紫斑牡丹不同居群幼苗光合特征研究

羅濤+劉相菊

摘 要：該實(shí)驗(yàn)使用Li-6400xt系統(tǒng)對(duì)紫斑牡丹的6個(gè)居群種子萌發(fā)的幼苗光合日變化和光響應(yīng)曲線進(jìn)行了測(cè)定，使用了Faquhar模型擬合和光響應(yīng)200以內(nèi)直線回歸分析法。結(jié)果表明，紫斑牡丹所有居群的光合日變化曲線均為雙峰曲線，?？?、天水、臨洮、舟曲、文縣和子午嶺6個(gè)居群的Amax分別為13.707、14.771、12.879、13.128、11.035和12.024μmol·m-2·s-1，AQY分別為0.0410588、0.0301654、0.0449802、0.0452524、0.0371226和0.0408724，Rd分別為2.159、0.677、1.443、1.342、0.794和1.025μmol·m-2·s-1。可能是原生境的差異導(dǎo)致其相應(yīng)的光合機(jī)構(gòu)發(fā)生適應(yīng)性改變，最終形成能穩(wěn)定遺傳的特征，因此各居群植株即使是栽植于相同的生境而依然保持了不同的最大光合速率和光呼吸速率。

關(guān)鍵詞：紫斑牡丹；居群；幼苗；光合特征

中圖分類號(hào) S63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2016）23-0026-05

Photosynthetic Characteristics Studies of Paeonia Rockii Subsp. Rockii Seedlings of different populations

Luo Tao1 et al.

（1Colleg of Forestry and Life Science，Chongqing University of Arts and Sciences，Yongchuan 402160，China）

Abstract：Diurnal change of photosynthesis and light response curves were determined with Li - 6400 xt system with seedlings of Paeonia rockii in BaoKang，Tianshui，Lintao，zhouqu，Wenxian county and Ziwuling populations.With Faquhar model fitting and linear regression analysis of light response within 200，the results showed that Paeonia rockii the diurnal change of photosynthetic curve of paeonia rockii of all populations are bimodal curve.For Paeonia rockii seedlings from BaoKang，Tianshui，Lintao，zhouqu，Wenxian county and Ziwuling populations，the Amax were 13.707，14.771，12.879，13.128，11.035，and 12.024 μmol·m-2·s-1，AQY were 0.0410588，0.0301654，0.0449802，0.0452524，0.0371226 and 0.0408724，Rd were 2.159，0.677，1.443，1.342，0.794，and 1.025 μmol·m-2·s-1.Maybe the original habitat leaded to its corresponding adaptive changes in photosynthetic mechanism，which can form stable genetic traits.So even if the seedlings of 6 Paeonia rockii subsp.rockii populations were planted in the same habitat ，they kept the different maximum photosynthetic rate and respiration rate.

Key words：Paeonia rockii subsp. Rockii；Population；Seedling；Photosynthetic characteristics

1 引言

牡丹被稱作花王，是中藥中最重要的生藥之一[1]。洪德元等認(rèn)為芍藥科牡丹組可以分為8個(gè)物種，其中4個(gè)種各包含2個(gè)亞種，另有2個(gè)雜種[2]。本文研究對(duì)象為紫斑牡丹（原亞種）[Paeonia rockii subsp.rockii（S.G.Haw & Lauener） T.Hong&J.J.Li]屬芍藥科芍藥屬牡丹組紫斑牡丹種下的一個(gè)亞種，主要自然分布于甘肅南部、 陜西秦嶺的南坡、 河南伏牛山以及湖北西部神農(nóng)架山地，生于海拔1 100～ 2 800m的落葉林中[2-3]?！吨袊?guó)植物紅皮書(shū)》將紫斑牡丹列為漸危種，其對(duì)紫斑牡丹的產(chǎn)地等的描述是正確的，但對(duì)葉的形態(tài)的描述以及拉丁文的書(shū)寫(xiě)不正確，現(xiàn)已經(jīng)被洪德元等糾正[4]?；ǚ坌螒B(tài)特征研究、RAPD分子標(biāo)記分析和基于ISSR技術(shù)的DNA指紋圖譜比較等研究都證明紫斑牡丹是參與中國(guó)栽培牡丹品種起源的主要野生種之一[5-8]。因此，紫斑牡丹的野生種無(wú)論在育種實(shí)踐上還是系統(tǒng)發(fā)育的研究中都具有舉足輕重的作用。重慶地區(qū)現(xiàn)有大面積栽種的牡丹品種龍景春和太平紅耐高溫高濕環(huán)境，皆為分株繁殖，繁殖系數(shù)低，不能有性繁殖，不能用于新的耐高溫的品種繁育，不能適應(yīng)現(xiàn)代南方城市發(fā)展的需要?，F(xiàn)代城市園林的發(fā)展導(dǎo)致對(duì)牡丹等傳統(tǒng)名花的需求量大增，培育出能適應(yīng)南方高溫多濕環(huán)境的好品種是每一個(gè)牡丹從業(yè)者的責(zé)任，因此，引進(jìn)一個(gè)花大、抗逆性強(qiáng)、能產(chǎn)生大量種子的牡丹物種是完全有必要的，開(kāi)展這樣的引種研究工作是非常緊迫的。為了保證引種的成功，有必要對(duì)紫斑牡丹的光合特征進(jìn)行分析，以了解其光合生理特征及其調(diào)控機(jī)制，為以后大規(guī)模引種打下理論基礎(chǔ)。

光是植物光合的能量來(lái)源，也是一種影響植物物種生長(zhǎng)和分布的主要環(huán)境因子[9]。長(zhǎng)期生長(zhǎng)在不同光環(huán)境下的同種物種也會(huì)表現(xiàn)出適應(yīng)生境的形態(tài)與生理改變[10]。紫斑牡丹起源于秦巴山區(qū)，往北引種已經(jīng)成功，往南引種是否可行，尚需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。

2 材料及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料 本實(shí)驗(yàn)的對(duì)象全部種植于西南大學(xué)校園內(nèi)，幼苗由種子繁殖所得，種子采摘于甘肅蘭州紫斑牡丹國(guó)家種質(zhì)資源圃各引種的野生紫斑牡丹居群。紫斑牡丹居群包括湖北?？?、甘肅天水、臨洮、舟曲、文縣和子午嶺6個(gè)居群，所有植株為何麗霞、李嘉玨等從1998年9月—1999年4月自野生居群引種，種子由模擬自然環(huán)境的同居群混合花粉套袋實(shí)驗(yàn)得來(lái)，保證了花粉全部來(lái)自同一居群，保證了遺傳背景的清晰。以往對(duì)于牡丹形態(tài)的研究主要集中在牡丹組物種的確定上，對(duì)于居群水平的形態(tài)分化研究，周志欽、洪德元等也進(jìn)行過(guò)[2，11]，但主要是關(guān)注物種間關(guān)系上，還沒(méi)有真正關(guān)注到居群水平。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 光合日變化的測(cè)定 通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)表明，光合日變化的測(cè)定中，如果采用每2h采集一次，有可能會(huì)錯(cuò)過(guò)某些居群的重要節(jié)點(diǎn)（如日最高凈光合效率點(diǎn)），因此，本試驗(yàn)采用了約1h采集一次日變化光合數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用自然光源，選一個(gè)自然光相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)期，每個(gè)居群測(cè)試3個(gè)植株，每個(gè)植株測(cè)定頂小葉的3個(gè)小葉片，每個(gè)葉片測(cè)3次，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后即測(cè)，如果測(cè)試葉片過(guò)多會(huì)因?yàn)橥饨绻庠醋兓鴮?dǎo)致前后同居群的植株之間缺乏可比性。

2.2.2 光響應(yīng)曲線（Light Curve）的測(cè)定 光響應(yīng)曲線測(cè)試時(shí)，先用2000μmol·m-2·s-1光照活化20min，CO2濃度控制為大氣CO2濃度（400μmol·mol-1），光照強(qiáng)度取值為2000，1500，1200，1000，800，600，400，200，100，50，20，0μmol·m-2·s-1，要避開(kāi)中午11：00—13：00段，因?yàn)榇藭r(shí)段氣孔可能出現(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。如果是選用陽(yáng)光直射1h以上的葉片，則直接測(cè)定光響應(yīng)曲線，不需光活化。光響應(yīng)曲線采用Farquhar模型用SPSS13.0擬合，用sigmaplot12.0作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 日變化分析 從紫斑牡丹日變化圖（圖1）可知，所用居群皆為雙峰曲線，早7：00以前、中午12：00左右、下午7：00以后絕大多數(shù)受測(cè)試植株凈光合皆為負(fù)值。但日最高光合效率點(diǎn)除子午嶺居群外都出現(xiàn)在上午，出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)基本在早8：00—11：00最早的舟曲居群早8：00就出現(xiàn)最高光合效率點(diǎn)，?？岛吞焖尤旱淖罡吖夂闲庶c(diǎn)出現(xiàn)在早9：00，文縣居群在10：00，臨洮居群最高光合效率點(diǎn)出現(xiàn)在11：00；僅有子午嶺居群最高光合效率點(diǎn)出現(xiàn)在16：00。子午嶺現(xiàn)在保存了最大的野生居群，是否與其光合特征有關(guān)，尚待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)論證。

3.2 光響應(yīng)曲線與Farquhar模型擬合 各居群所得擬合方程如下：

?？稻尤海篜n=（PARi×0.091+13.707-sqrt（（0.091×PARi+13.707）×（0.091×PARi+13.707）-4×0.091×13.707×PARi×0.366））/（2×0.366）-2.159

天水居群：Pn=（PARi×0.047+14.771-sqrt（（0.047×PARi+14.771）×（0.047×PARi+14.771）-4×0.047×14.771×PARi×0.001））/（2×0.001）-0.677

臨洮居群：Pn=（PARi×0.078+12.879-sqrt（（0.078×PARi+12.879）×（0.078×PARi+12.879）-4×0.078×12.879×PARi×0.6））/（2×0.6）-1.443

文縣居群：Pn=（PARi×0.064+13.128-sqrt（（0.064×PARi+13.128）×（0.064×PARi+13.128）-4×0.064×13.128×PARi×0.83））/（2×0.83）-1.342

舟曲居群：Pn=（PARi×0.084+11.035-sqrt（（0.084×PARi+11.035）×（0.084×PARi+11.035）-4×0.084×11.035×PARi×0.52））/（2×0.52）-0.794

子午嶺居群：Pn=（PARi×0.072+12.024-sqrt（（0.072×PARi+12.024）×（0.072×PARi+12.024）-4×0.072×12.024×PARi×0.581））/（2×0.581）-1.025

由圖2至圖7可知，所有的擬合曲線R2>0.95，表明這些擬合方程是可以接受的。由Faquhar模型擬合得到的保康、天水、臨洮、舟曲、文縣和子午嶺6個(gè)居群的最大光合速率分別為13.707、14.771、12.879、13.128、11.035和12.024μmol·m-2·s-1，其表觀光量子效率分別為0.091、0.047、0.078、0.064、0.084和0.072，6個(gè)居群的光呼吸分別為2.159、0.677、1.443、1.342、0.794和1.025μmol·m-2·s-1。一般認(rèn)為表觀光量子效率越高，居群對(duì)低光照的利用率也越高，因此可以認(rèn)為?？稻尤汉臀目h居群對(duì)低光照具有較高的利用率，而天水居群的低光照利用率最低，可能是因?yàn)殚L(zhǎng)期對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的適應(yīng)導(dǎo)致了內(nèi)部的一系列適應(yīng)性變化而導(dǎo)致光合能力的改變。而表觀光量子效率最低的天水居群卻具有擬合出的最高光合速率，表明其對(duì)對(duì)低光照響應(yīng)較慢但卻對(duì)高光照具有更好適應(yīng)。生長(zhǎng)期的光強(qiáng)一般不影響光量子效率[12]。一般認(rèn)為，雖然陽(yáng)生葉的最高光合速率要比陰生葉髙得多，但二者的光量子效率卻是相似的[13-15]。許大全認(rèn)為，光量子效率的降低主要是由光抑制引起的[16]。本實(shí)驗(yàn)的光響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)全部為上午9點(diǎn)至11點(diǎn)測(cè)量，測(cè)試期間溫度沒(méi)有超過(guò)35℃，光強(qiáng)也幾乎沒(méi)有超過(guò)2000μmol·m-2·s-1，VPDL也比較低，發(fā)生光抑制的可能性很低。那么就可能是由于擬合模型造成了各居群的表觀光量子效率差異的放大。雖然Faquhar模型是當(dāng)前最主流的光響應(yīng)擬合模型，是根據(jù)光合原理創(chuàng)立的模型，但由于Faquhar模型只允許對(duì)一組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可能導(dǎo)致較大的偏差，以后的實(shí)驗(yàn)中可以對(duì)該模型進(jìn)行優(yōu)化，以得到更完美的數(shù)據(jù)。

3.3 各居群光響應(yīng)200以內(nèi)直線回歸分析 由圖8至圖13可知，?？?、天水、臨洮、舟曲、文縣和子午嶺6個(gè)居群表觀光量子效率分別為0.0410588、0.0301654、0.0449802、0.0452524、0.0371226和0.0408724，仍然是天水居群具有最低的表觀光量子效率，用此方法得到的表觀光量子效率各居群之間的差異最大約為50%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Faquhar模型擬合出的各居群間最大超過(guò)90%的差異。依據(jù)許大全等的觀點(diǎn)[16]，此方法擬合的表觀光量子效率具有更高的可信度。此方法擬合得到保康、天水、臨洮、舟曲、文縣和子午嶺6個(gè)居群的光呼吸分別為0.901829、0.63817、0.473406、0.837484、0.0563418和0.09956μmol·m-2·s-1，特別是后兩個(gè)居群出現(xiàn)了小于0.1μmol·m-2·s-1的光呼吸速率，跟Faquhar模型擬合得到的結(jié)果相差很大。結(jié)合前人的研究成果，本文認(rèn)為各居群光響應(yīng)200以內(nèi)直線回歸分析所得的表觀光量子效率更可信，而Faquhar模型擬合出的光呼吸值更可信。

?？担篜n=-0.901829+0.0410588×PARi

4 討論與結(jié)論

4.1 非氣孔因素導(dǎo)致了紫斑牡丹的午睡現(xiàn)象 為研究紫斑牡丹午睡的原因，本實(shí)驗(yàn)在研究了兩個(gè)光合速率突變時(shí)期（11：00—11：30，14：00—14：30）不同葉片的光合后發(fā)現(xiàn)，中午低光合速率總是和低氣孔導(dǎo)度、低蒸騰速率、高胞間二氧化碳濃度相伴隨出現(xiàn)的，而高光合速率下反而出現(xiàn)較低的胞間二氧化碳濃度，表明二氧化碳濃度并不是限制光合速率的主要因素。按照Faquhar和Sharkey的觀點(diǎn)[17]，中午光合速率降低的時(shí)候只有胞間二氧化碳（Ci）也降低才可以把氣孔部分關(guān)閉看成是光合速率降低的原因；而本實(shí)驗(yàn)剛好得到了相反的數(shù)據(jù)。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，導(dǎo)致紫斑牡丹“午睡”的主要環(huán)境因子可能是強(qiáng)的光照，主要生理因子是氣孔導(dǎo)度的降低，可能是葉肉細(xì)胞光合活性下降導(dǎo)致的，也可能是因?yàn)楦邷睾蛷?qiáng)光啟動(dòng)了鈣信號(hào)通路，進(jìn)而導(dǎo)致氣孔的部分關(guān)閉，導(dǎo)致了光反應(yīng)與暗反應(yīng)聯(lián)系的減弱，從而減低了中午的光合速率，尚待后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.2 早晚的較低的光合速率是由溫度決定的 通過(guò)對(duì)日變化的研究表明，實(shí)驗(yàn)期間早晚溫度僅20℃度，此時(shí)主要是溫度限制了相關(guān)酶的活性，導(dǎo)致了較低的光合速率。從圖1日變化曲線可知，在上午7：00-11：00點(diǎn)，氣溫從15℃上升到約30℃，光強(qiáng)從100μmol·m-2·s-1左右上升到1000μmol·m-2·s-1左右，相應(yīng)的光合速率也迅速上升到一日的最高點(diǎn)；上午光合速率的迅速上升是與溫度的迅速上升相匹配的；而下午降溫相對(duì)較慢，光合速率的降低也相對(duì)較慢。由此可知牡丹早晚較低的光合速率是由較低的溫度決定的。

4.3 通過(guò)圖2至圖13的分析可知，F(xiàn)aquhar模型可以擬合出較可信的最大光合速率和光呼吸值；而200以內(nèi)直線回歸分析可以得到更準(zhǔn)確的表觀光量子效率值。綜合兩種方法，本文認(rèn)為紫斑牡丹?？怠⑻焖?、臨洮、舟曲、文縣和子午嶺6個(gè)居群的最大光合速率分別為13.707、14.771、12.879、13.128、11.035和12.024μmol·m-2·s-1，其光呼吸速率分別為2.159、0.677、1.443、1.342、0.794和1.025μmol·m-2·s-1，其表觀光量子效率分別為0.0410588、0.0301654、0.0449802、0.0452524、0.0371226和0.0408724，可能是原生環(huán)境的差異導(dǎo)致其相應(yīng)的光合機(jī)構(gòu)發(fā)生適應(yīng)性改變，最終形成能穩(wěn)定遺傳的特征，這種光合潛力在短期內(nèi)并不會(huì)迅速改變；因此各居群植株即使是栽植于相同的生境而保持了不同的最大光合速率和光呼吸速率。

參考文獻(xiàn)

[1]趙宣，周治欽，林啟冰，等.Phylogenetic analysis of Paeonia sect. Moutan（Paeoniaceae）based on multiple DNA fragments and morphological data[J].植物分類學(xué)報(bào)，2008：563-572.

[2]洪德元，潘開(kāi)玉.芍藥屬牡丹組的分類歷史和分類處理[J].植物分類學(xué)報(bào)，1999，37（4）：351-368.

[3]洪德元，潘開(kāi)玉，Turland N J.Paeoniaceae[M].Flora of China，2001：6，127-132.

[4]傅立國(guó).中國(guó)植物紅皮書(shū)-稀有瀕危植物 第一冊(cè)[M]（科學(xué)出版社）.1992：532-534.

[5]鄒喻蘋(píng)，蔡美琳，王子平.Systematic studies on Paeonia sect1 Moutan DC.based on RAPD analysis[J].植物分類學(xué)報(bào)，1999：220-227.

[6]席以珍.中國(guó)芍藥屬花粉形態(tài)及其外壁超微結(jié)構(gòu)的觀察[J].Journal of Integrative Plant Biology，1984：241-246.

[7]Tao Y，Lianying W.Discussion on the origination of Chinese tree peony cultivars according to pollen grain morphology[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24，（1）：5-11.

[8]索志立，張會(huì)金，張治明，等.紫斑牡丹與牡丹種間雜交后代的DNA分子證據(jù)[J].云南植物研究.2005（1）：42-48.

[9]Larcher，W. Physiological plant ecology[M].3rd edn.Springer，Berlin，1995：44-46.

[10]Aleric，K.M.and L.K.Kirkman.2005.Growth and photosynthetic responses of the federally endangered shrub， Lindera melissifolia （Lauraceae），to varied light environments[J].American Journal of Botany.92：682-689.

[11]周志欽，潘開(kāi)玉，洪德元.芍藥屬牡丹組基于形態(tài)學(xué)證據(jù)的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系分析（英文）[J].植物分類學(xué)報(bào).2003（5）：436-446.

[12]Ehleringer J，Pearcy R W，Variation in quantum yield for CO2 uptake among C3 and C4 plants[J].Plant Physiology，1983，73：555—559.

[13]Boardman N K，Comparative photosynthesis of sun and shade plants[J].Plant Biology，1977，28：355—377.

[14]G.?QUIST，L.BRUNES，J-E.H?LLGRENP.hotosynthetic efficiency of Betula pendula acclimated to different quantum flux densities[J].Plant，Cell & Environment，1982，5（1）：9-15.

[15]Oquist G，Brunes L，Hallgren J-E.Photosynthesic efficiency of Betula pendula acclimated to different quantum flux densities[J].Plant，Cell & Environment，1982，5：9-15.

[16]許大全.光合作用效率[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2002：123～130.

[17]Farquhar G D，Sharkey T D.Stomatal conductance and photosynthesis[J].Plant Physiology，1982，33：317-345.

（責(zé)編：張長(zhǎng)青）