四種藥用植物在喀斯特生境下的生理特征及適生性

郝俊霄 靳文戈 李良波 黃榮韶 唐輝 甘鳳瓊

摘要：以廣西特色藥用植物半楓荷（Semiliquidambar cathayensis）、裸花紫珠（Callicarpa nucl iora）、廣西地不容（Stephania kwangsiensis）和山豆根（Sophora tonkinensis）為研究對象，利用Li-6400光合測定系統(tǒng)測定光合作用日變化，并結(jié)合葉綠素含量、葉片碳酸酐酶活力以及穩(wěn)定碳同位素組成的測定，綜合分析4種植物在廣西那坡縣喀斯特生境下的適生能力。結(jié)果表明，半楓荷和裸花紫珠光照利用能力較好，日均LUE值半楓荷（1.77%）>裸花紫珠（1.65%），且半楓荷和裸花紫珠的光補償點低;廣西地不容葉片的葉綠素含量和碳酸酐酶活力較高，分別為（3.13±0.20）mg/g和（8290.00±41.50）WAU/gFW，廣西地不容葉片的碳酸酐酶活力較高，說明其固碳能力較好;7-12月山豆根和裸花紫珠株高分別增加79和36cm，植株生長旺盛;植物葉片的δ¹³C大小為半楓荷（-26.684±0.781）‰>廣西地不容（-27.407±0.078）‰，均高于喀斯特地區(qū)C₃植物的平均值，表明半楓荷和廣西地不容具有較強的抗旱能力。綜合分析表明，參試的4種植物對廣西西南部喀斯特地區(qū)干旱環(huán)境均有不同的適應機制，表現(xiàn)出較好的適生性。

關(guān)鍵詞：喀斯特生境;藥用植物;光合生理特征;碳酸酐酶;穩(wěn)定碳同位素

中圖分類號：S567 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）09-0077-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.09.015

喀斯特地貌在中國分布廣泛[1]，廣西喀斯特地區(qū)面積占比就超過41%[2]。該地區(qū)石山多土地少，土壤保水能力差，石漠化嚴重，貧困人口居多，是生態(tài)建設、環(huán)境保護和扶貧攻堅的重中之重。由于喀斯特地區(qū)獨特的生境以及植物適生能力的不同，給喀斯特地區(qū)生態(tài)修復和改善帶來困難。利用喀斯特適生植物能有效構(gòu)建可持續(xù)利用的固碳增匯體系，改善喀斯特地區(qū)脆弱環(huán)境[3]。藥用植物在喀斯特地區(qū)分布較廣，藥用植物的可持續(xù)發(fā)展，對充分利用山區(qū)土地，有效減少水土流失，保護生態(tài)環(huán)境、發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、促進農(nóng)村經(jīng)濟繁榮與可持續(xù)發(fā)展[4]，推動鄉(xiāng)村振興建設的步伐都具有重要意義。

半楓荷（Semiliquidambar cathayensis）、廣西地不容（Stephania kwangsiensis）、裸花紫珠（Callicarpanudifora）和山豆根（Sophora tonkinensis）是喀斯特地區(qū)常見的藥用植物。其中半楓荷為中國n級保護植物，具有抗風濕、舒筋活血、消腫等作用，適合生長在土壤深厚、排水良好的土壤中[5-7]。裸花紫珠治療皮膚科疾病、婦產(chǎn)科疾病、產(chǎn)后出血、外科疾病等療效較好[8]。廣西地不容具有健胃止痛、清熱解毒等功效[9]，對光的適應范圍廣，但光過強或過弱會影響其生長[10]。山豆根是喀斯特山區(qū)典型的藥用植物，具有抗腫瘤、抗肝損傷、增強免疫力等療效[11]。研究表明，碳酸酐酶在植物的光合作用中起到重要作用，能加速CO₂和HCO₃^-的轉(zhuǎn)化[12]。在喀斯特地區(qū)，穩(wěn)定碳同位素與植物的環(huán)境相關(guān)，并有文獻表明δ¹³C與水分利用率存在正相關(guān)[13]。廣西喀斯特地區(qū)生境獨特，藥用植物資源豐富，但是由于石漠化和無節(jié)制的開采，以及土壤不保水使得許多特有藥用植物資源正在逐漸減少甚至喪失，為保護廣西喀斯特地區(qū)藥用植物資源和生物多樣性，廣西大學農(nóng)學院藥用植物課題組在桂西南建立藥用植物保育基地，收集、保存多種藥用植物。為了探究這些植物對喀斯特地區(qū)的適生性，本研究通過測定光合特征、碳酸酐酶、穩(wěn)定碳同位素等指標來研究其適應廣西西南部喀斯特地區(qū)可能的生理學機制，以期為開展廣西喀斯特地區(qū)特色藥用植物野生撫育、回歸技術(shù)、優(yōu)異耐旱種質(zhì)資源篩選等研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗地點位于廣西壯族自治區(qū)百色市那坡縣城廂鎮(zhèn)永靖村（105°52′E，23°26′N），屬于亞熱帶季風氣候。海拔1100m，年平均溫度21℃，最低溫度為1月的9℃，最高溫度為6月的31℃，年平均降水量為1353.1mm，12月至次年4月雨量極少，降水主要集中在5-10月。以石灰?guī)r構(gòu)成的喀斯特地貌為主。試驗區(qū)為耕地，無自然植被，土層薄，土層中混雜大小不一的風化石，土壤厚度<20cm，周圍無水源，無地下水。

1.2 植物材料

半楓荷和裸花紫株均為二年生苗，由廣西壯族自治區(qū)中國科學院廣西植物研究所提供;山豆根、廣西地不容均為三年生苗，由廣西大學農(nóng)學院藥用植物課題組提供。所有植物均種植于廣西壯族自治區(qū)百色市那坡縣城廂鎮(zhèn)永靖村半山坡。

1.3 光合特性日變化測定

于2019年6月4-5日進行，天氣晴朗。分別選取健康植株從頂端向下數(shù)第一張完整舒展開的成熟葉片，用Li-6400便攜式光合測定系統(tǒng)每隔1.5h測定一次，測定時間8：00-17：00;測定的主要參數(shù)包括凈光合速率（P2濃度（C_i）、蒸騰速率（T_r），并計算出水分利用效率（WUE）和葉片光能利用率（LUE），式（2）中Par為光合有效輻射。

WUE=Pr（1）

LUE=P

1.4 光響應曲線的測定

于2019年9月17-22日（陰天）進行測定。在光響應曲線測定中光合有效輻射從高到低設定光強梯度為1500、1200、1000、800、600、400、200、150、100、50、20、0μmol/（m²·s）共12個梯度，選擇健康葉片測定，采用指數(shù)模型[14-16]進行擬合，擬合方程為：

其中，P2·s）]、I為光合有效輻射[μmol/（m²·s）]、α為初始量子效率、P2·s）]、C₀為度量弱光下凈光合速率趨于0的指標。

1.5 碳酸酐酶活力測定

選擇長勢一致的植物葉片，每份稱取1g，液氮速凍保存，碳酸酐酶活力測定采用pH計法[17]。取1g植物葉片置于預冷的研缽中迅速加入液氮研磨，加入巴比妥鈉提取液（20mmol/L，含琉基乙醇39mmol/L，pH8.3）進行充分研磨，最后將其定容至10mL玻璃管中，將玻璃管冰浴20min后，11000r/min離心10min，取上清液，冷藏待測。樣品在檢測過程中始終保持反應溫度在0～2℃，取待測上清液400μL，加入15mL的巴比妥鈉反應液中，然后加入10mL的飽和CO2去離子水，用pH計測定反應體系的pH變化，記錄pH下降一個單位所需的時間，記為t;同樣在酶失活條件下pH下降一個單位的時間記為t₀，酶的活力用WA-unit表示（WA=t₀/t-1）[18]。

1.6 穩(wěn)定碳同位素比值（δ¹³C）的測定

將采回植物葉片經(jīng)105℃殺青，再于60℃恒溫下烘干后粉碎均勻并過200目篩。稱取約3mg樣品和高溫處理的氧化銅絲裝人到石英管中，以Pt絲作為催化劑，將樣品管于920℃左右媛燒，此時樣品中的有機碳全部轉(zhuǎn)化成氣態(tài)的CO₂，于華中農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院實驗中心的元素分析儀（ElementarVario PYRO cube）一同位素比例質(zhì)譜儀（Isoprime100，Isoprime Ltd，England）聯(lián)用系統(tǒng)上測定碳同位素組成δ¹³C。測量精度小于±0.2‰，分析結(jié)果以PDB（Pee Dee Belemnite）表示。即δ¹³CPDB=[（¹³C/¹²C）_樣本-（¹³C¹²C）_標準]/（¹³C/¹²C）_標準×1000‰][18]。

1.7 葉綠素含量測定

植物葉片（液氮保存）葉綠素含量的測定采用分光光度計法[19]。

1.8 生長數(shù)據(jù)測定

分別在2019年7、9、12月，在研究地點測藥用植物的冠幅面積、株高以及莖基粗度，來觀察植物生長量的變化。

1.9 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)均通過Excel 2019和SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種藥用植物的光合特性日變化特征

2.1.1 凈光合速率和光能利用率 由圖1可見，半楓荷和山豆根的凈光合速率變化呈雙峰趨勢，兩種植物均在8：00-9：30呈上升趨勢，在9：30達到最高值。半楓荷在9：30-12：30呈下降趨勢，在12;30-14：00呈上升趨勢并在14：00達到第二個峰值。山豆根在9：30-14：00呈下降趨勢，在14：00-15：30呈上升趨勢，并在15：30達到第二個峰值。兩種植物均在17：00達到全天最低值。裸花紫珠和廣西地不容變化趨勢呈單峰趨勢，裸花紫珠在8：00-9：30呈下降趨勢，9：30-11：00呈上升趨勢并在11：00達到峰值，在11：00-17：00呈下降趨勢，在17：00為最低值。廣西地不容變化趨勢較平緩，在9：30到達最大值，在17：00為最低值。4種植物的日均P2·s）]>半楓荷[（9.98±1.96）μmol/（m²·s）]>山豆根[（8.96±3.47）μmol/（m²·s）]>廣西地不容[（4.68±1.31）μmol/（m²·s）]，可見裸花紫珠在4種植物中光合生產(chǎn)力較高。在光能利用率方面，其日均LUE值半楓荷（1.77%）>裸花紫珠（1.65%）>山豆根（1.38%）>廣西地不容（1.09%），表明半楓荷和裸花紫珠的光照利用能力較高。

2.1.2 4種藥用植物的氣孔導度和胞間c02濃度氣孔導度與環(huán)境因子相關(guān)，不同植物的氣孔導度變化有差異[20]。因4種植物均在同一環(huán)境下同一時間測定，故環(huán)境因子影響較小。由圖3可知，有兩種植物的氣孔導度在11：00值最高，半楓荷則在14：00時值最高，廣西地不容則在12：30時值最高。其中半楓荷以5.25h為周期波動，裸花紫珠和山豆根變化幅度較大，說明其更容易受環(huán)境因子的影響。廣西地不容氣孔導度變化趨勢比較平緩，受外界影響小。

從圖4可以看出，半楓荷的C_i值在8：00-11：00呈下降趨勢，其中8：00-9：30與其Pn值相反，說明該時段內(nèi)葉片光合作用增強，在12：30達到峰底;廣西地不容8：00-9：30葉片光合作用增強，并在9：30達到峰底：山豆根在8：00-9：30和14：00-15：30光合作用增強，在9：30達到峰底。

2.1.3 4種藥用植物的蒸騰速率和水分利用效率的日變化特征由圖5可以看出，4種植物的T_r變化幅度較大的是裸花紫珠，變化較為平緩的是山豆根，半楓荷峰值出現(xiàn)在12：30，裸花紫珠峰值出現(xiàn)在14：00，廣西地不容峰值出現(xiàn)在12：30，山豆根峰值出現(xiàn)在14：00。由圖6可以看出，4種植物的WUE為半楓荷[（5.44±1.77）μmol/mmol]>廣西地不容[（4.64±2.30）μmol/mmol]>山豆根[（3.86±1.35）μmol/mmol]>裸花紫珠[（3.62±0.76）μmol/mmol]，說明半楓荷瞬間水分利用率較高，裸花紫珠瞬間水分利用率較低。

2.1.4 4種藥用植物的葉片P2濃度（Ca）、氣溫（Ta）顯著或極顯著相關(guān)，說明廣西地不容的P2濃度的影響較大，而半楓荷、裸花紫珠、山豆根的Pi顯著負相關(guān)，而半楓荷和裸花紫珠的Pi相關(guān)不顯著。

從表2可知，廣西地不容的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度均顯著低于其他3種植物，但其水分利用效率與其他三者差異不顯著。4種藥用植物中裸花紫珠日均P2濃度和氣孔導度也最大。半楓荷水分利用效率最高，但與其他三者差異不顯著。

2.2 4種藥用植物的光響應曲線特征參數(shù)

光飽和點和光補償點是植物利用光合能力的體現(xiàn)[21]。如表3所示，4種藥用植物的光飽和點為山豆根>半楓荷>裸花紫株>廣西地不容，說明山豆根和半楓荷適應強光的能力好，廣西地不容光飽和點最低，說明廣西地不容是喜陰植物，遮陰環(huán)境更適合其生長。4種藥用植物的光補償點為山豆根>廣西地不容>半楓荷>裸花紫株，說明裸花紫株和半楓荷對弱光的適應能力最好，在弱光下依舊可以進行光照積累。4種藥用植物的表觀量子效率為裸花紫株>半楓荷>廣西地不容>山豆根，半楓荷和裸花紫株表觀量子效率高且光補償點低，說明其喜陽耐陰，對光的適應范圍廣，其中半楓荷為4種植物中對光適應范圍最廣的藥用植物。

2.3 4種藥用植物的葉片葉綠素含量

葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，能在一定程度上反映植物光合能力的強弱。由表4可知，4種植物中葉綠素含量廣西地不容>半楓荷>裸花紫珠>山豆根。葉綠素總量廣西地不容和山豆根間的差異較大。

2.4 碳酸酐酶活力與δ¹³C

碳酸酐酶在植物光合作用中起重要的作用。碳酸酐酶通過調(diào)節(jié)CO₂和HCO₃^-之間的轉(zhuǎn)化來達到固碳的目的[3，22-24]。4種藥用植物的碳酸酐酶活力及穩(wěn)定碳同位素組成δ¹³C如表5所示，可以看出半楓荷、裸花紫珠、山豆根的碳酸酐酶活力明顯低于廣西地不容，山豆根的碳酸酐酶活力最小。說明廣西地不容的固碳能力較好，對喀斯特生境具有較好的修復能力。

4種藥用植物葉片的δ¹³C大小為半楓荷>廣西地不容>山豆根>裸花紫珠，即半楓荷和廣西地不容的長期水分利用效率較高。與上述WUE的結(jié)果一致。

2.5 4種藥用植物在7-12月的生長特性

如圖7、圖8、圖9所示，4種藥用植物的冠幅面積、株高、莖基粗在7-9月總體呈增長的趨勢（其中山豆根的冠幅面積略微減小是由于管理人員修剪所致，廣西地不容處于休眠期導致植物葉片凋零），裸花紫珠和山豆根增長趨勢最為明顯，總體來說，4種藥用植物生長總體呈增長趨勢。

3 小結(jié)與討論

本研究在桂西南那坡縣海拔1200m的典型喀斯特地區(qū)研究了廣西特有藥用植物裸花紫珠、半楓荷、山豆根和廣西地不容的光合作用日變化、碳酸酐酶活力、葉綠素含量和穩(wěn)定碳同位素組成，結(jié)果表明參試藥用植物對喀斯特干旱的生態(tài)環(huán)境具有不同的生理適應性。在光合日變化方面，裸花紫珠的P2·s）、日均WUE為2.43μmol/mmol[25]，均低于本研究中裸花紫珠所測值;同時，裸花紫株株高、冠幅面積、莖基粗分別增長36cm、21 133：67cm2和15.38mm，在此期間該植物開花結(jié)果，說明裸花紫珠在喀斯特地區(qū)具有較強的適應性。廣東省河源市種植的半楓荷P2·s）[26]，而本研究的半楓荷P2·s），遠高于廣東省所測值，同時在本研究的干旱環(huán)境下半楓荷的株高、冠幅面積和莖基粗分別增加了23.34cm，1304.34cm²和4.54mm。C₃植物的δ¹³C值在-20‰～-35‰之間，且平均值為-27‰左右&？sup>13餋大說明植物適應喀斯特地區(qū)干旱的生境[27，28]，在本研究中半楓荷和廣西地不容的δ¹³C值均大于平均值，有較好的固碳能力，說明水分利用率較高。而在干旱環(huán)境下山豆根在所測定的項目中沒有明顯的高值，但在所觀察的6個月的生長周期中，山豆根株高增長達79cm，也說明了山豆根是適應試驗區(qū)的生長環(huán)境的，但其適應干旱環(huán)境的機制尚待進一步研究。由此可見，不同的參試藥用植物在喀斯特的干旱環(huán)境條件下表現(xiàn)出不同的生理和水分利用特征，顯示其可能具有不同的適應喀斯特生態(tài)環(huán)境的生理生態(tài)機制。該研究為喀斯特地區(qū)藥用植物栽培提供了一定的科學依據(jù)。

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收稿日期：2020-04-10

基金項目：廣西科技重大專項（桂科AA18118015）;國家自然科學基金項目（31760112）

作者簡介：郝俊霄（1994-），女，河南焦作人，在讀碩士研究生，研究方向為喀斯特石漠化治理，（電話）18878735347（電子信箱）1944662470@qq.com;通信作者，唐輝（1972-），男，廣西興安人，研究員，主要從事喀斯特特色藥用植物引種馴化工作，（電話）0771-3237758（電子信箱）913529761@qq.com。