平頂山煙區(qū)主要種植烤煙品種光合生理特性研究

顧少龍，史宏志*，張國顯，錢 華，劉清華，劉國順，李延濤

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州 450002；2.河南中煙工業(yè)公司，鄭州 450000；3.平頂山煙草公司，河南 平頂山 467000）

光合作用是作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ),是研究植物生長生理過程的基本內(nèi)容之一，作物生產(chǎn)的實(shí)質(zhì)是光能驅(qū)動(dòng)的一種生產(chǎn)體系，作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成依賴于光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的根本途徑就是改善作物的光合性能。研究表明，作物生物學(xué)產(chǎn)量的90%～95%來自于光合作用產(chǎn)物，只有 5%～10%來自于根系吸收的營養(yǎng)成分。在烤煙生產(chǎn)和種植過程中，葉片是收獲的最終產(chǎn)品，而烤煙葉片既是光合作用的場所和光合作用產(chǎn)物的生產(chǎn)者，又是那些與煙葉品質(zhì)有關(guān)的各種化學(xué)物質(zhì)的儲(chǔ)藏場所，煙株的生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)的形成，最終決定于煙草植株個(gè)體與群體的光合作用[1-3]。此外，光合作用的某些生理參數(shù)：如凈光合速率、光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)等，已成為制定栽培措施的科學(xué)依據(jù)[4]。因此，研究烤煙葉片的光合生理參數(shù)對(duì)探討烤煙葉片的產(chǎn)質(zhì)至關(guān)重要。

目前，有關(guān)不同烤煙品種產(chǎn)量、品質(zhì)變化、干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)、品種區(qū)域試驗(yàn)等方面的研究較多，而對(duì)不同品種的需光特點(diǎn)，如光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)以及光能利用效率等的研究卻少見報(bào)道。本研究選擇豫中濃香型煙區(qū)主栽烤煙品種中煙 100、NC89和新引烤煙品種NC297為試驗(yàn)材料，研究3個(gè)品種的光合生理特性，為科學(xué)制定配套栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試品種為NC297、NC89、中煙100。試驗(yàn)于2009年在平頂山市郟縣進(jìn)行，3月6日播種，采用漂浮育苗，5月7日移栽，行株柜為120 cm×50 cm，自然光照。試驗(yàn)地前茬為烤煙，土壤堿解氮含量78.36 mg/kg，速效磷含量18.54 mg/kg，速效鉀含量105.79 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量14.49 g/kg，pH 6.69。施純氮 52.5 kg/hm2，m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1∶2∶3，各品種處理施肥和田間管理同常規(guī)措施。所用肥料為芝麻餅肥、煙草復(fù)合肥（10-12-18）、重過磷酸鈣、硝酸鉀。其他栽培管理措施及病蟲害防治均按照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙生產(chǎn)技術(shù)方案要求進(jìn)行。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1 光合作用的光響應(yīng)曲線 用美國LI-COR公司的LI-6400型便攜式光合測(cè)定儀測(cè)定不同品種煙株自上而下第8～10片葉，用LI-6400-02B紅藍(lán)光源設(shè)定葉室中的有效光強(qiáng)為0、20、50、80、100、200、400、800、1200、1500 μmol/(m2·s)。測(cè)定葉片在每一光強(qiáng)下的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間 CO2濃度（Ci）。通過曲線擬合得到光合參數(shù)：最大凈光合速率、表觀量子效率、光飽和點(diǎn)、光補(bǔ)償點(diǎn)。光合測(cè)定儀連接緩沖瓶，空氣流量為（500±1）μmol/s，葉室溫度為30 ℃，葉室 CO2摩爾分?jǐn)?shù)為（375±5）μmol/mol，壓強(qiáng)為0.97×105Pa，空氣相對(duì)濕度（70±2）%，空氣溫度（30±1） ℃。測(cè)定時(shí)間為 7月 16日上午9:00～11:00。表觀量子利用效率是用光響應(yīng)曲線中光強(qiáng)在200 μmol/(m2·s)以下時(shí)的初始直線部分的斜率表示。葉片表觀量子效率（AQY）的計(jì)算以光響應(yīng)曲線中 0～200 μmol/(m2·s)之間的凈光合速率（Pn）對(duì) PARi做直線回歸，得回歸方程：Pn=Rd+AQY×PARi

當(dāng) Pn=0時(shí)，PFD即為光合作用的光補(bǔ)償點(diǎn)LCP，Rd為暗呼吸速率[5]。

1.2.2 光合色素的測(cè)定 同步取測(cè)定完光合作用的葉片，用96%乙醇研磨提取，用UV-754型分光光度計(jì)（上海亞研電子科技有限公司）測(cè)定 665、649和470 nm處的OD值，然后計(jì)算單位面積葉綠素a、b及類胡蘿卜素含量。

2 結(jié) 果

2.1 不同烤煙品種光合因子的光響應(yīng)曲線

圖1是以凈光合速率（Pn）為縱軸，以光照強(qiáng)度（PARi）為橫軸擬合的光合速率PARi-響應(yīng)曲線，可以看出，光照強(qiáng)度對(duì)光合速率有顯著影響，不同烤煙品種對(duì)光照的響應(yīng)也不相同，其光合速率變化在強(qiáng)光和弱光下均有差異。當(dāng)光照強(qiáng)度在 0～200 μmol/(m2·s)左右時(shí)，烤煙葉片的凈光合速率隨光照強(qiáng)度的增加而迅速增大，光合速率幾乎呈線性增長。隨著光照強(qiáng)度的繼續(xù)增加，Pn的增長速度減緩，當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到光飽和點(diǎn)以后，Pn的增長處于極緩慢狀態(tài)，甚至有下降的趨勢(shì)。NC297和NC89在光照強(qiáng)度 1200 μmol/(m2·s)左右達(dá)到最大凈光合速率分別為 22.6、21.0 μmol CO2/(m2·s)，中煙 100 在 1500 μmol/(m2·s)以內(nèi)未達(dá)到完全飽和（圖1），說明其潛在的光合能力很大。NC297和NC89在光照強(qiáng)度為1500 μmol/(m2·s)時(shí)凈光合速率降低，出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象，NC297下降幅度大于NC89。

由圖2，圖3可知，3個(gè)品種的蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度都隨光照強(qiáng)度增加而增加，變化趨勢(shì)與凈光合速率相同，光照度為 0～100 μmol/(m2·s)時(shí)，氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率隨光照強(qiáng)度的增加而急劇增加，在1500 μmol/(m2·s)達(dá)到最大值，稍大于達(dá)到最大凈光合速率時(shí)的光照強(qiáng)度，與黃一蘭等[6]的研究結(jié)果不同。NC89的蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度都高于NC297，中煙100最低。由圖4可知，胞間CO2濃度變化趨勢(shì)與凈光合速率相反，NC297、NC89和中煙 100的胞間 CO2濃度在光照強(qiáng)度為 0 μmol/(m2·s)時(shí)最大，隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，氣孔迅速張開，光合作用增強(qiáng)，使得胞間CO2濃度急劇下降，隨著光照強(qiáng)度的增大，胞間CO2濃度下降減緩，隨后基本保持穩(wěn)定。

圖1 不同烤煙品種凈光合速率（Pn）的光響應(yīng)（點(diǎn)為實(shí)測(cè)值，曲線由回歸所得）Fig.1 Responses of Pn to light in different flue-cured tobacco varieties (the symbols referred to the measured values and lines were fitted by equation)

圖2 不同烤煙品種氣孔導(dǎo)度（Gs）的光響應(yīng)Fig.2 Responses of Gs to light in different flue-cured tobacco Varieties

圖3 不同烤煙品種蒸騰速率（Tr）的光響應(yīng)Fig.3 Responses of Tr to light in different flue-cured tobacco varieties

圖4 不同烤煙品種胞間CO2濃度（Ci）的光響應(yīng)Fig.4 Responses of Ci to light in different flue-cured tobacco varieties

2.2 不同烤煙品種光響應(yīng)曲線特征參數(shù)

通過對(duì)光照強(qiáng)度（x）和凈光合速率（y）進(jìn)行二次多項(xiàng)式逐步回歸，得到NC297、NC89和中煙100的光響應(yīng)曲線方程（1～3），這3個(gè)方程的相關(guān)系數(shù)分別為0.9854、0.9658和0.9632，說明方程有效，能很好地反映3個(gè)品種旺長期在不同光照強(qiáng)度下凈光合速率的變化。對(duì)方程（1～3）計(jì)算可得，3個(gè)品種旺長期中部葉的光飽和點(diǎn)（LSP）和光飽和最大凈光合速率（Pn max）（表1）。

對(duì) 3個(gè)烤煙品種在低光合有效輻射[(即 PARi小于 200 μmol/(m2·s)]范圍內(nèi)測(cè)定凈光合速率 Pn，作凈光合速率-光響應(yīng)的散點(diǎn)圖（圖5）可知，3個(gè)烤煙品種的 Pn與 PARi之間存在較好的線性回歸y=A+Bx（x 自變量為弱光照小于 200 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)給定光強(qiáng)PARi，y因變量為對(duì)應(yīng)光強(qiáng)下的凈光合速率（Pn），回歸后所得方程（圖5）。這3個(gè)方程的相關(guān)系數(shù)分別為0.9564、0.9863和0.9801，說明方程有效，可求得光補(bǔ)償點(diǎn)、表觀量子產(chǎn)額等光合參數(shù)見表1。NC297、NC89和中煙100在光照強(qiáng)度為 0時(shí)的凈光合速率分別為-4.39、-4.11和-2.73 μmol CO2/(m2·s)，此時(shí)因?yàn)楣夂纤俾蕿榱悖瑑艄夂纤俾始礊楹粑俾剩≧d）。

2.3 不同烤煙品種葉片光合色素含量與相對(duì)組成

表2表明，NC89的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素含量都極顯著高于NC297和中煙100，NC297和中煙100之間沒有顯著差異，葉綠素a/b三個(gè)品種之間沒有達(dá)到顯著差異。從總體上看，光合色素含量以NC89最高，NC297居中，中煙100最低。

表1 NC297、NC89和中煙100的光響應(yīng)曲線特征參數(shù)Table1 The characteristic parameters for light response of net photosynthetic rate of NC297, NC89 and zhongyan 100

圖5 NC297、NC89和中煙100的表觀量子效率（點(diǎn)為實(shí)測(cè)值，直線由線性回歸所得）Fig.5 The apparent quantum efficiency (AQY) of leaves of NC297, NC89 and zhong yan 100 (The symbols referred to the measured values and lines were fitted by linear)

表2 不同烤煙品種葉片光合色素含量與相對(duì)組成Table2 Relative composition and photosynthetic pigment content of different leaves combinations

3 討 論

本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，隨著光照強(qiáng)度的增加，3個(gè)烤煙品種的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率明顯增加，而胞間CO2濃度降低。在植株旺長期烤煙品種間葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率對(duì)光照強(qiáng)度的響應(yīng)不同，表明不同烤煙品種的生理活性對(duì)光強(qiáng)的適應(yīng)性亦不同，烤煙葉片在較低光強(qiáng)刺激下，能夠很快地使其氣孔打開，蒸騰速率快速增加，從而使光合速率也迅速增加。品種NC89和NC297在達(dá)到光飽和點(diǎn)時(shí)繼續(xù)增加光照強(qiáng)度，其氣孔導(dǎo)度繼續(xù)增加，凈光合速率反而下降，說明造成這一現(xiàn)象的原因可能是強(qiáng)光使解聯(lián)的電子傳遞活性受抑制，導(dǎo)致一些光合碳代謝酶活性下降而形成光抑制現(xiàn)象[7]，但只依靠氣孔導(dǎo)度的大小來判斷對(duì)光合速率的限制是不全面的，還有一些非氣孔限制因素，如很多研究已經(jīng)表明RUBP羧化酶是非常重要的非氣孔限制因素[8-10]，具體原因還需要進(jìn)一步研究。而中煙100則表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)能力，未出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象。

3個(gè)烤煙品種的光合作用參數(shù)有較大的差異，一般地，光補(bǔ)償點(diǎn)越低的植物利用弱光的能力越強(qiáng)，光飽和點(diǎn)高的植物能更有效地利用全日照的強(qiáng)光，同時(shí)光飽和點(diǎn)高的植物生長較快[11]。比較各烤煙品種的光合參數(shù)，中煙100的光補(bǔ)償點(diǎn)最低，光飽和點(diǎn)最高，且在光照強(qiáng)度為 0～200 μmol/(m2·s)時(shí)的凈光合速率略高，說明中煙100利用弱光的能力最強(qiáng)，對(duì)環(huán)境光照強(qiáng)度的適應(yīng)范圍更廣。NC297的最大凈光合速率最高，NC89的表觀量子效率最高。中煙100的呼吸速率小于NC297和NC89，這說明中煙100的分解代謝能力弱于NC297和NC89，更能積累光合產(chǎn)物。具有相對(duì)較高的光飽和點(diǎn)，較低的光補(bǔ)償點(diǎn)和呼吸速率的光合特性，可能是中煙100生長速度快，生物學(xué)產(chǎn)量較高的原因。

光合色素尤其是葉綠素，在植物的光合作用中對(duì)光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化起著極為重要的作用。類胡蘿卜素是植物光合作用色素蛋白復(fù)合體不可缺少的組分，它們可以作為捕光色素，并且在保護(hù)光合器官免受單線態(tài)氧的傷害中起重要作用[12-15]。較高的葉綠素a/b值（即具有相對(duì)較低的葉綠素 b含量），對(duì)于避免因吸收過量光能而導(dǎo)致光抑制具有重要意義，而相對(duì)較高含量的葉綠素b可以引起明顯的光抑制現(xiàn)象[16]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，中煙100的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素含量最低，可能與凈光合速率較低有一定的聯(lián)系；中煙100具有高的葉綠素a/b值（即具有相對(duì)較低的葉綠素b含量），這與中煙100在本試驗(yàn)所設(shè)置的高光強(qiáng)下，沒有發(fā)生光抑制現(xiàn)象可能有關(guān)。以上分析和討論可以看出，在平頂山煙區(qū)，3個(gè)烤煙品種的光合特性存在較大的差異，但其具體生理機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。

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