許申平　蔣素華　梁芳　王墨霏　袁秀云　崔波

摘 要 以萼脊蘭為材料，利用Li-6400光合測定系統(tǒng)對其葉片的光合特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：萼脊蘭的CO2交換方式具景天酸代謝途徑（CAM）的特點，葉片凈CO2吸收速率在凌晨0 ： 00左右達(dá)到最大值，可滴定酸的積累在8 ： 00左右達(dá)到頂峰。在晴天的上午，萼脊蘭的最適光照強度為400～600 μmol/（m2·s），其葉片的凈CO2吸收速率達(dá)到2.92 μmol/（m2·s）。在最適光強條件下，溫度在25 ℃，CO2濃度為800～1 000 μmol/mol時，最利于萼脊蘭葉片凈CO2的吸收。總的來說，萼脊蘭屬兼性CAM蘭花，這種光合特性體現(xiàn)了其作為一種熱帶蘭花對生長環(huán)境的高度適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞 萼脊蘭；光合途徑；景天酸代謝；CO2吸收

中圖分類號 Q945 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

Abstract The photosynthetic characteristics of the leaves of Sedirea japonica were studied using a portable infrared gas analyzer（Li-6400， Li-Cor， Lincoln， NE， USA）. The results showed that S. japonica was a CAM orchid with the net CO2 uptake rate and the contents of titratable acidity reached the maximum at 0 ： 00 and 8 ： 00， respectively. In the sunny morning， the suitable light intensity of S. japonica was 400-600 μmol/（m2·s）， its net CO2 uptake rate in leaves reached 2.92 μmol/（m2·s）. Under the light intensity of 400 μmol/（m2·s）， the maximum net CO2 uptake rate was found in leaves of S. japonica at 25 ℃ and 800-1 000 μmol/mol of CO2 concentrations， respectively. So the adequate growth conditions of S. japonica were 25 ℃， 400-600 μmol/（m2·s）of light intensity， and 800 to 1 000 μmol/mol of CO2 concentrations. Generally speaking， S. japonica should be a facultative CAM orchid， and the photosynthetic characteristics of the leaves indicated that S. japonica had great adaptation to their growing habitats.

Key words Sedirea japonica； Photosynthetic pathway； CAM； CO2 uptake

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.06.005

高等植物的碳同化途徑分為C3、C4和CAM（Crassulacean acid metabolism，景天酸代謝）三大途徑，相應(yīng)的植物因其固定的最初產(chǎn)物不同分別稱之為C3、C4和CAM植物[1]。CAM途徑因植物夜間氣孔打開固定CO2的特殊方式，一直被認(rèn)為是光合作用碳同化途徑的少數(shù)形式，最早在景天科植物中發(fā)現(xiàn)，是CAM植物應(yīng)對干旱環(huán)境的一種生理生態(tài)的適應(yīng)[2]，占高等植物的6%～7%[3]。CAM植物因基因類型、個體發(fā)育、環(huán)境條件等不同而表現(xiàn)不同程度的CAM代謝特點，包括專性CAM植物和兼性CAM植物類型[4]。對于兼性CAM植物而言，其光合碳同化途徑可在CAM和C3途徑之間轉(zhuǎn)化，有些光合途徑轉(zhuǎn)化甚至可在幾小時內(nèi)完成[5]。除蘭科之外，景天科[6]、番杏科[7]、鳳梨科[8]等科植物均有兼性CAM植物存在，可見光合途徑的轉(zhuǎn)換普遍存在，植物的這機制具有儲藏水分，減少蒸騰作用，提高水分利用效率的優(yōu)點，是CAM植物利用其特殊的光合途徑轉(zhuǎn)化以適應(yīng)環(huán)境條件的生理表現(xiàn)。

蘭科（Orchidaceae）植物為開花植物中最大的家族之一，具有較高的經(jīng)濟價值和觀賞價值，其光合生理方面的研究已有大量報道。據(jù)統(tǒng)計，在蘭花光合特性方面，肉質(zhì)厚葉蘭的碳代謝途徑多表現(xiàn)為CAM途徑，如蝴蝶蘭[9-10]，五唇蘭[11]；而薄葉蘭一般都表現(xiàn)為C3途徑，如春蘭、建蘭、春劍、墨蘭和蕙蘭[12]。雖然蘭科植物的光合特性與其葉片形態(tài)緊密相關(guān)，但不同品種間其光合特性也有很大差異。鐵皮石斛隨著環(huán)境條件的變化，其光合作用在CAM途徑和C3途徑之間變化，表現(xiàn)為兼性CAM植物[13]。在相同的研究條件下，報春石斛的光合特性表現(xiàn)為CAM植物類型，鼓槌石斛則表現(xiàn)為C3植物類型，而金釵石斛表現(xiàn)為兼性CAM植物類型[14]。在兜蘭光合特性的研究中也發(fā)現(xiàn)，硬葉兜蘭的耐陰性和CO2飽和點都高于其他3種兜蘭[15]。由此可知，除了葉片形態(tài)之外，品種和環(huán)境因子都會影響蘭花的光合特性，而蘭花光合特性的研究對了解其生物學(xué)特性具有重要意義。

萼脊蘭（Sedirea japonica）為蘭科萼脊蘭屬（Sedirea）多年附生草本植物，產(chǎn)于中國云南、浙江等地，為國家二級保護(hù)植物，日本和朝鮮也有分布，是一種觀賞價值很高的蘭花[16]。目前，關(guān)于萼脊蘭的研究主要集中在生物學(xué)特性[17-18]、育種[19]、組織培養(yǎng)[20]，分子生物學(xué)[21-22]等方面，而光合生理方面的研究未見報道。本研究擬通過對萼脊蘭光合特性的觀測，了解其光合作用的碳代謝途徑，探索其光合作用對環(huán)境條件的需求規(guī)律，為萼脊蘭的設(shè)施栽培提供理論參考和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料萼脊蘭為長勢一致的成熟苗（具四片健康葉），種植于直徑為12 cm的白色透明塑料花缽內(nèi)，以水苔為基質(zhì)。栽培在鄭州師范學(xué)院蘭花工程研究中心的大棚內(nèi)，環(huán)境濕度控制在60%以上，溫室頂棚覆蓋遮陽網(wǎng)。

1.2 方法

1.2.1 可滴定酸含量的測定 可滴定酸含量的測定采用指示劑滴定法[23]，于測定CO2吸收日變化的相應(yīng)時間選取萼脊蘭倒數(shù)第2片功能葉（自上而下）的中部，液氮速凍，備用。

1.2.2 CO2吸收日變化測定 試驗于2015年6～8月進(jìn)行，每個月選取3個連續(xù)晴天中的一天，利用便攜式光合作用測定儀（Li-6400，Li-Cor，Lincoln，NE，USA）對萼脊蘭葉片的凈CO2吸收速率、光照強度和溫度進(jìn)行測定。從早上8 ： 00開始，每2 h測定1次，每次重復(fù)3次，至次日清晨8 ： 00結(jié)束。每個時間點選取5株植株，測定使用2 cm×3 cm普通透明葉室，在自然光照條件下進(jìn)行。

1.2.3 環(huán)境對CO2吸收影響的測定 環(huán)境因子對萼脊蘭葉片CO2吸收影響的測定在晴天的（測定完CO2吸收日變化的第2天）上午9 ： 00～11 ： 00進(jìn)行。每次測量選取5株植株，重復(fù)3次。

光照強度對CO2吸收速率的影響：光照強度對CO2吸收的影響利用LI-6400內(nèi)置紅藍(lán)光源（6400-02B）在0～1 200 μmol/（m2·s）范圍內(nèi)設(shè)定一系列光照強度梯度（0、50、100、200、400、600、800、1 000、1 200 μmol/（m2·s），其余環(huán)境因子為自然條件下的狀態(tài)。

溫度對CO2吸收速率的影響：以光合作用測定儀的配件6400-02紅藍(lán)LED為光源，設(shè)定光照強度為400 μmol/（m2·s）。同時，利用光合測定儀葉室溫度調(diào)控功能設(shè)定一系列溫度梯度（5、10、15、20、25、30、35 ℃）進(jìn)行溫度對萼脊蘭葉片CO2吸收的影響。

CO2濃度對CO2吸收速率的影響：以外接CO2鋼瓶控制CO2濃度梯度為0、50、80、100、150、200、300、350、400、500、600、700、800、1 000、1 200，1 400 μmol/mol，光照強度設(shè)定為400 μmol/（m2·s），測定萼脊蘭功能葉在最佳光照條件下對CO2濃度的響應(yīng)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2010軟件整理作圖，利用SPSS 20.0數(shù)理統(tǒng)計軟件分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 可滴定酸與CO2吸收的日動態(tài)變化

由萼脊蘭葉片凈CO2吸收速率的光合日變化曲線可知，萼脊蘭的凈CO2吸收速率呈雙峰型曲線，白天的凈CO2吸收速率較低，在14 ： 00左右接近為0 μmol/（m2·s）；晚間的凈CO2吸收速率較高，最大值出現(xiàn)在凌晨0 ： 00左右，達(dá)到3.58 μmol/（m2·s）（圖1）。雖然整體形勢符合CAM植物的光合特性，但是上午的8 ： 00～12 ： 00時，萼脊蘭葉片的凈CO2吸收速率仍保持較大值。由圖2可知，在此時間段，已有一定的光照強度，其中溫度為30 ℃左右。另外，根據(jù)圖1數(shù)據(jù)可以確定，萼脊蘭葉片凈CO2吸收速率對主要生態(tài)因子的響應(yīng)的最佳測定時間是9 ： 00～11 ： 00。由于CAM植物獨特的CO2同化方式，可滴定酸含量可作為其光合性能的另一種表現(xiàn)形式。與凈CO2吸收速率不同，萼脊蘭葉片的可滴定酸含量的日變化表現(xiàn)為單峰曲線：在8 ： 00～18 ： 00時間內(nèi)持續(xù)下降，隨后逐漸上升，在8 ： 00時達(dá)到最高峰。

2.2 光照強度對CO2吸收的影響

如圖3所示，晴天上午9 ： 00～11 ： 00時，萼脊蘭葉片的碳代謝與C3途徑相似，CO2吸收速率在0～200 μmol/（m2·s）的光強范圍內(nèi)線性增加，此時，在沒有其他環(huán)境因子脅迫的條件下，光照強度是主要的限制因素；當(dāng)光強在200～400 μmol/（m2·s）時，其光合速率緩慢增加，此時的光合作用可能受到溫度、濕度及光合關(guān)鍵酶等多種因素的影響；當(dāng)光強超過600 μmol/（m2·s）后，CO2吸收速率逐步下降。這說明，萼脊蘭生長的最適光照強度為400～600 μmol/（m2·s），在強光條件下，可能會出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象，從而影響CO2的吸收。

2.3 溫度對CO2吸收的影響

由圖4可知，在光照強度400 μmol/（m2·s）條件下，萼脊蘭葉片溫度從5 ℃升高到35 ℃，25 ℃時凈CO2吸收速率達(dá)到最大值。相對于最適溫度，溫度升高或下降都會引起凈CO2吸收速率的下降。由此可知，在光照強度和CO2濃度不是限制因子的情況下，萼脊蘭葉片凈CO2吸收的最適溫度為25 ℃。

2.4 CO2濃度對CO2吸收的影響

CO2作為影響光合作用的重要原料，其濃度的高低直接影響著植物的光合速率。從圖5可知，當(dāng)CO2濃度小于800 μmol/mol時，光合速率隨著濃度的增加而顯著增加，當(dāng)CO2濃度大于800 μmol/mol時，光合速率增加非常緩慢，此時可能已經(jīng)達(dá)到了萼脊蘭的CO2飽和點。當(dāng)CO2濃度大于1 000 μmol/mol時，葉片的凈CO2吸收速率迅速下降，這表明CO2濃度過高的環(huán)境并不利于萼脊蘭的生長。

3 討論與結(jié)論

很多研究表明，遺傳因素、個體發(fā)育、環(huán)境因素等都可以在一定程度上影響著CAM（Crassulacean acid metabolism，景天酸代謝）植物光合碳代謝同化的表達(dá)[24]。目前已知蘭科有9 000種植物具有CAM的特性，占所有CAM植物種類的一半[2]。在石斛屬和文心蘭屬中都有兼性CAM植物種類的存在[4]。鐵皮石斛在晴天的白天和夜間葉片都能吸收CO2，中午CO2吸收速率為負(fù)值，鐵皮石斛表現(xiàn)為兼性CAM植物的特性[13]。任建武等[25]研究了金釵石斛等3種石斛的光合特性和蘋果酸含量日變化，發(fā)現(xiàn)C3向CAM的轉(zhuǎn)變。本研究中，萼脊蘭葉片凈CO2吸收速率的最大值出現(xiàn)在凌晨0 ： 00左右，白天的凈CO2吸收速率相對較低，這一結(jié)果與以前普遍認(rèn)為附生蘭科植物多為CAM植物的觀點一致[2]。與典型的CAM植物相比，萼脊蘭葉片白天的凈CO2吸收相對較高，特別是9 ： 00～11 ： 00，CO2吸收速率的最大值達(dá)到2.69 μmol/（m2·s）。這說明萼脊蘭葉片凈CO2吸收速率并不是完全按照其他CAM植物的節(jié)律，而與環(huán)境條件緊密相關(guān)表現(xiàn)出較大的可塑性。

傳統(tǒng)CAM植物的有機酸含量在晝夜節(jié)奏中有明顯的變化規(guī)律，皆為晚上增高，白天降低[26]。CAM植物有機酸的積累與降解是由其體內(nèi)的生物節(jié)律調(diào)控，但卻受光照強度、溫度和水分等環(huán)境條件的影響[27]。萼脊蘭葉片可滴定酸含量在8 ： 00～18 ： 00時間內(nèi)持續(xù)下降，隨后逐漸上升，在8 ： 00時達(dá)到最高峰。但與傳統(tǒng)的CAM植物也有所不同，即使在18 ： 00時，萼脊蘭葉片的可滴定酸含量也能維持在93 μmol/g，主要原因可能與上午仍能進(jìn)行較大的CO2吸收有關(guān)，長時間的CO2吸收可能增強了液泡貯藏蘋果酸的能力，這也許是設(shè)施栽培中的蘭花大部分都比野生蘭花生長速度快的原因之一。由萼脊蘭葉片凈CO2吸收速率和可滴定酸含量來看，萼脊蘭的光合碳同化途徑除了具有CAM途徑外，還存在低程度的C3途徑，表現(xiàn)為兼性CAM植物。

除了植物自身的生物學(xué)特性的影響外，光照強度、溫度、CO2濃度等環(huán)境因子都可改變植物內(nèi)部的生理生化過程而影響光合作用的進(jìn)行[28]。本研究通過CO2吸收對不同光照強度響應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，在光照強度為400～600 μmol/（m2·s）時，萼脊蘭葉片對CO2的吸收維持在較大值，但隨著光照強度的增加，凈CO2吸收速率逐漸減小。由此推測，萼脊蘭為陰生植物，在大于600 μmol/（m2·s）的光照條件下將不利于其生長，這與林紹生等[18]的研究觀點一致。對于CAM植物來說，溫度對氣體交換模式的影響主要是通過影響蘋果酸脫羧速率實現(xiàn)的[29]，最利于萼脊蘭葉片CO2吸收的溫度為25 ℃，高于或低于此溫度都會通過對蘋果酸脫羧產(chǎn)生影響從而降低CO2的吸收。CO2濃度是影響植物光合作用和生長發(fā)育的重要因子之一[30]。本研究發(fā)現(xiàn)，最適于萼脊蘭葉片凈CO2吸收的CO2濃度為800 μmol/mol，然而現(xiàn)在大氣CO2濃度不到500 μmol/mol，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足萼脊蘭生長的需求，以后可通過增加CO2濃度的方式來提高萼脊蘭葉片的凈CO2吸收速率以加快萼脊蘭的生長發(fā)育。

綜合來看，與大部分熱帶附生蘭花一樣，萼脊蘭屬兼性CAM植物類型，其葉片的碳代謝途徑與環(huán)境條件緊密相關(guān)。其中，萼脊蘭葉片凈CO2吸收最適宜的光照強度為400～600 μmol/（m2·s），溫度為25 ℃，CO2濃度為800 μmol/mol。不同光合碳同化途徑植物的光合特性是不同的，一般認(rèn)為CAM植物的干物質(zhì)積累速率低于C3和C4植物[31]。對萼脊蘭的人工栽培而言，提供特定的環(huán)境條件以誘導(dǎo)其葉片更多地進(jìn)行C3途徑光合，盡量減少CAM途徑光合，能有效地促進(jìn)其干物質(zhì)的積累，從而促進(jìn)萼脊蘭的生長。

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