蝴蝶蘭黃花品系光合能力快速測定

王 威，黃麗娜，陳清西

（福建農(nóng)林大學(xué) 園藝學(xué)院，福建 福州 350002）

蝴蝶蘭Phalaenopsis amabilis為CAM植物，與C3、C4植物相比，其CO2的吸收存在著明顯的時(shí)空不同步，這使傳統(tǒng)的氣體交換測量無法準(zhǔn)確反映其光合能力。鑒于目前蝴蝶蘭雜交品系眾多，品系間光合能力存在明顯差別，而關(guān)于蝴蝶蘭光合能力的研究較少，因此，有必要建立一個(gè)新型實(shí)用的蝴蝶蘭光合能力測定體系。本研究以5個(gè)蝴蝶蘭黃花品系為試材，利用調(diào)制葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，通過比較其快速光曲線的相關(guān)參數(shù)，了解不同品系的光合能力，嘗試建立一套蝴蝶蘭光合能力快速測定技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 植物材料與栽培管理

1.1.1 植物材料 供試蝴蝶蘭盆苗購于漳州鉅寶生物科技有限公司，均為出瓶栽培8～9月的無病毒健康植株（表1）。

1.1.2 栽培條件與水肥管理 試驗(yàn)于福建省亞熱帶植物研究所（廈門）進(jìn)行。植株購入后，先置于人工氣候培養(yǎng)箱（RXZ-280C，中國寧波江南生產(chǎn)）中。設(shè)定的栽培條件與原生長溫室大棚相近。植株經(jīng)適應(yīng)性栽培一周后用于試驗(yàn)指標(biāo)測定。

栽培條件：光照強(qiáng)度 300 μmol·m-2·s-1，光照時(shí)間12 h·d-1，日夜溫度30/25 ℃，相對濕度75%～80%。

肥水管理：每周施用商用肥料Hyponex(20-20-20) 1 g·L-1，澆水量依盆內(nèi)基質(zhì)濕度而定。

表1 供試的5個(gè)黃花蝴蝶蘭品系Table1 5 cultivars of yellow Phalaenopsis used for test

1.2 測量項(xiàng)目及方法

1.2.1 快速光曲線測量 快速光曲線測量于每日上午9∶00～11∶00進(jìn)行。選取植株從上往下數(shù)第二片葉進(jìn)行測量，每品系測3株，每植株重復(fù)測量至少3次，選取數(shù)據(jù)較好的曲線用于數(shù)據(jù)分析。

將超便攜調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x（MINI-PAM，Walz，Germany）與計(jì)算機(jī)連接，使用WinControl-3-3.18軟件運(yùn)行Light Curve程序，對樣品進(jìn)行測量。設(shè)置8個(gè)PAR梯度：151、285、424、581、847、1138、1715和2452 μmol·m-2·s-1，每梯度持續(xù)20 s，軟件自動(dòng)給出并記錄對應(yīng)的rETR。rETR隨PAR的變化趨勢圖即為快速光曲線。

1.2.2 快速光曲線擬合 利用公式P = Pm×(1-e-α?PAR/Pm)×e-β?PAR/Pm擬合快速光曲線[1]，其中，P為光合速率，即相對電子傳遞速率rETR；Pm為最大光合速率，即最大相對電子傳遞速率rETRmax；α為初始斜率，反映光能利用效率；β為光抑制參數(shù)；半飽和光強(qiáng)Ik = Pm/α，反映強(qiáng)光耐受能力。曲線擬合采用最小二乘法，使用SPSS軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 蝴蝶蘭5個(gè)黃花品系快速光曲線

對 5個(gè)蝴蝶蘭黃花品系的快速光曲線測量結(jié)果如圖1所示。rETR隨著光強(qiáng)的升高而升高，當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到光飽和點(diǎn)后，rETR達(dá)到最大值，即rETRmax；此后，rETR隨光強(qiáng)升高而逐漸降低。由圖1可知，大部分品系快速光曲線變化趨勢基本一致，在較低光強(qiáng)下即達(dá)到飽和，僅Dtps.Fusheng Sweet Paradise‘Golden Leopard’表現(xiàn)為需較高光強(qiáng)達(dá)到光飽和，并具有較高的rETRmax。

圖1 5個(gè)蝴蝶蘭黃花品系的快速光曲線Fig.1 RLCs of 5 cultivars of yellow Phalaenopsis

2.2 快速光曲線擬合參數(shù)比較

對所得快速光曲線進(jìn)行擬合，可得到各品種的最大相對電子傳遞速率rETRmax、初始斜率α與半飽和光強(qiáng)Ik。

2.2.1 最大相對電子傳遞速率比較 由圖2可知，Dtps.Fusheng Sweet Paradise ‘Golden Leopard’的最大相對電子傳遞速率（rETRmax= 59.383 ± 3.096 μmol·m-2·s-1）最高，Dtps.Chain Xen Queen（rETRmax=44.432 ± 1.428 μmol·m-2·s-1）次之；Dtps.Fuller’s Sunset的最大相對電子傳遞速率最小（rETRmax= 34.717± 3.026 μmol·m-2·s-1）；其他品種Dtps.Fuller’s Sunset ‘Golden Girl’和Phal.Taida Smile（按降序排列）的最大相對電子傳遞速率介于 37.000～41.000 μmol·m-2·s-1之間。

2.2.2 初始斜率比較 比較 5個(gè)蝴蝶蘭黃花品系快速光曲線的初始斜率 α，結(jié)果如圖 3所示。Dtps.Fuller’s Sunset ‘Golden Girl’的初始斜率（0.233 ± 0.028）最高；Dtps.Fuller’s Sunset（0.213 ± 0.024）次之；Dtps.Fusheng Sweet Paradise ‘Golden Leopard’和 Dtps.Chain Xen Queen（按降序排列）介于 0.180～0.210之間，其中Phal.Taida Smile的初始斜率最?。?.148 ± 0.005）。

圖2 5個(gè)蝴蝶蘭黃花品系最大相對電子傳遞速率比較Fig.2 Comparisons of rETRmax of RLCs in 5 cultivars of yellow Phalaenopsis

圖3 5個(gè)蝴蝶蘭黃花品系初始斜率比較Fig.3 Comparisons of α of RLCs in 5 cultivars of yellow Phalaenopsis

2.2.3 半飽和光強(qiáng)比較 5個(gè)蝴蝶蘭黃花品系的半飽和光強(qiáng)Ik如圖 4所示。Dtps.Fusheng Sweet Paradise ‘Golden Leopard’的半飽和光強(qiáng)（Ik = 288.425 ± 13.398 μmol·m-2·s-1）最高；Phal.Taida Smile和Dtps.Chain Xen Queen（按降序排列）介于 250.000～256.000 μmol·m-2·s-1之間；Dtps.Fuller’s Sunset ‘Golden Girl’和Dtps.Fuller’s Sunset較低，均低于200.00 μmol·m-2·s-1，其中Dtps.Fuller’s Sunset最低，僅有 166.310 ± 9.245 μmol·m-2·s-1。

需要指出的是，Dtps.Fusheng Sweet Paradise ‘Golden Leopard’具有最高的半飽和光強(qiáng)和最大相對電子傳遞速率；Dtps.Fuller’s Sunset具有最小的最大相對電子傳遞速率和半飽和光強(qiáng)。

圖4 5個(gè)蝴蝶蘭黃花品系半飽和光強(qiáng)比較Fig.4 Comparisons of Ik of RLCs in 5 cultivars of yellow Phalaenopsis

3 討論

光強(qiáng)-光合速率曲線（P-I Curve）測量是了解植物光合作用對光強(qiáng)響應(yīng)的重要手段，被廣泛用于植物生理學(xué)、生態(tài)學(xué)、農(nóng)學(xué)、林學(xué)、園藝學(xué)和遺傳學(xué)等研究。曲線可以通過便攜式光合作用測定儀進(jìn)行葉片氣體交換測定。通過Photosyn Assistant軟件用經(jīng)驗(yàn)方程對光響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和擬合，繪制而成的曲線一般可以分為光限制、光飽和與光抑制3個(gè)階段，同時(shí)可以得到光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)、表觀量子效率等重要數(shù)據(jù)。但是，以氣體交換為原理的測量存在一些問題[2-3]：（1）耗時(shí)較長 一般一條P-I曲線需要20個(gè)點(diǎn)左右的數(shù)據(jù)，在每個(gè)光強(qiáng)下停留2～3 min，數(shù)值穩(wěn)定后再記錄光合速率值，因此，一條曲線不計(jì)算重復(fù)就需耗時(shí)40 min左右；（2）數(shù)據(jù)可靠性有待檢驗(yàn) 曲線測量前，受測植株需要經(jīng)過充分光合誘導(dǎo)，測得的光合速率才能反映葉片的穩(wěn)態(tài)水平。測量前有無光合誘導(dǎo)，所得曲線差異較大，直接影響數(shù)據(jù)的可靠性。此外，利用經(jīng)驗(yàn)方程擬合曲線所得的飽和光強(qiáng)亦不可靠，有時(shí)會(huì)低估飽和光強(qiáng)；（3）不適合CAM植物 CAM植物夜間氣孔開放，吸收CO2，將CO2固定于蘋果酸中，白天氣孔關(guān)閉，CO2釋放，參與C3途徑，與C3、C4植物相比存在明顯的時(shí)空不同步。傳統(tǒng)的氣體交換測量是根據(jù)一系列光強(qiáng)梯度下CO2吸收量計(jì)算光合速率繪制曲線，這與CAM植物的光合呼吸模式不符。筆者曾使用GFS3000（Walz，Germany）系統(tǒng)，試圖測量蝴蝶蘭的P-I曲線，但由于蝴蝶蘭白天葉片氣孔關(guān)閉，導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度很低，且光合速率無法穩(wěn)定進(jìn)行記錄。同時(shí)，參考目前已發(fā)表的關(guān)于蝴蝶蘭光合測定的研究[4]，由于所選用的技術(shù)手段不同，結(jié)果差異巨大，若以二氧化碳吸收作為指標(biāo)，則光飽和點(diǎn)約為200.000 μmol·m-2·s-1左右，而如以葉圓片的氧氣釋放量為指標(biāo)，則光飽和點(diǎn)約為 1354.000 μmol·m-2·s-1[4]，相差6倍以上。目前尚未見到通過傳統(tǒng)氣體交換系統(tǒng)測量繪制出蝴蝶蘭P-I曲線的報(bào)道。

本研究利用調(diào)制葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，通過設(shè)置8個(gè)梯度，每個(gè)梯度持續(xù)時(shí)間20 s光化光照射葉片，得出相對電子傳遞速率rETR隨光合有效輻射PAR變化的快速光曲線，該技術(shù)具有快速、測量過程對受測植株光合狀態(tài)影響小的特點(diǎn)，目前被越來越多地應(yīng)用于植物光合作用研究[5-6]；所得數(shù)據(jù)通過SPSS軟件利用公式P = Pm×(1-e-α?PAR/Pm)×e-β?PAR/Pm擬合曲線得出相應(yīng)的參數(shù)用于蝴蝶蘭光合能力分析。

通過對5個(gè)蝴蝶蘭黃花品系快速光曲擬合參數(shù)比較可以看出，除Phal.Taida Smile和Dtps.Fuller’s Sunset ‘Golden Girl’外，其他三個(gè)品系的最大相對電子傳遞速率rETRmax和半飽和光強(qiáng)Ik的趨勢一致，有較高rETRmax的品系具有較高的Ik。Ik是植物強(qiáng)光耐受力的重要指標(biāo)[7]，因此，具有較高強(qiáng)光耐受力的品系也相應(yīng)具有較高的光合速率。

初始斜率α反映葉片光能利用效率，它與葉片的吸光系數(shù)Abs和PSⅡ?qū)Σ东@光能的利用能力有關(guān)。由于本試驗(yàn)所用儀器MINI-PAM無法測量各品種葉片的Abs，因此無法用rETR公式進(jìn)行計(jì)算，但仍可通過測得的α估計(jì)品種葉片Abs，結(jié)果顯示，Phal.Taida Smile雖然有較高的Ik，具有較強(qiáng)的強(qiáng)光耐受力，但其α值均較低，因此其PSⅡ?qū)Σ东@光能的利用能力也較低，導(dǎo)致其最大光合速率并不高；而Dtps.Fuller’s Sunset ‘Golden Girl’雖然Ik值較低，但有最高的α值，能更有效的利用光能，故其具有較高的光合速率。

綜上所述，大部分品系可以按快速光曲線擬合所得的Ik大小來估測品系栽培需光量，但仍有少部分品系因其葉片的吸光系數(shù)Abs和初始斜率α的原因，導(dǎo)致其rETR的大小與Ik的趨勢不一致，即品系光能利用效率存在差異。因此，根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果，將參試品系按光合能力強(qiáng)弱排列為：Dtps.Fusheng Sweet Paradise ‘Golden Leopard’、Dtps.Fuller’s Sunset ‘Golden Girl’、Dtps.Chain Xen Queen、Phal.Taida Smile、Dtps.Fuller’s Sunset。

其次，通過品系快速光曲線測定，得到參數(shù)Ik，估測品系栽培需光量，并結(jié)合品系rETRmax和α情況，綜合評價(jià)品系光合能力強(qiáng)弱。生產(chǎn)上，可依據(jù)品系光合能力合理制定栽培溫室的光環(huán)境管理模式，而非統(tǒng)一的光管理模式，這樣不僅利于植株生長，同時(shí)可以有效提高溫室大棚光能利用率，達(dá)到節(jié)能與增產(chǎn)的目的。

目前，快速光曲線已廣泛用于植物光合能力測定[8-9]，因此，調(diào)制葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)不僅可用于蝴蝶蘭的光合能力快速測定，也可應(yīng)用于其他光合生理研究。

[1] Platt T, Gallegos C L, Harrison W G.Photoinhibition of photosynthesis in natural assemblages of marine phytoplankton[J].Journal of Marine Research, 1980,38(4): 687-701.

[2] 許大全.光合作用測定及研究中一些值得注意的問題[J].植物生理學(xué)通訊, 2006,42(6): 1163-1167.

[3] 陳根云,俞冠路,陳悅,許大全.光合作用對光和二氧化碳響應(yīng)的觀測方法探討[J].植物生理與分子生物學(xué)學(xué)報(bào),2006,32(6): 691-696.

[4] 米田和夫.蝴蝶蘭[M].臺(tái)中: 國立中興大學(xué)農(nóng)業(yè)暨自然資源學(xué)院農(nóng)業(yè)推廣中心, 2007: 68-69.

[5] Ralph P J, Gademann R.Rapid light curves: a powerful tool to assess photosynthetic activity[J].Aquatic Botany, 2005,82(3): 222-237.

[6] White A J, Critchley C.Rapid light curves: a new fluorescence method to assess the state of the photosynthetic apparatus[J].Photosynthesis Research, 1999,59(1): 63-72.

[7] Kühl M, Chen M, Ralph P J, Schreiber U, Larkum A W D.A niche for cyanobacteria containing chlorophyll d[J].Nature,2005,433: 820.

[8] Rascher U, Liebig M, Lüttge U.Evaluation of instant light-response curves of chlorophyll fluorescence parameters obtained with a portable chlorophyll fluorometer on site in the field[J].Plant, Cell and Environment, 2000,23: 1397-1405.

[9] Belshe E F, Durako M J, Blum J E.Photosynthetic rapid light curves (RLC) of Thalassia testudinum exhibit diurnal variation[J].Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 2007,342(2): 253-268.