廣玉蘭在自然降溫條件下的光合響應(yīng)機(jī)制研究

陳麗培，王國霞，楊玉珍*，劉艷萍，劉瑞霞

(1.鄭州師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450044； 2.河南省林業(yè)科學(xué)研究院，河南 鄭州450008)

廣玉蘭在自然降溫條件下的光合響應(yīng)機(jī)制研究

陳麗培1，王國霞1，楊玉珍1*，劉艷萍2，劉瑞霞1

(1.鄭州師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450044； 2.河南省林業(yè)科學(xué)研究院，河南 鄭州450008)

以鄭州市15年生廣玉蘭的葉片為材料，運(yùn)用 Li-6400光合測定儀測定秋冬季廣玉蘭葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)等，研究其在秋冬自然降溫過程中的光合響應(yīng)機(jī)制。結(jié)果表明：在秋冬季節(jié)，隨著平均氣溫的下降，廣玉蘭葉片的Pn、Gs、Tr均呈下降趨勢，Ci則呈上升趨勢。在溫度下降過程中，廣玉蘭葉片仍具有一定的光合能力，并表現(xiàn)出明顯的日變化規(guī)律，即Pn、Gs、Tr的日變化均呈先升高后下降的單峰曲線，Ci日變化呈“V”字型曲線,Pn不存在“午休”現(xiàn)象。

廣玉蘭； 自然降溫； 光合速率； 氣孔導(dǎo)度； 響應(yīng)機(jī)制

低溫是影響植物生長發(fā)育的主要環(huán)境因子[1]，也是低緯度樹木向高緯度區(qū)域引種的主要限制因子。廣玉蘭(Magnoliagrandiflora)別稱洋玉蘭、荷花玉蘭，屬木蘭科木蘭屬常綠喬木[2]。廣玉蘭枝繁葉大、四季常青、花期較長且潔白芳香，不僅具有很高的觀賞價值，而且具有較強(qiáng)抗煙塵、抗污染等特性，是城市園林綠化和環(huán)境美化的主要樹種[3]。廣玉蘭廣泛栽培于長江以南和長江流域，作為向高緯度地區(qū)引種和應(yīng)用的重要樹種，其面臨著低溫脅迫問題。目前，我國對廣玉蘭低溫脅迫的生理響應(yīng)研究較多，劉艷萍等[4]通過研究低溫處理后不同類型廣玉蘭葉片低溫半致死溫度以及相對電導(dǎo)率和葉片組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化，揭示了6種不同類型廣玉蘭的抗寒性；周建等[5]通過測定低溫處理后廣玉蘭葉片中脯氨酸含量、相對電導(dǎo)率、丙二醛含量、可溶性糖含量及超氧化物歧化酶、過氧化物酶活性的變化，探討其影響機(jī)制；張亞紅等[6]研究自然降溫過程中，廣玉蘭葉片細(xì)胞質(zhì)膜相對透性、丙二醛含量、脯氨酸含量、超氧化物歧化酶活性的動態(tài)變化過程，揭示廣玉蘭的抗寒性。上述研究主要針對低溫脅迫下廣玉蘭生理生化特性的研究，而對于光合生理生態(tài)因子的研究則相對較少。光合作用是地球上植物重要的代謝反應(yīng)，也是植物受低溫脅迫最敏感的生理過程之一[7]。因此，研究植物光合作用對低溫脅迫的響應(yīng)對于減輕植物低溫傷害、向高緯度城市引種和應(yīng)用具有重要的理論和實踐意義。鑒于此，本研究以鄭州市15年生廣玉蘭葉片為供試材料，通過探索自然降溫過程中葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)的動態(tài)變化，揭示廣玉蘭對自然低溫脅迫的光合響應(yīng)機(jī)制，以及為廣玉蘭安全越冬和向北方城市進(jìn)行園林引種和栽培提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究地區(qū)概況

鄭州市地處34°16′～34°58′N，112°42′～114°13′E，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冷暖適中、四季分明，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗日照長，冬季寒冷少雪。測定期間鄭州市氣溫狀況見表1。

表1 測定期間鄭州市氣溫

1.2 試驗材料

試驗材料為鄭州市某小區(qū)的廣玉蘭葉片，樹齡約15 a，樹高平均10.5 m，胸徑16.0 cm。

1.3 試驗設(shè)計

于2012年10月至2013年2月，每月的上、中、下旬分別于晴天的10:00—11:00測定1次光合指標(biāo)。因廣玉蘭植株高大，且經(jīng)測定其離體葉片在1 h內(nèi)均有較高、較穩(wěn)定的水分供應(yīng)和光合活力，所以葉片光合指標(biāo)采用離體測定。從廣玉蘭樹冠中部東、西、南、北4個方向各剪取1個枝條插入水中，環(huán)剝?nèi)コ锌谔? cm左右的韌皮部，并分別從各枝條中選取1片健康、無病蟲害的葉片，共4片，每片葉片測定3次，取平均值。另外，每月中旬選擇明顯降溫的晴天9:00—17:00進(jìn)行光合指標(biāo)的日變化測定，每2 h測定1次。每次測定選取4片葉，每片葉片測定3次，取平均值。

1.4 測定指標(biāo)及方法

利用美國li-Cor公司生產(chǎn)的Li-6400便攜式光合測定儀測定廣玉蘭葉片Pn、Gs、Tr、Ci等。測定過程采用開放式氣路，環(huán)境CO2濃度為400 μmol/mol，空氣流速設(shè)定為500 μmol/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 自然降溫過程中廣玉蘭葉片光合因子的變化

2.1.1 Pn和Gs Pn是反映植物光合能力強(qiáng)弱的主要指標(biāo)，也是反映低溫脅迫下植物光響應(yīng)特征的重要指標(biāo)[8]。由圖1可知，廣玉蘭葉片Pn在自然降溫過程中呈下降趨勢。10月廣玉蘭葉片Pn最高，為4.48 μmol/(m2·s)，之后逐漸降低。10月至12月期間Pn降幅較大,12月[0.87 μmol/(m2·s)]比10月降低了80.58%。12月至翌年1月期間Pn變化較平緩，1月僅比12月降低9.19%，基本保持在0.79～0.87 μmol/(m2·s)。2013年1月Pn為測定期內(nèi)最低值，比2012年10月降低了82.37%?？梢姡瑥V玉蘭光合作用受低溫影響較大，葉片Pn明顯降低。2013年2月Pn隨氣溫的小幅度回升有所升高。總的來說，廣玉蘭葉片Pn在自然降溫過程中的變化規(guī)律反映了其耐寒性和對秋冬季節(jié)的適應(yīng)性。

氣孔既是CO2進(jìn)入葉肉細(xì)胞的入口，也是蒸騰作用水分逸出葉片的出口[9]，氣孔的打開程度影響葉片光合作用的碳固定。自然降溫過程中廣玉蘭葉片Gs的變化如圖1所示。Gs和Pn的變化趨勢相似，表現(xiàn)出隨溫度的降低而降低的趨勢。其中，10月份Gs最高，為0.074 2 μmol/(m2·s)。之后隨溫度的降低，Gs迅速降低，到12月降為最低值[0.019 3 μmol/(m2·s)]，比10月份降低了73.99%。12月至翌年2月Gs又有所回升。Gs的變化曲線與Pn具有一致性，說明在自然降溫過程中，Pn的脅迫效應(yīng)可能與Gs受抑制有關(guān)。

圖1 自然降溫對廣玉蘭葉片Pn、Gs的影響

2.1.2 Tr 蒸騰作用是一個復(fù)雜的生理過程，不但能夠降低葉片的溫度，加強(qiáng)水分和無機(jī)離子到葉片的運(yùn)輸，同時會引起氣孔關(guān)閉，制約CO2向葉片的擴(kuò)散進(jìn)程，與光合作用存在著相互依賴的關(guān)系。Tr是反映蒸騰作用強(qiáng)弱的主要指標(biāo)，Tr的變化是由于外界環(huán)境因子的變化而產(chǎn)生的自適應(yīng)調(diào)整[10]。廣玉蘭葉片Tr在溫度降低過程中呈下降趨勢(圖2)。從10月開始，Tr隨溫度的降低而降低，在12月降為最低值[0.25 mmol/(m2·s)]。其中10—12月Tr下降幅度大，相對于10月，11月、12月分別降低了36.25%、67.79%。這與從秋季到冬季過度期間光照強(qiáng)度、溫度波動大有關(guān)。Tr在12月至翌年2月間呈波動性變化，基本穩(wěn)定在0.25～0.30 mmol/(m2·s)。

圖2 自然降溫對廣玉蘭Tr的影響

2.1.3 Ci CO2是植物進(jìn)行光合作用的必要原料之一[11]。它通過氣孔進(jìn)入葉肉細(xì)胞參與植物的光合生理過程。圖3表明，廣玉蘭葉片的Ci隨溫度降低呈不同程度的升高趨勢。這與Pn、Gs、Tr隨溫度降低而降低的趨勢相反。說明低溫脅迫下，廣玉蘭氣孔抑制不是光合作用的主要原因。從10月開始，Ci迅速上升，并于12月達(dá)到最高值(294.702 μmol/mol)，比10月升高了83.94%。隨后Ci在1月、2月稍微有所下降，2月Ci為286.92 μmol/mol，仍比10月升高了79.09%。總的來說，廣玉蘭葉片Ci在10—12月升高幅度大，12月至翌年2月稍有下降，整體表現(xiàn)為升高趨勢。

圖3 自然降溫對廣玉蘭Ci的影響

2.2 自然降溫過程中廣玉蘭葉片光合因子的日變化

2.2.1 Pn 由圖4可知，Pn的日變化為單峰曲線，沒有明顯的光合“午休”現(xiàn)象。大致是9:00—11:00 Pn迅速上升，11:00達(dá)到最大值。10月、11月、12月、翌年1月、2月Pn最大值分別為4.70、2.24、0.90、0.76、1.15 μmol/(m2·s)。說明此時的溫度和光強(qiáng)可能在一天當(dāng)中最有利于進(jìn)行光合作用。從11:00開始，Pn不同程度地降低，至17：00降至最低值。10、11月份11:00—13:00 Pn的降幅較大，13:00時Pn分別為3.36、1.88 μmol/(m2·s)，比11:00分別降低了28.51%、16.07%。這可能與10、11月該時間點(diǎn)光照強(qiáng)度和空氣干燥度較大有關(guān)?？偟膩碚f，在自然降溫過程中廣玉蘭葉片Pn的變化規(guī)律，反映了其內(nèi)在規(guī)律和抗寒性。

圖4 廣玉蘭不同月份Pn的日變化

2.2.2 Gs 廣玉蘭葉片的Gs日變化曲線為單峰曲線(圖5)，與Pn日變化曲線(圖4)存在同步性。10月、11月、12月、翌年1月、2月Gs日變化均在11：00達(dá)到峰值，分別為0.075、0.046、0.018、0.021、0.025 μmol/(m2·s)。午后，隨著氣溫升高，光照加強(qiáng)，蒸騰失水較多，Gs逐漸下降，于17:00降為最低值。其中，在11:00—17:00 Gs的降低過程中，11:00—13:00的降低幅度較大，13:00—15:00的降幅較平緩。表明廣玉蘭葉片氣孔在早晨打開后一直處于開放狀態(tài)，11:00—13:00的強(qiáng)光照、高氣溫使蒸騰作用加強(qiáng)(圖6)，氣孔為避免水分的過度喪失，迅速調(diào)低開度，Gs在該時間段明顯降低。

圖5 廣玉蘭不同月份Gs的日變化

2.2.3 Tr 圖6表明，Tr日變化曲線表現(xiàn)為先升高再降低的單峰曲線，與Pn、Gs日變化曲線大致相似。Pn、Gs日變化峰值出現(xiàn)在11:00，Tr則隨著一天中溫度的不斷升高，于13:00達(dá)到峰值。這可能與11:00過后空氣光照和氣溫逐漸強(qiáng)，濕度相對變低，葉片與外部環(huán)境的蒸汽壓梯度增強(qiáng)，葉片蒸騰作用于13:00左右加劇有關(guān)。其后Tr隨溫度的降低而降低，17:00降為最低值。另外，從Gs日變化中還可看出，10月、11月9:00—13:00 Gs的上升幅度及13:00—17:00的下降幅度均比其他月份明顯。

圖6 廣玉蘭不同月份Tr的日變化

2.2.4 Ci 廣玉蘭葉片Ci日變化呈早晚高而中午低的“V” 字型曲線(圖7)。Ci從早晨開始逐漸下降，在13:00左右降為最低值，10月、11月、12月、翌年1月、2月分別為95.16、203.32、270.32、265.89、257.00 μmol/mol，比9:00的Ci值分別降低了50.05%、22.10%、12.96%、10.16%、8.03%。由此可知，廣玉蘭葉片Ci在9:00—13:00過程中，10月下降幅度較大，11月、12月、1月次之，2月下降幅度最小。13:00之后，隨時間推移Ci逐漸升高，但17:00 Ci值仍小于9:00的Ci值。

圖7 廣玉蘭不同月份Ci的日變化

3 結(jié)論與討論

光合作用是植物獲得物質(zhì)和能量的重要代謝過程，受許多環(huán)境因子的影響。低溫是各種非生物逆境脅迫中對光合作用影響較大的環(huán)境因子。關(guān)于光合作用對低溫脅迫響應(yīng)的研究較多，一般認(rèn)為，植物受低溫影響時，由于光合機(jī)構(gòu)的破壞、相關(guān)酶活性降低等因素，Pn均表現(xiàn)一定程度的下降，植物光合能力降低。楊華庚等[12]研究低溫脅迫對油棕幼苗光合作用的影響發(fā)現(xiàn)：溫度由25 ℃降至4 ℃，氣孔因素是油棕幼苗光合作用下降的主要原因；溫度下降至1 ℃，光合機(jī)構(gòu)遭受破壞，致使油棕幼苗光合能力降低。周建等[5]、張亞紅等[6]認(rèn)為，低溫對光合作用的影響與植物類囊體膜及超氧化物歧化酶等活性的降低有關(guān)；曾韶西等[13]在研究低溫處理黃瓜幼苗時發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫使子葉中葉綠素含量下降，導(dǎo)致Pn降低；郭延平等[14]對溫州蜜柑以及趙軍等[15]對水稻的研究表明，低溫脅迫導(dǎo)致Rubisco活性下降。本研究中廣玉蘭在自然降溫過程中，葉片Pn明顯降低(12月Pn比10月降低了80.58%)，但仍然具有一定的光合能力。許大全[16]認(rèn)為,引起植物光合速率下降的自身因素有氣孔部分和非氣孔部分2類。隨著溫度的降低，植物Pn下降，Gs下降，而Ci升高時，Pn降低的主要原因一定是非氣孔因素。相反，當(dāng)Pn下降，Gs下降，Ci也下降時，Gs是Pn降低的主要因素[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，廣玉蘭在自然越冬過程中葉片Pn、Gs、Tr均呈現(xiàn)不同程度降低，Ci則隨著溫度降低而升高?？梢?，非氣孔因素是影響廣玉蘭葉片Pn下降的主要原因。說明，隨著溫度的降低，廣玉蘭葉片的光合機(jī)構(gòu)和影響卡爾文循環(huán)的酶受到損傷，進(jìn)而使葉片的光合活性降低。但廣玉蘭葉片Pn下降的具體原因還有待于進(jìn)一步研究。周建等[17]在研究低溫脅迫對廣玉蘭幼苗光合作用的影響時發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫不但導(dǎo)致廣玉蘭幼苗光合作用的氣孔抑制，還使PSⅡ反應(yīng)中心失活，引起其光能原初捕捉能力和光能同化率減弱，增加了通過熱輻射消耗的光能比例，最終使廣玉蘭幼苗光合能力降低。這個結(jié)果與本研究結(jié)果有差異，可能與所選廣玉蘭的樹齡、天氣狀況等有關(guān)。

低溫脅迫引起廣玉蘭光合作用下降，但不同的低溫對光合作用影響程度不同。本研究發(fā)現(xiàn)，在自然降溫過程中廣玉蘭2012年10月、11月Pn高于其他月份，處于較高水平，基本保持在2.20～4.48 μmol/(m2·s)。冬季(12月、1月和2月)Pn處于較低水平，在0.79～1.14 μmol/(m2·s)浮動。說明廣玉蘭在秋冬季節(jié)具有不同的光合能力。另外，廣玉蘭葉片Pn在10月至12月期間下降幅度較大(12月比10月降低了80.58%)。2012年12月至2013年2月期間Pn降幅較小(1月比12月降低9.19%),這可能與測定時的氣溫變化有關(guān)。

許多樹木的Pn在晴天的日變化為雙峰曲線，存在光合作用的“午休”現(xiàn)象。本研究測得的2012年10月至2013年2月廣玉蘭Pn日變化曲線均為先升高再降低的單峰曲線，不存在“午休”現(xiàn)象。說明鄭州地區(qū)秋冬季節(jié)中午時的太陽輻射和氣溫相對適宜，不足以拉大大氣中的水汽飽和差，引起氣孔關(guān)閉而造成光合作用的“午休”現(xiàn)象。不同月份Pn日變化均在11：00左右出現(xiàn)峰值，其后Pn表現(xiàn)為不同程度的下降趨勢，17:00降為最低值。Gs、Tr作為光合作用的重要?dú)鈶B(tài)因子，與Pn的日變化相似，均為倒“V”型單峰曲線。Gs日變化在11：00左右出現(xiàn)峰值，與Pn日變化曲線存在同步性。Tr的日變化峰值晚于Pn、Gs，于13:00到達(dá)最大值。不同月份Ci日變化均呈“V”字型曲線。從早晨開始逐漸下降，在 13:00左右降為最低值，隨后呈不同幅度升高，但17:00的Ci值仍小于9:00的Ci值。

總之，廣玉蘭葉片在自然降溫中的光合響應(yīng)機(jī)制不但對于研究秋冬季節(jié)廣玉蘭的生長、碳的同化量、耐寒性具有十分重要的作用，對于廣玉蘭向北方地區(qū)的引種也提供了重要的理論依據(jù)。

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Photosynthetic Response Mechanism ofMagnoliagrandifloraunder Natural Temperature Falling

CHEN Lipei1,WANG Guoxia1,YANG Yuzhen1*,LIU Yanping2,LIU Ruixia1

(1.School of Life Sciences,Zhengzhou Normal University,Zhengzhou 450044,China; 2.Henan Academy of Forestry,Zhengzhou 450008,China)

A research about photosynthetic response mechanism was studied by measuring the changes of Pn,Gs,Tr,Ci by Li-6400 photosynthesis meter on the 15-year-oldMagnoliagrandifloraunder natural temperature falling in autumn and winter.The results showed that Pn,Gs,Tr ofMagnoliagrandifloradecreased,while Ci increased along with the decline of mean temperature.In addition,the leaves ofMagnoliagrandiflorastill had a certain ability of photosynthesis during the temperature droped,and which appeared an obvious daily change rule,the Pn,Gs,Tr showed a single curve of first increase and then decrease,while Ci showed V-shaped curve.Moreover,Pn had no midday depression.

Magnoliagrandiflora； natural temperature falling； photosynthetic rate； stomatal conduc-tance； response mechanism

2015-06-27

國家林業(yè)局“948”項目(2014-4-12)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項目(14B180037)；鄭州市科學(xué)技術(shù)攻關(guān)項目(141PPTGG426)

陳麗培(1981-)，女，河南鄭州人，講師，碩士，主要從事森林培育研究。E-mail:chenlp0524@126.com

*通訊作者：楊玉珍(1965-)，女，河南鄭州人，教授，博士，主要從事森林培育研究。

S685.15

A

1004-3268(2016)01-0114-05