王盼， 王孝源， 周鈺鴻， 潘德月， 陳子林， 康華靖

(1.磐安縣中藥創(chuàng)新發(fā)展研究院，浙江 磐安 322300； 2.浙江師范大學(xué) 植物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，浙江 金華 321004；3.浙江大盤山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，浙江 磐安 322300； 4.溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江 溫州 325006)

光合作用作為植物生命的維系，是決定植物生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。光是植物光合作用最基本的決定因子，不同光強(qiáng)下植物光合生理特性的變化由光響應(yīng)曲線來(lái)體現(xiàn)，通過(guò)光響應(yīng)曲線分析，可計(jì)算表觀量子效率、光補(bǔ)償點(diǎn)、最大凈光合速率(Pnmax)、光飽和點(diǎn)和暗呼吸速率等重要光合生理參數(shù)[2]，有助于了解植物光合作用中光化學(xué)效率，指示植物的生長(zhǎng)情況及抗逆性大小[3]。光響應(yīng)曲線能有效地評(píng)價(jià)植物葉片利用光能的能力和植物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的適應(yīng)性，準(zhǔn)確分析光響應(yīng)曲線及其參數(shù)是研究光合生理生態(tài)過(guò)程對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)的重要途徑[4]。

歪頭菜(Viciaunijuga)是豆科野豌豆屬的多年生草本植物[5]，是青藏高原優(yōu)良牧草，在草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用，是該地區(qū)家畜飼料中蛋白質(zhì)的重要來(lái)源[6]；同時(shí)，歪頭菜幼苗又是營(yíng)養(yǎng)豐富的蔬菜，經(jīng)濟(jì)價(jià)值明顯[7]。鴨兒芹(Cryptotaeniajaponica)屬傘形科多年生草本植物，具有抗氧化清除自由基、保護(hù)肝臟、抗癌癥、抑制組織增生等作用[8]，有較高的保健價(jià)值及藥用價(jià)值；同時(shí)，鴨兒芹嫩莖葉可清炒、涼拌，翠綠軟糯，唇齒留香，極為爽口，為日本料理的常用菜，產(chǎn)業(yè)化潛力較大。為此，本文探討不同生境對(duì)歪頭菜和鴨兒芹光合生理的影響，以此明確其最佳生長(zhǎng)環(huán)境，為推進(jìn)歪頭菜和鴨兒芹近野生栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及設(shè)計(jì)

2020年4月在浙江省磐安縣祠下村杉木林林下(生境Ⅰ)和林緣(生境Ⅱ)生境下分別種植鴨兒芹和歪頭菜。2020年8月赴試驗(yàn)基地，在每個(gè)生境選擇5株植物，每株植物選擇一片發(fā)育成熟的葉子測(cè)定相關(guān)的光合生理指標(biāo)參數(shù)。

1.2 指標(biāo)測(cè)定

利用便攜式光合儀(LI-6400-40, LI-COR INC.，USA)于晴天9:00—16:30進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。在自然光下誘導(dǎo)1.5～2 h后，采用開放式氣路，流速為400 μmol·s-1。根據(jù)預(yù)測(cè)量?jī)x器中葉室溫度的動(dòng)態(tài)變化，設(shè)定葉室溫度約為29.47 ℃，空氣相對(duì)濕度控制在45%～70%，光合有效輻射強(qiáng)度(PAR)梯度設(shè)為1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50和0 μmol·m-2·s-1，應(yīng)用CO2注入系統(tǒng)提供400 μmol·mol-1穩(wěn)定的CO2。在此條件下同時(shí)測(cè)定葉片的Pn-Ca曲線和其他數(shù)據(jù)。應(yīng)用自動(dòng)測(cè)量程序(FlrPn-Cacurve)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，數(shù)據(jù)記錄前儀器均自動(dòng)進(jìn)行參比室和樣品室之間的匹配。全面測(cè)量不同生境下的鴨兒芹和歪頭菜葉片光合熒光參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010作圖；根據(jù)光合計(jì)算軟件4.1，應(yīng)用光響應(yīng)機(jī)理模型，擬合電子傳遞速率(ETR)和凈光合速率(Pn)對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)曲線；運(yùn)用SPSS 19.0版本軟件進(jìn)行計(jì)算和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生境對(duì)葉片ETR的影響

ETR表示被植物吸收的光能沿光合電子傳遞鏈被利用情況[9]。從圖1可知，PAR<200 μmol·m-2·s-1時(shí)，歪頭菜和鴨兒芹葉片的ETR均隨光強(qiáng)的增加呈直線上升；之后則隨PAR的增加而緩慢增長(zhǎng)；除生境Ⅰ下的鴨兒芹外，其余ETR均在達(dá)到最大值后發(fā)生較為明顯的光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)動(dòng)力學(xué)下調(diào)現(xiàn)象。比較不同生境下的ETR可見(jiàn)，弱光下兩種生境的歪頭菜和鴨兒芹葉片的ETR均極為接近，當(dāng)光強(qiáng)大于400 μmol·m-2·s-1時(shí)，生境Ⅰ下歪頭菜和鴨兒芹葉片的ETR顯著高于生境Ⅱ。

圖1 不同生境下葉片的ETR對(duì)PAR的響應(yīng)曲線

利用光響應(yīng)機(jī)理模型擬合ETR對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)曲線。由表1可知，R2均大于0.90，說(shuō)明光響應(yīng)模型擬合效果較好。生境Ⅰ下歪頭菜和鴨兒芹葉片的最大電子傳遞速率(ETRmax)及其對(duì)應(yīng)的飽和光強(qiáng)均顯著高于生境Ⅱ。

表1 不同生境下葉片光合ETR對(duì)PAR的響應(yīng)曲線結(jié)果

2.2 不同生境對(duì)葉片Pn的影響

從圖2可以看出，歪頭菜和鴨兒芹葉片Pn均隨PAR的增加而增加，當(dāng)大于800 μmol·m-2·s-1后，趨于穩(wěn)定或略有下降趨勢(shì)。從不同生境來(lái)看，生境Ⅰ下的歪頭菜和鴨兒芹的Pn整體較高。

圖2 不同生境下葉片的Pn對(duì)PAR的響應(yīng)曲線

利用光響應(yīng)機(jī)理模型擬合不同條件下光合作用對(duì)光的響應(yīng)曲線，得到Pnmax、Pn及其對(duì)應(yīng)的飽和光強(qiáng)(Isat)、光補(bǔ)償點(diǎn)(Ic)和暗呼吸速率(Rn)等光合參數(shù)。由表2可知，擬合曲線所得到的擬合值與其所對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值高度符合，R2均大于0.90。同ETR對(duì)光強(qiáng)響應(yīng)的擬合結(jié)果類似，生境Ⅰ下歪頭菜和鴨兒芹葉的Pnmax和Isat均顯著高于生境Ⅱ。不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片的Ic均較低，說(shuō)明歪頭菜和鴨兒芹利用弱光的能力較強(qiáng)，能很好地適應(yīng)弱光環(huán)境。

表2 不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片Pn對(duì)光的響應(yīng)曲線擬合結(jié)果

2.3 不同生境對(duì)葉片蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度的影響

由圖3可知，除生境Ⅱ下歪頭菜葉片蒸騰速率(Tr)隨著光強(qiáng)的增加而先上升后下降外，其余生境下的歪頭菜和鴨兒芹葉片Tr均隨著光強(qiáng)的增加而呈上升趨勢(shì)。生境Ⅱ下歪頭菜葉片的Tr較高，生境Ⅰ下鴨兒芹葉片的Tr較高。

圖3 不同生境下葉片的Tr對(duì)PAR的響應(yīng)曲線

由圖4可知，不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片氣孔導(dǎo)度(gs)均隨著光強(qiáng)的增加而先上升后緩慢下降。生境Ⅰ下歪頭菜葉片的gs整體高于生境Ⅱ；鴨兒芹葉片的gs除在較高光強(qiáng)(600和800 μmol·m-2·s-1下)有差異外，整體上均較為接近。

圖4 不同生境下葉片的gs對(duì)PAR的響應(yīng)曲線

2.4 不同生境對(duì)葉片PSⅡ的實(shí)際光化學(xué)效率的影響

實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)為PSⅡ的實(shí)際光化學(xué)效率，是研究植物光抑制的一種快速、非損傷性的指標(biāo)。不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片ΦPSⅡ均隨著光強(qiáng)的增加而降低。由圖5可知，生境Ⅰ下歪頭菜葉片ΦPSⅡ值整體較高，而鴨兒芹則整體較低，且在光強(qiáng)大于200 μmol·m-2·s-1時(shí)，兩種生境下歪頭菜和鴨兒芹ΦPSⅡ值的差異均達(dá)到顯著水平。

圖5 不同生境下葉片的ΦPSⅡ?qū)AR的響應(yīng)曲線

2.5 不同生境對(duì)葉片光化學(xué)猝滅系數(shù)及非光化學(xué)效率的影響

光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)反映PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額，并進(jìn)一步反映PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度和電子傳遞活性的大小。由圖6可知，不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片qP均隨著光強(qiáng)的增加而整體呈直線下降。生境Ⅰ下歪頭菜和鴨兒芹葉片qP值整體較高，且在光強(qiáng)大于200 μmol·m-2·s-1時(shí)，兩種生境下歪頭菜和鴨兒芹qP值的差異均達(dá)到顯著水平。

圖6 不同生境下葉片的qP對(duì)PAR的響應(yīng)曲線

植物吸收的光能除一部分用于光合作用外，還有一部分可通過(guò)非光化學(xué)猝滅(qN)過(guò)程來(lái)調(diào)整過(guò)量能量的耗散，保護(hù)PSⅡ反應(yīng)中心免受因吸收過(guò)多光能而引起的光氧化和光抑制傷害。由圖7可知，不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片qN均隨著光強(qiáng)的增加呈下降趨勢(shì)，兩種生境下，歪頭菜葉片的qN值在較高光強(qiáng)(大于150 μmol·m-2·s-1)下存在顯著差異，而鴨兒芹葉片的qN值整體無(wú)顯著差異。

圖7 不同生境下葉片的qN對(duì)PAR的響應(yīng)曲線

2.6 不同生境下葉片F(xiàn)′v/F′m值的比較

F′v/F′m為PSⅡ反應(yīng)中心的有效光化學(xué)量子產(chǎn)量，其值的降低是光抑制或光破壞最基本的特征。由圖8可知，不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片F(xiàn)′v/F′m均隨著光強(qiáng)的增加而下降。兩種生境下，歪頭菜葉片的F′v/F′m值在較高光強(qiáng)(大于150 μmol·m-2·s-1)下存在顯著差異，而鴨兒芹葉片的F′v/F′m值整體無(wú)顯著差異。

圖8 不同生境下葉片的F′v/F′m對(duì)PAR的響應(yīng)曲線

3 小結(jié)與討論

光合作用是植物最為重要的代謝活動(dòng)[10]，是作物將光能轉(zhuǎn)為化學(xué)能的過(guò)程。植物的光響應(yīng)曲線反映的是光合速率隨著光合有效輻射變化特性，是判定植物光合能力的重要指標(biāo)[11]，其擬合出的相關(guān)參數(shù)還可以反映植物在不同光照條件下生存能力，以及對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)能力[12]。

試驗(yàn)結(jié)果表明，弱光下兩種生境的歪頭菜和鴨兒芹葉片的ETR均較高，其中生境Ⅰ下歪頭菜和鴨兒芹葉的ETRmax及其對(duì)應(yīng)的飽和光強(qiáng)均顯著較高。從葉片凈光合作用來(lái)看，生境Ⅰ下的歪頭菜和鴨兒芹光合速率同樣整體較高，且歪頭菜和鴨兒芹的最適宜光強(qiáng)分別約為700和900 μmol·m-2·s-1。氣孔是由保衛(wèi)細(xì)胞構(gòu)成的直接影響植物葉片光合作用的細(xì)胞器[13]，環(huán)境條件會(huì)介導(dǎo)氣孔的關(guān)閉張開，從而引起氣孔導(dǎo)度的變化，進(jìn)一步影響植物的蒸騰速率和凈光合速率[14]。不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片氣孔導(dǎo)度均隨著光強(qiáng)的增加而先上升，而后緩慢下降，這與王海珍等[15]研究結(jié)果一致。此外，歪頭菜和鴨兒芹葉片的蒸騰速率均以生境Ⅱ下較高。由此可見(jiàn)，歪頭菜和鴨兒芹均為半陽(yáng)生植物。從光補(bǔ)償點(diǎn)來(lái)看，不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片的光飽和點(diǎn)均低，說(shuō)明歪頭菜和鴨兒芹利用弱光的能力較強(qiáng)，能很好地適應(yīng)弱光環(huán)境。

PSⅡ光化學(xué)被認(rèn)為是光合作用中對(duì)脅迫最敏感的部分，光合過(guò)程中PSⅡ所吸收的光能會(huì)有少部分以葉綠素?zé)晒獾男问奖恢匦箩尫懦鰜?lái)[16]。葉綠素?zé)晒馀c光合有緊密的聯(lián)系，通過(guò)葉綠素?zé)晒饪梢苑从彻夂献饔玫幕钚院托袨?，因此，葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)被視為是研究植物光合作用與環(huán)境關(guān)系的內(nèi)在探針[17]。葉綠素?zé)晒鈪?shù)能夠確定環(huán)境變化條件下PSⅡ反應(yīng)中心的作用效率，反映光合作用中PSⅡ的電子捕獲能力；F′v/F′m表示植物的潛在最大光合能力，不僅是顯示植株是否受到脅迫的指示器，也可表示植物生理的健康狀態(tài)，F(xiàn)′v/F′m降低代表作物受到脅迫。ΦPSⅡ與F′v/F′m二者都是反映植物光合性能和健康狀況的重要參數(shù)[18]。不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片的qN與ΦPSII均隨著光強(qiáng)的增加而整體呈下降趨勢(shì)，兩種生境下歪頭菜與鴨兒芹葉片的qN值整體均無(wú)顯著差異。生境Ⅰ下歪頭菜葉片ΦPSⅡ值與qP值整體較高，而生境Ⅰ下鴨兒芹葉片的ΦPSⅡ值與qP值則整體較低，且在光強(qiáng)大于200 μmol·m-2·s-1時(shí)，兩種生境下歪頭菜和鴨兒芹ΦPSⅡ值與qP值的差異均達(dá)到顯著水平。不同環(huán)境下歪頭菜和鴨兒芹葉片F(xiàn)′v/F′m均隨著光強(qiáng)的增加而下降，兩種生境下，歪頭菜葉片的F′v/F′m值在較高光強(qiáng)下存在顯著差異；而鴨兒芹葉片的F′v/F′m值整體無(wú)顯著差異。由此可見(jiàn)，歪頭菜和鴨兒芹兩種植物在不同生境下的光合參數(shù)整體上表現(xiàn)出較大差異，尤其是歪頭菜。

植物的生理特性是由遺傳因素決定的，但外部環(huán)境條件也對(duì)其內(nèi)部的生理生化響應(yīng)產(chǎn)生重要影響。通過(guò)對(duì)歪頭菜和鴨兒芹在不同生境條件下的栽種試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同光強(qiáng)環(huán)境對(duì)歪頭菜和鴨兒芹的生長(zhǎng)影響較大，且二者能很好地適應(yīng)弱光環(huán)境。因此，建議歪頭菜和鴨兒芹在種植時(shí)，選擇半遮陽(yáng)環(huán)境，更有利于種子發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)，進(jìn)而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。