兩個烏桕新品種苗木光合特性比較

許中秋，隋德宗，謝寅峰*，王俊毅

(1.南京林業(yè)大學(xué)，南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心， 南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院， 江蘇 南京 210037；2.江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210014)

烏桕(Triadicasebifera)別名臘子樹(浙江溫州)、桕子樹(四川)、木子樹(湖北興山、江西武寧)，為大戟科(Euphorbiaceae)烏桕屬(Triadica)落葉喬木，是中國特有的經(jīng)濟(jì)樹種，生于曠野、塘邊或疏林中，主要分布在我國黃河以南各省區(qū)，北達(dá)陜西、甘肅[1]。烏桕是集油用、材用、藥用和觀賞等多種價值于一身的多用樹種，是我國亞熱帶重要的木本油料樹種,其種皮可榨取桕脂(皮油)，種仁可提取青油[2]，總出油率可達(dá)41%以上，榨取的桕脂和青油是重要的工業(yè)原料[3]。其材堅(jiān)硬且白，紋理致密清晰，是雕刻、家具和造船的良材[4]。烏桕還具有廣泛的藥用價值，根、樹皮、葉皆可入藥,用于治療毒蛇咬傷、癰瘡和通便等[5-6]。烏桕樹形優(yōu)美，葉形秀麗，秋葉深紅、紫紅或杏黃，具有較高的觀賞價值[7]。目前，關(guān)于烏桕的研究報(bào)道現(xiàn)主要集中在化學(xué)成分分析、食品工藝、變色生理機(jī)制和育苗造林等方面[8-11]。

‘海濱緋紅’和‘海濱紫晶’為近年江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院所選育的兩個烏桕新品種，兩個新品種當(dāng)年生枝均為灰綠色，春季葉綠色，‘海濱緋紅’秋葉鮮紅，‘海濱紫晶’秋葉呈現(xiàn)紫紅色，是觀賞價值較高的彩葉類新品種，并已獲得新品種授權(quán)保護(hù)。與現(xiàn)有市場常規(guī)應(yīng)用品種相比，兩個新品種均表現(xiàn)出較強(qiáng)的彩葉觀賞特性。與彩葉品種‘紅翡翠’相比，新品種葉色變化更為豐富，且現(xiàn)出較好的遺傳穩(wěn)定性，但有關(guān)其生長與生理適應(yīng)性的研究鮮見報(bào)道。光合作用作為植物生長的生理基礎(chǔ)，是評判植物生長適應(yīng)性的重要指標(biāo)[12]。其中，植物光合日變化是直接反應(yīng)植物光合作用日生產(chǎn)能力的重要指標(biāo)[13]。光照和CO2是植物光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)、能量能源和主要底物[14]，研究植物光合作用對光合有效輻射(PAR)和胞間CO2濃度(Ci)的響應(yīng)特征對研究植物光合能力、光合潛力及生態(tài)適應(yīng)性具有重要意義[15]。鑒于此，本研究以2個烏桕新品種為研究對象，通過光合色素含量、光合日變化、光響應(yīng)和CO2響應(yīng)曲線的測定和比較，探討2個烏桕新品種夏季光合性能及其差異機(jī)制，為烏桕新品種的栽培與推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地點(diǎn)在南京市江寧區(qū)東善橋江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院(118°31′ E，30°38′ N)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，年降水量1 034～1 276 mm，年平均溫度15～15.9 ℃，年日照時間2 212.8 h，相對濕度76%，無霜期237 d。

供試材料為已獲得新品種保護(hù)授權(quán)的烏桕新品種‘海濱緋紅’和‘海濱紫晶’的2年生嫁接苗，砧木為同一家系實(shí)生烏桕苗。室外種植于直徑40 cm、高50 cm的花盆中，每盆1株，常規(guī)水肥管理。每品種挑選6盆生長良好、無病蟲害且長勢相對一致的苗木，于2019年8月進(jìn)行相關(guān)測定。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 光合色素含量測定

葉綠素含量的測定采用乙醇浸提法[16]。新鮮葉片去除中脈，剪碎混勻，稱取0.2 g，重復(fù)3次，放入10 mL的試管中。加入10 mL 95%的乙醇，用保鮮膜封口，避光放置24 h，直到葉片變白。取上清液，測定波長665、649、470 nm處的吸光值，參照改良的Arnon方法[17]計(jì)算葉綠素a (Chl a)、葉綠素b (Chl b)和類胡蘿卜素 (Car)的含量。

1.2.2 光合日變化的測定

利用Li-6400便攜式光合測定儀(LI-COR公司，美國)于2019年8月中旬選擇天氣晴朗的白天，測定光合作用日變化。分別選取當(dāng)年新梢相同部位的成熟葉進(jìn)行測量，并做好標(biāo)記。從6：00—18：00，每隔2 h測定1次，每個品種重復(fù)6次，測定的參數(shù)包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)及環(huán)境因子中的光合有效輻射(PAR)、大氣CO2濃度(Ca)、氣溫(Ta)、空氣相對濕度(φ)等。

1.2.3 光響應(yīng)曲線測定

利用Li-6400便攜式光合測定儀于2019年8月中旬選擇晴朗天氣的9：00—11：00進(jìn)行光響應(yīng)曲線測定，分別選取3株標(biāo)準(zhǔn)株，從植株上部的第8～10片葉進(jìn)行測定。參比室CO2濃度設(shè)定為400 μmol/mol，溫度為25 ℃，設(shè)定光合有效輻射(PAR)分別為2 000、1 600、1 200、1 000、800、600、400、300、200、100、80、50、20和0 μmol/(m2·s)，采用自動測量模式，重復(fù)測量3次，取平均值。光響應(yīng)曲線根據(jù)葉子飄新模型[18-19]進(jìn)行擬合，模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：在光響應(yīng)曲線擬合中，Pn為凈光合速率；I為光強(qiáng)；α為I=0時，光響應(yīng)曲線的初始斜率即初始量子效率；β為修正系數(shù)；γ=α/Pn,max，Pn,max為最大凈光合速率。根據(jù)公式可以得出相應(yīng)的表觀量子效率(AQY)、暗呼吸速率(Rd)、最大凈光合速率(Pn,max)、光飽和點(diǎn)(LSP)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)及模擬方程的決定系數(shù)(R2)等指標(biāo)。

1.2.4 CO2響應(yīng)曲線測定

在進(jìn)行CO2響應(yīng)曲線測定時，葉片選取與測定光響應(yīng)相同的部位，采用Li-6400便攜式光合測定儀的紅藍(lán)光源進(jìn)行光強(qiáng)設(shè)定，設(shè)置光強(qiáng)為1 400 μmol/(m2·s)，用CO2鋼瓶將CO2濃度設(shè)定為50、100、200、300、400、600、800、1 000、1 200、1 500、1 800 μmol/mol，測定不同CO2濃度時的凈光合速率。在設(shè)定測量程序時，為保證測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，每次變換CO2濃度后都進(jìn)行儀器的匹配。CO2響應(yīng)曲線也根據(jù)葉子飄新模型[18-19]進(jìn)行擬合，模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

在CO2響應(yīng)曲線擬合中，Ci為CO2濃度，Rp為光呼吸速率,其他參數(shù)涵義同光響應(yīng)曲線。根據(jù)公式可以得出相應(yīng)的最大光合能力(An,max)、羧化效率(CE)、CO2飽和點(diǎn)(CSP)、CO2補(bǔ)償點(diǎn)(CCP)、光呼吸速率(Rp)及模擬方程的決定系數(shù)(R2)等指標(biāo)。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析

采用DPS 7.05軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用多重比較Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行方差顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)。利用Excel 2013軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩個烏桕新品種葉片光合色素含量

兩個烏桕新品種的葉片光合色素含量如表1所示，‘海濱紫晶’的葉綠素a、葉綠素b含量、葉綠素a/b以及類胡蘿卜素含量均高于‘海濱緋紅’，其中葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量的差異顯著(P<0.05)。

表1 兩個烏桕新品種葉片光合色素含量

2.2 環(huán)境因子日變化特征

從環(huán)境因子日變化(圖1)可知，測定當(dāng)天的光合有效輻射(PAR)和大氣溫度(Ta)變化呈先上升后下降的趨勢，大氣CO2濃度(Ca)和相對濕度(φ)總體呈先下降后有所升高的趨勢。PAR在10：00達(dá)到峰值，為1 299 μmol/(m2·s)，然后下降，到18：00降至100.31 μmol/(m2·s)；Ta在6：00—12：00間由27.25 ℃升至39.93 ℃，之后逐漸下降，18：00降至31.18 ℃；Ca值在6：00時最大，為439.09 μmol/mol，之后降低并上下波動；φ值在6：00時最大，為81.13%，在12：00降至最低值43.69%，之后逐漸升高，18：00時升至65.43%。

圖1 環(huán)境因子光合有效輻射、大氣CO2濃度、大氣溫度和大氣濕度日變化Fig.1 Diurnal variations of photosynthetic effective radiation (PAR), atmospheric CO2 concentration (Ca), atmospheric temperature (Ta) and atmospheric humidity (φ)

2.3 不同品種光合氣體交換參數(shù)日變化

兩個新品種的凈光合速率(Pn)日變化均呈典型的單峰型曲線(圖2A、2B)，無“午休”現(xiàn)象，兩者的峰值皆出現(xiàn)在12：00，‘海濱紫晶’的Pn日均值[6.60 μmol/(m2·s)]高于‘海濱緋紅’[5.39 μmol/(m2·s)]，比‘海濱緋紅’高22.45%；兩者的氣孔導(dǎo)度(Gs)日變化趨勢及峰值出現(xiàn)的時間與凈光合速率基本一致，‘海濱紫晶’的Gs日均值[0.16 mol/(m2·s)]比‘海濱緋紅’[0.12 mol/(m2·s)]高33.33%。

如圖2C、2D所示，兩個新品種的CO2濃度(Ci)日變化與Pn、Gs的日變化趨勢相反,呈先下降后上升的趨勢，谷值出現(xiàn)在上午10：00，之后逐漸回升，‘海濱緋紅’Ci日均值(335.38 μmol/mol)高于‘海濱紫晶’(305.84 μmol/mol)，比‘海濱紫晶’高9.66%。蒸騰速率(Tr)日變化趨勢與Pn、Gs日變化相似，‘海濱紫晶’Tr日均值[3.62 mmol/(m2·s)]比‘海濱緋紅’[2.83 mmol/(m2·s)]高27.92%。

圖2 兩個烏桕新品種光合氣體交換參數(shù)的日變化Fig.2 Diurnal variations in photosynthetic gas exchange parameters of T. sebifera in two new varieties

2.4 不同品種凈光合速率與相關(guān)生理生態(tài)因子的灰色關(guān)聯(lián)分析

為了進(jìn)一步探討內(nèi)外環(huán)境因素對烏桕光合作用的影響程度，對兩個烏桕新品種日變化過程中的凈光合速率(Pn)和相關(guān)生理生態(tài)因子進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果表明，Pn與生理因子的關(guān)聯(lián)度為Tr>Gs>Ci；與環(huán)境因子的灰色關(guān)聯(lián)度為Ta>PAR>Ca>φ(表2)。Ta和PAR是影響這兩個品種凈光合速率的主要環(huán)境因子，與‘海濱緋紅’相比，‘海濱紫晶’與Tr關(guān)聯(lián)度更大，而與Ca的關(guān)聯(lián)度相對較小。

表2 凈光合速率與生理、生態(tài)因子的灰色關(guān)聯(lián)度

2.5 不同品種光響應(yīng)曲線及特征參數(shù)比較

光響應(yīng)曲線反映了植物光合速率隨光照強(qiáng)度改變而變化的規(guī)律。通過葉子飄新模型的擬合，得到的Pn-PAR曲線(圖3A)，決定系數(shù)R2>0.99，表明該方法擬合程度較高。由圖3A可知，2個品種對光合有效輻射的響應(yīng)曲線基本一致，凈光合速率隨著光合有效輻射的升高而增加，當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到飽和點(diǎn)后，凈光合速率增長曲線變化趨于平緩。

圖3 兩個烏桕新品種Pn-PAR和Pn-CO2響應(yīng)曲線的擬合Fig.3 Simulation of Pn-PAR， and Pn-CO2 response curves of T. sebifera in two new varieties

通過計(jì)算得到兩個品種的最大凈光合速率(Pn,max)、表觀量子效率(AQY)、暗呼吸速率(Rd)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)、光飽和點(diǎn)(LSP)等相關(guān)光合作用參數(shù)(表3)。結(jié)果表明，‘海濱紫晶’的最大凈光合速率(Pn,max)、光飽和點(diǎn)(LSP)、暗呼吸速率(Rd)和光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)均高于‘海濱緋紅’，表觀量子效率(AQY)則低于‘海濱緋紅’，其中Pn,max、LSP和Rd兩個品種間存在顯著差異(P< 0.05)。

2.6 不同品種CO2響應(yīng)曲線及特征參數(shù)比較

CO2響應(yīng)曲線反映了植物光合速率隨胞間CO2濃度改變而變化的規(guī)律。通過葉子飄新模型的擬合，得到的Pn-CO2曲線(圖3B)，R2>0.98，表明該方法擬合程度較高。由圖3B可知，兩個品種對CO2濃度的響應(yīng)曲線基本一致，凈光合速率隨著CO2濃度的升高而增加，當(dāng)CO2濃度達(dá)到飽和點(diǎn)，凈光合速率穩(wěn)定在一定水平。

表3 兩個烏桕新品種光響應(yīng)曲線相關(guān)參數(shù)

通過計(jì)算得到兩個品種的最大光合能力(An,max)、羧化效率(CE)、光呼吸速率(Rp)、CO2補(bǔ)償點(diǎn)(CCP)、CO2飽和點(diǎn)(CSP)等相關(guān)參數(shù)(表4)。結(jié)果表明，‘海濱紫晶’最大光合能力(An,max)、CO2飽和點(diǎn)(CSP)、羧化效率(CE)和光呼吸速率(Rp)均高于‘海濱緋紅’，CO2補(bǔ)償點(diǎn)(CCP)則低于‘海濱緋紅’，其中An,max和CSP存在顯著性差異(P<0.05)。

表4 兩個烏桕品種CO2響應(yīng)曲線相關(guān)參數(shù)

3 討 論

植物葉片光合色素含量和植物光合能力密切相關(guān)[20-21]，可直接反映植物葉片光合能力的大小[22]。在光合作用中，葉綠素a和葉綠素b具有捕獲和吸收光能的作用[23]，類胡蘿卜素作為一種重要的抗氧化劑，能夠吸收過多的光能防止脂質(zhì)過氧化并穩(wěn)定細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)[24]。本研究中，‘海濱紫晶’的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量和葉綠素a/b均大于‘海濱緋紅’，其中葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素差異顯著，表明‘海濱紫晶’對光能的吸收能力以及強(qiáng)光下的光保護(hù)能力較‘海濱緋紅’強(qiáng)，同時其葉綠素a/b值的也部分反映了‘海濱紫晶’對強(qiáng)光環(huán)境具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。

凈光合速率可直接反應(yīng)植物光合作用的強(qiáng)弱[25]，晴朗天氣下植物的光合作用日變化模式一般分為兩種曲線類型，單峰型和雙峰型，大多數(shù)植物在夏季表現(xiàn)為雙峰型變化[26]。本研究中，兩個烏桕新品種的Pn日變化曲線均為典型的單峰型，無“午休”現(xiàn)象，說明該兩個新品種均具有較強(qiáng)的對夏季高溫強(qiáng)光的適應(yīng)能力。但‘海濱紫晶’Pn日均值和峰值均明顯高于‘海濱緋紅’，說明‘海濱紫晶’具有更強(qiáng)的凈光合能力。從日變化趨勢結(jié)合Pn與生態(tài)因子的灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果，即‘海濱紫晶’與Tr關(guān)聯(lián)度更大，而與Ca的關(guān)聯(lián)度相對較小，表明‘海濱紫晶’隨著一天中環(huán)境氣溫的增高更有利于其凈光合速率的增強(qiáng)，而對大氣CO2濃度的下降其Pn受影響程度相對較小，也反映出‘海濱紫晶’具有更強(qiáng)的夏季高溫環(huán)境的適應(yīng)能力。從不同氣體交換參數(shù)的日變化趨勢看，盡管兩個品種的變化趨勢相同，即Pn、Gs和Tr呈單峰型，而Ci呈相反的“V”型，但‘海濱緋紅’的Pn、Gs值整體明顯低于‘海濱紫晶’的；同時Ci卻要高于‘海濱紫晶’。根據(jù)光合作用氣孔與非氣孔限制的理論推斷[27]，‘海濱緋紅’凈光合能力低于‘海濱紫晶’主要是受非氣孔因素的限制，應(yīng)與其光能利用效率或CO2利用能力相對較低有關(guān)。

光響應(yīng)曲線及其特征參數(shù)能較好地判定植物對光的利用和適應(yīng)能力[28-29]，在同一栽培環(huán)境下植物的光合能力不同，光響應(yīng)特征差異顯著[30-31]。在本研究中，‘海濱紫晶’Pn,max顯著高于‘海濱緋紅’，這與Pn日變化的測定結(jié)果一致。AQY可反映植物在光合作用過程中對光能的利用效率，特別是弱光條件下對光能的利用效率[32]，Rd也與植物的耐弱光性相關(guān)。‘海濱緋紅’AQY較大，Rd顯著低于‘海濱紫晶’，表明其葉片吸收和轉(zhuǎn)換光能的色素蛋白復(fù)合體可能較多，利用弱光的能力較強(qiáng)，同時能通過降低暗呼吸作用來間接提高光合性能。此外，植物對光照條件的需求可通過LSP和LCP反映[33]。一般情況下，植物葉片LSP和LCP均較高的植物，能夠很好地在強(qiáng)光下進(jìn)行光合作用[21]，本研究中‘海濱紫晶’對強(qiáng)光有著更強(qiáng)的適應(yīng)性。

CO2響應(yīng)曲線及其特征參數(shù)能反映植物對CO2的利用能力[34]。An，max是植物在CO2飽和點(diǎn)處達(dá)到的最大凈光合速率[35]，CE與RuBPCase酶的活性呈正相關(guān)[36]。測定結(jié)果顯示，‘海濱紫晶’An，max與CE均較高，有研究指出，An，max和CE較高的植物其葉片1，5-二磷酸核酮糖(RuBP)的再生能力及其對CO2的同化能力與利用效率也高[37]。光呼吸作為一種消耗過剩光能、保護(hù)光合機(jī)構(gòu)免于強(qiáng)光破壞的途徑[38]，‘海濱紫晶’光呼吸速率高以及飽和CO2時的凈光合速率也較高，表明其能在強(qiáng)光條件下保持較高的光呼吸以免于光合機(jī)構(gòu)破壞。CCP低的植物通常具有較高的凈光合速率和產(chǎn)量，CSP表示植物對低濃度CO2的利用能力。‘海濱紫晶’CCP較低，而CSP較高，表明其CO2同化能力強(qiáng)且利用幅度較寬。此外，兩個品種在CO2飽和濃度下的最大凈光合速率較光飽和時的高，這表明了烏桕在光照條件飽和的情況下，光合速率在更大程度上受CO2供應(yīng)的限制。因此，在夏季強(qiáng)光熱條件基礎(chǔ)上[39]研究發(fā)現(xiàn)，‘海濱紫晶’較強(qiáng)的羧化效率和RUBP再生能力所表現(xiàn)出的強(qiáng)CO2利用能力可能是其比‘海濱緋紅’具有更強(qiáng)光合性能的主要原因。

綜上，兩個烏桕新品種在光合特性上均表現(xiàn)出較強(qiáng)的夏季生長適應(yīng)性。‘海濱紫晶’光合性能最優(yōu)，其CSP和LSP均較高，可通過較優(yōu)的強(qiáng)光適應(yīng)能力和較寬的CO2利用幅度來提高光合性能；‘海濱緋紅’次之，其主要通過降低暗呼吸作用減少消耗和提高弱光利用能力來積累更多的有機(jī)物質(zhì)用于生長?！I紫晶’較強(qiáng)的光合能力與其所受的非氣孔限制相對較小有關(guān)，較強(qiáng)的CO2利用能力可能是其改善非氣孔限制的主要原因，光呼吸可能是其在高溫強(qiáng)光下避免光抑制和光破壞的一種機(jī)制。在栽培生產(chǎn)中，可通過調(diào)節(jié)光強(qiáng)或CO2濃度等手段來提高這兩個新品種的光合速率，促進(jìn)其生長發(fā)育。研究結(jié)果為烏桕新品種推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)，由于本研究只從光合特性的角度探討了兩個烏桕新品種的夏季生長適應(yīng)性，生長實(shí)際應(yīng)用尚需結(jié)合生長指標(biāo)等的測定并進(jìn)行長期的觀測。