滇楸幼苗無性系光合特性的比較1)

黃國偉 陳慧玲 包一鳴 劉少鋒 張新葉

(湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，武漢，430079) (湖北省林科院石首楊樹研究所) (湖北省林業(yè)科學(xué)研究院)

楸樹(Catalpa bungei C.A.MeY.)是紫葳科(Bignoniaceae)梓樹屬(Catalpa Scop.)落葉喬木，為我國著名的優(yōu)質(zhì)珍貴用材樹種和園林觀賞樹種，分布范圍位于北緯 22°～42°，東經(jīng) 88°～123°之間，豫西地區(qū)為中心分布區(qū)［1］。由于過度砍伐，目前存在的楸樹天然片林極少。為了更好的保護(hù)和利用這一珍貴資源，國內(nèi)很多適種地區(qū)進(jìn)行了引種試驗(yàn)，并開展了多方面相關(guān)研究，其中不乏光合特征方面的研究。麻文俊等［2］研究表明，楸樹受到低N脅迫時，凈光合速率比正常水平下降50%以上;王改萍等［3］采用盆栽控水和PEG(聚乙二醇)人工模擬干早脅迫的方法，證明隨著干早脅迫程度的逐漸增加，楸樹凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、水分利用效率均明顯下降，胞間CO2濃度逐漸上升;孫嘏等［4］的研究結(jié)果表明，楸樹光飽和點(diǎn)為 1 200 μmol·m－2·s－1，光補(bǔ)償點(diǎn)50～90 μmol·m－2·s－1;趙曦陽等［5］發(fā)現(xiàn)，楸樹的光合日變化為雙峰曲線，氣孔限制是光合“午休”的主要調(diào)節(jié)因素;王力朋等［6］測量分析表明，8月份的楸樹凈光合速率和水分利用效率分別為12～17 μmol·m－2·s－1、3.5～4.6 mmol·mol－1。這些研究從不同角度闡述了楸樹光合特征變化及對外界影響因子的響應(yīng)，但涉及楸樹苗期在自然條件下，遭遇嚴(yán)重干旱脅迫時，對光合特征的變化規(guī)律的研究鮮有報(bào)道。

從2009年開始，湖北省林業(yè)科學(xué)研究院先后引進(jìn)了楸樹(Catalpa bungei)、灰楸(Catalpa fargesii Bur)、滇楸(Catalpa duclouxii)以及雜交子代等豐富的楸樹遺傳資源，在江漢平原進(jìn)行引種試驗(yàn)，并開展適宜本地區(qū)生長的楸樹優(yōu)良品種選育研究。2013年江漢平原遭遇罕見的伏天大旱，室外30℃以上高溫和晴天持續(xù)30 d以上，楸樹幼苗生長緩慢近乎停滯。鑒于尚未對江漢平原引種的楸樹遺傳資源做過光合特征方面的研究與評價。因此，本研究以江漢平原引種且生長良好的滇楸無性系作為試驗(yàn)材料，以兩個楸樹無性系為對照，對其苗期遭受干旱高溫脅迫下的光合響應(yīng)進(jìn)行研究。旨在評價江漢平原引種的滇楸無性系的光合能力和適應(yīng)性，為江漢平原選育抗性強(qiáng)、生長迅速的優(yōu)良新品種提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料由“國家林木種質(zhì)資源平臺——云杉種質(zhì)資源保存庫”提供。從引種的滇楸無性系中選出苗期表現(xiàn)較好的5個無性系，編號分別為:Y－023－2，Y－011－4，Y－011－1，YN－014－5，Y－020－6。2012年在江漢平原(湖北石首)嫁接繁育，2013年挑選生長良好一致的單株，按4株小區(qū)3次重復(fù)隨機(jī)區(qū)組排列，截干后大田栽植，株行距為4 m×2 m。以中國林業(yè)科學(xué)研究院選育的優(yōu)良無性系8402和008－1作為對照，常規(guī)田間管理。8月上旬進(jìn)行光合和生長數(shù)據(jù)測量，12月份落葉后再次進(jìn)行生長數(shù)據(jù)測量，光合特征測量葉片為樹干中部南面由上至下的3片葉子。

1.2 測量指標(biāo)與方法

苗高和基徑:苗高是指從嫁接口到頂稍的高度，基徑是指留下的萌芽形成主干的基部直徑，6次重復(fù)。

光合有效輻射(PAR)、凈光合速率(Pn):采用美國里格公司生產(chǎn)的LI－6400XT光合測定系統(tǒng)，選擇晴朗無風(fēng)的天氣，在8:30—11:30和14:30—16:30，測定光合有效輻射值，PAR值在 0～2 000 μmol·m－2·s－1范圍內(nèi)，設(shè)定 13 個梯度，即:2 000、1 500、1 000、800、600、400、200、120、80、60、40、20、0 μmol·m－2·s－1。從 7:00—17:00，每隔 2 h測量 Pn1次。采用透明葉室，儀器同時記錄的有PAR、葉片溫度、空氣相對濕度、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)等，通過系統(tǒng)自動測量程序測定相應(yīng)的Pn，3 次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和多重比較(采用Duncan新復(fù)極差法)及相關(guān)性分析。

瞬時水分利用效率(WUE)計(jì)算公式為:

WUE=Pn/Tr。

式中:WUE為瞬時水分利用效率;Pn為凈光合速率;Tr為葉片蒸騰速率。

單位葉面積光合特征日總量:

式中:Pn×i指一天中i時的凈光合速率;Y為單位面積凈光合日總量(7:00～17:00)，i=7，9，11，13，15;Pn換為Gs時，Y為氣孔導(dǎo)度單位面積日總量(7:00～17:00)［7］。

選用的光響應(yīng)曲線擬合方程為［8－9］:

Pn=(PΦPAR/［1+(PΦPAR/Pnmax)P］1/P)+Rd。

式中:Pn為凈光合速率;Pnmax為最大凈光合速率;PΦ為葉片在低光下的光合速率，對于碳3植物為0.05［10］;PAR為光合有效輻射;P 為曲角，它描述了光響應(yīng)曲線的彎曲程度，即表觀量子光合效率(AQY);Rd為暗呼吸速率。PAR在 0～200 μmol·m－2·s－1的Pn測量值近似一條直線，利用直線擬合可求出光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)和光飽和點(diǎn)(LSP)［11－13］。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同無性系生長性狀比較

對各無性系8月份和12月份的苗高和基徑進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)(見表1):8月份苗高范圍在69.33～125.33 cm，8402值最小，且與除 Y－011－1外的無性系差異顯著，5個滇楸無性系之間無顯著差異;12月份008－1與其余無性系苗高差異均顯著，5個滇楸無性系之間無顯著差異;8月到12月苗高生長量范圍為88.5～298 cm。8月份和12月份各無性系的基徑多重比較發(fā)現(xiàn)，均無顯著性差異，4個月的生長量范圍為8.84～12.19 mm，基徑生長緩慢。各無性系苗高和基徑基本都明顯小于楸樹在非干旱脅迫下的生長速度。

2.2 不同無性系氣體交換特征日變化比較

從圖1可以看出，早上7:00時，葉片溫度即達(dá)到了34℃左右，從9:00到17:00，葉片溫度更是持續(xù)高達(dá)38℃以上;空氣相對濕度從早上7:00的65.73%一路下滑至15:00的43.08%，之后17:00微升至 50.29%;全天 PAR也基本維持在 1 200 μmol·m－2·s－1以上，可以看出，幼苗受到了高溫、干旱和強(qiáng)光照的長時間脅迫。

表1 各無性系苗高和基徑比較

圖1 外界環(huán)境因子日變化規(guī)律

圖2 各無性系光合特征日變化規(guī)律

各無性系 Pn、Gs、WUE日變化規(guī)律幾乎一致，可見Pn的變化主要是因?yàn)闅饪滓蛩匾鸬?見圖2)。所有無性系的 Pn早上 7:00 在 8～14 μmol·m－2·s－1，之后直線下滑，從9:00—17:00全部維持在2～6 μmol·m－2·s－1的低位，表現(xiàn)出嚴(yán)重的脅迫現(xiàn)象;所有無性系Gs均是 7:00時最大，范圍在 0.06～0.13 mol·m－2·s－1，隨溫度和光照強(qiáng)度升高，9:00 時氣孔已大量關(guān)閉，從9:00—17:00 Gs均在0.05 mol·m－2·s－1以下;WUE同樣在 7:00 時最大，范圍為 8～14 μmol·mmol－1，9:00 后下降至 3.2 μmol·mmol－1以下。各無性系光合特征的日變化規(guī)律與楸樹苗期正常條件下的日變化規(guī)律表現(xiàn)出明顯的差異。

由于Pn日變化差異較大，而單位面積凈光合日總量則反映了一天中單位面積葉片利用光能生產(chǎn)有機(jī)物的總量，是光合能力的重要指標(biāo)。對Pn、Gs進(jìn)行日積累計(jì)算，WUE則用一天的平均值表示(見表2)，比較發(fā)現(xiàn)，各無性系Pn日總量由大到小的順序?yàn)?008－1、Y011－1、Y023－2、Y020－6、8402、Y011－4、YN014－5;WUE日均值由大到小的順序?yàn)?008－1、Y011－4、YN014－5、Y020－6、Y011－1、Y023－2、8402。

2.3 不同無性系光合—光響應(yīng)曲線分析

總體趨勢上符合光合—光響應(yīng)曲線變化規(guī)律，當(dāng) PAR從 0～200 μmol·m－2·s－1時，各無性系 Pn呈線性增加，PAR在 200～600 μmol·m－2·s－1時，Pn增加速度明顯放緩，超過 600 μmol·m－2·s－1后，部分無性系既表現(xiàn)出明顯的光抑制現(xiàn)象，所有無性系Pn趨于平緩甚至減小，光抑制現(xiàn)象比正常環(huán)境下生長的楸樹有所提前。相對來說，008－1和Y020－6表現(xiàn)出更好的光合能力和光強(qiáng)適應(yīng)性，而Y023－2和8402則表現(xiàn)出較差的光合能力和光強(qiáng)適應(yīng)性。

對各無性系光合—光響應(yīng)曲線擬合特征值比較發(fā)現(xiàn)(見表3):不同系號各特征值變化范圍較大，LSP在 324 ～796 μmol·m－2·s－1，大大低于楸樹苗期正常條件下 LSP(1 200 μmol·m－2·s－1);LCP在 16～80 μmol·m－2·s－1，對照 008－1 對弱光的利用能力較強(qiáng);AQY反映了光能轉(zhuǎn)化效率，不同無性系間由大到小的順序?yàn)?008－1、8402、Y023－2、Y011－4、Y020－6、Y011－1、YN014－5;所有系號中 Y011－1 暗呼吸速率最小(Rd=0.93 μmol·m－2·s－1)，僅為暗呼吸速率最高系號 Y023－2(Rd=2.04 μmol·m－2·s－1)的46%;Pnmax作為反映光合潛力的重要指標(biāo)，各系號間由大到小的順序表現(xiàn)為:008－1、Y020－6、Y011－4、Y011－1、YN014－5、8402、Y023－2。

表2 各無性系Pn日總量、Gs日總量、WUE日均值的比較

2.4 生長性狀與光合特征相關(guān)性分析

進(jìn)一步對生長性狀和光合特征進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn):苗高與基徑、WUE日均值呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，與 LSP、Pnmax呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與 Gs日積累顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05);基徑與WUE日均值呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，與 LSP、Pnmax呈顯著正相關(guān)(P＜0.05);Gs日積累與WUE日均值呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，與 LSP呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01);WUE日均值與LSP和Pnmax呈顯著和極顯著正相關(guān)(P＜0.05)。從結(jié)果可以看出，各無性系生長性狀和光合特征均與WUE密切相關(guān)，當(dāng)受到干旱脅迫時，WUE高低變得尤為重要。

表3 各無性系光合—光響應(yīng)曲線擬合特征值比較

圖3 不同無性系光合—光響應(yīng)曲線規(guī)律

表4 生長性狀和光合特征相關(guān)分析

3 結(jié)論與討論

從各無性系的生長性狀上看，由于受到嚴(yán)重的干旱脅迫，苗高和基徑生長緩慢，特別是不同系號基徑均值都較小，沒有表現(xiàn)出顯著差異，8—12月的生長量 8.84～12.19 mm，遠(yuǎn)小于江漢平原正常情況下20 mm以上的生長量。不同系號顯著差異只在苗高上有所表現(xiàn)，但苗高也明顯小于正常值。5個滇楸無性系生長性狀間均無顯著差異，表現(xiàn)較穩(wěn)定。干旱嚴(yán)重制約了楸樹苗期的生長量，這與他人的人工模擬干旱試驗(yàn)結(jié)果一致［3］。

持續(xù)的高溫天氣(38℃)和強(qiáng)烈的光強(qiáng)輻射(1 400 μmol·m－2·s－1)，空氣濕度大大降低，從光合日變化規(guī)律可以看出，Pn、Gs和WUE變化規(guī)律一致，均沒有表現(xiàn)出單峰或者雙峰型曲線，僅在早晨短時間內(nèi)，空氣溫度較低，濕度較大時，可以正常的進(jìn)行光合作用，隨溫度和光強(qiáng)的快速升高，葉片氣孔大量關(guān)閉，Pn快速下降，主要是受氣孔因素限制［14］，通過關(guān)閉氣孔減少蒸騰散失，保留水分以維持生命需要。通過Pn日積累以及WUE日均值化作用極為顯著;無機(jī)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)與培養(yǎng)條件對花芽分化率影響顯著，適宜的無機(jī)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)與適宜的培養(yǎng)條件可有效提高花芽分化率，但并非誘導(dǎo)春石斛(Dendrobium nobile‘Huoniao’)由營養(yǎng)生長向生殖生長的充要條件。培養(yǎng)基成分中還有其他種類外源激素、不同碳源、蔗糖濃度、瓊脂濃度等因素也有可能影響春石斛(Dendrobium nobile‘Huoniao’)花芽分化，在后續(xù)的試驗(yàn)中，可以進(jìn)一步探索其他因素對其試管開花的影響。

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