3種紫堇屬植物葉片光合特性研究

陳曉英， 李 翠， 郭曉云， 秦雙雙， 張占江

(廣西壯族自治區(qū)藥用植物園 廣西藥用資源保護與遺傳改良重點實驗室， 廣西 南寧 530023)

巖黃連(CorydalissaxicolaBunting)隸屬于罌粟科(Papapveraceae)紫堇屬(CorydalisDC.)，中文學名石生黃堇，是治療肝臟類疾病的常用壯藥和瑤藥[1-2]，多生長在石山地區(qū)峭壁的石縫中，采挖困難，目前其野生資源處于瀕危狀態(tài)[3-4]，因此，一方面需要對巖黃連進行引種馴化和人工栽培[5-7]，另一方面需要挖掘巖黃連同屬替代植物資源。小花黃堇〔C.racemosa(Thunb.) Pers.〕和北越紫堇(C.balansaePrain)也隸屬于紫堇屬，其生物堿成分與巖黃連相似[8-11]，有望替代巖黃連入藥，從而緩解巖黃連藥材供應不足的現(xiàn)狀。但是，關(guān)于小花黃堇和北越紫堇的生長和生理特性及生態(tài)適應性卻知之甚少，不利于大規(guī)模栽培生產(chǎn)。

研究者根據(jù)植物光合特性不但能夠快速了解植物的生長和生理特性，而且能夠根據(jù)各光合作用參數(shù)的變化分析植物對光照、水分、溫度和CO2濃度等的需求，明確植物對生態(tài)環(huán)境的適應性[12-15]。目前，關(guān)于巖黃連、小花黃堇和北越紫堇光合特性方面的研究報道甚少，僅見韋記青等[16]對巖黃連的光合與蒸騰特性及其對光照強度和CO2濃度的響應進行了研究，因此，為了這3種植物的大規(guī)模人工種植，應盡快開展其光合特性方面的全面研究。

鑒于此，筆者對巖黃連、小花黃堇和北越紫堇葉片的光合色素含量、光合特征參數(shù)光響應曲線及凈光合速率光響應曲線特征參數(shù)進行了比較，并對這3種植物的光合型進行了分析，以探明這3種植物的光能利用特性和生態(tài)適應性，并為巖黃連及其同屬植物的引種馴化和生態(tài)栽培提供理論基礎(chǔ)和科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣西壯族自治區(qū)藥用植物園溫室大棚內(nèi)(東經(jīng)108°19′、北緯22°51′)。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候，年均溫17 ℃～23 ℃，年降水量1 250～2 800 mm，年均日照時數(shù)1 827 h，無霜期334 d。

1.2 材料

以半野生栽培(對野生的成苗植株進行常規(guī)水肥等人工栽培管理措施)的小花黃堇、北越紫堇和巖黃連為實驗材料，經(jīng)廣西壯族自治區(qū)藥用植物園標本館黃寶優(yōu)高級工程師鑒定。3種植物分別種植在溫室大棚內(nèi)的不同區(qū)域，于2017年9月至11月(營養(yǎng)生長期)分別選取植株最頂端葉片進行光合色素含量測定，并繪制光合特征參數(shù)光響應曲線。

1.3 方法

1.3.1 光合色素含量測定 參照黎修東等[17]的方法測定葉片的光合色素含量。每種植物選取5株植株，將采集的葉片剪碎后混勻；稱取0.2 g碎葉，加入體積分數(shù)95%乙醇，置于黑暗處直接浸提，待葉片變白后定容至50 mL，即為光合色素提取液；用752N紫外分光光度計(上海儀電分析儀器有限公司)分別在波長665、649和470 nm處測定該提取液的吸光值，并計算葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)、類胡蘿卜素(Car)和總?cè)~綠素(Chla+Chlb)的含量以及葉綠素a含量與葉綠素b含量的比值(Chla/Chlb)。每個指標重復測定3次。

1.3.2 光合特征參數(shù)光響應曲線繪制 在晴天8：30至11：30，每種植物選取3～5株植株，使用LI-6400XT便攜式光合作用測量系統(tǒng)(美國LI-COR公司)測定植株最頂端葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞內(nèi)CO2濃度(Ci)，并計算瞬時羧化效率(Pn/Ci)[18]、氣孔限制值(Ls)[19]和水分利用效率(WUE)[20]。測定時，首先進行充分的光誘導，然后設(shè)置CO2濃度400 μmol·mol-1、空氣相對濕度60%、葉溫35 ℃。用LI-6400XT紅藍光源(美國LI-COR公司)控制光合有效輻射(PAR)，設(shè)定PAR梯度依次為1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50、20和0 μmol·m-2·s-1，每個PAR梯度的適應時間為3～5 min。根據(jù)測定結(jié)果繪制各光合特征參數(shù)的光響應曲線。

1.3.3 凈光合速率光響應曲線特征參數(shù)分析 采用改良的直角雙曲線模型[21-22]擬合3種紫堇屬植物Pn值的光響應曲線，據(jù)此獲得Pn值光響應曲線的特征參數(shù)，包括表觀量子效率(AQY)、最大凈光合速率(Pmax)、光補償點(LCP)、光飽和點(LSP)和暗呼吸速率(Rd)。

1.3.4 光合型分析 根據(jù)何亞婷等[23]和唐海萍等[24]的方法，利用與光合作用過程直接相關(guān)的Pn值、Tr值、氣溫與葉溫的差值和Gs 值計算光合型判別標準值(Gx)，根據(jù)Gx值初步判斷3種紫堇屬植物的光合型。Gx≥0表示植物光合型為C3型，Gx<0表示植物光合型為C4型。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析

采用SPSS 24.0統(tǒng)計分析軟件計算數(shù)據(jù)的平均值和標準誤，對各光合特征參數(shù)的光響應曲線進行非線性擬合并制圖。

2 結(jié)果和分析

2.1 葉片光合色素含量比較

根據(jù)3種紫堇屬植物葉片光合色素含量的比較結(jié)果(表1)，巖黃連葉片的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量均最高，北越紫堇次之，小花黃堇最低；小花黃堇葉片的葉綠素a含量與葉綠素b含量的比值最高，巖黃連次之，北越紫堇最低；巖黃連葉片的類胡蘿卜素含量最高，小花黃堇次之，北越紫堇最低。與巖黃連相比，小花黃堇和北越紫堇葉片的葉綠素a含量分別減少了14.21%和13.71%，葉綠素b含量分別減少了28.85%和4.81%，總?cè)~綠素含量分別減少了19.27%和10.30%，葉綠素a含量與葉綠素b含量的比值分別增加了21.16%和減少了7.94%，類胡蘿卜素含量分別減少了9.30%和18.60%。

1)Chla： 葉綠素a含量 Chlorophyllacontent； Chlb： 葉綠素b含量 Chlorophyllbcontent； Chla+Chlb： 總?cè)~綠素含量 Total chlorophyll content； Chla/Chlb： 葉綠素a含量與葉綠素b含量的比值 Ratio of chlorophyllacontent to chlorophyllbcontent； Car： 類胡蘿卜素含量 Carotenoid content.

2.2 葉片光合特征參數(shù)光響應曲線比較

根據(jù)3種紫堇屬植物光合特征參數(shù)的光響應曲線(圖1)，3種紫堇屬植物葉片凈光合速率的光響應曲線均隨著光合有效輻射(PAR)增大先持續(xù)升高后趨于平穩(wěn)。在弱光(PAR<400 μmol·m-2·s-1)條件下，小花黃堇和北越紫堇葉片的凈光合速率與巖黃連的差距較小，但在400 μmol·m-2·s-1≤PAR≤1 500 μmol·m-2·s-1光照條件下，隨著PAR值增大，二者葉片的凈光合速率與巖黃連的差距逐漸增大，二者葉片的凈光合速率均值分別較巖黃連增加了42.96%和30.97%。3種紫堇屬植物葉片瞬時羧化效率的光響應曲線與凈光合速率光響應曲線相似，但在400 μmol·m-2·s-1≤PAR≤1 500 μmol·m-2·s-1光照條件下，小花黃堇和北越紫堇葉片的瞬時羧化效率均值分別較巖黃連增加了48.63%和34.67%。

由圖1可見：巖黃連葉片氣孔導度和蒸騰速率的光響應曲線與小花黃堇和北越紫堇明顯不同。隨著PAR值增大，巖黃連葉片的氣孔導度和蒸騰速率均緩慢升高，而小花黃堇和北越紫堇葉片的氣孔導度和蒸騰速率則先緩慢升高后大幅升高。在弱光(PAR<400 μmol·m-2·s-1)條件下，小花黃堇和北越紫堇的氣孔導度和蒸騰速率與巖黃連的差距較小，但在400 μmol·m-2·s-1≤PAR≤1 500 μmol·m-2·s-1光照條件下，隨著PAR值增大，二者葉片的氣孔導度和蒸騰速率與巖黃連的差距逐漸增大，二者葉片的氣孔導度均值分別較巖黃連增加了33.17%和53.08%，二者葉片的蒸騰速率均值分別較巖黃連增加了33.39%和10.98%。

圖1 3種紫堇屬植物葉片光合特征參數(shù)的光響應曲線

Fig. 1 Light response curve of photosynthetic characteristic parameters of leaves of three species inCorydalisDC.

由圖1還可見：3種紫堇屬植物葉片胞間CO2濃度、氣孔限制值和水分利用效率的光響應曲線相似。隨著PAR值增大，三者葉片的胞間CO2濃度均先持續(xù)下降后趨于平穩(wěn)，且在三者間的差距一直較小；而三者葉片的氣孔限制值和水分利用效率則均表現(xiàn)為先持續(xù)升高后趨于平穩(wěn)，且在400 μmol·m-2·s-1≤PAR≤1 500 μmol·m-2·s-1光照條件下，隨著PAR值增大，小花黃堇和北越紫堇葉片的氣孔限制值和水分利用效率與巖黃連的差距越來越小。在400 μmol·m-2·s-1≤PAR≤1 500 μmol·m-2·s-1光照條件下，小花黃堇和北越紫堇葉片的胞間CO2濃度均值分別較巖黃連減少了6.09%和3.81%，二者葉片的氣孔限制值均值分別較巖黃連增加了21.35%和18.09%，二者葉片的水分利用效率均值分別較巖黃連增加了10.76%和26.47%。

根據(jù)巖黃蓮、小花黃堇和北越紫堇光合型判別標準值的光響應曲線(圖1)，這3種紫堇屬植物光合型判別標準值均大于10，據(jù)此判斷這3種植物的光合型均為C3型。

2.3 凈光合速率光響應曲線特征參數(shù)比較

計算3種紫堇屬植物葉片凈光合速率光響應曲線的特征參數(shù)，結(jié)果見表2。由表2可見：小花黃堇的表觀量子效率與巖黃連接近，光補償點較巖黃連減少了21.10%；北越紫堇的表觀量子效率較巖黃連增加了25.45%，光補償點較巖黃連減少了12.57%。小花黃堇的最大凈光合速率和光飽和點分別較巖黃連增加了36.34%和31.23%，而北越紫堇的最大凈光合速率和光飽和點則分別較巖黃連增加了37.89%和10.59%。此外，與巖黃連相比，小花黃堇和北越紫堇的暗呼吸速率分別增加了71.43%和133.33%。

1)AQY： 表觀量子效率 Apparent quantum yield (μmol·mol-1)； Pmax： 最大凈光合速率 Maximum net photosynthetic rate (μmol·m-2·s-1)； LCP： 光補償點 Light compensation point (μmol·m-2·s-1)； LSP： 光飽和點 Light saturation point (μmol·m-2·s-1)； Rd： 暗呼吸速率 Dark respiration rate (μmol·m-2·s-1).

3 討論和結(jié)論

3.1 3種紫堇屬植物光合特性的比較

光合色素主要用于植物對光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化，并執(zhí)行光保護等功能[25]。雖然光合色素含量與植物的光合特性有關(guān)，但變化趨勢并非始終一致。小花黃堇和北越紫堇葉片的總?cè)~綠素含量和類胡蘿卜素含量均低于巖黃連；在400 μmol·m-2·s-1≤PAR≤1 500 μmol·m-2·s-1光照條件下，隨著PAR值增大，小花黃堇和北越紫堇的凈光合速率和瞬時羧化效率始終高于巖黃連，且與巖黃連的差距越來越大，說明小花黃堇和北越紫堇的光合碳同化能力高于巖黃連。

本研究結(jié)果表明：總體來看，隨著光照不斷增強，小花黃堇和北越紫堇葉片的氣孔導度和蒸騰速率均不同程度升高，且在400 μmol·m-2·s-1≤PAR≤1 500 μmol·m-2·s-1光照條件下，隨著PAR值增大，其與巖黃連的差距越來越大；3種紫堇屬植物葉片的胞間CO2濃度先持續(xù)下降后趨于平穩(wěn)，而葉片的氣孔限制值卻先持續(xù)升高后趨于平穩(wěn)，且小花黃堇和北越紫堇葉片的氣孔限制值均高于巖黃連。葉片氣孔導度和蒸騰速率增加表明小花黃堇和北越紫堇的葉片通過氣孔交換了更多的光合作用原料(如CO2和H2O)[26]；同時，小花黃堇和北越紫堇葉片氣孔導度的增加和胞間CO2濃度的降低導致氣孔限制值增加，表明小花黃堇和北越紫堇光合作用的限制因子主要是氣孔限制因子，而非電子傳遞受阻、葉肉細胞羧化阻力、1，5-二磷酸核酮糖(RuBP)再生限制等非氣孔限制因子[12，27-28]。此外，雖然小花黃堇和北越紫堇葉片的蒸騰速率增加但同時伴有水分利用效率提高，說明小花黃堇和北越紫堇能將葉片散失的水分更有效地用于光合作用[29-32]。綜合上述研究結(jié)果，小花黃堇和北越紫堇的光合作用效率較巖黃連高，在相同環(huán)境條件下能積累更多的碳同化產(chǎn)物。

相關(guān)研究結(jié)果[33]表明：植物的表觀量子效率和光補償點能夠反映植物對弱光的利用能力，而最大凈光合速率和光飽和點則能夠反映植物對強光的利用能力。表觀量子效率越高，光補償點越低，表明植物對弱光的利用能力越強；最大凈光合速率和光飽和點越高，表明植物對強光的利用能力越強。根據(jù)3種紫堇屬植物葉片凈光合速率光響應曲線特征參數(shù)的比較結(jié)果，小花黃堇和北越紫堇的表觀量子效率、最大凈光合速率和光飽和點均高于巖黃連，光補償點卻低于巖黃連，說明小花黃堇和北越紫堇對弱光和強光的利用能力均高于巖黃連。

總體來看，巖黃連、小花黃堇和北越紫堇光合性能的相似性較高，且小花黃堇和北越紫堇的光合碳同化能力優(yōu)于巖黃連。然而，這3種植物的最大凈光合速率為3.88～5.35 μmol·m-2·s-1，光飽和點為712.28～934.72 μmol·m-2·s-1，說明三者利用強光的能力和光合潛力均不高。

3.2 適宜3種紫堇屬植物生長的環(huán)境條件分析

根據(jù)植物葉片凈光合速率光響應曲線的特征參數(shù)可推斷植物生長所需的光照條件[34-35]。根據(jù)本研究結(jié)果，小花黃堇、北越紫堇和巖黃連的光補償點為13.87～17.58 μmol·m-2·s-1，光飽和點為712.28～934.72 μmol·m-2·s-1，暗呼吸速率為0.21～0.49 μmol·m-2·s-1，均符合陰生植物的光照生態(tài)幅范圍[36]，據(jù)此判斷這3種植物均為陰生植物。從巖黃連野生資源分布情況來看，其原生境多為林緣、石縫等日照時間不長、光照不強、涼爽的山地環(huán)境[37]。結(jié)合陰生植物特征，建議在對小花黃堇和北越紫堇進行遷地保護和引種栽培時，采用大棚和蓋草等遮陽方式或林下栽培和間作套種等立體種植模式來調(diào)控光照強度[38]。

植物葉片的蒸騰速率和水分利用效率變化與植株水分代謝有關(guān)，可在一定程度上反映植物光合生產(chǎn)過程與植株耗水特性的關(guān)系[39]。蒸騰速率可反映光合作用對水分的需求以及通過水分運輸?shù)牡V質(zhì)養(yǎng)分的供應情況[40]。水分利用效率受微環(huán)境影響較大[30，41]，可通過基因工程手段予以提高[42-44]?？傮w來看，巖黃連、小花黃堇和北越紫堇葉片的蒸騰速率和水分利用效率的光響應曲線變化趨勢相似，說明這3種植物可能具有相似的水分利用策略。根據(jù)巖黃連多生長在南方溫暖濕潤地區(qū)且忌水澇和排水不良[2，11]的特點，在種植小花黃堇和北越紫堇時可以巖黃連自然生長環(huán)境中的水分條件為參考控制栽培地水分條件。

3.3 3種紫堇屬植物光合型的初步判定

眾所周知，高等植物具有C3、C4和CAM 3種光合途徑[45]。本研究中，巖黃連、小花黃堇和北越紫堇的光合型判別標準值均高于10，據(jù)此判定這3種植物的光合型均屬于C3型。這一結(jié)論還需要通過觀察葉片的維管束鞘細胞及其外側(cè)緊密毗連的1圈葉肉細胞是否共同組成花環(huán)解剖結(jié)構(gòu)以及檢測其他生理生化指標進行驗證。C3型植物缺乏可以提高光合細胞內(nèi)CO2濃度的Kranz結(jié)構(gòu)，對CO2的同化能力遠低于C4型植物[46]，但C3型植物體內(nèi)的碳同化限速酶Rubisco可同時催化底物RuBP與CO2結(jié)合的碳還原反應及RuBP與O2結(jié)合的碳氧化反應，因此，在巖黃連、小花黃堇和北越紫堇的栽培過程中，可通過增施CO2肥等措施，提高植株葉片的光合效率，從而促進植株體內(nèi)光合產(chǎn)物的積累。

3.4 結(jié)論

綜上所述，巖黃連、小花黃堇和北越紫堇的光合特性相似，均屬于陰生植物，光合型均為C3型。與巖黃連相比，雖然小花黃堇和北越紫堇葉片的光合色素含量低，但二者對弱光和強光的利用能力更強，光合碳同化能力也更強。