海南重樓光合特性研究

張博倫，曹基武，梁其東，梁軍生，張 翼，彭翠英，王旭軍

（1中南林業(yè)科技大學(xué)，長沙 410004；2湖南省林業(yè)科學(xué)院，長沙 410004；3湖南省林下特色生物資源培育與利用工程技術(shù)研究中心，長沙 410004）

0 引言

海南重樓(Paris dunniana)為延齡草科(Trilliaceae)重樓屬(Paris)側(cè)膜亞屬(Subgenus Daiswa)多年生草本植物，自然生長于海拔1100 m以下的林下，在海南、貴州和云南有野生分布，是重樓屬中分布緯度最低的種。海南重樓植株高1.5～3 m，葉片長15～30 cm、寬7.5～16 cm，在重樓屬中外形最為高大，從植物系統(tǒng)發(fā)育程度比較，也是該屬中最為原始的種[1-2]。《中華藥典》中收錄的重樓原藥材只有滇重樓(Paris polyphylla var.yunanensis)和華重樓(Paris polyphylla var.chinensis)2個(gè)變種，其根莖中的甾體皂苷、黃酮、甾醇等有效藥用成分具有消炎去腫、止血祛濕、抗癌等功效，是云南白藥、三七血傷寧、金復(fù)康口服液等中成藥的主要原料[3-10]。雖然海南重樓并未被收錄進(jìn)藥典，但民間已有將包括海南重樓在內(nèi)的同屬其他種入藥的傳統(tǒng)，同時(shí)現(xiàn)代藥理學(xué)研究表明，海南重樓等種含有同樣的有效藥用成分，可作為新藥源或替代資源開發(fā)利用[11-14]。因自然生境被破壞，野生海南重樓種群數(shù)量急劇減少，已成為瀕危保護(hù)植物[15]。目前，關(guān)于海南重樓的研究主要集中于植物系統(tǒng)發(fā)育及分類[2,16]、種群狀況及種質(zhì)資源[15,17]、開花傳粉特性[18]、植物細(xì)胞特性[19]方面，對(duì)于其生長過程中的光合相關(guān)生理特性研究研究較少。本研究測(cè)量5年生成熟海南重樓植株的光合速率日變化，及其光響應(yīng)和CO2響應(yīng)特性，以期為海南重樓的良種選育和高效栽培管理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于湖南省新寧縣崀山珍稀植物研究所種質(zhì)資源圃內(nèi)，地理坐標(biāo)為110°50′11″E、26°25′51″N，海拔約為310 m。所在區(qū)域氣候溫和濕潤，光熱充足，降水充沛，四季分明，為中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。全年平均氣溫17.0℃，年均降雨量1331.1 mm。種植苗床位于近30年生銀杉林下，郁閉度約為0.8。苗床土壤經(jīng)改良，增加沙粒和充分腐熟的餅肥等有機(jī)肥后為微酸性疏松砂質(zhì)壤土。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料于2016年10月移植地栽于苗圃銀杉林下，均為5年生苗。株行距為40 cm×35 cm，常規(guī)水肥管理。試驗(yàn)前選取長勢(shì)均勻、生長健康的植株5株，每株隨機(jī)選取3片測(cè)量葉片，通過系掛標(biāo)簽標(biāo)記區(qū)分，以確保每次光合測(cè)量的葉片位置一致。

1.3 測(cè)定方法

在2020年8月1—8日天氣晴朗的條件下，使用美國Li-Cor公司型號(hào)為LI-6400XT的光合作用測(cè)量?jī)x測(cè)定試驗(yàn)植株葉片光合特性對(duì)不同光照強(qiáng)度和CO2濃度的響應(yīng)，及其日變化。光合特性日變化的測(cè)定時(shí)間為8:00—18:00，每輪測(cè)量間隔2 h，每次測(cè)量重復(fù)3次，計(jì)算其平均值用于分析。當(dāng)測(cè)定海南重樓葉片光合指標(biāo)的光響應(yīng)曲線時(shí)，葉室內(nèi)CO2由儲(chǔ)氣瓶供應(yīng)，其氣體濃度設(shè)定為400 μmol/mol，葉室內(nèi)光合有效輻射(PAR)變化范圍設(shè)為 0～1200 μmol/(m2·s)。當(dāng)測(cè)定海南重樓葉片光合指標(biāo)的CO2響應(yīng)時(shí)，葉室內(nèi)光合有效輻射設(shè)定為600 μmol/(m2·s)，葉室內(nèi)CO2氣體濃度范圍設(shè)定為50～2000 μmol/mol。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

使用Excel 2016軟件整理測(cè)量數(shù)據(jù)以及制作圖表，并用JASP統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行相關(guān)分析。光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線采用二項(xiàng)式曲線擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子日變化

如圖1所示，天氣晴朗條件下，在郁閉度約為0.8的銀杉林中，光合有效輻射(PAR)和空氣溫度(Ta)的日變化均呈現(xiàn)出先升后降的變化趨勢(shì)。光合有效輻射從8:00起快速上升，雖然增長速率逐步放緩，但于14:00到達(dá)最高值[330 μmol/(m2·s)]，之后快速下降，在18:00到達(dá)最低值40 μmol/(m2·s)。空氣溫度從8:00 起快速上升，在12:00達(dá)到較高值(34.20℃)，此后緩慢上升，在16:00達(dá)最高值35.03℃，此后快速下降?？諝鉁囟鹊淖罡咧当裙夂嫌行л椛涞淖罡咧低? h，推測(cè)原因?yàn)榭諝鉁囟壬仙俣容^慢。

圖1 PAR和Ta日變化

如圖2所示，空氣相對(duì)濕度(RH)和大氣CO2濃度(Ca)呈現(xiàn)出先降后升的“U”形日變化趨勢(shì)?？諝庀鄬?duì)濕度在8:00達(dá)到77.82%的最高值，此后快速下降，在12:00達(dá)到最低值，為54.82%，12:00—16:00略有上升，之后快速上升，于18:00達(dá)到71.91%，日變化幅度為23個(gè)百分點(diǎn)。大氣CO2濃度同樣在8:00為最高點(diǎn)，達(dá)到488.97 μmol/mol，之后迅速下降，至14:00降至最低點(diǎn)，為 419.60 μmol/mol，此后又快速上升 ，在 18:00 達(dá)457.23 μmol/mol，日變化幅度為 69.37 μmol/mol，出現(xiàn)該趨勢(shì)的原因推測(cè)是試驗(yàn)區(qū)植被茂密，早晚時(shí)植物光合作用弱，中午則較強(qiáng)，大氣中的CO2被植物吸收，因此在14:00大氣CO2濃度最低。

圖2 RH和Ca日變化

2.2 海南重樓凈光合速率和蒸騰速率日變化

如圖3所示，海南重樓葉片的凈光合速率(Pn)在8:00為1.96 μmol/(m2·s)，之后逐漸上升，于14:00達(dá)到最高峰值2.83 μmol/(m2·s)，此后迅速下降，在18:00降到最低值0.86 μmol/(m2·s)。海南重樓葉片蒸騰速率(Tr)日變化表現(xiàn)為雙峰型，從8:00開始上升，在12:00達(dá)到較高峰值[0.99 μmol/(m2·s)]，在14:00略有下降，至16:00達(dá)到最高峰值[1.05 μmol/(m2·s)]，之后下降。

圖3 Pn和Tr日變化

如圖4所示，胞間CO2濃度(Ci)和氣孔限制值(Ls)的日變化趨勢(shì)完全相反，胞間CO2濃度先降后升，在12:00達(dá)到最低值303.71 μmol/(m2·s)，而氣孔限制值先升后降，在12:00達(dá)到最低值0.39。根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)胞間CO2濃度下降而氣孔限制值上升時(shí)，葉片凈光合速率降低主要受氣孔因素的影響，而當(dāng)胞間CO2濃度上升而氣孔限制值降低時(shí)，葉片凈光合速率降低主要受非氣孔因素的影響[20]。由此分析，葉片凈光合速率在14:00后迅速降低的主要影響因素是非氣孔因素。

圖4 Ci與Ls日變化

2.3 海南重樓葉片氣孔導(dǎo)度和葉片水氣壓虧缺日變化

如圖5所示，海南重樓葉片氣孔導(dǎo)度(Cond)與葉片水氣壓虧缺(Vpdl)的日變化曲線幾乎呈相反的趨勢(shì)，葉片氣孔導(dǎo)度日變化在10:00后呈“W”形的雙峰曲線，而葉片水氣壓虧缺日變化呈倒“W”形的雙峰曲線。在12:00和16:00葉片氣孔導(dǎo)度降至2個(gè)谷值，而葉片水氣壓虧缺則達(dá)到2個(gè)峰值，在14:00葉片氣孔導(dǎo)度為一個(gè)峰值，而葉片水氣壓虧缺為一個(gè)谷值。

圖5 Cond和Vpdl日變化

2.4 海南重樓葉片光能利用率和水分利用效率的日變化

光能利用率(LUE)是凈光合速率與光合有效輻射的百分比，可作為衡量植物對(duì)光照利用能力的指標(biāo)[21]，水分利用效率(WUE)為凈光合速率與蒸騰速率之比，可反映光合與蒸騰的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[22]。如圖6所示，海南重樓葉片光能利用率的日變化呈拋物線形式，在8:00為最高值0.0356%，之后快速下降，10:00—14:00略有下降，在14:00降至最低值0.0086%，之后開始上升。結(jié)合圖1來看，海南重樓葉片光能利用率的日變化趨勢(shì)與光合有效輻射的日變化趨勢(shì)相反，在光合有效輻射強(qiáng)度較高時(shí)葉片光能利用率反而較低，表明海南重樓對(duì)弱光的利用能力更強(qiáng)。海南重樓葉片水分利用效率日變化總體呈逐漸下降趨勢(shì)，在8:00為最高值，之后大幅下降，12:00—14:00略微上升，之后又逐漸降低。分時(shí)間段來看，上午海南重樓葉片的水分利用效率顯著高于下午時(shí)段。

圖6 LUE和WUE日變化

2.5 海南重樓凈光合速率影響因子的相關(guān)及回歸分析

海南重樓的凈光合速率受多種生理生態(tài)因子影響。為了解其相關(guān)性，在JASP軟件中采用Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，得出結(jié)果如表1所示。Pn與Tr、Vpdl、Ta、PAR呈正相關(guān)，且與Tr和Vpdl呈極顯著正相關(guān)，此外，Pn還與Cond、Ci、Ca、RH呈負(fù)相關(guān)，且與其中的Ci、RH和Ca呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表1 海南重樓凈光合速率與各種生理生態(tài)因子的相關(guān)分析

為進(jìn)一步明確對(duì)海南重樓凈光合速率影響最大的生理或生態(tài)因子，以Pn作因變量，其他生理生態(tài)因子作協(xié)變量，多元逐步回歸分析得式(1)。此回歸方程表明，影響海南重樓凈光合速率的主要生理生態(tài)因子是氣孔導(dǎo)度，其次是葉片水氣壓虧缺。

2.6 海南重樓的光響應(yīng)特征

如圖7的光響應(yīng)曲線所示，當(dāng)PAR在0～200μmol/(m2·s)時(shí)，海南重樓凈光合速率隨其增強(qiáng)而呈直線上升趨勢(shì)，之后速率增長趨緩，在PAR達(dá)737.5 μmol/(m2·s)時(shí)，凈光合速率達(dá)到最高點(diǎn)，也即是光飽和點(diǎn)(light saturation point，LSP)，之后有所下降。

根據(jù)圖7和表2所示，海南重樓葉片光補(bǔ)償點(diǎn)(lightcompensation point，LCP)為 3.04 μmol/(m2·s)，光飽 和 點(diǎn) 為 737.5 μmol/(m2·s)，表 觀 量 子 效 率(apparentquantum yield，AQY)為 0.0452 μmol/(m2·s)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，一般陽生植物的光補(bǔ)償點(diǎn)為[9～18 μmol/(m2·s)][23]，滇 重 樓 (P.polyphyllavar.yunanensis)、毛重樓(P.mairei)、白花重樓(P.polyphyllavar.alba)和花葉重樓(P.marmorata)的光補(bǔ)償點(diǎn)均高于[5.973 μmol/(m2·s)][24]，與之相比，海南重樓葉片光補(bǔ)償點(diǎn)很低，表明海南重樓對(duì)弱光環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)，屬于較典型的陰生植物。

圖7 海南重樓光響應(yīng)曲線圖

表2 海南重樓光響應(yīng)曲線及CO2響應(yīng)曲線的光合參數(shù)值

2.7 海南重樓的二氧化碳響應(yīng)特征

如圖8的CO2響應(yīng)曲線所示，當(dāng)CO2濃度低于400 μmol/mol時(shí)，海南重樓的凈光合速率幾乎呈直線上升，而當(dāng)CO2濃度超過600 μmol/mol后，其凈光合速率增長速率減緩，在CO2濃度為1687.5 μmol/mol時(shí)，凈光合速率達(dá)到CO2飽和點(diǎn)(carbon dioxide saturationpoint，CSP)，其后開始下降。

由圖8和表2可知，海南重樓的CO2補(bǔ)償點(diǎn)(carbon dioxide compensationpoint，CCP)為 92.33 μmol/mol，CO2飽和點(diǎn)為 1687.5 μmol/mol，羧化速率(carbonation efficiency，CE)為0.0124 μmol/mol。

圖8 海南重樓CO2響應(yīng)曲線圖

3 結(jié)論

對(duì)林下華重樓光合特性的研究結(jié)果顯示，其光補(bǔ)償點(diǎn)為3.93 μmol/(m2·s)，光飽和點(diǎn)為455 μmol/(m2·s)[25]；本研究顯示海南重樓的光補(bǔ)償點(diǎn)為3.04 μmol/(m2·s)，光飽和點(diǎn)為 737.5 μmol/(m2·s)，表明海南重樓對(duì)光合有效輻射的利用范圍更大。海南重樓的CO2補(bǔ)償點(diǎn)為92.33 μmol/mol，CO2飽和點(diǎn)為 1687.5 μmol/mol，羧化速率為 0.0124 μmol/mol。

4 討論

本研究首次對(duì)海南重樓的光合特性進(jìn)行測(cè)量分析，為重樓的選擇育種以及人工高效栽培提供了理論參考。

通過對(duì)海南重樓葉片凈光合速率日變化的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)為“單峰”曲線，沒有出現(xiàn)“光合午休”現(xiàn)象，對(duì)其生理和生態(tài)影響因子進(jìn)行相關(guān)分析和多元逐步回歸分析，其主要影響因子為氣孔導(dǎo)度，而影響氣孔導(dǎo)度的生態(tài)因子有太陽輻射、氣溫、濕度、CO2濃度和土壤水勢(shì)，由此推測(cè)由于海南重樓種植在郁閉度較高的銀杉林下，光照不足，雨水被遮擋，通風(fēng)不暢，導(dǎo)致凈光合速率受到限制。因此建議當(dāng)林下種植時(shí)可適當(dāng)疏伐林木，以保持種植區(qū)域通風(fēng)透光透水，這樣更有利于提高海南重樓光合速率，促進(jìn)其生長。

由于本試驗(yàn)的材料均固定地栽于郁閉度較高的林下，測(cè)量到的林下光合有效輻射最高為[330 μmol/(m2·s)]，不到擬合出的海南重樓光飽和點(diǎn)[737.5 μmol/(m2·s)]的一半，推測(cè)林下長期光照條件不足可能會(huì)對(duì)海南重樓的生長發(fā)育造成影響，同時(shí)本試驗(yàn)在8月初進(jìn)行，氣溫較高，海南重樓已進(jìn)入年生長周期的末期，這些因素可能會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。因此需要補(bǔ)充海南重樓在不同光照條件下和年生長周期早期的光合特性測(cè)量試驗(yàn)，以提升測(cè)量數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性。