武瑞瑞，黃家雄，楊 陽(yáng)，李亞男，張曉芳，呂玉蘭，何紅艷，李貴平

（云南省農(nóng)科院熱帶亞熱帶經(jīng)濟(jì)作物研究所，云南 保山 678000）

【研究意義】影響植物正常生長(zhǎng)的環(huán)境因素有很多，如光照、溫度及CO2濃度等。環(huán)境脅迫對(duì)植物光合作用的影響是多方面的。而葉綠素?zé)晒馐枪夂系奶结?，能更加真?shí)的反應(yīng)植物的光合作用。植物葉片葉綠素?zé)晒馓匦砸驯粡V泛應(yīng)用到植物光合機(jī)理和逆境生理等研究領(lǐng)域［1-2］。光合日變化是維持植物光合機(jī)構(gòu)內(nèi)不同組分響應(yīng)和適應(yīng)環(huán)境條件的一種平衡能力的反應(yīng)，葉綠素?zé)晒鈪?shù)則反映光合機(jī)構(gòu)內(nèi)一系列重要的適應(yīng)調(diào)節(jié)過(guò)程［3］。開(kāi)展咖啡葉綠素?zé)晒馊兆兓难芯坑兄诹私猸h(huán)境對(duì)咖啡光合作用的影響及咖啡對(duì)環(huán)境的適應(yīng)方式?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】朱弘等［4］對(duì)不同竹齡毛竹冠層葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)日變化的研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)提高4年生毛竹在竹林中的比重，通過(guò)優(yōu)化毛竹立竹結(jié)構(gòu)和林肥管理可提高毛竹林經(jīng)營(yíng)綜合效益。習(xí)玉森等［5］研究了不同生長(zhǎng)型觀賞桃葉的葉綠素?zé)晒馊兆兓l(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)季內(nèi)8月上旬PSII中心出現(xiàn)可逆失活，不同生長(zhǎng)型葉綠素?zé)晒庥幸欢ú町?。王直亮等?］通過(guò)研究不同菜心品種葉綠素?zé)晒鈪?shù)日變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著光強(qiáng)和溫度的變化，在一定范圍內(nèi)，PSII可逆性功能失活，且耐熱性強(qiáng)的菜心品種恢復(fù)速率較高。喬梅梅等［7］研究了不同種植處理與不同環(huán)境下黑果枸杞葉綠素?zé)晒鈪?shù)的日變化，發(fā)現(xiàn)壟栽各熒光參數(shù)變化幅度小，且熒光參數(shù)與光強(qiáng)和溫度等環(huán)境因子的相關(guān)性低，所以黑果枸杞高效種植采取壟栽。韋陽(yáng)連等［8］研究了龍船花屬3種植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)的日變化，發(fā)現(xiàn)3種龍船花的光合性能及耐陰性為龍船花＞大王龍船花＞大葉黃龍船花?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】對(duì)大粒種、中粒種以及小粒種咖啡卡蒂姆2和卡蒂姆3的葉綠素?zé)晒馊兆兓M(jìn)行比較，了解它們熒光特性的差異及與氣象因子的相關(guān)性?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】測(cè)定5月份咖啡葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fo的日變化規(guī)律及其與溫度、濕度、太陽(yáng)光照強(qiáng)度等影響因子間的關(guān)系，有助于了解咖啡對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，為選育適宜本地氣候特點(diǎn)的咖啡提供研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶亞熱帶經(jīng)濟(jì)作物研究所潞江壩基地（98°53′E，21°59′N），海拔720 m，具有典型的干熱河谷氣候，干濕季節(jié)非常分明，雨熱同期，冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑；11月至次年5月為干季，6～10月為濕季，7、8、9月雨量最多，占全年80%。

1.2 試驗(yàn)材料

大粒種咖啡（Coffea liberica）：咖啡三大原生種之一，原產(chǎn)地為西非的利比里亞，環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)，亦耐病蟲(chóng)害，卻是咖啡原生種中品質(zhì)最差?？辔稄?qiáng)烈是其特征。

中粒種咖啡（Coffea robusta）：非洲剛果原產(chǎn)的原生種，較阿拉比卡種（Arabica）耐病蟲(chóng)害（特別是葉銹病），環(huán)境適應(yīng)力亦強(qiáng)，具有特別的“羅布味”（類似燒焦麥子的味道）。

小粒種咖啡（Coffea arabica）：原產(chǎn)地非洲埃塞俄比亞，為三大原生種中質(zhì)量最佳者，其香味和質(zhì)量是3種之中最好?？ǖ倌肥切×？Х戎械牟ㄅ苑N系分支卡杜拉與中粒種的混種，種植這個(gè)品種的原因是由于卡蒂姆擁有中粒種基因，在抗病性方面比單一老品種強(qiáng)，且產(chǎn)量也好。選取了卡蒂姆系列的2個(gè)品種，分別為卡蒂姆系列品種2（以下簡(jiǎn)稱卡蒂姆2）、卡蒂姆系列品種3（以下簡(jiǎn)稱卡蒂姆3）。

大粒種咖啡、中粒種咖啡、小粒種咖啡的卡蒂姆系列品種試材均采自云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶亞熱帶經(jīng)濟(jì)作物研究所潞江壩基地。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 葉綠素?zé)晒鈪?shù)和葉綠素相對(duì)含量的測(cè)定取中上部枝條，每個(gè)枝條從頂端數(shù)第4對(duì)葉子為測(cè)定對(duì)象，每個(gè)品種測(cè)定5片葉。（1）手持葉綠素測(cè)定儀（浙江托普TYS-B）測(cè)定SPAD值，于早上9：00進(jìn)行，每個(gè)葉片重復(fù)測(cè)10次。（2）葉綠素?zé)晒鈪?shù)用調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x（英國(guó)漢莎FMS-2）測(cè)定，于9：00開(kāi)始每隔2 h測(cè)定1次，19：00結(jié)束。測(cè)定時(shí)暗適應(yīng)15 min，測(cè)量熒光參數(shù)Fo與Fv/Fm從儀器FMS-2中直接導(dǎo)出。

1.3.2 氣象資料的搜集 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、溫度和相對(duì)濕度由保山潞江壩氣象站提供。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Excel2003進(jìn)行處理，用SPSS19.0軟件進(jìn)行分析，采用Origin8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和溫度的日變化

太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化呈單峰曲線（圖1），在14：00時(shí)達(dá)到峰值，9：00—10：00和16：00—17：00分別為光照強(qiáng)度快速上升和快速下降的兩個(gè)階段；溫度的變化呈“M”型曲線，在14：00和16：00超過(guò)42 ℃，9：00—14：00為溫度上升階段，其中9：00—10：00為溫度快速上升階段，溫度快速上升階段和光照強(qiáng)度快速上升階段相同，在15：00溫度稍稍下降，16：00后為溫度下降階段。從表1相對(duì)濕度日變化呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，最低值出現(xiàn)在14：00，之后逐漸上升。相對(duì)濕度變化規(guī)律與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化規(guī)律相同。

圖1 溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的日變化（5月10日）Fig.1 Diurnal variation of temperature and the intensity of the solar radiation on May 10

表1 不同時(shí)間點(diǎn)空氣濕度Table 1 Relatively humidity in different time points

2.2 4個(gè)咖啡品種葉綠素相對(duì)含量的比較

葉綠素是綠色植物參與光合作用的重要色素，其含量高低反映了植株的光合能力和生長(zhǎng)狀況［9］。葉綠素含量較高時(shí)，有利于植物對(duì)光能的吸收利用和轉(zhuǎn)化。SPAD值是一項(xiàng)表征葉片光合活性的指標(biāo)，與單位葉面積的葉綠素含量顯著正相關(guān)［10-11］，因此常用其大小來(lái)衡量葉片中葉綠素的含量［12］。

從4個(gè)咖啡品種在5月份的葉片SPAD測(cè)定值（圖2）可以看出，中粒種咖啡葉片的SPAD值最高為66.04，大粒種咖啡葉片的SPAD值最低為52.84，卡蒂姆2和卡蒂姆3分別為64.70和64.54，相差不大。鄧肯差異性分析表明，中粒種、卡蒂姆2、卡蒂姆3的SPAD值無(wú)顯著差異，大粒種與這個(gè)3個(gè)品種均差異顯著。

圖2 不同咖啡品種SPAD值的比較Fig.2 SPAD in leaves of the various types of coffee

2.3 4個(gè)咖啡品種葉綠素?zé)晒鈪?shù)日變化

2.3.1 初始熒光Fo的日變化 Fo為初始熒光，代表不參與光系統(tǒng)II（PSII)光化學(xué)反應(yīng)的光能輻射部分，其數(shù)值與葉綠素濃度和激發(fā)光強(qiáng)度有關(guān)，而與光合作用光化學(xué)反應(yīng)無(wú)關(guān)［13］。一般Fo越大，能量利用越低。從圖3可以看出，大粒種和卡蒂姆2的Fo日變化趨勢(shì)呈“M”型，都于11：00達(dá)到第1個(gè)峰值，分別為330.20和192.20，較9：00分別上升55.35%和12.89%，之后呈下降趨勢(shì)，其中大粒種于15：00降至波谷183.20，17：00上升，之后又開(kāi)始下降；卡蒂姆2第2個(gè)峰值163.21出現(xiàn)在15：00，但上升幅度小，之后下降。中粒種和卡蒂姆3的Fo日變化呈倒“V”型，但各自的變化規(guī)律又不完全一致，這兩個(gè)品種達(dá)到峰值的時(shí)間各不相同，分別在15：00和17：00達(dá)到最高值，分別為262.60和199.44，較9：00分別上升36.14%和63.27%。

除了卡蒂姆2外，其他3個(gè)品種的Fo在19：00均高于早晨水平，說(shuō)明卡蒂姆2葉片色素吸收的能量用于光化學(xué)反應(yīng)較多。卡蒂姆2在11：00以后Fo低于其他品種，且峰值較低，說(shuō)明該品種葉片色素吸收的能量用于光化學(xué)反應(yīng)較多，對(duì)強(qiáng)光脅迫具有較強(qiáng)的耐受性。在9：00，大粒種的Fo值最大，說(shuō)明此刻葉片色素吸收的能量用于光化學(xué)反應(yīng)較其他3個(gè)品種少。由表2可知，在全天時(shí)段中，各品種的Fo差異性不同：11：00，4個(gè)品種的Fo品種間存在顯著差異；15：00，中粒種與其他3個(gè)品種存在顯著差異；17：00，中粒種和卡蒂姆3與其他兩個(gè)品種間存在顯著差異（P＜0.05）。

圖3 不同咖啡品種葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fo的日變化Fig.3 Diurnal variation of Fo in leaves of the various types of coffee

表2 不同咖啡品種同一時(shí)刻Fo的差異性Table 2 Difference of Fo in the different varieties of coffee at the same time

2.3.2 PSⅡ最大光化學(xué)效率Fv/Fm的日變化 由圖4可知，4種咖啡的Fv/Fm變化趨勢(shì)相同，均呈倒“V”型變化，但具體的變化情況不同。在9：00，4個(gè)品種的Fv/Fm值均在0.70以上；大粒種的Fv/Fm值在13：00前為0.72，降幅最小，較9：00的0.74降低2.73%，在15：00急劇下降，下降為0.60，降幅為18.63%，之后先快速上升然后緩慢上升；中粒種的Fv/Fm值在13：00達(dá)到最低（0.65），較9：00的0.77下降15.43%，之后緩慢上升，15：00的Fv/Fm值（0.67）是4個(gè)品種中最高的；卡蒂姆2和卡蒂姆3的Fv/Fm值在15：00降到最低值，分別為0.66和0.65，較9：00分別下降11.45%和14.85%，15：00后Fv/Fm值開(kāi)始上升，卡蒂姆2先快速上升后上升減緩，而卡蒂姆3先緩慢上升再快速上升，卡蒂姆2和卡蒂姆3的Fv/Fm值在19：00 高于 9：00。

從表3可以看出，4個(gè)咖啡品種的Fv/Fm值在9：00和17：00均無(wú)顯著性差異；11：00和19：00，大粒種的Fv/Fm值與卡蒂姆3差異顯著；13：00，大粒種的Fv/Fm值與其他3個(gè)品種差異顯著；15：00，大粒種的Fv/Fm值與中粒種差異顯著?？v觀全天不同時(shí)刻，中粒種的Fv/Fm值與卡蒂姆2和卡蒂姆3無(wú)顯著差異。

圖4 不同咖啡品種葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm的日變化Fig.4 Diurnal variation of Fv/Fm in leaves of the various types of coffee

表3 不同咖啡品種同一時(shí)刻 Fv/Fm 的差異性Table 3 Difference of Fv/Fm in the different varieties of coffee at the same time

2.4 氣象因子與4個(gè)咖啡品種咖啡葉綠素?zé)晒鈪?shù)的相關(guān)性分析

從表4可以看出，大粒種的Fo與相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)；中粒種的Fo與溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度呈極顯著正相關(guān)，與相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)；卡蒂姆2的Fo與相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)；卡蒂姆3的Fo與溫度呈極顯著正相關(guān)，與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)，與相對(duì)濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)。各品種的Fo與SPAD值存在一定的相關(guān)性，但未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著相關(guān)關(guān)系。

表4 4個(gè)咖啡品種葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fo及其環(huán)境因子的相關(guān)性Table 4 The correlation of chlorophyll fluorescence parameters and envionmental factors of four varieties of coffee

從表5可以看出，4個(gè)咖啡品種的Fv/Fm均與溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度呈極顯著負(fù)相關(guān)，大粒種和卡蒂姆2的Fv/Fm與相對(duì)濕度均呈顯著正相關(guān)，中粒種和卡蒂姆3的Fv/Fm與相對(duì)濕度均呈極顯著正相關(guān)。SPAD只與卡蒂姆3呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他3個(gè)品種均未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著相關(guān)關(guān)系?？梢?jiàn)，這4個(gè)咖啡品種均對(duì)高溫、強(qiáng)光敏感，但是采取光保護(hù)措施不同，因此對(duì)環(huán)境的耐受性不同。

表5 4個(gè)咖啡品種葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm及其環(huán)境因子的相關(guān)性Table 5 The correlation of chlorophyll fluorescence parameters and envionmental factors of four varieties of coffee

2.5 不同時(shí)刻間咖啡葉綠素?zé)晒鈪?shù)的差異性

從表6可以看出，F(xiàn)o在一天不同時(shí)刻的差異性，大粒種在9：00、15：00與11：00、13：00、17：00和19：00有顯著差異，中粒種在15：00與9：00、17：00、19：00有顯著差異，卡蒂姆2在11：00 與 13：00、15：00、17：00、19：00 有 顯著差異，卡蒂姆3在17：00與9：00、11：00、19：00有顯著差異，且這4個(gè)品種的Fo差異性均無(wú)相同之處。

從表7可以看出，大粒種咖啡在9：00、11：00、13：00、17：00、19：00 的 Fo/Fm 無(wú)顯著差異，但均與15：00有顯著差異；中粒種在9：00與13：00、15：00、17：00有顯著差異；卡蒂姆 2在9：00、11：00、17：00、19：00與13：00、15：00均有顯著差異；卡蒂姆3在9：00、11：00、19：00 與 13：00、15：00、17：00均有顯著差異。

表6 同一咖啡品種不同時(shí)刻間Fo的差異性Table 6 Difference of Fo in the same variety at different times

表7 同一咖啡品種不同時(shí)刻間Fv/Fm的差異性Table 7 Difference of Fv/Fm in the same variety at different times

3 討論

葉綠素?zé)晒鈨x能夠快速靈敏、非破壞性的反映植物生理狀態(tài)及其與環(huán)境的關(guān)系，是一種理想的光系統(tǒng)探針，可以直接或間接地了解光合作用過(guò)程［11］，提供許多有關(guān)植物光合生理變化的信息。正常情況下，葉綠素吸收的光能主要通過(guò)光合電子傳遞、葉綠素?zé)晒獍l(fā)射和熱耗散3種途徑來(lái)耗散，這3 種途徑之間存在著此消彼長(zhǎng)的關(guān)系［14］。

導(dǎo)致Fo變化的因素有PSII反應(yīng)中心的可逆失活和破壞，導(dǎo)致Fo上升，F(xiàn)o升高越多，表明植物受損傷程度越重；PSII天線的熱耗散增加，導(dǎo)致Fo降低，F(xiàn)o降低說(shuō)明在葉黃素的循環(huán)過(guò)程中非輻射能量的耗散有所增強(qiáng)，是植物的保護(hù)機(jī)制之一［15］。因此Fo值變化可推測(cè)反應(yīng)中心的狀況和可能的光保護(hù)機(jī)制［16-17］。Fv/Fm對(duì)環(huán)境脅迫較為敏感［17-18］，常用Fv/Fm的降低來(lái)表示植物葉片的光抑制，其大小可反映植物PSII受傷害的程度［19-20］。一般來(lái)說(shuō)，在非脅迫條件下，大多數(shù)植物健康葉片的Fv/Fm在0.7以上，遭受脅迫的葉片F(xiàn)v/Fm值下降［21-22］。本研究發(fā)現(xiàn)，9：00—11：00，4個(gè)咖啡品種的Fo均上升，較9：00上升幅度分別為55.34%、19.01%、12.89%和21.89%，此時(shí)大粒種受到的損壞程度較大，對(duì)溫度較敏感，其保護(hù)機(jī)制可能主要是光系統(tǒng)II反應(yīng)中心可逆失活或損傷；在15：00，大粒種的Fo急劇下降到最低值，且在這段時(shí)間大粒種的Fv/Fm也下降，說(shuō)明大粒種發(fā)生了光抑制，這可能是增加熱耗散增加的原因，15：00后開(kāi)始上升說(shuō)明隨著光強(qiáng)的減弱，光化學(xué)部分的能量減少，導(dǎo)致Fo開(kāi)始回升?？ǖ倌?的Fo在11：00—15：00先降低在升高，說(shuō)明植物在溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)到最高值的過(guò)程中，主動(dòng)采取措施降低對(duì)自身的傷害；在15：00—17：00降低，說(shuō)明在此時(shí)段內(nèi)，熱耗散增加；17：00以后有所上升，說(shuō)明光照強(qiáng)度減弱，光反應(yīng)降低，從而使Fo小范圍上升；而Fv/Fm在15：00達(dá)到最低值，下降幅度為11.45%。卡蒂姆3的Fo在9：00—13：00上升，說(shuō)明其光系統(tǒng)II反應(yīng)中心可逆失活或損傷，而在13：00—15：00基本沒(méi)變，這是由于13：00和15：00的溫度、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度相差不大；15：00 —17：00急速上升，只是由于17：00的相對(duì)濕度更低，而溫度又有增加，而卡蒂姆3的Fo與溫度顯著正相關(guān)，與相對(duì)濕度顯著負(fù)相關(guān)。4個(gè)品種的Fv/Fm全天變化趨勢(shì)是先降低再升高，說(shuō)明高溫和強(qiáng)光下，它們的光合活性受到了抑制，隨著溫度和光強(qiáng)的降低，其光合機(jī)制得到恢復(fù)，說(shuō)明之前受到的傷害是可逆的，是光合機(jī)構(gòu)的保護(hù)性反應(yīng)。

中粒種和卡蒂姆3的Fo與環(huán)境因子溫度、相對(duì)濕度、太陽(yáng)幅度強(qiáng)度相關(guān)性基本相同，卡蒂姆2的Fo只與環(huán)境因子相對(duì)濕度達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)的顯著正相關(guān)，其余均未達(dá)到顯著水平。這與中粒種和卡蒂姆3與環(huán)境因子的相關(guān)性不同，其原因需要進(jìn)一步探討。大粒種的Fo只與環(huán)境因子相對(duì)濕度達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)的顯著負(fù)相關(guān)，其余均未達(dá)到顯著水平。而4個(gè)咖啡品種的Fv/Fm均與溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度呈極顯著正相關(guān)，大粒種和卡蒂姆2呈顯著正相關(guān)，而中粒種和卡蒂姆3呈極顯著正相關(guān)，且卡蒂姆3的Fv/Fm還與SPAD值呈顯著負(fù)相關(guān)。

SPAD植物營(yíng)養(yǎng)測(cè)定儀是通過(guò)測(cè)量葉片在兩種波長(zhǎng)范圍內(nèi)的透光系數(shù)來(lái)確定葉片當(dāng)前葉綠素的相對(duì)數(shù)量，具有實(shí)時(shí)、快速和無(wú)損等特點(diǎn)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，4個(gè)咖啡品種的葉片SPAD值依次為中粒種＞卡蒂姆2＞卡蒂姆3＞大粒種，而一天中大部分時(shí)刻的Fo依次為大粒種＞中粒種＞卡蒂姆3＞卡蒂姆2，這與SPAD值高低不一致，且相關(guān)性分析顯示Fo與SPAD含量的相關(guān)性并未達(dá)到顯著水平。因此熒光參數(shù)和光合色素之間的關(guān)系需進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)4種咖啡品種的葉片F(xiàn)o和Fv/Fm在5月份日變化的研究發(fā)現(xiàn)，大粒種主要通過(guò)增加熱耗散，保護(hù)光合機(jī)構(gòu)；其他3種主要是通過(guò)PSII反應(yīng)中心的可逆失活?？ǖ倌?的葉片F(xiàn)o全天最低，且Fv/Fm降低幅度最小，表明卡蒂姆2的光合效率較高，且卡蒂姆2對(duì)溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不敏感，因此更適應(yīng)潞江壩氣候。