武瑞瑞,黃家雄,楊 陽,李亞男,張曉芳,呂玉蘭,何紅艷,李貴平
(云南省農(nóng)科院熱帶亞熱帶經(jīng)濟作物研究所,云南 保山 678000)
【研究意義】影響植物正常生長的環(huán)境因素有很多,如光照、溫度及CO2濃度等。環(huán)境脅迫對植物光合作用的影響是多方面的。而葉綠素?zé)晒馐枪夂系奶结?,能更加真實的反?yīng)植物的光合作用。植物葉片葉綠素?zé)晒馓匦砸驯粡V泛應(yīng)用到植物光合機理和逆境生理等研究領(lǐng)域[1-2]。光合日變化是維持植物光合機構(gòu)內(nèi)不同組分響應(yīng)和適應(yīng)環(huán)境條件的一種平衡能力的反應(yīng),葉綠素?zé)晒鈪?shù)則反映光合機構(gòu)內(nèi)一系列重要的適應(yīng)調(diào)節(jié)過程[3]。開展咖啡葉綠素?zé)晒馊兆兓难芯坑兄诹私猸h(huán)境對咖啡光合作用的影響及咖啡對環(huán)境的適應(yīng)方式。【前人研究進展】朱弘等[4]對不同竹齡毛竹冠層葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)日變化的研究發(fā)現(xiàn),適當(dāng)提高4年生毛竹在竹林中的比重,通過優(yōu)化毛竹立竹結(jié)構(gòu)和林肥管理可提高毛竹林經(jīng)營綜合效益。習(xí)玉森等[5]研究了不同生長型觀賞桃葉的葉綠素?zé)晒馊兆兓?,發(fā)現(xiàn)生長季內(nèi)8月上旬PSII中心出現(xiàn)可逆失活,不同生長型葉綠素?zé)晒庥幸欢ú町?。王直亮等?]通過研究不同菜心品種葉綠素?zé)晒鈪?shù)日變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)隨著光強和溫度的變化,在一定范圍內(nèi),PSII可逆性功能失活,且耐熱性強的菜心品種恢復(fù)速率較高。喬梅梅等[7]研究了不同種植處理與不同環(huán)境下黑果枸杞葉綠素?zé)晒鈪?shù)的日變化,發(fā)現(xiàn)壟栽各熒光參數(shù)變化幅度小,且熒光參數(shù)與光強和溫度等環(huán)境因子的相關(guān)性低,所以黑果枸杞高效種植采取壟栽。韋陽連等[8]研究了龍船花屬3種植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)的日變化,發(fā)現(xiàn)3種龍船花的光合性能及耐陰性為龍船花>大王龍船花>大葉黃龍船花。【本研究切入點】對大粒種、中粒種以及小粒種咖啡卡蒂姆2和卡蒂姆3的葉綠素?zé)晒馊兆兓M行比較,了解它們熒光特性的差異及與氣象因子的相關(guān)性?!緮M解決的關(guān)鍵問題】測定5月份咖啡葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fo的日變化規(guī)律及其與溫度、濕度、太陽光照強度等影響因子間的關(guān)系,有助于了解咖啡對環(huán)境的適應(yīng)性,為選育適宜本地氣候特點的咖啡提供研究基礎(chǔ)。
云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶亞熱帶經(jīng)濟作物研究所潞江壩基地(98°53′E,21°59′N),海拔720 m,具有典型的干熱河谷氣候,干濕季節(jié)非常分明,雨熱同期,冬無嚴(yán)寒,夏無酷暑;11月至次年5月為干季,6~10月為濕季,7、8、9月雨量最多,占全年80%。
大粒種咖啡(Coffea liberica):咖啡三大原生種之一,原產(chǎn)地為西非的利比里亞,環(huán)境適應(yīng)力強,亦耐病蟲害,卻是咖啡原生種中品質(zhì)最差??辔稄娏沂瞧涮卣?。
中粒種咖啡(Coffea robusta):非洲剛果原產(chǎn)的原生種,較阿拉比卡種(Arabica)耐病蟲害(特別是葉銹?。?,環(huán)境適應(yīng)力亦強,具有特別的“羅布味”(類似燒焦麥子的味道)。
小粒種咖啡(Coffea arabica):原產(chǎn)地非洲埃塞俄比亞,為三大原生種中質(zhì)量最佳者,其香味和質(zhì)量是3種之中最好??ǖ倌肥切×?Х戎械牟ㄅ苑N系分支卡杜拉與中粒種的混種,種植這個品種的原因是由于卡蒂姆擁有中粒種基因,在抗病性方面比單一老品種強,且產(chǎn)量也好。選取了卡蒂姆系列的2個品種,分別為卡蒂姆系列品種2(以下簡稱卡蒂姆2)、卡蒂姆系列品種3(以下簡稱卡蒂姆3)。
大粒種咖啡、中粒種咖啡、小粒種咖啡的卡蒂姆系列品種試材均采自云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶亞熱帶經(jīng)濟作物研究所潞江壩基地。
1.3.1 葉綠素?zé)晒鈪?shù)和葉綠素相對含量的測定取中上部枝條,每個枝條從頂端數(shù)第4對葉子為測定對象,每個品種測定5片葉。(1)手持葉綠素測定儀(浙江托普TYS-B)測定SPAD值,于早上9:00進行,每個葉片重復(fù)測10次。(2)葉綠素?zé)晒鈪?shù)用調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(英國漢莎FMS-2)測定,于9:00開始每隔2 h測定1次,19:00結(jié)束。測定時暗適應(yīng)15 min,測量熒光參數(shù)Fo與Fv/Fm從儀器FMS-2中直接導(dǎo)出。
1.3.2 氣象資料的搜集 太陽輻射強度、溫度和相對濕度由保山潞江壩氣象站提供。
試驗數(shù)據(jù)利用Excel2003進行處理,用SPSS19.0軟件進行分析,采用Origin8.0作圖。
太陽輻射強度的變化呈單峰曲線(圖1),在14:00時達到峰值,9:00—10:00和16:00—17:00分別為光照強度快速上升和快速下降的兩個階段;溫度的變化呈“M”型曲線,在14:00和16:00超過42 ℃,9:00—14:00為溫度上升階段,其中9:00—10:00為溫度快速上升階段,溫度快速上升階段和光照強度快速上升階段相同,在15:00溫度稍稍下降,16:00后為溫度下降階段。從表1相對濕度日變化呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢,最低值出現(xiàn)在14:00,之后逐漸上升。相對濕度變化規(guī)律與太陽輻射強度變化規(guī)律相同。
圖1 溫度和太陽輻射強度的日變化(5月10日)Fig.1 Diurnal variation of temperature and the intensity of the solar radiation on May 10
表1 不同時間點空氣濕度Table 1 Relatively humidity in different time points
葉綠素是綠色植物參與光合作用的重要色素,其含量高低反映了植株的光合能力和生長狀況[9]。葉綠素含量較高時,有利于植物對光能的吸收利用和轉(zhuǎn)化。SPAD值是一項表征葉片光合活性的指標(biāo),與單位葉面積的葉綠素含量顯著正相關(guān)[10-11],因此常用其大小來衡量葉片中葉綠素的含量[12]。
從4個咖啡品種在5月份的葉片SPAD測定值(圖2)可以看出,中粒種咖啡葉片的SPAD值最高為66.04,大粒種咖啡葉片的SPAD值最低為52.84,卡蒂姆2和卡蒂姆3分別為64.70和64.54,相差不大。鄧肯差異性分析表明,中粒種、卡蒂姆2、卡蒂姆3的SPAD值無顯著差異,大粒種與這個3個品種均差異顯著。
圖2 不同咖啡品種SPAD值的比較Fig.2 SPAD in leaves of the various types of coffee
2.3.1 初始熒光Fo的日變化 Fo為初始熒光,代表不參與光系統(tǒng)II(PSII)光化學(xué)反應(yīng)的光能輻射部分,其數(shù)值與葉綠素濃度和激發(fā)光強度有關(guān),而與光合作用光化學(xué)反應(yīng)無關(guān)[13]。一般Fo越大,能量利用越低。從圖3可以看出,大粒種和卡蒂姆2的Fo日變化趨勢呈“M”型,都于11:00達到第1個峰值,分別為330.20和192.20,較9:00分別上升55.35%和12.89%,之后呈下降趨勢,其中大粒種于15:00降至波谷183.20,17:00上升,之后又開始下降;卡蒂姆2第2個峰值163.21出現(xiàn)在15:00,但上升幅度小,之后下降。中粒種和卡蒂姆3的Fo日變化呈倒“V”型,但各自的變化規(guī)律又不完全一致,這兩個品種達到峰值的時間各不相同,分別在15:00和17:00達到最高值,分別為262.60和199.44,較9:00分別上升36.14%和63.27%。
除了卡蒂姆2外,其他3個品種的Fo在19:00均高于早晨水平,說明卡蒂姆2葉片色素吸收的能量用于光化學(xué)反應(yīng)較多??ǖ倌?在11:00以后Fo低于其他品種,且峰值較低,說明該品種葉片色素吸收的能量用于光化學(xué)反應(yīng)較多,對強光脅迫具有較強的耐受性。在9:00,大粒種的Fo值最大,說明此刻葉片色素吸收的能量用于光化學(xué)反應(yīng)較其他3個品種少。由表2可知,在全天時段中,各品種的Fo差異性不同:11:00,4個品種的Fo品種間存在顯著差異;15:00,中粒種與其他3個品種存在顯著差異;17:00,中粒種和卡蒂姆3與其他兩個品種間存在顯著差異(P<0.05)。
圖3 不同咖啡品種葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fo的日變化Fig.3 Diurnal variation of Fo in leaves of the various types of coffee
表2 不同咖啡品種同一時刻Fo的差異性Table 2 Difference of Fo in the different varieties of coffee at the same time
2.3.2 PSⅡ最大光化學(xué)效率Fv/Fm的日變化 由圖4可知,4種咖啡的Fv/Fm變化趨勢相同,均呈倒“V”型變化,但具體的變化情況不同。在9:00,4個品種的Fv/Fm值均在0.70以上;大粒種的Fv/Fm值在13:00前為0.72,降幅最小,較9:00的0.74降低2.73%,在15:00急劇下降,下降為0.60,降幅為18.63%,之后先快速上升然后緩慢上升;中粒種的Fv/Fm值在13:00達到最低(0.65),較9:00的0.77下降15.43%,之后緩慢上升,15:00的Fv/Fm值(0.67)是4個品種中最高的;卡蒂姆2和卡蒂姆3的Fv/Fm值在15:00降到最低值,分別為0.66和0.65,較9:00分別下降11.45%和14.85%,15:00后Fv/Fm值開始上升,卡蒂姆2先快速上升后上升減緩,而卡蒂姆3先緩慢上升再快速上升,卡蒂姆2和卡蒂姆3的Fv/Fm值在19:00 高于 9:00。
從表3可以看出,4個咖啡品種的Fv/Fm值在9:00和17:00均無顯著性差異;11:00和19:00,大粒種的Fv/Fm值與卡蒂姆3差異顯著;13:00,大粒種的Fv/Fm值與其他3個品種差異顯著;15:00,大粒種的Fv/Fm值與中粒種差異顯著。縱觀全天不同時刻,中粒種的Fv/Fm值與卡蒂姆2和卡蒂姆3無顯著差異。
圖4 不同咖啡品種葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm的日變化Fig.4 Diurnal variation of Fv/Fm in leaves of the various types of coffee
表3 不同咖啡品種同一時刻 Fv/Fm 的差異性Table 3 Difference of Fv/Fm in the different varieties of coffee at the same time
從表4可以看出,大粒種的Fo與相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān);中粒種的Fo與溫度、太陽輻射強度呈極顯著正相關(guān),與相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān);卡蒂姆2的Fo與相對濕度呈顯著正相關(guān);卡蒂姆3的Fo與溫度呈極顯著正相關(guān),與太陽輻射強度呈顯著正相關(guān),與相對濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)。各品種的Fo與SPAD值存在一定的相關(guān)性,但未達到統(tǒng)計學(xué)上的顯著相關(guān)關(guān)系。
表4 4個咖啡品種葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fo及其環(huán)境因子的相關(guān)性Table 4 The correlation of chlorophyll fluorescence parameters and envionmental factors of four varieties of coffee
從表5可以看出,4個咖啡品種的Fv/Fm均與溫度和太陽輻射強度呈極顯著負(fù)相關(guān),大粒種和卡蒂姆2的Fv/Fm與相對濕度均呈顯著正相關(guān),中粒種和卡蒂姆3的Fv/Fm與相對濕度均呈極顯著正相關(guān)。SPAD只與卡蒂姆3呈顯著負(fù)相關(guān),與其他3個品種均未達到統(tǒng)計學(xué)上的顯著相關(guān)關(guān)系。可見,這4個咖啡品種均對高溫、強光敏感,但是采取光保護措施不同,因此對環(huán)境的耐受性不同。
表5 4個咖啡品種葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm及其環(huán)境因子的相關(guān)性Table 5 The correlation of chlorophyll fluorescence parameters and envionmental factors of four varieties of coffee
從表6可以看出,F(xiàn)o在一天不同時刻的差異性,大粒種在9:00、15:00與11:00、13:00、17:00和19:00有顯著差異,中粒種在15:00與9:00、17:00、19:00有顯著差異,卡蒂姆2在11:00 與 13:00、15:00、17:00、19:00 有 顯著差異,卡蒂姆3在17:00與9:00、11:00、19:00有顯著差異,且這4個品種的Fo差異性均無相同之處。
從表7可以看出,大粒種咖啡在9:00、11:00、13:00、17:00、19:00 的 Fo/Fm 無顯著差異,但均與15:00有顯著差異;中粒種在9:00與13:00、15:00、17:00有顯著差異;卡蒂姆 2在9:00、11:00、17:00、19:00與13:00、15:00均有顯著差異;卡蒂姆3在9:00、11:00、19:00 與 13:00、15:00、17:00均有顯著差異。
表6 同一咖啡品種不同時刻間Fo的差異性Table 6 Difference of Fo in the same variety at different times
表7 同一咖啡品種不同時刻間Fv/Fm的差異性Table 7 Difference of Fv/Fm in the same variety at different times
葉綠素?zé)晒鈨x能夠快速靈敏、非破壞性的反映植物生理狀態(tài)及其與環(huán)境的關(guān)系,是一種理想的光系統(tǒng)探針,可以直接或間接地了解光合作用過程[11],提供許多有關(guān)植物光合生理變化的信息。正常情況下,葉綠素吸收的光能主要通過光合電子傳遞、葉綠素?zé)晒獍l(fā)射和熱耗散3種途徑來耗散,這3 種途徑之間存在著此消彼長的關(guān)系[14]。
導(dǎo)致Fo變化的因素有PSII反應(yīng)中心的可逆失活和破壞,導(dǎo)致Fo上升,F(xiàn)o升高越多,表明植物受損傷程度越重;PSII天線的熱耗散增加,導(dǎo)致Fo降低,F(xiàn)o降低說明在葉黃素的循環(huán)過程中非輻射能量的耗散有所增強,是植物的保護機制之一[15]。因此Fo值變化可推測反應(yīng)中心的狀況和可能的光保護機制[16-17]。Fv/Fm對環(huán)境脅迫較為敏感[17-18],常用Fv/Fm的降低來表示植物葉片的光抑制,其大小可反映植物PSII受傷害的程度[19-20]。一般來說,在非脅迫條件下,大多數(shù)植物健康葉片的Fv/Fm在0.7以上,遭受脅迫的葉片F(xiàn)v/Fm值下降[21-22]。本研究發(fā)現(xiàn),9:00—11:00,4個咖啡品種的Fo均上升,較9:00上升幅度分別為55.34%、19.01%、12.89%和21.89%,此時大粒種受到的損壞程度較大,對溫度較敏感,其保護機制可能主要是光系統(tǒng)II反應(yīng)中心可逆失活或損傷;在15:00,大粒種的Fo急劇下降到最低值,且在這段時間大粒種的Fv/Fm也下降,說明大粒種發(fā)生了光抑制,這可能是增加熱耗散增加的原因,15:00后開始上升說明隨著光強的減弱,光化學(xué)部分的能量減少,導(dǎo)致Fo開始回升??ǖ倌?的Fo在11:00—15:00先降低在升高,說明植物在溫度和太陽輻射強度達到最高值的過程中,主動采取措施降低對自身的傷害;在15:00—17:00降低,說明在此時段內(nèi),熱耗散增加;17:00以后有所上升,說明光照強度減弱,光反應(yīng)降低,從而使Fo小范圍上升;而Fv/Fm在15:00達到最低值,下降幅度為11.45%。卡蒂姆3的Fo在9:00—13:00上升,說明其光系統(tǒng)II反應(yīng)中心可逆失活或損傷,而在13:00—15:00基本沒變,這是由于13:00和15:00的溫度、相對濕度、太陽輻射強度相差不大;15:00 —17:00急速上升,只是由于17:00的相對濕度更低,而溫度又有增加,而卡蒂姆3的Fo與溫度顯著正相關(guān),與相對濕度顯著負(fù)相關(guān)。4個品種的Fv/Fm全天變化趨勢是先降低再升高,說明高溫和強光下,它們的光合活性受到了抑制,隨著溫度和光強的降低,其光合機制得到恢復(fù),說明之前受到的傷害是可逆的,是光合機構(gòu)的保護性反應(yīng)。
中粒種和卡蒂姆3的Fo與環(huán)境因子溫度、相對濕度、太陽幅度強度相關(guān)性基本相同,卡蒂姆2的Fo只與環(huán)境因子相對濕度達到統(tǒng)計學(xué)的顯著正相關(guān),其余均未達到顯著水平。這與中粒種和卡蒂姆3與環(huán)境因子的相關(guān)性不同,其原因需要進一步探討。大粒種的Fo只與環(huán)境因子相對濕度達到統(tǒng)計學(xué)的顯著負(fù)相關(guān),其余均未達到顯著水平。而4個咖啡品種的Fv/Fm均與溫度和太陽輻射強度呈極顯著正相關(guān),大粒種和卡蒂姆2呈顯著正相關(guān),而中粒種和卡蒂姆3呈極顯著正相關(guān),且卡蒂姆3的Fv/Fm還與SPAD值呈顯著負(fù)相關(guān)。
SPAD植物營養(yǎng)測定儀是通過測量葉片在兩種波長范圍內(nèi)的透光系數(shù)來確定葉片當(dāng)前葉綠素的相對數(shù)量,具有實時、快速和無損等特點。本試驗結(jié)果表明,4個咖啡品種的葉片SPAD值依次為中粒種>卡蒂姆2>卡蒂姆3>大粒種,而一天中大部分時刻的Fo依次為大粒種>中粒種>卡蒂姆3>卡蒂姆2,這與SPAD值高低不一致,且相關(guān)性分析顯示Fo與SPAD含量的相關(guān)性并未達到顯著水平。因此熒光參數(shù)和光合色素之間的關(guān)系需進一步探討。
本試驗通過對4種咖啡品種的葉片F(xiàn)o和Fv/Fm在5月份日變化的研究發(fā)現(xiàn),大粒種主要通過增加熱耗散,保護光合機構(gòu);其他3種主要是通過PSII反應(yīng)中心的可逆失活??ǖ倌?的葉片F(xiàn)o全天最低,且Fv/Fm降低幅度最小,表明卡蒂姆2的光合效率較高,且卡蒂姆2對溫度、太陽輻射強度不敏感,因此更適應(yīng)潞江壩氣候。