瀕危植物九龍山榧與其同屬廣布種榧樹葉綠素?zé)晒馓匦缘谋容^

鄭英茂,周鈺鴻,潘成椿,劉菊蓮,藍(lán)本寬,康華靖

(1.浙江九龍山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局,浙江 遂昌 323300；2.浙江大盤山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局,浙江 磐安322300；3.遂昌縣自然資源和規(guī)劃局,浙江 遂昌 323312；4.溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,浙江 溫州 325006)

植物瀕危過程是該物種生活史各個(gè)環(huán)節(jié)及其競(jìng)爭力、適應(yīng)力等與環(huán)境因子相互作用的生態(tài)學(xué)過程,因此有必要從植物生活史的不同側(cè)面探求其瀕危的原因。研究表明,大多瀕危植物的瀕危機(jī)制與其對(duì)立地條件,如光、水、肥、氣、熱等因子的要求密不可分,而光合作用對(duì)植物生長發(fā)育起著至關(guān)重要的作用[1-3]。因此對(duì)植物光合生理生態(tài)特性進(jìn)行研究,可闡明植物生存及其分布的內(nèi)在機(jī)制[4],從而為制定保護(hù)方案提供科學(xué)依據(jù)。瀕危植物在生理生態(tài)學(xué)方面一般存在生存力和適應(yīng)力較差的共性[5]。在相同條件下,多數(shù)瀕危植物的光合、呼吸和蒸騰等生理代謝速率比其非瀕危近緣種要低[6-9],如,柴勝豐等[9]研究表明,與茶(Camelliasinensis)相比,毛瓣金花茶(C.pubipetala)對(duì)光強(qiáng)的適應(yīng)范圍狹窄,并推測(cè)這可能是其分布狹窄的重要生理原因。因此,研究瀕危植物的光合特征,并與其廣布近緣種進(jìn)行比較,從而了解兩者在光合生理生態(tài)特征上的差異,對(duì)于揭示瀕危植物的瀕危機(jī)制至關(guān)重要[10]。然而,目前相關(guān)研究往往只在野生或栽培兩種生境之一下進(jìn)行,并不能反映植物在變化環(huán)境中的適應(yīng)能力,如能同時(shí)在野生和栽培條件下分別比較瀕危種和廣布近緣種的光合特性的差異,研究結(jié)果將更有說服力。

榧屬(Torreya)植物為紅豆杉科(Taxaceae)的常綠喬木。榧屬為古老珍稀的孑遺植物,具有重要經(jīng)濟(jì)、科學(xué)研究價(jià)值,全部野生種(包括變種)均被列為國家二級(jí)保護(hù)植物[11]。九龍山榧是1995年發(fā)現(xiàn)的形態(tài)界于長葉榧和榧樹之間的一個(gè)類群,當(dāng)時(shí)作為榧樹的變種T.grandisvar.jiulongshanensis命名發(fā)表,后被提升為種級(jí)T.jiulongshanensis,此后在天臺(tái)、磐安、麗水蓮都和松陽有少量發(fā)現(xiàn)[12]?？傊?九龍山榧分布范圍窄,數(shù)量極少。

九龍山榧如此狹窄的地理分布必然與其自身的生理生態(tài)特性有關(guān),而至今有關(guān)九龍山榧生理生態(tài)特性的研究尚未見報(bào)道。為此,本文以瀕危植物——九龍山榧(雌、雄株),及其廣布近緣種——榧樹為研究對(duì)象,分別對(duì)野生和栽培環(huán)境下兩者的光合生理特性進(jìn)行比較,以期為揭示九龍山榧瀕危機(jī)制及進(jìn)一步保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究概況

研究所在地分別位于浙江省麗水市遂昌縣西南的龍洋鄉(xiāng)西坑下村(N28.337°,E118.933°)和浙江九龍山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的泗州廟(N40.542°,E116.118°)。該地區(qū)氣候?qū)儆谥衼啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候,四季分明、雨水充沛、光照適宜,相對(duì)濕度較高。西坑下村附近的榧樹群落中,共有榧樹和九龍山榧共計(jì)20余株,樹齡均介于400～500 a生；泗州廟分布處1株九龍山榧雌株。自1995年發(fā)現(xiàn)以來,當(dāng)?shù)卣恢陛^為重視對(duì)九龍山榧的保護(hù)。2015年對(duì)西坑下村群落進(jìn)行了保護(hù)性改造,同時(shí)在雌株附近搭建了塔臺(tái),以便觀測(cè)研究。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)測(cè)量

由于九龍山榧雌雄異株,葉片的大小有明顯區(qū)別。因此,在測(cè)量時(shí)，九龍山榧雌雄株均分開測(cè)量,單獨(dú)記錄。另外,在試驗(yàn)同時(shí),比較了栽培條件下榧樹、九龍山榧(雌、雄)幼苗葉片的光合特征。榧樹實(shí)生苗于2015年2月播種,以作為砧木和幼苗對(duì)照備用。接穗采自于縣龍洋鄉(xiāng)西坑下村的雌雄母株。2018年3月中旬嫁接,嫁接后置于西畈鄉(xiāng)繁殖基地的塑料大棚中常規(guī)管理養(yǎng)護(hù),夏季使用遮陽網(wǎng)遮陽,透光率為50%左右。

試驗(yàn)均于2018年9月上旬晴天的9:00～11:30進(jìn)行。野外條件下,分別在九龍山榧母樹的雌雄株上各選取長勢(shì)較為一致的7張葉片待測(cè)(每株樹上選取不同方位的葉子2～3片),所選葉子均為2a生枝條。由于受野外限制,選取同群落中榧樹雄株作為對(duì)照；栽培條件下,分別選取長勢(shì)一致的嫁接幼苗植株雌雄各7株,每株上選取頂部當(dāng)年生枝條2片葉子待測(cè),未嫁接的實(shí)生榧樹苗作為對(duì)照(由于榧樹較小,尚無法區(qū)分雌雄株)。所選葉子均為當(dāng)年生枝條上完全發(fā)育成熟且健壯的葉片。由于樹的高度及野外條件限制,野外母株的數(shù)據(jù)均利用便攜式光合儀(LI-6400-40,LI-COR INC.,USA)進(jìn)行連體測(cè)量,或利用搭建的觀測(cè)臺(tái)架,或借助地勢(shì)結(jié)合三腳架進(jìn)行。

測(cè)量前進(jìn)行開機(jī)檢查及預(yù)熱,流速為500 μmol/s,CO2濃度設(shè)置為400 μmol/mol,由內(nèi)置CO2小鋼瓶提供。由于葉片革質(zhì)且較小,難以充滿其葉室,試驗(yàn)只測(cè)量其快速光曲線(不考慮其氣體交換參數(shù))。光合有效輻射強(qiáng)度(PAR)設(shè)置為1 800,1 600,1 400,1 200,1 000,700,400,200,150,100和50 μmol/(m2·s),并應(yīng)用自動(dòng)測(cè)量程序自動(dòng)記錄熒光參數(shù),由此得到光系統(tǒng)II(PSII)反應(yīng)中心的激發(fā)能捕獲效率(Fv＇/Fm＇)、PSII實(shí)際的光化學(xué)量子效率(ΦPSII)、光系統(tǒng)II的電子傳遞速率(ETRII)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)等參數(shù)對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)曲線。每次記錄最小等待時(shí)間為60 s,最大等待時(shí)間為90 s[13]。

幼苗的測(cè)量均采用Dual-PAM-100(WALZ,德國)雙通道葉綠色熒光儀進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量,由此得到光系統(tǒng)I(PSI)的電子傳遞速率(ETRI)、PSI最大熒光(P＇m)等熒光參數(shù)。儀器開機(jī)預(yù)熱15 min后測(cè)量其快速光曲線。由于大棚有遮陽,光強(qiáng)相對(duì)較弱,且預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明，在較高光強(qiáng)下,電子傳遞速率值出現(xiàn)異常。因此,光合有效輻射強(qiáng)度(PAR)設(shè)置為10,18,36,94,172,214,330,501和759 μmol/(m2·s)(儀器中設(shè)置檔位所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng))。測(cè)量其快速光曲線,同時(shí)獲得光系統(tǒng)I(PSI)和光系統(tǒng)II(PSII)的相關(guān)熒光參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用光合計(jì)算軟件4.1(井岡山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/數(shù)理學(xué)院),分別應(yīng)用光響應(yīng)機(jī)理模型(model I)、直角雙曲線模型(model II)、非直角雙曲線模型(model III)和雙指數(shù)方程模型(model IV)擬合光系統(tǒng)II電子傳遞速率(ETRII)對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)曲線。4種模型的表達(dá)式參考葉子飄[14]的描述,除光響應(yīng)機(jī)理模型外,其余模型擬合的飽和光強(qiáng)(PARsat)計(jì)算參考葉子飄[14]的方法。SPSS12.5版本(SPSS,Chicago,IL)軟件進(jìn)行計(jì)算、處理和方差差異顯著性分析,用Excel 2010作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 栽培條件下九龍山榧幼苗和榧樹幼苗的熒光參數(shù)對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)

2.1.1光系統(tǒng)I(PSI)熒光參數(shù)對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)

圖1 榧樹和九龍山榧(雌、雄)葉片P＇m和ETRI對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)

由圖1(a)可以看出,九龍山榧(雌、雄株)和榧樹的幼苗PSI最大熒光(P＇m)整體隨著光強(qiáng)的增加而升高,在光強(qiáng)大于500 μmol/(m2·s)之后趨于穩(wěn)定。比較P＇m值可以看出,九龍山榧雌株幼苗葉片的P＇m值整體上顯著高于榧樹及九龍山榧的雄株(P<0.05)。由圖1(b)可以看出,隨著光強(qiáng)的升高,九龍山榧(雌、雄株)幼苗葉片的ETRI均呈增加趨勢(shì)；而榧樹幼苗葉片的ETRI則呈先上升后下降的趨勢(shì),在330 μmol/(m2·s)光強(qiáng)下達(dá)到最高。兩者表現(xiàn)出了較大差異。

2.1.2光系統(tǒng)II(PSII)熒光參數(shù)對(duì)光強(qiáng)響應(yīng)

由圖2可以看出,在較低光強(qiáng)(小于214 μmol/(m2·s))下,九龍山榧(雌、雄株)和榧樹幼苗葉片的PSII電子傳遞速率(ETRII)均呈直線上升趨勢(shì)；之后,其增加相對(duì)平緩而趨于穩(wěn)定。從圖2還可以看出,在較低光強(qiáng)(小于214 μmol/(m2·s))下,九龍山榧和榧樹幼苗葉片的ETRII均較為接近；而在較高光強(qiáng)下,九龍山榧幼苗(雌、雄株)葉片的ETRII值相對(duì)較高。

圖2 榧樹和九龍山榧(雌、雄)葉片光系統(tǒng)II電子傳遞速率對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)

以榧樹幼苗數(shù)據(jù)為例,應(yīng)用4種光響應(yīng)模型對(duì)其ETRII對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,其擬合結(jié)果如圖3所示。從4種光合模型擬合的效果圖來看,除直角雙曲線模型(model II)不能很好擬合高光強(qiáng)下電子傳遞速率下降的趨勢(shì)外,其余模型均能較好擬合測(cè)量值的變化趨勢(shì)。從確定系數(shù)(R2)來看,4種模型的確定系數(shù)均高于0.9(表1)。

注“О”為測(cè)量值；“×”為光響應(yīng)機(jī)理模型(model I)；“﹡”為直角雙曲線模型(model II)；“●”為非直角雙曲線模型(model III)；“◆”為雙指數(shù)方程模型(model IV)

表1 光系統(tǒng)II電子傳遞速率對(duì)光響應(yīng)曲線的擬合結(jié)果(平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤差)

從擬合得到的最大電子傳遞速率來看,除直角雙曲線模型(model II)外,其余光響應(yīng)模型擬合給出的值均與實(shí)測(cè)值較為吻合(P>0.05)。然而,從擬合得到的飽和光強(qiáng)值來看,4種模型擬合的效果存在較大差異。整體來看,光響應(yīng)機(jī)理模型(model I)擬合得到的飽和光強(qiáng)值遠(yuǎn)高于其他模型所給出的值(P<0.05),且與實(shí)測(cè)值較為接近。由此判斷,光響應(yīng)機(jī)理模型(model I)對(duì)榧樹和九龍山榧的擬合效果較好。從model I擬合結(jié)果來看,榧樹、九龍山榧雄株和九龍山榧雌株幼苗的光飽和點(diǎn)分別為454.130,550.640和788.581 μmol/(m2·s),所對(duì)應(yīng)的最大電子傳遞速率分別為35.339,39.546和40.690 μmol/(m2·s)。

由圖4(a)可以看出,榧樹和九龍山榧(雌、雄株)幼苗葉片光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)隨著光強(qiáng)的升高而呈線性下降,三者之間的qP值均較為接近(P>0.05)。由圖4(b)可以看出,榧樹和九龍山榧(雌、雄株)幼苗葉片非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)隨著光強(qiáng)的升高而增加,其中,九龍山榧雌株幼苗的NPQ值整體較高,在較高光強(qiáng)下則顯著高于其雄株及榧樹(P<0.05),而九龍山榧雄株和榧樹之間的NPQ整體較為接近。

圖4 榧樹和九龍山榧(雌、雄株)葉片光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)

2.2 野生條件下九龍山榧和榧樹葉片的熒光參數(shù)對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)

2.2.1野生條件下九龍山榧(雌、雄株)和榧樹葉片ETRII對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)

利用不同光響應(yīng)機(jī)理模型擬合野外測(cè)量的榧樹和九龍山榧(雌、雄株)葉片ETRII對(duì)光的響應(yīng)曲線,擬合效果結(jié)果如圖5所示(以榧樹數(shù)據(jù)為例)。從擬合效果來看,所選的4種模型均能較好地?cái)M合榧樹葉片ETRII對(duì)光的響應(yīng)曲線。

注“О”為測(cè)量值；“×”為光響應(yīng)機(jī)理模型(model I)；“”為直角雙曲線模型(model II)；“●”為非直角雙曲線模型(model III)；“◆”為雙指數(shù)方程模型(model IV)

以光響應(yīng)機(jī)理模型擬合結(jié)果為例,對(duì)榧樹和九龍山榧(雌雄)進(jìn)行比較(表2)。由表2可以看出,九龍山榧雌株的最大電子傳遞速率為80.322 μmol/(m2·s),顯著較高(P<0.05)；九龍山榧雄株和榧樹的最大電子傳遞速率較為接近(P>0.05),分別為66.308和64.743 μmol/(m2·s)。從飽和光強(qiáng)來看,九龍山榧雄株的光飽和點(diǎn)最高,為1 416.817 μmol/(m2·s),其次為九龍山榧雌株,榧樹則最低(P<0.05)。

表2 利用光響應(yīng)機(jī)理模型(model I)擬合ETRII 對(duì)光響應(yīng)曲線的擬合結(jié)果(平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤差)

2.2.2野生條件下九龍山榧(雌、雄株)和榧樹葉片qP和NPQ對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)

由圖6(a)可以看出,野生條件下榧樹和九龍山榧(雌、雄株)母株葉片qP隨著光強(qiáng)的升高而呈線性下降,三者之間的qP值均較為接近(P>0.05)。由圖6(b)可以看出,當(dāng)光強(qiáng)較低時(shí)(小于400 μmol/(m2·s)),野生條件下榧樹和九龍山榧(雌、雄株)母株葉片NPQ隨著光強(qiáng)的升高而增加；當(dāng)光強(qiáng)大于400 μmol/(m2·s)時(shí),隨著光強(qiáng)的升高，九龍山榧樹(雄株)和榧樹葉片的NPQ基本保持穩(wěn)定,且兩者極為接近,而九龍山榧樹雌株則在 1 000μmol/(m2·s)時(shí)達(dá)到穩(wěn)定,且NPQ值顯著較高(P<0.05)。

圖6 榧樹和九龍山榧(雌、雄株)葉片光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)

3 討論

葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)作為研究植物光合功能快速、無損傷的探針,在測(cè)定葉片光合同化過程中,光系統(tǒng)對(duì)光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。因此,本試驗(yàn)基于熒光參數(shù)對(duì)九龍山榧及其同屬廣布種——榧樹的光合生理進(jìn)行探討。

了解植物葉片的光飽和點(diǎn)對(duì)于深入探討其最大羧化速率等光合參數(shù),以及指導(dǎo)植物的引種栽培等均具有重要意義。目前,確定植物的光飽和點(diǎn)主要應(yīng)用光響應(yīng)模型對(duì)光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合而得到[15-16]。由于模型的推導(dǎo)機(jī)理不同,不同模型存在一定的優(yōu)缺點(diǎn)[15,17]。本試驗(yàn)運(yùn)用了4種模型對(duì)野外和栽培條件下九龍山榧及榧樹葉片的快速光曲線進(jìn)行了擬合。從擬合給出的光飽和點(diǎn)來看,光響應(yīng)機(jī)理模型(model I)的擬合結(jié)果最為接近測(cè)量值。以model I擬合的結(jié)果為例,栽培條件下,榧樹、九龍山榧雄株和九龍山榧雌株幼苗的光飽和點(diǎn)分別為454.130,550.640和788.581 μmol/(m2·s)；而野外環(huán)境下,榧樹、九龍山榧雄株和九龍山榧雌株的光飽和點(diǎn)分別為914.207,1 416.817和1 165.361 μmol/(m2·s)。由此可見,不管是栽培條件下的幼苗,還是野外的母樹,榧樹的光飽和點(diǎn)均顯著較低(P<0.05)。結(jié)合野外觀察,推測(cè)與榧樹葉片葉綠素含量較低相關(guān),與榧樹相比,九龍山榧植株葉片葉色整體更加亮綠、葉片生長勢(shì)更加旺盛。由此可見,九龍山榧為喜光的陽生樹種。

從最大電子傳遞速率的擬合結(jié)果來看(以model I擬合的結(jié)果為例),栽培條件下,九龍山榧(雌、雄株)整體上顯著高于榧樹(表1)；而在野外條件下,九龍山榧雌株顯著高于榧樹(表2)。這與以往研究認(rèn)為瀕危植物光合能力往往低于其同屬廣布種的結(jié)果有所出入,如，石松利等[8]研究表明,瀕危植物四合木(Tetraenamongolica)的光合速率和水分利用效率均低于其近緣種霸王(Zygophyllumxanthoxylon),光合能力和對(duì)干旱環(huán)境適應(yīng)能力弱于霸王；Cui等[7]研究同樣表明,瀕危種Syringapinnatifolia的凈光合速率和對(duì)CO2的吸收能力均低于其同屬廣布種S.Oblata。由此表明,光合能力并非九龍山榧的致瀕因子。推測(cè)九龍山榧的數(shù)量較少與其結(jié)實(shí)率極低有直接關(guān)系。多年的野外觀測(cè)表明,九龍山榧的結(jié)實(shí)率遠(yuǎn)低于同群落中的榧樹。

光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)反映PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額[18-19]。植物吸收的光能一部分除用于光合作用外,還有一部分可通過非光化學(xué)猝滅(NPQ)過程來調(diào)整過量能量的耗散,保護(hù)PSⅡ反應(yīng)中心免受因吸收過多光能而引起的光氧化和光抑制傷害[20]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,除九龍山榧雌株(幼苗和母株)的NPQ值均相對(duì)較高外,九龍山榧雌雄株以及榧樹之間的qP和NPQ整體上極為接近。

另外,研究發(fā)現(xiàn)多種植物雌雄異株之間對(duì)水分[21]、溫度[22-23]、養(yǎng)分[24]、CO2濃度[25]等環(huán)境變化的響應(yīng)差異顯著。綜合比較九龍山榧雌雄株的熒光特性發(fā)現(xiàn),九龍山榧雌株幼苗的光飽和點(diǎn)、最大熒光參數(shù)(P＇m)和NPQ值均顯著較高(P<0.05)；同樣,九龍山榧雌株母樹的最大電子傳遞速率也顯著較高(P<0.05)。從光系統(tǒng)I(PSI)值來看,九龍山榧雌株整體上也顯著高于榧樹及九龍山榧的雄株(P<0.05)。作者推測(cè),這與九龍山榧雌株的葉片相對(duì)較大,長勢(shì)相對(duì)旺盛有關(guān)。然而,九龍山榧雌雄株之間差異的原因尚有待于進(jìn)一步研究。