3種山茶科植物苗期光合特性的研究*

郭彩霞 朱鏵楠 楊佳曼 武宇凡謝子才 肖可菁 李 鑠 陳紅躍

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642)

光合作用是植物最重要的生理過程之一，是植物生長發(fā)育的物質(zhì)和能量來源[1-2]。通過研究不同植物的光合特性，可作為判斷植物生長、發(fā)育態(tài)勢、產(chǎn)量和抗逆性的指標(biāo)[3]。葉綠素?zé)晒夥治瞿軌虮碚髦参飳饽艿奈?、傳遞、耗散、分配等方面的能力，運用此技術(shù)可研究植物光合生理功能，以及各外界因子的影響[4]。

金花茶Camellia petelotii屬于山茶科山茶屬，是國家一級重點保護(hù)植物[5]。該植物在國外被譽為“植物界大熊貓”、“茶族皇后”。金花茶喜溫暖濕潤氣候，觀賞性極高，兼有藥用價值、經(jīng)濟價值、科研價值。山茶Camellia japonica屬于山茶科山茶屬，為中國的傳統(tǒng)園林花木，喜溫暖、濕潤和半陰環(huán)境。具有較高的藥用價值，還兼有觀賞和食用價值。杜鵑紅山茶Camellia azalea是山茶科山茶屬植物，喜光而耐半陰，是我國特有的山茶科頻危植物，主要分布在我國廣東省陽春市鵝凰嶂省級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)。前人關(guān)于山茶科的光合特性研究較少，主要集中在紅山茶葉綠素?zé)晒馓匦缘谋容^，結(jié)果顯示紅山茶不同亞組、同一亞組不同系之間的葉綠素?zé)晒鈪?shù)值存在顯著差異，且亞組間大于亞組內(nèi)[6]；王坤、韋曉娟等[7]比較分析12 種金花茶品種的光合生理特性，結(jié)果說明12 種金花茶的光合特性具有顯著差異，越南引種的金花茶對本地環(huán)境具有極強的適應(yīng)性。唐煒、譚曉鳳等[8]對山茶屬3 個物種光合特性日變化等生理指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果表明攸縣油茶有更好的光合效率。張方秋等[9]探討杜鵑紅山茶光響應(yīng)曲線模型的適用性，結(jié)果顯示杜鵑紅山茶葉片光合速率與光強之間存在非線性關(guān)系，直角雙曲線修正模型的擬合效果最佳。通過研究山茶、金花茶、杜鵑紅山茶的光合特征以及葉綠素?zé)晒馓卣鳎転樯讲?、金花茶、杜鵑紅山茶的栽培提供基礎(chǔ)資料，為花木資源的培育和篩選研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設(shè)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)，其地理位置為東經(jīng)113°21′21.31″，北緯23°9′45.43″，屬海洋性亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖多雨、光熱充足、夏季長、霜期短。年平均氣溫為20.8～22.8℃；一年中最熱的月份是7 月，月平均氣溫達(dá)28.1～28.7 ℃。最冷月為1 月份，月平均氣溫為9～16℃。平均相對濕度77%，年降雨量約為1 720.4 mm。

1.2 試驗材料

3 種苗木的生長環(huán)境和日常管理一致。每天傍晚澆一次水。選用生長健壯、無病蟲害、長勢一致的苗木作為試驗材料。杜鵑紅山茶、山茶和金花茶平均苗高分別為32.79、25.06 和34.12 cm；平均地徑分別為0.51、0.82 和0.65 cm。

1.3 試驗方法

1.3.1 瞬時光合特征測定 于2021 年1 月中旬，連續(xù)3 d，每天天氣晴朗的上午9:00—11:30 時，各挑選3 株生長一致并具代表性的當(dāng)年生成熟葉3 片為材料，并作標(biāo)記，采用Li-6400XT 便攜式光合分析儀，測定指標(biāo)包括葉片凈光合速率（Net photosynthesis,Pn）、氣孔導(dǎo)度（Stomatal conductance,Gs）、胞間二氧化碳濃度（Intercellular CO2concentration,Ci）、蒸騰速率（Transpiration rate,Tr）、飽和蒸氣壓虧缺（Vapor pressure deficit,Vpdl）、氣孔限制值（Stomatal limitation value,Ls）、水分利用效率（Water use efficiency, WUE）、光能利用率（Utility rate of luminous energy, LUE）。測量時設(shè)定光照強度為1 000 μmol·m-2s-1，溫度為25℃，空氣流量為500 μmol·s-1，CO2濃度為環(huán)境濃度。Ls、WUE 和LUE 的計算公式分別如下[10]：

1.3.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定 在測定光合作用參數(shù)的同時，測定自然條件下3 種苗木的葉綠素?zé)晒鈪?shù)。選取植物枝條頂端向陽葉片中充分展開的葉片中部進(jìn)行活體測定，同種植物各3 株，每株植物測定3 個葉片，每葉片重復(fù)2～3 次。采用PAM-2500 便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x，先對葉片進(jìn)行充分暗適應(yīng)30 min，選擇非化學(xué)淬滅（Non-photochemical quenching,NPQ）模式，再經(jīng)過一小段時間（1 ～2 min），待熒光水平穩(wěn)定后測定光下最大熒光產(chǎn)量（Maximum fluorescence output,Fm'）、PSII 實際光量子效率（Actual optical quantum efficiency, Y(II)）、調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量Y(NPQ)、非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量Y(NO)、NPQ、表觀電子傳遞速率(Apparent electron transfer rate, ETR)等參數(shù)，測定時間和植物葉片光合特征參數(shù)的測定同步。

1.4 分析方法

利用 Microsoft Excel 2010 軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行初步分析和作圖，利用SPSS19.0 統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行方差分析和Duncan 多重比較，顯著水平設(shè)為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片瞬時光合特性參數(shù)

3 種山茶科葉片瞬時光合特性參數(shù)的測定結(jié)果見表1。由表可知，在3 種苗木數(shù)中，山茶的Pn、Gs、Tr都顯著高于其他兩種植物；同時杜鵑紅山茶的Pn、Gs、Tr也顯著高于金花茶；金花茶的Pn、Gs、Tr最低。

表1 3 種山茶科各項光合特性指標(biāo)的多重比較結(jié)果Table 1 Measurement results of various photosynthetic characteristics of three kinds of Camellia

金花茶的Ci和Vpdl 最高，山茶的Ci和Vpdl最低。山茶的Ls最大，杜鵑紅山茶的Ls次之，金花茶的Ls最小。山茶的水分利用效率（WUE）最高，金花茶的WUE 最低。LUE 是指植物經(jīng)過光合作用所產(chǎn)生的有機物中所含的能量，與照射在單位土地上的日光能量的比值。它能反映植物對光輻射的利用效率[11]。其中山茶的LUE 最高，而金花茶的LUE 最低。杜鵑紅山茶的各項光合特性指標(biāo)居中；山茶的Pn、Gs、Tr、Ls、WUE、LUE值皆最高，而Vpdl 和Ci值均最低，金花茶的多項光合指標(biāo)值均偏低。

方差分析結(jié)果表明，3 種植物之間的Pn（F=65.354 >F0.01=4.796）、Gs（F=90.986>F0.01=4.796）、Tr（F=96.679 >F0.01=4.796）、Vpdl （F=100.588 >F0.01=4.796）、LUE（F=63.534 >F0.01=4.796）的差異都極顯著。Ci（F=0.423

2.2 葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)

由表2 可知，杜鵑紅山茶的Fm’值最高，而山茶的最低。PS II 實際光量子效率Y(II)反應(yīng)了植物葉片的實際光合效率。從表中可知，山茶的Y(II)值處在最高水平，杜鵑紅山茶的Y(II)值處在最低水平。3 種植物的調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量Y(NPQ)也有差異，杜鵑紅山茶的Y(NPQ)值最高，次之是山茶，Y(NPQ)值最低是金花茶。非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量Y(NO)表示植物通過其他形式減少進(jìn)入光化學(xué)途徑的能量占總吸收能量的比值，是光損傷的重要指標(biāo)[12]。若Y(NO)比較高，則說明光化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和保護(hù)性的調(diào)節(jié)機制（如熱耗散）不足以將植物吸收的光能完全消耗掉,這時的植物可能已經(jīng)受到損傷[13]。從表中可知，金花茶處于最高水平，其次是山茶；杜鵑紅山茶處于最低水平。

表2 3 種山茶科各項葉綠素?zé)晒獾臏y定結(jié)果Table 2 Measurement results of chlorophyll fluorescence of three kinds of Camellia

NPQ 是指以熱能的形式耗散掉的那一部分光能，反映了植物葉片熱耗散的情況，反映的是PSII 天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞以熱的形式耗散掉的光能部分[14]。當(dāng)PS II 反應(yīng)中心天線色素吸收了過量的光能時,如不能及時地耗散將對光合機構(gòu)造成失活或破壞,所以非光化學(xué)淬滅是一種自我保護(hù)機制,對光合機構(gòu)起一定的保護(hù)作用[15],金花茶和杜鵑紅山茶的NPQ 值低于山茶的NPQ 值。ETR 反映了光合能量的傳遞速率，由表可知，山茶的ETR 最高，杜鵑紅山茶的ETR最低。

方差分析結(jié)果表明。3 種植物之間的葉綠素?zé)晒馓卣鲄?shù)中，F(xiàn)m'（F=11.829>F0.01=4.796）、Y(II)（F= 9.879 >F0.01=4.796）、ETR（F=5.394 >F0.01=4.796）的差異都極顯著。（F=1.563

3 討論與結(jié)論

本實驗條件下，3 種山茶科植物的P、Gs、Tr、Vpdl、LUE 的差異都顯著。而Ci、Ls、WUE的差異不顯著。說明了3 種山茶科植物的光合作用能力、水分利用能力等差別較大，還反映3 種山茶科植物對同一環(huán)境的光合作用能力存在很大的差別。Pn值能直接反映出植物的光合作用能力[16]，3 種山茶科植物山茶的Pn值最高，說明同等條件下山茶的光合能力強；山茶的Gs最高，則說明山茶的氣孔導(dǎo)度高。Tr值是植物單位葉面積瞬間的耗水量，能夠反應(yīng)出不同植物的耗水潛力[17]。山茶的Tr值最高，從生產(chǎn)實踐的方面看，在高溫少雨以及干旱的環(huán)境中，應(yīng)及時澆水，避免植物因蒸騰作用而發(fā)生葉片缺水的狀態(tài)，這樣也有利于植物的健康生長。而存在這種差異可能和物種本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生理過程有關(guān)[18]。Ci的大小取決于葉片周圍空氣的二氧化碳濃度、氣孔導(dǎo)度以及葉肉細(xì)胞的光合活性[19]。由于3 種山茶科所處環(huán)境相近，Ci值相差不顯著。Ls值指隨著葉片水分散失，氣孔開度減小，氣孔阻力增加，二氧化碳進(jìn)入葉片受阻，導(dǎo)致植物光合速率下降[20]。3 種山茶科植物L(fēng)s值相差不顯著，說明外界環(huán)境一致。3 種山茶科植物Vpdl 值相差顯著，而外界環(huán)境一致，可能和當(dāng)時的測定時間以及測定時光強的高低有關(guān)[10]。3 種山茶科的WUE 值差別不大，而LUE 值相差顯著，山茶的LUE 值最大，杜鵑紅山茶次之，金花茶的最小，說明山茶的光合能力較高。3 種山茶科植物中，山茶光合能力強，適宜栽培在陽光充足，水肥條件好的地方，而金花茶是低光合、低蒸騰、低水分利用率，適宜栽培在干旱，陰涼的環(huán)境中，而杜鵑紅山茶介于山茶和金花茶之間。

通常情況下，植物葉片葉綠素吸收的光能主要通過光合電子傳遞、葉綠素?zé)晒獍l(fā)射和熱耗散3種途徑來消耗，這3 種途徑之間存在著此消彼長關(guān)系，光合作用和熱耗散的變化會引起熒光的相應(yīng)變化。因此，可以通過對熒光的觀測來探究植物光合作用和熱耗散的情況[21]。

研究結(jié)果表明，3 種山茶科植物的Fm'、Y(II)、ETR 的種間差異顯著，說明3 種山茶科植物傳遞光能的能力、光能轉(zhuǎn)化效率的同化力以及光合能量傳遞速率的能力差異明顯。一般認(rèn)為，ETR 值低，Y(II)也低，且對環(huán)境的適應(yīng)能力相對較弱，山茶的ETR 和Y(II)最高，杜鵑紅山茶的ETR 和Y(II)最低[22]。這有可能是PS II 吸收的光能未全部用于光合電子傳遞，部分以熱能耗散掉，這也是一種自我保護(hù)機制，對光合系統(tǒng)起一定的保護(hù)作用[23]。3 種山茶科植物的調(diào)節(jié)性能量耗散的(NPQ)、非調(diào)節(jié)性能量耗散的Y(NO)、NPQ 相差不顯著，說明3 種山茶科植物光損傷和熱耗散的程度相當(dāng)。沒有受到葉片中光合酶活性、二氧化碳擴散阻力尤其是氣孔阻力的影響[24]?？傮w來看，山茶的Y(II)、NPQ、ETR 值均最高，而Y(NPQ)和Y(NO)是植物光保護(hù)的指標(biāo)，山茶的Y(NPQ)和Y(NO)值相對較低，說明山茶是光合速率較高的植物，同時還具有較強的剩光能耗散能力。而金花茶的Y(NO)值最高，說明其消耗的光能少，影響光合作用的進(jìn)行[25]。杜鵑紅山茶的光合速率介于山茶和金花茶之間。

綜上所述，3 種同科的植物光合特性相差明顯，山茶的光合速率最強，推測栽培時需要日照充足的環(huán)境，能耐一定的強光，而金花茶光合速率最弱，適宜栽種在陰涼的環(huán)境，在生產(chǎn)培育中應(yīng)注意遮陰。杜鵑紅山茶則處于山茶和金花茶之間。本次研究是在相同環(huán)境下測定3 種植物的瞬時光合特性和葉片葉綠素?zé)晒馓匦裕资芷渌h(huán)境參數(shù)因子影響，故今后還需要進(jìn)一步完善研究，為山茶科植物的研究和栽培提供理論參考。