紅顏草莓不同距離分株對(duì)光強(qiáng)和CO2濃度的響應(yīng)特征德

慶措姆++高松

摘要：研究克隆植物不同分株對(duì)光強(qiáng)和CO2濃度的響應(yīng)特征，以紅顏草莓為研究對(duì)象，采用Li-6400便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)，原位測(cè)量葉片的凈光合速率（Pn）對(duì)光合有效輻射（PAR）與胞間CO2濃度（Ci）的響應(yīng)曲線。結(jié)果表明，草莓的光響應(yīng)和CO2響應(yīng)曲線均可用直角雙曲線修正模型方程來擬合。光飽和或CO2飽和時(shí)草莓遠(yuǎn)端分株的最大凈光合速率（Pmax）和表觀量子效率（AQY）顯著高于近端分株，但光飽和點(diǎn)卻顯著低于近端分株。光補(bǔ)償點(diǎn)（LCP）、暗呼吸速率（Rd）、CO2飽和點(diǎn)（CSP）、CO2補(bǔ)償點(diǎn)（CCP）、光呼吸速率（Rp）和RuBP羧化效率（CE）在草莓的基株和分株間差異顯著。遠(yuǎn)端分株保持較高的凈光合速率有助于草莓累積更多的同化產(chǎn)物，占據(jù)更多空間以獲得更多的資源，使得種群規(guī)模迅速擴(kuò)大。

關(guān)鍵詞：克隆植物；草莓；光響應(yīng)曲線；光強(qiáng)；CO2

中圖分類號(hào)： S668.401文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）09-0208-03

克隆植物是指在定居前期通過與基株相連的莖、根狀莖或枝條等繁殖體產(chǎn)生大量基因型相同分株的植物，這些分株在完全獨(dú)立之前通過間隔子（匍匐莖或根狀莖）相互連接，同一株克隆植物由于分株之間的聯(lián)系，使得植物內(nèi)的資源在“源”和“匯”之間進(jìn)行分配，即克隆整合，從而增強(qiáng)克隆植物的生長[1]。研究表明，克隆整合有助于植物抵御水淹[2]、耐受沙埋[3]、耐受鹽脅迫[4]、采食干擾[5]、遮光脅迫[6]和干旱脅迫[7]等，這是因?yàn)榭寺≈参镌谄錀⒌貎?nèi)通過匍匐莖或根狀莖等結(jié)構(gòu)，將斑塊內(nèi)資源充足分株內(nèi)的養(yǎng)分供應(yīng)至低資源的分株，從而表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境更強(qiáng)的適應(yīng)能力[8]。

草莓為典型的克隆植物，具有個(gè)體小、發(fā)育快、種子產(chǎn)量高、克隆生長等特點(diǎn)，易于開展重復(fù)試驗(yàn)；還具有早春開花、北半球分布的特性，使其更易于受到全球氣候變化的影響，是開展克隆植物研究的良好系統(tǒng)[9]。目前，有關(guān)草莓光合作用特征的研究主要集中在環(huán)境脅迫以及施加外源激素對(duì)草莓光合作用的影響等方面[10-11]，而關(guān)于克隆植物基株與分株在連接的情況下，基株與分株碳同化能力的高低尚未見報(bào)道。本研究采用栽培草莓（Fragaria×ananassa Duch.）作為試驗(yàn)材料，考察基株、近端分株、遠(yuǎn)端分株光合作用對(duì)光強(qiáng)和CO2濃度的響應(yīng)特征，為闡明克隆植物的生態(tài)適應(yīng)機(jī)制提供理論支持。

1材料與方法

1.1材料

供試材料為紅顏草莓（Fragaria×ananassa Duch.），于2013年4月購自臨海市江南紅葉草莓合作社。將紅顏草莓幼苗分別種植于臺(tái)州學(xué)院人工氣候室的花盆內(nèi)，空氣相對(duì)濕度控制為（75±10）%，白天設(shè)為14 h，溫度為（22±1）℃，光照強(qiáng)度約為500 μmol/（m2·s）；晚上設(shè)為10 h，溫度為（15±1）℃。培養(yǎng)至成熟后取長勢(shì)良好的植株進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2方法

選擇紅顏草莓的基株、近端分株、遠(yuǎn)端分株上的功能葉片作為測(cè)定對(duì)象（草莓近端分株距基株52 cm，遠(yuǎn)端分株距母株106 cm），重復(fù)測(cè)定3次。

1.2.1光響應(yīng)曲線的測(cè)定采用Li-6400便攜式光合測(cè)量系統(tǒng)（LI-COR，美國），用6400-02B LED紅藍(lán)光源葉室進(jìn)行葉片瞬時(shí)光合速率的測(cè)定。測(cè)定條件為開放式氣路，測(cè)定溫度為25 ℃，CO2濃度為400 μmol/mol，空氣相對(duì)濕度為50%～70%。將紅藍(lán)光源LED設(shè)定一系列光強(qiáng)梯度，分別為0、20、50、100、150、200、400、600、800、1 000、l 200、1 500、2 000 μmol/（m2·s），測(cè)定葉片凈光合速率（Pn）。光響應(yīng)曲線采用Ye 等提出的直角雙曲線修正模型進(jìn)行擬合[12]。

1.2.2CO2響應(yīng)曲線的測(cè)定采用Li-6400紅藍(lán)光源葉室進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定光強(qiáng)固定為1 300 μmol/（m2·s），設(shè)定葉室溫度為25 ℃，相對(duì)濕度為50%～70%，通過外接鋼瓶供應(yīng)CO2，其濃度梯度分別設(shè)定為60、80、100、150、200、400、600、800、1 000、1 200、1 500 μmol/mol。測(cè)定最小等待時(shí)間為120 s，最大等待時(shí)間為180 s，每次變換CO2濃度后都進(jìn)行儀器的匹配操作，以保證所得光合速率數(shù)值的準(zhǔn)確。CO2響應(yīng)曲線仍采用直角雙曲線修正模型進(jìn)行擬合[13]。

1.3數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行Duncan方差分析，在P等于0.05水平下進(jìn)行多重比較，圖中所表示的數(shù)據(jù)均為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。

2結(jié)果與分析

2.1草莓凈光合速率對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)

為明確紅顏草莓凈光合速率（Pn）對(duì)光合有效輻射（PAR）的響應(yīng)趨勢(shì)，測(cè)定了基株、近端分株、遠(yuǎn)端分株葉片的光合光響應(yīng)曲線，采用直角雙曲線修正模型進(jìn)行擬合，決定系數(shù)R2均大于0.995 8，結(jié)果見圖1。當(dāng)PAR≤200 μmol/（m2·s）時(shí)，基株、近端分株、遠(yuǎn)端分株P(guān)n幾乎呈直線上升趨勢(shì)，此時(shí)光強(qiáng)是草莓葉片光合作用的主要限制因子。超過200 μmol/（m2·s）以后，Pn上升的幅度逐漸減小，直至達(dá)到最大光合速率，即光飽和光合速率（Pmax）。遠(yuǎn)端分株在PAR≥500 μmol/（m2·s）時(shí)出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)，這可能是由于光過飽和現(xiàn)象引起了遠(yuǎn)端分株幼嫩草莓葉肉細(xì)胞內(nèi)酶促反應(yīng)的限制，導(dǎo)致其葉片無法充分吸收利用高強(qiáng)度的光。

本研究通過直角雙曲線修正模型擬合得到了草莓光響應(yīng)曲線的特征參數(shù)（表1）?？梢钥闯觯t顏草莓基株與遠(yuǎn)端分株的最大凈光合速率無顯著差異，但卻顯著高于近端分株，表觀量子效率也有類似的結(jié)果；而光飽和點(diǎn)則是遠(yuǎn)端分株顯著低于近端分株和基株；遠(yuǎn)端分株的光補(bǔ)償點(diǎn)和暗呼吸速率最大。表1草莓光合作用光響應(yīng)特征參數(shù)

分株類型光飽和時(shí)最大凈光合速率

[μmol/（m2·s）]光飽和點(diǎn)

[μmol/（m2·s）]光補(bǔ)償點(diǎn)

[μmol/（m2·s）]暗呼吸速率

[μmol/（m2·s）]表觀量子效率基株7.29a1 260.26b7.56b0.52b0.028 2a近端分株5.33b1 543.26a7.79b0.59b0.018 9b遠(yuǎn)端分株6.34a585.31c11.31a0.95a0.025 4a注：同列數(shù)據(jù)后標(biāo)有不同小寫字母表示差異顯著（P<0.05）。表2同。

2.2草莓凈光合速率對(duì)胞間CO2濃度的響應(yīng)

采用直角雙曲線修正模型對(duì)草莓基株、近端分株、遠(yuǎn)端分株的CO2響應(yīng)曲線進(jìn)行了擬合，決定系數(shù)R2均大于0.993 6，結(jié)果見圖2。當(dāng)Ci≤400 μmol/mol時(shí)，Pn上升速度較快，此時(shí)一般認(rèn)為，Rubisco對(duì)Pn的羧化限制起主要作用。此后，隨著Ci濃度的逐漸升高，草莓葉片的Pn增加的速率逐漸降低，直至接近飽和狀態(tài)，此階段Rubisco的再生速率應(yīng)是限制Pn的主要原因。

通過直角雙曲線修正模型擬合得到了草莓CO2響應(yīng)曲線的特征參數(shù)，結(jié)果見表2。紅顏草莓近端分株葉片的最大凈光合速率顯著低于基株和遠(yuǎn)端分株；近端分株的RuBP羧化效率也顯著低于基株和遠(yuǎn)端分株，其他特征參數(shù)則差異不顯著。

3討論

研究表明，花生最大凈光合速率可達(dá)39.20 μmol/（m2·s）[14]，水稻最大凈光合速率可達(dá)24.78 μmol/（m2·s）[15]。本研究

中草莓光飽和時(shí)最大凈光合速率分別為6 μmol/（m2·s）左右，較許多草本作物低，表明其同化能力較弱。同時(shí)Rd值不高，說明草莓在光下的暗呼吸作用不強(qiáng)烈，可能與草莓葉片的光合酶活性及其催化效率的強(qiáng)弱相關(guān)。

本研究還發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)端分株光飽和時(shí)的最大凈光合速率與基株無顯著差異，但卻都顯著高于近端分株。Evans針對(duì)多表2草莓光合作用的CO2響應(yīng)特征參數(shù)

分株類型CO2飽和時(shí)最大凈光合速率

[μmol/（m2·s）]CO2飽和點(diǎn)

（μmol/mol）CO2補(bǔ)償點(diǎn)

（μmol/mol）光呼吸速率

[（μmol/（m2·s）]RuBP羧化效率基株12.48a1 260.60a65.39a3.81a0.028 9a近端分株9.44b1 179.58a74.24a3.35a0.021 5b遠(yuǎn)端分株10.45a1 179.05a78.89a3.32a0.026 6a

年生根莖克隆植物的研究結(jié)果表明，水分、光合產(chǎn)物和氮素都能通過間隔子從高質(zhì)資源斑塊分株向低質(zhì)資源斑塊部分轉(zhuǎn)移[16]。Zhang等對(duì)根莖半灌木羊柴進(jìn)行同位素示蹤研究表明，光合同化物能通過相連的根莖由子株向母株傳輸[17]，本研究與之有一定的相似之處。遠(yuǎn)端分株處于開闊地帶，光照、養(yǎng)分、生態(tài)位比基株和近端分株更充足，雖然比較幼嫩，但遠(yuǎn)端分株提高自己的同化效率，對(duì)于占領(lǐng)空間領(lǐng)地，擴(kuò)大自己的種群規(guī)模有著重要意義，這可能也是克隆植物長期適應(yīng)環(huán)境的一種機(jī)制。

一般認(rèn)為，光補(bǔ)償點(diǎn)和飽和點(diǎn)均較低的植物是典型的耐陰植物，而光補(bǔ)償點(diǎn)低而光飽和點(diǎn)高的植物對(duì)環(huán)境適應(yīng)性很強(qiáng)。陽生植物光補(bǔ)償點(diǎn)在13～36 μmol/（m2·s），飽和點(diǎn)在540 μmol/（m2·s）以上；而陰生植物的光飽和點(diǎn)在90～180 μmol/（m2·s），補(bǔ)償點(diǎn)在10 μmol/（m2·s）以下[18]。本研究中的草莓表現(xiàn)為一種較耐陰的陽性植物，遠(yuǎn)端分株的光飽和點(diǎn)僅為基株或近端分株的1/3左右，表明強(qiáng)光容易造成遠(yuǎn)端分株的光抑制，對(duì)遠(yuǎn)端分株適度遮光有利于提高光合效率。表觀量子效率葉片對(duì)光能的利用情況，尤其是對(duì)弱光的利用能力，其值越大，表明植物吸收與轉(zhuǎn)換光能的色素蛋白復(fù)合體可能越多，利用弱光的能力越強(qiáng)。本研究中草莓遠(yuǎn)端分株的表觀量子效率顯著高于近端分株，表明遠(yuǎn)端分株利用弱光能力較強(qiáng)，因而適度遮光對(duì)于種群規(guī)模的擴(kuò)大是有利的。

CO2作為植物光合作用的底物，其濃度升高必然對(duì)植物的光合作用產(chǎn)生影響，CO2響應(yīng)曲線反映了植物光合速率隨CO2濃度的變化而變化的規(guī)律。CO2補(bǔ)償點(diǎn)與飽和點(diǎn)是判斷植物是否具有高光合效率遺傳特性的一個(gè)重要指標(biāo)[19]。本研究中草莓遠(yuǎn)端分株CO2飽和時(shí)最大凈光合速率均顯著高于近端分株，表明隨著環(huán)境中CO2排放量增加，遠(yuǎn)端分株光合潛能較近端更大。同時(shí)野草莓遠(yuǎn)端分株CO2飽和點(diǎn)顯著高于基株和近端分株，而遠(yuǎn)端分株CO2補(bǔ)償點(diǎn)顯著低于近端分株，表明其對(duì)高濃度CO2適應(yīng)性更好。

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