油用牡丹不同種源光合特性的比較研究

李艷艷， 王俊青， 許英豪， 王東旭

(1.平頂山學(xué)院，河南平頂山 467000； 2.仲景宛西制藥股份有限公司，河南南陽 474550

油用牡丹屬毛茛科(Ranunculaceae)芍藥屬(Paeonia)植物，為我國的原生灌木樹種，除觀賞價值外，還具有重要的藥用與油用價值。以干燥根皮入藥，藥材名為丹皮，始載于《神農(nóng)本草經(jīng)》，用于治療溫毒發(fā)斑、夜熱早涼、跌撲傷痛、癰腫瘡毒、經(jīng)閉痛經(jīng)等癥。籽仁經(jīng)加工制成的牡丹籽油營養(yǎng)豐富，富含α-亞麻酸，被列為優(yōu)質(zhì)食用油，品質(zhì)堪比橄欖油[1-3]，國家衛(wèi)生部于2011年3月發(fā)布公告，批準(zhǔn)牡丹籽油作為新資源食品，使得開發(fā)牡丹籽油正式上升為國家戰(zhàn)略。牡丹花蕊可制作成牡丹花茶，長期飲用，能降血脂、清火明目、活血化瘀、潤腸靜心[4]。牡丹花配制的潤膚油中含有胡蘿卜素、尼克酸等成分，有抑制胞質(zhì)過氧化，加快皮膚中毛細(xì)胞的微循環(huán)，改善皮膚細(xì)胞循環(huán)和延緩衰老的功能[5]。

近年來，油用牡丹栽培種植面積不斷擴大，油用牡丹產(chǎn)業(yè)在地方經(jīng)濟中的作用日益顯現(xiàn)。種源選擇能有效地利用種源的優(yōu)良性狀[6-7]，引選抗性強、品質(zhì)優(yōu)良的人工栽培油用牡丹種源極為重要。由于種源篩選易受環(huán)境因素的影響，光合作用中的光照強度，空氣中CO2濃度、溫度、濕度等環(huán)境因子與植物適應(yīng)生態(tài)環(huán)境存在密切聯(lián)系，而光合特性是揭示植物對生存環(huán)境生態(tài)適應(yīng)性的有效途徑[8-10]。植物光合作用是植物生產(chǎn)過程中物質(zhì)積累與生理代謝的基本過程，強弱與植物生產(chǎn)力有密切關(guān)系[11-12]，光合作用的研究在理論上和實踐上都有很大意義。油用牡丹開花后果實和種籽發(fā)育的同時，新的花芽也隨之開始分化。牡丹花芽分化從6月初至9月中旬[13]，光合作用對花芽及果實生長發(fā)育有著至關(guān)重要的作用[14-15]，果實發(fā)育期的油用牡丹葉片生理代謝旺盛，通過光合作用持續(xù)向果實輸送營養(yǎng)物質(zhì)，因此維持油用牡丹果實發(fā)育期的葉片較高的凈光合速率是獲得牡丹籽油高產(chǎn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。目前，有關(guān)油用牡丹光合特性研究大多集中在原產(chǎn)區(qū)、激素脅迫、遮陰處理、鹽脅迫、高效栽培等方面[16-20]，但有關(guān)油用牡丹不同種源果實發(fā)育期光合特性的比較研究鮮有報道。本研究測定了油用牡丹4個不同種源在果實發(fā)育期的光合作用參數(shù)，研究油用牡丹不同種源的光合特性，以期為油用牡丹優(yōu)良種源的選擇及栽培推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗地位于河南省平頂山市，位于113°04′～113°26′E、33°40′～33°39′N，大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫 12.8～15.5 ℃之間。年平均降水量為600～800 mm，年平均日照2 061 h。

試驗材料為3年生油用牡丹苗，油用牡丹品種楊山(PaeoniaostiiT. Hong et T. Hong et L. X. Zhong)種源分別來自湖北襄陽?？悼h(簡稱?？捣N源)、河南南陽(簡稱南陽種源)、安徽亳州(簡稱亳州種源)，油用牡丹品種楊山與紅斑(PaeoniaridleyiZ. L. et T. Hing)雜交種源來自湖北襄陽(簡稱雜交種源)。

1.2 方法

于2016年6月下旬晴朗無風(fēng)無云天氣進(jìn)行，利用 CIRAS-3便攜式光合測定儀對光合生理指標(biāo)進(jìn)行測定，每個種源隨機選取3株生長健壯的植株頂端向下第2至第3片完全展開的葉片，避開葉脈上部的正常葉片[21]，每個種源油用牡丹的光合指標(biāo)重復(fù)測定3次，每次至少讀取3個穩(wěn)定讀數(shù)，最后取平均值。

1.2.1 光合作用日變化的測定 選擇晴天的08：00—18：00，參數(shù)設(shè)置為光合有效輻射為1 000 μmol/(m2·s)、CO2濃度為400 μmol/mol、葉室溫度為25 ℃，空氣相對濕度為70%，每隔2 h測定1次，測定指標(biāo)為凈光合速率(Pn)、光照有效輻射(PAR)、胞間CO2濃度(Ci)、空氣CO2濃度(Ca)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、空氣相對濕度(RH)、蒸騰速率(Tr)、大氣溫度(Ta)、水分利用率(WUE)等。并根據(jù)測定指標(biāo)計算氣孔限制值：氣孔限制值(LS)=1-Ci/Ca。

1.2.2 光響應(yīng)曲線的測定 測定前進(jìn)行誘導(dǎo)試驗，誘導(dǎo)照度約為2 000 μmol/(m2·s)，誘導(dǎo)時間30 min。測定時使用開放氣路，參數(shù)設(shè)置為空氣流速0.5 L/min，葉片溫度25 ℃，葉室中相對濕度75%，CO2濃度400 μmol/mol，模擬光照度梯度由強到弱依次為2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50、20、0 μmol/(m2·s)，測定時等凈光合速率數(shù)值趨于平穩(wěn)時記錄，每一梯度下最大等待時間為3 min。采用非直角雙曲線對光合響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合[22]，結(jié)合0～200 μmol/(m2·s)光合有效輻射通量密度的直線回歸方程，計算出各類種源類型的光補償點(LCP)、光飽和點(LSP)、表觀量子效率(AQY)[23]，其模型理論公式為：

式中：A為凈光合速率，?為表光量子速率，Amax為最大凈光合速率，Q為光合有效輻射，k為光響應(yīng)曲線曲角，Rday為暗呼吸速率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和制作圖表，并利用SPSS 22.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 油用牡丹不同種源光合生理指標(biāo)的日變化

2.1.1 凈光合速率(Pn)日變化 隨著光合有效輻射的變化，空氣溫度也隨之發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光合作用發(fā)生變化。由圖1可知，油用牡丹不同種源的凈光合速率變化趨勢不一致，其中南陽、雜交、亳州種源凈光合速率日變化呈現(xiàn)典型的雙峰型變化趨勢，第一峰值均出現(xiàn)在10：00，其峰值分別為12.5、13.3、12.0 μmol/(m2·s)，隨后呈下降趨勢，在14：00出現(xiàn)谷值，均表現(xiàn)出明顯的“午休”現(xiàn)象；隨后繼續(xù)增強，第二峰值均出現(xiàn)在16：00，其峰值分別為8.5、8.4、8.1 μmol/(m2·s)。而?？捣N源凈光合速率日變化呈現(xiàn)單峰型變化趨勢，即從08：00左右開始升高，在10：00達(dá)到峰值，為 8.3 μmol/(m2·s)，在12：00—18：00期間，凈光合速率的值一直在減小，呈現(xiàn)低—高—低的變化趨勢。

2.1.2 蒸騰速率(Tr)和水分利用效率(WUE)日變化 葉片的蒸騰作用是植物保持葉片溫度的重要方式，其與氣孔的開合有密切直接相關(guān)。從圖1中可以看出，油用牡丹4個種源蒸騰速率的日變化趨勢基本相同，均呈單峰型，呈現(xiàn)出低—高—低的趨勢，峰值均出現(xiàn)在12：00左右，南陽、雜交、亳州、?？捣N源蒸騰速率分別為5.8、6.4、6.3、4.8 mmol/(m2·s)，最低值均出現(xiàn)在18：00。中午由于大氣溫度最高，使得各種源的蒸騰速率整體較其他時段高，說明蒸騰速率與外界溫度有關(guān)。水分利用率的大小往往與植物適應(yīng)能力的強弱相關(guān)，油用牡丹不同種源的水分利用效率日變化規(guī)律總體呈現(xiàn)先下降后上升再下降的變化趨勢，南陽、雜交和亳州種源在16：00達(dá)到峰值后又下降，峰值分別為2.15、1.6、1.85 μmol/mol。

2.1.3 氣孔導(dǎo)度(Gs)與氣孔限制值(Ls)日變化 氣孔導(dǎo)度和氣孔限制值是直接影響植物光合作用最重要的生理指標(biāo)之一，同時也與植物的蒸騰作用強弱、胞間CO2濃度有密切聯(lián)系，受到環(huán)境因子如光照度、溫度等的調(diào)節(jié)作用。由圖1可知，油用牡丹不同種源的氣孔導(dǎo)度日變化差別較大，南陽、雜交種源氣孔導(dǎo)度日變化均呈現(xiàn)雙峰型，在10：00出現(xiàn)第1次峰值，分別是456.8、485.5 mmol/(m2·s)；在16：00出現(xiàn)第2次峰值，分別為134.0、192.5 mmol/(m2·s)。保康種源氣孔導(dǎo)度日變化也呈現(xiàn)雙峰型的變化趨勢，只是第2次峰值在14：00出現(xiàn)，為155.5 mmol/(m2·s)。而亳州種源氣孔導(dǎo)度日變化呈單峰型，從08：00開始變大，在10：00達(dá)到峰值，為 407.0 mmol/(m2·s)，隨后一直呈下降趨勢。雜交種源的氣孔導(dǎo)度明顯高于其他3個種源。油用牡丹4個種源，不同種源的氣孔限制值峰值出現(xiàn)時間存在著差異(圖1)。南陽、雜交、亳州種源氣孔限制值的峰值出現(xiàn)在16：00，分別為0.29、0.22、0.23；?？捣N源氣孔限制值在10：00達(dá)到的最大值，為0.24。不同種源氣孔限制值的最小值均出現(xiàn)在18：00，雜交種源的氣孔限制值最低。

2.1.4 細(xì)胞間CO2濃度(Ci)日變化 CO2是植物進(jìn)行光合作用的主要原料之一，細(xì)胞間CO2濃度反映了光合作用過程中的氣體交換能力，過低會影響光合作用的正常進(jìn)行。油用牡丹4個種源的細(xì)胞間CO2濃度日變化趨勢與水分利用率日變化趨勢相反，但不同種源間也存在一定的差異(圖1)。南陽、雜交、亳州種源細(xì)胞間CO2濃度最小值出現(xiàn)在16：00，分別為277.5、308.5、302.5 μmol/mol。?？捣N源細(xì)胞間CO2濃度日變化在12：00左右處于最低值，為291.5 μmol/mol。

2.2 光響應(yīng)曲線

光響應(yīng)曲線反映了植物光合速率隨光照強度變化而變化的規(guī)律。由圖2可以看出，油用牡丹4個種源的光合-光響應(yīng)曲線有著相似的變化趨勢，隨著光合有效輻射的增強，凈光合速率都有不同程度的增加，并逐漸趨于一定的值。在光合有效輻射小于400 μmol/(m2·s)時，油用牡丹植株葉片的凈光合速率隨著光照度的增加在快速增加，在光合有效輻射大于400 μmol/(m2·s)時，隨著光照度增加，4個種源油用牡丹的凈光合速率的變化速率增加變緩至趨于穩(wěn)定。

凈光合速率是反映光合能力的重要指標(biāo)，凈光合速率趨于穩(wěn)定不再增大時，能夠反映葉片的最大光合能力。4個種源光合能力強弱為南陽種源>保康種源>雜交種源>亳州種源，在低光照的情況下油用牡丹不同種源的凈光合速率基本一致，但是光合有效輻射一旦超過200 μmol/(m2·s)后，南陽種源的凈光合速率逐漸高于其他種源類型，且呈現(xiàn)隨著光合有效輻射的增強，凈光合速率差值逐漸加大，南陽種源呈現(xiàn)較強高光效利用率的能力。

光飽和點(LSP)和光補償點(LCP)反映植物對光照條件的要求。由表1可以看出，4個種源類型油用牡丹的LCP順序為雜交種源>南陽種源>亳州種源>?？捣N源，?？捣N源的LSP和LCP相對均最低，說明其相對比較耐陰，光合能力相對較弱。南陽種源的LCP低于雜交種源，但是LSP最高，表明南陽種源對光照適應(yīng)能力較強。雜交種源的LSP介于南陽種源和亳州種源之間，而LCP則明顯大于其他3個種源，說明雜交種源對弱光的要求相對較高。

2.3 凈光合速率與生理環(huán)境因子的相關(guān)分析

對油用牡丹不同種源的Pn與生理環(huán)境因子進(jìn)行了相關(guān)性分析(表2)。南陽種源的Pn與WUE、Tr和Ca均呈極顯著正相關(guān)，與Gs、Ci、RH均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，而與Ta相關(guān)性不顯著。?？捣N源的Pn與WUE、Tr均呈極顯著正相關(guān)，與Ci呈極顯著負(fù)相關(guān)，而與Gs、Ta、RH、Ca相關(guān)性均不顯著。雜交種源的Pn與WUE、Tr均呈極顯著正相關(guān)，與Ci呈極顯著負(fù)相關(guān)，而與Gs、Ca、Ta、RH相關(guān)性不顯著。亳州種源的Pn與Gs、WUE、Tr和Ca均呈顯著或極顯著正相關(guān)，與Ci呈極顯著負(fù)相關(guān)，而與Ta、RH的相關(guān)性不顯著。

綜上所述，油用牡丹不同種源Pn的影響因子比較一致，與Tr和WUE均達(dá)到極顯著正相關(guān)，與Ci均達(dá)到極顯著負(fù)相關(guān)，其中WUE、Tr和Ci是最穩(wěn)定的影響因子。

表2 油用牡丹不同種源Pn與生理環(huán)境因子的相關(guān)分析

注：“*”表示存在顯著差異(P<0.05)，“**”表示存在極顯著差異(P<0.01)。

3 討論

植物光合作用對環(huán)境因素的適應(yīng)性反映了遺傳特性和適應(yīng)能力，光合效率與自身因素如葉綠素含量、葉片成熟度密切相關(guān)，同時又受光照度、大氣溫度、大氣CO2濃度、大氣相對濕度等外界環(huán)境因素的影響。本研究結(jié)果表明，在相同的栽培環(huán)境中油用牡丹4個不同種源的光合特性不盡相同。油用牡丹南陽、雜交和亳州種源的凈光合速率日變化趨勢呈“雙峰型”，都出現(xiàn)了“光合午休”現(xiàn)象，而保康種源呈單峰型，無“光合午休”現(xiàn)象。研究表明“光合午休”有利于植物在逆境條件下生存，是植物對強光照、干旱等某些特定環(huán)境的一種調(diào)節(jié)適應(yīng)方式[24]。本研究中不同種源凈光合速率和氣孔導(dǎo)度、水分利用率的日變化趨勢相似，而與氣孔限制值的日變化趨勢相反。夏季中午時段隨著光合有效輻射增強，大氣溫度達(dá)到最高，蒸騰速率不再增加，水分利用率減小，引起葉片氣孔關(guān)閉，氣孔限制值增大，可以避免植物葉片水分散失和光合器官的破壞；隨著氣溫的降低和輻射的減弱，蒸騰能力降低，氣孔限制值也減小。

采用相關(guān)分析探討生理環(huán)境因子對凈光合速率的影響，其中水分利用效率、蒸騰速率和細(xì)胞間CO2濃度為最穩(wěn)定的影響因子。油用牡丹不同種源的凈光合速率與水分利用效率、蒸騰速率呈極顯著的正相關(guān)性，表明在油用牡丹生長環(huán)境中含水量對油用牡丹的生長有至關(guān)重要的作用。微環(huán)境的干旱會導(dǎo)致植物蒸騰速率需求的上升[19]，尤其是水分條件可以直接導(dǎo)致氣孔的關(guān)閉，光合作用受到抑制[20]，增加牡丹生長環(huán)境的空氣濕度來提高凈光合速率，從而可以增加光合作用產(chǎn)物。其凈光合速率與胞間CO2濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)，這一結(jié)果與2年生淫羊藿(Epimediumbrevicornu)的凈光合速率與胞間CO2濃度呈正相關(guān)[25]不同，高建國等認(rèn)為大氣CO2進(jìn)入葉片細(xì)胞會存在一定阻力，當(dāng)凈光合速率增大時，CO2供應(yīng)量也增加，但由于進(jìn)入阻力的影響，所以胞間CO2得不到快速補給進(jìn)而濃度不高，反之，胞間CO2出現(xiàn)盈余濃度就高了，這一原因還有待研究[26]。

植物對光吸收能力的強弱在一定程度上跟物種的基因和遺傳特性有關(guān)，因而油用牡丹不同種源的光飽和點、光補償點存在著差異。植物葉片的光飽和點和光補償點能夠反映植物對光照的要求和對光照的適應(yīng)范圍，其大小?？梢院饬恐参飳獾睦媚芰?，以及判定植物是否耐蔭的一個標(biāo)準(zhǔn)[27]。在光響應(yīng)試驗中，不同種源油用牡丹的光飽和點為533.33～646.61 μmol/(m2·s)，光補償點為49.76～21.07 μmol/(m2·s)。?？捣N源的光飽和點和光補償點相對均最低，說明其相對比較耐陰，對弱光的利用能力較強，在推廣和應(yīng)用中應(yīng)栽植在光照較弱的地區(qū)，可采用林下種植模式。南陽種源的光補償點低而光飽和點最高，而且表觀量子效率是最大的，說明其對光的適應(yīng)能力較強，屬于喜光型；從光合日變化及光響應(yīng)參數(shù)來看，南陽種源具有相對較高的凈光合速率和水分利用效率，且隨著光合有效輻射的增強，其光合速率逐漸顯著超過其他種源，表明南陽種源具有高光效利用率，是有較高光能生產(chǎn)潛力的種質(zhì)資源，因此在推廣和應(yīng)用中應(yīng)栽植在光照充足的地區(qū)。光合作用與植物的次生代謝密切相關(guān)[28]，作為油料作物，還應(yīng)考慮牡丹籽油有效成分的含量?？傊?，油用牡丹不同種源存在一定光合特性的差異，體現(xiàn)了其內(nèi)在節(jié)律以及對環(huán)境的適應(yīng)性，在實際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)栽培目的合理調(diào)整栽培策略。