不同鎂水平對油桐光響應曲線及生理特性的影響

劉 凱，張帆航，李 澤，梁文匯，藍金宣

（1.廣西林科院 廣西特色經(jīng)濟林培育與利用重點實驗室，廣西 南寧 530002；2.中南林業(yè)科技大學 經(jīng)濟林培育與保護省部共建教育部重點實驗室，湖南 長沙 410004）

鎂元素是植物生長發(fā)育所必需的金屬元素之一，同時也是組成葉綠素的重要成分，同時，鎂離子參與多種光合酶的合成，對植物的光合作用具有巨大的影響[1-3]。鎂元素在我國南方酸性土壤中易風化流失，一些植物經(jīng)常出現(xiàn)缺鎂現(xiàn)象，影響植物的正常生長及產(chǎn)量[4-5]。馬曉麗等[6]研究了鎂肥對葡萄光合速率的影響，結果表明，葡萄缺鎂時，電子傳遞能力變弱，葉片葉綠素含量降低，光合活性下降，PS Ⅱ潛在活性受到抑制。吳韶輝等[7]研究了補充鎂元素對缺鎂溫州蜜柑葉片光合作用的影響，結果表明，補充鎂元素能使缺鎂溫州蜜柑葉片氣孔導度、蒸騰速率增加，凈光合速率顯著提高。Farhat 等[8]研究表明，鎂缺乏降低了植物葉片的光合速率，主要原因是由光合機構活性降低的非氣孔因素引起的，從而導致胞間CO2同化速率降低。凌麗俐等[9]研究了不同鎂濃度對紐荷爾臍橙葉綠素含量的影響，結果表明，紐荷爾臍橙新葉葉片缺乏鎂元素會降低其葉綠素含量，適量增加鎂濃度能夠提高紐荷爾臍橙葉綠素相對含量。Marschner 等[10]研究表明，植物缺乏鎂元素會降低光合關鍵酶的活性，抑制二氧化碳的同化，從而使光合作用降低。

油桐Vernicia fordii是大戟科Euphorbiaceae 油桐屬Vernicia落葉喬木，與油茶、核桃和烏桕并稱我國4 大木本油料樹種[11-12]。從油桐中制取的桐油是一種可替代傳統(tǒng)柴油的優(yōu)質干性油，桐油中含有80%左右的特異脂肪酸——桐酸，桐酸具有3 個共軛雙鍵，其化學性質活潑，是制造優(yōu)質、環(huán)保型油漆和油墨的基本原料[13-15]。在原油日趨減少和環(huán)保壓力加重的今天，油桐成為了優(yōu)良的生物能源樹種。光合作用是植物生長發(fā)育的基礎，而葉綠素熒光參數(shù)對研究植物葉片光合作用過程中的光能吸收、傳遞、轉換、耗散、分配等具有重要意義[14-17]。以‘葡萄桐’和‘千年桐’兩個油桐物種幼苗為試驗材料，采用砂基培養(yǎng)，不同處理設置不同的鎂離子濃度，旨在探究不同鎂離子濃度對2 個油桐物種幼苗的光合生理特性的影響，為油桐的合理施肥及豐產(chǎn)栽培提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗材料為油桐種子萌發(fā)的1年生實生苗，種子采自湖南湘西永順縣青坪鎮(zhèn)國家油桐種質資源保存庫，2016年12月采集6年生‘葡萄桐’和‘千年桐’成熟種子，晾干后沙藏，第2年4月份萌發(fā)后進行試驗。試驗在中南林業(yè)科技大學校內進行。

1.2 試驗設計

選取種子萌發(fā)后長勢一致的幼苗移栽到裝有石英砂的20 cm×20 cm×25 cm 塑料盆中。移栽一周后用Hoagland(1/2 濃度) 和去除MgSO4的Aron 全濃度配方進行營養(yǎng)液脅迫處理[9]。營養(yǎng)液pH 值為6.0，Mg2+濃度分別為為0、2、6 和 10 mmol·L-1， 用M0、M2、M6 和M10 表 示，Mg2+濃度由MgSO4提供，對照的SO42-用Na2SO4補充以免SO42-離子的影響，每個物種及每個處理9 盆苗，2 個物種總共72 盆苗，每盆1 株。試驗期間，2 d 澆一次營養(yǎng)液，一周澆一次不同濃度的MgSO4。試驗處理兩個月后測定油桐葉片光響應曲線及相關生理指標。

1.3 葉綠素SPAD 值的測定

相對葉綠素含量（SPAD 值）測定采用SPAD-502 葉綠素測定儀（日本Konica 公司），每個處理每次測定3 株，3 次重復，總共9 株。

1.4 光合-光響應曲線的測定

在2017年8月 上 旬9:00—11:00，使 用LI-6400xt 光合儀（LI-COR，USA），選取無病蟲害長勢一致的油桐葉片，測定光響應曲線；光合有效輻射梯度設定為2 400、2 100、1 800、1 500、 1 200、900、600、300、200、150、100、75、50、25 和0 μmol·m-2s-1，CO2濃度由小鋼瓶提供，濃度設定為400 μmol·m-2s-1，相對濕度為70%。光飽和點（LSP）、光補償點（LCP）等光合指標根據(jù)葉子的直角雙曲線修正模型進行擬合計算[18-19]。

1.5 丙二醛及游離脯氨酸含量的測定

丙二醛（MDA）含量測定采用硫代巴比妥酸法。方法如下：稱取新鮮葉片約0.5 g，加入5 mL 5%三氯乙酸研磨成勻漿，3 000 r/min 離心10 min，取樣品提取液1.5 mL 于試管中，加入2.5 mL 0.5%硫代巴比妥酸（用5%三氯乙酸溶解），于沸水浴上加熱15 min，迅速冷卻，3 000 r/min 離心10 min，取上清液于532 nm 和600 nm 波長處比色，測定吸光值。游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法，以μg·g-1FW 表示[15,18,20]。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

用Excel 2013 對數(shù)據(jù)進行處理作圖，用SPSS 19.0 軟件進行相關性及其差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同供鎂水平對兩種油桐幼苗SPAD 值的影響

由圖1可知，不同供鎂水平下，‘千年桐’的SPAD 值高于‘葡萄桐’，差異不顯著。隨著供鎂水平的增加兩個油桐物種的SPAD 先升高后降低，當鎂濃度為6 mmol·L-1時，‘葡萄桐’和‘千年桐’的葉綠素SPAD 值均最高。當鎂濃度為 2 mmol·L-1時，‘葡萄桐’和‘千年桐’的SPAD值分別比對照增加了36.66%、28.57%（P＜0.05），差異顯著；當鎂濃度為6 mmol·L-1時，‘葡萄桐’和‘千年桐’的葉綠素含量SPAD 值分別比CK 增加了53.33%、45.71%（P＜0.05），差異顯著；當鎂濃度為10 mmol·L-1時，‘葡萄桐’和‘千年桐’的SPAD 值分別比CK 增加了50.00%、40.12%（P＜ 0.05），差異顯著。說明鎂元素有利于兩個油桐物種葉片葉綠素的合成，提高油桐葉片葉綠素含量，其中，最適宜的處理為M6，濃度為6 mmol·L-1。適宜濃度的鎂元素能夠提高油桐葉片葉綠素的含量。

圖1 不同供鎂水平對兩種油桐幼苗葉綠素SPAD 值的影響Fig.1 Effects of different levels of magnesium supply on chlorophyll SPAD value of two kinds of tung tree

2.2 不同供鎂水平對兩種油桐幼苗光合-光響應曲線的影響

由圖2可知，當光合有效輻射PAR ≤ 300 μmol·m-2s-1時，兩個油桐物種葉片的Pn 隨光強呈線性增加。當PAR ＞600 μmol·m-2s-1時，‘葡萄桐’和‘千年桐’在M6 處理下的Pn 均高于其它處理，且三個供鎂處理Pn 均高于CK，當光合有效輻射達到 1 800 μmol·m-2s-1時，Pn 不再增加，之后保持平緩下降趨勢。在沒有對照組CK 的情況下，兩個物種PAR ≤600 μmol·m-2s-1時，Pn 隨 著PAR 的增加而迅速上升，PAR ＞600 μmol·m-2s-1時，隨著PAR的增加，Pn 增加非常緩慢，說明缺鎂嚴重影響了油桐葉片的光合效率，不利于碳水化合物的合成。

從表1可知，在不同供鎂水平下，‘葡萄桐’的最大凈光合速率（Pn max）和表觀量子效率（AQY）均高于‘千年桐’。隨著供鎂水平的增加，‘葡萄桐’和‘千年桐’的Pn max 及AQY均先增加后降低，當鎂濃度為6 mmol·L-1時，兩個油桐物種的Pn max 及AQY 達到最高值。隨著鎂水平的增加，兩個油桐物種的光飽和點逐漸增加，說明鎂元素能夠顯著提高油桐的光飽和點，增加光能利用效率。當鎂濃度為6 mmol·L-1時， ‘葡萄桐’的Pn max，LSP 及AQY 分別比CK 增加了86.43%、75.52%、82.22%（P＜0.05），差異顯著，‘千年桐’的Pn max，LSP 及AQY 分別比CK 增加了83.59%、59.62%、81.36%（P＜0.05），差異顯著；與對照相比，當鎂濃度為2 mmol·L-1時，顯著提高了油桐的Pn max，LSP 及AQY。

2.3 不同供鎂水平對兩種油桐幼苗氣孔導度的影響

由圖3可知，當PAR 低于300 μmol·m-2s-1時，不同處理下兩個油桐物種的氣孔導度均隨著PAR的增加而迅速升高，缺鎂的CK 升高的幅度低于其它3 個供鎂處理。當PAR 高于300 μmol·m-2s-1時，兩個油桐物種的氣孔導度均隨著PAR 的增加而緩慢升高，當鎂濃度為6 mmol·L-1時，兩個油桐物種的Gs 最高，‘葡萄桐’的Gs 在M6 處理下分別比M10、M2 及CK 高26.47%、62.86%及198.20%（P＜0.05），差異顯著，‘千年桐’的Gs 在M6 處理下分別比M10、M2 及CK 處理的高30.00%、34.48%及143.75%（P＜0.05），差異顯著。

圖2 不同供鎂水平下凈光合速率對光合有效輻射的響應Fig.2 Responses of net photosynthetic rate to photosynthetic active radiation under different levels of magnesium supply

表1 不同供鎂水平下凈光合速率對光合有效輻射響應的特征參數(shù)?Table1 Characteristic parameters of responses of net photosynthetic rate to photosynthetic active radiation under different levels of magnesium supply

圖3 不同供鎂水平下氣孔導度對光合有效輻射的響應Fig.3 Responses of stomatal conductance to photosynthetic active radiation under different levels of magnesium supply

2.4 不同供鎂水平對兩種油桐幼苗游離脯氨酸含量的影響

由圖4可知，除了M10 處理的‘千年桐’外，游離脯氨酸隨著供鎂水平的增加逐漸降低，當鎂濃度為6 mmol·L-1時，游離脯氨酸的含量最低， ‘葡萄桐’的游離脯氨酸含量分別比CK 低28.25%，差異顯著（P＜0.05）；‘千年桐’的游離脯氨酸含量分別比M0 低20.39%，差異顯著（P＜0.05），說明適當濃度的鎂供給有利于降低油桐葉片的游離脯氨酸含量。

2.5 不同供鎂水平對兩種油桐幼苗丙二醛含量的影響

圖4 不同供鎂水平對兩種油桐幼苗游離脯氨酸含量的影響Fig.4 Effects of different levels of magnesium supply on free proline contents of two kinds of tung tree seedlings

由圖5可知，兩個油桐物種丙二醛含量隨著供鎂水平的增加逐漸降低，在同一供鎂水平下兩個物種的丙二醛含量無顯著差異（P＞0.05）。‘葡萄桐’的丙二醛含量在不同供鎂水平下無顯著差異，‘千年桐’的丙二醛含量在M10 處理下比M0 低9.85%，差異不顯著，說明不同濃度的鎂對清除油桐幼苗葉片內的丙二醛對細胞膜的毒害作用影響不顯著。

3 結論與討論

圖5 不同供鎂水平對兩種油桐幼苗丙二醛含量的影響Fig.5 Effects of different levels of magnesium supply on malondialdehyde contents of two kinds of tung tree seedlings

鎂肥對植物生長發(fā)育具有重要影響，尤其是在葉綠素的合成及植物的光合作用中起重要作用。研究表明，適量濃度的鎂可顯著提高油桐幼苗的光合作用及生長量，光合作用的提高主要是RuBP羧化酶活性增加引起的[3]。Shen 等[21]研究表明，在缺鎂條件下，由于光合酶的合成受到抑制，從而使凈光合速率降低，說明鎂能夠調節(jié)植物細胞內光合酶的活性。葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，葉綠素SPAD 值的高低反應了植物葉片相對葉綠素含量[22]，研究從葉綠素SPAD 值測定結果可看出，‘葡萄桐’的葉綠素SPAD值低于‘千年桐’，而‘葡萄桐’的Pn 卻高于‘千年桐’，可能是因為葉綠素含量的高低僅僅是影響植物光合效率的因素之一，不能單單以葉綠素含量的多少來推斷植物光合效率的高低[3,23]，而且SPAD 值反應的是植物活體相對葉綠素含量，并不能充分代表葉片內葉綠素含量的多少，而且，植物在弱光條件下光合速率會隨葉綠素含量的增加而升高， 而在飽和光下光合速率往往與葉綠素含量的多少無關[24]，因此，不能完全依照葉綠素SPAD 值的高低來判斷植物光合速率的高低。本研究發(fā)現(xiàn)，鎂對兩種油桐葉片SPAD 值影響顯著，隨著鎂濃度的增加，兩種油桐葉片的SPAD 值均增加，同時，光合效率也增加了，說明鎂元素對油桐生長具有重要作用。

光合-光響應曲線反映了植物光合速率隨光照強度增減的變化規(guī)律，是判斷植物光合效率受其環(huán)境變化的影響程度，因此光響應曲線的測定是研究植物在逆境條件下的重要手段之一[25]。最大凈光合速率（Pn max）主要是由電子傳遞速率和Rusbico 活性決定的，本文研究發(fā)現(xiàn)，兩個油桐物種的Pn max 在缺鎂的對照下顯著低于其它供鎂水平，主要是由于缺鎂影響了油桐電子傳遞速率及Rusbico 活性，這與陸燕元等[26]在甘薯光合-光響應曲線中的研究結果一致。表觀量子效率（AQY）的高低反應了植物吸收和轉換光能的色素蛋白復合體較多。兩個油桐物種的AQY 隨著供鎂水平的增加而增加，說明適宜的鎂濃度能夠提高油桐葉片的AQY，增加弱光下油桐的凈光合速率。與對照相比，不同供鎂水平下油桐葉片的光飽和點（LSP）顯著增加，說明在低鎂情況下，油桐葉片的光照生態(tài)幅變窄，對環(huán)境的適應性減弱了，最終導致光合效率降低影響產(chǎn)量，這與白羽祥等[27]在烤煙光響應曲線中的研究結果相一致，說明在低鎂脅迫下油桐葉片對弱光的利用受到較大抑制，把光能轉化為凈能量的能力降低。本次研究通過對兩種油桐幼苗提供不同濃度的鎂，探究其生長及光合特性的規(guī)律，研究表明，對兩種油桐幼苗供鎂能明顯增加相對葉綠素含量，提高光合效率，并且適宜濃度的鎂能最大限度地提高兩種油桐幼苗的光合效率，使其生長加快，生物量增加。但是，由于本次試驗是針對兩個物種的幼苗進行的，所以對油桐成林施加鎂肥是否能提高其光合效率，增加其葉綠素含量尚不清楚，施加鎂肥的最適濃度也尚不清楚，需要進一步的研究探索。