童龍 張磊 劉小明 李彬 耿養(yǎng)會 陳麗潔 陳桂蘭 曾小英

(重慶市林業(yè)科學研究院,重慶,400036) (重慶市忠縣林業(yè)局) (重慶市林業(yè)科學研究院)

植物光合—光響應曲線在一定程度上能夠反映植物的凈光合速率隨光強變化而變化的特性[1]，通過擬合植物光響應曲線從而得到的一些生理參數(shù)，對于了解植物光合效率及其影響因素有著非常重要的指導意義[2]。植物光響應曲線在一定程度上可以間接地反映其光合特性的相關生理參數(shù)，如植物的最大凈光合速率(Pnmax)、暗呼吸速率(Rd)、表觀量子效率(ηA，Q，Y)、光飽和點(LS，P)及光補償點(LC，P)等一些重要的生理指標參數(shù)[3]，這些生理參數(shù)能夠反映出植物的光合作用機構是否在正常的運轉，從而可以用于判別植物在不同光照環(huán)境條件下的光適應能力及光合作用能力等[4]。因此，通過測定植物的光合作用光響應曲線來確定植物光合生理生態(tài)特性，已成為當前科研工作者研究的熱點內容[5-8]。

多花黃精(PalygunaumcyrtonemaHua)是百合科(Liliaceae)黃精屬(Polygonatum)的多年生草本植物，其主要分布在長江以南各省區(qū)，如陜西、湖北等地的灌叢、林下和山坡陰處，為中國所特有的常用中藥植物。該植物主要含蒽醌、皂苷、多糖、低聚糖、黃酮、木脂素等多種化合物，具有補脾益氣，養(yǎng)陰潤肺，滋腎填精和提高免疫力等功效[9-10]，在藥膳、保健品、化妝品、食品、園林花卉及飼料添加劑等方面也具有很高的開發(fā)價值，市場前景廣闊[11]。當前，關于多花黃精的研究主要集中在光照對多花黃精生長、光合和葉綠素熒光參數(shù)特性的影響[12]，多花黃精根莖芽高效組培增殖和生根體系研究[13]，毛竹林下多花黃精種群生長特性及影響因子[14]以及多花黃精的藥用價值研究[15]等，但對于遮陰處理下多花黃精光響應特性的研究還很少見到。研究不同遮陰處理下植物的光響應特性，對于揭示其光合生理特性具有重要意義。因此，本研究以多花黃精為研究對象，設置4種遮陰梯度，從塊莖開始做不同的遮陰處理(因為在實際生產應用中多花黃精均是從不同密度的林子下生長的)，通過測定不用遮陰條件下多花黃精葉片光響應特性，來探討不同遮陰處理下多花黃精的光響應特性，從而為多花黃精的人工栽培提供一定的理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)概況

試驗地位于重慶市林業(yè)科學研究院內，地處重慶市沙坪壩區(qū)歌樂山鎮(zhèn)歌樂山。歌樂山屬于大巴山系華鎣山脈的分支中梁山，中梁山南延入重慶沙坪壩區(qū)后稱為歌樂山。歌樂山介于東經106°23′52″～106°26′42″，北緯29°29′30″～29°44′50″。歌樂山的氣候屬亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，具有雨量充沛，四季分明，雨熱同季，濕度大，風力小的氣候特點。常年平均氣溫為18.3 ℃；年平均降水量1 085.3 mm；日照時間平均為1 233.7 h。

2 材料與方法

2017年12月份選擇質量為(15±1)g的多花黃精2年生塊莖栽植于上口直徑27 cm、下口直徑25 cm、高度27 cm的塑料盆中，每盆放置多花黃精塊莖1塊，每個處理100盆。盆栽基質為V(紅壤)∶V(細沙)=3∶2，pH值為5.0，有機質質量分數(shù)為21.22 g·kg-1，全氮、全磷和全鉀的質量分數(shù)分別為0.91、0.85和8.22 g·kg-1，速效氮、速效磷和速效鉀質量分數(shù)分別為47.88、5.69和46.72 mg·kg-1。試驗過程中定期澆水和除草，保證多花黃精苗能夠健康成長。同一時間對各處理下的多花黃精進行遮陰，試驗設置4個遮陰處理：以全光照(遮陰率為0)為對照(CK)；1層黑色遮陰網(wǎng)(透光率為83%±5%)為T1處理；2層黑色遮陰網(wǎng)(透光率為61%±5%)為T2處理；3層黑色遮陰網(wǎng)(透光率為38%±5%)為T3處理。

光合色素的測定：隨機取4個遮陰處理下多花黃精的健康且成熟的葉片各10 g左右，采用V(乙醇)∶V(丙酮)=1∶1混合液提取法，利用紫外分光光度計測定波長470、645、663 nm的吸收值，并根據(jù)公式計算葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素質量濃度。

Ca=12.72D663-2.59D645；

Cb=22.88D645-4.67D663；

Cc=(1 000D470-3.27Ca-104Cb)/229。

式中：Ca為葉綠素a質量濃度(mg·L-1)；Cb為葉綠素b質量濃度(mg·L-1)；Cc為類胡蘿卜素質量濃度(mg·L-1)；D470、D645、D663分別為470、645和663 nm波長下的吸光值。

根據(jù)公式計算葉片光合色素質量分數(shù)。

葉綠素a(Chla)質量分數(shù)=(Ca×V×N)/(1 000W)；

葉綠素b(Chlb)質量分數(shù)=(Cb×V×N)/(1 000W)；

類胡蘿卜素(Car)質量分數(shù)=(Cc×V×N)/(1 000W)。

式中：V為光合色素提取液體積(mL)；W為樣品質量(g)；N為稀釋倍數(shù)。

每個處理重復測定3次，檢測方法和檢測過程與張磊等[16]所述相符。

光響應曲線的測定及擬合：多花黃精光響應曲線于2017年7月中旬開始測定，采用Li-6400便攜式光合儀(Li-Cor 6400，Li-Cor Inc.，Lincoln，USA)，在晴朗的天氣09:00—12:00進行多花黃精葉片原位測定光響應曲線[17]。采用Li-6400紅藍光源，空氣流速為500 μmol·s-1，葉室溫度為25 ℃，大氣CO2摩爾分數(shù)為400 μmol·moL-1。測定光合有效輻射梯度為2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、500、200、150、120、80、50、20、0 μmol·m-2·s-1，每個葉片在各種處理的光強下記錄的數(shù)值進行3次重復。以光合有效輻射(RA，R)為橫軸，凈光合速率Pn為縱軸繪制出光響應曲線，并采用直角雙曲線修正模型進行曲線方程擬合[18]：

Pn=α(1-βRA，R)/(1+γRA，R)·RA，R-Rd。

式中：α為光響應曲線的初始斜率；β和γ為系數(shù)；RA，R為光合有效輻射；Rd為暗呼吸速率。

數(shù)據(jù)處理與分析：用Excel 2003整理不同遮陰處理下多花黃精各指標的數(shù)值并作表，在Origin 8.0中對不同遮陰處理下多花黃精各指標數(shù)值進行作圖，用SPSS 19.0對不同遮陰處理下多花黃精各指標進行One-way ANOVA方差分析和LSD(P<0.05)多重比較。所有測定值都為均值±標準差。

3 結果與分析

3.1 遮陰處理對多花黃精光合色素質量分數(shù)的影響

由表1可知，遮陰處理對多花黃精葉片光合色素質量分數(shù)具有明顯影響，表現(xiàn)為隨著遮陰強度的增加，多花黃精葉片葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素質量分數(shù)均呈增加趨勢。其中，不同遮陰處理下多花黃精葉片葉綠素a質量分數(shù)均與對照(CK)達到差異顯著水平(P<0.05)，但不同遮陰處理間差異不顯著，T3處理多花黃精葉片葉綠素a質量分數(shù)最高，CK處理最低，T3處理比CK處理高了44.83%。不同處理間多花黃精葉片葉綠素b質量分數(shù)與類胡蘿卜素質量分數(shù)均表現(xiàn)為T1與T2處理之間差異不顯著(P>0.05)，而與CK和T3處理達到差異顯著水平(P<0.05)，T3處理多花黃精葉片葉綠素b質量分數(shù)(葉綠素b質量分數(shù)最高)比CK處理(葉綠素b質量分數(shù)最低)高了43.48%，T3處理多花黃精葉片類胡蘿卜素質量分數(shù)(類胡蘿卜素質量分數(shù)最高)比CK處理(類胡蘿卜素質量分數(shù)最低)高了25.00%。多花黃精w(葉綠素a)∶w(葉綠素b)在遮陰后均有所增加，以T1處理下最大，各處理間差異均不顯著(P>0.05)。不同遮陰處理間色素總質量分數(shù)均隨著遮陰強度的增加而增加，且不同處理間表現(xiàn)為T1和T2處理間差異不顯著，但均與CK和T3處理間達到差異顯著水平(P<0.05)。

表1 不同遮陰處理下多花黃精光合色素質量分數(shù)

3.2 遮陰處理對多花黃精光合特性的影響

3.2.1 遮陰處理對多花黃精光響應曲線的影響

由圖1可知，遮陰與全光環(huán)境下多花黃精光響應過程呈現(xiàn)較大差異，遮陰處理間多花黃精光響應過程也略有不同，表現(xiàn)為同一光合有效輻射(RA，R)下，凈光合速率(Pn)由大到小的順序為T2、T1、T3、CK。隨著光合有效輻射的增強，對照處理(CK)更快達到光飽和點(RA，R≈900 μmol·m-2·s-1)，而后趨于穩(wěn)定，其凈光合速率也相對微弱(Pn=0.26 μmol·m-2·s-1)；遮陰處理T1、T2及T3對光合有效輻射的響應過程基本相似，即在0～600 μmol·m-2·s-1階段，隨著光合有效輻射的不斷增強，凈光合速率迅速增加，當光合有效輻射達到約1 300 μmol·m-2·s-1以后，不同遮陰處理下多花黃精凈光合速率增加逐漸減緩并逐漸趨于穩(wěn)定。

3.2.2 遮陰處理對多花黃精光合參數(shù)的影響

由表2可知，遮陰處理能夠顯著增加多花黃精葉片的凈光合速率，各處理間最大凈光合速率(Pnmax)隨著透光率降低先增大后減小，由大到小的順序為T2、T1、T3、CK，且不同處理間表現(xiàn)為T1和T2處理差異不顯著(P>0.05)，但均與CK處理和T3處理間達到差異顯著水平(P<0.05)；光飽和點(LS，P)和表觀量子效率(ηA，Q，Y)隨著遮陰網(wǎng)層數(shù)增加均呈現(xiàn)“N”字型的變化趨勢，且各參數(shù)由大到小的順序均表現(xiàn)為T3、T1、T2、CK；光飽和點(LS，P)表現(xiàn)為T1和T2處理差異不顯著(P>0.05)，但均與CK和T3處理達到差異顯著水平(P<0.05)；表觀量子效率(ηA，Q，Y)表現(xiàn)為T1和T3處理差異不顯著(P>0.05)，但均與T2和CK處理達到差異顯著水平(P<0.05)；光補償點(LC，P)和暗呼吸速率(Rd)隨著遮陰網(wǎng)層數(shù)增加均呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，且各參數(shù)由大到小的順序均表現(xiàn)為CK、T3、T1、T2，光補償點(LC，P)和暗呼吸速率(Rd)均表現(xiàn)為不同處理間達到差異顯著水平(P<0.05)。對各參數(shù)綜合考慮得出，多花黃精在2層遮陰網(wǎng)下多花黃精能夠具有最大Pnmax，同時又維持最低的Rd和LC，P值，保證了較高的光合產物同化能力。

表2 不同遮陰處理下多花黃精光合參數(shù)

4 結論與討論

植物的葉綠素對不同波段的光照具有一定的選擇性吸收特性，植物葉綠素a在紅光部分的吸收帶偏向長光波方向，植物葉綠素b則在藍紫光部分的吸收帶相對較寬[19]。因此，w(葉綠素a)∶w(葉綠素b)相對改變，可使植物增強利用藍紫光的能力，強化弱光環(huán)境下的生存能力。同時，光合色素總質量分數(shù)的增加和w(葉綠素a)∶w(葉綠素b)的下降是植物對弱光利用能力增強的重要指標[20-21]。本研究中發(fā)現(xiàn)，隨著遮陰強度增強，多花黃精葉片光合色素質量分數(shù)均顯著增加，這一結果與大多數(shù)研究者利用遮陰處理所獲得的光合色素質量分數(shù)變化趨勢基本一致。體現(xiàn)植物弱光利用能力的w(葉綠素a)∶w(葉綠素b)隨著遮陰強度增加先增后減，在一層遮陰網(wǎng)(T1)處理下達到最大，但處理間差異不顯著(P>0.05)，表明遮陰環(huán)境沒有顯著改善多花黃精弱光利用能力的機制。

植物的光響應曲線對于描述植物光化學進程中的光化學效率具有非常重要的意義[22]。表觀量子效率在一定程度上能夠反映出植物在弱光環(huán)境下對光能捕捉的能力，表觀量子效率的值越大，表明植物葉片可能擁有越多的色素蛋白復合體，對弱光有著越強的吸收與轉換能力[23]。本研究中，遮陰明顯增大了多花黃精的ηA，Q，Y和凈光合速率，從多花黃精的Pnmax和ηA，Q，Y出發(fā)，認為T1和T2處理具有明顯的光合效率提升。在光合有效輻射(RA，R)相同的情況下，T1與T2處理具有更高的凈光合速率，表現(xiàn)為適度遮陰(透光率為61%～83%)具有更好的光合能力，但與研究中葉綠素質量分數(shù)隨遮陰強度增加遞增不同，表明光合色素質量分數(shù)并非是多花黃精光合速率增長的唯一限制因素，這與部分研究者提出的葉綠素質量分數(shù)高低是葉片在對弱光環(huán)境適應后產生的形態(tài)適應，其高低并不能代表光合特性這一結論相符合[24]。光補償點(LC，P)對反應植物利用光能能力有一定體現(xiàn)，通常能夠較快到達LC，P的植物具有更強的弱光競爭能力[25]。常見的陽生植物，其LC，P一般為50～100 μmol·m-2·s-1；陰生植物一般為20 μmol·m-2·s-1以下[26-27]。本研究中，LC，P的值隨著遮陰程度改變展現(xiàn)出較大差異，在全光環(huán)境(CK)下，其光補償點為73.83 μmol·m-2·s-1，表現(xiàn)為明顯的陽生植物特性，而在遮陰處理后其光補償點均小于10 μmol·m-2·s-1，又展現(xiàn)較強的弱光利用能力；同時，在遮陰后多花黃精凈光合速率明顯增高，相對于全光照處理(CK)下凈光合速率有明顯改善，說明全光照環(huán)境明顯抑制了多花黃精的光合能力，而在適度遮陰后其強光抑制明顯削弱，光合能力得到恢復。Pnmax、LS，P和LC，P是決定植物光合能力“寬度”及“高度”的主要指標，各處理多花黃精在遮陰后，其LS,P均明顯提高，表現(xiàn)出較強的光環(huán)境忍耐上限，然而在透光率小于38%，RA，R往往很難達到要求，這部分過度的“強光忍耐”意義較小。

對影響多花黃精光合特性的光合色素質量分數(shù)及決定其光合特性的Pnmax、LS，P、LC，P、Rd和ηA，Q，Y幾個重要參數(shù)的綜合考慮。本研究認為，遮陰能夠明顯改善多花黃精光合能力，而全光照環(huán)境對其產生強烈抑制，在遮陰處理中以T2表現(xiàn)最好，在獲得最大凈光合速率的同時，保證了較低的光補償點，具有更明顯的競爭優(yōu)勢。