許國(guó)春，羅文彬，李華偉，許泳清，紀(jì)榮昌，李國(guó)良，林趙淼，邱思鑫，湯 浩

（福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方薯類科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站/福建省特色旱作物品種選育工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350013）

0 引言

【研究意義】彩色馬鈴薯是指塊莖的皮和（或）肉為紫、紅、藍(lán)或橙色的馬鈴薯[1]，其具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[2]，富含花青素、多酚與維生素C 等多種功能成分[2-3]。研究表明，花青素提取物具有抗氧化[4]、抗癌[5]、降血糖[6]等多種保健功能，而且花青素提取物穩(wěn)定性較好，色素產(chǎn)量也較高[7-9]。目前我國(guó)對(duì)彩色馬鈴薯的研究主要圍繞品種選育和品質(zhì)分析展開(kāi)[1-2]，對(duì)與植株生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)的生理研究較少。葉片光合作用是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，馬鈴薯塊莖中95%以上的干物質(zhì)來(lái)源于光合作用積累[10]，在光合生理研究領(lǐng)域，光合-光響應(yīng)及其模擬是重要方向及手段[11-12]，通過(guò)光響應(yīng)曲線的擬合可估算植物最大凈光合速率、光飽和點(diǎn)、光補(bǔ)償點(diǎn)、暗呼吸速率和表觀量子效率等重要的光合參數(shù)，揭示葉片光化學(xué)效率[13]。因此，研究光合光響應(yīng)曲線及其特征參數(shù)有助于理解彩色馬鈴薯產(chǎn)量與品質(zhì)的形成，對(duì)于其引種、育種及栽培管理也有重要意義。

【前人研究進(jìn)展】針對(duì)馬鈴薯葉片光合光響應(yīng)曲線及其特征參數(shù)，黃美杰等[14]研究了正常灌溉和干旱脅迫下大西洋和克新1 號(hào)的光合光響應(yīng)特征，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下2 個(gè)品種的最大凈光合速率和光飽和點(diǎn)均發(fā)生下降，且克新1 號(hào)在干旱條件下對(duì)光的適應(yīng)性更強(qiáng)；張貴合等[15]通過(guò)測(cè)定光響應(yīng)曲線發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯Y 病毒和S 病毒復(fù)合侵染會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯最大凈光合速率顯著降低，進(jìn)而影響葉片光合作用的正常進(jìn)行；另有研究發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高與大氣增溫提高了馬鈴薯在弱光條件下的光合能力，以及最大凈光合速率[16]。【本研究切入點(diǎn)】總體而言，馬鈴薯光響應(yīng)研究數(shù)量依然較少，且少有涉及光響應(yīng)模型的選擇，也未見(jiàn)以彩色馬鈴薯為對(duì)象的相關(guān)報(bào)道。

【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以普通和彩色馬鈴薯為材料，采用目前國(guó)際上較常用的直角雙曲線模型[17]、非直角雙曲線模型[18]、直角雙曲線修正模型[19]和指數(shù)模型[20]對(duì)馬鈴薯光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，并結(jié)合葉片氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）的光響應(yīng)規(guī)律，比較分析不同品種間光合特征參數(shù)差異，以期確定馬鈴薯光響應(yīng)曲線的最適擬合模型，揭示彩色馬鈴薯光響應(yīng)特征，最終為彩色馬鈴薯新品種選育和栽培管理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究在寧德市周寧縣的福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所馬鈴薯高山科研基地（N27°12'，E119°28'）進(jìn)行。以紫肉和紅肉馬鈴薯為研究對(duì)象，普通黃肉馬鈴薯為對(duì)照，每種類型選取2 個(gè)品種，黃肉品種為費(fèi)烏瑞它和閩薯1 號(hào)，紫肉品種為黑金剛和閩彩薯3 號(hào)，紅肉品種為紅美和閩彩薯4 號(hào)，共6 個(gè)品種，基本信息見(jiàn)表1。參試馬鈴薯采用盆栽種植，于2019 年3 月28 日播種，3 次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)6盆，每盆1 株。材料種植過(guò)程中水肥、病害等管理一致。

1.2 氣體交換參數(shù)測(cè)定

凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）等葉片氣體交換參數(shù)采用便攜式光合儀（Li-6400XT, Li-Cor Inc., USA）測(cè)定，于馬鈴薯盛花期晴天進(jìn)行，具體時(shí)間為2019 年5 月20 日、23 日和24 日，共測(cè)定3 次（最后取均值）。選取生長(zhǎng)正常、長(zhǎng)勢(shì)一致的植株進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)品種3 株，3 次重復(fù)，測(cè)定對(duì)象為主莖倒數(shù)第4 片完全展開(kāi)葉的頂小葉。測(cè)量時(shí)，采用紅藍(lán)光源葉室，使用外置小鋼瓶-CO2注入系統(tǒng)將CO2濃度控制為400 μmol·mol-1，光輻射強(qiáng)度（PAR）由高到低設(shè)置為2 000、1 500、1 200、1 000、750、500、250、150、100、60、20、0 μmol·m-2·s-1，由Li-6400XT 內(nèi) 置程序自動(dòng)測(cè)定不同PAR 下的氣體交換參數(shù)。

表1 6 個(gè)參試品種基本信息Table 1 Information on 6 potato varieties under study

1.3 模型擬合與評(píng)價(jià)

1.3.1 Pn-光響應(yīng)曲線模擬 通過(guò)光合計(jì)算軟件（光合4.1.1）應(yīng)用直角雙曲線模型（RH）、非直角雙曲線模型（NRH）、直角雙曲線修正模型（MRH）和指數(shù)模型（EM）對(duì)Pn-光響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，表2為4 種模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式。通過(guò)最適模型擬合光響應(yīng)曲線獲得初始量子效率（α）、最大凈光合速率（Pn-max）、光飽和點(diǎn)（LSP）、光補(bǔ)償點(diǎn)（LCP）、暗呼吸速率（Rd）等光合參數(shù)。采用直線方程擬合弱光條件下（≤200 μmol·m-2·s-1）的光響應(yīng)數(shù)據(jù)，得到表觀量子效率（AQY，μmol·m-2·s-1）[16]。

表2 4 種光響應(yīng)模型及其數(shù)學(xué)表達(dá)式Table 2 Light response models

1.3.2 模型評(píng)價(jià) 選用決定系數(shù)（R2）、均方根誤差（RMSE）和平均絕對(duì)誤差（MAE）評(píng)價(jià)4 種模型的擬合優(yōu)度，R2越大、RMSE 和MAE 越小則說(shuō)明擬合優(yōu)度越好。R2由光合軟件4.1.1 計(jì)算得出，RMSE 和MAE 計(jì)算公式如下[21]：

式中，Yo,i和Ym,i分別代表凈光合速率的觀測(cè)值與模型擬合值；n 為觀測(cè)值個(gè)數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采 用Microsoft Office Excel 2013 和SPSS 19.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和方差分析，Duncan’s 新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05），運(yùn)用Origin 2016 軟件進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 Pn-光響應(yīng)曲線擬合

從圖1 可見(jiàn)，在弱光階段，RH、NRH、MRH 和EM 4 種模型的擬合值與實(shí)測(cè)值均較接近，擬合效果較好；當(dāng)PAR 大于250 μmol·m-2·s-1，不同模型的擬合效果出現(xiàn)差異，其中RH、NRH 和EM 模型無(wú)法對(duì)黑金剛、閩彩薯3 號(hào)和閩彩薯4 號(hào)在PAR≥500 μmol·m-2·s-1后的光響應(yīng)部分進(jìn)行準(zhǔn)確擬合，而MRH模型擬合的Pn與實(shí)測(cè)值最為接近，擬合效果最好。

當(dāng)PAR 為0～250 μmol·m-2·s-1，6 個(gè)馬鈴薯品種的Pn均隨PAR 的增加呈快速上升趨勢(shì)，品種間無(wú)明顯差異，而在PAR 超過(guò)250 μmol·m-2·s-1后，各品種Pn對(duì)光的響應(yīng)表現(xiàn)不一：隨PAR 增大，費(fèi)烏瑞它和閩薯1 號(hào)Pn上升較彩色品種明顯，在PAR 為1 500 μmol·m-2·s-1左右達(dá)最高，此后出現(xiàn)不同程度的光抑制現(xiàn)象；紅美Pn在PAR 為1 200 μmol·m-2·s-1后趨于平穩(wěn)，無(wú)明顯光抑制；黑金剛、閩彩薯3 號(hào)和閩彩薯4 號(hào)等彩色品種在PAR 為750～1 000 μmol·m-2·s-1區(qū)間內(nèi)Pn即達(dá)最高點(diǎn)，隨后均出現(xiàn)明顯光抑制。

圖1 4 種光響應(yīng)模型擬合的彩色馬鈴薯光響應(yīng)曲線Fig.1 Light response of colored potato fitted on 4 models

2.2 光響應(yīng)模型的擬合優(yōu)度

為定量檢驗(yàn)4 種模型的擬合效果，本研究引入決定系數(shù)（R2）、均方根誤差（RMSE）和平均絕對(duì)誤差（MAE）來(lái)評(píng)估模型的擬合精度。從表3 可知，除紅美外，MRH 模型擬合的其他5 個(gè)品種光響應(yīng)曲線的R2最大，而RMSE 和MAE 最小，說(shuō)明其擬合精度高；EM 模型對(duì)紅美光響應(yīng)曲線的擬合精度也較高，其R2、RMSE 和MAE 與MRH 模型相差不大。綜合分析，4 種模型中對(duì)馬鈴薯光響應(yīng)曲線擬合優(yōu)度最佳的為MRH 模型。因此，本研究各品種光響應(yīng)特征參數(shù)均采用MRH 模型擬合值進(jìn)行分析。

表3 4 種光響應(yīng)模型的擬合優(yōu)度Table 3 Goodness-of-fit on 4 light response models

2.3 Pn-光響應(yīng)曲線特征參數(shù)

2.3.1 最大凈光合速率和光飽和點(diǎn) 不同馬鈴薯品種間的Pn-max和LSP 差異明顯（表4）。彩色品種黑金剛、閩彩薯3 號(hào)和閩彩薯4 號(hào)的Pn-max和LSP 均低于普通品種，與閩薯1 號(hào)相比則下降顯著，Pn-max降幅分別為25.2%、22.5%和40.0%，LSP 降幅分別為45.2%、53.7%和61.5%。說(shuō)明3 個(gè)彩色品種的光合潛能較低，且在強(qiáng)光條件下更易受到抑制。在彩色品種中，紅美的Pn-max及其LSP 最高，其Pn-max顯著高于閩彩薯4 號(hào)，且與費(fèi)烏瑞它無(wú)顯著差異，而LSP 僅次于閩薯1 號(hào)，說(shuō)明紅美對(duì)強(qiáng)光的利用能力較高。

2.3.2 光補(bǔ)償點(diǎn)、暗呼吸速率和表觀量子效率LCP、Rd和AQY 是反映植物利用弱光能力的重要參數(shù)。測(cè)定結(jié)果表明，LCP 和Rd最低的為閩彩薯3 號(hào)（表4），其LCP 比最高的閩薯1 號(hào)顯著低26.3%，Rd則顯著低于閩薯1 號(hào)、黑金剛和紅美；費(fèi)烏瑞它的Rd也相對(duì)較低，比最高的紅美明顯低32.4%。對(duì)AQY 而言，不同品種間的差異也比較明顯（表4），閩薯1 號(hào)的AQY 最高，相比紅美和閩彩薯4 號(hào)分別高21.7%和12.3%，且均達(dá)顯著水平。以上結(jié)果說(shuō)明，閩彩薯3 號(hào)對(duì)弱光有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

2.4 Gs、Ci 和Tr 的光響應(yīng)

2.4.1 Gs-光響應(yīng) Gs-光響應(yīng)過(guò)程與Pn相似，在PAR為0～150 μmol·m-2·s-1范 圍 內(nèi)，6 個(gè) 馬 鈴 薯 品 種 的Gs均快速上升，隨后除費(fèi)烏瑞它、閩薯1 號(hào)和紅美還有明顯上升趨勢(shì)外，其他3 個(gè)彩色品種均在PAR為250～500 μmol·m-2·s-1便達(dá)到最高點(diǎn)，后呈緩慢下降趨勢(shì)。由圖2-A 可知，閩薯1 號(hào)Gs在不同光強(qiáng)下均最高，且隨PAR 增加而增加，費(fèi)烏瑞它和紅美則在PAR 約為1 200 μmol·m-2·s-1時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)后出現(xiàn)下降，尤其是費(fèi)烏瑞它下降顯著。

2.4.2 Ci-光響應(yīng) 隨著PAR 增加，6 個(gè)馬鈴薯品種的Ci總體呈現(xiàn)先迅速下降后趨于平緩的變化趨勢(shì)（圖2-B）。與Pn和Gs在弱光階段的響應(yīng)特征相反，Ci在PAR 為0～250 μmol·m-2·s-1范圍內(nèi)隨光強(qiáng)增 加 而 明 顯 下 降。在PAR 大 于750 μmol·m-2·s-1階段，閩薯1 號(hào)Ci存在緩步上升趨勢(shì)，且明顯高于其他品種，在該光強(qiáng)范圍，費(fèi)烏瑞它和紅美的Ci也保持較高水平，但費(fèi)烏瑞它Ci在PAR 為2 000 μmol·m-2·s-1時(shí)出現(xiàn)明顯下滑。

2.4.3 Tr-光響應(yīng) Tr-光響應(yīng)過(guò)程呈現(xiàn)先快速上升再平穩(wěn)后下降的總體趨勢(shì)，與Pn和Gs-光響應(yīng)相似（圖2-C）。費(fèi)烏瑞它、閩薯1 號(hào)和紅美3 個(gè)品種的Tr在PAR 為1 200 μmol·m-2·s-1之前，上升趨勢(shì)都較明顯，而黑金剛、閩彩薯3 號(hào)和閩彩薯4 號(hào)3 個(gè)彩色品種在PAR 為500 μmol·m-2·s-1之后的變化則相對(duì)平緩。隨著光強(qiáng)增大，不同品種間的Tr差異逐漸變大，在PAR 為500～1 500 μmol·m-2·s-1，閩薯1 號(hào)＞費(fèi)烏瑞它＞紅美＞閩彩薯3 號(hào)＞黑金剛＞閩彩薯4 號(hào)，而此后費(fèi)烏瑞它Tr出現(xiàn)明顯下降，且低于紅美。

表4 直角雙曲線修正模型擬合的彩色馬鈴薯Pn-光響應(yīng)曲線特征參數(shù)Table 4 Photosynthetic parameters of colored potato on Pn-PAR curves fitted in MRH model

圖2 彩色馬鈴薯Gs（A）、Ci（B）和Tr（C）的光響應(yīng)過(guò)程Fig.2 Light response process of Gs （A）, Ci （B）, and Tr （C） of potato plants bearing colored tubers

3 討論與結(jié)論

3.1 不同光響應(yīng)模型對(duì)馬鈴薯光響應(yīng)曲線的擬合效果

利用光響應(yīng)模型對(duì)光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合是估算植物Pn-max、LSP、LCP、Rd等光合參數(shù)的主要方法，因此選擇擬合優(yōu)度高的模型十分重要[21]。本研究比較了RH、NRH、MRH 和EM 等4 種光響應(yīng)模型在馬鈴薯中的應(yīng)用效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在弱光階段4 種模型的擬合精度均較高，但是隨著光強(qiáng)增加，各模型曲線的斜率出現(xiàn)明顯差異。RH、NRH 和EM 模型無(wú)法準(zhǔn)確模擬LSP 較低的品種在強(qiáng)光條件下的Pn，擬合值與觀測(cè)值相差較大（圖1-C、D、F），這是因?yàn)镽H、NRH 和EM 模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式均是一條沒(méi)有極點(diǎn)的漸近線，無(wú)法用它們擬合Pn隨光強(qiáng)增加而下降的響應(yīng)階段[13]，即無(wú)法對(duì)光抑制過(guò)程進(jìn)行擬合。但對(duì)于LSP 較高、無(wú)明顯光抑制的品種，EM 模型也表現(xiàn)出較高的擬合精度（圖1-B、E）。MRH 模型通過(guò)引入光抑制項(xiàng)β 和光飽和項(xiàng)γ 解決了其他3 種模型無(wú)法擬合光抑制過(guò)程的缺陷[22]，所以對(duì)本研究6 個(gè)馬鈴薯品種光合響應(yīng)曲線的擬合效果均較好，R2均在0.99 以上，RMSE 和MAE 也最低。因此，MRH模型是本研究中馬鈴薯光響應(yīng)曲線的最適擬合模型，在其他植物中也發(fā)現(xiàn)這一模型的擬合優(yōu)度最佳[23-24]。

3.2 彩色與普通馬鈴薯光響應(yīng)參數(shù)的差異

Pn-max反映了植物葉片的最大光合能力，是表征植物光合作用潛能的重要參數(shù)[13]。分析發(fā)現(xiàn)，不同馬鈴薯品種間的Pn-max差異顯著，彩色品種均低于普通品種（，說(shuō)明彩色馬鈴薯葉片的光合潛能小于普通品種。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能與兩類馬鈴薯葉片的氣孔運(yùn)動(dòng)差異有關(guān)。氣孔作為光合作用底物CO2進(jìn)入葉片的通道，其開(kāi)閉直接影響光合效率[25]。本研究從Gs對(duì)光的響應(yīng)中發(fā)現(xiàn)，隨著光強(qiáng)的增加，彩色品種Gs普遍低于普通品種，說(shuō)明大氣CO2進(jìn)入彩色馬鈴薯葉片的阻力可能更大，限制了CO2的供應(yīng)，進(jìn)而使光合潛能降低。Ci對(duì)光的響應(yīng)過(guò)程也證明，彩色馬鈴薯較低的Gs使胞間CO2濃度下降。另外，本研究彩色馬鈴薯材料的莖稈顏色均為綠帶褐色，葉綠素含量較低，這也可能是導(dǎo)致彩色馬鈴薯Pn-max低于普通品種的原因。

LSP 表征了植物對(duì)強(qiáng)光的適應(yīng)能力，除紅美外，其余彩色品種的LSP 都未超過(guò)1 000 μmol·m-2·s-1，遠(yuǎn)低于普通品種，說(shuō)明彩色馬鈴薯對(duì)強(qiáng)光的適應(yīng)性普遍較差，黑金剛、閩彩薯3 號(hào)和閩彩薯4 號(hào)都存在明顯的光抑制現(xiàn)象。因此，今后可借助遺傳改良手段來(lái)提高彩色馬鈴薯的LSP，增加其對(duì)強(qiáng)光的利用能力，最終提高光合生產(chǎn)力。紅美對(duì)強(qiáng)光的適應(yīng)性要好 于 其 他 彩 色 品 種，在 光 強(qiáng) 大 于750 μmol·m-2·s-1后Pn還處于上升趨勢(shì)，且未出現(xiàn)明顯光抑制，所以其Pn-max也較高。從Gs、Ci和Tr的光響應(yīng)曲線可見(jiàn)，在不同光強(qiáng)下，紅美這3 項(xiàng)氣體交換參數(shù)基本都高于其他彩色品種。

LCP、Rd和AQY 是描述植物對(duì)弱光利用能力的3 個(gè)參數(shù)[26-27]，其中LCP 越低反映弱光利用能力越強(qiáng)[13]，Rd低說(shuō)明無(wú)光條件下呼吸強(qiáng)度小、生理活性弱[25]，AQY 越高則表示葉片光能轉(zhuǎn)化效率越高[28]。本研究結(jié)果表明，兩類馬鈴薯的弱光利用能力沒(méi)有表現(xiàn)明顯區(qū)別，但品種間存在一定差異。在6 個(gè)品種中，彩色品種閩彩薯3 號(hào)的LCP 和Rd均最低，AQY 也處于較低水平，說(shuō)明該品種對(duì)弱光的利用能力較其他品種強(qiáng)；而閩薯1 號(hào)雖然在弱光下的光轉(zhuǎn)化能力強(qiáng)（AQY 最高），但是暗呼吸速率也較高，生理活性活躍，其LCP 也高于其他5 個(gè)品種，總體表現(xiàn)為對(duì)弱光的利用能力差。

總之，本研究中只有直角雙曲線修正模型可準(zhǔn)確擬合彩色和普通馬鈴薯的整個(gè)光響應(yīng)過(guò)程，應(yīng)用該模型擬合不同品種（系）光響應(yīng)曲線發(fā)現(xiàn)，彩色品種（系）最大凈光合速率均低于普通品種，光飽和點(diǎn)也普遍小于普通品種，說(shuō)明彩色馬鈴薯光合潛力較低。但彩色和普通馬鈴薯對(duì)弱光的利用能力沒(méi)有明顯區(qū)別。在4 個(gè)彩色品種中，紅美的最大凈光合速率最高，但對(duì)弱光的利用能力最低，與之相反，閩彩薯3 號(hào)的弱光利用能力最強(qiáng)。