模擬粉塵覆蓋對(duì)瓜葉菊葉片光合特性的影響

都 潔，宋會(huì)興

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，成都611130）

瓜葉菊（Pericallis hybrid）又名富貴菊、黃瓜花，是菊科瓜葉菊屬多年生草本植物。瓜葉菊葉片大，綠色光亮，頭狀花序聚合成傘房花序，密集覆蓋于枝頂，花色豐富，花形優(yōu)雅[1]，是深受人們喜愛(ài)的觀賞花卉之一，在城市街道、廣場(chǎng)等綠地系統(tǒng)中廣泛栽植應(yīng)用。

粉塵，特別是細(xì)顆粒粉塵，被認(rèn)為是對(duì)人體的健康危害最大且最具代表性的大氣污染物[2]。初步研究證實(shí)大氣粉塵濃度的短期變化與人體心血管系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)發(fā)病率、死亡率等健康問(wèn)題密切相關(guān)[3]。園林植物可以通過(guò)消減空氣中的粉塵含量改善城市環(huán)境[4]。然而，粉塵覆蓋后對(duì)園林植物生長(zhǎng)代謝影響方面的報(bào)道并不多見(jiàn)。本文利用可溶性淀粉模擬粉塵，就瓜葉菊對(duì)不同程度的粉塵覆蓋的光合生理特征進(jìn)行研究，旨在探討觀賞植物瓜葉菊對(duì)粉塵污染環(huán)境的適應(yīng)能力。

1 材料和方法

1.1 研究材料

試驗(yàn)選用瓜葉菊幼苗為材料。于2016年9月將瓜葉菊種子播種于塑料盆內(nèi)，塑料盆規(guī)格為上口內(nèi)徑27 cm，盆底內(nèi)徑24 cm，高度26 cm。播種后5 d出苗，生長(zhǎng)20 d后，每盆定植2株，選擇株高、葉片數(shù)量、大小等長(zhǎng)勢(shì)一致的植株為試驗(yàn)植株。選用水溶性淀粉（直徑100μm左右）模擬粉塵覆蓋。

1.2 材料處理

10月下旬，瓜葉菊長(zhǎng)出3片真葉時(shí)，開始模擬降塵處理。試驗(yàn)采用不同濃度梯度水溶性淀粉溶液模擬大氣降塵。水溶性淀粉溶液濃度設(shè)置為：0（CK）、0.10、0.15、0.20 mg/mL，共4個(gè)處理，每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)。粉塵濃度梯度設(shè)置依據(jù)肖慧玲[5]的室外采集實(shí)驗(yàn)。將淀粉溶液噴灑至植株葉片表面至有液滴從葉尖滴落為止，噴施淀粉溶液時(shí)在土壤上覆蓋塑料薄膜。每隔5天噴施1次，每次噴施前先用蒸餾水洗凈葉片。持續(xù)處理40 d后測(cè)定植物相關(guān)指標(biāo)。土壤含水量保持在50%～60%，采用人工灌溉方式。

1.3 葉片采樣

保證整棵植株被粉塵覆蓋，選取植株從下至上的第4片功能葉，進(jìn)行光合參數(shù)測(cè)定。另選相同葉位葉片，用棉布擦洗干凈，展平放入牛皮紙信封，置于4℃的冰箱中低溫保存，分別進(jìn)行葉綠素、比葉面積的測(cè)定。剩余葉片在烘箱中70℃烘干至恒重，進(jìn)行全氮的測(cè)定。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目

1.4.1 瓜葉菊光合參數(shù)的測(cè)定

使用Li-6400便攜式光合儀測(cè)定瓜葉菊葉片光合參數(shù)。測(cè)定時(shí)間為晴朗天氣的上午9：00～12：00。光響應(yīng)曲線采用紅藍(lán)光源、光合有效輻射（photosynthetically active radiation，PAR）為：1 500、1 200、1 000、800、600、500、400、300、250、200、150、100、80、50、0μmol/（m2·s）測(cè)定條件控制在：空氣流速為500μmol/s，溫度設(shè)置為（25±1）℃，相對(duì)濕度為（60±5）%，CO2濃度為380μmol/mol。

CO2響應(yīng)曲線測(cè)定設(shè)定條件和光響應(yīng)曲線保持一致。光量子通量密度（PPFD）設(shè)置為植株光飽和點(diǎn)處的光照強(qiáng)度大小，利用CO2鋼瓶控制參比室CO2濃度，測(cè)定不同濃度梯度CO2濃度下凈光合速率（Pn）。按照測(cè)得的Pn與胞間二氧化碳濃度（Ci）值繪制曲線求得飽和光強(qiáng)下葉片最大凈光合速率Pmax。

1.4.2 瓜葉菊光合色素的測(cè)定

光合色素測(cè)定采用酒精提取法。葉片用蒸餾水沖洗干凈，紗布擦干，剪碎稱重，95%酒精浸泡，置于暗處，浸提4 d，測(cè)定在665、649和470 nm 3個(gè)波長(zhǎng)下的吸光度。葉綠素a（Ca）、葉綠素b（Cb）和總?cè)~綠素（Cc）濃度（mmol/g）根據(jù)如下公式計(jì)算：

1.4.3 瓜葉菊葉片比葉面積與葉氮含量的測(cè)定

使用掃描儀（Epson perfection V700 photo，Japan）掃描葉片，用形態(tài)分析軟件（WinSEEDLE Pro 2012a 11April 2012）計(jì)算葉面積。將掃描后的葉片置于信封中，在70℃烘箱中烘干至恒重，進(jìn)行全氮的測(cè)定。葉片氮含量采用硫酸—過(guò)氧化氫—半微量凱氏定氮法測(cè)定[6]。比葉面積（SLA）=葉面積/葉干重。

1.4.4 瓜葉菊光合氮分配系數(shù)的測(cè)定

根據(jù)D.Loustau等[7]人的方法計(jì)算最大電子傳遞速率（Jmax）。最大羧化速率（Vcmax）參照G.D.Farquhar等[8]的方法計(jì)算，利用ü.Niinemets等[9-10]的方法計(jì)算氮分配系數(shù)，包括分配到羧化系統(tǒng)的氮含量（PC）、分配到生物力能學(xué)的氮含量（PB）、分配到捕光成分的氮含量（PL），葉片光合氮（PT）是前三者之和。公式如下：

NA是葉片單位面積的氮含量（g/m2）；NM是葉片單位質(zhì)量氮含量（mg/g）；Cc為葉綠素濃度（mmol/g）；CB是定值，5.79 mmol/g。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0進(jìn)行單因素ANOVA顯著性水平檢驗(yàn)。利用Graphpad Prism 7繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 瓜葉菊葉片最大凈光合速率（Pmax）

瓜葉菊在未施加處理的時(shí)候最大凈光合速率為10.93μmol/（m2·s），隨著粉塵濃度升高，瓜葉菊葉片最大凈光合速率呈下降趨勢(shì)。淀粉最高濃度（0.20 mg/mL）覆蓋后使得瓜葉菊葉片最大凈光合速率Pmax較對(duì)照降低了13.39%，但二者差異未達(dá)到顯著水平（圖1）。

2.2 瓜葉菊葉片最大電子傳遞速率（Jmax）和最大羧化速率（Vcmax）

在粉塵覆蓋下，瓜葉菊葉片Jmax呈下降趨勢(shì)（P＞0.05），高濃度（0.20 mg/mL）粉塵覆蓋與對(duì)照相比下降14.98%（圖2A），為37.62μmol/（m2·s）；在粉塵覆蓋時(shí)，瓜葉菊葉片Vcmax為46.95μmol/（m2·s），高濃度的粉塵處理組Vcmax為53.76μmol/（m2·s），二者差異不顯著（圖2B）。

圖1 瓜葉菊在模擬粉塵覆蓋下的最大凈光合速率（Pmax）Figure 1 Maximum net photosynthetic rate（Pmax）in P.hybrid under simulateddustcoverage

圖2 瓜葉菊在模擬粉塵覆蓋下的最大電子傳遞速率（Jmax）和最大羧化速率（Vcmax）Figure 2 Maximum electron transfer rate（Jmax）、maximum carboxylation rate（Vcmax）in P.hybrid under simulated dust coverage

2.3 瓜葉菊比葉面積（SLA）和光合色素含量

比葉面積（SLA）是葉片面積與干重之比。瓜葉菊在對(duì)照中，比葉面積達(dá)到613.68 cm2/g。粉塵覆蓋使得瓜葉菊葉片比葉面積增大，在粉塵濃度為0.15、0.20 mg/mL時(shí)，比葉面積分別比對(duì)照高出29.10%、28.80%（圖3A）。

粉塵處理后瓜葉菊葉片葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量均表現(xiàn)出非常一致的變化趨勢(shì)，即粉塵覆蓋并沒(méi)有顯著影響瓜葉菊葉片內(nèi)光合色素的含量（圖3B、3C、3D）。

2.4 瓜葉菊葉片氮含量

隨著粉塵濃度的增加，瓜葉菊葉片NA、NM含量都呈降低趨勢(shì)（圖4）。與對(duì)照相比，粉塵覆蓋顯著降低瓜葉菊葉片NA21.82%、28.46%、34.93%。但是，瓜葉菊葉片NM下降趨勢(shì)并不顯著，最大降幅僅為10.92%。

2.5 瓜葉菊葉片光合氮分配格局

瓜葉菊光合氮主要分配到羧化系統(tǒng)中，模擬粉塵覆蓋改變了葉氮在瓜葉菊葉片光合系統(tǒng)中的分配格局。隨著粉塵濃度的增加，葉氮在光合機(jī)制的分配系數(shù)（PT）、捕光成分中的分配系數(shù)（PL）、羧化系統(tǒng)的分配系數(shù)（PC）都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)（圖5A、5B、5D）。0.10～0.20 mg/mL粉塵覆蓋使PT分別較對(duì)照顯著增加了38.48%、49.85%、69.56%（圖5A），PL增加了16.30%、12.01%、22.40%（圖5B）。0.20 mg/mL粉塵覆蓋使PC顯著增加了75.37%，0.10、0.15 mg/mL粉塵也使PC增加了33.52%、52.37%（圖5D）。分配到生物力能學(xué)的PB隨著粉塵處理濃度升高，先升高后降低，在0.15 mg/mL達(dá)到最大值（圖5C）。

圖4 瓜葉菊在模擬粉塵覆蓋下的葉片氮含量Figure 4 Leaf nitrogen content in P.hybrid under simulated dust coverage

圖5 瓜葉菊在模擬粉塵覆蓋下的光合氮分配Figure 5 Photosynthetic nitrogen distribution in P.hybrid under simulated dust coverage

3 討論與結(jié)論

植物具有阻隔噪音、降低粉塵污染的作用，葉片具溝壑且粗糙的植物滯塵量較大[11]。園林植物在城市建設(shè)中廣泛應(yīng)用以改善環(huán)境。瓜葉菊葉片寬大，葉表面粗糙，全株被絨毛，具有良好的滯塵能力，廣泛栽植于城市道路及廣場(chǎng)綠地中。在本研究中，隨著可溶性淀粉模擬的粉塵覆蓋程度的增加，瓜葉菊葉片Pmax呈下降趨勢(shì)，但最大粉塵覆蓋與對(duì)照之間并沒(méi)有顯著性差異（圖1）；粉塵覆蓋后瓜葉菊葉片單位面積氮含量顯著降低（圖4B）；但葉片在光合機(jī)制的氮分配系數(shù)顯著增加（圖5）。結(jié)果預(yù)示著可溶性淀粉模擬的粉塵覆蓋并沒(méi)有顯著影響瓜葉菊的光合能力，瓜葉菊通過(guò)改變光合氮分配格局緩解了粉塵覆蓋對(duì)葉片光合能力的影響，因而對(duì)粉塵具有耐受性。

植物葉片光合色素含量、Jmax、Vcmax與其光合能力Pmax密切關(guān)聯(lián)[12]。研究中可溶性淀粉模擬的粉塵覆蓋并沒(méi)有顯著影響瓜葉菊葉片Pmax，光合色素含量、Jmax、Vcmax等參數(shù)在處理間也沒(méi)有出現(xiàn)顯著性變化。這與粉塵覆蓋能影響植物氣孔、降低葉綠素含量、降低植物凈光合速率[13-14]的研究結(jié)果并不一致。城市道路產(chǎn)生的粉塵中不乏鈉、鈣等堿性物質(zhì)的存在[15]，這些物質(zhì)溶于細(xì)胞液形成的堿性環(huán)境是破壞葉綠體結(jié)構(gòu)、阻礙葉綠體合成的重要原因[16]。盡管可溶性淀粉不會(huì)直接破壞葉綠體和阻礙光合色素的合成，粉塵覆蓋可能造成弱光環(huán)境會(huì)導(dǎo)致植物葉片凈光合速率的降低[17]。粉塵還可能堵塞氣孔[13]，影響胞間CO2濃度，使過(guò)量的能量通過(guò)循環(huán)電子傳遞進(jìn)行耗散[18]。

在弱光環(huán)境下，植物通常比葉面積增大[19-21]，葉片氮含量相對(duì)較低[21]。植物比葉面積和葉片氮含量呈負(fù)相關(guān)，共同響應(yīng)外界環(huán)境因子的變化[22]。粉塵覆蓋使到達(dá)葉片的光合有效輻射減少[23]，對(duì)植物葉片具有陰蔽作用[17]。瓜葉菊SLA隨著粉塵濃度的增加而增大，顯示出適應(yīng)弱光的形態(tài)特征[22]。氮不僅是植物體的重要構(gòu)成物質(zhì)，更參與了植物體的代謝過(guò)程[24-25]。在林窗形成的弱光環(huán)境中，油樟（Cinnamomum longepaniculatum）NA顯著降低[21]。粉塵覆蓋使鳳仙（Impatiens balsaminaL.）NA降低[14]，與弱光對(duì)植物葉片氮含量的影響一致。在瓜葉菊中，NA、NM均表現(xiàn)出隨著粉塵濃度的升高而降低，尤其是NA，與對(duì)照差異顯著，這與粉塵覆蓋時(shí)瓜葉菊SLA增大有關(guān)。

植物光合氮是葉氮的主要組成部分，最高有75%的葉氮參與光合作用[24]。光合氮在捕光組分、生物力能學(xué)、羧化系統(tǒng)之間的分配格局反映不同植物在特定環(huán)境下的適應(yīng)策略[26-29]。在75%遮陰水平時(shí)，香榧（Torreya grandis）將更多的氮分配到PC、PB提高光合氮利用效率PNUE，以提高光合能力[26]；桃（Amygdalus persicaL.）的PC、PB隨光照強(qiáng)度的增加會(huì)顯著增加[27]。日本落葉松（Larix kaempferi）[28]、油樟[21]在弱光環(huán)境中分配更多的氮到捕光蛋白LHC、光合系統(tǒng)I、光合系統(tǒng)II，即捕光成分PL，捕獲更多的電子，維持較高的光合作用以適應(yīng)遮陰環(huán)境。和弱光環(huán)境中三七（Panax notoginseng）[29]的氮分配策略類似，瓜葉菊在粉塵覆蓋時(shí)表現(xiàn)出全面提高分配到光合系統(tǒng)中的葉氮，包括PL、PB、PC，其中PC升高比例最大，即投入更多的氮用于合成Rubisco。Rubisco是植物中最多的蛋白質(zhì)[24]，是光合作用的限速酶[9]。由此推斷，在粉塵覆蓋時(shí)，瓜葉菊葉片通過(guò)增加葉片對(duì)光合氮的投入，尤其是增加分配到羧化系統(tǒng)中的氮的比例來(lái)維持自身光和系統(tǒng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，是其適應(yīng)粉塵覆蓋的重要機(jī)制。