曼陀羅光合特性研究

于曉霞，阮成江

曼陀羅 (Datura stramonium L.)屬 茄科(Solanaceae)曼陀羅屬(Datura L.)1年生直立大型草本植物，主要分布于熱帶和亞熱帶地區(qū)，溫帶地區(qū)也有分布，常見(jiàn)于路邊、草地和新翻地。曼陀羅種子含油量約22.85％，其種子脂肪油主要含亞油酸、棕櫚酸、硬脂酸、油酸、肉豆蔻酸等脂肪酸成分［1－2］，是潛在的能源植物。資料顯示［3－6］，相關(guān)學(xué)者對(duì)于曼陀羅資源已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，不僅總結(jié)了曼陀羅的栽培技術(shù)和應(yīng)用價(jià)值，還在其化學(xué)成分和藥理作用等方面取得了一些研究成果。目前，野生曼陀羅的資源量處于急劇下降的狀態(tài)，因此，對(duì)曼陀羅資源研究的首要任務(wù)就是對(duì)其資源的保護(hù)。首先是就地保護(hù)，扼制過(guò)度采挖；其次就是要加強(qiáng)對(duì)野生曼陀羅人工栽培技術(shù)的研究［7］。

可再生能源植物的研究是當(dāng)前新型能源研發(fā)的重要內(nèi)容之一，合理的人工栽培方式能夠?yàn)槁恿_的開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。通過(guò)人工控制光照強(qiáng)度和CO2濃度等方式提高曼陀羅光合作用效率，促進(jìn)其生物量的積累，有望提高曼陀羅的能源利用率。為此，作者探討了曼陀羅凈光合速率的日、月變化及其對(duì)光合有效輻射強(qiáng)度和CO2濃度的響應(yīng)，旨在了解曼陀羅的光合生理基本特性，為曼陀羅的人工栽培提供理論依據(jù)，并為曼陀羅作為潛在能源植物的開發(fā)利用研究提供科學(xué)依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料

于2010年6月至9月在大連民族學(xué)院溫室外選擇野外自然生長(zhǎng)的曼陀羅供試。該區(qū)域的土壤為棕壤土，土壤酸堿度為pH 7.91；氣候?qū)俦睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，但具有海洋性氣候特征；年平均氣溫約10℃，其中8月最熱，平均氣溫24℃，年極端最高氣溫約35℃；年平均降水量550～950 mm。

1.2 方法

1.2.1 光合特性日、月變化的測(cè)定 于2010年6月至9月，每月中旬選取典型晴朗天氣2 d，采用LI－6400型便攜式光合測(cè)定儀(美國(guó)LI－COR公司生產(chǎn))進(jìn)行光合指標(biāo)的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)在連體條件下進(jìn)行［8］，選用開路氣流法(氣源引自地上空3 m處)［9］，自然光源，葉室面積2 cm×3 cm。在每個(gè)測(cè)定日選取大小、體形特征一致的植株5株，每株按東、南、西、北4個(gè)方向各選4片成熟葉片［10］，從當(dāng)?shù)貢r(shí)間8：00至18：00每隔1 h測(cè)1次凈光合速率(Pn)，同時(shí)測(cè)定葉片氣孔導(dǎo)度(Cs)、葉室內(nèi)的光合有效輻射強(qiáng)度(PAR)等相關(guān)指標(biāo)。每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測(cè)定3次，結(jié)果取平均值。

1.2.2 葉綠素含量的測(cè)定 參照文獻(xiàn)［11］的方法測(cè)定葉綠素含量。采集新鮮葉片，擦凈表面后剪碎(去掉中脈)，混勻；稱取0.3 g剪碎的葉片，置于25 mL體積分?jǐn)?shù)95％乙醇中避光浸泡至葉片全部變白，離心，上清液用Lambda25型紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì)(美國(guó)PerkinElmer公司生產(chǎn))于波長(zhǎng)665和649 nm處分別測(cè)定吸光值，并計(jì)算葉綠素a和b的含量。實(shí)驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)。

1.2.3 凈光合速率的光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線的繪制 在實(shí)驗(yàn)期間選取典型晴朗天氣3 d，于上午9：00至12：00，選長(zhǎng)勢(shì)基本一致的植株3株，取從頂部數(shù)第1片完全展開成熟葉片進(jìn)行凈光合速率的測(cè)定，結(jié)果取平均值。

利用LI－6400型便攜式光合測(cè)定儀的自動(dòng)light－curve曲線測(cè)定功能繪制凈光合速率的光響應(yīng)曲線。小鋼瓶注入系統(tǒng)控制參比室的CO2濃度為400μmol·mol－1，根據(jù)凈光合速率日變化值，確定其大概的飽和光強(qiáng)，并將待測(cè)葉片在接近飽和光強(qiáng)下誘導(dǎo)20 min(儀器自帶的紅藍(lán)光源)以充分活化光合系統(tǒng)，然后參照文獻(xiàn)［12］的測(cè)量水平和條件將紅藍(lán)光源從高到低設(shè)定一系列光合有效輻射強(qiáng)度(PAR)梯度(1 800、1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50、30、10、0μmol·m－2·s－1)，最小和最大等待時(shí)間分別為60和180 s，CO2匹配值20μmol·mol－1，測(cè)定曼陀羅葉片的凈光合速率。

采用上述方法參照文獻(xiàn)［12］的測(cè)量水平和條件，利用LI－6400型便攜式光合測(cè)定儀的自動(dòng)Acicurve曲線測(cè)定功能繪制凈光合速率的CO2響應(yīng)曲線。紅藍(lán)光源設(shè)定的光合有效輻射強(qiáng)度為 800 μmol·m－2·s－1；考慮到植物對(duì) CO2的適應(yīng)性，將CO2濃度設(shè)定為400、300、200、150、100、50、30、10、400、400、600、800、1 000、1 200、1 500、1 800μmol· mol－1，其他測(cè)定條件與光響應(yīng)曲線的測(cè)定條件相同。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均通過(guò)Excel軟件進(jìn)行整理，使用SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析、線性方程回歸分析以及其他統(tǒng)計(jì)分析，采用Excel軟件進(jìn)行圖表處理。

圖1 6月份至9月份曼陀羅葉片凈光合速率的日變化Fig.1 Daily change of net photosynthetic rate of Datura stramonium L.leaves from June to September

在其他因子變化不大時(shí)，凈光合速率的CO2響應(yīng)曲線也采用非直角雙曲線進(jìn)行擬合，公式同上，其中： A為凈光合速率(μmol·m－2·s－1)；α為羧化效率； Amax為最大凈光合速率(μmol·m－2·s－1)；Q為CO2濃度(μmol·m－2·s－1)；k為響應(yīng)曲線曲角；Rday為暗呼吸速率(μmol·m－2·s－1)。

2 結(jié)果和分析

2.1 曼陀羅光合特性指標(biāo)的日變化和月變化分析

2.1.1 各月份凈光合速率的日變化 在6月份至9月份曼陀羅葉片凈光合速率(Pn)的日變化見(jiàn)圖1。由圖1可知，實(shí)驗(yàn)期間，曼陀羅凈光合速率的日變化均表現(xiàn)為“單峰型”，不存在顯著的“午休”現(xiàn)象，其凈光合速率在上午逐漸升高，中午達(dá)到最大，下午逐漸降低。6、7和8月份曼陀羅葉片凈光合速率的峰值均出現(xiàn)在11：00左右，平均峰值分別為15.24、19.01和9.85μmol·m－2·s－1；9月份曼陀羅植株葉片凈光合速率的峰值出現(xiàn)在10：00左右，平均峰值為6.30μmol·m－2·s－1。7月份的日凈光合速率整體上高于其他3個(gè)月份。

2.1.2 光合有效輻射強(qiáng)度和氣孔導(dǎo)度的日變化 光合有效輻射強(qiáng)度和曼陀羅葉片氣孔導(dǎo)度的日變化見(jiàn)圖2－A和B。由圖2－A可見(jiàn)：光合有效輻射強(qiáng)度的日變化趨勢(shì)與凈光合速率基本一致，為“單峰型”，均在達(dá)到最高值之后逐漸下降，峰值出現(xiàn)在11：00左右。曼陀羅葉片氣孔導(dǎo)度的日變化則表現(xiàn)為“雙峰型”(圖2－B)，在每天的早、晚較低，在上午隨時(shí)間的推移氣孔導(dǎo)度隨之增高，并在12：00左右達(dá)到最高峰，隨后開始下降，在14：00左右再次出現(xiàn)1個(gè)小的峰值，隨后加速下降，直至傍晚時(shí)分氣孔基本關(guān)閉，氣孔導(dǎo)度降至最低值。

2.1.3 凈光合速率和葉綠素含量的月變化 6月份至9月份曼陀羅葉片凈光合速率和葉綠素含量的月變化見(jiàn)表1。由表1可知：曼陀羅葉片的月平均凈光合速率在6月份時(shí)較高，7月份達(dá)到最大，8月份開始下降，9月份則較低，植物開始出現(xiàn)枯萎現(xiàn)象。差異顯著性分析結(jié)果顯示，不同月份曼陀羅葉片的凈光合速率月平均值均有極顯著差異(P＜0.01)。

6月份至9月份曼陀羅葉片葉綠素含量(包括葉綠素a、b和總?cè)~綠素)的月平均值的變化趨勢(shì)與凈光合速率月平均值的變化基本一致(表1)，最高值也出現(xiàn)在7月份。9月份葉綠素含量較低，并與7月份含量具有極顯著差異(P＜0.01)。但曼陀羅葉片葉綠素a、b和總?cè)~綠素含量的月變化略有差異。

圖2 光合有效輻射強(qiáng)度和曼陀羅葉片氣孔導(dǎo)度的日變化Fig.2 Daily change of photosynthetically active radiation intensity and stomatal conductance of Datura stramonium L.leaves

表1 6月份至9月份曼陀羅葉片凈光合速率和葉綠素含量的變化1)Table 1 Changes of net photosynthetic rate and chlorophyll content of Datura stramonium L.leaves from June to September1)

2.2 曼陀羅葉片凈光合速率的光響應(yīng)曲線分析

經(jīng)SPSS軟件統(tǒng)計(jì)分析，采用非直角雙曲線模型理論公式對(duì)曼陀羅葉片凈光合速率的光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，得出公式中的k值為0.951、Amax值為19.805 μmol·m－2·s－1、Rday值為0.666μmol·m－2·s－1、α值為0.030，擬合曲線的R2=0.968。根據(jù)凈光合速率的擬合預(yù)測(cè)值(Pv)繪制光響應(yīng)曲線(圖3－A)，與凈光合速率實(shí)測(cè)值(Pn)擬合結(jié)果較好，表明用非直角雙曲線模型擬合得出的曼陀羅葉片凈光合速率的光響應(yīng)曲線較為理想，能夠完整地反映出在外界良好空氣條件下葉片凈光合速率隨光合有效輻射強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。在低光合有效輻射強(qiáng)度下，曼陀羅葉片的凈光合速率隨光合有效輻射強(qiáng)度的增大呈線性升高，因此，在光合有效輻射強(qiáng)度小于200μmol·m－2·s－1的條件下對(duì)曼陀羅葉片凈光合速率(y)和光合有效輻射強(qiáng)度(x)進(jìn)行直線回歸分析［15－16］，得到的回歸方程為：y=－0.665 9+0.029 7x，R2=0.979 9。由此方程計(jì)算得出：曼陀羅葉片的光補(bǔ)償點(diǎn)為22.42μmol· m－2·s－1，光飽和點(diǎn)為689.26μmol·m－2·s－1。

2.3 曼陀羅葉片凈光合速率的CO2響應(yīng)曲線分析

采用非直角雙曲線模型理論公式對(duì)曼陀羅葉片凈光合速率的CO2響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，得出公式中的k值為1.000、Amax值為21.636μmol·m－2·s－1、α值為0.017、Rday值為1.286μmol·m－2·s－1，擬合曲線的 R2=0.979。根據(jù)凈光合速率的擬合預(yù)測(cè)值(Pv)繪制CO2響應(yīng)曲線(圖3－B)，與凈光合速率實(shí)測(cè)值(Pn)擬合效果較好，表明用非直角雙曲線模型擬合得出的曼陀羅葉片凈光合速率的CO2響應(yīng)曲線較為理想，能夠完整反映出在適當(dāng)光照條件下曼陀羅葉片凈光合速率隨CO2濃度的變化趨勢(shì)。在低濃度CO2條件下，曼陀羅的凈光合速率隨CO2濃度增大呈線性升高，因此，在CO2濃度小于400μmol·mol－1的條件下對(duì)曼陀羅葉片凈光合速率(y)和CO2濃度(x)進(jìn)行直線回歸分析，得到的回歸方程為：y=－1.273 9+ 0.017 2x，R2=0.984 4。由此回歸方程計(jì)算得出：曼陀羅植株葉片的CO2補(bǔ)償點(diǎn)為74.06μmol·mol－1，CO2飽和點(diǎn)為1 331.97μmol·mol－1。

圖3 曼陀羅葉片凈光合速率的光響應(yīng)曲線及CO2響應(yīng)曲線Fig.3 Light and CO2 response curves of net photosynthetic rate of Datura stramonium L.leaves

3 討論和結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在6月份至9月份，曼陀羅葉片凈光合速率的日變化均呈“單峰型”，峰值大約出現(xiàn)在11：00左右，其中，7月份的凈光合速率峰值最高，為19.01μmol·m－2·s－1。凈光合速率和光合有效輻射強(qiáng)度的日變化均呈先升后降的趨勢(shì)，這是因?yàn)楣夂嫌行л椛鋸?qiáng)度發(fā)生改變可引起氣溫、空氣相對(duì)濕度等環(huán)境因子的變化，而空氣相對(duì)濕度通過(guò)影響氣孔開閉來(lái)控制CO2流量，從而影響植物的光合速率［17－18］。朱秀苗［7］的研究結(jié)果顯示：產(chǎn)自青海省的曼陀羅葉片凈光合速率的日變化呈“雙峰型”，與作者的研究結(jié)果有所不同。由于植物光合作用是自身生理特性與環(huán)境條件綜合作用的結(jié)果［19］，因此，應(yīng)對(duì)不同產(chǎn)地及不同生境條件下曼陀羅葉片的光合作用特性進(jìn)行比較后，才能對(duì)造成這種差異的具體原因加以驗(yàn)證。

在6月份至9月份間曼陀羅葉片的凈光合速率月平均值有極顯著差異(P＜0.01)，這可能是多種環(huán)境因子綜合作用造成的。這幾個(gè)月份曼陀羅葉片中葉綠素含量的變化趨勢(shì)與凈光合速率的變化趨勢(shì)基本一致。有研究者認(rèn)為，正常情況下植物不會(huì)缺少光合作用所需的葉綠素，當(dāng)葉綠素含量超過(guò)某一個(gè)限制值后，葉綠素含量的高低與凈光合速率的大小則沒(méi)有必然的相關(guān)性［20］。關(guān)于曼陀羅葉片光合作用過(guò)程中葉綠素含量的限制值，以及達(dá)到限制值前后凈光合速率對(duì)葉綠素含量的響應(yīng)情況還需進(jìn)一步研究。

本研究結(jié)果表明，曼陀羅葉片凈光合速率的光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)基本一致，這與其他植物的光合特性是相同的［12］。具體表現(xiàn)為：在一定閾值內(nèi)，隨著光合有效輻射強(qiáng)度的增加，凈光合速率增大；當(dāng)光合有效輻射強(qiáng)度超過(guò)該閾值后，隨著光合有效輻射強(qiáng)度的進(jìn)一步升高，凈光合速率的增長(zhǎng)速率變緩；當(dāng)光合有效輻射強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值后，凈光合速率基本穩(wěn)定在一定水平。凈光合速率與CO2濃度之間也有同樣的變化規(guī)律，隨CO2濃度的升高，凈光合速率首先表現(xiàn)為迅速升高，然后增長(zhǎng)變緩，當(dāng)CO2濃度增加到一定數(shù)值后，氣孔阻力增大，CO2出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，凈光合速率穩(wěn)定在一定水平。

曼陀羅葉片光補(bǔ)償點(diǎn)為22.42μmol·m－2·s－1，光飽和點(diǎn)為689.26μmol·m－2·s－1，說(shuō)明曼陀羅應(yīng)屬于陽(yáng)性植物，但具有一定的耐陰性。曼陀羅葉片的CO2補(bǔ)償點(diǎn)為74.06μmol·mol－1，CO2飽和點(diǎn)為1 331.97μmol·mol－1，比一般C3植物的CO2補(bǔ)償點(diǎn)(30～70μmol·mol－1)［21］偏高，說(shuō)明自然條件下曼陀羅的CO2同化能力較弱，不利于光合產(chǎn)物的積累。由于本研究?jī)H在光合有效輻射強(qiáng)度800μmol·m－2· s－1的條件下分析了CO2濃度對(duì)曼陀羅葉片凈光合速率的影響，研究范圍不夠全面，因此，對(duì)在不同光合有效輻射強(qiáng)度條件下曼陀羅葉片凈光合速率的變化尚需深入全面的研究，以便了解曼陀羅在各種條件下的光合特性［22］，從而為曼陀羅的人工栽培提供理論依據(jù)。

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