山莨菪屬四種植物光合作用光響應及CO2響應研究

陳珠慶， 楊杰

(云南師范大學 生命科學學院，云南省生物質(zhì)能與環(huán)境生物技術(shù)重點實驗室， 云南 昆明 650500)

光合作用為植物提供生長發(fā)育所必需的有機物質(zhì)和能量，在植物的生活史中具有重要意義.光和CO2是植物光合作用必不可少的原料，決定著植物的生長發(fā)育，也與植物的分布密切相關(guān)，對植物而言，是極其重要的兩個生態(tài)因子.植物光合作用過程中凈光合速率對光強或CO2的響應，是獲得許多重要光合參數(shù)的途徑，也是判斷植物生態(tài)適應性、光能利用能力、潛在光合能力等的重要依據(jù)[1].

山莨菪屬為多年生草本或亞灌木，廣泛分布于喜馬拉雅地區(qū).該屬共有4個物種，其中山莨菪(Anisodustanguticus)、鈴鐺子(Anisodusluridus)、三分三(Anisodusacutangulus)向西北干旱地區(qū)推移，賽莨菪(Anisoduscarniolicoides)則主要生長于云南西北部和四川西南部橫斷山脈地區(qū)[2].山莨菪具有較好的藥用價值，是優(yōu)質(zhì)藏藥和中藥的資源.目前對該屬的研究主要在藥學、傳粉生物學及其遺傳多樣性方面[3-5]，特別是研究其植物體所含莨菪堿及相應衍生物的功效，而對山莨菪屬不同物種間生理學光合特性的比較研究則少見報道.本研究在模擬有效光輻射條件下比較山莨菪屬不同物種間光合特性的差異，通過測定凈光合速率—光響應和CO2響應曲線，并結(jié)合相應參數(shù)，揭示該屬不同物種適應不同光強和CO2濃度的能力，闡明該屬植物光合特性對環(huán)境的適應，為該屬種質(zhì)資源的評價、保護及引種栽培奠定科學基礎(chǔ).

1 材料和方法

1.1 實驗樣地

實驗在云南省昆明市呈貢區(qū)云南師范大學生命科學學院溫室進行，該地區(qū)位于云貴高原中部，日照長、霜期短、年平均氣溫15 ℃，年均日照2 200 h左右，年降水量1 035 mm,7月份(試驗期間)日間光照充足.

1.2 實驗材料

實驗材料為從野外采集移栽至溫室的山莨菪屬的4個物種：山莨菪、鈴鐺子、三分三和賽莨菪.

1.3 測定方法及數(shù)據(jù)處理

參照楊杰[6]測定光響應和CO2響應參數(shù)的方法，使用LI-6400(LI-Cor Inc.，Lincoln NE，USA)，選取移栽個體(山莨菪4株，三分三6株，鈴鐺子和賽莨菪各5株)自頂部向下第3片完全張開的、接受光照條件一致的葉片為測定材料，測定光響應和CO2響應參數(shù)，測定時間為2013年7月中旬到2013年8月中旬，晴朗天氣上午10∶00-12∶00和下午14∶00-16∶00[7].測定時葉室環(huán)境條件除特殊備注外均為：葉片溫度25 ℃，CO2濃度390 μmol CO2?mol-1，栽種土壤水分條件保持田間最大持水量50%.

葉片表觀量子效率(AQY)的計算以光響應曲線中0～ 200 μmol photons·m-2·s-1Pn對PFD做直線回歸[8]，得回歸方程:

Pn= -Rd+AQY×PFD

Pn= 0時，PFD即為光合作用的光補償點(Φi),Rd為暗呼吸速率.

葉片羧化效率以Pn對胞間CO2濃度(Ci)曲線中0～ 200 μmol CO2·mol-1的點做直線回歸[9]，得回歸方程:

Pn= -Rp+CE×Ci

Pn= 0時，Ci即為光合作用的CO2補償點(Γ).Rp為光下呼吸速率，CE為羧化效率.由于光下暗呼吸很小，可以近似將光下呼吸看作光呼吸速率[10].

瞬時水分利用效率(Wi)計算采用最大凈光合速率(Pmax)與瞬時蒸騰速率(E)之比來表示[11].

數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0做方差分析，sigma plot 12.5作圖.

2 結(jié) 果

2.1 光合作用的光響應比較

山莨菪屬的4個物種光響應曲線類似，可大致分為三個階段：第一階段PHD較小，隨PHD的增加凈光合速率近直線上升，第二階段隨著PHD的增加，凈光合速率曲線曲度迅速減緩，第三階段隨PHD的增加凈光合速率增長更緩慢，達到飽和光強.其中賽莨菪、山莨菪及三分三飽和光強均在1 400 μmol photons·m-2·s-1左右，鈴鐺子飽和光強在1 500 μmol photons·m-2·s-1左右，鈴鐺子飽和光強稍高于其他3個物種，隨PFD 的繼續(xù)增強，4個物種的Pn無明顯變化(圖1).

圖1四種植物葉片凈光合速率對光量子通量密度的響應

Fig.1 Response of net photosynthesis rate to photon flux density in the four species leaves

選取0～200 μmol photons·m-2·s-1弱光強下Pn對PFD做直線回歸進行數(shù)據(jù)分析，所得結(jié)果見表1.山莨菪屬4個物種的AQY值無顯著差異.山莨菪葉片光合作用的Φi顯著低于三分三和鈴鐺子(P<0.05)，三分三、鈴鐺子和賽莨菪間差異不明顯.鈴鐺子葉片的Pmax顯著高于其他3個物種(P<0.05)，剩余3個物種之間Pmax差異不顯著.Rd山莨菪<賽莨菪<三分三和鈴鐺子，其中山莨菪與三分三、鈴鐺子之間差異顯著(P<0.05)，與賽莨菪差異不顯著，賽莨菪、三分三和鈴鐺子間差異不顯著.最高光強1 500 μmol photons ·m-2·s-1下，其他環(huán)境因素相同時Wi在4個物種之間無顯著差異.

2.2 光合作用的CO2響應比較

CO2響應數(shù)據(jù)使用LI-6400自帶紅藍光源在1 500 μmol photons·m-2·s-1光強，CO2濃度390 μmol CO2·mol-1誘導至穩(wěn)定后進行CO2響應參數(shù)測定(每個物種都做3次重復).隨著CO2濃度升高4個物種葉片Pn呈現(xiàn)近指數(shù)增長，CO2濃度超過600 μmol CO2·mol-1之后增長緩慢，變化不大(圖2).在胞間CO2濃度相同的情況下，Pn由小到大依次是山莨菪、三分三、賽莨菪和鈴鐺子.

4個物種的葉片光合作用的CE差異不顯著，但鈴鐺子CE略高于其他3個物種(表2).由于光下暗呼吸很小，所以將光下葉片向無CO2空氣中釋放CO2的速率近似看作Rp，Rp數(shù)據(jù)分析顯示鈴鐺子顯著高于其他3個物種(P<0.05)，其他3個物種之間差異不顯著，三分三略高于山莨菪和賽莨菪.從Γ上來看4個物種之間無顯著差異.

表1 光合作用光響應參數(shù)比較

每一列若具有相同字母，則表示該列的值在0.05水平上無顯著差異

圖2 四種植物葉片凈光合速率對胞間CO2 濃度的響應

植物名稱羧化效率/(mmol·mmol-1)光呼吸速率/(mmol CO2·m-2·s-1)CO2補償點/(mmol CO2·mol-1)賽莨菪0.073 0±0.004 0a3.754 3±0.123 0a51.76±3.32a鈴鐺子0.085 7±0.004 3a4.243 0±0.130 6b49.87±3.64a山莨菪0.080 3±0.005 8a3.686 0±0.165 7a46.10±1.73a三分三0.078 0±0.007 0a4.390 0±0.466 2a56.14±1.06a

每一列若具有相同字母，則表示該列的值在0.05水平上無顯著差異

3 結(jié)論和討論

植物光合作用的光響應曲線反映凈光合速率隨光強變化的特性[7]，Pmax可反映在一定條件下植物最大的光合能力[12]；山莨菪屬4個物種的Pmax在相同光強下無顯著差異，鈴鐺子稍高于其他3個物種，表明這4個物種在相同條件下的最大光合能力相近，推測鈴鐺子潛在光合能力可能稍強.AQY 是光合速率與相應的光量子通量密度之比，可反映植物光能利用效率，尤其是對弱光的利用效率[13]；山莨菪屬4個物種AQY無顯著差異，表明在實驗條件下這4個物種對弱光的利用效率相近.Φi體現(xiàn)植物對弱光的適應能力，一般認為典型陽生植物Φi的范圍在9～27 μmol photons·m-2·s-1之間[14]；根據(jù)所得Φi可知，山莨菪屬4個物種均為陽生植物，Φi由大到小為三分三、鈴鐺子、賽莨菪和山莨菪，其中，山莨菪的Φi顯著低于三分三和鈴鐺子(P<0.05)，比賽莨菪的Φi小但無顯著差異，推測相對其他3個物種，山莨菪在較低光強下便可以滿足生長.Rd是指完全無光照環(huán)境中植物的呼吸速率，植物的新陳代謝速率一般用Rd來表示[15]；數(shù)據(jù)分析顯示三分三和鈴鐺子的Rd顯著高于山莨菪(P<0.05)，而賽莨菪與其他3個物種的Rd無顯著差異，這在一定程度上表明山莨菪新陳代謝速率較低，賽莨菪次之，三分三和鈴鐺子代謝速率最高，說明在實驗條件下三分三和鈴鐺子具有較高的活力和消耗，而山莨菪活力較低.Wi常用來說明植物對環(huán)境因子的適應[16]，4個物種之間Wi無顯著差異，山莨菪Wi略高，在一定程度上表明山莨菪的抗旱性可能較其他3個物種強，這或許是影響山莨菪向干旱地區(qū)推移分布的因素之一.

植物CO2響應曲線顯示了在環(huán)境光強恒定的情況下，凈光合速率隨CO2濃度的變化而改變的特性.圖2顯示在Ci超過600 μmol CO2·mol-1之后增長緩慢，可能是由于CO2濃度過高引起細胞中pH值的改變，葉片保衛(wèi)細胞膨壓下降，氣孔開度受到影響，進而抑制了葉片凈光合速率的增長[17].一般認為CO2響應曲線中CE與核酮糖1，5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)的活性呈正相關(guān)[18].而山莨菪屬4個物種CE無顯著差異，鈴鐺子略高，推測鈴鐺子RuBPCase的酶活性較高，對光合速率有一定增強作用.蔡時青等[10]指出光呼吸是影響Γ的重要因素，Γ與Rp和CE比值成正相關(guān)關(guān)系，Γ值較低的作物通常具有較高的凈光合速率和產(chǎn)量[19]，山莨菪屬4個物種Γ無顯著差異，表明其凈光合速率和產(chǎn)量相近，這也與4個物種Pmax無顯著差異一致.

綜合光合作用光響應和CO2響應數(shù)據(jù)分析，山莨菪屬4個物種都對光強和CO2濃度有較大的適應范圍，光照強度和CO2濃度在一定范圍內(nèi)的增加可促進光合作用，增加葉片凈光合速率，但超過一定數(shù)值后可能會抑制光合作用，在引種栽培時應注意維持合適的光照強度和CO2濃度.在山莨菪屬4個物種中，與其他3個物種相比，鈴鐺子具有更強的光合能力，在相同的無脅迫條件下，鈴鐺子可能積累更多有機物質(zhì)，植物體生長更快；而山莨菪對弱光適應較強，較低光強便可滿足生長，耐旱能力也可能比其他3個物種強，可能適應相對干旱少光的環(huán)境，但這些推測還需進一步實驗研究加以驗證.

致謝：感謝中科院昆明植物研究所段元文研究員對實驗采樣提供的幫助.