楊玉珍，王國霞，張志浩

(1.鄭州師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，河南鄭州450044;2.鄭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南鄭州450001)

牡丹(Paeonia suffruticosa Andr.)原產(chǎn)于中國，為芍藥科(Paeoniaceae)芍藥屬(Paeonia)多年生木本落葉小灌木，在我國已有1 600多年的栽培歷史［1］，素有“國色天香”“花中之王”的美稱。油用牡丹為近幾年新興的一種優(yōu)質(zhì)木本油料作物，籽油是其主要產(chǎn)品之一，具有極高的營養(yǎng)價值。2011年3月，牡丹籽油被衛(wèi)生部正式批準(zhǔn)為新資源食品［2］。目前，油用牡丹在全國已大面積推廣種植，以鳳丹(Paeonia ostii)和紫斑(Paeonia rockii)為主要栽培種。其中，鳳丹牡丹具有耐濕熱、株型高大、結(jié)實(shí)率高、適應(yīng)性強(qiáng)的特性，分布于全國大部分地區(qū)，特別是在河南、安徽、山東等省份已有大面積種植;紫斑牡丹由于耐寒抗旱性很強(qiáng)，主要分布在四川、甘肅、陜西等西部地區(qū)［3］。

在油用牡丹的引種栽培中，光和CO2是重要的生態(tài)因子，直接影響著光合作用及最終產(chǎn)量。在關(guān)于光合作用的研究中，光合作用的響應(yīng)是研究植物生理和植物生態(tài)學(xué)的重要途徑。由光響應(yīng)曲線可以確定植物的光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)、表觀量子效率及最大凈光合速率;由CO2響應(yīng)曲線可以確定植物的CO2補(bǔ)償點(diǎn)、飽和點(diǎn)、RuBP羧化作用以及最大凈光合作用。這些指標(biāo)對了解植物的生理特性具有指導(dǎo)作用，因此，確定植物光合作用對主要生態(tài)因子如光照和細(xì)胞間CO2濃度在不同季節(jié)里的響應(yīng)，對于研究植物的光合特性、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面具有重要意義［4］。目前，植物光合作用的光響應(yīng)模型有很多，各有優(yōu)劣，有直角雙曲線模型［5］、非直角雙曲線模型［6］、直角雙曲線的修正模型［7］等，而在對油用牡丹的光響應(yīng)研究中應(yīng)用最多的是非直角雙曲線模型［7－8］，本試驗(yàn)采用該模型擬合。CO2響應(yīng)模型主要有生化模型［9］、直角雙曲線模型［10］、直角雙曲線修正模型［11］等，本研究首次將直角雙曲線模型應(yīng)用于油用牡丹的CO2響應(yīng)。本研究以油用牡丹主要優(yōu)良栽培品種鳳丹為研究對象，通過比較不同季節(jié)條件下其光合作用對光合有效輻射和胞間CO2濃度響應(yīng)的差異，旨在為油用牡丹在河南地區(qū)的大面積推廣栽培以及生產(chǎn)管理提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為5年生鳳丹白品種(Paeonia ostii T.Hong et J.X.Zhang‘Phoenix White’)，種植于鄭州師范學(xué)院黃河灘實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地。試驗(yàn)地處北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，34°51'N、113°38'E，海拔110 m，冷暖適中、四季分明，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗日照長，冬季寒冷少雪，年平均氣溫在14～14.3℃之間，平均降水量640.9 mm，無霜期220 d，全年日照時間約2 400 h。植物材料大田種植，水肥條件良好，常規(guī)管理。周邊無高大遮擋物，處全光照環(huán)境。原位隨機(jī)選取測定長勢基本一致、無病蟲害的健康植株，頂端往下第3張或第4張向陽功能葉，盡量保持葉片正常生長角度不變。

1.2 方法

1.2.1 光響應(yīng)曲線的測定 分別于2016年5月下旬(春季)和2016年7月下旬(夏季)連續(xù)晴天運(yùn)用LI－6400XT便攜式光合測量系統(tǒng)(LI－COR，USA)進(jìn)行瞬時光合速率的測定。測定時間為09:00—11:00。試驗(yàn)重復(fù)3次，每次選擇1個典型植株。以CO2注入系統(tǒng)為氣源，濃度設(shè)定為接近于大氣CO2濃度400μmol/mol。測定前打開2 000μmol/(m2·s)的6400－02B型LED燈進(jìn)行光誘導(dǎo)。光照度設(shè)置為2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、80、60、40、20、0 μmol/(m2·s)，共 16 個梯度值。程序設(shè)定完成后，儀器自動記錄數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，依據(jù)非直角雙曲線模型進(jìn)行光響應(yīng)曲線擬合［6］，擬合數(shù)據(jù)取3次重復(fù)的平均值，擬合公式如下:

式中:Pn為凈光合速率，Pn，max為最大凈光合速率，Q為光合有效輻射，o為表觀量子效率(apparent quantum yield，AQY)，k為擬合曲線曲角，Rd為暗呼吸速率。將光照度在200μmol/(m2·s)以下階段以直線回歸作補(bǔ)充，與非直角雙曲線模型下計(jì)算出的 Pn，max及對應(yīng)的光照度，即光飽和點(diǎn)(light saturation point，LSP)相接，與x軸的交點(diǎn)即為光補(bǔ)償點(diǎn)(light compensation point，LCP)，直線斜率即為 AQY。

1.2.2 CO2響應(yīng)曲線的測定 分別于2016年5月下旬(春季)和2016年7月下旬(夏季)連續(xù)晴天運(yùn)用LI－6400XT便攜式光合測量系統(tǒng)測定鳳丹CO2響應(yīng)曲線。測定時間在09:00—11:00，試驗(yàn)重復(fù)3次，每次選擇1個典型植株。光照度設(shè)定在1 000μmol/(m2·s)，由6400－02B型紅藍(lán)光源提供。葉室溫度設(shè)定為25℃。CO2濃度設(shè)定為50、100、200、300、400、600、800、1 000、1 200、1 500、1 800、2 000 μmol/mol共計(jì)12個梯度值，每個梯度下最小等待時間為120 s，最大等待時間為300 s。程序設(shè)定完成后，儀器自動記錄數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，利用直角雙曲線［10］擬合細(xì)胞間CO2濃度Ci與凈光合速率Pn，擬合數(shù)據(jù)取3次重復(fù)的平均值，擬合公式如下:

式中:Ci為胞間CO2濃度，CE為RuBP羧化效率，Rp為光呼吸速率(由于光下暗呼吸速率很小，可近似等于光下葉片向外界釋放CO2濃度的速率)。將低CO2濃度在200μmol/mol以下階段以直線回歸作補(bǔ)充，與直角雙曲線模型下計(jì)算出的Pn，max及對應(yīng)的 CO2濃度即 CO2飽和點(diǎn)(CO2Saturation Point，CSP)相接，則與x軸的交點(diǎn)即為CO2補(bǔ)償點(diǎn)(CO2compensation point，CCP)，截距為 Rp，CO2濃度 200 μmol/(m2·s)以下階段直線斜率即為RuBP羧化效率CE。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003及SPSS 20.0軟件進(jìn)行分析，Origin 8.0 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鳳丹凈光合速率對光合有效輻射的季節(jié)響應(yīng)

2.1.1 不同季節(jié)光響應(yīng)初始斜率比較 AQY作為葉片光能利用效率重要參數(shù)之一，反映了植物在進(jìn)行光合作用時對弱光的利用效率，可用光響應(yīng)曲線的初始斜率［0～200μmol/(m2·s)光照度范圍］計(jì)算得到。一般情況下，植物的 AQY 值在0.03～0.07之間［12］。由表1可以看出，在春季，大田條件下鳳丹光響應(yīng)曲線的初始斜率略小于一般值，而夏季數(shù)值在正常范圍，表明鳳丹在夏季較春季對弱光的利用效率高。

表1 不同季節(jié)鳳丹光響應(yīng)曲線的初始斜率及相應(yīng)的回歸方程

2.1.2 不同季節(jié)光響應(yīng)曲線及相關(guān)參數(shù)比較 光飽和點(diǎn)和補(bǔ)償點(diǎn)能反映植物對強(qiáng)光和弱光的利用能力，是反映植物光響應(yīng)的重要指標(biāo)［13］。由圖1可知，鳳丹葉片在不同季節(jié)的光響應(yīng)曲線變化趨勢相同。在光合有效輻射為0μmol/(m2·s)時，“鳳丹”的凈光合速率均為負(fù)值，在0～200μmol/(m2·s)光照度范圍內(nèi)，隨著光合有效輻射(Photosynthetically ctive radiation，PAR)的增加，Pn近乎直線增長，直到接近 Pnmax，此時對應(yīng)的PAR值為LSP。通過對0～200μmol/(m2·s)光照度范圍內(nèi)曲線進(jìn)行線性回歸及用非直角雙曲線模型對＞200μmol/(m2·s)光照度范圍曲線進(jìn)行擬合(表2)，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在春季和夏季的 LSP分別為 908.547、1 355.527μmol/(m2·s)。凈光合速率為 0 μmol/(m2·s)時，光合有效輻射為 LCP，在春季和夏季分別為36.087、54.083μmol/(m2·s)，說明鳳丹在春季對弱光的利用能力強(qiáng)于夏季。最大凈光合速率Pn，max為植物在飽和光照度下的凈光合速率，是葉片的最大凈光合速率，能夠反映葉片的光合效率和光合潛能。該值在2個季節(jié)具有明顯差別，分別為24.421、41.059 μmol/(m2·s)。暗呼吸速率 Rd可以反映呼吸速率，在春季和夏季分別為0.968、1.711 μmol/(m2·s)。

表2 不同季節(jié)鳳丹光合－光照度響應(yīng)主要參數(shù)擬合值

2.2 鳳丹凈光合速率對細(xì)胞間CO2濃度的季節(jié)響應(yīng)

2.2.1 不同季節(jié)CO2響應(yīng)初始斜率比較 RuBP羧化效率CE是指低CO2濃度(0～200μmol/mol)的凈光合速率與胞間CO2濃度擬合的一次方程的斜率，是衡量植物對葉片中CO2利用效率的重要指標(biāo)［14］。CE值越大，說明在低CO2濃度條件下能夠更高效地利用CO2進(jìn)行光合作用。由表3可知，鳳丹在春季CE值顯著高于夏季，說明在春季對低CO2濃度的利用高于夏季。

表3 不同季節(jié)鳳丹CO2響應(yīng)曲線的初始斜率及相應(yīng)的回歸方程

2.2.2 不同季節(jié)CO2響應(yīng)曲線比較 CO2作為光合作用的底物，其濃度在一定范圍內(nèi)直接影響著光合作用的進(jìn)程。圖2顯示，隨著Ci值的增大，凈光合速率增大，且春季增幅明顯大于夏季。在低Ci濃度(小于200μmol/mol)時，Pn上升速度較快，一般認(rèn)為，此時1，5－二磷酸核酮糖羧化酶(rubsico)對Pn的限制起主要作用。此后，隨著Ci濃度的增大，Pn增幅減小，直至接近飽和狀態(tài)，此階段的1，5－二磷酸核酮糖羧化酶再生速率是制約Pn的主要原因。在不同季節(jié)分別達(dá)到相應(yīng)的CO2飽和點(diǎn)(1 152.506、1 425.059 μmol/mol)時，春季的最大凈光合速率Pn，max顯著高于夏季。然而，夏季相對較低的CO2補(bǔ)償點(diǎn)說明在夏季鳳丹對低CO2濃度的利用效率高于春季，可見鳳丹在夏季具有較寬的CO2適應(yīng)性。與此同時，在春季還伴隨著較高的光呼吸速率(表4)。

表4 不同季節(jié)鳳丹光合－C i響應(yīng)主要參數(shù)擬合值

3 結(jié)論與討論

光合作用為地球上的各種生物提供了賴以生存和發(fā)展的食物、空氣和能量，是一個十分復(fù)雜的生理過程。不同植物葉片的光合特性既受自身遺傳因素影響，也與光照等環(huán)境因子有關(guān)。掌握鳳丹在不同季節(jié)條件下的生長規(guī)律，有助于提高產(chǎn)量，具有重要的理論和指導(dǎo)意義。

3.1 鳳丹光合作用對光的季節(jié)響應(yīng)

光飽和條件下的凈光合速率有時被稱為光合能力，或光合潛力［10］。光飽和點(diǎn)和補(bǔ)償點(diǎn)分別反映植物對強(qiáng)光和弱光的利用情況，同時也與植物的生長階段和適應(yīng)對策以及不同季節(jié)的氣候條件密切相關(guān)。本試驗(yàn)中夏季鳳丹具有較高的光飽和點(diǎn)，說明其對強(qiáng)光利用能力優(yōu)于春季，而較高的光補(bǔ)償點(diǎn)伴有較高的暗呼吸速率也說明鳳丹對弱光的利用能力低于春季。光合機(jī)構(gòu)每吸收1個光量子固定的CO2或釋放的O2分子數(shù)被稱為光合碳同化的量子效率。AQY不考慮葉片光透射和反射(15%左右)，而是按照入射的光量子數(shù)計(jì)算得到的量子效率［14］。植物的表觀量子效率越高，其對光能的利用能力就越強(qiáng)。本研究中夏季鳳丹AQY值大于春季，說明其在夏季對光能的利用能力較強(qiáng)。光補(bǔ)償點(diǎn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中有很大的意義。在間作和套作中選擇搭配的作物種類，林帶樹種的配置等都與光補(bǔ)償點(diǎn)有關(guān)。栽培過密或水肥過多，容易造成徒長，使得封行提前，作物中下部葉片接受的光照匱乏，低于光補(bǔ)償點(diǎn)，葉片不但不能制造有機(jī)物，反而會消耗自身養(yǎng)分，導(dǎo)致作物減產(chǎn)。另外，畢玉偉等以盆栽條件下的鳳丹為研究對象得出的光飽和點(diǎn)和補(bǔ)償點(diǎn)范圍均大于本研究結(jié)果，推測盆栽和田間氣候因子的差異可能是造成這種不符情況的主要原因，也可能與Pn－PAR數(shù)據(jù)擬合的方法［15］有關(guān)。

3.2 鳳丹光合作用對胞間CO2濃度的季節(jié)響應(yīng)

普通空氣中的CO2濃度偏低，制約了光合作用。CO2是光合作用的原料，是RuBP羧化酶的主要底物，其補(bǔ)償點(diǎn)和飽和點(diǎn)是植物是否具有潛在高光合效率的重要指標(biāo)。大田條件下鳳丹在春季和夏季的 CCP分別為 138.184、54.256μmol/mol，屬一般C3植物范疇，說明在夏季鳳丹對低濃度CO2的利用能力優(yōu)于春季;春季的羧化效率高于夏季，表明鳳丹在春季對低CO2濃度適應(yīng)性更強(qiáng)。在達(dá)到遠(yuǎn)高于大氣CO2濃度值400μmol/moL左右的CSP時，鳳丹的最大Pn，max可分別達(dá) 86.603、54.256 μmol/(m2·s)，遠(yuǎn)大于同時期自然條件下的最高凈光合速率，說明鳳丹還具有巨大的光合潛力。在一定的CO2濃度范圍內(nèi)，適當(dāng)增施CO2肥會極大促進(jìn)油用牡丹產(chǎn)量。