低光照胁迫下，Cerasus humilis叶片中叶绿素代谢与超弱荧光激发之间的关系

《Plant Physiology and Biochemistry》：Relationship between chlorophyll metabolism and ultraweak luminescence excitation in Cerasus humilis leaves under low light stress.

紫外微弱发光与叶绿素代谢关系研究——以钙果（Cerasus humilis）为例，通过盆栽幼苗实验，系统分析了85%和96%遮光处理下钙果叶片的叶绿素代谢前体物（如ALA、PBG）动态、代谢酶活性及叶绿素含量变化，发现低光胁迫显著抑制UWL强度，且UWL与叶绿素a/b比值呈正相关，与代谢关键酶活性负相关。研究揭示了低光胁迫通过调控叶绿素代谢和能量转化影响UWL的机制。

　　在本研究中，我们关注的是在低光照胁迫条件下，Cerasus humilis（Bge）Sok（C. humilis）叶片中叶绿素代谢模式的变化及其与超微弱发光（UWL）之间的关系。C. humilis是一种属于蔷薇科（Prunus属）的灌木植物，作为中国特有的野生水果资源，因其果实中的钙含量显著高于普通水果，而被人们称为“钙果”（Li et al., 2017）。这种植物主要分布在北方中国的干旱和半干旱地区，包括内蒙古、山西、辽宁等省份。它展现出对干旱、贫瘠土壤、低温和强光的强烈适应能力，能够在盐碱地和岩石山区等恶劣环境中生存和繁茂。研究表明，C. humilis拥有广泛的纤维状根系，具有出色的土壤稳定性和保水能力，能够有效减少地表径流和土壤侵蚀，是水土保持和防风林的重要先锋树种（Zhang et al., 2025）。

在自然环境中，C. humilis通常适应于高光条件。然而，在人工种植系统中，如间作或树冠遮荫条件下，它常常面临低光照胁迫，这对其生理、形态和生化过程产生显著影响。与高光胁迫主要引起光抑制和氧化损伤不同，低光胁迫则主要通过限制光子的可用性来限制光合作用效率。在这样的条件下，植物表现出多种适应性反应：由于ATP和NADPH合成减少，光合作用效率下降，导致碳同化和生物量生产减少（Kong et al., 2009; Yang et al., 2023）；形态上，植物往往表现出避荫反应，如茎的伸长和叶片的扩展，以提高光捕获能力（Kong et al., 2009; Zhou et al., 2024）；色素组成也发生变化，表现为叶绿素含量增加（尤其是叶绿素b），叶绿素a/b比值降低，以及类胡萝卜素生物合成受到抑制，这种变化有助于提高光捕获效率，同时降低光保护能力；解剖结构上，植物表现出更薄的栅栏组织和降低的气孔密度，这可能增强光穿透性，但以单位叶面积的光合作用效率降低为代价；此外，碳水化合物代谢和分配受到干扰，导致光合产物的合成和运输减少，从而影响果实的发育和品质（Yang et al., 2023; Zhou et al., 2024）。

本研究选择探讨低光胁迫，而非高光胁迫，是基于多个方面的考虑。从生态角度来看，了解C. humilis在遮荫条件下的响应机制，对于其在农林复合系统和间作系统中的管理至关重要。从生理角度来看，尽管高光胁迫及其相关的氧化效应已有大量研究，但低光对叶绿素代谢和超微弱发光的影响仍然相对未被深入探讨。此外，以往关于C. humilis的研究多关注干旱和盐渍胁迫，而对于其在光限制条件下的适应能力研究较少。从机制角度来看，高光主要通过活性氧（ROS）爆发和光损伤抑制超微弱发光（UWL），而低光则可能通过不同的代谢和能量限制途径起作用，因此为阐明UWL的来源提供了互补的视角。

植物的超微弱发光是一种超低强度的光子发射现象，作为代谢过程中产生的副产物存在。其强度范围从每平方厘米每秒几到几千个光子（10⁰-10³ hv/cm²/s），波长覆盖180-800纳米（Popp et al., 1992b）。作为一种普遍存在于生命系统中的超微弱光子发射现象，超微弱发光的本质在于量子力学层面的细胞信号传递。这种光子发射与细胞活动、生化反应、细胞内（以及细胞间）代谢调控和信息传递密切相关。通过检测和解析超微弱发光所携带的量子级信息，可以揭示生命过程的真实动态（Popp et al., 1981; Popp, 1992a; Li et al., 2004; Cheng et al., 2001）。

目前的证据表明，超微弱发光的生物来源部分得到了实验数据的支持，这些数据将其与线粒体功能和能量代谢联系起来，但其分子机制仍需进一步阐明。从生化角度来看，假说认为超微弱发光可能涉及能量水平转换（ELTs）、ROS依赖的化学发光、DNA损伤相关的发光以及能量转换过程。一项由张团队进行的研究表明，超微弱发光强度与线粒体浓度在体外存在显著正相关，首次提出线粒体可能是超微弱发光的主要生物来源（Zhang, 2004; Zhang and Yang, 2004）。在此基础上，郭金莉关于草莓果实采后衰老的研究显示，线粒体呼吸中的ATP生产效率与超微弱发光强度存在显著正相关（r=0.82, P<0.01）。相反，ROS被发现能够通过降低线粒体膜电位和抑制复合体I活性，减少超微弱发光强度达35-50%（ΔΨm: -120 mV → -85 mV），从而破坏质子梯度的建立和ATP合成酶的功能（Guo et al., 2017a/b; Nan et al., 2017）。这些发现表明，线粒体作为细胞能量代谢的核心枢纽，其功能完整性（如膜电位稳定性、呼吸链效率）与超微弱发光的生成存在直接关系。ROS介导的线粒体损伤可能通过破坏能量转换过程来减弱超微弱发光信号。

叶绿体作为植物光合作用和能量转换的核心细胞器，其与超微弱发光的功能关联尚未被充分研究。叶绿体通过光合系统II（PSII）和光合系统I（PSI）的电子传递链将光能转化为化学能，而类囊体膜上的ATP合成酶则促进ATP的生成（Arnon et al., 1958; Fromme et al., 2003; Pattanayak and Tripathy, 2011）。当前研究指出，在干旱胁迫下，C. humilis叶片中的超微弱发光强度与光合系统活性参数存在显著正相关。光合系统活性的抑制会降低超微弱发光强度，表明叶绿体的光合功能可能与超微弱发光之间存在潜在联系（Zhang et al., 2021; Li et al., 2020）。

作为叶绿体中的主要光合色素，异常的叶绿素代谢可能通过影响能量传递或信号传导参与超微弱发光的调节。例如，叶绿素降解产物可能通过改变类囊体膜特性或激活抗氧化系统间接影响超微弱发光。然而，截至目前，尚无研究建立叶绿素代谢中间产物与超微弱发光之间的定量关系。在我们之前使用C. humilis作为实验材料的研究中，发现干旱胁迫下叶片的净光合速率（Pn）和气孔导度（Gs）等参数与超微弱发光强度存在显著相关性（P < 0.05），初步揭示了光合作用与超微弱发光之间的关联（Sun et al., 2023; Zhang et al., 2021; Li et al., 2020）。基于这些发现，本研究旨在探讨C. humilis在低光胁迫下的反应，分析叶片中叶绿素代谢和超微弱发光的动态变化，并系统阐述叶绿素代谢途径与超微弱发光之间的关系，从而为阐明植物超微弱发光的生物来源提供新的视角。

为了实现这一目标，我们选择了两岁的盆栽C. humilis‘Mengyuan Jinqiu’幼苗作为实验材料，这些幼苗来源于内蒙古农业大学C. humilis研究基地。我们挑选了生长状况一致、无病虫害的幼苗进行实验，实验在受控的温室中进行。所有选定的幼苗被移植到含有沙土混合物（沙土：壤土 = 1:4）的花盆中（35 × 35 × 25 cm），并定期灌溉。植物在生长过程中接受了不同的光照处理，包括85%遮荫（轻度光照胁迫）和96%遮荫（重度光照胁迫），以及正常光照作为对照组。实验过程中，我们对超微弱发光强度、叶绿素代谢前体、代谢酶、叶绿素含量等参数进行了详细分析，以了解低光胁迫下这些参数的变化规律，并探讨其与超微弱发光之间的关系。

实验结果显示，在轻度光照胁迫（L1）条件下，δ-氨基乙酰丙酸（ALA）和原卟啉原（PBG）的含量呈逐步上升趋势，而在重度光照胁迫（L2）条件下，这两种物质的含量显著下降。其他五种叶绿素前体（尿卟啉原III、粪卟啉原III、原卟啉IX、镁原卟啉IX和原叶绿素ide）在两种胁迫条件下均呈现出持续上升的趋势。关键酶的活性也有所增加。叶绿素含量（包括叶绿素a、叶绿素b以及叶绿素a+b）增加，而类胡萝卜素（Car）和叶绿素a/b比值则下降。超微弱发光强度在胁迫条件下持续下降，且在L2处理下下降更为明显。前体物质的含量在L1条件下高于L2，而四种酶的活性则在L1条件下较低。叶绿素含量指标在L1和L2之间没有显著差异。超微弱发光强度与叶绿素a/b比值呈正相关，而与其它叶绿素代谢参数呈负相关。综上所述，低光胁迫导致ALA和PBG含量下降，叶绿素酶活性增加，类胡萝卜素和叶绿素a/b比值降低。叶绿素代谢的变化是超微弱发光强度下降的关键驱动因素。

在低光胁迫条件下，C. humilis叶片中的超微弱发光强度表现出逐渐下降的趋势。在对照组（CK）中，超微弱发光强度保持相对稳定。而在L1处理下，超微弱发光强度下降较为缓慢，最终达到2099.125 counts/s，比胁迫前下降了12.42%。在L2处理下，超微弱发光强度在低光胁迫的前10天内迅速下降，显示出更显著的降低趋势。这种变化模式表明，低光胁迫对超微弱发光的影响具有时间依赖性，且随着胁迫强度的增加，其影响更为明显。此外，研究还发现，在低光胁迫下，叶绿素代谢前体的含量呈现出一定的变化规律，而关键代谢酶的活性则表现出上升的趋势。这些结果提示，低光胁迫可能通过改变叶绿素代谢前体的合成和关键代谢酶的活性，进而影响超微弱发光的强度。

进一步的分析表明，超微弱发光强度与叶绿素代谢参数之间存在复杂的相互作用。在低光胁迫下，叶绿素代谢前体的含量在L1条件下高于L2，而关键代谢酶的活性则在L1条件下较低。这种差异可能与不同光照条件下叶绿素代谢途径的调节机制有关。此外，叶绿素含量指标在L1和L2之间没有显著差异，但类胡萝卜素和叶绿素a/b比值却呈现出下降趋势。这些结果表明，低光胁迫主要通过影响叶绿素代谢前体的合成和关键代谢酶的活性，以及类胡萝卜素的合成，从而改变超微弱发光的强度。这种变化可能与叶绿素代谢过程中产生的能量转换和信号传导有关。

在低光胁迫条件下，C. humilis叶片中的超微弱发光强度与叶绿素代谢参数之间的关系表现出一定的规律性。研究发现，超微弱发光强度与叶绿素a/b比值呈正相关，而与其它叶绿素代谢参数呈负相关。这一发现提示，超微弱发光可能受到叶绿素代谢过程中产生的能量水平和信号传导的影响。在低光胁迫下，叶绿素代谢前体的含量上升，而关键代谢酶的活性也上升，这可能表明叶绿素代谢过程在低光条件下被激活，以适应光子可用性的减少。然而，叶绿素a/b比值的下降可能意味着叶绿素代谢过程中产生的信号传导发生了变化，从而影响超微弱发光的强度。

此外，研究还发现，在低光胁迫下，C. humilis叶片中的超微弱发光强度与叶绿素代谢前体的含量和关键代谢酶的活性之间存在显著的负相关。这表明，叶绿素代谢前体的含量和关键代谢酶的活性可能在一定程度上限制了超微弱发光的强度。然而，叶绿素含量指标在L1和L2之间没有显著差异，这可能意味着叶绿素含量本身并未受到低光胁迫的显著影响，而是通过其他代谢途径的调节，导致超微弱发光强度的下降。这种变化可能与叶绿素代谢过程中产生的能量转换和信号传导有关，也可能与线粒体功能的改变有关。

综上所述，低光胁迫对C. humilis叶片中的超微弱发光强度和叶绿素代谢参数产生了显著影响。研究发现，低光胁迫导致ALA和PBG含量下降，而其他叶绿素前体的含量上升，关键代谢酶的活性也上升，叶绿素含量增加，但类胡萝卜素和叶绿素a/b比值下降。超微弱发光强度在低光胁迫下持续下降，且在重度胁迫下下降更为明显。这些结果表明，低光胁迫可能通过改变叶绿素代谢前体的合成和关键代谢酶的活性，以及类胡萝卜素的合成，从而影响超微弱发光的强度。此外，超微弱发光强度与叶绿素a/b比值呈正相关，而与其它叶绿素代谢参数呈负相关，这可能意味着超微弱发光的强度受到叶绿素代谢过程中产生的能量水平和信号传导的影响。

本研究的发现不仅揭示了低光胁迫下C. humilis叶片中叶绿素代谢和超微弱发光之间的关系，还为理解植物超微弱发光的生物来源提供了新的视角。通过分析不同光照胁迫条件下叶绿素代谢前体和代谢酶的变化，以及超微弱发光强度的变化，我们可以更全面地了解低光胁迫对植物生理过程的影响。此外，研究还发现，超微弱发光强度与叶绿素代谢参数之间的关系可能与能量转换和信号传导有关，这为阐明超微弱发光的来源提供了理论依据。

从更广泛的角度来看，超微弱发光作为植物代谢过程中产生的副产物，可能与多种生理过程密切相关。研究发现，超微弱发光强度与叶绿素代谢前体和代谢酶的活性之间存在显著的负相关，而与叶绿素含量和类胡萝卜素含量之间存在显著的正相关。这种关系可能意味着，超微弱发光的强度受到叶绿素代谢过程中产生的能量水平和信号传导的影响。此外，研究还发现，超微弱发光强度与叶绿素a/b比值呈正相关，这可能表明叶绿素代谢过程中产生的信号传导对超微弱发光的强度具有调节作用。

本研究的发现表明，低光胁迫对C. humilis叶片中的叶绿素代谢和超微弱发光的影响具有一定的规律性。在轻度光照胁迫下，叶绿素代谢前体和代谢酶的活性均呈现上升趋势，而在重度光照胁迫下，这两种物质的活性则呈现下降趋势。这种变化可能与不同光照条件下叶绿素代谢途径的调节机制有关。此外，叶绿素含量指标在L1和L2之间没有显著差异，但类胡萝卜素和叶绿素a/b比值却呈现出下降趋势。这些结果提示，低光胁迫可能通过影响叶绿素代谢前体和代谢酶的活性，以及类胡萝卜素的合成，从而改变超微弱发光的强度。

综上所述，低光胁迫对C. humilis叶片中的超微弱发光强度和叶绿素代谢参数产生了显著影响。研究发现，低光胁迫导致ALA和PBG含量下降，而其他叶绿素前体的含量上升，关键代谢酶的活性也上升，叶绿素含量增加，但类胡萝卜素和叶绿素a/b比值下降。超微弱发光强度在低光胁迫下持续下降，且在重度胁迫下下降更为明显。这些结果表明，低光胁迫可能通过改变叶绿素代谢前体和代谢酶的活性，以及类胡萝卜素的合成，从而影响超微弱发光的强度。此外，超微弱发光强度与叶绿素a/b比值呈正相关，而与其它叶绿素代谢参数呈负相关，这可能意味着超微弱发光的强度受到叶绿素代谢过程中产生的能量水平和信号传导的影响。

本研究的发现不仅有助于理解低光胁迫下C. humilis的生理适应机制，还为探讨植物超微弱发光的生物来源提供了新的视角。通过分析不同光照胁迫条件下叶绿素代谢前体和代谢酶的变化，以及超微弱发光强度的变化，我们可以更全面地了解低光胁迫对植物生理过程的影响。此外，研究还发现，超微弱发光强度与叶绿素代谢参数之间的关系可能与能量转换和信号传导有关，这为阐明超微弱发光的来源提供了理论依据。