能源植物續(xù)隨子光合特性研究

孫超超，葛麗萍，任國(guó)鵬，元 博

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西太谷030801）

續(xù)隨子（Euphorbia lathyris L.）又名千金子、菩薩豆、小巴豆等，屬大戟科大戟屬的1年生或2年生草本植物[1-2]。續(xù)隨子是一種優(yōu)良的能源植物，種子含油量較高，其油體是植物種子貯脂的細(xì)胞器。續(xù)隨子總油脂含量45%～60%，脂肪酸成分以C16，C18脂肪酸為主，主要成分包括棕櫚酸（16∶0）、硬脂酸（18∶0）、油酸（18∶1）、亞油酸（18∶2）、亞麻酸（18∶3）等，其中，油酸（18∶1）含量可高達(dá)總油脂的84%以上，與理想柴油替代品C19H36O2的分子組成類(lèi)似[3]，是一種經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值較高的生物質(zhì)能源材料[4]。因此，續(xù)隨子被譽(yù)為“石油植物”。

續(xù)隨子是一種具有很高藥用價(jià)值的蛋白質(zhì)資源[5]，其種子油脂含量較高，工業(yè)上用于制肥皂、軟皂及潤(rùn)滑油等[6]；續(xù)隨子種皮可以治療膽囊炎[7]，種子的浸提液制成化妝品，對(duì)色斑的形成有一定的抑制作用[8-9]，另外，續(xù)隨子種子的浸提液也用作土農(nóng)藥，用于防治螟蟲(chóng)、蚜蟲(chóng)等；其種子、莖、葉及莖中白色乳汁均可入藥，有消腫、殺蟲(chóng)、導(dǎo)瀉、鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛、抗炎、抗菌、抗腫瘤、利尿等作用[10]，在國(guó)外也有用于癌癥治療的記載[11]；臨床報(bào)道續(xù)隨子還可治療晚期血吸蟲(chóng)病腹水、毒蛇咬傷[12-14]等癥狀。

根據(jù)江蘇植物研究所與中科院林業(yè)土壤所分析，續(xù)隨子種子含有脂肪酸、萜類(lèi)、甾類(lèi)、香豆素、黃酮類(lèi)等化學(xué)成分[15]，其中，萜類(lèi)物質(zhì)與石油成分相似；王亞輝等[16]用氣相色譜－質(zhì)譜（GC－MS）聯(lián)用儀分析續(xù)隨子油脂肪酸的組成和含量，結(jié)果表明，續(xù)隨子冷榨油含7種脂肪酸，主要為油酸，不飽和脂肪酸占比最大，具有很好的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。在國(guó)外，美國(guó)卡爾文教授提出續(xù)隨子的脂肪酸成分與石油類(lèi)似，并且1 hm2土地可生產(chǎn)25～125桶石油[17]。歐美部分國(guó)家已開(kāi)始續(xù)隨子育種方面的研究，希望通過(guò)提高續(xù)隨子的產(chǎn)量來(lái)實(shí)現(xiàn)生物柴油的高產(chǎn)。

植物油脂的可持續(xù)生產(chǎn)以及解決當(dāng)今全球所面臨的糧食安全、能源安全和人類(lèi)健康等問(wèn)題極為重要，開(kāi)發(fā)應(yīng)用非糧食作物專(zhuān)用于生物燃油生產(chǎn)，可解除糧食作物用于生物燃油生產(chǎn)對(duì)全球糧食安全的威脅，是當(dāng)今農(nóng)業(yè)生物技術(shù)和生物能源研究領(lǐng)域一個(gè)新的熱點(diǎn)。

續(xù)隨子種子的油脂含量較高，其油脂的積累是和它的光合作用產(chǎn)物密切相關(guān)的。目前，針對(duì)續(xù)隨子光合特性的相關(guān)研究相對(duì)較少。因此，本研究通過(guò)對(duì)續(xù)隨子生長(zhǎng)期光合指標(biāo)的測(cè)定，旨在探究續(xù)隨子凈光合速率的變化規(guī)律，以期為續(xù)隨子種子油脂合成積累主要時(shí)期的確定和后續(xù)篩選與油脂合成相關(guān)基因的試驗(yàn)以及續(xù)隨子的開(kāi)發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于山西省晉中市太谷縣山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院苗圃，試驗(yàn)地為褐土，稍偏堿性，腐殖質(zhì)含量少，土壤肥力中等。太谷縣位于晉中盆地東北部，屬暖溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為5～10℃，1月份最冷，7月份最熱；在一年中，日照時(shí)數(shù)隨季節(jié)變化較大，5—6月份日照時(shí)數(shù)最長(zhǎng)，平均每天12 h左右；年平均降水量約為458 mm，6—8月降水量最多，12月至次年2月降水較少。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用續(xù)隨子種子采自晉中榆次栽培植株，播種于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院苗圃。

1.3 試驗(yàn)方法

將續(xù)隨子成熟果實(shí)去皮后，挑選顆粒均勻飽滿且頂端具種阜的種子，在55℃溫水中浸種30 min，再用0.1%的KMnO4溶液浸種1～2 h，最后蒸餾水洗凈備用。選地要求排水良好、陽(yáng)光充足，播種前澆透水，隔1～2 d深耕20～30 cm，耙碎耙平。播種采用穴播，每穴播種1～2粒種子，按行距30 cm、株距25 cm開(kāi)穴，覆土 2～3 cm[18]。

2017年4月26日播種，一般15～20 d出苗，在此期間適當(dāng)澆水，保持土壤濕潤(rùn)。當(dāng)株高約20 cm時(shí)，間去過(guò)密的幼苗，定期除草。夏季出現(xiàn)高溫高濕天氣時(shí)，及時(shí)排水防澇，防止植株發(fā)生立枯病、褐斑病、灰霉病等病害[19]，并做好防護(hù)措施。種子在9月下旬至10月上旬成熟，采收種子并晾曬，在干燥環(huán)境中保存。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

光合作用的一個(gè)突出特點(diǎn)是對(duì)植物自身生理狀態(tài)和外界環(huán)境條件的變化高度敏感[20]。大量研究表明，葉片不同葉位、不同葉齡、同一葉片不同部位的光合速率明顯不同[21]，葉片取向和著生角度等也對(duì)光合速率有著顯著影響[22-23]。此外，不同的天氣狀況對(duì)光合作用測(cè)定結(jié)果有顯著的影響[21]。因此，在測(cè)定光合數(shù)據(jù)時(shí)，須選擇適當(dāng)?shù)奶鞖狻r(shí)間、葉位和正確的測(cè)定方法等。

基于閆曉帥等[24]對(duì)續(xù)隨子栽培周期的研究，在山西太谷地區(qū)，6，7，8月是續(xù)隨子生長(zhǎng)發(fā)育較為旺盛的時(shí)期，研究這3個(gè)月的光合作用對(duì)后期研究續(xù)隨子油脂積累主要時(shí)期的確定和后續(xù)相關(guān)生物分子試驗(yàn)具有重要的參考價(jià)值。

本研究采用CI-340便攜式光合測(cè)定儀，于6，7，8月3個(gè)月連續(xù)測(cè)定了續(xù)隨子光合指標(biāo)的變化。隨機(jī)選取3株長(zhǎng)勢(shì)一致的植株，每株測(cè)定3枚葉片，選取植株自生長(zhǎng)點(diǎn)往下第2葉位的葉片，每枚葉片測(cè)3次重復(fù)，并取平均值。從6月10日開(kāi)始（天氣晴朗），每隔10 d測(cè)定一次，測(cè)定時(shí)間為10：00，測(cè)定指標(biāo)包括凈光合速率（Pn）、光照強(qiáng)度（PAR）、胞間CO2濃度（Ci）、田間CO2濃度（Ca）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、環(huán)境溫度（Ta）、相對(duì)濕度（RH）以及流速（V）等生理生態(tài)指標(biāo)，流速一般為0.6 L/min。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用WPS 2016和SPSS軟件進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 續(xù)隨子生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期

表1 續(xù)隨子生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期 月-日

由表1可知，本試驗(yàn)種植的續(xù)隨子的整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育周期為170 d左右。幼苗期和營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期大約40 d；開(kāi)花期和果期為生殖生長(zhǎng)時(shí)期，大約110 d。同一植株上，前期開(kāi)的花已結(jié)果時(shí)，新花序還在陸續(xù)形成，所以續(xù)隨子花期和果期的持續(xù)時(shí)間均較長(zhǎng)，并且開(kāi)花期和果期在時(shí)間上有重疊，是相伴隨的。

2.2 續(xù)隨子凈光合速率變化特性分析

從圖1可以看出，續(xù)隨子凈光合速率呈現(xiàn)單峰曲線，6月份續(xù)隨子凈光合速率低于7月份，增長(zhǎng)速率較緩；7月10—20日續(xù)隨子凈光合速率迅速上升，7月20日左右出現(xiàn)最高峰，達(dá)到3個(gè)月中的最高值 16.87 μmol/（m2·s），7 月 20 日到 8 月 10 日續(xù)隨子凈光合速率逐漸下降，一直到8月下旬都呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，但下降幅度越來(lái)越小。

2.3 植物外部環(huán)境因素與續(xù)隨子凈光合速率的關(guān)系

植物外部環(huán)境因素對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有著密切的聯(lián)系，也對(duì)植物的光合作用有直接或間接的影響[25]。本研究主要測(cè)定了續(xù)隨子在田間自然環(huán)境下，光照強(qiáng)度（PAR）、田間CO2濃度（Ca）、環(huán)境溫度（Ta）、相對(duì)濕度（RH）的變化情況，目的是找出這4項(xiàng)外部環(huán)境指標(biāo)與凈光合速率（Pn）之間的關(guān)系。

表2 續(xù)隨子凈光合速率和外部環(huán)境指標(biāo)比較

圖 2是 6，7，8月續(xù)隨子葉片光照強(qiáng)度（PAR）、田間 CO2濃度（Ca）、環(huán)境溫度（Ta）、相對(duì)濕度（RH）的變化曲線。結(jié)合圖2的變化曲線以及表2各項(xiàng)指標(biāo)的比較可以看出，在7月20日，4項(xiàng)指標(biāo)均出現(xiàn)了最大或最小值，續(xù)隨子凈光合速率與光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度均呈正相關(guān)，其光照強(qiáng)度與環(huán)境溫度相比相關(guān)性更加顯著；凈光合速率與田間CO2濃度及相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)性較顯著；環(huán)境溫度和相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)性也較顯著。從整體來(lái)看，光照強(qiáng)度對(duì)凈光合速率有主要影響。

2.4 植物內(nèi)部自身因素與續(xù)隨子凈光合速率的關(guān)系

植物在生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程中，不僅與植物所處的外界環(huán)境有關(guān)，也與植物內(nèi)部自身因素有很大關(guān)系。因此，在研究植物的凈光合速率時(shí)，也要充分考慮到植物內(nèi)部自身因素的影響。本研究通過(guò)CI-340便攜式光合測(cè)定儀對(duì)續(xù)隨子的蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）進(jìn)行了測(cè)定，并研究了這3項(xiàng)指標(biāo)與凈光合速率（Pn）之間的關(guān)系。

圖3是6，7，8月續(xù)隨子葉片蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）的變化曲線。結(jié)合圖3的變化曲線以及表3各項(xiàng)指標(biāo)的比較可以看出，續(xù)隨子凈光合速率與氣孔導(dǎo)度變化趨勢(shì)較為一致，呈顯著正相關(guān)；蒸騰速率與凈光合速率也呈正相關(guān)，和氣孔導(dǎo)度相比相關(guān)性較低；但胞間CO2濃度與凈光合速率呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)性較顯著。

表3 續(xù)隨子凈光合速率和植物內(nèi)部指標(biāo)比較

3 結(jié)論與討論

續(xù)隨子是一種優(yōu)良的新型油料作物[6]，通過(guò)光合作用積累大量的有機(jī)物，其種子含油量很高，開(kāi)發(fā)利用前景廣闊。因此，本研究通過(guò)對(duì)續(xù)隨子生長(zhǎng)旺盛的6，7，8月3個(gè)月的光合指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。在測(cè)定的過(guò)程中，綜合考慮了各方面的影響因素，包括續(xù)隨子所處的外部環(huán)境因素，光照強(qiáng)度（PAR）、田間CO2濃度（Ca）、環(huán)境溫度（Ta）、相對(duì)濕度（RH）對(duì)其光合作用的影響，并分析了這4項(xiàng)指標(biāo)與凈光合速率之間的相關(guān)性；同時(shí)，也考慮了續(xù)隨子內(nèi)部自身因素對(duì)其光合作用的影響，測(cè)定了蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）的變化趨勢(shì)，并分析了這3項(xiàng)指標(biāo)與凈光合速率之間的相關(guān)性，可以為續(xù)隨子種子油脂合成積累主要時(shí)期的確定和后續(xù)篩選油脂合成相關(guān)基因的相關(guān)試驗(yàn)以及續(xù)隨子的開(kāi)發(fā)利用提供重要的參考依據(jù)。

研究發(fā)現(xiàn)，在7月20日，續(xù)隨子的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、光照強(qiáng)度以及環(huán)境溫度都是最高的，而田間CO2濃度、胞間CO2濃度、相對(duì)濕度均最低，這也符合凈光合速率與蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、光照強(qiáng)度以及環(huán)境溫度呈正相關(guān)，而與田間CO2濃度、胞間CO2濃度、相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)。7月份續(xù)隨子凈光合速率最高，其原因：一方面，7月份續(xù)隨子還沒(méi)有完全進(jìn)入生殖生長(zhǎng)時(shí)期，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)還占據(jù)主導(dǎo)地位，光合作用仍然較強(qiáng)；另一方面，7月份續(xù)隨子植株整體較為鮮嫩，光合色素含量豐富。6月與7月相比，光照強(qiáng)度較低，其他各項(xiàng)指標(biāo)也都隨著光照強(qiáng)度的高低發(fā)生相應(yīng)的變化。8月與7月相比，光合作用的各項(xiàng)指標(biāo)明顯下降，其原因主要是環(huán)境的溫度和濕度等指標(biāo)發(fā)生相應(yīng)變化造成的，一是植株主要進(jìn)行生殖生長(zhǎng)，處于種子油脂積累的主要時(shí)期；二是部分植株開(kāi)始進(jìn)入衰老期，葉片逐漸泛黃，葉綠素含量明顯下降。這與許大全[26]提出的引起植物葉片凈光合速率下降的植物自身因素的2個(gè)方面相一致。

綜上所述，7月份是測(cè)定續(xù)隨子光合作用各項(xiàng)指標(biāo)的最佳月份，也是續(xù)隨子生長(zhǎng)發(fā)育最好的月份，而8月是續(xù)隨子種子開(kāi)始積累油脂的主要時(shí)期。