不同鹽漬條件下海濱錦葵光合-光響應(yīng)模型

溫黎明,趙秀梅,董軻,崔冰,高小淇,殷曉曉,王菊,范海

(山東師范大學(xué)，山東省逆境植物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014)

近年來，世界性的土壤鹽漬化問題受到了廣泛關(guān)注。我國的土壤鹽漬化主要分布在廣袤的荒漠、干旱、半干旱地區(qū)，但地勢(shì)相對(duì)低平，地下徑流匯集、出流滯緩的區(qū)域，也存在著各種類型的土壤次生鹽漬化現(xiàn)象[1-2]，這對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。由于人口增長(zhǎng)過快，未來越來越多的荒地將被用作耕地[3]。海濱錦葵(Kostelezkyavirginica)是錦葵科草本植物，經(jīng)濟(jì)用途為纖維、藥用、食用、觀賞等[4]。另外，海濱錦葵花形美麗、花期長(zhǎng)、耐鹽堿，是海濱綠化和改良鹽堿地的優(yōu)選植物。海濱錦葵原產(chǎn)于美國，1993年，南京大學(xué)欽佩教授將海濱錦葵種子引進(jìn)中國[5]。前人對(duì)海濱錦葵的抗鹽生理研究較多，如鈣對(duì)NaCl脅迫下海濱錦葵種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的緩解效應(yīng)以及鹽脅迫對(duì)海濱錦葵生長(zhǎng)及Na+、K+離子積累的影響等等[6-9]。近幾年，海濱錦葵的轉(zhuǎn)錄組分析以及抗鹽基因成為研究熱點(diǎn)[10-11]，但鹽脅迫下海濱錦葵的光響應(yīng)曲線模型尚未報(bào)道。

光合作用是植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，含有光合色素的植物可通過光合作用將無機(jī)物同化成有機(jī)物并釋放氧[12]，但光合作用對(duì)鹽脅迫非常敏感，鹽脅迫可抑制植物的光合作用。光響應(yīng)曲線描述了光量子通量密度與植物凈光合速率之間的關(guān)系。目前國內(nèi)外常用的光響應(yīng)模型有直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型、指數(shù)模型以及直角雙曲線修正模型，通過光響應(yīng)曲線可以計(jì)算出植物的表觀量子效率α、最大凈光合速率Pn max、光飽和點(diǎn)(light saturation point, LSP)、光補(bǔ)償點(diǎn)(light compensation point , LCP)以及暗呼吸速率Rd等。不同的光響應(yīng)模型估算的參數(shù)也有一定的差異，本文對(duì)不同鹽脅迫處理的海濱錦葵進(jìn)行光響應(yīng)模型擬合，比較各種模型間光響應(yīng)參數(shù)的差異，找到各種鹽脅迫下最適的光響應(yīng)曲線模型，增進(jìn)對(duì)鹽脅迫條件下海濱錦葵光合作用的了解，旨在為準(zhǔn)確計(jì)算光響應(yīng)曲線參數(shù)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

海濱錦葵種子采自東營海濱，選取飽滿的海濱錦葵種子，浸泡露白，于2017年10月13日播種在裝有干凈細(xì)沙的塑料盆中，每盆3株，出苗后澆灌1/2的Hoagland溶液，待其長(zhǎng)出第2片真葉，轉(zhuǎn)為完全Hoagland溶液澆灌。4周后對(duì)植株進(jìn)行鹽處理，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理：0 mmol·L-1(完全Hoagland溶液，即對(duì)照組)、100 mmol·L-1、200 mmol·L-1、300 mmol·L-1(NaCl溶液用完全Hoagland溶液配制)，采用每日遞增法達(dá)到預(yù)期鹽濃度，鹽處理時(shí)間為兩周，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

1.2 光響應(yīng)曲線的測(cè)定

將植株放在太陽光下充分光適應(yīng)半小時(shí)，選取健康植株的第3片真葉為實(shí)驗(yàn)材料，采用CIRAS-3便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)(美國PPSystems)于上午9:30—11:30測(cè)定海濱錦葵的凈光合速率(Pn)等參數(shù)。光合有效輻射的梯度設(shè)置為2 000、1 750、1 500、1 250、1 000、800、600、400、200、100、50、25、0 μmol·m-2·s-1，CO2摩爾濃度為400 μmol·mol-1(大氣CO2摩爾濃度)，溫度為23 ℃(室溫)。

1.3 光響應(yīng)曲線模型

1.3.1 非直角雙曲線模型

非直角雙曲線模型[13]的表達(dá)式為：

(1)

式中,Pn為凈光合速率；Q為光量子通量密度；α是光響應(yīng)曲線在Q= 0時(shí)的斜率, 即植物的初始斜率或初始量子效率；Pn max為最大凈光合速率；θ為反映光響應(yīng)曲線彎曲程度的區(qū)角參數(shù)，取值0≤θ≤1；Rd為暗呼吸速率。式(1)是一個(gè)沒有極值的函數(shù)，無法由式(1)直接求出光補(bǔ)償點(diǎn)(LLCP)和光飽和點(diǎn)(LLSP)，因此，計(jì)算LLCP時(shí)用以下公式：

(2)

有學(xué)者假設(shè)0.7Pn max所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)為飽和光強(qiáng)[14]，因此本文用0.7Pn max估算飽和光強(qiáng)。

1.3.2 直角雙曲線模型

直角雙曲線模型[15]的表達(dá)式為：

(3)

式(3)也是一個(gè)沒有極值的函數(shù), 即直角雙曲線同樣是一條沒有極點(diǎn)的漸近線。計(jì)算LLCP時(shí)用以下公式：

(4)

光飽和點(diǎn)計(jì)算方法同非直角雙曲線。

1.3.3 指數(shù)模型

指數(shù)模型[16]的表達(dá)式為：

Pn=Pn max(1-e-αQ/Pn max)-Rd，

(5)

估算植物的飽和光強(qiáng)時(shí),需要假定光合速率為 0.9Pn max[17]或0.99Pn max[18]所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)為飽和光強(qiáng)。本文估算飽和光強(qiáng)時(shí)假定光合速率為 0.9Pn max。

1.3.4 直角雙曲線修正模型

直角雙曲線修正模型[19]的表達(dá)式為：

(6)

式中β和γ為系數(shù)，單位為m2·s·μmol-1，直角雙曲線修正模型存在極點(diǎn)，即存在飽和光強(qiáng)和最大凈光合速率[20]。飽和光強(qiáng)Isat的計(jì)算公式為：

(7)

最大凈光合速率Pn max的計(jì)算公式為：

(8)

光補(bǔ)償點(diǎn)LLCP的計(jì)算公式：

(9)

1.4 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)采用EXCEL 2010處理數(shù)據(jù)，采用Origin Pro 8.5軟件進(jìn)行曲線擬合。光響應(yīng)模型擬合參數(shù)和平均實(shí)測(cè)值見表1，擬合參數(shù)與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差見表2。

表1 不同鹽漬條件下海濱錦葵光合-光響應(yīng)模型擬合參數(shù)與實(shí)測(cè)值Table 1 Fitting parameters and measureddata of different photosynthetic and light-response models of Kostelezkya virginica under salt stress

續(xù)表1

表2 不同鹽漬條件下海濱錦葵光合-光響應(yīng)模型擬合參數(shù)與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差Table 2 The relative errors between fitting parameters and measured data of different photosynthetic and light-response models of Kostelezkya virginica under salt stress

2 結(jié)果與分析

2.1 非直角雙曲線模型對(duì)光響應(yīng)曲線的擬合

圖1 利用非直角雙曲線模型擬合的不同鹽脅迫下海濱錦葵的光響應(yīng)曲線Fig.1 Light response curve of Kostelezkya virginica under salt stress fitted by non-rectangular hyperbola model

由圖1和表1可知，非直角雙曲線模型對(duì)200 mmol·L-1NaCl處理的海濱錦葵整體擬合程度最高。其中R2高達(dá)0.997，最大凈光合速率為21.16 μmol·m-2·s-1，光飽和點(diǎn)為1 304.09 μmol·m-2·s-1，光補(bǔ)償點(diǎn)為51.61 μmol·m-2·s-1，暗呼吸速率為0.67 μmol·m-2·s-1。而其他模型擬合值與實(shí)測(cè)值差別較大，例如該模型對(duì)0 mmol·L-1處理的海濱錦葵在光合有效輻射為0～1000 μmol·m-2·s-1時(shí)的擬合程度較差。

2.2 直角雙曲線模型對(duì)光響應(yīng)曲線的擬合

從圖2和表1可以看出，直角雙曲線模型對(duì)對(duì)照組的擬合情況較好，直角雙曲線模型為0 mmol·L-1鹽處理時(shí)海濱錦葵的最適分析模型，其中初始量子效率為0.033，最大凈光合速率為26.67 μmol·m-2·s-1，光飽和點(diǎn)為2 002.89 μmol·m-2·s-1，光補(bǔ)償點(diǎn)為10.13 μmol·m-2·s-1，暗呼吸速率為0.33 μmol·m-2·s-1。其中光飽和點(diǎn)和暗呼吸速率擬合值與實(shí)測(cè)值接近，而最大凈光合速率和光補(bǔ)償點(diǎn)與實(shí)測(cè)值有一定的差別。由于該模型同樣是一個(gè)沒有極值的函數(shù)，對(duì)100 mmol·L-1、200 mmol·L-1、300 mmol·L-1NaCl處理的海濱錦葵光響應(yīng)曲線擬合時(shí)與實(shí)測(cè)值差別較大。

圖2 利用直角雙曲線模型擬合的不同鹽脅迫下海濱錦葵的光響應(yīng)曲線Fig.2 Light response curve of Kostelezkya virginica under salt stress fitted by rectangular hyperbola model

2.3 指數(shù)模型對(duì)光響應(yīng)曲線的擬合

雖然指數(shù)模型的形式很多，但無法擬合在飽和光強(qiáng)之后光合速率隨光強(qiáng)的增加而降低時(shí)的光響應(yīng)曲線。由圖3和表1、2知，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)4個(gè)不同的處理，當(dāng)實(shí)測(cè)值達(dá)到飽和光強(qiáng)時(shí)，擬合值卻一直上升，擬合效果不佳，相對(duì)誤差較大。因此該模型對(duì)鹽脅迫下海濱錦葵的光響應(yīng)曲線無實(shí)際應(yīng)用性。

圖3 利用指數(shù)模型擬合的不同鹽脅迫下海濱錦葵的光響應(yīng)曲線Fig.3 Light response curve of Kostelezkya virginica under salt stress fitted by exponential model

2.4 直角雙曲線修正模型對(duì)光響應(yīng)曲線的擬合

不少研究證明直角雙曲線修正模型具有良好的適用性，光合作用對(duì)光響應(yīng)修正模型中的系數(shù)β和γ具有確切的生物學(xué)意義，其中β為光抑制項(xiàng)，單位為m2·s·μmol-1，β值越大，表示植物越容易受到光抑制。γ為光飽和項(xiàng)，其單位也為m2·s·μmol-1，γ值越大，表示植物越容易達(dá)到飽和[21]。由圖4和表1、2可知，直角雙曲線修正模型對(duì)100 mmol·L-1處理組的擬合效果最佳，R2=0.989，初始量子效率為0.016，最大凈光合速率為22.10 μmol·m-2·s-1，光飽和點(diǎn)為1 878.82 μmol·m-2·s-1，光補(bǔ)償點(diǎn)為101.32 μmol·m-2·s-1，暗呼吸速率為1.62 μmol·m-2·s-1。另外，直角雙曲線修正模型對(duì)300 mmol·L-1鹽處理組的擬合效果也較好，R2=0.988，初始量子效率為0.007，最大凈光合速率為8.70 μmol·m-2·s-1，光飽和點(diǎn)為1 698.53 μmol·m-2·s-1，光補(bǔ)償點(diǎn)為113.31 μmol·m-2·s-1，暗呼吸速率為0.79 μmol·m-2·s-1。該模型可準(zhǔn)確擬合高光強(qiáng)下光合速率下降(光抑制)的情況。

圖4 利用直角雙曲線修正模型擬合的不同鹽脅迫下海濱錦葵的光響應(yīng)曲線Fig.4 Light response curve of Kostelezkya virginica under salt stress fitted by rectangular hyperbola modified model

3 討論

光響應(yīng)曲線是研究植物光合性能的重要方法[19]，在植物生理、品種篩選、植物抗性等方面的研究中被廣泛采用[22]。由于光響應(yīng)模型種類較多，不同的植物需要不同的光響應(yīng)模型；另外，同種植物在不同處理下，其最適光響應(yīng)模型也有一定的差異。已有的研究表明：陰生植物的LLCP<20 μmol·m-2·s-1或更低，LLSP為500～1000 μmol·m-2·s-1；而陽生植物L(fēng)LCP為50～100 μmol·m-2·s-1，LLSP為1 500～2 000 μmol·m-2·s-1或更高[23]。本實(shí)驗(yàn)除對(duì)照組海濱錦葵的LLCP≈20 μmol·m-2·s-1外，鹽處理組的LLCP和表觀量子效率均增加，說明鹽脅迫降低了海濱錦葵對(duì)弱光的利用能力；而LLSP均在陽生植物的劃定范圍內(nèi)。初步判斷海濱錦葵屬于陽生植物。

植物的光合作用機(jī)構(gòu)對(duì)逆境脅迫非常敏感，通常是逆境傷害的首要位點(diǎn)[24]。海濱錦葵是一種耐鹽的C3植物，適當(dāng)濃度的鹽脅迫可促進(jìn)其生長(zhǎng)。與鹽處理海濱錦葵葉片相比，對(duì)照組的葉片更成熟，但葉綠素含量略低，導(dǎo)致其光合速率降低；隨著鹽脅迫程度的加重，凈光合速率表現(xiàn)出先增高后降低的趨勢(shì)，100 mmol·L-1鹽脅迫處理時(shí)，凈光合速率實(shí)測(cè)值最大；300 mmol·L-1鹽脅迫處理時(shí)最大凈光合速率和光飽和點(diǎn)均降低，嚴(yán)重抑制植株的生長(zhǎng)，這與前人的研究一致[6]。本研究利用當(dāng)前常用的4個(gè)模型，對(duì)不同鹽脅迫處理的海濱錦葵進(jìn)行光響應(yīng)曲線擬合，分析了不同條件下的最適光響應(yīng)模型，對(duì)鹽脅迫下海濱錦葵的生態(tài)和生理研究有一定的意義。

本文采用相對(duì)誤差(RE)和決定系數(shù)(R2)來評(píng)價(jià)光響應(yīng)曲線的模擬效果。對(duì)照組的擬合效果：直角雙曲線模型直角雙曲線修正模型非直角雙曲線模型指數(shù)模型。直角雙曲線模型擬合效果最好，R20.98，Pn max與實(shí)測(cè)值相差7.77，LLSP與實(shí)測(cè)值相差47.14，LLCP與實(shí)測(cè)值相差9.84，Rd與實(shí)測(cè)值相差0.07。而其他模型擬合值與實(shí)測(cè)值相差較多。當(dāng)光照達(dá)到一定的強(qiáng)度時(shí)，對(duì)照組未出現(xiàn)光抑制，而直角雙曲線模型同樣沒有極值，故能擬合出光合速率隨著光強(qiáng)不斷上升的趨勢(shì)。100 mmol·L-1鹽脅迫時(shí)的擬合效果：直角雙曲線修正模型指數(shù)模型非直角雙曲線模型直角雙曲線模型。直角雙曲線修正模型擬合效果最佳，平均相對(duì)誤差(MRE)僅為0.09，R2=0.989，Pn max與實(shí)測(cè)值相差2.7，LLSP與實(shí)測(cè)值相差36.71，LLCP與實(shí)測(cè)值相差2.08，Rd與實(shí)測(cè)值相差0.22，而其他模型擬合值與實(shí)測(cè)值相差較多。一定鹽濃度對(duì)海濱錦葵的凈光合速率有促進(jìn)作用，此時(shí)海濱錦葵存在光抑制，直角雙曲線修正模型能精確擬合到光抑制的情況，這與前人[22, 25]對(duì)鹽脅迫下中山杉以及干旱脅迫下杠柳的研究結(jié)果一致。200 mmol·L-1鹽脅迫時(shí)的擬合效果：非直角雙曲線模型指數(shù)模型直角雙曲線修正模型直角雙曲線模型。200 mmol·L-1鹽脅迫時(shí)非直角雙曲線模型擬合效果較好，R2=0.997，Pn max與實(shí)測(cè)值相差2.56，LLSP與實(shí)測(cè)值相差645.28，LLCP與實(shí)測(cè)值相差8.87，Rd與實(shí)測(cè)值相差0.13，而其他模型擬合值與實(shí)測(cè)值相差較多。200 mmol·L-1鹽脅迫對(duì)海濱錦葵屬于中度脅迫，凈光合速率受到一定的抑制。300 mmol·L-1鹽脅迫時(shí)的擬合效果：直角雙曲線修正模型非直角雙曲線模型指數(shù)模型直角雙曲線模型。300 mmol·L-1鹽脅迫時(shí)直角雙曲線修正模型擬合效果較好，R2=0.988，Pn max與實(shí)測(cè)值相差0.46，LLSP與實(shí)測(cè)值相差677.38，LLCP與實(shí)測(cè)值相差30.3，Rd與實(shí)測(cè)值相差0.7。其次是非直角雙曲線模型，而其他模型擬合值與實(shí)測(cè)值相差較多。300 mmol·L-1鹽脅迫對(duì)海濱錦葵屬于重度脅迫，較高濃度的鹽脅迫會(huì)引起保衛(wèi)細(xì)胞吸水受限，從而導(dǎo)致氣孔開閉受限。

4個(gè)不同的鹽處理中，100 mmol·L-1鹽處理組用直角雙曲線修正模型擬合時(shí)精確度最高，直角雙曲線修正模型具有計(jì)算植物最大凈光合速率及飽和光強(qiáng)的公式[26]，更符合植物實(shí)際的光合過程。上述研究，為了解不同鹽濃度下海濱錦葵的光合特性提供了參考。