不同實(shí)生變異和常規(guī)檵木光合特性的比較

，， ， ， ，衛(wèi)東，，炎林

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.園藝學(xué)院；b.湖南省中亞熱帶優(yōu)質(zhì)花木繁育與利用工程技術(shù)研究中心；c.教育學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.園林花卉種質(zhì)資源與綜合利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410125）

檵木Loropetalum chinense為金縷梅科檵木屬常綠灌木或小喬木，目前在園林綠化工程和城鎮(zhèn)化建設(shè)工程中得到廣泛栽植和應(yīng)用[1]。變異植物滿足了人們對(duì)觀賞植物新、特、奇的要求，且目前地被植物在園林綠化中得到越來越廣泛的應(yīng)用，具備特異性狀的檵木屬變異植株將更受市場歡迎。近年來，關(guān)于檵木屬植物的研究主要集中在遺傳多樣性、生理特性、脅迫生理、繁殖育種和開發(fā)利用等方面[2-5]。

光合作用是植物進(jìn)行生長發(fā)育、開花結(jié)果的生理生化基礎(chǔ)，其影響因子有光照、環(huán)境CO2濃度、環(huán)境溫度、光受體、礦質(zhì)營養(yǎng)等[6-7]。近年來，通過改變植物中光合相關(guān)過程來提高生物量的方法受到了極大的關(guān)注。植物為了更好地適應(yīng)其所處的環(huán)境條件，可根據(jù)相應(yīng)的環(huán)境條件來采取適應(yīng)策略，包括光合作用和新陳代謝的變化[8]。朱運(yùn)欽等[9]在對(duì)不同株型桃樹光合特性的研究中發(fā)現(xiàn)，在普通型、半矮化型和垂枝型桃品種間光補(bǔ)償點(diǎn)的差異較顯著；緊湊型桃的光飽和點(diǎn)最高，垂枝型桃次之，普通型桃最低。姜衛(wèi)兵等[10]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，與一般蘋果樹相比，短枝型蘋果樹具備較高的光飽和點(diǎn)和較低的光補(bǔ)償點(diǎn)。張光弟等[11]在矮化型觀賞植物蘋果矮化砧B9 和N29 光合特性的研究中發(fā)現(xiàn)，N29 的弱光利用能力高于B9，而B9 的高光適應(yīng)能力較強(qiáng)。也有關(guān)于檵木屬植物光合特性的研究報(bào)道。陳曉林等[12]和王小青等[13]進(jìn)行了不同種類紅花檵木光合特性的比較研究，結(jié)果表明不同品種的光合特性和適應(yīng)環(huán)境的能力不同；董佳麗等[14]比較了紅花檵木實(shí)生后代光合特性的差異，認(rèn)為后代與其母本的光合特性差異顯著；謝智華等[15]探究了不同酸度營養(yǎng)液對(duì)紅花檵木光合特性的影響，認(rèn)為春季紅花檵木新枝在pH5.5 的弱酸性水培環(huán)境中光合表現(xiàn)最佳；桂克印等[16]經(jīng)研究認(rèn)為，外界物質(zhì)對(duì)紅花檵木葉片光合特性的影響較小；化香平等[17]探究了南京地區(qū)紅花檵木與紅葉石楠光合特性的差異，結(jié)果表明紅花檵木的葉綠素參數(shù)均比紅葉石楠高，但其光合能力弱于紅葉石楠。

檵木屬植物作為具有多種園林用途的彩葉樹種，其株型與光合特性之間是否存在直接關(guān)系，及其光合特性是否影響其生態(tài)習(xí)性等仍有待探明。而關(guān)于檵木屬變異植物光合特性方面的研究鮮見報(bào)道。探討檵木屬植物匍匐和垂枝變異類型在光合特性和葉綠素?zé)晒馓匦苑矫娴母淖?，?duì)檵木屬植物的品種選育具有較大的理論和實(shí)踐意義。因此，有必要加強(qiáng)檵木屬變異植株光合特性分子調(diào)節(jié)機(jī)制方面的研究。本試驗(yàn)中通過對(duì)檵木屬不同變異株系光響應(yīng)曲線的測定，結(jié)合葉片葉綠素?zé)晒獾认嚓P(guān)光合生理數(shù)據(jù)，研究其在同等環(huán)境條件下的光合特性差異，分析檵木屬不同實(shí)生變異植株的光合能力，以期探明檵木屬植物株型與光合特性之間的關(guān)系，為改良檵木屬植物的栽培條件提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在湖南省長沙市湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)花卉基地（113°08′E，28°18′N）。長沙市坐落在湖南省東部偏北的湘江下游和長沙盆地西緣地區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。年平均氣溫17.2 ℃，年均降水量1 361.6 mm，年平均日照1 200 ～1 600 h，無霜期年平均約275 d，霜期一般出現(xiàn)在11月至次年3月。氣候溫和，降水充裕，雨熱同期，四季明顯[18]。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料來源于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)花卉基地紅花檵木種質(zhì)資源圃中自然授粉的‘花葉檵木2號(hào)’的實(shí)生苗，通過觀察，從實(shí)生苗中篩選出2 個(gè)枝形有明顯外觀變異的優(yōu)良單株‘臥龍’和‘42號(hào)’，分別編號(hào)為Y1 和Y2，以‘瀏陽紅’（Y3）和‘大葉紅’（DYH）為對(duì)照（圖1）。變異材料Y1 的特征為：株型矮小，分枝密，枝條蜷曲呈匍匐生長；葉較小，橢圓形，頂端尖，葉面有光澤且星狀毛較少；常綠不落葉，葉色為深淺不一的綠色，新葉帶有老葉綠色的條帶（色暈、色塊）；花為白色。變異材料Y2 的特征為：枝條細(xì)軟下垂，似垂柳；葉較小，長卵形，新葉為墨綠色，老葉秋季變紅掉落；花為白色。10月中旬至11月中旬，選取生長狀況良好且無病蟲害的向陽植株的葉片作為研究對(duì)象，每個(gè)處理重復(fù)3 次。

圖1 變異檵木與常規(guī)檵木試材的形態(tài)Fig.1 Morphological characteristics of variations and normal materials of L.chinense

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 光響應(yīng)特征參數(shù)的測定和光合-光響應(yīng)曲線的繪制

09:00—16:00，每種植物隨機(jī)選擇3 片葉，使用LICOR 公司（美國）生產(chǎn)的LI-6400 便攜式光合儀測定光響應(yīng)曲線。測定前對(duì)葉片進(jìn)行光誘導(dǎo)10 min，待其完成光誘導(dǎo)并達(dá)到穩(wěn)態(tài)后開始測定。測定時(shí)大氣溫度為20 ～25 ℃，以大氣作為CO2源，制作空氣緩沖瓶，來保持CO2濃度的相對(duì)穩(wěn)定，流速為500 μmol/s，內(nèi)置光照強(qiáng)度（PAR）梯度設(shè)置為0、20、50、80、100、200、500、800、1 000、1 200、1 500、1 800 μmol/(m2·s)。使用Photosyn Assistant 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析植株的光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)、初始表觀量子效率和最大凈光合速率（Pnmax）等數(shù)據(jù)，根據(jù)測定的凈光合速率（Pn），繪制光合-光響應(yīng)曲線。

1.3.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定和葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線的繪制

2019年10月25日，使用Fluor Pen FP110 手持式葉綠素?zé)晒鈨x進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)的活體測定。分別選取Y1、Y2、DYH、Y3 同一部位受光一致且為從形態(tài)學(xué)上端數(shù)第4 片健康功能葉進(jìn)行測定，每株選3 片葉，取其平均值。每次測定前，將待測葉片擦拭干凈，使用葉片夾夾住且不夾在葉片的主葉脈上，進(jìn)行20 min 暗處理。暗處理結(jié)束后開始測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，測量過程中使儀器探頭、葉片夾和葉片三者緊密貼合。測定的葉綠素?zé)晒鈪?shù)主要包括初始熒光（Fo）、可變熒光（Fv）和最大熒光（Fm）。計(jì)算PS Ⅱ的潛在活性（Fv/Fo）、PS Ⅱ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、非光化學(xué)淬滅（NPQ）和光化學(xué)淬滅（PQ）。根據(jù)葉綠素?zé)晒鈪?shù)，參照付春霞等[19]和楊宋琪等[20]的方法，繪制葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010 軟件整理數(shù)據(jù)，用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，用LSD 法和Duncan法對(duì)各參數(shù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)和多重比較，用Origin 8.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)生變異和常規(guī)檵木植株光響應(yīng)特征參數(shù)的比較

選用直角雙曲線修正模型[21]描述實(shí)生變異及常規(guī)檵木植株的光合-光響應(yīng)曲線，得出4 種植株的光響應(yīng)特征參數(shù)（表1）。由表1可知，Y3、DYH 和Y2 的Pnmax分別為9.655、9.142 和6.704 μmol/(m2·s)，差異不顯著（P＞0.05），而Y1 的Pnmax為15.864 μmol/(m2·s)，是前者的1.64 ～2.37 倍，差異顯著（P＜0.05），表明Y1的光合能力較強(qiáng)。在4 種植株中，Y1 的初始表觀量子效率達(dá)到0.066，表明其捕獲光子能力較強(qiáng)，其他3 種植株間無顯著差異，且均與Y1 差異顯著（P＜0.05）。4 種植株的光飽和點(diǎn)不具有顯著差異，表明其對(duì)強(qiáng)光的適應(yīng)能力基本相同。Y2 的光補(bǔ)償點(diǎn)和暗呼吸速率與其他3 種植株差異顯著，表明其對(duì)弱光的利用能力較強(qiáng)，在無光條件下具備較小的呼吸速率。

表1 實(shí)生變異和常規(guī)檵木植株的光響應(yīng)特征參數(shù)（直角雙曲線修正模型）?Table1 Comparison of light response characteristic parameters of seed propagated variations and normal plants of L.chinense (modified rectangular hyperbolic model)

2.2 實(shí)生變異和常規(guī)檵木植株光合-光響應(yīng)曲線的比較

光合-光響應(yīng)曲線反映了植物的凈光合速率隨光照強(qiáng)度增減而變化的規(guī)律，實(shí)生變異及正常檵木植株的光合-光響應(yīng)曲線如圖2所示。由圖2可見，4 種檵木植株的光合-光響應(yīng)曲線的變化趨勢基本一致，Pn隨PAR 的增強(qiáng)而逐漸增加。整體上，各植株光合速率由高到低依次為Y1、Y3、DYH、Y2。

2.3 實(shí)生變異和常規(guī)檵木植株葉綠素?zé)晒鈪?shù)的比較

葉綠素?zé)晒馐且环N非損傷探針，用來研究植物的光合作用非常有效[22-23]。實(shí)生變異及常規(guī)檵木植株的葉綠素?zé)晒鈪?shù)見表2。由表2可知，Y1的Fo值最大，為8 604.67，Y1 與Y2 的Fo值無顯著差異（P＞0.05），但與Y3 和DYH 差異顯著（P＜0.05）。Y1 的Fm值和Fv值最大，分別為45 417.67 和36 813.00，與其他植株間差異顯著（P＜0.05），其他植株間差異均不顯著（P＞0.05）；在Y1、Y3 和DYH 三者間，F(xiàn)v/Fm值、Fv/Fo值和Fm/Fo值無顯著差異（P＞0.05），但三者的上述指標(biāo)均與Y2 存在顯著差異（P＜0.05）。

PS Ⅱ所吸收的光能無法被光合作用消耗，將多余光能用熱的形式耗散，即NPQ，其反映了植物的光保護(hù)能力[24-26]。光照下，實(shí)生變異和常規(guī)檵木植株NPQ 和PQ 的變化過程如圖3所示。由圖3可見，隨著光照時(shí)間延長，Y1 和DYH 的NPQ 一直呈遞增趨勢，表明其熱耗散能力較強(qiáng)，葉綠素吸收的光能向光合電子傳遞消耗較多，光合能力較強(qiáng)，更有利于抵制光抑制對(duì)光合機(jī)構(gòu)的損害。Y3 在光照的40 s 內(nèi)有快速上升的過程，然后一直保持平緩上升，至光照160 s 時(shí)呈下降趨勢。Y2 的NPQ 在40 s 內(nèi)增長后出現(xiàn)了“降低—升高—降低—升高—降低”的趨勢。PQ 表現(xiàn)了PS Ⅱ反應(yīng)中心開放部分的占比，反映植物在一定光環(huán)境下應(yīng)用光能來進(jìn)行光化學(xué)轉(zhuǎn)化的能力，代表了其光合效率[27]。Y1 的PQ 值整體上呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，而Y2、Y3 和DYH 整體上呈現(xiàn)先升高、再降低的趨勢，其中Y2 的PQ 值較高，表明其PS Ⅱ反應(yīng)中心電子傳遞活性較大，而且PS Ⅱ反應(yīng)中心開放的比例較大。

2.4 實(shí)生變異和常規(guī)檵木植株葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線的比較

植物葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線可反映PS Ⅱ反應(yīng)中心原初光化學(xué)反應(yīng)的相關(guān)信息。J 期反映電子從QA-到QB的積累，I期代表電子從QA到QB-的積累，P 期被認(rèn)為是電子從QA-到QB2-的積累[28]。實(shí)生變異及常規(guī)檵木植株的葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線如圖4所示。由圖4可見，各植株葉片的葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線各時(shí)間點(diǎn)和形態(tài)有一定差別。O 點(diǎn)和P 點(diǎn)為Y1 的熒光強(qiáng)度最高，說明其光抑制程度較小，Y1 與其他3 種植株間存在差異，說明株型的不同可造成檵木屬植物葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度的差異。自O(shè) 點(diǎn)差異開始，隨著J 點(diǎn)和I點(diǎn)差異的積累，到達(dá)P 點(diǎn)時(shí)差異達(dá)到最大。在對(duì)葉片進(jìn)行快速熒光動(dòng)力學(xué)誘導(dǎo)時(shí)，光照面積和強(qiáng)度不同，可能會(huì)使得葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線出現(xiàn)較大差別。在I—P 段，Y2 與DYH 的熒光強(qiáng)度并未有太大差異，說明其較多的光能用于轉(zhuǎn)變成化學(xué)能。

圖2 實(shí)生變異和常規(guī)檵木植株的光合-光響應(yīng)曲線Fig.2 Comparison of photosynthetic light response curve of seed propagated variations and normal plants of L.chinense

表2 實(shí)生變異和常規(guī)檵木植株的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Table2 Comparison of chlorophyll fluorescence parameters of seed propagated variations and normal plants of L.chinense

圖3 實(shí)生變異和常規(guī)檵木植株NPQ 與PQ 的變化曲線Fig.3 NPQ and QP variation curve of seed propagated variations and normal plants of L.chinense

圖4 實(shí)生變異和常規(guī)檵木植株的葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線Fig.4 JIP test curves of seed propagated variations and normal plants of L.chinense

3 結(jié)論與討論

檵木屬植物實(shí)生變異會(huì)影響其光合效率和生態(tài)適應(yīng)性，從而導(dǎo)致光合能力的較大改變。通過對(duì)4 種檵木植株葉綠素?zé)晒鈪?shù)和光響應(yīng)參數(shù)的比較，發(fā)現(xiàn)匍匐突變植株‘臥龍’的最大凈光合速率、光飽和點(diǎn)、初始表觀量子效率均最大，光補(bǔ)償點(diǎn)較低，電子傳遞效率最大，光合性能較好，熱耗散較強(qiáng)，在強(qiáng)光下受到光抑制作用小，也能較好地利用弱光，而垂枝突變植株‘42號(hào)’的光合適應(yīng)能力較對(duì)照植株稍弱。本試驗(yàn)中，實(shí)生變異類型‘臥龍’的光合性能最強(qiáng)，能通過光合作用充分利用光能，積累大量有機(jī)物質(zhì)，表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境較強(qiáng)的適應(yīng)性，其在園林景觀應(yīng)用中的前景較好。在栽培時(shí)，因‘42號(hào)’較不耐陰，應(yīng)首選在向陽坡適當(dāng)種植，在進(jìn)行城市美化景觀配植時(shí)應(yīng)適度疏植。

光合作用作為影響植物生長發(fā)育的重要因素之一，受到外部環(huán)境條件和自身因素的綜合影響，其光合生理參數(shù)是科學(xué)制訂栽培措施的重要依據(jù)[29-30]。植物的光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)是評(píng)估植物對(duì)光能的利用能力的可信指標(biāo)，光飽和點(diǎn)越高且光補(bǔ)償點(diǎn)越低，表示其對(duì)光的適應(yīng)范圍較大，光適應(yīng)性較強(qiáng)[31-32]。本研究中，‘臥龍’和對(duì)照植株的光補(bǔ)償點(diǎn)較低，表明三者耐陰性較強(qiáng)，而‘42號(hào)’的光補(bǔ)償點(diǎn)較高，表明其最不耐陰。其中，光補(bǔ)償點(diǎn)參數(shù)也表明匍匐突變植株較對(duì)照更加耐陰，而垂枝突變植株較對(duì)照耐陰性更弱。一般認(rèn)為，光飽和點(diǎn)高的植物能更加有效地利用強(qiáng)光，而‘臥龍’的光飽和點(diǎn)和最大凈光合速率均顯著高于其他3 種植株。因此‘臥龍’對(duì)光環(huán)境的適應(yīng)性更廣，既能在強(qiáng)光下較好地利用光能，又對(duì)弱光具有一定的耐受性。崔永寧等[33]對(duì)大花黃牡丹變異材料光合特性的研究結(jié)果表明，變異品種的光補(bǔ)償點(diǎn)和最大凈光合速率均顯著高于同品種的非變異植株，這與本研究結(jié)論相一致。與對(duì)照植株相比較，匍匐突變植株的優(yōu)勢更加突出，其光合能力和獨(dú)特株型更能滿足市場需求；垂枝突變植株的暗呼吸速率較對(duì)照植株更高，其光合能力與對(duì)照相差無幾，但消耗較多。

葉綠素?zé)晒鉄o損檢測技術(shù)被廣泛用于研究植物的光合生理和逆境脅迫生理，葉綠素?zé)晒鈪?shù)指標(biāo)能夠反映植物葉片光系統(tǒng)Ⅱ?qū)饽艿奈?、傳遞和耗散等狀況[34-35]。Fo作為暗反應(yīng)下的初始熒光，表示植物葉片的光合中心光系統(tǒng)Ⅱ在完全開放狀態(tài)下的熒光產(chǎn)量，與植物葉片的葉綠素濃度有關(guān)[36]。本研究中，‘臥龍’的Fo值最高，其次是‘42號(hào)’，說明二者的葉綠素含量比對(duì)照高，F(xiàn)o值的上升能有效避免PS Ⅱ活性中心發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的毀壞，表明‘臥龍’和‘42號(hào)’的光合性能較好。Fm表示經(jīng)過PS Ⅱ的電子傳遞情況，F(xiàn)v表示PS Ⅱ的電子傳遞效率[37]。‘臥龍’的Fm值和Fv值在4 種植株中均是最高的，另外‘臥龍’的PQ 值不停上升卻低于其他3 種植株，說明其PS Ⅱ反應(yīng)中心活性相對(duì)較大，電子傳遞效率較高，在強(qiáng)光環(huán)境下可較好地開啟熱耗散機(jī)制，讓植物免受光抑制的損傷?！?2號(hào)’的PQ 值較高，表明其有較高的光能利用效率。

根據(jù)葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線能夠分析出PS Ⅱ反應(yīng)中心的活性，各植株的Fm值由高到低依次是‘臥龍’‘大葉紅’‘42號(hào)’‘瀏陽紅’，各植株的Fv值由高到低依次是‘臥龍’‘大葉紅’‘瀏陽紅’‘42號(hào)’。Fv/Fm表示植物潛在的最大光合能力，F(xiàn)v/Fo代表光系統(tǒng)PS Ⅱ的潛在光化學(xué)活性，其值越高說明植物的光合性能越強(qiáng)，二者也是植物發(fā)生光抑制的敏感指標(biāo)，可用于評(píng)估植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，檢驗(yàn)植物生長是否受到抑制[38-40]。一般植物不受脅迫的Fv/Fm值為0.75 ～0.85。本試驗(yàn)中，‘42號(hào)’的Fv/Fm值小于0.75，說明此時(shí)葉片已經(jīng)受到脅迫。‘42號(hào)’的NPQ 在光照120 ～180 s 時(shí)出現(xiàn)上升趨勢，是為了維護(hù)PS Ⅱ反應(yīng)中心，而促發(fā)本身的保護(hù)機(jī)制來耗散掉多余的能量，而PQ 出現(xiàn)下降趨勢在一定程度上表示PS Ⅱ反應(yīng)中心開放程度的下降，適應(yīng)光合作用能力的下降[41]，表明外界脅迫在一定程度上抑制了‘42號(hào)’的光合作用?！P龍’和對(duì)照的Fv/Fo值和Fm/Fo值明顯高于‘42號(hào)’，說明三者較‘42號(hào)’具有更高的PSⅡ潛在光化學(xué)活性和電子傳輸活性。有研究報(bào)道，逆境脅迫會(huì)使植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fm、Fv/Fm、Fv/Fo和Fm/Fo降低，F(xiàn)o升高[42-43]，這與本試驗(yàn)中‘42號(hào)’葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化相一致。與對(duì)照植株相比，匍匐突變植株‘臥龍’的整個(gè)光系統(tǒng)機(jī)制更強(qiáng)，能夠更好地適應(yīng)環(huán)境；而垂枝突變植株‘42號(hào)’因秋季變色落葉形成自我保護(hù)機(jī)制，不利于植株整體光合作用的進(jìn)行，導(dǎo)致與對(duì)照植株存在顯著差異。

由于受到本試驗(yàn)中所選材料數(shù)量的限制，其生長年限不一致，僅設(shè)計(jì)了3 個(gè)重復(fù)處理，受植物生長階段等因素的影響，研究結(jié)果具有一定局限性。為了選育綜合性狀優(yōu)良的檵木資源，后續(xù)將進(jìn)一步研究檵木生長指標(biāo)與光合特性的相關(guān)性。