李瑩 彭玉德 余麗瑩 陳曉英 潘春柳 藍(lán)祖栽 黃雪彥
摘要:為了解幾種不同姜黃屬植物的光合特性及其對環(huán)境的適應(yīng)能力,以便更好地對姜黃屬植物資源進(jìn)行保護(hù)與利用,采用LI-6400XT便攜式光合作用測量系統(tǒng)(LI-COR,USA),對幾種處于生長旺盛期的姜黃屬植物進(jìn)行光合日變化、光強(qiáng)度-光合速率曲線和CO2-光合速率曲線等光合指標(biāo)測定,并對比分析其光合特性的異同。結(jié)果表明,幾種供試姜黃屬植物的光合日變化參數(shù)、光響應(yīng)參數(shù)和CO2響應(yīng)參數(shù)均存在較大差異。隨著時(shí)間的推移,幾種姜黃屬植物的凈光合速率(Pn)日變化都呈現(xiàn)出先增大后減小的“單峰”曲線變化規(guī)律,均未出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象。凈光合速率大小為姜黃>廣西莪術(shù)>頂花莪術(shù)>川郁金>溫郁金>大莪術(shù)>郁金,且各植物凈光合速率達(dá)到峰值的時(shí)間不同,氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度及蒸騰速率亦存在顯著性差異;幾種姜黃屬植物的光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)均小于45 μmol/(m2·s),差異不顯著,而光飽和點(diǎn)(LSP)在350~1 350 μmol/(m2·s)之間,差異較大;CO2飽和凈光合速率均在14~23 μmol/(m2·s)之間,差異不顯著,但羧化效率、CO2飽和點(diǎn)和CO2補(bǔ)償點(diǎn)均存在顯著性差異。研究表明,供試7種姜黃屬植物均具有較強(qiáng)的耐陰特性,對弱光利用能力較強(qiáng),對強(qiáng)光也有一定的耐受性,但不同植物對光適應(yīng)范圍以及對強(qiáng)光利用能力存在一定的差異。應(yīng)結(jié)合不同姜黃屬植物的光合特性,適當(dāng)調(diào)控其生長環(huán)境因子,根據(jù)每種植物對光照適應(yīng)性采取適當(dāng)遮陰或向陽措施,并適當(dāng)增加環(huán)境中CO2濃度,進(jìn)一步提高其光合利用效率和增加藥材產(chǎn)量。
關(guān)鍵詞:姜黃屬;光合特性;日變化;光響應(yīng)曲線;CO2響應(yīng)曲線
中圖分類號(hào): S567.23+9.01 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A ?文章編號(hào):1002-1302(2021)14-0143-06
姜黃屬(Curcuma L.)植物隸屬于姜科(Zingiberaceae),為多年生草本,其膨大塊莖和塊根均可供藥用,中藥材姜黃、郁金和莪術(shù)的基源植物即來自于姜黃屬[1-2]?,F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明,姜黃屬植物具有抗炎、抗腫瘤、降血脂和抗氧化等作用[3]。此外,姜黃屬植物也具有較高的觀賞價(jià)值[4-5],有些還可開發(fā)作為調(diào)味品、色素、香料、染料、化妝品和殺蟲劑等[6]。近年來關(guān)于姜黃屬植物的研究主要集中在化學(xué)成分[7-12]、藥理活性[13-15]、分類鑒別[16-18]等方面,關(guān)于其栽培生理,尤其是光合特性研究報(bào)道較少。
植物光合作用是植物體內(nèi)最重要的生命活動(dòng)過程,是生物鏈的初級生產(chǎn)者,地球上幾乎所有的有機(jī)物都直接或間接地來源于光合作用。光合作用在植物的生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用,是植物光合物質(zhì)生產(chǎn)和產(chǎn)量形成的重要影響因素之一,在一定程度上決定了植物生長發(fā)育和生產(chǎn)能力的高低,植物對環(huán)境因子的適應(yīng)性也可以通過測定光合特征參數(shù)的變化反映出來[19-20]。因而,了解植物的光合生理特性是植物引種栽培過程中的基礎(chǔ)性工作,可以為植物的引種栽培和開發(fā)利用提供參考依據(jù)。
本研究對7種姜黃屬植物的光合日變化、光強(qiáng)度-光合速率曲線和CO2-光合速率曲線等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測定,并對比分析了其光合特性的異同及其對環(huán)境的適應(yīng)能力。研究結(jié)果可為深入了解姜黃屬植物的光合生理差異及其對環(huán)境的適應(yīng)性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并為姜黃屬植物資源的遷地保護(hù)與可持續(xù)開發(fā)利用提供理論基礎(chǔ)。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
本試驗(yàn)所用材料為7種姜黃屬植物,分別為姜黃(C. longa Linnaeus)、廣西莪術(shù)(C. kwangsiensis S. G. Lee & C. F. Liang)、郁金(C. aromatica Salisb.)、溫郁金(C. aromatica Salisb. ‘Wenyujin)、川郁金(C. sichuanensis X. X. Chen)、大莪術(shù)(C. elata Roxb. )和頂花莪術(shù)(C. yunnanensis N. Liu & S. J. Chen)。以上材料均來源于廣西藥用植物園科研基地,于2019年2—3月選擇大小一致、無病蟲害且飽滿結(jié)實(shí)的根莖進(jìn)行種植栽培,種植土為土層深厚、排灌良好的沙壤土,種植后進(jìn)行統(tǒng)一栽植管理。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 光合日變化測定 于供試姜黃屬植物的生產(chǎn)旺盛期(2019年7—8月),選擇晴朗天氣,采用 LI-6400XT 便攜式光合作用測量系統(tǒng)(LI-COR,USA),測定幾種供試姜黃屬植物的光合日變化,每天08:00—18:00,每隔2 h測定1次,重復(fù)測定 3 d,取平均值。測定時(shí)每種植物隨機(jī)選取生長健壯、長勢一致、光照均一的植株10株,以植株主莖自上向下第1張成熟穩(wěn)定葉片作為測試葉,記錄葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)等光合參數(shù)及葉片表面溫度(CTleaf)、環(huán)境CO2濃度(CO2R)、大氣濕度(RH_R)和外界光合有效輻射(PARi)等環(huán)境參數(shù)。為了消除時(shí)間上的誤差,測定時(shí)幾種供試植物隨機(jī)排序。
1.2.2 光強(qiáng)度-光合速率曲線測定 于供試姜黃屬植物的生產(chǎn)旺盛期(2019年7—8月),選擇天氣晴朗且植物光合作用較為旺盛的時(shí)間段(09:30—11:30),采用LI-6400XT便攜式光合作用測量系統(tǒng)(LI-COR,USA),測定幾種供試姜黃屬植物的光強(qiáng)度-光合速率曲線。測定時(shí)每種植物隨機(jī)選取植株3株,測試葉片選取方法同日變化測定。測定時(shí)設(shè)置CO2濃度為400 μmol/(m2·s),葉室溫度為 25 ℃。使用LI-6400XT的LED紅/藍(lán)光源控制光照強(qiáng)度,光強(qiáng)輻射梯度設(shè)定為0、20、50、100、150、200、400、600、800、1 000、1 200 μmol/(m2·s),使用LED紅/藍(lán)光源葉室測定凈光合速率(Pn)。每次測定前將待測葉片在1 000 μmol/(m2·s)的光照強(qiáng)度下誘導(dǎo) 20 min。重復(fù)測定3 d,取平均值。將測得的數(shù)據(jù)采用雙曲線修正模型進(jìn)行回歸擬合,得到最大凈光合速率(Pmax)、暗呼吸速率(Rd)、表觀量子效率(AQY)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)和光飽和點(diǎn)(LSP)。
1.2.3 CO2-光合速率曲線測定 于供試姜黃屬植物的生產(chǎn)旺盛期(2019年7—8月),選擇天氣晴朗且植物光合作用較強(qiáng)的時(shí)間段(09:30—11:30),采用LI-6400XT便攜式光合作用測量系統(tǒng)(LI-COR,USA),測定幾種供試姜黃屬植物的CO2-光合速率曲線。測定時(shí)每種植物隨機(jī)選取植株3株,測試葉片選取方法同日變化測定。測定時(shí)設(shè)置光強(qiáng)為該植物的飽和光強(qiáng)(根據(jù)光強(qiáng)度-光合速率曲線確定),葉室溫度設(shè)定為25 ℃。利用CO2鋼瓶控制CO2濃度(Ci),CO2濃度梯度設(shè)定為400、300、200、100、50、400、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 μmol/(m2·s),使用LED紅/藍(lán)光源葉室測定凈光合速率(Pn)。重復(fù)測定3 d,取平均值。將測得的數(shù)據(jù)采用雙曲線修正模型進(jìn)行回歸擬合,得出CO2飽和凈光合速率(CSPn)、羧化效率(CE)、CO2補(bǔ)償點(diǎn)(CCP)和CO2飽和點(diǎn)(CSP)。
1.3 數(shù)據(jù)分析
用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖,SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)差異顯著性分析,光合計(jì)算軟件對各響應(yīng)曲線的參數(shù)進(jìn)行擬合及數(shù)學(xué)模擬。
2 結(jié)果與分析
2.1 光合日變化
2.1.1 相關(guān)環(huán)境參數(shù)日變化 如圖1所示,測試當(dāng)天,隨著時(shí)間的推移,植物葉片表面溫度和光合有效輻射均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律,光合有效輻射的最大值出現(xiàn)在12:00,葉表面溫度最大值出現(xiàn)在14:00。而大氣濕度剛好相反,隨著時(shí)間的推移,大氣濕度先逐漸減小,14:00達(dá)到最小值,而后又逐漸上升。上午環(huán)境CO2濃度基本保持不變,均保持在400 μmol/(m2·s)左右,午后環(huán)境CO2濃度逐漸降低,16:00達(dá)到最小值,而后又逐漸上升至380 μmol/(m2·s)左右。這與測試當(dāng)天氣象特征基本吻合。
2.1.2 葉片光合參數(shù)日變化 由表1可見,隨著時(shí)間的推移,幾種姜黃屬植物的凈光合速率(Pn)日變化都呈現(xiàn)出先增大后減小的“單峰”曲線變化規(guī)律,均未出現(xiàn)明顯的“午休”現(xiàn)象。凈光合速率大小為姜黃>廣西莪術(shù)>頂花莪術(shù)>川郁金>溫郁金>大莪術(shù)>郁金,且各植物凈光合速率達(dá)到峰值的時(shí)間不同,姜黃、廣西莪術(shù)、溫郁金、川郁金和頂花莪
術(shù)的凈光合速率最大值出現(xiàn)在14:00,最大值均大于17 μmol/(m2·s),姜黃、廣西莪術(shù)的最大凈光合速率甚至超過20 μmol/(m2·s),分別為20.79、20.18 μmol/(m2·s);而郁金和大莪術(shù)的凈光合速率最大值則出現(xiàn)在16:00,僅分別為11.14、12.31 μmol/(m2·s)。另外,溫郁金和大莪術(shù)的凈光合速率在18:00仍相對較高,均在10 μmol/(m2·s)以上。
由表1還可見,隨著時(shí)間的推移,姜黃、廣西莪術(shù)和溫郁金的氣孔導(dǎo)度(Gs)基本維持在0~0.15 mol/(m2·s) 之間,變化較平穩(wěn)。大莪術(shù)的氣孔導(dǎo)度則隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)上升—下降—上升—下降—上升的趨勢,第1個(gè)峰值出現(xiàn)在 10:00,第2個(gè)峰值出現(xiàn)在14:00,峰值均在 0.3 mol/(m2·s) 左右。川郁金和頂花莪術(shù)的氣孔導(dǎo)度則隨著時(shí)間的推移,基本呈現(xiàn)先增大再減小的單峰曲線,不同的是,頂花莪術(shù)的峰值出現(xiàn)在 10:00,為0.92 mol/(m2·s),而川郁金的峰值出現(xiàn)在12:00,為0.59 mol/(m2·s)。郁金的氣孔導(dǎo)度則是先減小,在10:00達(dá)到最小值,為 -0.64 mol/(m2·s),后逐漸上升并出現(xiàn)平穩(wěn)。
幾種姜黃屬植物的胞間CO2濃度隨著時(shí)間推移變化趨勢不盡相同。廣西莪術(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢,在14:00達(dá)到最小值,為 267.07 μmol/mol。郁金、大莪術(shù)和頂花莪術(shù)的胞間CO2濃度隨著時(shí)間推移,均呈現(xiàn)先減小后增大再減小的變化趨勢,但其達(dá)到最大值的時(shí)間不同,郁金在08:00達(dá)到最大值,頂花莪術(shù)在14:00達(dá)到最大值,而大莪術(shù)的最大值則出現(xiàn)在16:00。溫郁金的胞間CO2濃度變化較大,呈現(xiàn)先迅速減小,后迅速上升,再逐漸減小的趨勢,其最小值出現(xiàn)在12:00,為107.64 μmol/mol,于14:00迅速上升至最大值,為446.01 μmol/mol,而后逐漸降低。姜黃和川郁金的胞間CO2濃度隨著時(shí)間推移,呈現(xiàn)先減小后增大再減小再增大的變化趨勢,最大值均出現(xiàn)在14:00。
幾種姜黃屬植物的蒸騰速率(Tr)亦存在較大差異。姜黃和廣西莪術(shù)的蒸騰速率呈現(xiàn)出先增大再減小再增大再減小的“M”型“雙峰”曲線變化趨勢,分別在10:00和14:00出現(xiàn)峰值;溫郁金和大莪術(shù)則表現(xiàn)出先增大再減小的“單峰”曲線變化趨勢,均在12:00達(dá)到最大值;郁金、川郁金和頂花莪術(shù)的蒸騰速率最大值均出現(xiàn)在早上08:00,分別為3.81、4.58、6.43 mmol/(m2·s),川郁金和頂花莪術(shù)蒸騰速率隨時(shí)間推移逐漸減小,在傍晚18:00達(dá)到最小值,且最小值均小于1 mmol/(m2·s),而郁金的蒸騰速率在中午12:00降到1.99 mmol/(m2·s)后又略有回升,14:00達(dá)到2.50 mmol/(m2·s),然后又迅速回落,18:00蒸騰速率甚至下降為負(fù)值,為 -0.62 mmol/(m2·s)。
采用SPSS 22.0數(shù)據(jù)分析軟件對供試的7種姜黃屬植物葉片凈光合速率(Pn)與氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果詳見表2。由表2可見,在這7種植物中,除郁金Pn與Gs呈不顯著正相關(guān)外,其他幾種姜黃屬植物Pn與Gs均呈不顯著負(fù)相關(guān);除廣西莪術(shù)Pn與Tr呈不顯著正相關(guān)外,其余6種Pn與Tr呈現(xiàn)不顯著的負(fù)相關(guān);此外還可以看出,姜黃(CL)、溫郁金(CAW)、川郁金(CS)、頂花莪術(shù)(CY)這4種植物的Pn值與Ci值呈現(xiàn)不顯著正相關(guān),其他3種的Pn值與Ci值均呈不顯著負(fù)相關(guān)。
2.2 光強(qiáng)度-光合速率曲線
如表3所示,幾種姜黃屬植物的光補(bǔ)償點(diǎn)均小于45 μmol/(m2·s),差異不顯著,而光飽和點(diǎn)則存在顯著性差異,大莪術(shù)和頂花莪術(shù)的光飽和點(diǎn)均大于1 300 μmol/(m2·s),姜黃、廣西莪術(shù)和川郁金的光飽和點(diǎn)在780~900 μmol/(m2·s)之間,而郁金和溫郁金的光飽和點(diǎn)則小于600 μmol/(m2·s),溫郁金的光飽和點(diǎn)最低,僅為369.81 μmol/(m2·s)。幾種姜黃屬植物表觀量子效率(AQY)最大的是大莪術(shù),為0.09 μmol/μmol,最小的是廣西莪術(shù),僅為0.01 μmol/μmol,其余幾種植物的表觀量子效率主要集中在 0.05~0.08 μmol/μmol 之間,差異不顯著。姜黃和川郁金的最大凈光合速率(Pmax)相對較高,分別為9.83、10.85 μmol/(m2·s),廣西莪術(shù)、郁金和溫郁金的最大凈光合速率較小,均低于 3.6 μmol/(m2·s)。幾種姜黃屬植物的暗呼吸速率(Rd)在0.1~2.2 μmol/(m2·s)之間,存在顯著性差異,暗呼吸速率最大的為大莪術(shù),暗呼吸速率為2.17 μmol/(m2·s),廣西莪術(shù)的暗呼吸速率最小,僅為0.10 μmol/(m2·s)。
2.3 CO2-光合速率曲線
如表4所示,7種供試姜黃屬植物CO2飽和凈光合速率均在14~23 μmol/(m2·s)之間,差異不顯著,但羧化效率、CO2飽和點(diǎn)和CO2補(bǔ)償點(diǎn)均存在顯著性差異。羧化效率最大的為大莪術(shù),為0.034 μmol/μmol;郁金的羧化效率最小,為 0.018 μmol/μmol,姜黃、廣西莪術(shù)、溫郁金、川郁金和頂花莪術(shù)羧化效率均集中在0.024~0.029 μmol/μmol之間,差異不顯著。CO2飽和點(diǎn)最大的為溫郁金,為2 688.43 μmol/mol,最小的為廣西莪術(shù),僅為 1 461.72 μmol/mol;溫郁金的CO2補(bǔ)償點(diǎn)最大,為225.02 μmol/mol,姜黃、郁金次之,廣西莪術(shù)、大莪術(shù)和頂花莪術(shù)的CO2補(bǔ)償點(diǎn)較小,均小于 90 μmol/mol。
3 討論與結(jié)論
光合作用是光合物質(zhì)生產(chǎn)和產(chǎn)量形成的重要因素之一,在植物的生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要的作用。對植物的光合生理特性進(jìn)行研究可以為植物的引種、栽培和開發(fā)利用提供參考依據(jù)[21]。植物光合能力的強(qiáng)弱不僅可以反映不同光照條件下植物生長的差異性,還能體現(xiàn)植物對環(huán)境變化的適應(yīng)能力。植物光合特性為物種與生長環(huán)境相適應(yīng)的表現(xiàn)[22]。本研究結(jié)果表明,幾種姜黃屬植物的凈光合速率(Pn)日變化都未出現(xiàn)明顯的“午休”現(xiàn)象,均呈現(xiàn)出先增大后減小的“單峰”曲線變化規(guī)律,且大多數(shù)植物的凈光合速率達(dá)到峰值的時(shí)間為14:00,而此時(shí)葉片表面溫度都超過40 ℃,并達(dá)到最大值,光合有效輻射亦接近1 000 μmol/(m2·s),說明姜黃屬植物的光合生產(chǎn)力和光能利用率較高,且對高溫和強(qiáng)光具有一定的耐受性。光合能力強(qiáng)弱在一定程度上取決于物種的遺傳特性,此結(jié)果與供試的幾種植物在分類上為同屬植物,遺傳表現(xiàn)上會(huì)出現(xiàn)一定的相似性相吻合。植物的光合能力強(qiáng)弱不僅可以反映不同光照條件下植物生長的差異性,同時(shí)也體現(xiàn)了其對環(huán)境變化的適應(yīng)能力。幾種供試姜黃屬植物凈光合速率最大值和達(dá)到峰值的時(shí)間皆有不同,氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度及蒸騰速率亦存在顯著性差異,說明不同姜黃屬植物對光能的利用率存在一定差異。這可能是因?yàn)楣┰囍参镉捎诋a(chǎn)地生境差異較大,為適宜不同生境而衍生出各自特有的光合特性。此外,7種姜黃屬植物葉片凈光合速率與氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間CO2濃度均呈現(xiàn)不顯著的正相關(guān)或負(fù)相關(guān),這說明姜黃屬植物的凈光合速率受氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間CO2濃度等因素影響較小。
植物的光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)是評估其光適應(yīng)性的重要指標(biāo)。植物的光飽和點(diǎn)越高且光補(bǔ)償點(diǎn)越低,則表示其對光的適應(yīng)范圍較大,光適應(yīng)性較強(qiáng)[23]。表觀量子效率(AQY)作為反映植物光合特性的指標(biāo),也可以反映出植物對光的利用能力大小,植物的AQY越低,其對光能的利用能力越弱[24]。通常耐陰植物的光補(bǔ)償點(diǎn)與光飽和點(diǎn)均較低,它們能充分利用弱光進(jìn)行光合作用;反之則屬于陽性植物[25]。
本研究表明,供試的7種姜黃屬植物的光補(bǔ)償點(diǎn)均較低且差異不顯著,最高者頂花莪術(shù)也僅為42.55 μmol/(m2·s),表明它們利用弱光能力均較強(qiáng),表現(xiàn)出明顯的耐陰特性,這也與彭昭良等研究結(jié)果姜黃屬植物屬于耐陰植物[26]相符。此外,供試的幾種姜黃屬植物對光適應(yīng)范圍有所不同,綜合來看,大莪術(shù)、頂花莪術(shù)具有相對較低的光補(bǔ)償點(diǎn),相對較高的表觀量子效率和最高的光飽和點(diǎn),且兩者光飽和點(diǎn)種間差異不顯著,說明它們對光的適應(yīng)范圍最大,對強(qiáng)光適應(yīng)能力強(qiáng),因此大莪術(shù)和頂花莪術(shù)栽培上可適當(dāng)增加光照強(qiáng)度,以提高其光能利用效率;姜黃、廣西莪術(shù)、川郁金三者具有較低的光補(bǔ)償點(diǎn)和相對較高的光飽和點(diǎn),且三者光飽和點(diǎn)種間差異不顯著,說明其對光的適應(yīng)范圍居中,對強(qiáng)光利用能力一般;郁金、溫郁金兩者的光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)相對最低,且差異不顯著,說明其對光的適應(yīng)范圍較窄,對強(qiáng)光利用能力最弱,故郁金和溫郁生產(chǎn)上可采取適當(dāng)遮陰措施。
CO2是光合作用的重要原料,同時(shí)也是正常光照條件下光合作用的限制因子。本研究中,供試的7種姜黃屬植物的CCP值在77.17~225.02 μmol/mol之間,其CSP值均大于1 461 μmol/mol,遠(yuǎn)高于大氣中CO2濃度(320~400 μmol/mol),說明供試的7種姜黃屬植物均能耐受較高的CO2濃度,對高濃度CO2利用能力較強(qiáng),因而,適當(dāng)增加環(huán)境中CO2濃度可在一定程度上提高姜黃屬植物的光合利用能力。
綜上所述,供試7種姜黃屬植物均具有較強(qiáng)的耐陰特性,對弱光利用能力較強(qiáng),對強(qiáng)光也有一定的耐受性,但不同植物對光適應(yīng)范圍以及對強(qiáng)光利用能力存在一定的差異,應(yīng)結(jié)合不同姜黃屬植物的光合特性,適當(dāng)調(diào)控其生長環(huán)境因子,根據(jù)每種植物對光照適應(yīng)性對其采取適當(dāng)遮陰或向陽措施,并適當(dāng)增加環(huán)境中CO2濃度,進(jìn)一步提高其光合利用效率和增加藥材產(chǎn)量。
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