三種石斛與大葉落地生根光合作用比較研究

楊麗娜，王雁，胡青，任建武

（1．北京林業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100083；2．中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)研究所，北京100091）

石斛屬（Dendrobium）為蘭科（Orchidaceae）大屬，包括1500種［1，2］，我國有81種，含2個變種［3］。該屬植物許多種是珍貴中藥材［4，5］和世界著名花卉［6，7］，具有重要研究價值。據(jù)報道，一些石斛屬植物光合碳同化具有景天酸代謝（Crassulacean Acid Metabolism，CAM）特征途徑［8～13］。

丑敏霞［14，15］等研究了光照強度對金釵石斛（D．nobile）生長和代謝的影響，認為石斛生長光照強度以320μmol·m－2·s－1為宜。宋錫全等［16］選用金釵石斛（D．nobile）種子播種在固體、半固體、液體、濾紙拱橋液體培養(yǎng)基上，試驗發(fā)現(xiàn)所有功能葉光合速率總平均值為2．60μmolCO2·m－2·s－1。蔡永萍等［17～19］以霍山石斛（D．huoshanense）等為材料，研究其葉片的光合速率和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的日變化，發(fā)現(xiàn)自然光下，石斛不適宜在800μmol·m－2·s－1以上的強光下生長；室內(nèi)光強在500μmol·m－2·s－1光強時，葉片能及時有效利用光能并耗散過剩的光能。呂獻康等［20］研究了鐵皮石斛（Denrobium candidum）、廣東石斛（D．wilsonii）和重唇石斛（D．hercoglossum）光合速率的日變化特性及與光強和溫度的關(guān)系，認為石斛的光合作用特性體現(xiàn)了其作為一種陰生植物對生長環(huán)境的高度適應(yīng)性。沈宗根等［21］以美花石斛、春石斛和鐵皮石斛為材料，對它們的葉片進行光合作用、葉綠素含量和葉綠素?zé)晒獾葏?shù)的測定，結(jié)果表明：3種石斛的光飽和點都低于300 μmol·m－2·s－1。這些研究涉及到不同種的石斛屬植物，結(jié)果有共同的特點，即植物生長所需低光強和較低的光合作用速率。這在一定程度上也說明了石斛屬植物的景天酸代謝特征。因此，有必要以典型景天酸代謝植物為對照，來比較研究石斛屬植物在多大程度上行景天酸代謝途徑。

1 試驗材料與方法

溫室盆栽植物材料報春石斛（Dendrobium primulinum）、金釵石斛（D．nobile）、鼓槌石斛（D．chrysotoxum）。對照植株為大葉落地生根（Kalanchoёdaigremontiana）。

試驗于2008年4月～2008年6月，在中國林業(yè)科學(xué)研究院科研溫室和北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院溫室同時進行，晝夜溫度為20℃／30℃，空氣相對濕度75%，栽培基質(zhì)為蘭石、苔蘚、草炭土（1∶1∶1），每天上午9點和下午3點左右噴淋一次水。從3種供試的石斛蘭中，各選用3株，每株測試假鱗莖上部成熟葉片3片，重復(fù)4次。試驗時間為2008年4月9日（9－April）、4月19日（19－April）、5月14 日（14－May）、5月24日（24－May）、6月2日（2－June）和6月12日（12－June）。光響應(yīng)曲線測定時間是上午8∶00～11∶00，試驗選用2×3Opaque LED配置，人工光源，采用慢速測定方法，逐漸增加人工光源光強，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄，存儲各個相關(guān)參數(shù)。光合作用日變化測定全天進行，選用標準透明葉室。CO2交換速率以Li－6400光合儀測定，并記錄氣孔導(dǎo)度（Cond）、胞間CO2（Ci）濃度等參數(shù)。主機進氣口連接進氣管和緩沖瓶。利用體積為10L的無色塑料瓶，在瓶蓋上鉆兩個與進氣管直徑（0．79cm）相同的孔，把進氣管穿過其中一個孔并插到近緩沖瓶底部處，以保證進氣口空氣CO2和相對濕度的穩(wěn)定性。

實驗期間，日出時間變化比較大，為了試驗條件更一致，測定開始于陽光照射到溫室30min以后，亦即經(jīng)過一定時段的光化光（actinic light）處理，強度約為150～230μmol·m－2·s－1，使試驗材料的PSI、PSII處于活化狀態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2．1 大葉落地生根的光合作用日變化

首先檢查大葉落地生根在不同光照強度下的光合作用狀況，得到大葉落地生根光響應(yīng)曲線如圖1所示。

由圖1可見，黑暗狀況下，大葉落地生根可同化空氣中二氧化碳；低于200μmolphoton·m－2·s－1的弱光輻照，可以提高表觀光合作用速率，亦即，此時可利用的同化力不僅來自于有機物分解，也來自于光下電子傳遞形成的同化力。但在光照強度達到500μmolphoton·m－2·s－1以后，二氧化碳同化速率降低。高于800μmolphoton·m－2·s－1的強光下，凈光合作用速率出現(xiàn)負值，表現(xiàn)為二氧化碳的凈釋放。

對照植物材料大葉落地生根，在本試驗條件下其光合作用日變化曲線見圖2。作為專性CAM植物，大葉落地生根，正如 Howard Griffiths等［22］所論述的那樣，其日變化分為典型的四個階段。階段I發(fā)生在夜間，空氣中的或者呼吸產(chǎn)生的二氧化碳被PEPC羧化酶固定，其中三碳底物磷酸烯醇式丙酮酸PEP經(jīng)過前一天形成積累的多糖或者可溶性糖酵解生成，PEPC羧化酶通過絲氨酸殘基的磷酸化被激活，此過程被磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶所調(diào)節(jié)，而PEPC在轉(zhuǎn)錄水平上被調(diào)控；四碳的最終產(chǎn)物蘋果酸貯存于中央大液泡中；Malate2－被動地沿著電化學(xué)梯度通過特殊通道移入液泡，伴隨著液泡質(zhì)子泵對質(zhì)子的轉(zhuǎn)運。階段II，由PEPC羧化轉(zhuǎn)向Rubisco羧化階段，C4和C3同時進行，凈光合作用速率達到最大。階段III，主要進行Rubisco同化二氧化碳，氣孔關(guān)閉，環(huán)境二氧化碳停止進入葉肉細胞，蘋果酸從液泡轉(zhuǎn)移至細胞質(zhì)，氧化脫羧。階段IV，脫羧停止，氣孔再次打開，空氣中二氧化碳固定從C3途徑向C4途徑過渡，從而又重復(fù)下一個晝夜變化周期。

由圖2可見，大葉落地生根作為典型的CAM植物，其光合作用日變化遵循鮮明的階段特征［23］。

圖1 大葉落地生根光響應(yīng)曲線Fig．1 Photosynthesis response curve of Kalanchoe daigremontiana to illumination gradient

圖2 大葉落地生根光合作用日變化Fig．2 Diel photosynthesis curve of Kalanchoe daigremontiana

2．2 報春石斛光合作用基本特征

基于冬季石斛光合作用測定過程的經(jīng)驗，生長季光合作用測定，采用慢速測定方法，每個梯度光強持續(xù)10min，人工光源光強接近溫室環(huán)境實時光強。這樣做有三點優(yōu)勢：第一，使得測定的葉片有充分時間對設(shè)定的光照強度做出調(diào)整，減少相鄰梯度光強的影響；第二，葉室內(nèi)光照強度盡量與環(huán)境光強接近，植株整體及相鄰葉面對葉室內(nèi)的6 cm2葉面影響降低；第三，光照從弱到強梯度升高，減少了光抑制的影響，同時消除了強光特別是紅光占比重很大時對氣孔關(guān)閉的延時效應(yīng)。

報春石斛光合作用測定結(jié)果見圖3。從圖3可以看到，在生長季節(jié)，當光照強度低于200 μmolphoton·m－2·s－1時，報春石斛的光合作用為正值，存在二氧化碳的凈吸收，這與CAM植物的光合作用特點吻合。

圖3 生長季節(jié)報春石斛光合作用光響應(yīng)曲線Fig．3 Photosynthesis response curve of D．primulinumto illumination gradient in growth season

從測定結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，當光強大于700 μmolphoton·m－2·s－1時，光合作用速率出現(xiàn)拐點，迅速降低。在4月份，200μmolphoton·m－2·s－1光強下，凈光合作用速率表現(xiàn)為正值；進入夏季的5、6月份，200μmolphoton·m－2·s－1光強下，報春石斛凈光合作用速率表現(xiàn)為負值。因此，隨著生長季節(jié)的延續(xù)，報春石斛趨向于更適合比較蔭蔽的環(huán)境。

生長季節(jié)報春石斛光合作用日變化曲線見圖4。

圖4 生長季節(jié)報春石斛光合作用日變化曲線Fig．4 Diel photosynthesis curve of D．primulinumduring growth season

從圖4可以看到，與專性CAM植物相似，溫室栽培報春石斛生長季節(jié)光合作用日進程也表現(xiàn)為CAM植物的典型特征：階段I包括下午20∶00至第二天上午7∶00左右，報春石斛的凈光合作用速率為正值，有二氧化碳的凈同化；階段II處于上午7∶00至11∶00左右，光合作用速率迅速升高，高達3．826μmolCO2·m－2·s－1；階段III出現(xiàn)在上午11∶00至下午17∶00，隨著光照強度的增強，光合作用速率快速下降，最低到－0．823 μmolCO2·m－2·s－1；階段IV位于下午的17∶00至20∶00，隨著光照降低，光合作用速率又開始回升，并表現(xiàn)為正值。與休眠期相比，最大的變化是階段II的凈光合作用速率上升迅速，而且最大光合作用速率比較高，高水平的光合作用維持了比較長的時間。說明PEPC羧化酶和Rubisco羧化酶都處于活化狀態(tài)，非常有利于光合作用產(chǎn)物的快速積累。另外發(fā)現(xiàn)，報春石斛生長季節(jié)利用光能的能力很強，甚至在上午（09：47：38AM）高達1219 μmolphoton·m－2·s－1的強光下，都能保持0．367 μmolCO2·m－2·s－1的凈光合作用速率。然而時隔幾小時后的階段III（12∶28∶15），390 μmolphoton·m－2·s－1的中度光照下，表觀光合作用速率就成為負值－0．332μmolCO2·m－2·s－1。表明報春石斛光合作用碳同化途徑的轉(zhuǎn)換不僅僅受到外部環(huán)境的光照調(diào)節(jié)，還與其內(nèi)在的晝夜節(jié)律有關(guān)。

2．3 金釵石斛光合作用基本特征

金釵石斛在生長季的光合作用測定結(jié)果，見圖5。

圖5 生長季節(jié)金釵石斛光合作用光響應(yīng)曲線Fig．5 Photosynthesis response curve of D．nobile to illumination gradient during growth season

結(jié)果表明，金釵石斛生長季節(jié)光合作用在中低光強時，迅速上升；在300μmolphoton·m－2·s－1以后達到光飽和點，隨著時間推移，5月和6月的光飽和點向右側(cè)移動，表明光飽和點逐漸增大；光反應(yīng)曲線正值的幅度變寬，說明報春石斛在生長季節(jié)利用光照的能力增強，適應(yīng)更為寬泛的光照環(huán)境。值得注意的是，強烈的光照會引起光抑制作用，當光照強度大于800μmolphoton·m－2·s－1以上時，光合作用系統(tǒng)受到嚴重的損害，凈光合作用速率表現(xiàn)為負值。

從圖6所反映的金釵石斛光合作用日變化狀況可以看到，上午，隨著光照增強，光合作用速率迅速上升，到10～11點之間，達到當天凈光合作用速率峰值，然后由于光抑制的加劇，光合作用很快減弱；隨后，光強下降，光抑制逐漸解除，光合作用在下午再次出現(xiàn)一個小高峰，并且隨著生長季延續(xù)，下午峰值有凸起的趨勢。但是，并未表現(xiàn)出CAM植物的四階段變化特征。

2．4 鼓槌石斛光合作用基本特征

鼓槌石斛在生長季節(jié)，光飽和點有所降低，由圖7可見，其光飽和點約為800～900μmolphoton·m－2·s－1之間，隨著時間有所變化，即呈逐漸降低的趨勢。

從圖上同時可以看到，在生長季節(jié)最大光合作用速率達到4．321μmolCO2·m－2·s－1。光補償點位于50～100μmolphoton·m－2·s－1之間。達到飽和光強以后，生長季節(jié)更容易發(fā)生光抑制。

圖8展示了鼓槌石斛生長季節(jié)光合作用日變化特征。中午光合作用速率最高，夜晚表現(xiàn)為凈呼吸，二氧化碳氣體交換速率為負值。與專性大葉落地生根相比，顯然不具備CAM植物特征。

從4月到6月，最大光合作用速率呈上升趨勢，中午可以達到5．912μmolCO2·m－2·s－1；而且隨著日照時數(shù)的延長，光合產(chǎn)物凈積累的時間大大增加，從4月初的10小時12分鐘，增加至6月中旬的15小時15分鐘。

圖6 生長季節(jié)金釵石斛光合作用日變化Fig．6 Diel pattern of photosynthesis in D．nobile during growth season

圖7 生長季節(jié)鼓槌石斛光合作用光響應(yīng)曲線Fig．7 Photosynthesis response curve of D．chrysotoxumto illumination gradient during growth season

2．5 三種石斛生長季光合作用與氣孔的關(guān)系

從表1可以看到，鼓槌石斛光合作用與氣孔導(dǎo)度、光照強度成極顯著正相關(guān)關(guān)系，而與胞間二氧化碳濃度成極顯著負相關(guān)關(guān)系；其氣孔導(dǎo)度與胞間二氧化碳濃度為顯著負相關(guān)關(guān)系，胞間二氧化碳濃度與光照強度為極顯著負相關(guān)關(guān)系，氣孔導(dǎo)度與光照強度成極顯著正相關(guān)關(guān)系。氣孔導(dǎo)度表示的是氣孔張開的程度，影響光合作用，呼吸作用及蒸騰作用。對于鼓槌石斛來說，光照的加強促使其氣孔開張，而光合作用隨著其氣孔開張程度的加大獲得更多的二氧化碳而加快，快速的光合作用消耗了大量的二氧化碳而使得胞間二氧化碳濃度降低。

圖8 生長季節(jié)鼓槌石斛光合作用日變化曲線Fig．8 Diel pattern of photosynthesis in D．nobile during growth season

表1 光合作用與氣孔的關(guān)系Table 1 Relationship between photosynthesis and stomata

對于金釵石斛來說，盡管光照可以促進氣孔開張，然而光合作用速率并不與氣孔導(dǎo)度成顯著的正相關(guān)關(guān)系，亦即氣孔開張程度增大并不一定會導(dǎo)致光合作用速率提高。因為光合作用碳同化的影響因子很多，包括二氧化碳濃度、光照強度、電子傳遞速率、羧化酶活性、底物供應(yīng)量以及NADPH和ATP的生成等。而二氧化碳的獲得既可以通過氣孔從外界獲得，也可以捕獲光呼吸和暗呼吸生成的二氧化碳。如果金釵石斛是兼性CAM植物，還可能從蘋果酸脫羧得到二氧化碳。

至于報春石斛，光合作用與氣孔導(dǎo)度成極顯著正相關(guān)、胞間二氧化碳濃度與光照強度成顯著正相關(guān)；光合作用速率與胞間二氧化碳濃度成極顯著負相關(guān)，光照強度與光合作用速率、光照強度與氣孔導(dǎo)度成顯著負相關(guān)關(guān)系?？梢哉J為，光照增強使報春石斛氣孔關(guān)閉，而氣孔關(guān)閉就意味著氣孔導(dǎo)度減小，進而降低了葉片與環(huán)境的二氧化碳交換速率，表現(xiàn)為表觀光合作用速率隨著光強的增加而降低。總體看來，報春石斛的光合作用和氣孔運動參數(shù)極其類似于大葉落地生根。

3 討論

試驗中三種石斛的光合作用狀況與專性景天酸代謝植物大葉落地生根相比，表現(xiàn)各異。只有報春石斛跟大葉落地生根光合作用日變化節(jié)律相近，其光合作用碳同化途徑可以認為是CAM途徑。與之相反，鼓槌石斛的表觀光合作用速率很高，接近6 μmolCO2·m－2·s－1，而且其光合作用日變化為單峰曲線，當光照強度低于100μmolphoton·m－2·s－1時，表觀光合作用速率為負值，完全不具備CAM植物特征。而金釵石斛在50～500 μmolphoton·m－2·s－1的弱光下，表觀光合作用速率為正值，在此區(qū)間之外均為負值，據(jù)此斷定金釵石斛沒有CAM植物特征，因為在強光下其表觀光合作用速率的降低不能確認就是光抑制所致，也可能是在關(guān)閉的氣孔后面進行著比較快的碳同化，需要有進一步的光合作用系統(tǒng)電子傳遞測定和活體實時氣孔運動觀察結(jié)果來驗證。

試驗中還發(fā)現(xiàn)，人工光源下的光響應(yīng)曲線與自然光下的光合作用日變化曲線中表觀光合作用速率數(shù)值存在一定差異，特別是鼓槌石斛的兩種測定方法得到的結(jié)果相差多達1．591μmolCO2·m－2·s－1，原因可能有二：第一，人工光源下的的光照變化僅限于葉室內(nèi)的部分葉片面積，而葉室外的葉片受光照狀況顯然與葉室內(nèi)不同，作為一個完整的植物體，葉室內(nèi)葉片必然受到外部同株葉片的影響；第二，葉室內(nèi)待測葉片的光適應(yīng)時間也會影響試驗結(jié)果。

4 結(jié)論

生長季節(jié)報春石斛的光飽和點為700 μmolphoton·m－2·s－1；光合作用速率高達3．826 μmolCO2·m－2·s－1；與典型的專性景天酸代謝植物大葉落地生根相比，報春石斛光合作用日變化呈現(xiàn)出CAM植物的四階段特征，因此可以認為報春石斛光合作用碳同化行CAM途徑。鼓槌石斛的光飽和點為800～900μmolphoton·m－2·s－1之間，最大光合作用速率為5．912μmolCO2·m－2·s－1；光合作用日變化呈單峰曲線，最大值出現(xiàn)在中午前后，表現(xiàn)出較強的光合作用能力以及對強光的適應(yīng)能力，未表現(xiàn)出CAM植物特征。金釵石斛更適合蔭蔽環(huán)境，光合作用日變化呈雙峰曲線，中午光照最強烈的時段表現(xiàn)為一定程度的光抑制，跟大葉落地生根相比，差異很大，沒有表現(xiàn)出典型的CAM植物四階段特征。

［1］陳心啟，吉占和．中國蘭花全書［M］．北京：中國林業(yè)出版社，2003（2）：153－171．

［2］楊志娟，張顯，張孟錦，等．石斛屬植物的研究進展［J］．園藝學(xué)報，2006，33（6）：1389－1396．

［3］王雁，李振堅，彭紅明，等．石斛蘭——資源·栽培·應(yīng)用［M］．北京：中國林業(yè)出版社，2007：11－12．

［4］國家藥典委員會．中國藥典（一部）［S］．北京：中國醫(yī)藥科技出版社，2010：85，265．

［5］黃海，李勁松，曹兵．分子標記技術(shù)在石斛屬植物種質(zhì)資源研究中的應(yīng)用［J］．生物技術(shù)通報，2010（4）：75－80．

［6］李振堅，張毓．世界流行石斛屬觀賞種介紹［J］．中國花卉園藝，2010（20）：33－35．

［7］鄒成勇，劉燕．我國石斛屬植物研究進展［J］．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（12）：6164－6166，622．

［8］任建武，王雁，彭鎮(zhèn)華．3種溫室栽培石斛冬季光合特性研究［J］．西北林學(xué)院學(xué)報，2009，24（1）：39－43．

［9］任建武，王雁，彭鎮(zhèn)華，等．3種石斛葉片蘋果酸含量日變化動態(tài)研究［J］．江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，32（3）：547－552．

［10］蘇文華，張光飛．金釵石斛光合作用特征的初步研究［J］．中藥材，2003，26（3）：157－159．

［11］蘇文華，張光飛．鐵皮石斛葉片光合作用的碳代謝途徑［J］．植物生態(tài)學(xué)報，2003，27（5）：631－637．

［12］R．SINCLAIR Water Relations of Tropical Epiphytes III．EVIDENCE FOR CRASSULACEAN ACID METABOLISM［J］．Journal of Experimental Botany，1984，35（1）：1－7．

［13］R．SINCLAIR Water Relations of Tropical Epiphytes II．PERFORMANCE DURING DROUGHTING［J］．Journal of Experimental Botany，1983，34（12）：1664－1675．

［14］丑敏霞，朱利泉，張玉進，等．光照強度對石斛生長與代謝的影響［J］．園藝學(xué)報，2000，27（5）：380－382．

［15］丑敏霞，朱利泉，張玉進，等．不同光照強度和溫度對金釵石斛生長的影響［J］．植物生態(tài)學(xué)報，2001，25（3）：325－330．

［16］宋錫全，吳輝，趙俊，等．金釵石斛試管苗壯苗培養(yǎng)和光合速率的檢測［J］．貴州師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，4（1）：6－9．

［17］蔡永萍，李玲，李合生，等．霍山縣3種石斛葉片光合特性及其對光強的響應(yīng)［J］．中草藥，2005，36（4）：586－590．

［18］蔡永萍，李合生，駱炳山，等．霍山3種石斛的生長節(jié)律及其與生態(tài)因子關(guān)系的研究［J］．武漢植物學(xué)研究，2003，21（4）：351－355．

［19］蔡永萍，李玲，李合生，等．霍山石斛葉片光合速率和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的日變化［J］．園藝學(xué)報，2004，31（6）：778－783．

［20］呂獻康，徐春華，舒小英．3種石斛的光合特性研究［J］．中草藥，2004，35（11）：1296－1298．

［21］沈宗根 ，陳翠琴 ，王嵐嵐 ，等．3種石斛光合作用和葉綠素?zé)晒馓匦缘谋容^研究［J］．西北植物學(xué)報，2010，30（10）：206－207．

［22］Antony N．Dodd，Anne M．Borland，Richard P．Haslam，Howard Griffiths，Kate Maxwell．Crassulacean acid metabolism：plastic，fantastic［J］．Journal of experimental botany，2002，53（369）：569－580．

［23］Howard Griffiths，Wendy E．Robe，Jan Girnus，Kate Maxwell．Leaf succulence determines the interplay between carboxylase systems and light use during Crassulacean acid metabolism in Kalanchoёspecies［J］．Journal of Experimental Botany，2008，59（7）：1851－1861．