黑果枸杞光合作用日變化規(guī)律研究

馬彥軍，馬　瑞，馬玉祥，李情輝

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

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黑果枸杞光合作用日變化規(guī)律研究

馬彥軍，馬瑞，馬玉祥，李情輝

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

以盆栽的黑果枸杞組培苗為材料，自然條件下用便攜式光合-熒光測(cè)量系統(tǒng)GFS-3000對(duì)黑果枸杞光合作用進(jìn)行測(cè)定，對(duì)影響其光合作用的生理因子和環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明：黑果枸杞凈光合速率的日變化在夏季表現(xiàn)為雙峰曲線(xiàn)，有光合“午休”現(xiàn)象，日平均光合速率為10.27 μmol/m2·s；光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)為41.31 μmol/m2·s，光飽和點(diǎn)(LSP)為1698.88 μmol/m2·s，表現(xiàn)出陽(yáng)性植物特征，適合在光照充足的地區(qū)栽培；表觀(guān)量子效率(AQY)為0.051，這說(shuō)明黑果枸杞對(duì)光的利用率較高，有較強(qiáng)的光合能力。相關(guān)分析結(jié)果表明黑果枸杞的凈光合速率(Pn)與光合有效輻射(PAR)、葉室溫度(Tcu)、葉片溫度(Tl)、大氣溫度(Ta)、氣孔導(dǎo)度(Gs)及蒸騰速率(Tr)具有極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，與空氣CO2濃度(Ca)顯著正相關(guān)(p<0.05)，與胞間CO2濃度(Ci)具有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

黑果枸杞；光合作用；日變化規(guī)律

黑果枸杞(LyciumruthenicumMurr.)為茄科(Solanaceae)枸杞屬(LyciumL.)多年生灌木，是中國(guó)荒漠區(qū)抗鹽抗旱同時(shí)具有很高經(jīng)濟(jì)價(jià)值及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的鹽生植物[1]?！毒е楸静荨?、《四部醫(yī)典》記載，黑果枸杞在藏藥稱(chēng)“旁瑪”，以其成熟果實(shí)入藥，治療心熱病、心臟病、月經(jīng)不調(diào)、停經(jīng)等病癥，并且藥效明顯，民間用作滋補(bǔ)強(qiáng)壯、明目及降壓藥[2-3]。同時(shí)其果實(shí)富含氨基酸、微量元素，有較高的還原糖，是一種理想的免疫增強(qiáng)劑，具有重要的藥用開(kāi)發(fā)價(jià)值[4-5]。目前，有關(guān)黑果枸杞的研究報(bào)道主要有黑果枸杞的育苗技術(shù)如組織培養(yǎng)快繁[6]、容器育苗、扦插[7]；在黑果枸杞的藥用、食用和保健等方面研究比較多[8-9]；對(duì)黑果枸杞果實(shí)色素和多糖提取工藝及生物活性方面進(jìn)行了深入的研究[10-12]。而關(guān)于黑果枸杞光合作用特征與環(huán)境因子的關(guān)系方面的研究尚未涉及。因此，本研究通過(guò)對(duì)黑果枸杞葉片光合作用在夏季日變化規(guī)律及光響應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行測(cè)定，分析黑果枸杞光合作用生理特性與生態(tài)環(huán)境因子和生理因子的關(guān)系，為黑果枸杞種質(zhì)資源開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為2013年8月采集甘肅省民勤的野生黑果枸杞當(dāng)年生枝條，采集的枝條進(jìn)行組織培養(yǎng)快繁。2015年4月將黑果枸杞組培苗移栽到大小一致、裝有森林土的花盆，進(jìn)行常規(guī)管理。

1.2試驗(yàn)方法

測(cè)定方法參照作者以前所用的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行[13-14]，在2015年8月中旬晴天在每株選生長(zhǎng)健康的3個(gè)葉片，共選3株測(cè)定其光合日進(jìn)程。利用便攜式光合-熒光測(cè)量系統(tǒng)GFS-3000連續(xù)測(cè)定3天，遇到天氣陰雨時(shí)延后測(cè)定，取3天所測(cè)平均值。光合日變化測(cè)定從早晨8∶00開(kāi)始，每隔1 h測(cè)試一次，下午6∶00結(jié)束，每次由系統(tǒng)對(duì)每片葉子分別記錄20組光合有效輻射(PAR)、凈光合速率(Pn) 、蒸騰速率(Tr)、大氣溫度(Ta)、葉片溫度(Tl)、葉室溫度(Tcuv)、空氣CO2濃度(Ca)、胞間CO2濃度(Ci)和氣孔導(dǎo)度(Gs)。

利用GFS-3000配置的人工光源將PAR設(shè)定在0-2000 μmol/m2·s，葉室溫度控制在25℃，CO2濃度控制在400 ppm左右，PAR測(cè)定由高到低，測(cè)試時(shí)間選在8∶30～11∶30。測(cè)定時(shí)選用黑果枸杞植株上成熟葉片3片，由系統(tǒng)自動(dòng)記錄不同光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)的凈光合速率，每片葉子每種光強(qiáng)記錄20次，數(shù)據(jù)處理時(shí)取平均值作為該時(shí)刻的實(shí)測(cè)值，共測(cè)3株。

1.3數(shù)據(jù)的分析與處理

用Excel 2007對(duì)光合日進(jìn)程每葉片每時(shí)段的數(shù)據(jù)取平均值，用3個(gè)葉片的平均值作為每次測(cè)量的結(jié)果，作凈光合速率及相關(guān)因子的日變化曲線(xiàn)；應(yīng)用 SPSS 17.0 軟件對(duì)光響應(yīng)曲線(xiàn)進(jìn)行多元逐步回歸分析，根據(jù)回歸方程計(jì)算黑果枸杞的光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)、光飽和點(diǎn)(LSP)及表觀(guān)量子效率(AQY)，利用多元相關(guān)分析凈光合速率與生理生態(tài)因子之間的相關(guān)性，氣孔限制值 Ls 根據(jù)公式：Ls=(Ca-Ci)/Ca[15-17 ]。

2　結(jié)果與分析

2.1黑果枸杞葉片凈光合速率和蒸騰速率日變化

黑果枸杞葉片的凈光合速率和蒸騰速率隨著PAR、大氣溫度、Ca等環(huán)境因子的變化(表1)，也發(fā)生了相應(yīng)變化(圖1、圖2)。由圖1可以看出從早晨8∶00開(kāi)始，黑果枸杞葉片的凈光合速率隨著光合有效輻射的增強(qiáng)而增大，中午12∶00左右當(dāng)光照強(qiáng)度為1679.93 μmol/m2·s時(shí)，黑果枸杞葉片凈光合速率第一個(gè)峰值出現(xiàn)，為14.80 μmol/m2·s，此后隨著

表1　環(huán)境因子平均日變化

光照強(qiáng)度增大，凈光合速率隨之下降，當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)最大1921.48 μmol/m2·s，黑果枸杞葉片凈光合速率降為10.40 μmol/m2·s，之后隨著光照強(qiáng)度的降低，黑果枸杞葉片凈光合速率又開(kāi)始上升，到14∶00出現(xiàn)第二個(gè)峰值，為13.37 μmol/m2·s，第二峰值比第一個(gè)峰值少了1.43 μmol/m2·s 。黑果枸杞葉片日平均凈光合速率為10.27 μmol/m2·s，光合速率的日變化有 “午休”現(xiàn)象，光合速率受光照強(qiáng)度的影響，光照強(qiáng)度過(guò)大，不利于黑果枸杞葉片進(jìn)行光合作用。

圖1　黑果枸杞光合速率日變化

從圖2可以看出，從8∶00開(kāi)始隨著光照強(qiáng)度、大氣溫度和葉室溫度的增加，黑果枸杞葉片蒸騰速率也逐漸增大，到14∶00左右，葉片蒸騰速率達(dá)到最大，最大值為10.93 μmol/m2·s。此時(shí)，大氣溫度和葉室溫度還沒(méi)達(dá)到最大值，而氣孔導(dǎo)度達(dá)到最大值(圖3)，這表明影響黑果枸杞葉片蒸騰速日變化率的主要因素是氣孔導(dǎo)度。從日變化規(guī)律可以看出，黑果枸杞葉片蒸騰速率日變化表現(xiàn)出在大氣溫度高峰期間(13∶00-15∶00)及光照強(qiáng)度高峰區(qū)間(13∶00-15∶00)有較高的蒸騰速率，早晨和傍晚較低，日變化為單峰曲線(xiàn)。

圖2　黑果枸杞蒸騰速日變化

2.2黑果枸杞葉片氣孔導(dǎo)度、氣孔限制值及胞間CO2濃度的日變化

由圖3可見(jiàn)，黑果枸杞葉片氣孔導(dǎo)度的日變化規(guī)律和黑果枸杞葉片凈光合速率日變化規(guī)律一樣都呈雙峰曲線(xiàn)型。黑果枸杞葉片氣孔導(dǎo)度的第一峰值出現(xiàn)時(shí)間比葉片凈光合速率第一峰值提前了3 h，而葉片氣孔導(dǎo)度的第二峰值和葉片凈光合速率第二峰值出現(xiàn)時(shí)間一致，說(shuō)明在溫度和光照強(qiáng)度相對(duì)較低的情況下，影響黑果枸杞葉片光合速率的主要因素為環(huán)境因子，而在溫度和光照強(qiáng)度較高的情況下，氣孔導(dǎo)度是影響黑果枸杞葉片光合速率的主要因素。

由圖 4 可知，黑果枸杞葉片氣孔限制值的日變化趨勢(shì)為“升-降”，從早晨8∶00 開(kāi)始逐步上升，到 13∶00達(dá)到最大，隨后又逐漸下降。

由圖5可以看出黑果枸杞葉片胞間CO2濃度日變化趨勢(shì)為“降-升”，與氣孔限制值日變化趨勢(shì)相反。當(dāng)黑果枸杞葉片凈光合速率達(dá)到峰值時(shí)，此時(shí)胞間CO2濃度降到最低，這是由于當(dāng)凈光合速率較高時(shí)，固定較多的CO2，引起胞間CO2濃度下降。

圖3　黑果枸杞氣孔導(dǎo)度日變化

圖4　黑果枸杞氣孔限制值日變化

圖5　黑果枸杞胞間CO2濃度日變化

2.3黑果枸杞光合作用-光響應(yīng)曲線(xiàn)及表觀(guān)量子效率

黑果枸杞葉片光合-光響應(yīng)曲線(xiàn)如圖6所示，由圖6可看出，隨著PAR的增加黑果枸杞葉片Pn也在逐漸增大。PAR在0-250 μmol/m2·s范圍內(nèi)，Pn與PAR幾乎呈線(xiàn)性關(guān)系；PAR在250-1700 μmol/m2·s范圍內(nèi)Pn隨著PAR增大而增大，當(dāng)PAR為1700 μmol/m2·s時(shí)，Pn達(dá)到最大，為18.66 μmol/m2·s；PAR超過(guò)1700 μmol/m2·s，Pn不在增加，而略有下降，說(shuō)明黑果枸杞在1700 μmol/m2·s時(shí)達(dá)到了光飽和。將Pn與PAR在0-2000 μmol/m2·s范圍內(nèi)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明Pn-PAR光響應(yīng)曲線(xiàn)符合一元二次方程，方程為y=1×10-5x2+0.0316x-1.2883，R2=0.9532；Pn與PAR在0-250 μmol/m2·s范圍內(nèi)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明Pn-PAR光響應(yīng)曲線(xiàn)符合一元一次方程，方程為y= 0.0508x-3.346，R2=0.985；根據(jù)光響應(yīng)曲線(xiàn)計(jì)算得出黑果枸杞的光飽和點(diǎn)(LSP)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)和表觀(guān)量子效率(AQY)分別為1698.88 μmol/m2·s、41.31 mol/m2·s和0.051。

圖6　光合作用-光響應(yīng)曲線(xiàn)

2.4黑果枸杞光合速率與其影響因子的關(guān)系

以黑果枸杞葉片Pn、Tr、Gs、Ci、Ca、PAR、Ta、Tc和Tl作為相關(guān)變量進(jìn)行多元相關(guān)分析，相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可看出，黑果枸杞的Pn與PAR、Tc、Tl、Ta、Gs、及Tr具有極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)；與Ci和Ca具有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。

表2　黑果枸杞光合速率及其影響因子間相關(guān)性系數(shù)

注：“*”表示在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，“**”表示在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3　結(jié)論與討論

在本試驗(yàn)中，黑果枸杞葉片Pn日變化呈現(xiàn)出雙峰曲線(xiàn)，在中午出現(xiàn)低谷，存在明顯的光合“午休”現(xiàn)象，這一結(jié)果與枸杞屬的寧夏枸杞(LyciumbarbarumL.)光合速率日變化規(guī)律一致[18]。引起植物光合“午休”的因素既有環(huán)境因子如光照強(qiáng)度、大氣CO2濃度、溫度等，也有植物自身生理因素如氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度等。本試驗(yàn)中黑果枸杞光合速率達(dá)到“低谷”時(shí)，光照強(qiáng)度(1921.48 μmol/m2·s)和氣孔限制值(0.46)為一天當(dāng)中最大，大氣溫度(34.71℃)和氣孔導(dǎo)度(141.78)接近于一天當(dāng)中的最大值，而胞間CO2(231.63 ppm)接近于一天當(dāng)中的最小值。結(jié)合Pn與Gs、PAR和Ta之間的關(guān)系以及它們一天當(dāng)中的變化趨勢(shì)圖，可以得出影響黑果枸杞葉片在夏季凈光和速率的因素既有氣孔因素，也有非氣孔因素，由二者共同影響黑果枸杞葉片在夏季的光合作用，這一結(jié)果與馬木木等[19]對(duì)黃柳(Salixgordejevii)的研究以及陳友根等[20]對(duì)麻瘋樹(shù)的研究結(jié)果一致，即黃柳和麻瘋樹(shù)的Pn在6月下降的因素包括氣孔因素和非氣孔因素。關(guān)于Pn與 Ci的關(guān)系前人研究得較多[21-23]，本研究發(fā)現(xiàn)黑果枸杞的 Pn與 Ci呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，主要是因?yàn)橹参镌诟邇艄夂纤俾实臓顟B(tài)下，葉片內(nèi)部的光合生理活性及相關(guān)酶的活性較強(qiáng)，通過(guò)氣孔進(jìn)入的CO2同化較快，使得 Ci降低，這與吳玲利等[24]在白木通(Akebiatrifoliatevar.australis)中研究發(fā)現(xiàn)Pn與 Ci呈負(fù)相關(guān)結(jié)果一致。

植物的光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)分別代表了植物葉片對(duì)強(qiáng)弱光的利用能力，表示植物的需光特性和需光量即可利用光的最大值和最小值[25-26]。許多研究證明光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)均較低的植物是耐蔭植物，光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)都較高的植物是陽(yáng)性植物[27-29]。陽(yáng)性植物的光飽和點(diǎn)為540-900 μmol/m2·s，光補(bǔ)償點(diǎn)為9-18 μmol/m2·s[30-32]。黑果枸杞的LCP是41.31mol/m2·s ，LSP是 1698.88 μmol/m2·s，這表明黑果枸杞是典型的陽(yáng)性植物，對(duì)強(qiáng)光環(huán)境具有很好的適應(yīng)性，但耐蔭性較差，在低光照強(qiáng)度下生長(zhǎng)不良，這也與作者在野外進(jìn)行黑果枸杞資源調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)的情況相符合，即在沒(méi)有其他植物遮擋情況下黑果枸杞生長(zhǎng)良好，而在其他植物遮擋的情況下植株生長(zhǎng)較弱。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果分析，可初步得到以下結(jié)論：在自然條件下黑果枸杞凈光合速率在夏季日變化曲線(xiàn)呈“雙峰”型，有“午休”現(xiàn)象，日平均光合速率為10.27 μmol/m2·s；LCP為41.31 μmol/m2·s，LSP為1698.88 μmol/m2·s；AQY為0.051；光合速率與環(huán)境因子和生理因子相關(guān)性分析表明，黑果枸杞的Pn與PAR、Tch、Tl、Ta、Gs、及Tr具有極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)；與Ca具有顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)；與Ci和Ca具有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。通過(guò)研究初步了解了黑果枸杞的光合特性，為黑果枸杞種質(zhì)資源開(kāi)發(fā)利用、引種馴化、栽培及新品種選育提供了一定的科學(xué)理論依據(jù)。但本研究選取的材料為黑果枸杞的盆栽苗，對(duì)大田栽培植株光合特性還須進(jìn)一步研究。

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Studies on diurnal change of photosynthesis of Lycium ruthenicum [Solanales: Solanaceae]

MAYan-jun,MARui，MaYu-xiang,LIQing-hui

(CollegeofForestry,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou，Gansu730070，China)

Using pot cultured plantlets of the black fruit wolfberry,LyciumRuthenicum, as material, the photosynthesis of the plants was measured under natural conditions with a portable photosynthesis - fluorescence measurement system - GFS-3000. The correlation between physiological and environmental factors affecting the photosynthesis was also analysed. The results showed that the diurnal variation of net photosynthetic rate registered a double-peak curve in summer and had “midday depression” phenomenon in L. ruthenicum. The mean diurnal photosynthetic rate was 10.2 μmol/m2·s; light compensation point (LCP) was 41.31 μmol/m2·s, light saturation point (LSP) was 1698.88 μmol/m2·s.Lyciumruthenicummanifests the characteristics of heliophile and is suitable to be planted in well-lit areas. Apparent quantum yield (AQY) of 0.051 indicates that L. ruthenicum’s light utilization rate is higher and has the strong photosynthetic capacity. Correlation analysis showed that the net photosynthetic rate (Pn) of L. ruthenicum has (1) a significant positive correlation (p < 0.01) with photosynthetically active radiation (PAR), chamber temperature (Tcu), leaf temperature (Tl), air temperature (Ta), stomatal conductance (Gs), and transpiration rate (Tr); (2) significant positive correlation (p < 0.05) with air CO2concentration (Ca)； (3) a significant negative correlation (p < 0.01) with intercellular CO2concentration (Ci).

LyciumruthenicumMurr.; Net photosynthesis; daily variation

1008-0457(2016)03-0066-06國(guó)際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2016.03.013

2016-03-11；修回日期：2016-04-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31560215；31460224)；甘肅省科技支撐項(xiàng)目(144NKCA045)；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)青年研究生指導(dǎo)教師扶持基金項(xiàng)目(GAU-QNDS-201404)。

馬彥軍(1975-)，男，回族，博士，副教授，主要研究方向：植物種質(zhì)資源調(diào)查收集、保存與研究；Emai:lxysy01@126.com。

Q945.11

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