油用牡丹鳳丹光合特性

張志浩， 楊玉珍， 李　娟， 潘　婷

(1.鄭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南鄭州 450000； 2.鄭州師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，河南鄭州 450044)

牡丹(PaeoniasuffruticosaAndr.)原產(chǎn)于中國，為芍藥科芍藥屬多年生木本落葉小灌木，在我國已有1 600多年的栽培歷史[1]，素有“國色天香”“花中之王”的美稱。通常將牡丹分為觀賞牡丹和藥用牡丹兩大類，前者以洛陽和菏澤地區(qū)種植的品種為代表，后者以鳳丹(P.ostii)和紫斑(P.rockii)最為著名[2]。近年來，隨著研究不斷深入，鳳丹和紫斑除作傳統(tǒng)藥用和觀賞栽培外，由于其籽營養(yǎng)價值高，還可作為優(yōu)質(zhì)木本糧油資源進(jìn)行開發(fā)，受到人們的廣泛關(guān)注[3]。河南作為農(nóng)業(yè)和人口大省，依托其地理優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢，在河南省推廣栽培油用牡丹不僅能解決農(nóng)村勞動力，增加農(nóng)民收入，同時能夠促進(jìn)糧油生產(chǎn)，保障國家糧油安全，具有重要的戰(zhàn)略意義。為進(jìn)一步提高其觀賞和藥用價值、開發(fā)其油用價值，許多學(xué)者對鳳丹的育苗與栽培技術(shù)[4]、組織培養(yǎng)[5-6]、分子育種[7]、藥用成分[8]及籽油成分[9]等進(jìn)行了研究，但是對其光合特性的研究鮮有報道。畢玉偉等雖以盆栽鳳丹為試材，初步探究了不同季節(jié)的光合特性[10]，但缺乏田間條件的對照；張衷華等雖分析了2種主要油用牡丹品種的光合特性及其微環(huán)境因子，但僅局限于2個品種的原始集中產(chǎn)區(qū)安徽銅陵和甘肅蘭州[11]。鳳丹為安徽四大名貴中藥植物之一，屬江南品種，原生長地與河南地區(qū)氣候差異明顯，因此有必要對其在河南地區(qū)田間條件下的光合特性進(jìn)行深入研究。本研究以油用牡丹主要優(yōu)良栽培品種鳳丹為研究對象，在田間條件下對其光合特性進(jìn)行探討，比較不同季節(jié)的光合日進(jìn)程，探究其對不同季節(jié)氣候因子的適應(yīng)性，為油用牡丹在河南地區(qū)的良種選育、大面積推廣栽培以及生產(chǎn)管理提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　材料

供試材料為5年生鳳丹白品種(P.ostii‘Phoenix White’)，大田種植，水肥條件良好，常規(guī)管理。周邊無高大遮擋物，處全光照環(huán)境。隨機(jī)選取長勢基本一致，無病蟲害的健康植株，頂端往下第3或第4張向陽功能葉，盡量保持葉片正常生長角度不變。種植于鄭州師范學(xué)院黃河灘實習(xí)實訓(xùn)基地，該地位于鄭州市北郊(34°51′N、113°38′E，海拔110 m)，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冷暖適中、四季分明，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗日照長，冬季寒冷少雪，年平均氣溫在14.0～14.3 ℃之間，平均降水量640.9 mm，無霜期 220 d，全年日照時間約2 400 h。

1.2　方法

于2016年5月上旬(春季)和6月下旬(夏季)選擇連續(xù)晴朗天氣下對鳳丹進(jìn)行光合日變化測定。運用LI-6400XT便攜式光合測量系統(tǒng)(LI-COR，Inc，USA)測定：凈光合速率(photosynthetic rate，Pn)、氣孔導(dǎo)度(conductance to H2O，Gs)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration，Ci)、蒸騰速率(transpiration rate，Tr)并同時測定大氣溫度(temperature of air，Tair)、葉片溫度(temperature of leaf，Tleaf)、大氣CO2濃度(concentration of CO2in air，Ca)、光合有效輻射(in-chamber quantum sensor，PARi)、空氣相對濕度(relative humidity in air，RH)、水汽壓虧缺(vapor pressure deficit，VPD)等生態(tài)因子。測定時間為08：00—18：00，隔1 h測定1次，每次隨機(jī)選擇 3～5個典型株，每株測定1次，取平均值。數(shù)據(jù)導(dǎo)出后用Microsoft Excel 2003處理，Sigmaplot 12.5作圖，SPSS 20.0進(jìn)行相關(guān)性分析。

2　結(jié)果與分析

2.1　鳳丹凈光合速率日變化

由圖1可以看出，鳳丹在春季和夏季光合日變化均呈現(xiàn)出明顯的雙峰型曲線，即均存在“午休”現(xiàn)象。春季早上氣溫相對較低，08：00—12：00氣溫回升，光照漸強(qiáng)，凈光合速率隨之增大，2個波峰分別在13：00和15：00，且差異不明顯；午后光照度達(dá)到最大，為避免水分過度蒸發(fā)，保護(hù)葉片，部分氣孔關(guān)閉，出現(xiàn)波谷；隨后氣孔逐漸張開，15：00出現(xiàn)次高峰；15：00 后氣溫下降，光照減弱，凈光合速率在觀測時間段內(nèi)持續(xù)下降。夏季氣溫和光照度均高于春季，導(dǎo)致第一高峰提前，且與次高峰差值很大。09：00為全天中最大值，隨后一直下降，13：00時雖有回升，但恢復(fù)能力不足，可能是由干旱脅迫和高溫造成的光合器官受到損傷所致。

2.2　鳳丹氣孔導(dǎo)度和細(xì)胞間CO2濃度日變化

由圖2可以看出，春季鳳丹Gs和Ci的日進(jìn)程在 08：00—18：00有不同的相互關(guān)系。12：00前，Gs和Ci變化趨勢相同，即Ci伴隨Gs的增大而升高，伴隨Gs的下降而減??；而12：00—13：00，兩者變化趨勢相反；13：00—14：00和15：00以后階段Gs的降低伴隨Ci的升高，根據(jù)Graham等的研究報道推測，該階段Gs減小可能是由葉肉細(xì)胞光合活性下降造成的非氣孔限制因素所致[12-13]；15：00以后，由于光強(qiáng)減小，氣溫下降，13：00—14：00階段可能是因為葉肉細(xì)胞光合機(jī)構(gòu)受損這些可能是導(dǎo)致本研究中Ci增加伴隨Gs降低的主要原因。

夏季鳳丹氣孔導(dǎo)度(Gs)與胞間CO2濃度(Ci)較與春季相比，變化情況差異很大(圖3)。09：00—10：00、11：00—12：00、13：00—15：00階段隨著氣溫升高，光強(qiáng)增大，為防止水分過度喪失，氣孔關(guān)閉，Ci持續(xù)下降，此時Gs下降主要原因推測為氣孔限制因素，即氣孔關(guān)閉導(dǎo)致CO2供應(yīng)不足；10：00—11：00和15：00以后Ci升高，說明導(dǎo)致此時Gs下降的主要原因為非氣孔限制因素。

2.3　鳳丹蒸騰速率和水分利用效率日變化

蒸騰速率的變化在一定程度上反映了植物調(diào)節(jié)水分平衡的能力以及對逆境的適應(yīng)能力。由圖4可知，春季鳳丹蒸騰速率的日進(jìn)程呈雙峰型，分別在11：00的5.39 mmol/(m2·s)和15：00的5.46 mmol/(m2·s)；波谷在12：00，與此時氣孔部分閉合有關(guān)。與春季不同，夏季鳳丹蒸騰速率日變化軌跡有3個峰值，首個峰值在09：00，為全天中的最大值 6.41 mmol/(m2·s)；第2個峰值在13：00，為 6.34 mmol/(m2·s)；最后一個峰值在16：00，為 3.98 mmol/(m2·s)；波谷分別在12：00與14：00。

水分利用效率WUE(water use efficiency)是衡量蒸騰作用程度的另一個重要指標(biāo)，其不但可用于描述植物產(chǎn)量和耗水量之間關(guān)系，更反映了植物在某一生長時期內(nèi)能量轉(zhuǎn)換效率及植物耗水性和對水分利用的情況。利用某一時刻凈光合速率與蒸騰速率之比，可估算葉片瞬時的水分利用效率，即WUE=Pn/Tr[14]。植物在不同季節(jié)、一天中的不同時刻對水分的利用情況是不同的。

圖5為鳳丹在春季和夏季W(wǎng)UE的日變化情況。從整體上看，鳳丹葉片在夏季較春季對水分的利用效率更高，且最高水分利用效率均出現(xiàn)在較早時刻(09：00前)；09：00后，2個季節(jié)的日變化趨勢相反。在春季，11：00時，水分利用情況在一天中最差，而夏季則出現(xiàn)在13：00。

2.4　各生理生態(tài)指標(biāo)相關(guān)性分析

由表1和表2可知，大田條件下鳳丹在春季Pn與Gs、Tr、Tleaf呈極顯著正相關(guān)，與VPD、Tair呈顯著正相關(guān)，與Ci呈極顯著負(fù)相關(guān)；Gs與Tr、PARi呈極顯著正相關(guān)；Ci與Ca呈顯著正相關(guān)；Tr與Tleaf、VPD呈極顯著正相關(guān)，與Tair顯著正相關(guān)，與RH、WUE呈顯著負(fù)相關(guān)。而在夏季Pn與Gs、PARi呈極顯著正相關(guān)，與Tr顯著正相關(guān)；Gs與Ci、Tr顯著正相關(guān)；Ci與Ca呈顯著正相關(guān)，與Tair、Tleaf、VPD呈顯著負(fù)相關(guān)；Tr與PARi呈顯著正相關(guān)，與WUE呈顯著負(fù)相關(guān)。

氣孔是CO2和水蒸氣進(jìn)出葉片的通道，氣孔的狀態(tài)直接影響著植物的光合過程和體內(nèi)外的水分平衡。結(jié)合表1和表2可以看出，Gs與Pn、Tr三者之間都呈顯著正相關(guān)關(guān)系，并且不存在季節(jié)差異。Ci在春季與Pn呈顯著負(fù)相關(guān)，夏季則沒有該現(xiàn)象，但在夏季Tair和Tleaf顯著影響Ci。

除氣孔因素外，外界氣候因子也顯著影響著植物的生理活動。Tleaf在春季受Tair、RH、VPD影響顯著，通過改變光合作用有關(guān)酶的活性來間接影響Pn。在夏季，光合有效輻射PARi成為制約Pn的首要因子。VPD為水汽壓虧缺或飽和水汽壓差，表示實際空氣距水汽飽和狀態(tài)的程度，反映空氣的干燥程度，也是驅(qū)動林木蒸騰的主要動力[15]。VPD通過影響氣孔的閉合間接影響植物的光合作用和蒸騰作用以及葉片水分的利用效率。春季空氣相對濕度RH較小，水汽壓虧缺大，VPD值與Pn、Tr呈顯著正相關(guān)，即在相對干燥的空氣中促進(jìn)光合作用和蒸騰作用，而夏季RH較大，空氣相對濕潤， 這種效果并不顯著，相反提高了水分的利用效率WUE。

表1　春季鳳丹光合生理指標(biāo)與環(huán)境因子相關(guān)性

注：**、*表示在0.01、0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)(下同)。

表2　夏季鳳丹光合生理指標(biāo)與環(huán)境因子相關(guān)性

3　結(jié)論與討論

3.1　鳳丹的光合“午休”現(xiàn)象

自然條件下，植物光合作用日進(jìn)程有2種典型的方式：一種為先上升后下降，中午時分達(dá)到峰值，即單峰型；另一種為日進(jìn)程有2個峰值，分別出現(xiàn)在上午和下午的晚些時候，即雙峰型，2個峰值間的低谷就是所謂的光合“午休”現(xiàn)象。當(dāng)午休現(xiàn)象嚴(yán)重時，第2個峰值表現(xiàn)得不明顯或消失。本研究中春季鳳丹凈光合速率日進(jìn)程呈典型的雙峰型，“午休”出現(xiàn)在14：00；而夏季，高溫和強(qiáng)光加劇“午休”，次高峰不明顯，光合恢復(fù)后勁不足，“午休”現(xiàn)象嚴(yán)重。光合作用的“午休”現(xiàn)象，是植物在長期進(jìn)化過程中形成的對付環(huán)境脅迫的一種方法，是對生存有益的調(diào)節(jié)過程，但卻以犧牲光合生產(chǎn)力為代價。Xu等分析造成該現(xiàn)象的種種因子時推測，強(qiáng)光照、低土壤水勢和低空氣濕度可能是主要的環(huán)境因子，氣孔導(dǎo)度降低為主要的生理因子，而光系統(tǒng)Ⅱ光化學(xué)效率的降低和脫落酸合成的增加是主要的生化因子[16]。因此，在生產(chǎn)實踐中可以采取在夏季適當(dāng)遮陰、及時灌溉等措施來緩解這種現(xiàn)象，盡可能減少光合生產(chǎn)力的損失。

3.2　不同季節(jié)鳳丹的氣孔限制與非氣孔限制

植物對多種環(huán)境脅迫響應(yīng)的共同特征是葉片光合速率的降低[17]，氣候因子具有顯著的季節(jié)差異。在不同季節(jié)，導(dǎo)致鳳丹凈光合速率下降的原因一是葉肉光合細(xì)胞活性降低導(dǎo)致的非氣孔限制，二是部分氣孔關(guān)閉造成的氣孔限制，判斷依據(jù)是前者使Ci升高，后者則使Ci降低。若2種因素同時存在，Ci的變化方向依賴于占優(yōu)勢的那個因素[17-18]。在本試驗中，春季上午時段氣溫較低，光強(qiáng)較弱，凈光合速率持續(xù)升高，直到午后的14：00才出現(xiàn)下降，非氣孔因素是主因，與此時強(qiáng)光和高溫有關(guān)。在夏季，高溫和強(qiáng)光照出現(xiàn)時段提前，加之季節(jié)性干旱，氣孔因素和非氣孔因素則都是導(dǎo)致凈光合速率下降的主要因素。

3.3　不同季節(jié)鳳丹的蒸騰作用和水分利用效率

綠色植物在進(jìn)行光合作用的過程中，須要通過與周圍環(huán)境發(fā)生氣體交換，而這個過程會引起植物水分的動態(tài)變化。春季鳳丹高蒸騰速率集中在11：00—16：00，而在夏季上午的蒸騰速率較高。相關(guān)研究認(rèn)為，影響蒸騰作用快慢取決于葉片內(nèi)外的蒸氣壓差的大小，影響因素包括光照、空氣相對濕度、溫度、風(fēng)等[19-20]，內(nèi)部因素有氣孔和氣孔下腔[21-22]以及葉片內(nèi)部面積[22]。這與本研究中蒸騰速率與光合有效輻射、大氣溫度、葉溫、水汽壓虧缺以及氣孔導(dǎo)度呈極顯著或顯著的正相關(guān)關(guān)系，與空氣相對濕度、水分利用效率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系的研究結(jié)果相一致。

在生產(chǎn)實踐中，應(yīng)盡量維持作物的水分平衡，即使植物吸水量足以達(dá)到彌補(bǔ)蒸騰損失水量的狀態(tài)[23-24]。本研究中2個季節(jié)09：00后的水分利用情況大致相反，明顯和不同季節(jié)空氣相對濕度以及水分的虧缺程度有關(guān)，這與樊巍等的研究結(jié)果[25-26]一致。夏季較春季對水分的利用效率高，這顯然與夏季干旱有關(guān)。蒸騰速率與水分利用效率呈顯著負(fù)相關(guān)，夏季 13：00 水分利用效率到達(dá)一天中的最低值，而此時也正值蒸騰速率的峰值，是否錯開該時間段，在11：00—12：00或 14：00—15：00進(jìn)行適當(dāng)灌溉以減少水資源浪費來提高鳳丹產(chǎn)量還須進(jìn)一步研究。

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