石蒜屬植物葉綠素熒光特性研究

全妙華， 賀安娜， 彭 紅， 石 珍，潘 鳳， 黃惠永

石蒜屬（Lycoris Herb.）是石蒜科（Amaryllidaceae）中一個重要的屬，為多年生草本植物，主產于中國和日本，全世界約20種，我國約16種[1].其鱗莖含有豐富的石蒜堿、加蘭他敏等多種生物堿，尤其加蘭他敏作為乙酰膽堿酯酶抑制劑用于治療老年性癡呆癥等疾病具有良好療效，具有重要的藥用價值[2，3].雖然加蘭他敏等生物堿可以人工合成，但存在合成工藝復雜、成本高、品質差等問題.到目前為止，從天然石蒜屬植物中分離提取仍然是獲得加蘭他敏等生物堿的主要途徑[4].近年來，由于經濟利益驅使，對野生石蒜屬資源進行了過度的采挖，使石蒜資源處于瀕危狀態(tài)，深入開展石蒜屬植物資源方面研究，可以促進其保護與合理利用.

光合作用是反映植物同化能力和研究不同植物類群生理生化特性差異的重要指標.葉綠素熒光主要反映光合作用在光反應階段生理生化變化，內在地表征植物的環(huán)境適應機制.葉綠素熒光測定已成為快速獲取有關植物光合作用定量與定性信息的一種十分有效的手段[5-7].近年來，有關石蒜屬植物研究主要集中在生物進化、化學成分及藥理藥效等方面[8-13]，在光合生理方面開展了部分研究工作，如忽地笑、石蒜等物種的光合特性[14-16]、環(huán)境條件（如水分、土壤等）對忽地笑等物種的生理生化特性影響等[17-19]，但有關石蒜屬植物的葉綠素熒光特性等相關研究報道較少.本研究通過對石蒜屬植物的葉綠素熒光參數進行測定與比較，并且運用聚類分析方法，探討其種間關系，為石蒜屬分類及優(yōu)異種質篩選提供參考依據.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料包括石蒜屬15種和1個變種共16份材料（表1），其中石蒜和忽地笑兩個物種采自湖南懷化，其它物種分別由南京中山植物園和杭州植物園提供；其染色體數引自相關文獻[8，20].材料種植于懷化學院生物園，選用的土壤、光照、水肥管理等均保持一致，并且所有材料在該試驗地引種栽培均在3年以上.

1.2 實驗方法

2013 年 3 月，選晴朗天氣，于上午 9：00～11：00，采用Li-6400光合系統(tǒng)測定儀（美國LI-COR公司）測定石蒜屬植物各項熒光參數，主要包括初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、PSⅡ最大光化學效率（Fv/Fm）、光下開放的PSII反應中心的激發(fā)能捕獲效率（Fv'/Fm'）、電子傳遞速率（ETR）、PSⅡ電子傳遞量子產率（ФPSⅡ）、光化學猝滅系數（qP）、非光化學猝滅系數（NPQ）等.其中 Fo、Fm、Fv/Fm測定前將葉片暗適應20 min.各項葉綠素熒光參數均重復測定3次.

表1 石蒜屬植物材料的基本情況

1.3 數據統(tǒng)計與分析

測定數據采用Excel及SPSS統(tǒng)計軟件進行相關性及聚類分析.

2 結果與分析

2.1 石蒜屬植物的葉綠素熒光參數比較

由表2可知，在16個供試的石蒜屬植物中，玫瑰石蒜、中國石蒜、稻草石蒜、乳白石蒜、陜西石蒜等物種的Fo、Fm均較高，紅藍石蒜、石蒜、忽地笑、江蘇石蒜等的Fo、Fm均較低；陜西石蒜、長筒石蒜、香石蒜和玫瑰石蒜的Fo比紅藍石蒜（最低值）的分別高出38.94%、33.64%、31.40%和30.08%，說明這4個石蒜屬物種具有較高的初始熒光量；陜西石蒜、稻草石蒜、玫瑰石蒜和乳白石蒜的Fm比江蘇石蒜（最低值）的分別高出66.17%、59.91%、53.55%和52.60%，說明這4個物種的光系統(tǒng)PSⅡ電子傳遞狀況比其它石蒜屬物種更好.

安徽石蒜、短蕊石蒜、忽地笑和黃長筒石蒜等物種的Fv/Fm較高，比江蘇石蒜（最低值）的分別高出14.66%、12.17%、12.03%和11.89%，提示這些石蒜屬物種具有將光能更有效地轉化為植物所需的化學能的能力.安徽石蒜、玫瑰石蒜和短蕊石蒜的Fv'/Fm'較高，比鹿蔥（最低值）的分別高出50.66%、48.28%和45.89%，提示這些石蒜屬物種具有更高的PSⅡ原初光能轉化效率.

2.2 石蒜屬植物的PSⅡ應用中心的光化學轉化效率比較

由表3可知，不同石蒜屬植物的ΦPSⅡ值具有明顯差異，其中黃長筒石蒜、中國石蒜、玫瑰石蒜、安徽石蒜等具有較高ΦPSⅡ值，與忽地笑（最低值）相比，分別高出142.62%、140.16%、140.16%和131.97%；ETR經由ΦPSII推倒而來，其走勢與ΦPSII值基本吻合，也是黃長筒石蒜、玫瑰石蒜、中國石蒜等物種的ETR值較高，表明這些石蒜屬物種葉片具有較高的PSⅡ光能轉化效率，能夠為光合作用的暗反應的光合碳同化階段積累更多的能量，有利于碳同化的高效運轉和有機物的積累.

表2 石蒜屬植物的直接熒光參數

表3 石蒜屬植物的間接熒光參數

光化學猝滅系數qP，即PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學電子傳遞的份額，反映PSⅡ所捕獲的光量子轉化為化學能的效率.由表3可知，石蒜屬種間的qP值存在明顯顯著，其中忽地笑、長筒石蒜、乳白石蒜等物種的qP值較低，中國石蒜、黃長筒石蒜、陜西石蒜和玫瑰石蒜等的較高，說明這些石蒜屬物種具有較強的光合電子傳遞能力，進而有利于光合產物積累.

非光化學淬滅系數NPQ反映了植物熱耗散的能力的變化，熱耗散有利于防御光抑制的破壞，對光合機構起到自我保護作用.由表3可知，石蒜屬物種之間的NPQ值存在明顯差異，其中忽地笑、安徽石蒜、石蒜、短蕊石蒜等物種的NPQ值較小，表明了它們的葉片通過熱耗散的部分較少，提高了光化學猝滅能力，能充分利用所捕獲的光能，有利于提高光合利用能力.

2.3 葉綠素熒光參數間的相關性

由表4可知，石蒜屬植物的葉綠素熒光參數之間存在一定相關性，并且部分相關性達到顯著或極顯著水平.Fm與 Fo、Fv/Fm，ETR 與 Fv'/Fm'、ΦPSII、qP 之間正相關性均達極顯著水平，說明石蒜屬植物的葉綠素最大熒光（Fm）與PSⅡ最大光化學效率（Fv/Fm）以及電子傳遞速率（ETR）與PSⅡ原初光能轉化效率（Fv'/Fm'）、PSⅡ電子傳遞量子產率（ФPSⅡ）、光化學猝滅系數（qP）等因素之間存在極大關聯.NPQ與Fv/Fm之間呈負極顯著相關性；NPQ與 Fm、Fv'/Fm'之間呈負顯著相關性；Fo與Fv/Fm、Fv'/Fm'，qP 與 Fv/Fm，NPQ與 ΦPSII、ETR 呈負相關性；其余參數之間呈正相關性.

2.4 基于葉綠素熒光參數的聚類結果

綜合考慮 Fo、Fm、Fv/Fm、ФPSⅡ、qP 等葉綠素熒光參數，對16個石蒜屬植物進行聚類分析.當歐式距離為15時，可將石蒜屬植物聚為三類（如圖1），即長筒石蒜、香石蒜、鹿蔥、安徽石蒜、中國石蒜、短蕊石蒜和黃長筒石蒜共7個物種聚為一類；江蘇石蒜、稻草石蒜、乳白石蒜、陜西石蒜、石蒜、玫瑰石蒜、紅藍石蒜和換錦花共8個物種聚為另一類；忽地笑單獨聚為一類.

表4 葉綠素熒光參數之間的相關性

圖1 基于葉綠素熒光參數的石蒜屬植物聚類樹狀圖

3 結論與討論

植物葉綠素熒光與光合作用中各個反應過程緊密相關，是植物環(huán)境適應機制的內在表征.如Fm是PSⅡ反應中心處于完全關閉時的熒光產量，反映PSⅡ的電子傳遞狀況[21]；Fv/Fm值的大小表示光系統(tǒng)PSⅡ光化學效率的大小[7]，ETR則反映實際光強下的表觀電子傳遞速率，其值越高形成的活躍化學能越多，可為暗反應的光合碳同化積累更多能量，以促進碳同化的高效運轉和有機物的積累[22，23]；qP直接反映植物光合效率和對光能的利用，該值較高有利于碳同化，提高植物的光合效率[24]，等等.本研究結果表明，石蒜屬植物的熒光參數存在較大差異，其中玫瑰石蒜、中國石蒜、安徽石蒜等物種的Fm、ΦPSⅡ、ETR、Fv'/Fm'、qP值均較高，安徽石蒜、短蕊石蒜、忽地笑和黃長筒石蒜等物種的Fv/Fm較高等，說明這些物種的光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）的電子傳遞速率、光化學效率等光合生理特性較好，其光合效率和光合能力相對較高.對主要熒光參數綜合分析可知，中國石蒜、安徽石蒜、玫瑰石蒜和忽地笑等在供試的石蒜屬植物中具有較好的光合生理功能.

本研究表明，基于主要的葉綠素熒光參數可將供試的石蒜屬植物聚為三類，即長筒石蒜、香石蒜、鹿蔥、安徽石蒜、中國石蒜、短蕊石蒜和黃長筒石蒜聚為一類，該類群出葉期均為春季，其染色體數目多為16或27條，核型主要為6M+10T或6M+10T+11t；江蘇石蒜、稻草石蒜、乳白石蒜、陜西石蒜、石蒜、玫瑰石蒜、紅藍石蒜和換錦花聚為一類，該類群出葉期絕大多數為秋季，其染色體數目多為22或19條，核型主要為22t或3M+5T+11t；忽地笑單獨聚為一類，其染色體數目16條，核型6M+10T.從第一、二類聚類結果來看，其出葉期、染色體倍性及核型相近的物種基本聚為同一類，說明葉綠素熒光參數應用于石蒜屬分類可靠性較好.該聚類結果除忽地笑、中國石蒜、短蕊石蒜等少數種類的分類地位存在一定分歧外，大多數石蒜屬物種的分類位置與形態(tài)學[25]、葉綠體trn H-psb A[10]、atp B-rbc L[26]等序列分類結果基本一致；同時也進一步證實了袁菊紅[9]認為玫瑰石蒜、紅藍石蒜、江蘇石蒜、乳白石蒜、稻草石蒜的親緣關系比較近的研究結論；并且支持了張露等[8]有關忽地笑在石蒜屬的分類地位，認為忽地笑作為廣布種，明顯區(qū)別于其他種，單獨聚在一起，與其他種的遺傳距離大、親緣關系遠等研究結論.但忽地笑與中國石蒜、安徽石蒜、長筒石蒜的染色體數目及核型相同或相近，尤其與中國石蒜的花型、花色等性狀極其相似，其分類位置不同或親緣關系較遠，還有待深入研究.

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