智永祺 鄭玉紅 張鵬翀

摘要：為了解溫度對石蒜光合作用的影響，研究了階躍溫度條件下石蒜光合作用動態(tài)變化。結(jié)果表明，階躍溫差越大，對石蒜光合作用影響越大。其中，5～20 ℃溫度階躍處理影響最大，處理中期凈光合速率（Pn）小于0，蒸騰速率（E）上升。另外，階躍溫差越大，中期Pn的恢復時間越長。除5～10 ℃溫度階躍處理外，其他處理Pn在不同階段之間變化不連續(xù)。階躍處理中期，5～10 ℃處理Pn最不穩(wěn)定，5～20 ℃處理最穩(wěn)定。5～15 ℃和5～20 ℃處理的MDA含量變化趨勢一致，呈“W”形，而5～10 ℃處理呈“M”形。不同處理POD活性總體呈上升趨勢，處理30 min內(nèi)，階躍溫差越大，POD活性越高。不同處理間SOD活性的變化差異較大，5～10 ℃處理SOD活性逐漸下降，5～15、5～20 ℃處理分別為先升后降和先降后升變化趨勢，處理30 min后，階躍溫差越大，SOD活性越高。5～10 ℃和5～20 ℃處理的可溶性蛋白含量是先升后降變化趨勢，5～15 ℃處理則為峰谷交替變化趨勢。該結(jié)果從光合生理角度闡明了溫度階躍影響石蒜光合作用和新陳代謝，可為石蒜冬春季栽培中溫度控制提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：溫度階躍;石蒜;光合作用;新陳代謝

中圖分類號： S682.2+90.1 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）22-0148-04

石蒜（Lycoris radiata）是石蒜屬（Lycoris Herb.）植物中自然分布最廣的種類。不同于一般落葉植物，石蒜秋季出葉，春季落葉。從石蒜葉片衰老的時間看，環(huán)境溫度的改變是導致其夏眠的主要原因。同屬春出葉長筒石蒜（L. longituba）的研究也發(fā)現(xiàn)，葉片衰老與溫度密切相關(guān)[1]。恒溫處理能使忽地笑（L. aurea）葉片營養(yǎng)生長呈現(xiàn)出常綠狀態(tài)[2]?？梢?，溫度對石蒜屬植物的營養(yǎng)生長具有重要影響。

溫度對石蒜生長發(fā)育影響的研究，主要集中在對開花的影響[3-5]，而對營養(yǎng)生長的研究較少。已有的研究發(fā)現(xiàn)，石蒜具有較強的抗寒性，0 ℃條件下也能正常生長[6-7]。溫度還影響石蒜的分布，最冷季度平均溫度對石蒜分布影響最大，最佳適生區(qū)對應的最冷季平均溫度在-2～8 ℃之間[8]。不同溫度下石蒜光響應曲線的研究發(fā)現(xiàn)，石蒜的光合最適溫度為10～15 ℃[9]。

通過分析溫度對石蒜光合作用的影響是理解石蒜獨特生物學特性的基礎(chǔ)，可以了解低溫環(huán)境下植物生活的活動。近年來，在溫室效應的作用下，出現(xiàn)“一天中溫度快速變化”的現(xiàn)象越來越多。石蒜營養(yǎng)生長期（光合作用）主要是在晚秋—冬季—早春時期，這個階段最容易產(chǎn)生環(huán)境溫度快速變化。因此，本研究將石蒜作為研究植物適應溫度快速變化的代表植物，研究溫度階躍條件下石蒜光合作用的動態(tài)響應過程。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為石蒜，直徑約3 cm，取自于南京林業(yè)大學石蒜苗圃，盆栽于草炭基質(zhì)中，室溫20 ℃培養(yǎng)，每3 d澆水1次。4周后，轉(zhuǎn)入5 ℃、相對濕度恒定為60%的人工氣候箱（寧波賽福，PRX-450B）培養(yǎng)1周。

1.2 試驗方法

試驗于2016年1月份進行。儀器為GFS-3000型高級光合作用測量系統(tǒng)（Heinz Walz GmbH，Effeltrich，Germany），葉室光照為紅藍光源（3040-L）提供。選取35 cm左右長勢一致、健康葉片測定。

1.2.1 階躍溫度對石蒜光合參數(shù)的影響 設(shè)置人工氣候箱溫度分別為5、10、15、20 ℃，設(shè)定光照強度為80%。

選取健康石蒜葉片，設(shè)定葉室溫度為5 ℃，測定樣品葉的光合參數(shù)為背景值;然后將石蒜分別轉(zhuǎn)入10 ℃（T1：溫度階差5 ℃）、15 ℃（T2：溫度階差10 ℃）、20 ℃（T3：溫度階差15 ℃）人工氣候箱，同時調(diào)整葉室溫度與人工氣候箱溫度相同，測定葉片光合參數(shù)作為石蒜對階躍溫度的響應值，直到達到穩(wěn)定狀態(tài)。試驗重復3次。5 ℃起始階段，數(shù)據(jù)為手動記錄，此時記錄3個測量點;轉(zhuǎn)入溫度不同的人工氣候箱后，數(shù)據(jù)為程序自動記錄，測量點時間間隔為5～45 s的循環(huán)。測量的光合參數(shù)包括凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（E）、胞間二氧化碳濃度（Ci）和氣孔導度（Gs）等。

1.2.2 階躍溫度對石蒜葉片新陳代謝的影響 取材時間同“1.2.1”節(jié)。每個階躍溫度處理于第3次重復測量時取樣。5 ℃取樣1次，轉(zhuǎn)入階躍溫度處理5 min取第2次樣，隨后每 5 min 取1次樣，處理30 min取最后1次樣。每次取3張長勢一致葉片，迅速轉(zhuǎn)入-80 ℃冰箱保存。

取石蒜葉片，擦凈組織表面污物，去中脈剪碎，混勻。稱取剪碎樣品0.5 g，磷酸緩沖液（PBS）冰浴研磨呈勻漿，測定可溶性蛋白質(zhì)含量[10]、POD活性[11]、SOD活性[10]以及MDA含量[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用Excel 2010對數(shù)據(jù)進行匯總、計算，并進行相關(guān)性分析，R軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 階躍溫度處理對石蒜葉片凈光合速率（Pn）和蒸騰速率（E）的影響

從圖1可以看出，3個不同溫度階躍處理在從5 ℃人工氣候箱轉(zhuǎn)出時，凈光合速率Pn明顯下降，在上升一段時間后，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，可依據(jù)Pn的變化，把溫度階躍處理過程分為3個時期，即前期、中期和后期。前期，石蒜在 5 ℃ 人工氣候箱中培養(yǎng)，以轉(zhuǎn)入不同溫度的人工氣候箱后葉片Pn變化階段為中期，后續(xù)Pn的波動階段為后期。

不同階躍溫度處理中期時間長度不同;溫度階差越高，中期時間越長。從前期到中期，階差溫度為15 ℃（T3）時葉片Pn降幅最大，約下降2.90 μmol/（m2·s），但之后穩(wěn)步上升;階差溫度為5 ℃（T1）時Pn降幅最小，約為0.35 μmol/（m2·s）;階差溫度為10 ℃（T2）時Pn降幅中等，約為0.98 μmol/（m2·s）。中期穩(wěn)定程度則隨階點溫度下降而降低，T3處理最穩(wěn)定，T2處理在中后期逐漸上升，而T1處理在從中期起始連續(xù)上升，但不穩(wěn)定。觀察中后期銜接處發(fā)現(xiàn)，T1處理連續(xù)性較好，后期Pn穩(wěn)定程度與中期相近（圖1）。

不同處理蒸騰速率（E）變化不同（圖1）。從前期到中期，T1、T2處理E值下降，而T3處理為升高。在中期，T1處理的E值第50個測量點達到最小值;T2處理先降后升，而T3處理的E值在波動中上升。研究發(fā)現(xiàn)，盡管在T3處理中期E值最高，達到0.359 6 mmol/（m2·s），但是Pn卻為負值，表明其呼吸作用強于光合作用。后期，T3處理最穩(wěn)定，T2處理波動幅度小，而T1處理最不穩(wěn)定，呈“升—降—升”的變化趨勢。

2.2 階躍溫度對胞間CO2濃度（Ci）和氣孔導度（Gs）的影響

3種階躍溫度處理中，溫度階差5 ℃時胞間CO2濃度（Ci）值在中后期出現(xiàn)異常。根據(jù)Ci計算公式和實際意義，去除異常值后再比較。由圖2可知，Ci值隨溫度階差的升高而上升，溫度階差15 ℃時值最高，中期均值約為476.93 μmol/mol;溫度階差5 ℃時最低，中期均值約288.18 μmol/mol。中期的Ci值總體都表現(xiàn)為下降，溫度階差5 ℃和15 ℃時Ci值連續(xù)下降，而溫度階差為10 ℃時表現(xiàn)為先升后降變化趨勢。

在各階躍溫度處理的中期和后期，氣孔導度（Gs）對溫度階躍的響應與E值變化趨勢相似;不同的是，從前期到中期，溫度階差為5 ℃時Gs呈上升趨勢，而E值則呈下降的趨勢;Gs最大值出現(xiàn)在第19個測量點，為5.01 mmol/（m2·s），距測量開始約9 min;從中期到后期，Gs呈連續(xù)變化，變化趨勢由下降轉(zhuǎn)為上升，后期Gs先升后降，最后逐漸穩(wěn)定。T2處理中，中后期的變化幅度不大，總體趨勢為先降后升，Gs最大值出現(xiàn)在倒數(shù)第3個測量點，為5.63 mmol/（m2·s）。T3處理中，中期Gs值變化呈“M”形，從中期到后期，Gs值斷裂式下降，后期的Gs值呈逐漸上升的趨勢，Gs最大值出現(xiàn)在中期，在第124個測量點處，為18.99 mmol/（m2·s）。

2.3 階躍溫度處理期間石蒜葉片各光合參數(shù)的相關(guān)性分析

由表1可知，除T1處理Pn與E、Ci、Gs的相關(guān)關(guān)系不顯著外，其余指標都呈極顯著相關(guān)關(guān)系;但是相關(guān)性不同。T2處理中Pn與E呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.71，T3處理時卻呈極顯著負相關(guān)，表明不同階躍溫度處理期間，E值對凈光合速率Pn的影響不同。T2處理中Pn與Gs呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.65;T3處理中二者則呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.40。T1、T2處理中，E與Ci均呈極顯著為負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.38和-0.44;T3處理中二者呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.27。但所有處理中，Gs和E之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，且均為為強相關(guān)。

2.4 階躍溫度對石蒜葉片新陳代謝的影響

圖3-A所示為不同階躍溫度對石蒜葉片丙二醛（MDA）含量的影響?？傮w上，T1處理石蒜葉片的MDA含量均值最高，為344.42 μmol/g;隨時間延長呈“M”形的變化趨勢：在處理 5 min 后上升，10 min后下降，15 min后趨于穩(wěn)定，約為 302.82 μmol/g。T2、T3處理的MDA含量變化趨勢一致，呈“W”形，2次谷值出現(xiàn)的時間分別為處理5、10 min，而15 min后MDA含量均上升;T2處理后期MDA含量低于前期，T3為高于前期。

不同處理POD活性總體變化趨勢是先升高、后降低、再升高（圖3-B）。不同的是，各處理之間第2次升高的時間點不同，T1和T3處理15 min處升高，T2處理在20 min處升高。但T3處理POD活性整體較高，平均值為 225.63 U/（g·min），高于其他處理。10 min以后活性最高值是251.23 U/（g·min），其他2個處理平均值分別為 211.33、218.16 U/（g·min）。

不同于POD活性的變化，不同處理SOD活性的變化差異較大（圖3-C）。T1處理的石蒜葉片SOD活性在前中期迅速下降，中期下降逐漸平緩，至后期已基本不再變化;T2處理石蒜葉片的SOD活性在0～5 min上升，5 min以后下降，20 min 以后逐漸穩(wěn)定;T3處理石蒜葉片的SOD活性在10 min前比較平穩(wěn)，10～15 min呈下降趨勢，15 min后則迅速上升。30 min處T3處理SOD活性最高，為559.34 U/g。總體來看，T2處理的活性維持在較高水平，平均值594.92 U/g。

圖中3-D所示為不同階躍溫度處理對石蒜葉片可溶性蛋白含量的影響，不同處理間可溶性蛋白含量差異不大，T1和T3處理趨勢相似，0～5 min均為上升，5 min以后上下波動;T1處理含量最高，均值為1.84 mg/g。T2處理在0～5 min呈上升趨勢，5 min后則為下降，均值為1.65 mg/g。

3 討論與結(jié)論

3.1 石蒜光合作用對溫度階躍的響應

迄今為止，對于植物光合作用的研究，大多是在穩(wěn)態(tài)下進行，植物光合作用的瞬態(tài)響應極少被研究。Laisk等首先進行了嘗試[14]，因附屬硬件較多，只能在室內(nèi)進行測定;國內(nèi)僅對春玉米（Zea mays）和番茄（Lycopersicon esculentum）進行過相關(guān)研究[15-16]。本研究通過人工氣候箱精準控溫，對階躍溫度條件下石蒜光合作用動態(tài)變化進行了研究。階躍溫度的設(shè)定依據(jù)是自然條件下，石蒜營養(yǎng)生長期間月平均最高溫為 9.4～17.4 ℃、月平均最低溫為2.1～8.2 ℃（<9 ℃）。

雖然階躍起點均為5 ℃，但由于溫度階差不同，凈光合速率的響應也不同。王婷認為10～15 ℃是石蒜的最適光合溫度，其中10 ℃比15 ℃更適合石蒜光合作用進行[9]。本研究中，溫度階差為10 ℃時Pn降幅最小，說明5～15 ℃溫度處理對石蒜的光合作用影響最小;處理的溫度階差為15 ℃時，Pn降幅最大，相關(guān)性分析表明，Pn與Ci、E呈極顯著負相關(guān)，Ci高于環(huán)境二氧化碳濃度值，說明階點溫度為20 ℃時，超出了石蒜最適光合作用溫度范圍，也間接證明了當氣溫升高到 20 ℃ 以上時，石蒜光合能力的下降[17]。溫度階差為15 ℃時Pn在不同階段之間波動明顯，結(jié)合此階段MDA和可溶性蛋白含量變化及POD、SOD活性變化，可知溫度大幅升高可能引起石蒜新陳代謝的紊亂從而導致光合速率的明顯波動，這可能是石蒜夏眠的重要原因之一。

從前期到中期，3種階躍溫度處理Pn都有不同程度下降。根據(jù)Gs和Ci變化可以判斷，這種下降都不是由氣孔因素主導[18]。溫度階差為15 ℃時，Pn一度出現(xiàn)負值，表明此時光合產(chǎn)物的積累無法滿足呼吸作用的需要。對同為夏眠的荒漠植物托里阿魏（Ferula krylovii）的研究表明，適當升高溫

度會引起呼吸速率的增加[19]。故推斷石蒜在進入20 ℃環(huán)境時，呼吸速率增加，但由于呼吸作用釋放能量是一個緩慢的過程[20]，提供的能量不足以支持足夠的光合作用，也可能是由呼吸作用與光合作用共用物的量不足以及PSⅡ的活性下降導致，所以表現(xiàn)出Pn為負值。溫度階差為5～15 ℃時，從前期到中期，Pn均不連續(xù)，表明溫度階差≥5 ℃時，短期內(nèi)不利于石蒜光合作用。該結(jié)論得到小麥高溫條件下光合特性研究的支持[21]。在3種不同階躍溫度處理中期，隨著呼吸作用產(chǎn)生能量的釋放，呼吸作用與光合作用共用物的積累，以及 PSⅡ 活性的逐漸恢復等，Pn緩慢上升。此外，不同處理中期的穩(wěn)定時間長度也存在差異，T3最長，T1幾乎為0。其原因可能為溫度階差越大，呼吸速率越大，對光合作用和呼吸作用的共同物ADP和NAPD+的需求量也越大，這2種物質(zhì)積累所需的時間也越長;同時，階點溫度越高，PSⅡ活性下降程度越大，活性恢復所需時間越長，推測為多個因素共同造成光合系統(tǒng)適應溫度變化時間的增加[18]。而在后期，Pn保持相對穩(wěn)定，也證明了該推斷。T1處理后期，Ci大幅下降至負值，原因是當Gs很低，氣孔未完全開放，就會出現(xiàn)Ci測定值為負的情況。當然，這是不真實的，實際情況是Ci很低。T1處理后期的末段出現(xiàn)了Ci>20 000 μmol/（m2·s），也是異常值，具體原因有待進一步研究。

3.2 階躍溫度對石蒜新陳代謝的影響

受到階躍溫度處理的石蒜，抗氧化系統(tǒng)也會發(fā)生變化，不同生理指標的活性變化情況不同。丙二醛（MDA）是細胞膜質(zhì)過氧化產(chǎn)物之一，能加劇膜的損傷，故MDA的含量是反應膜脂過氧化的重要指標[22-23]。比較不同階躍溫度處理發(fā)現(xiàn)：溫度階差越小，對細胞膜穩(wěn)定性影響越大。而T3處理對細胞膜穩(wěn)定性影響不大，這可能是由于20 ℃對石蒜還未致死，但高溫又引起適應膜系統(tǒng)變化的節(jié)奏放緩;而T2處理的MDA總體下降，可能是15 ℃的環(huán)境條件對石蒜膜系統(tǒng)影響不大。

不同階躍溫度處理抗氧化酶系統(tǒng)中各酶的活性變化有差異，SOD活性的變化差異最大，POD活性變化相對較小，但總體均有不同程度的上升。在不同處理過程中，不同的抗氧化酶在各階段發(fā)揮的作用不一樣：T1處理POD活性上升，SOD活性下降，POD在抗氧化過程中起主要作用;T2處理SOD活性在5min時最大，POD活性在20 min時達到最大，說明在5～15 ℃階躍溫度處理中，不同的抗氧化酶在不同時期起著主要作用;T3處理SOD活性變化不大，而POD活性呈明顯上升，是POD在抗氧化系統(tǒng)中起著主要作用。

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