the photosynthetic mechanisms underlying sensitivity of tropical tree species to chilling temperature, and provide the theoretical basis for the introduction of tropical trees and making strategy for preventing chilling damage in marginal tropical areas.

森林资源的稀缺性和经济社会发展对木材需求的矛盾日益尖锐，利用我国热带地区发展珍贵热带木材种植是解决木材需求矛盾的重要途径之一。热带树木对零上低温十分敏感，热带北缘地区出现的寒流会导致热带树木受到伤害，然而目前有关零上低温对热带树木造成伤害的机理尚不清楚。申请人的前期研究结果表明热带树木的光系统II活性对零上低温很敏感，且环式电子传递在热带树木抵御零上低温过程中发挥重要作用。本项目拟通过叶绿素荧光、氧自由基检测、抗霉素A和甲基紫精处理进一步研究零上低温对四种代表性热带树木光合作用的影响。主要研究目的包括：(a)零上低温导致热带树木光系统II受损的生理机制；(b)光系统I活性影响光系统II活性恢复的生理机制；(c)零上低温条件下环式电子传递保护光系统II的主要机制。从而进一步认识热带树木对零上低温敏感的光合生理机制，将为我国热带北缘地区热带树木的引种以及防冻措施的制定提供科学依据。

森林资源的稀缺性和经济社会发展对木材需求的矛盾日益尖锐，利用我国热带地区发展珍贵热带木材种植是解决木材需求矛盾的重要途径之一。热带树木对零上低温十分敏感，热带北缘地区出现的寒流会导致热带树木受到伤害，然而目前有关零上低温对热带树木造成伤害的机理尚不清楚。本项目结合叶绿素荧光和P700测定技术研究了热带树木光系统I和II对零上低温的响应及其机制。结果发现：（1）放氧复合体活性的损伤决定整个光系统II活性受损的程度，单纯的增加氧自由基并不会加剧光系统II的损伤程度。这一发现对于理解光系统II损伤机制具有十分重要的意义；（2）发现PGR5介导的环式电子传递激发所建立的跨类囊体膜质子梯度对于放氧复合体发挥重要的保护作用，如果PGR5介导的环式电子传递被抗霉素A抑制，放氧复合体将对零上低温及强光十分敏感，并导致线性电子传递下调及光合速率的下降。这一发现对于理解阳生叶片适应零上低温及强光生境具有极其重要的意义；（3）阐明了零上低温条件下光系统II活性影响光系统I损伤程度的主要机制。阳生叶片在零上低温条件下过量的电子传递到光系统I后不能正常传递给NADP+产生NADPH，导致光系统I反应中心处于过度还原态并引起氧自由基的产生，最终引起光系统I损伤的发生。当光系统II活性受损后，从光系统II传递到光系统I的电子减少，使得光系统I活性得到了保护。这一发现为理解光系统I和II活性在逆境胁迫下的交互关系提供了重要的启示。项目发表SCI论文8篇，这些研究结果不仅为热带树木的引种提供了科学依据，还对深入了解光合作用的相关调控机制具有重要的科学启示。