5種懸鉤子屬植物的光合熒光特性

孫駿威，李素芳，金松恒

（1.中國計(jì)量學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 臨安 311300）

懸鉤子屬Rubus果實(shí)被譽(yù)為 “無公害第三代水果”，一般2～3年生就可開花結(jié)果，3～4年生進(jìn)入結(jié)果期。在歐美，一些種有很久的栽培歷史，如紅樹莓R.idaeus，黑樹莓R.occidentatis和美洲黑樹莓R.1eucodermis等種。在中國，懸鉤子植物目前主要呈野生狀態(tài)。浙江懸鉤子植物資源較為豐富，絕大部分的果實(shí)可食，且有引種馴化、雜交育種的良好潛力。傅承新等［1］和沈朝棟等［2］曾在栽培試驗(yàn)、生物學(xué)特性觀察和果實(shí)加工試驗(yàn)等方面進(jìn)行了初步的研究。而在光合作用方面等很少見報(bào)道。光合作用是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)，是果樹產(chǎn)量和品質(zhì)構(gòu)成的決定因素。蓬蘽R.hirsutus，山莓R.corchorifolius，茅莓R.parvifolius，寒莓R.buergeri和高粱泡R.lambertianus為浙江省常見的懸鉤子屬植物。有關(guān)這5種懸鉤子屬植物的栽培生理，特別是引種地不同品種的需光特點(diǎn)，如光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)、光能利用效率和熒光參數(shù)等均尚未見報(bào)道。本研究將從研究光合特性出發(fā)，測定這5種浙江省常見的懸鉤子植物氣體交換參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)，以期為其引種馴化和開發(fā)利用提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 植物材料與培養(yǎng)

蓬蘽、寒莓、高粱泡、茅莓和山莓等5種懸鉤子屬植物分別來自杭州的九曜山、北高峰、天門山、大清村和小和山。均帶土移栽，以盡可能保持其原始生長狀態(tài)。移栽回來的植物栽植在直徑26 cm，高25 cm的桶中，重復(fù)栽植5桶·種－1。于3月初進(jìn)行移植后，進(jìn)行常規(guī)栽培管理，適應(yīng)2個(gè)月以后，于2008年5月上旬進(jìn)行試驗(yàn)。這主要是由于5月陽光強(qiáng)度明顯增加，對于懸鉤子屬植物的生長影響較大。研究以當(dāng)年抽生的新枝為實(shí)驗(yàn)材料，進(jìn)行光合色素、光響應(yīng)曲線和熒光響應(yīng)曲線的測定，連續(xù)測定3 d，測定時(shí)間為早上8∶30－10∶30，重復(fù)進(jìn)行5次·d－1，取平均值。

1.2 光合色素的測定

選取完全展開不久的成熟葉片，葉為復(fù)葉的植物選擇最大的小葉，下同。用直徑為6 mm的打孔器分別取每種植物的10個(gè)葉圓片，用丙醇 ∶乙醇 ∶水 ＝4.5∶4.5∶1.0的溶液18 mL萃取48 h至葉片褪綠至白色。葉綠素和類胡蘿卜素的計(jì)算參考文獻(xiàn)［3］。

1.3 光合-光響應(yīng)曲線的測定

選取與色素測定同一葉位的成熟葉片，采用美國LI-COR公司生產(chǎn)的LI-6400便攜式光合測定系統(tǒng)進(jìn)行測定，設(shè)置3個(gè)重復(fù)。使用紅藍(lán)光源葉室，按儀器使用說明書操作。光強(qiáng)梯度設(shè)置為2 000，1 500，1 200，1 000，800，500，200，100，50，0 μmol·m－2·s－1。各光強(qiáng)下的凈光合速率、 氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度、蒸騰速率均由儀器自動給出。水分利用效率利用凈光合速率/蒸騰速率計(jì)算得到，量子需要額由 0～200 μmol·m－2·s－1段的凈光合速率的斜率的倒數(shù)而得到，最大凈光合速率、飽和光強(qiáng)、補(bǔ)償光強(qiáng)由光響應(yīng)曲線擬合而成［4］。

1.4 葉綠素?zé)晒鈪?shù)-光響應(yīng)曲線的測定

選取與光合測定相同的葉片，采用美國LI-COR公司生產(chǎn)的LI-6400便攜式光合測定系統(tǒng)進(jìn)行測定，設(shè)置3個(gè)重復(fù)。葉室為配套的LI-6400-40熒光葉室，按儀器使用說明書操作。設(shè)置暗適應(yīng)時(shí)間為1 h，光強(qiáng)為 1 500 μmol·m－2·s－1，光照時(shí)間為 20 min，光強(qiáng)梯度設(shè)置為：2 000，1 500，1 200，1 000，800，500，200，100，50，0 μmol·m－2·s－1。各光強(qiáng)下的光系統(tǒng)Ⅱ有效光化學(xué)量子產(chǎn)量、 光化學(xué)猝滅、非光化學(xué)猝滅、光系統(tǒng)Ⅱ?qū)嶋H光化學(xué)量子產(chǎn)量和表觀光合電子傳遞速率均由儀器自動給出。

2 結(jié)果與分析

2.1 5種懸鉤子屬植物的色素含量比較

由表1可知，蓬蘽和山莓的葉綠素含量均較高，寒莓和茅莓次之，高粱泡的最低。寒莓和茅莓的葉綠素含量雖比蓬蘽和山莓要低32%左右，比高粱泡卻要高10%左右。從葉綠素 a/b可以看出，蓬蘽和山莓的值最低，為3.0左右，其余3種均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過3。然而，類胡蘿卜素含量卻以山莓為最高，蓬蘽為最低，兩者相差幾近63%，其余3種極為接近，最多也只比山莓低12%左右。故蓬蘽有著最高的葉綠素/類胡蘿卜素比值，山莓次之，其余3種為最低。

表1 5種懸鉤子植物的光合色素含量比較Table 1 Comparison of photosynthetic pigments in five Rubus species plants

2.2 5種懸鉤子屬植物氣體交換參數(shù)比較

由光響應(yīng)曲線模型的擬合結(jié)果來看，最大凈光合速率以高梁泡為最高，以山莓為最低，兩者相差甚遠(yuǎn)，而其余3種之間相差不大；光飽和點(diǎn)光強(qiáng)以寒莓的為最高，光補(bǔ)償點(diǎn)光強(qiáng)以高粱泡的最高，而兩者均以山莓為最低，而最高與最低的差距也超過一半（表2）。從光響應(yīng)曲線還可以看出，各植物在光飽和點(diǎn)光強(qiáng)后隨光強(qiáng)增大均有些下降的趨勢，而以山莓尤為劇烈，其在最大光強(qiáng)（2 000 μmol·m－2·s－1）處的凈光合速率要比最大凈光合速率低60%左右（圖1A）。相似的情況也發(fā)生在水分利用效率（圖1D），而這是由于蒸騰速率的相對穩(wěn)定（數(shù)據(jù)未顯示）所致，因?yàn)樗掷眯视蓛艄夂纤俾?蒸騰速率計(jì)算得到。5種懸鉤子屬植物的氣孔導(dǎo)度在光飽和點(diǎn)光強(qiáng)后也有下降的趨勢，但比起凈光合速率，山莓的氣孔導(dǎo)度的下降幅度要緩和得多，只下降了27%左右（圖1B）。各植物的胞間二氧化碳濃度在高光強(qiáng)下均有升高的趨勢，但以山莓最為明顯，2 000 μmol·m－2·s－1處的胞間二氧化碳濃度要比其在光飽和點(diǎn)光強(qiáng)的高出 80%還多（圖1C）。由 0～200 μmol·m－2·s－1段的凈光合速率的斜率的倒數(shù)可得到量子需要額。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以山莓的量子需要額最大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余4種，大于最低的高粱泡達(dá)78%，而其余4種之間無顯著的差別（表2）。

表2 5種懸鉤子植物的光響應(yīng)曲線擬合的有關(guān)光合參數(shù)比較Table 2 Comparisons of the calculated photosynthetic parameters from light curve in five Rubus species plants

2.3 5種懸鉤子屬植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)比較

圖1 5種懸鉤子植物在不同光強(qiáng)下凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度、水分利用效率的光響應(yīng)曲線Figure 1 Changes of net photosynthetic rate（Pn），stomatal conductance（Gs），intercellular CO2concentration（Ci）and water use efficiency（WUE）in response to PFD in 5 Rubus species plants.

從表3可看出，蓬蘽的初始螢光最大，高粱泡的最小，其余3種差不多，這與葉綠素的數(shù)據(jù)基本相同，唯一有別的是山莓的葉綠素含量最高（表1），而初始螢光較低。山莓、寒莓和茅莓的最大光化學(xué)效率要顯著高于蓬蘽和高粱泡，以山莓最高，蓬蘽最低（表3）。隨著光強(qiáng)的升高，有效光化學(xué)量子產(chǎn)量表現(xiàn)出下降趨勢，就整體而言，同一光強(qiáng)下的有效光化學(xué)量子產(chǎn)量以寒莓為最大，山莓最小，其余3種相近（圖2A）。4種植物的光化學(xué)猝滅均隨光強(qiáng)增大而降低，其中山莓的光化學(xué)猝滅隨光強(qiáng)增大而下降最為迅速（圖2B）；非光化學(xué)猝滅在低光強(qiáng)下，隨光強(qiáng)的升高而升高，但在達(dá)到最大值時(shí)，上升趨勢趨于平穩(wěn)（圖2C）。在同光強(qiáng)下，非光化學(xué)猝滅從高到低的順序?yàn)樯捷?、茅莓、蓬蘽、高粱泡和寒莓。由圖2D可看出，表觀電子傳遞速率表現(xiàn)出和凈光合速率相似的現(xiàn)象，不過飽和光強(qiáng)下的表觀電子傳遞速率以寒莓為最大，隨后分別為高粱泡、蓬蘽和茅莓，最小的為山莓；同時(shí)，在高光強(qiáng)度下，各種植物表現(xiàn)出隨光強(qiáng)增大，表觀電子傳遞速率下降的趨勢，而以高粱泡和山莓最為明顯。

表3 5種懸鉤子屬植物的2個(gè)熒光參數(shù)Table 3 Comparison of 2 chlorophyll fluorescence parameters in five Rubus species plants.

3 討論

5種懸鉤子屬植物光合作用利用光能的能力不同。在不同光強(qiáng)下，它們的光合作用競爭優(yōu)勢不同，不同的飽和光合速率和飽和電子傳遞速率出現(xiàn)在不同的光照強(qiáng)度下。這一結(jié)果表明，在不同的光照環(huán)境下，會產(chǎn)生不同的競爭優(yōu)勢種［5-7］。光飽和點(diǎn)光強(qiáng)的高低說明了耐光的強(qiáng)弱，光補(bǔ)償點(diǎn)光強(qiáng)的高低說明了耐蔭的強(qiáng)弱［8］。從5種懸鉤子屬植物來看，以山莓的光飽和點(diǎn)光強(qiáng)最低，光補(bǔ)償點(diǎn)光強(qiáng)也最低，說明其最耐蔭；寒莓的光飽和點(diǎn)光強(qiáng)最高，光補(bǔ)償點(diǎn)光強(qiáng)則略高于山莓，說明其最耐光，耐蔭能力也較強(qiáng)；高粱泡的光飽和點(diǎn)光強(qiáng)僅次于寒莓，而光補(bǔ)償點(diǎn)光強(qiáng)最高，說明高粱泡最不耐蔭，但較耐光；蓬蘽和茅莓的光飽和點(diǎn)光強(qiáng)和光補(bǔ)償點(diǎn)光強(qiáng)均居中，說明其較耐蔭又耐光。綜合凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度、葉綠素a/b、葉綠素/類胡蘿卜素和量子需要額等參數(shù)來看，這5種植物對高光強(qiáng)的耐受能力高低依次為寒莓＞高粱泡＞茅莓＞蓬蘽＞山莓。

圖2 5種懸鉤子植物在不同光強(qiáng)下光系統(tǒng)Ⅱ有效光化學(xué)量子產(chǎn)量、光化學(xué)猝滅、非光化學(xué)猝滅和表觀電子傳遞速率的光響應(yīng)曲線Figure 2 Changes of PSⅡ efficient photochemical quantum yield（F′v/F′m），photochemical quenching（qP）,non-photochemical quenching（qN）and apparent electron transport（ETR）in response to PFD in 5 Rubus spcies plants

本研究中最大凈光合速率最小的山莓卻葉綠素含量最高，而最大凈光合速率最大的高粱泡則葉綠素含量最低，說明這5種懸鉤子屬植物利用光能的能力不同與葉綠素含量沒有直接的關(guān)系。為了進(jìn)一步研究5種懸鉤子屬植物利用光能的能力差異，我們測定了5種植物葉綠素?zé)晒?。光化學(xué)猝滅表示光系統(tǒng)Ⅱ作用中心的開放程度［9］，光系統(tǒng)Ⅱ有效光化學(xué)量子產(chǎn)量（F′v/F′m）反映的是光下開放的光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心原初光能捕獲效率［10］。山莓最不耐高光強(qiáng)主要是由于在高光下光化學(xué)猝滅明顯低于其他4種植物，且山莓的胞間二氧化碳濃度明顯升高，說明其高光下由于光系統(tǒng)II作用中心的開放程度的下降引起了表觀電子傳遞速率的明顯下降，進(jìn)而使光合磷酸化能力降低，導(dǎo)致同化力煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）和三磷酸腺苷（ATP）形成的減少，最終導(dǎo)致高光下凈光合速率的速降。而非光化學(xué)猝滅是光系統(tǒng)Ⅱ天線色素吸收來的光能不能用于光合電子傳遞而以熱能的形式耗散掉的光能部分［11］。寒莓最耐高光強(qiáng)主要是由于在高光下有效光化學(xué)量子產(chǎn)量明顯高于其他4個(gè)植物，使熱耗散的光能，即非光化學(xué)猝滅顯著低于其他4個(gè)植物，說明其高光下由于光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心原初光能捕獲效率的升高引起了表觀電子傳遞速率的明顯升高，進(jìn)而增加了光能利用效率。

不同光強(qiáng)下山莓氣孔導(dǎo)度的相對穩(wěn)定導(dǎo)致蒸騰速率也相對穩(wěn)定，但高光下凈光合速率的下降導(dǎo)致水分利用效率在高光下的速降。水分利用效率是評價(jià)植物對環(huán)境適應(yīng)能力的綜合指標(biāo)，在同樣的環(huán)境條件下，水分利用效率值越大，表明固定單位質(zhì)量二氧化碳所需的水量越少，植物耐旱能力越高［12］。山莓的水分利用效率在很低光強(qiáng)下是最高的，但是隨后劇烈下降（圖1D），也同樣說明山莓不適合移植到大田，更適合種在原生境，也可以考慮移入大棚。在利用時(shí)考慮到山莓的量子需要額和最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）最大，可以通過施肥和保水輔以適當(dāng)?shù)墓庹諄碓黾悠鋬艄夂纤俾省?種植物中以高粱泡的最大凈光合速率最高（表2），但它仍遠(yuǎn)低于樹莓和黑莓［13］。鑒于紅莓和樹莓是野生種經(jīng)過多年培育篩選所得，故此5種也有通過培育篩選而獲得優(yōu)良品種的可能，尤其是寒莓和高粱泡，但移栽成功與否為培育篩選的第一步。本研究通過測定光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)，發(fā)現(xiàn)山莓并不適合大田移栽，而其余4種可大田移栽。但是在大田種植和開花結(jié)果時(shí)，有可能遇到高溫或低溫等逆境，故還需要進(jìn)一步研究溫度對此5種懸鉤子屬植物的影響。

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