李焰焰， 張紫薇， 黃 薇， 聶傳朋

(武夷學(xué)院 茶與食品學(xué)院， 武夷山354300)

馬纓丹(Lantanacamara)是原產(chǎn)美洲熱帶的馬鞭草科植物，1645年從荷蘭作為觀賞植物被引入我國，并在南方廣泛種植[1]。馬纓丹屬藤蔓或直立灌木，花期5—11月，花色多樣，喜歡高溫高濕陽光充足的環(huán)境，在我國南方地區(qū)可常年見花，北方地區(qū)也可逐步引種觀賞。其莖細(xì)長、柔軟、密集，可隨意修剪和編織，因此可作為花籬種植于街道、花園、庭院、墻壁、路旁等處，也可以樹狀造形，亦可盆栽應(yīng)用在花壇和盆缽中，因此觀賞價值突出[2]。因其適應(yīng)性強，栽培觀賞時如控制管理不當(dāng)，會成為入侵植物[3-4]。

目前，國內(nèi)外對馬纓丹的研究主要集中在其化學(xué)成分的提取及其生理和化感作用上?？敌∥涞萚4]研究了馬纓丹葉中揮發(fā)物的化感作用，鄭淑娜等[5]研究了馬纓丹提取液的驅(qū)蚊效果，易振等[6]發(fā)現(xiàn)馬纓丹新鮮葉水提取物對水葫蘆的生長有明顯的抑制作用。對馬纓丹光合生理的研究方面，朱慧等[7]測定了粵東地區(qū)馬纓丹及其常見主要伴生種的光合生理指標(biāo)，通過分析馬纓丹的最大凈光合速率、蒸騰速率等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)其具有較強的CO2固定能力、光能利用能力和水分利用能力。也有研究表明，馬纓丹葉片粗糙，可以散射一些入射光，以避免被光和熱損壞，其光合能力不是太高，但其利用二氧化碳的能力很強[8]。研究缺乏關(guān)于馬纓丹葉片結(jié)構(gòu)特征、光合色素含量、葉綠素?zé)晒馓匦约捌湎嚓P(guān)性的報道。葉綠素?zé)晒鈪?shù)能夠反映光合系統(tǒng)一系列重要的調(diào)節(jié)過程[9-11]。通過對馬纓丹葉片解剖結(jié)構(gòu)、葉綠素含量以及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定分析，揭示馬纓丹在光強增高時的光合性能表現(xiàn)，為馬纓丹的光合生理研究及栽培應(yīng)用等提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2019年4月中旬在福建省武夷山市武夷學(xué)院校區(qū)內(nèi)進行，選取三期教師公寓家屬區(qū)門前綠化種植帶內(nèi)生長4年的馬纓丹植株，選取一年生枝上完全展開的功能葉作為供試材料。

1.2 方法

葉片解剖結(jié)構(gòu)觀測。將新鮮的馬纓丹葉徒手橫切，將材料制成臨時裝片并置于顯微鏡下觀察。用Motic Image Advanced測量葉片表皮厚度、角質(zhì)層厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度等指標(biāo)，并計算葉片柵欄組織結(jié)構(gòu)緊密度(柵欄組織厚度/葉片厚度)、柵海比(柵欄組織厚度/海綿組織厚度)。每個指標(biāo)采集5片裝片10個視野的數(shù)據(jù)均值。

光合色素含量測定。取新鮮成熟的馬纓丹葉片洗凈擦干，采用張憲政[12]的方法，測定OD663、OD645、OD652、OD440的值，并按公式計算馬纓丹葉綠素a、b和類胡蘿卜素的含量。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定。在晴天上午8：00—11：00, 選擇受光方向相同、生長一致的枝條，比較枝條頂端向下第4片葉片，選擇完好、無病蟲害、葉面積相近的馬纓丹葉片，對葉片進行20 min的暗適應(yīng)后，利用德國生產(chǎn)的Junior-PAM葉綠素?zé)晒鈨x測定光化學(xué)猝滅系數(shù)qP、非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ隨時間的變化，同時測定不同光強設(shè)置下實際光量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)、表觀光合量子傳遞效率ETR、調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量Y(NPQ)的數(shù)值，測量由電腦控制，光化光強度梯度設(shè)置為190、285、420、625、820、1150 μmol/m2·s。共選3株，每株選1張葉片，每張葉片重復(fù)測定3次，即每個指標(biāo)測量9次，取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用EXCEL 2010、WORD 2010進行數(shù)據(jù)處理及制圖，用SPSS 19.0軟件進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬纓丹葉片解剖結(jié)構(gòu)

顯微觀測發(fā)現(xiàn)馬纓丹葉片結(jié)構(gòu)從上到下依次為上角質(zhì)層、上表皮、柵欄組織、海綿組織、下表皮和下角質(zhì)層，表皮細(xì)胞、柵欄組織、海綿組織細(xì)胞均為一層細(xì)胞。顯微觀測項目包括上表皮厚度(TU)、下表皮厚度(TL)、上表皮角質(zhì)層厚度(CU)、下表皮角質(zhì)層厚度(CL)、柵欄組織厚度(TP)、海綿組織厚度(TS)等。由表1可見，馬纓丹葉片上、下角質(zhì)層厚度分別為5.95 μm和4.54 μm，分別占上、下表皮厚度的39.1 %和27.8%。光合同化組織厚度占葉片總厚度的85.1%，其中柵欄組織厚88.57 μm，海綿組織厚91.07 μm，柵欄組織結(jié)構(gòu)緊密度達(dá)41.9，柵海比為0.99。表明馬纓丹具有較強的抗旱能力及光合作能力。

表1 馬纓丹葉片解剖結(jié)構(gòu)

2.2 馬纓丹葉綠素含量分析

由表2可見，馬纓丹的葉綠素a含量達(dá)2.81 mg/g，葉綠素b含量為1.31 mg/g，葉綠素a/b為2.182，略小于3∶1，說明馬纓丹葉綠素b含量高、光能捕獲力強，這是植物對環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果。很多高等植物葉片中葉綠素總量與類胡蘿卜素的比例約為3∶1，馬纓丹葉片中葉綠素總量與類胡蘿卜素的比例為1.38∶1，小于3∶1，這反映出在高葉綠素含量的同時，其類胡蘿卜素相對含量更高，能有效防止葉綠素光氧化，保護光合系統(tǒng)在高光強下的效率。

表2 馬纓丹葉片中光合色素含量及比值

2.3 馬纓丹葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化特征

2.3.1 快速光響應(yīng)曲線

ETR反映實際光強下的相對電子傳遞效率，其值根據(jù)光強PAR由儀器系統(tǒng)計算得出。由圖1可見，馬纓丹ETR在給定范圍內(nèi)隨著PAR的增強持續(xù)上升，當(dāng)PAR為625 μmol/m2·s時ETR數(shù)值達(dá)38.2 μmol/m2·s，當(dāng)PAR為1150 μmol/m2·s時(儀器提供的最高值)，ETR數(shù)值不僅沒下降，反而升至44.5 μmol/m2·s，這反映出馬纓丹對強光有很強的適應(yīng)能力。

圖1 馬纓丹葉片的光響應(yīng)曲線Figure 1 Light-response curve of L. camara

2.3.2 光化學(xué)淬滅和非光化學(xué)淬滅系數(shù)

qP是光化學(xué)淬滅系數(shù)，反映PSⅡ天線色素分子捕獲的光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額[13]，在一定程度上能夠反映植物光合活性的高低，非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ反映的是植物將過剩的光能耗散為熱能的能力[14]。圖2可見，馬纓丹的qP在8：20—9：20小幅波動，在9：40時qP明顯下降，之后又開始上升。其NPQ在8：20—10：00這一時間段內(nèi)呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，說明馬纓丹隨上午時間的延后，熱耗散逐步減少，光能利用率逐步加大。

圖2 馬纓丹光化學(xué)淬滅系數(shù)和非光化學(xué)淬滅系數(shù)變化Figure 2 Variation of qP and NPQ of L. camara

2.3.3 最大光化學(xué)效率和實際光化學(xué)效率

植物的最大光量子產(chǎn)量Fv/Fm代表植物的光合潛能，是PSII的最大光合量子產(chǎn)量的理論值，從圖3可以看出，PAR為190 μmol/m2·s時，馬纓丹的最大光量子產(chǎn)量Fv/Fm為0.742，在正常范圍內(nèi)，隨著PAR增加到285 μmol/m2·s以上時，F(xiàn)v/Fm驟降了41.78%。這表明，當(dāng)PAR大于285 μmol/m2·s時，PSII的實際光能捕獲效率降低，直至1 150 μmol/m2·s，一直處于0.377～0.457，和190 μmol/m2·s時的Fv/Fm值差異達(dá)極顯著水平(P<0.01),表明馬纓丹在發(fā)生光脅迫時(625～1 150 μmol/m2·s)，F(xiàn)v/Fm光合潛能理論值嚴(yán)重降低。

Y(Ⅱ)是馬纓丹葉片的實際光能轉(zhuǎn)化效率[15]，由圖3可見，隨著PAR由190增至285 μmol/m2·s時，Y(Ⅱ)隨之增高，當(dāng)PAR繼續(xù)增加，直至儀器最大值1 150 μmol/m2·s時，Y(Ⅱ)持續(xù)下降，數(shù)值在0.25～0.32，方差分析顯示6組數(shù)據(jù)無顯著差異(P>0.05)，表明馬纓丹在強光下葉片的實際光能轉(zhuǎn)化效率能維持在恒定水平，PAR范圍在285～420 μmol/m2·s時，Y(Ⅱ)保持較高水平。

圖3 馬纓丹最大光化學(xué)效率和實際光化學(xué)效率變化Figure 3 Changes of maximum photochemical efficiency and actual photochemical efficiency of L.camara

2.3.4 非光化學(xué)淬滅的量子產(chǎn)量

Y(NPQ)是指PSⅡ處于調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量。由圖4可知，隨著光強的增高，馬纓丹Y(NPQ)除了PAR在625 μmol/m2·s時略微下降之外，總體隨光強而增高，一直維持在較高水平，調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量高，表明馬纓丹接受的光強過剩，同時也反映出馬纓丹仍可通過熱耗散等調(diào)節(jié)方式來保護自身。

圖4 馬纓丹非光化學(xué)淬滅的量子產(chǎn)量Figure 4 Quantum yields of non-photochemical quenching in L.Camara

2.4 葉綠素含量與熒光參數(shù)的相關(guān)性

從表3可見，Chl a含量，Chl b含量和Chl (a+b)含量與ETR呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與NPQ和Fv/Fm兩個指標(biāo)之間存在正相關(guān),但不顯著；與Y(NO)、Y(Ⅱ)和qP之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，但未達(dá)顯著水平。從表3中的數(shù)據(jù)可知，葉綠素含量對6種熒光參數(shù)影響大小為ETR>Y(NPQ)>Y(Ⅱ)>NPQ>qP>Fv/Fm，這表明在這6項熒光指標(biāo)中，葉綠素含量對ETR的影響最大，即隨著葉綠素含量的增加，電子傳遞速率顯著增強，而Fv/Fm表示PSⅡ的最大光合量子產(chǎn)量即植物的光合潛能，受葉綠素含量的影響最小。

表3 葉綠素含量與熒光參數(shù)的相關(guān)性分析

2.5 葉片解剖結(jié)構(gòu)特征與葉綠素?zé)晒鈪?shù)的相關(guān)性

選取6個測定的葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)上角質(zhì)層厚度、上表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、下表皮厚度、下角質(zhì)層厚度，分別用L1、L2、L3、L4、L5、L6代表，與馬纓丹熒光參數(shù)之間進行相關(guān)分析。結(jié)果顯示，馬纓丹葉片的解剖結(jié)構(gòu)與熒光參數(shù)之間存在相關(guān)關(guān)系，但均未達(dá)到顯著水平。

Y(NPQ)與L1、L2、L3、L5和L6呈負(fù)相關(guān)，僅與L4呈正相關(guān)；Y(Ⅱ)、qP均與L2、L4呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與L1、L3、L5、L6之間呈正相關(guān)；ETR與L1、L2、L3和L4之間呈負(fù)相關(guān)，與L5和L6呈正相關(guān)。NPQ、Fv/Fm與L1、L3、L5、L6之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與L2、L4呈正相關(guān)關(guān)系。

3 討論與結(jié)論

研究表明[16-17]，植物葉片表皮毛和厚角質(zhì)層有助于植物適應(yīng)或抵御外界環(huán)境的脅迫,并使其維持正常的生理生態(tài)機能。角質(zhì)層的厚度和柵欄組織的厚度可以作為植物耐熱性的指標(biāo)，表皮細(xì)胞角質(zhì)層厚度越大，抗旱性越強，通過增強對太陽輻射的反射，有利于防止水分的散失和高溫對薄壁組織的傷害，植株的耐熱性也就越強，并能在一定程度上維持植物光合作用效率的穩(wěn)定[18]。顯微觀測發(fā)現(xiàn)馬纓丹葉片角質(zhì)層較厚，分別占上、下表皮厚度的39.1%和27.8%，且葉片表面被糙毛，這將有助于減少其對太陽輻射能的吸收，間接促進光飽和點的增加，提高光合速率。對高溫下的光損傷有較好的抵抗結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。同時，葉片微觀結(jié)構(gòu)可以部分反映植物對環(huán)境的適應(yīng)性，馬纓丹光合同化組織厚度占葉片總厚度的85.1%，柵欄組織結(jié)構(gòu)緊密度達(dá)41.9，高度發(fā)達(dá)的柵欄組織除執(zhí)行光合同化功能外，也可避免強烈的光線灼燒葉肉，并可防止葉片水分蒸發(fā)。如果柵海比大，能夠增加植物對光的吸收量，提高光合作用；馬纓丹葉片柵海比為0.99。馬纓丹葉的解剖結(jié)構(gòu)顯示其具有極好的光合結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及抗旱能力，具備厚的角質(zhì)層及柵欄組織表明其具有較強的耐熱性及較高的光合能力，這與其適宜溫?zé)岬哪戏降貐^(qū)環(huán)境相符。

葉綠素在植株體內(nèi)負(fù)責(zé)光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化, 類胡蘿卜素則行使光能捕獲和光破壞防御兩大功能, 它們是植物綠色光合器官中光能吸收，傳遞和轉(zhuǎn)化的基本物質(zhì)，在光合作用中起著非常重要的作用[19]。色素的含量和構(gòu)成是多方面協(xié)調(diào)作用的結(jié)果, 包括植物本身的遺傳特征、葉齡、光強及光質(zhì)等影響。較高的葉綠素含量表明光系統(tǒng)Ⅱ中有較高的捕光復(fù)合體含量[20]。顯微觀察發(fā)現(xiàn),馬纓丹葉肉細(xì)胞中含有大量葉綠體，葉綠體是植物進行光合作用的具體部位，與海綿組織細(xì)胞相比，柵欄組織細(xì)胞內(nèi)葉綠體相對小而多，測定馬纓丹的葉綠素含量高達(dá)4.12 mg/g，表明馬纓丹的光能轉(zhuǎn)化力、光能捕獲能力和防御能力都很強，這是馬纓丹長期適應(yīng)高熱高光環(huán)境生長的結(jié)果。類胡蘿卜素不僅能吸收和傳遞光能，還能防止生物體內(nèi)的葉綠素光氧化，馬纓丹葉片在高葉綠素含量的同時，其類胡蘿卜素相對含量更高，能有效防止葉綠素光氧化，保護光合系統(tǒng)在高光強下的效率。

ETR反映實際光強下的相對電子傳遞效率，可用于度量光化學(xué)反映導(dǎo)致碳固定的電子轉(zhuǎn)移情況。其值可以根據(jù)光強度(PAR)，葉片吸收系數(shù)(一般為0.84)和有效熒光產(chǎn)量(WinControl-3中默認(rèn)為0.5)來計算。馬纓丹的ETR數(shù)值在光強持續(xù)升高時(PAR 420～1 150 μmol/m2·s)，不僅沒下降，反而持續(xù)上升，這種變化趨勢表明馬纓丹對強光有較強的適應(yīng)能力，可能與其光合色素含量相關(guān)，隨后的相關(guān)性分析表明ETR與Chl a、Chl b、Chl (a+b)含量顯著正相關(guān)。

光化學(xué)淬滅系數(shù)qP反映PSⅡ天線色素分子捕獲的光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額，在一定程度上能夠反映植物光合活性的高低，非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ反映的是植物將過剩的光能耗散為熱能的能力。在上午8：20—10：00時段，馬纓丹的qP、NPQ皆呈現(xiàn)出總體下降的趨勢，可能是因為清晨低溫導(dǎo)致光抑制，使得馬纓丹吸收的光能不能用于光合電子傳遞，以熱能的形式耗散，而隨著上午溫度升高，低溫抑制作用恢復(fù)，馬纓丹上午的熱耗散逐步減少，光能利用率逐步加大。從降幅來看，NPQ下降平穩(wěn)，qP下降時波動性較大，尤其是9：40測定的數(shù)值下降明顯，可能和測定時的環(huán)境因子變化有關(guān)。馬纓丹淬滅系數(shù)qP和NPQ的一系列變化表明馬纓丹對環(huán)境有較強的適應(yīng)性。

植物最大光量子產(chǎn)量Fv/Fm是PSII的最大光合量子產(chǎn)量的理論值，反映PSⅡ?qū)⑽盏墓饽苻D(zhuǎn)換為化學(xué)能的最大效率，代表植物的光合潛能，有研究表明，高等植物Fv/Fm在非脅迫條件下比較恒定，一般在0.8左右[21]，當(dāng)葉片吸收過多的光能,導(dǎo)致開放的PSⅡ反應(yīng)中心的Fv/Fm降低，即發(fā)生光抑制現(xiàn)象，嚴(yán)重的光抑制會對反應(yīng)中心造成不可逆的破壞[22]。在馬纓丹Fv/Fm隨PAR增強而呈現(xiàn)的變化趨勢中，當(dāng)PAR增強到420 μmol/m2·s時，F(xiàn)v/Fm開始逐漸下降，表明發(fā)生光抑制。馬纓丹在發(fā)生光脅迫時(625～1 150 μmol/m2·s)，F(xiàn)v/Fm嚴(yán)重降低，且隨著光強增大，數(shù)值維持在同一水平，沒有出現(xiàn)大幅下降。

植物的實際光量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)代表植物葉片的實際光能轉(zhuǎn)化效率。當(dāng)PAR在190～1 150 μmol/m2·s范圍內(nèi)升高時，馬纓丹的Y(Ⅱ)隨PAR的增大先升后降，總體增減幅度較小，PAR范圍在285～420 μmol/m2·s時，Y(Ⅱ)處于較高水平。反映出馬纓丹在強光脅迫下葉片的實際光能轉(zhuǎn)化效率能保持在穩(wěn)定水平，具備高光環(huán)境下的光合能力。Y(NPQ)是指PSⅡ處于調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量。馬纓丹Y(NPQ)總體隨光強的加大而增高，一直維持在較高水平。調(diào)節(jié)性耗散的量子產(chǎn)量高，表明馬纓丹以強光下熱的形式耗散過多的光能，對葉片的光保護機制極強。

植物光合作用的差異與葉片光合作用器官的解剖學(xué)特性密切相關(guān)。馬纓丹葉片解剖結(jié)構(gòu)與葉綠素?zé)晒鈪?shù)的相關(guān)性分析顯示兩者之間存在相關(guān)關(guān)系，但均未達(dá)到顯著水平，相較之下，馬纓丹熒光參數(shù)受葉片的角質(zhì)層厚度和柵欄組織厚度兩個指標(biāo)的影響較大?？赡芘c高熱高光條件下，植物水分供應(yīng)緊張，會導(dǎo)致光合作用效率降低，而角質(zhì)層位于葉片表面，可以減少細(xì)胞水分蒸騰，使葉片在細(xì)胞水不足時，不至于立即萎蔫有關(guān)。增加有效光合輻射，對馬纓丹氣孔導(dǎo)度(Gs) 、蒸騰速率(Tr) 影響不明顯，但大大提高了其水分利用率(WUE)[7]，這與本文觀測到的馬纓丹葉片解剖特性相吻合。

綜上所述，本文對馬纓丹的葉片結(jié)構(gòu)特征、光合色素含量、葉綠素?zé)晒鈪?shù)的指標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)，馬纓丹對環(huán)境有較強的適應(yīng)性，其較厚的柵欄組織和較高的葉綠素含量決定了馬纓丹具有較強的抗旱能力及較高的光合作用能力。強光脅迫下，馬纓丹ETR持續(xù)上升、實際光能轉(zhuǎn)化效率Y(Ⅱ)保持在穩(wěn)定水平、調(diào)節(jié)性耗散的量子產(chǎn)量Y(NPQ)較高，說明在高光環(huán)境下馬纓丹具備較強的光合能力，同時對葉片能進行有效的光保護，這與朱慧等[7]研究馬纓丹對環(huán)境中光強和CO2的變化具有良好適應(yīng)性的結(jié)果一致。相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，葉綠素?zé)晒鈪?shù)ETR與葉綠素含量之間顯著正相關(guān)，但葉片的解剖結(jié)構(gòu)與葉綠素?zé)晒鈪?shù)之間相關(guān)性總體不顯著。研究結(jié)果有助于解釋馬纓丹生長迅速、生長力高、競爭性強的生物學(xué)特點，將為后續(xù)對馬纓丹光合性能的深入研究提供參考，并為探索針對入侵植物馬纓丹的防控對策提供依據(jù)。