溫黎明,趙秀梅,董軻,崔冰,高小淇,殷曉曉,王菊,范海
(山東師范大學(xué),山東省逆境植物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250014)
近年來,世界性的土壤鹽漬化問題受到了廣泛關(guān)注。我國(guó)的土壤鹽漬化主要分布在廣袤的荒漠、干旱、半干旱地區(qū),但地勢(shì)相對(duì)低平,地下徑流匯集、出流滯緩的區(qū)域,也存在著各種類型的土壤次生鹽漬化現(xiàn)象[1-2],這對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。由于人口增長(zhǎng)過快,未來越來越多的荒地將被用作耕地[3]。海濱錦葵(Kostelezkyavirginica)是錦葵科草本植物,經(jīng)濟(jì)用途為纖維、藥用、食用、觀賞等[4]。另外,海濱錦葵花形美麗、花期長(zhǎng)、耐鹽堿,是海濱綠化和改良鹽堿地的優(yōu)選植物。海濱錦葵原產(chǎn)于美國(guó),1993年,南京大學(xué)欽佩教授將海濱錦葵種子引進(jìn)中國(guó)[5]。前人對(duì)海濱錦葵的抗鹽生理研究較多,如鈣對(duì)NaCl脅迫下海濱錦葵種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的緩解效應(yīng)以及鹽脅迫對(duì)海濱錦葵生長(zhǎng)及Na+、K+離子積累的影響等等[6-9]。近幾年,海濱錦葵的轉(zhuǎn)錄組分析以及抗鹽基因成為研究熱點(diǎn)[10-11],但鹽脅迫下海濱錦葵的光響應(yīng)曲線模型尚未報(bào)道。
光合作用是植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ),含有光合色素的植物可通過光合作用將無機(jī)物同化成有機(jī)物并釋放氧[12],但光合作用對(duì)鹽脅迫非常敏感,鹽脅迫可抑制植物的光合作用。光響應(yīng)曲線描述了光量子通量密度與植物凈光合速率之間的關(guān)系。目前國(guó)內(nèi)外常用的光響應(yīng)模型有直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型、指數(shù)模型以及直角雙曲線修正模型,通過光響應(yīng)曲線可以計(jì)算出植物的表觀量子效率α、最大凈光合速率Pn max、光飽和點(diǎn)(light saturation point, LSP)、光補(bǔ)償點(diǎn)(light compensation point , LCP)以及暗呼吸速率Rd等。不同的光響應(yīng)模型估算的參數(shù)也有一定的差異,本文對(duì)不同鹽脅迫處理的海濱錦葵進(jìn)行光響應(yīng)模型擬合,比較各種模型間光響應(yīng)參數(shù)的差異,找到各種鹽脅迫下最適的光響應(yīng)曲線模型,增進(jìn)對(duì)鹽脅迫條件下海濱錦葵光合作用的了解,旨在為準(zhǔn)確計(jì)算光響應(yīng)曲線參數(shù)提供技術(shù)指導(dǎo)。
海濱錦葵種子采自東營(yíng)海濱,選取飽滿的海濱錦葵種子,浸泡露白,于2017年10月13日播種在裝有干凈細(xì)沙的塑料盆中,每盆3株,出苗后澆灌1/2的Hoagland溶液,待其長(zhǎng)出第2片真葉,轉(zhuǎn)為完全Hoagland溶液澆灌。4周后對(duì)植株進(jìn)行鹽處理,本實(shí)驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理:0 mmol·L-1(完全Hoagland溶液,即對(duì)照組)、100 mmol·L-1、200 mmol·L-1、300 mmol·L-1(NaCl溶液用完全Hoagland溶液配制),采用每日遞增法達(dá)到預(yù)期鹽濃度,鹽處理時(shí)間為兩周,每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。
將植株放在太陽光下充分光適應(yīng)半小時(shí),選取健康植株的第3片真葉為實(shí)驗(yàn)材料,采用CIRAS-3便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)(美國(guó)PPSystems)于上午9:30—11:30測(cè)定海濱錦葵的凈光合速率(Pn)等參數(shù)。光合有效輻射的梯度設(shè)置為2 000、1 750、1 500、1 250、1 000、800、600、400、200、100、50、25、0 μmol·m-2·s-1,CO2摩爾濃度為400 μmol·mol-1(大氣CO2摩爾濃度),溫度為23 ℃(室溫)。
1.3.1 非直角雙曲線模型
非直角雙曲線模型[13]的表達(dá)式為:
(1)
式中,Pn為凈光合速率;Q為光量子通量密度;α是光響應(yīng)曲線在Q= 0時(shí)的斜率, 即植物的初始斜率或初始量子效率;Pn max為最大凈光合速率;θ為反映光響應(yīng)曲線彎曲程度的區(qū)角參數(shù),取值0≤θ≤1;Rd為暗呼吸速率。式(1)是一個(gè)沒有極值的函數(shù),無法由式(1)直接求出光補(bǔ)償點(diǎn)(LLCP)和光飽和點(diǎn)(LLSP),因此,計(jì)算LLCP時(shí)用以下公式:
(2)
有學(xué)者假設(shè)0.7Pn max所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)為飽和光強(qiáng)[14],因此本文用0.7Pn max估算飽和光強(qiáng)。
1.3.2 直角雙曲線模型
直角雙曲線模型[15]的表達(dá)式為:
(3)
式(3)也是一個(gè)沒有極值的函數(shù), 即直角雙曲線同樣是一條沒有極點(diǎn)的漸近線。計(jì)算LLCP時(shí)用以下公式:
(4)
光飽和點(diǎn)計(jì)算方法同非直角雙曲線。
1.3.3 指數(shù)模型
指數(shù)模型[16]的表達(dá)式為:
Pn=Pn max(1-e-αQ/Pn max)-Rd,
(5)
估算植物的飽和光強(qiáng)時(shí),需要假定光合速率為 0.9Pn max[17]或0.99Pn max[18]所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)為飽和光強(qiáng)。本文估算飽和光強(qiáng)時(shí)假定光合速率為 0.9Pn max。
1.3.4 直角雙曲線修正模型
直角雙曲線修正模型[19]的表達(dá)式為:
(6)
式中β和γ為系數(shù),單位為m2·s·μmol-1,直角雙曲線修正模型存在極點(diǎn),即存在飽和光強(qiáng)和最大凈光合速率[20]。飽和光強(qiáng)Isat的計(jì)算公式為:
(7)
最大凈光合速率Pn max的計(jì)算公式為:
(8)
光補(bǔ)償點(diǎn)LLCP的計(jì)算公式:
(9)
實(shí)驗(yàn)采用EXCEL 2010處理數(shù)據(jù),采用Origin Pro 8.5軟件進(jìn)行曲線擬合。光響應(yīng)模型擬合參數(shù)和平均實(shí)測(cè)值見表1,擬合參數(shù)與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差見表2。
表1 不同鹽漬條件下海濱錦葵光合-光響應(yīng)模型擬合參數(shù)與實(shí)測(cè)值Table 1 Fitting parameters and measureddata of different photosynthetic and light-response models of Kostelezkya virginica under salt stress
續(xù)表1
表2 不同鹽漬條件下海濱錦葵光合-光響應(yīng)模型擬合參數(shù)與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差Table 2 The relative errors between fitting parameters and measured data of different photosynthetic and light-response models of Kostelezkya virginica under salt stress
圖1 利用非直角雙曲線模型擬合的不同鹽脅迫下海濱錦葵的光響應(yīng)曲線Fig.1 Light response curve of Kostelezkya virginica under salt stress fitted by non-rectangular hyperbola model
由圖1和表1可知,非直角雙曲線模型對(duì)200 mmol·L-1NaCl處理的海濱錦葵整體擬合程度最高。其中R2高達(dá)0.997,最大凈光合速率為21.16 μmol·m-2·s-1,光飽和點(diǎn)為1 304.09 μmol·m-2·s-1,光補(bǔ)償點(diǎn)為51.61 μmol·m-2·s-1,暗呼吸速率為0.67 μmol·m-2·s-1。而其他模型擬合值與實(shí)測(cè)值差別較大,例如該模型對(duì)0 mmol·L-1處理的海濱錦葵在光合有效輻射為0~1000 μmol·m-2·s-1時(shí)的擬合程度較差。
從圖2和表1可以看出,直角雙曲線模型對(duì)對(duì)照組的擬合情況較好,直角雙曲線模型為0 mmol·L-1鹽處理時(shí)海濱錦葵的最適分析模型,其中初始量子效率為0.033,最大凈光合速率為26.67 μmol·m-2·s-1,光飽和點(diǎn)為2 002.89 μmol·m-2·s-1,光補(bǔ)償點(diǎn)為10.13 μmol·m-2·s-1,暗呼吸速率為0.33 μmol·m-2·s-1。其中光飽和點(diǎn)和暗呼吸速率擬合值與實(shí)測(cè)值接近,而最大凈光合速率和光補(bǔ)償點(diǎn)與實(shí)測(cè)值有一定的差別。由于該模型同樣是一個(gè)沒有極值的函數(shù),對(duì)100 mmol·L-1、200 mmol·L-1、300 mmol·L-1NaCl處理的海濱錦葵光響應(yīng)曲線擬合時(shí)與實(shí)測(cè)值差別較大。
圖2 利用直角雙曲線模型擬合的不同鹽脅迫下海濱錦葵的光響應(yīng)曲線Fig.2 Light response curve of Kostelezkya virginica under salt stress fitted by rectangular hyperbola model
雖然指數(shù)模型的形式很多,但無法擬合在飽和光強(qiáng)之后光合速率隨光強(qiáng)的增加而降低時(shí)的光響應(yīng)曲線。由圖3和表1、2知,對(duì)于本實(shí)驗(yàn)4個(gè)不同的處理,當(dāng)實(shí)測(cè)值達(dá)到飽和光強(qiáng)時(shí),擬合值卻一直上升,擬合效果不佳,相對(duì)誤差較大。因此該模型對(duì)鹽脅迫下海濱錦葵的光響應(yīng)曲線無實(shí)際應(yīng)用性。
圖3 利用指數(shù)模型擬合的不同鹽脅迫下海濱錦葵的光響應(yīng)曲線Fig.3 Light response curve of Kostelezkya virginica under salt stress fitted by exponential model
不少研究證明直角雙曲線修正模型具有良好的適用性,光合作用對(duì)光響應(yīng)修正模型中的系數(shù)β和γ具有確切的生物學(xué)意義,其中β為光抑制項(xiàng),單位為m2·s·μmol-1,β值越大,表示植物越容易受到光抑制。γ為光飽和項(xiàng),其單位也為m2·s·μmol-1,γ值越大,表示植物越容易達(dá)到飽和[21]。由圖4和表1、2可知,直角雙曲線修正模型對(duì)100 mmol·L-1處理組的擬合效果最佳,R2=0.989,初始量子效率為0.016,最大凈光合速率為22.10 μmol·m-2·s-1,光飽和點(diǎn)為1 878.82 μmol·m-2·s-1,光補(bǔ)償點(diǎn)為101.32 μmol·m-2·s-1,暗呼吸速率為1.62 μmol·m-2·s-1。另外,直角雙曲線修正模型對(duì)300 mmol·L-1鹽處理組的擬合效果也較好,R2=0.988,初始量子效率為0.007,最大凈光合速率為8.70 μmol·m-2·s-1,光飽和點(diǎn)為1 698.53 μmol·m-2·s-1,光補(bǔ)償點(diǎn)為113.31 μmol·m-2·s-1,暗呼吸速率為0.79 μmol·m-2·s-1。該模型可準(zhǔn)確擬合高光強(qiáng)下光合速率下降(光抑制)的情況。
圖4 利用直角雙曲線修正模型擬合的不同鹽脅迫下海濱錦葵的光響應(yīng)曲線Fig.4 Light response curve of Kostelezkya virginica under salt stress fitted by rectangular hyperbola modified model
光響應(yīng)曲線是研究植物光合性能的重要方法[19],在植物生理、品種篩選、植物抗性等方面的研究中被廣泛采用[22]。由于光響應(yīng)模型種類較多,不同的植物需要不同的光響應(yīng)模型;另外,同種植物在不同處理下,其最適光響應(yīng)模型也有一定的差異。已有的研究表明:陰生植物的LLCP<20 μmol·m-2·s-1或更低,LLSP為500~1000 μmol·m-2·s-1;而陽生植物L(fēng)LCP為50~100 μmol·m-2·s-1,LLSP為1 500~2 000 μmol·m-2·s-1或更高[23]。本實(shí)驗(yàn)除對(duì)照組海濱錦葵的LLCP≈20 μmol·m-2·s-1外,鹽處理組的LLCP和表觀量子效率均增加,說明鹽脅迫降低了海濱錦葵對(duì)弱光的利用能力;而LLSP均在陽生植物的劃定范圍內(nèi)。初步判斷海濱錦葵屬于陽生植物。
植物的光合作用機(jī)構(gòu)對(duì)逆境脅迫非常敏感,通常是逆境傷害的首要位點(diǎn)[24]。海濱錦葵是一種耐鹽的C3植物,適當(dāng)濃度的鹽脅迫可促進(jìn)其生長(zhǎng)。與鹽處理海濱錦葵葉片相比,對(duì)照組的葉片更成熟,但葉綠素含量略低,導(dǎo)致其光合速率降低;隨著鹽脅迫程度的加重,凈光合速率表現(xiàn)出先增高后降低的趨勢(shì),100 mmol·L-1鹽脅迫處理時(shí),凈光合速率實(shí)測(cè)值最大;300 mmol·L-1鹽脅迫處理時(shí)最大凈光合速率和光飽和點(diǎn)均降低,嚴(yán)重抑制植株的生長(zhǎng),這與前人的研究一致[6]。本研究利用當(dāng)前常用的4個(gè)模型,對(duì)不同鹽脅迫處理的海濱錦葵進(jìn)行光響應(yīng)曲線擬合,分析了不同條件下的最適光響應(yīng)模型,對(duì)鹽脅迫下海濱錦葵的生態(tài)和生理研究有一定的意義。
本文采用相對(duì)誤差(RE)和決定系數(shù)(R2)來評(píng)價(jià)光響應(yīng)曲線的模擬效果。對(duì)照組的擬合效果:直角雙曲線模型直角雙曲線修正模型非直角雙曲線模型指數(shù)模型。直角雙曲線模型擬合效果最好,R20.98,Pn max與實(shí)測(cè)值相差7.77,LLSP與實(shí)測(cè)值相差47.14,LLCP與實(shí)測(cè)值相差9.84,Rd與實(shí)測(cè)值相差0.07。而其他模型擬合值與實(shí)測(cè)值相差較多。當(dāng)光照達(dá)到一定的強(qiáng)度時(shí),對(duì)照組未出現(xiàn)光抑制,而直角雙曲線模型同樣沒有極值,故能擬合出光合速率隨著光強(qiáng)不斷上升的趨勢(shì)。100 mmol·L-1鹽脅迫時(shí)的擬合效果:直角雙曲線修正模型指數(shù)模型非直角雙曲線模型直角雙曲線模型。直角雙曲線修正模型擬合效果最佳,平均相對(duì)誤差(MRE)僅為0.09,R2=0.989,Pn max與實(shí)測(cè)值相差2.7,LLSP與實(shí)測(cè)值相差36.71,LLCP與實(shí)測(cè)值相差2.08,Rd與實(shí)測(cè)值相差0.22,而其他模型擬合值與實(shí)測(cè)值相差較多。一定鹽濃度對(duì)海濱錦葵的凈光合速率有促進(jìn)作用,此時(shí)海濱錦葵存在光抑制,直角雙曲線修正模型能精確擬合到光抑制的情況,這與前人[22, 25]對(duì)鹽脅迫下中山杉以及干旱脅迫下杠柳的研究結(jié)果一致。200 mmol·L-1鹽脅迫時(shí)的擬合效果:非直角雙曲線模型指數(shù)模型直角雙曲線修正模型直角雙曲線模型。200 mmol·L-1鹽脅迫時(shí)非直角雙曲線模型擬合效果較好,R2=0.997,Pn max與實(shí)測(cè)值相差2.56,LLSP與實(shí)測(cè)值相差645.28,LLCP與實(shí)測(cè)值相差8.87,Rd與實(shí)測(cè)值相差0.13,而其他模型擬合值與實(shí)測(cè)值相差較多。200 mmol·L-1鹽脅迫對(duì)海濱錦葵屬于中度脅迫,凈光合速率受到一定的抑制。300 mmol·L-1鹽脅迫時(shí)的擬合效果:直角雙曲線修正模型非直角雙曲線模型指數(shù)模型直角雙曲線模型。300 mmol·L-1鹽脅迫時(shí)直角雙曲線修正模型擬合效果較好,R2=0.988,Pn max與實(shí)測(cè)值相差0.46,LLSP與實(shí)測(cè)值相差677.38,LLCP與實(shí)測(cè)值相差30.3,Rd與實(shí)測(cè)值相差0.7。其次是非直角雙曲線模型,而其他模型擬合值與實(shí)測(cè)值相差較多。300 mmol·L-1鹽脅迫對(duì)海濱錦葵屬于重度脅迫,較高濃度的鹽脅迫會(huì)引起保衛(wèi)細(xì)胞吸水受限,從而導(dǎo)致氣孔開閉受限。
4個(gè)不同的鹽處理中,100 mmol·L-1鹽處理組用直角雙曲線修正模型擬合時(shí)精確度最高,直角雙曲線修正模型具有計(jì)算植物最大凈光合速率及飽和光強(qiáng)的公式[26],更符合植物實(shí)際的光合過程。上述研究,為了解不同鹽濃度下海濱錦葵的光合特性提供了參考。