雌雄株香榧生育期光合特性與氮分配關(guān)系研究

歐明燭, 任啟飛, 馬菁華, 劉 芳, 鄭 聽, 陳云飛, 任少華, 楊 朔, 周 艷

(貴州省植物園, 貴陽 550004)

香榧(Torreyagrandis)隸屬紅豆杉科(Taxaceae)榧屬,常綠喬木、雌雄異株,是榧樹(Torreyagrandis)經(jīng)過人工選種繁育嫁接的中國特有珍稀干果樹種,同時也是集藥用、油用和觀賞于一體的經(jīng)濟(jì)樹種。大多數(shù)果樹和經(jīng)濟(jì)林木的產(chǎn)量與植物性別性狀有密切聯(lián)系,不同性別植物具有不同的經(jīng)濟(jì)價值,原因在于雄性器官和雌性器官的區(qū)別,其中雄性植株在綠化林木中具有較大的經(jīng)濟(jì)價值,雌性植株則在種子和果實類植物中具有較大的經(jīng)濟(jì)價值[1]。因此,探究香榧雌雄性植株葉片在生育期生理生化指標(biāo)之間的關(guān)系,對栽培優(yōu)質(zhì)香榧并提高產(chǎn)量具有重要意義。目前對香榧雌雄異株植物的葉片研究集中在光合特性變化、氮分配及氮利用效率等方面。當(dāng)年生春梢葉片及結(jié)果枝葉片是果實發(fā)育的重要同化物供應(yīng)源,二者對果實發(fā)育都具有重要作用[2-3]。由于雌雄異株植物對雄性和雌性生殖有不同需求,這類植物的資源分配模式可能因性別而產(chǎn)生差異[4]。光合有效輻射是影響早實核桃和晚實核桃凈光合速率的主要環(huán)境因素,在生產(chǎn)中需注意株行距、適當(dāng)修剪等[5]。植物的光合作用影響植物的生長發(fā)育,葉片氮含量影響葉片中光合色素含量,與光合作用關(guān)系密切。葉片氮分配是指氮在植物葉片各細(xì)胞結(jié)構(gòu)及游離化合物中的分配比例,葉片氮分配方式對葉片光合能力的強(qiáng)弱起決定性作用[6]。光合氮利用效率(PNUE)是描述植物葉片生理特性、營養(yǎng)成分利用及生存策略的重要指標(biāo),在生產(chǎn)中提高光合氮利用效率能提高作物的氮素利用率和產(chǎn)量[7-8]。劉璉等[9]研究表明,無論樹齡大小,從5月到8月,葉片氮含量減少,干物質(zhì)積累使葉片發(fā)育成熟,8月到11月氮分配比例發(fā)生變化導(dǎo)致葉片PNUE相對較高。黃增冠等[10]從香榧不同葉齡的葉片,比較其光合能力及氮分配之間的關(guān)系,不同葉齡的光合特性有差異,葉齡增加使葉片對光適應(yīng)性減弱,葉齡相同不同葉位香榧葉片的光合特性無顯著差異。陳佳妮等[11]對香榧和榧樹進(jìn)行葉片光合特性比較,并研究兩者之間的光保護(hù)機(jī)制,與榧樹相比,香榧葉片雖具有較高的氮含量,但光合氮素利用效率低。宋洋等[12]研究表明,適當(dāng)遮蔭處理能提高香榧苗對弱光的利用率,促進(jìn)香榧苗的生長發(fā)育,而過度遮蔭可能導(dǎo)致光合能力下降。近些年來針對香榧的研究主要集中在藥用、化學(xué)成分、香榧種子和假種皮等方面[13-15],缺乏對雌雄香榧的花、葉等部位之間關(guān)系的研究,尤其對雌雄香榧葉片光合特性及氮分配之間的比較研究相對較少。本研究通過對雌雄香榧營養(yǎng)生長階段(無花、無果)與生殖生長階段(開花、結(jié)果)葉片光合特性及葉片氮含量、氮分配等測定,初步探討香榧不同生長階段葉片光合特性的差異及氮分配調(diào)節(jié)機(jī)制,對改善香榧葉片光合性能,為進(jìn)一步提高香榧果實產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地位于貴州省植物園香榧良種采穗圃,地理位置(106°42′E,26°34′N),海拔1 210～1 410 m,年均氣溫15.3 ℃,相對濕度約為74%,年平均總降水量為1 174.7 mm,日照率低,氣候溫暖濕潤,熱量充足,雨量充沛,屬于典型的北亞熱帶高原季風(fēng)濕潤氣候區(qū),具有典型高原山地喀斯特地貌特征[16]。供試材料為長勢良好且一致的香榧幼樹嫁接苗(2014年2+5嫁接苗,砧木為二年生榧樹,穗條為五年生香榧),所有植株樹高、胸徑和冠幅基本一致。選擇雌雄植株側(cè)枝冠層陽面的健康成熟一年生無果(無花)(N+1)-WG(WH)葉片及一年生結(jié)果(開花)(N+1)-GG(KH)葉片作為測試葉,分別掛牌標(biāo)記,測定時保持葉片自然生長角度不變,每株植物重復(fù)測定3次,測定時間為2020年10月中旬。

1.2 測定項目及方法

1.2.1光合-光響應(yīng)曲線

采用Li-6800便攜式光合儀(美國LI-COR公司)于晴天的09:00—12:00時,14:00—17:00時自然環(huán)境條件下測定香榧幼樹結(jié)果(開花)和無果(無花)葉片的光響應(yīng)曲線。測定時,設(shè)定葉室溫度25 ℃,葉室相對濕度50%,氣體流速為500 μmol/s,根據(jù)外界環(huán)境的實際光強(qiáng)設(shè)置人工光源2100RGB適應(yīng)20 min,CO2濃度為400 μmol/mol,由CO2小鋼瓶控制CO2濃度,光合有效輻射強(qiáng)度(PAR)梯度為2 100,1 800,1 500,1 200,900,700,500,400,300,200,100,50,20,10,0 μmol/(m2·s)。在每個梯度的光強(qiáng)下穩(wěn)定4 min記錄各項數(shù)據(jù),重復(fù)3～4次,取測定結(jié)果的平均值。測定的主要參數(shù)包括:胞間CO2濃度(Ci),蒸騰速率(Tr),最大葉片凈光合速率(Pmax),氣孔導(dǎo)度(Gs)等。

根據(jù)SPSS軟件計算出光響應(yīng)曲線光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)、最大凈光合速率(Pmax)、暗呼吸速率(Rd)。

表1 香榧幼樹生長環(huán)境因子Table 1 The growth environmental factors of Torreya grandis young trees

1.2.2CO2響應(yīng)曲線

測定條件與測定光響應(yīng)曲線的條件相同,對選擇光響應(yīng)曲線測定的葉片進(jìn)行充分足夠的光合誘導(dǎo),控制光強(qiáng)為1 800 μmol/(m2·s),CO2濃度為400 μmol/mol誘導(dǎo)20 min,CO2濃度設(shè)置為400、300、200、100、50、5、400、400、600、800、1 000、1 200、1 500、1 800 μmol/mol,測定參數(shù):葉片凈光合速率Pn[μmol/(m2·s)],根據(jù)CO2響應(yīng)曲線求得[17],最大羧化速率Vcmax[μmol/(m2·s)]和最大光合電子傳遞速率Jmax[μmol/(m2·s)]。

1.2.3光合色素含量

稱取0.02 g香榧幼樹結(jié)果(開花)和無果(無花)鮮葉片,把葉片放入盛有8 mL提取液(95%乙醇)的離心管中密封遮光浸提約24 h。用紫外分光光度計(UV 754 PC,上海佑科)檢測波長在664、649、470 nm下的吸光度,計算葉綠素含量用單位面積表示與光合速率一致,計算方法參考文獻(xiàn)[18]進(jìn)行。

1.2.4比葉重

全面提升基層黨員干部的統(tǒng)戰(zhàn)工作能力和水平，必須實現(xiàn)黨員干部教育培訓(xùn)機(jī)制與統(tǒng)戰(zhàn)教育培訓(xùn)體系的無縫對接，構(gòu)建系統(tǒng)完善、科學(xué)管用的領(lǐng)導(dǎo)干部統(tǒng)戰(zhàn)教育培訓(xùn)體系。系統(tǒng)的教育培訓(xùn)，既解決思想認(rèn)識不到位的問題，又解決工作方法不專業(yè)的問題。

測定氣體交換參數(shù)后,取下測定的葉片用植物圖像分析儀(LA-S,杭州萬深)測定葉面積,即用透明膠帶將測定枝條上的葉片全部剪下粘貼于白紙上進(jìn)行掃描,用軟件計算測定葉面積。將葉片于85 ℃烘干至恒質(zhì)量,稱量干質(zhì)量。

比葉質(zhì)量(g/m2)=干質(zhì)量/葉面積。

1.2.5葉片氮素含量及葉片光合器官中氮分配的計算

葉氮含量測定參考擴(kuò)散法,擴(kuò)散皿內(nèi)圈盛硼酸溶液,外圈放待測液后加入氫氧化鈉溶液,密封,產(chǎn)生的氨擴(kuò)散在皿內(nèi),由硼酸溶液吸收,直接用標(biāo)準(zhǔn)酸測定。以飽和最大光合速率(Pmax)與葉氮含量(NA)的比值表示光合氮利用效率(PNUE)[19]。

PUNE=Pmax/NA。

參與葉片光合的氮分配階段分為羧化系統(tǒng)(參與暗反應(yīng),主要為Rubisco)、類囊體(參與暗反應(yīng)),其中類囊體細(xì)分為生物力能學(xué)組分與捕光系統(tǒng)(即①PSⅠ、②PSⅡ和③LHCⅡ),各組分氮素分配比例計算公式[20]如下:

(1)

(2)

(3)

PT=PC+PB+PL

(4)

式中,PC為分配到羧化系統(tǒng)中的氮素的比例;PB為分配到生物力能學(xué)組分氮素的比例;PL為分配到捕光系統(tǒng)氮素的比例;Vcr為Rubisco的比活度(單位Rubisco蛋白的CO2固定活性值[μmol/(g·s)]);NA為單位面積葉氮含量;Jmc為單位Cyt f的最大電子傳遞速率[μmol/(m2·s)];Cc為葉片葉綠素濃度(mmol/g);CB為捕光系統(tǒng)(PSI、PSII、LHCII)葉綠素與氮的比值(mmol/g);6.25為氮素轉(zhuǎn)換成Rubisco蛋白的系數(shù);8.06為氮素與單位Cyt f之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 光合特性指標(biāo)及光合光響應(yīng)曲線

如圖1所示,無論是香榧雌樹一年生無果葉片(C-N+1)-WG或雄樹一年生無花葉片(X-N+1)-WH,雌樹一年生掛果葉片(C-N+1)-GG或雄樹一年生開花葉片(X-N+1)-KH對PAR的光響應(yīng)曲線基本一致。當(dāng)PAR<416[μmol/(m2·s)]時,Pn隨PAR的增強(qiáng)迅速增大,此時PAR是香榧幼樹葉片光合能力強(qiáng)弱的主要限制因素;當(dāng)PAR>416[μmol/(m2·s)]時,Pn隨PAR的增強(qiáng),其上升速度開始減小并趨于平緩,最后達(dá)到光飽和狀態(tài)。采用非直角雙曲線模型對光合光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合,得到主要光合特性參數(shù)指標(biāo),結(jié)果見表2。雄樹一年生無花葉片Pmax,Rd顯著小于雌樹一年生無果葉片(p<0.05),雌雄一年生無果、無花葉片與一年生掛果、開花葉片LSP無明顯差異(p<0.05),雌雄一年生無果、無花葉片LCP無明顯差異(p<0.05),雄樹一年生開花葉片LCP顯著小于雌樹一年生掛果葉片(p<0.05)。雌雄一年生掛果、開花葉片Pmax,Rd,LSP,LCP均高于雌雄一年生無果、無花葉片。

表2 雌雄香榧幼樹結(jié)果(開花)與無果(無花)葉片光響應(yīng)曲線特征參數(shù)Table 2 Characteristic parameters of light response curves of leaves of female and male Torreya grandis young tree with fruit (blossom) and fruitless (no blossom)

注:(C-N+1)-WG為雌樹一年生無果葉片;(C-N+1)-GG為雌樹一年生掛果葉片;(X-N+1)-WH為雄樹一年生無花葉片;(X-N+1)-KH為雄樹一年生開花葉片。圖1 雌雄香榧幼樹結(jié)果(開花)與無果(無花)葉片光響應(yīng)曲線Fig.1 Photosynthetic response curves of leaves in female and male Torreya grandis young tree with fruit (blossom) and fruitless (no blossom)

2.2 光合CO2響應(yīng)曲線

由表3可知,雌雄一年生無果、無花葉片與一年生掛果、開花葉片的Vcmax呈上升趨勢,分別上升3.15%和15.79%。雌雄一年生無果、無花葉片與一年生掛果、開花葉片的Jmax呈上升趨勢,分別上升28.19%和9.45%。雌雄葉片之間的Vcmax、Jmax無明顯差異(p<0.05),除了雌樹一年生掛果葉片的Jmax顯著高于雄樹一年生開花葉片之外;雌樹一年生無果葉片的Jmax顯著低于一年生掛果葉片,雄樹一年生無花葉片與一年生開花葉片無明顯差異(p<0.05)。

表3 雌雄香榧幼樹結(jié)果(開花)與無果(無花)葉片CO2響應(yīng)曲線模擬的光合參數(shù)Table 3 The modeled photosynthetic parameters in response to intercellular CO2 concentration in leaves of female and male Torreya grandis young tree with fruit (blossom) and fruitless (no blossom)

2.3 光合色素含量與最大凈光合速率的關(guān)系

由表4可知,雌雄一年生無果、無花葉片與一年生掛果、開花葉片的Car含量相比呈上升趨勢,分別上升3.70%和11.11%,雌雄一年生無果、無花葉片與一年生掛果、開花葉片的Chl(a+b)含量相比呈上升趨勢,分別上升8.00%和12.24%。雌樹一年生無果葉片與一年生掛果葉片的Car及Chl(a+b)含量之間無明顯差異(p<0.05),雄樹一年生無花葉片的Car及Chl(a+b)含量顯著小于一年生開花葉片(p<0.05),雌雄一年生無果、無花葉片的Chl(a/b)顯著小于一年生掛果、開花葉片(p<0.05),雌樹Chl(a/b)顯著高于雄樹(p<0.05)。雌雄香榧葉片的最大光合凈速率與總?cè)~綠素含量之間呈顯著性正相關(guān)(圖2)。

表4 雌雄香榧幼樹結(jié)果(開花)與無果(無花)葉片光合色素含量Table 4 The photosynthetic pigment contents in leaves of female and male Torreya grandis young tree with fruit (blossom) and fruitless (no blossom)

圖2 香榧葉片總?cè)~綠素(Chl(a+b))與最大凈光合速率(Pmax)之間的相關(guān)性Fig.2 The relationship of total chlorophyll content(Chl(a+b)) and the maximum net photosynthetic rate(Pmax) in Torreya grandis

2.4 比葉質(zhì)量

如圖3,雌樹葉片的SLW顯著高于雄樹葉片(p<0.05),而雌樹一年生無果與一年生掛果葉片的SLW之間無顯著差異,雄樹一年生無花葉片的SLW顯著高于一年生開花葉片(p<0.05)。

圖3 雌雄香榧幼樹結(jié)果(開花)與無果(無花)葉片SLW的變化Fig.3 SLW changes of female and male Torreya grandis young tree with fruit (blossom) and fruitless (no blossom)

2.5 葉氮含量及分配的關(guān)系

由表5可知,雌雄一年生無果、無花葉片與一年生掛果、開花葉片的葉氮含量NA呈上升趨勢,分別上升30.45%和27.80%。雌雄一年生無果、無花葉片的NA,PC,PB,PL,PT都顯著低于一年生掛果、開花葉片(p<0.05),除了雄樹一年生無花葉片與一年生開花葉片的PC之間無顯著差異之外(p<0.05);各葉片類型的NA,PB,PL之間無顯著差異(p<0.05),雄樹葉片的PC,PT都顯著高于雌樹葉片(p<0.05)。

2.6 光合氮素利用效率

如圖4,雌樹一年生掛果葉片的PNUE顯著高于雄樹一年生無花葉片及一年生開花葉片,雄樹一年生無花葉片的PNUE顯著高于雌樹一年生無果葉片(p<0.05)。

圖4 雌雄香榧幼樹結(jié)果(開花)與無果(無花)葉片PNUEFig.4 PNUE of female and male Torreya grandis young tree with fruit (blossom) and fruitless (no blossom)

3 討論與結(jié)論

葉片是植物進(jìn)行光合作用的重要器官,葉片性狀特征能直接影響植物的生長發(fā)育水平及果實的產(chǎn)量和品質(zhì)。最大凈光合速率(Pmax)是衡量葉片光合能力的重要指標(biāo)[21]。提高地石榴葉片的凈光合速率可以增強(qiáng)對光能的利用率[22]。柴仲平等[23]研究表明,不同生長期香梨光合特性有明顯差異,膨果期香梨葉片凈光合速率、葉綠素含量、葉面積指數(shù)、蒸騰速率、氣孔限制值和氣孔導(dǎo)度都比坐果期高。本研究發(fā)現(xiàn),雌雄香榧幼樹一年生掛果、開花葉片的最大凈光合速率(Pmax)高于一年生無果、無花葉片,表明光合作用與果實的形成呈正相關(guān)。

葉片的光飽和點和光補償點反映了植物對光照條件的要求,是判斷植物耐陰性的重要指標(biāo)。一般陰性植物的LSP為500～1 000[μmol/(m2·s)]或者更低,而LCP小于20[μmol/(m2·s)],一般陽性植物的LSP在1 500～2 000[(μmol/(m2·s)]之間或者更高,而LCP在50～100[μmol/(m2·s)]之間。本研究結(jié)果顯示,香榧葉片的LSP為563.60～391.34[μmol/(m2·s)],LCP為60.71～35.90[μmol/(m2·s)],符合陰生植物光飽和點與光補償點的范圍,雌雄香榧幼樹一年生掛果、開花葉片的LSP值較高,表明生殖生長階段光合能力強(qiáng),同時也對強(qiáng)光的適應(yīng)能力強(qiáng)(表2)。

植物葉片中最大羧化速率與葉氮含量、Rubisco含量有顯著相關(guān)性[24]。最大羧化速率與葉氮分配給羧化系統(tǒng)的比例對光合速率起著決定性作用[25-26]。隨著葉齡增加,光合速率降低是由于其葉氮含量和Rubisco/Chl比值低造成的[27]。本研究結(jié)果表明,雌雄香榧幼樹一年生掛果、開花葉片的Vcmax、Jmax高于一年生無果、無花葉片,可能是由于無果枝和無花枝的葉片會優(yōu)先將各類營養(yǎng)元素提供給結(jié)果枝和開花枝的葉片,比如氮素等元素,通過光合作用更有利于干物質(zhì)的積累,所以導(dǎo)致一年生掛果、開花葉片的Vcmax、Jmax高于一年生無果、無花葉片。

葉片光合能力與光合色素含量、酶活性等有關(guān)。不同葉位的葉綠素Chl(a+b)含量與凈光合速率之間均呈顯著正相關(guān)[28]。本研究結(jié)果與其一致,一年生掛果、開花葉片的光合色素含量及Pmax均高于一年生無果、無花葉片,即光合色素與Pmax呈正相關(guān)。

比葉重(SLW)能反映植物對資源的利用方式[29],大多數(shù)研究認(rèn)為葉片光合作用能力和葉氮含量都與SLW有關(guān)[24]。若植物葉片細(xì)胞壁的氮素分配增加,那么分配到葉綠體的氮素就會減少[30]。本研究結(jié)果顯示,雌雄香榧幼樹一年生無果、無花葉片的SLW高于一年生掛果、開花葉片(圖3),這可能是結(jié)果枝和開花枝中的葉片氮素分配到光合機(jī)構(gòu)大于分配到葉片細(xì)胞壁所導(dǎo)致一年生無果、無花葉片的SLW較高,也可能是導(dǎo)致香榧不同類型葉片的PNUE產(chǎn)生差異的主要原因。有研究表明,植物增加CO2擴(kuò)散的阻力和分配到非光合組分的氮比率以及減少葉片透射光的比率,使PNUE降低,導(dǎo)致PNUE較低的植物通常會具有較高的SLW[31,8]。本研究結(jié)果顯示,雌雄香榧幼樹一年生無果、無花葉片的PNUE顯著低于一年生掛果、開花葉片(圖4),與SLW呈負(fù)相關(guān)。

許多研究表明,光合能力與植物葉片氮含量呈顯著正相關(guān)[32-33],因為通常葉氮含量中大約有一半氮素會分配到光合機(jī)構(gòu)中,比如Calvin循環(huán)和類囊體相關(guān)的酶[34-37]。研究發(fā)現(xiàn),成熟后的葉片氮含量和光合速率逐漸降低[38]。本研究結(jié)果顯示,雌雄香榧幼樹一年生無果、無花葉片的葉氮含量(NA)及PC,PB,PT顯著低于一年生掛果、開花葉片(表3),說明分配到結(jié)果枝和開花枝葉片的光合機(jī)構(gòu)中氮含量較高,可能是氮元素含量高低直接影響光合作用強(qiáng)弱。

本研究中,雌雄香榧幼樹在生育期(已開花結(jié)果枝)的葉片最大凈光合速率(Pmax)、LSP、Vcmax、Jmax、Pmax、PNUE及葉氮含量值均高于未生育期(未開花結(jié)果枝),說明了光合作用與果實的形成呈正相關(guān)關(guān)系,光合色素與Pmax也呈正相關(guān)關(guān)系,所以在生殖生長階段光合能力及對強(qiáng)光的適應(yīng)能力強(qiáng),而無果枝和無花枝的葉片會優(yōu)先將各類營養(yǎng)元素提供給結(jié)果枝和開花枝的葉片,比如氮素等元素,而分配到結(jié)果枝和開花枝葉片的光合機(jī)構(gòu)中氮含量較高,可能是氮元素含量高低直接影響光合作用強(qiáng)弱,通過光合作用更有利于干物質(zhì)的積累。因此,在香榧生產(chǎn)過程中不僅要注意種植地中雌雄株的性配比,還應(yīng)適當(dāng)增加株行距及修剪,保持透光通風(fēng),合理利用有效光輻射,也要注意氮肥的施用。