青藏高原不同種源麻花艽光合特征比較

周黨衛(wèi)，師生波，王環(huán)，王亞藝，王久利，李松齡，陳世龍,沈建偉，程庭峰，李小娟

(1.中國科學(xué)院高原生物適應(yīng)與進(jìn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008；2.中國科學(xué)院西北高原生物研究所分析測試中心,青海 西寧 810008；3.青海省植物分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧 810008；4.青海民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境與資源學(xué)院，青海 西寧 810007)；5.青海大學(xué)土壤肥料研究所，青海 西寧 810008)

青藏高原平均海拔4 000 m，被譽(yù)為世界第三極.獨(dú)特的自然地理環(huán)境，孕育了許多特有的植物資源.這些植物長期適應(yīng)高原低氣壓、強(qiáng)輻射、低溫等逆境環(huán)境，在生理生化和形態(tài)結(jié)構(gòu)等方面具有獨(dú)特的適應(yīng)特征[1-3]，已引起了國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注[4-7].早在1991年，就有高山植物的移栽馴化試驗(yàn)，并通過與原產(chǎn)地比較，揭示了葉片CO2同化速率和水蒸氣交換速率的適應(yīng)性具有異質(zhì)性[8].夏明忠[9]對分布于不同海拔梯度的高原粳稻進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其光合適應(yīng)特性存在明顯適應(yīng)差異.師生波等[10]對青藏高原的3種人工栽培植物的研究也表明其光合特性差異較大，且與低海拔植物無相似性.近期，趙玉文等[11]對西藏砂生槐的引種研究也發(fā)現(xiàn)不同種源材料的光合特征存在差異.但目前關(guān)于不同種源高山植物移栽馴化后光合特性的研究還十分有限.

葉綠素?zé)晒鉁y定是一種快速、無損傷的檢測植物光合作用運(yùn)轉(zhuǎn)的技術(shù)，葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)分析在監(jiān)測葉片光合作用過程中光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨(dú)特的作用[12].由于最大光量子效率(Fv′/Fm′)，實(shí)際光量子效率(ΦPSⅡ)，光適應(yīng)光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)，非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)等熒光參數(shù)對植物非生物脅迫具有較好的指示性，因此，在植物表型鑒定和農(nóng)作物品質(zhì)選育方面已廣為使用[13]；并且在木本植物、農(nóng)作物和園林植物篩選方面得到應(yīng)用[12-15]，對植物的合理栽培與生理適應(yīng)了解也具有重要作用[15-16].但該技術(shù)在高山植物種質(zhì)篩選方面還鮮有報(bào)道.

麻花艽(GentianastramineaMaxim.)是廣布于青藏高原的高寒草甸代表性伴生種，為龍膽科(Gentianaceae)龍膽屬(GentianaL.)植物，分布于海拔2 500～4 700 m的山坡、河灘、草地和灌叢[17-18].麻花艽為一種重要的中藏藥材[19-20]，在高原地區(qū)人為采挖野生麻花艽現(xiàn)象較為嚴(yán)重，不僅嚴(yán)重破壞了高寒草甸的生態(tài)環(huán)境[21]，也造成麻花艽種質(zhì)資源的損失.盡管，目前麻花艽的人工栽培已經(jīng)取得一定進(jìn)展[22-23]，但關(guān)于優(yōu)良種質(zhì)研究仍極為缺乏，對異地移植后其生理適應(yīng)性也缺乏了解.已有研究表明，麻花艽光合速率和葉綠素?zé)晒鈪?shù)與所在地的海拔有較大關(guān)系[10,21].但異地移栽后這種現(xiàn)象與原產(chǎn)地海拔間的關(guān)系是否依然存在，其光合特性是否會呈現(xiàn)趨同適應(yīng)？對此尚缺乏必要的探究.鑒于此，本研究對不同海拔種源的麻花艽進(jìn)行了1 a的人工馴化栽培，并分析了光合色素、光合氣體代謝參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化，以期揭示麻花艽的光合特征差異，為麻花艽的優(yōu)質(zhì)種質(zhì)篩選，遺傳多樣性保護(hù)和引種栽培提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣地與材料

試驗(yàn)樣地位于青海省湟中縣多巴鎮(zhèn)實(shí)驗(yàn)苗圃，距西寧市研究所約25 km；N 36°39′，E 101°31′，海拔2 360 m.該區(qū)域?yàn)殇宜由角昂庸雀?蔬菜和春油菜種植區(qū))，土壤為灰鈣土，有機(jī)質(zhì)為11.26 g/kg，全氮為1.04 g/kg,全磷為2.31 g/kg,全鉀為30.03 g/kg,堿解氮為73.00 g/kg,速效磷為9.70 g/kg,速效鉀為235 g/kg,pH 8.32；年均溫2.6～5.3 ℃，平均降水量378.3 mm，且多集中于6～8月份.年均日照時數(shù)2 588.3 h，日照百分率達(dá)59%.2017年植物生長季的7～8月份，在青藏高原的不同地點(diǎn)(表1)選擇生長健壯的野生麻花艽植株各6～10株，帶土移回并栽培于驗(yàn)苗圃內(nèi)；栽培前土壤平整后每667 m2使用10 kg尿素和5 kg磷酸二銨作為底肥，定植株間距為20 cm.經(jīng)越冬適應(yīng)后，在生長季6月初，人工祛除雜草后，架設(shè)遮陽網(wǎng)，避免中午過強(qiáng)光照；生長期給予適時澆水.在2018年植物開花期的8月份選取生長健壯、大小接近的植株進(jìn)行試驗(yàn).

表1 不同種源移栽麻花艽采樣點(diǎn)信息

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 葉綠素和類胡蘿卜素含量測定 參照朱廣廉等[24]的方法，在完成光合氣體代謝參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定后，取成熟葉片，每一類群植物用打孔器取0.7 cm葉圓片30片，分3組，分別浸泡于丙酮乙醇混合水溶液中(乙醇∶丙酮∶水=45%∶45%∶10%).密封4 ℃暗浸提10 d后用島津UV-1602測定663、652、645、470 nm等處的光吸收值，按照Arnon[25]的方法計(jì)算葉綠素各組分和類胡蘿卜素的含量.

1.2.2 光合氣體代謝參數(shù)測定 選擇天氣較為穩(wěn)定的全晴天，于苗圃選取健康植株，采用Yaxin-1102型光合蒸騰測定儀(北京雅欣公司)，依次測定不同種源麻花艽葉片的凈光合速率(Pn)和氣孔導(dǎo)度(Gs)等氣體代謝參數(shù)；測定氣源來自樣地5 m開外約2 m高的大氣.測定時間選太陽日照強(qiáng)度及大氣溫濕度較為穩(wěn)定的9∶00～11∶00[10]，氣溫為(27±1)℃，相對濕度(42±2)%， CO2體積濃度(385±4)μmol/mol,測定空氣流速控制在0.1 L/min.不同馴化類群，選擇大小一致的3個獨(dú)立株進(jìn)行測定，測定時選擇成熟無損傷葉片中部進(jìn)行測定，測定后，用尺子測定選擇測定部分的葉面積，對測定結(jié)果進(jìn)行校正.

1.2.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定 葉綠素?zé)晒鈪?shù)采用英國產(chǎn)便攜式脈沖調(diào)制熒光儀FMS-2(Hansatech Instruments LTD.，Norfolk，UK)測定.選取健康植株上長勢一致的麻花艽3片葉片，經(jīng)暗適應(yīng)30 min后測定初始熒光(Fo)，最大熒光(Fm)，計(jì)算最大光化學(xué)效率Fv/Fm；開啟熒光儀器內(nèi)置光源，測定860 μmol/(m2·s)穩(wěn)態(tài)光強(qiáng)下的葉綠素?zé)晒鈪?shù)(Fs)，光化學(xué)作用光下的最大熒光強(qiáng)度(Fm′)；光化學(xué)猝滅系數(shù)qP= (Fm′ -Fs)/(Fm′ -Fo′)，非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ=(Fm-Fm′)/Fm′，PSⅡ反應(yīng)中心實(shí)際光化學(xué)效率ΦPSⅡ= (Fm′ -Fs)/Fm′.快速光響應(yīng)曲線(RLC)測定采用內(nèi)置光源獲取,對自然光誘導(dǎo)葉片1～1.5 h后，進(jìn)行連續(xù)光化學(xué)梯度(0、21、57.5、125、232、380、580、820、1 120、1 480、1 880)μmol/(m2·s),儀器發(fā)射飽和脈沖，直到1 880 μmol/(m2·s)結(jié)束，獲取不同光強(qiáng)下的葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)，每一光強(qiáng)下的平衡時間為10 s.光合電子傳遞速率ETR=ΦPSⅡ×PAR×0.84×0.5[26]，相對電子傳遞速率的初始斜率α、ETRm和EK值按照Eilers and Peeters的公式[27]進(jìn)行光響應(yīng)曲線擬合，參數(shù)數(shù)值按照下列公式進(jìn)行計(jì)算：

ETR=PAR×(a×PAR2+b×PAR+c)-1

式中，α=1/c;ETRm=(b+2×(ac)1/2)-1；EK=c×(b+2×(ac)1/2)-1

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種源麻花艽的光合色素比較

葉綠素a(Chl a)和葉綠素b (Chl b)是植物捕獲光能進(jìn)行光合作用的主要組分.如表2所示，Chl a含量在不同類群麻花艽有較大差異，其中碌曲最高，河南最低，二者相差41.376 mg/g，差異極為顯著(P<0.05)；達(dá)日和碌曲的Chl a含量盡管略高于互助類群，但卻并無顯著差異.Chl b含量仍為碌曲類群最高，互助最低，其中碌曲和達(dá)日類群顯著高于互助類群，Chl b含量隨海拔有增高趨勢(P<0.05)(表2).類胡蘿卜素(Car)含量在不同種源麻花艽中也存在差異，其中達(dá)日和碌曲類群顯著高于互助，達(dá)日和碌曲馴化類群總體Car含量較高.碌曲類群的總?cè)~綠素(Chl)含量顯著高于其他種源的麻花艽(P<0.05)，盡管河南類群Chl含量與互助和同仁類群無明顯差異，但仍顯著低于碌曲和達(dá)日類群，說明Chl含量在高海拔馴化類群中呈現(xiàn)增高趨勢.Chl a與Chl b的比值(Chl a/b)，互助類群最大，顯著高于其他類群(P<0.05)，河南類群值最小，其比值在高海拔馴化類群中有降低趨勢；而Car與Chl比值在各馴化類群中則隨原產(chǎn)地海拔增高呈增高趨勢.

表2 不同種源麻花艽葉綠素與胡蘿卜素含量的比較

2.2 不同種源麻花艽凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)及胞間CO2濃度(Ci)比較

光合速率Pn在不同種源麻花艽馴化類群中差異并不顯著(P>0.05).由圖1-A可以看出，碌曲類群的Pn較高，平均光合速率達(dá)到18.11 μmol/(m2·s),其次為達(dá)日類群，Pn最小的類群為互助類群.海拔最高的達(dá)日類群Pn較互助高38%，是海拔最低互助類群的1.21倍.進(jìn)一步分析光合速率Pn與起源地海拔的相關(guān)性表明，其相關(guān)系數(shù)為0.782.說明麻花艽移栽馴化類群的Pn隨海拔升高呈現(xiàn)出增高的變化趨勢.

圖1 不同種源麻花艽的光合特征比較Figure 1 Comparison of photosynthetic characteristics among G.straminea from different sites

不同類群麻花艽的蒸騰速率Tr分析表明，互助類群最高，而同仁類群最低；但與其余3個馴化類群的Tr無明顯差異(P>0.05)；互助類群的Tr值顯著高于同仁、河南、碌曲和達(dá)日類群(P<0.05)(圖1-B).不同種源麻花艽氣孔導(dǎo)度Gs顯示同仁類群的最大，河南類群最小且顯著低于其他種源地麻花艽類群(P<0.05)，碌曲和達(dá)日馴化類群的Gs略有降低趨勢(圖1-C).葉片細(xì)胞間CO2濃度Ci則在不同種源間存在明顯差異(圖1-D)，其中互助和同仁麻花艽類群葉片的Ci分別為103.14 μmol/mol和123.30 μmol/mol，高于河南、碌曲和達(dá)日馴化類群，且碌曲類群Ci最低.在不同移栽類群中，同仁類群Ci值顯著高于河南、碌曲和達(dá)日3個麻花艽馴化類群(P<0.05)，但與互助類群的差異并不顯著(P>0.05)，Ci在馴化類拔類群隨原產(chǎn)地海拔呈降低趨勢.

2.3 不同種源麻花艽PSⅡ有效光化學(xué)效率與實(shí)際光化學(xué)效率的比較

PSⅡ反應(yīng)中心有效光化學(xué)效率(Fv′(/Fm′)是反映PSⅡ原初光反應(yīng)中心光能捕獲效率的重要指標(biāo).自然環(huán)境下，麻花艽主要分布在水分較好的灘地及山坡半陰面，高光強(qiáng)易引起光抑制，因此設(shè)穩(wěn)態(tài)作用光強(qiáng)為860 μmol/(m2·s).如圖2-A所示，在860 μmol/(m2·s)光強(qiáng)下，盡管統(tǒng)計(jì)分析顯示不同類群間Fv′/Fm′無明顯差異(P>0.05)，各個種源間同仁麻花艽類群的Fv′/Fm′為最高，其次為互助類群，河南類群最低；而河南、碌曲和達(dá)日類群Fv′/Fm′略低于低海拔的互助和同仁類群.同樣，不同種源麻花艽的實(shí)際光化學(xué)效率ΦPSⅡ也無顯著差異(P>0.05)，其中低海拔的互助和同仁類群ΦPSⅡ差異不大，略高于其他3個類群(圖2-B).說明，PSⅡ反應(yīng)中心的Fv′/Fm′和ΦPSⅡ在高海拔引種馴化類群中較低，其中ΦPSⅡ在不同馴化類群中與起源地海拔類群中呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為-0.837(P=0.077).

圖2 不同種源麻花艽葉片實(shí)際光化學(xué)效率和有效光化學(xué)效率的比較Figure 2 Comparison of the PSⅡmaximal and actual photochemical efficiency among the leaves of G.straminea from different sites

2.4 不同種源麻花艽光適應(yīng)下光化學(xué)猝滅和非光化學(xué)猝滅比較

光化學(xué)猝滅系數(shù)qP是反映光反應(yīng)中質(zhì)體醌氧化狀態(tài)的重要參數(shù)，其數(shù)值大小與反應(yīng)中心光合電子傳遞的效率相關(guān)，是光合作用PSⅡ原初反應(yīng)中心光能利用的重要指標(biāo).穩(wěn)態(tài)860 μmol/(m2·s)光強(qiáng)下，不同種源的比較結(jié)果顯示，qP在不同馴化類群麻花艽葉片之間差異極小(圖3-A)，而非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ在不同馴化類群間存在一定差異(圖3-B)，其中達(dá)日類群NPQ最高，同仁類群的最低，較達(dá)日降低31%，二者差異顯著(P<0.05).

圖3 不同種源麻花艽葉片光化學(xué)及非光化學(xué)猝滅系數(shù)的比較Figure 3 Comparison of photochemical and non-photochemical quenching coefficient in the leaves of G.straminea from different sites

圖4為光化學(xué)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)的光響應(yīng)特性.表明，qP值隨著光合有效輻射PAR增高，呈現(xiàn)出幾乎直線降低的趨勢；在較低光強(qiáng)范圍，除互助類群外其他幾個馴化適應(yīng)類群之間均差異較小，隨PAR增加，高海拔的達(dá)日類群，其qP明顯高于低海拔互助類群(圖4-A).NPQ的變化隨PAR的增加呈現(xiàn)增加的態(tài)勢(圖4-B)，在高光強(qiáng)下，達(dá)日馴化類群明顯較高，而河南與達(dá)日類群的NPQ接近.說明，不同種源麻花艽qP和NPQ隨光強(qiáng)的變化趨勢差異明顯.并且即使在1 850 μmol/(m2·s)時，不同馴化類群NPQ仍呈增加趨勢，呈現(xiàn)對強(qiáng)光的較強(qiáng)適應(yīng)性.其中當(dāng)光強(qiáng)高于1 200 μmol/(m2·s)，達(dá)日類群的qP和NPQ值均高于其他馴化類群，其強(qiáng)光適應(yīng)性呈現(xiàn)出互助<同仁<碌曲<河南<達(dá)日.

圖4 不同種源麻花艽類群葉片光化學(xué)猝滅系數(shù)與非光化學(xué)猝滅系數(shù)的變化Figure 4 Variation of PSⅡphotochemical and non-photochemical quenching coefficient in the leaves of G.straminea from different sites

2.6 不同海拔麻花艽類群表觀電子傳遞效率ETR的光響應(yīng)比較

由圖5-A可以看出，相對表觀電子傳遞速率ETR隨著光合有效輻射PAR的增加呈增強(qiáng)趨勢，大于1 000 μmol/(m2·s)后逐漸趨于平穩(wěn).盡管高光強(qiáng)時不同種源麻花艽類群的ETR均較穩(wěn)定，但達(dá)日類群的ETR值明顯較高，而河南、碌曲和同仁類群的ETR值差異較小，且仍明顯高于互助類群.其大小順序?yàn)椋哼_(dá)日>河南>碌曲>同仁>互助.說明高海拔麻花艽馴化類群的表觀光合電子傳遞效率較高.

在中低光強(qiáng)范圍內(nèi)(0～600 μmol/(m2·s))，不同類群麻花艽葉片表觀電子傳遞速率ETR與光合有效輻射PAR增加幾乎為線性(圖5-B)，直線回歸的擬合相關(guān)系數(shù)在達(dá)日、碌曲、河南、同仁、互助分別為0.96、0.95、0.98、0.97和0.99(P<0.01)，呈現(xiàn)隨海拔升高而升高的趨勢.光響應(yīng)曲線的初始斜率α值在同仁、河南與碌曲類群斜率較為接近(0.237 5、0.230 5和0.238 0)，明顯高于低海拔的互助類群0.159 7，而低于達(dá)日馴化類群(0.257 6).說明，麻花艽類群在較低光強(qiáng)范圍ETR與PAR之間呈現(xiàn)極顯著直線相關(guān)關(guān)系，高海拔類群具有更高效的光能利用效率.達(dá)日、碌曲、河南、同仁、互助不同類群麻花艽的最大電子傳遞速率ETRm分別為103.44、140.53、155.44、147.28和195.90 μmol/(m2·s).而不同類群間最小的飽和光強(qiáng)度EK值[23]也存在差異，其中互助和同仁類群的EK值分別為467 μmol/(m2·s)和406 μmol/(m2·s)，而河南、碌曲和達(dá)日馴化類群EK值分別為565、510和658 μmol/(m2·s).說明，起源于高海拔達(dá)日.河南和碌曲馴化適應(yīng)類群的ETRm和EK值都高于低?；ブ晤惾?

圖5 不同種源麻花艽類群葉片光合電子傳遞ETR的光響應(yīng)Figure 5 Comparison of light response of electron transfer reaction in the leaves of G.straminea from different sites

2.7 不同種源麻花艽引種馴化后，海拔與光合特征參數(shù)的相關(guān)性分析

為了解移栽后，原產(chǎn)地海拔對光合特征參數(shù)的影響及個光合參數(shù)的關(guān)系，我們對不同種源地麻花艽的光合相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析.如表3所示，引種地海拔與葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量、光合速率均呈正相關(guān)關(guān)系，而與胞間CO2濃度，蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.其中與光合速率的正相關(guān)性接近達(dá)到顯著水平.同樣，葉綠素a和總?cè)~綠素含量與Pn呈正相關(guān)關(guān)系.這與水稻中的研究結(jié)果一致[28].同樣，在光合熒光參數(shù)中，非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ與麻花艽種源地海拔具有正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.461.而最大電子傳遞速率ETRm與種源地海拔則呈現(xiàn)出極顯著的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.943(P<0.05).因此，根據(jù)葉綠素、光合速率特征，結(jié)合引種馴化熒光特征，可以看出，不同種源麻花艽中，達(dá)日、碌曲和河南類群，特別是達(dá)日類群，具有優(yōu)良的適應(yīng)性和光合潛力，在引種栽培上具有很好的利用價(jià)值.

3 討論

麻花艽是青藏高原的特有物種[17]，也是傳統(tǒng)中藏藥材“秦艽”的代表種[19-20].因其資源儲量大，品質(zhì)好而在秦艽市場上占有相當(dāng)?shù)谋壤齕18].目前，麻花艽的市場供應(yīng)仍主要依賴于野生資源.由于長期的野外采挖，不僅破壞高原脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，也易于造成物種的瀕危和物種多樣性的損失[18,29].盡管，目前麻花艽的人工栽培已經(jīng)取得一定進(jìn)展[22-23]，但優(yōu)良種質(zhì)篩選研究仍極為缺乏，對異地移植后其生理生態(tài)適應(yīng)性更缺乏了解.因此，研究移栽麻花艽的馴化適應(yīng)性，對于高山藥用植物栽培、種質(zhì)選育及多樣性保護(hù)等均具有重要意義.

表3 麻花艽原產(chǎn)地海拔與光合特征參數(shù)相關(guān)分析

已有研究表明，高山植物在極端環(huán)境條件下，其形態(tài)解剖和生理生化特征都發(fā)生明顯的改變[1-3].作為植物生存最重要的儲能和形成有機(jī)物質(zhì)的光合作用，其光合器官也對高山脅迫環(huán)境存在明顯的響應(yīng)和適應(yīng)[4-7].有研究結(jié)果表明，光合作用總?cè)~綠素含量隨著海拔的升高而降低，而類胡蘿卜素含量隨海拔而升高[3].本研究發(fā)現(xiàn)異地移栽后，總?cè)~綠素含量和類胡蘿卜素含量在不同種源麻花艽類群間依然有差異，高海拔種源達(dá)日與碌曲馴化類群均具有較高總?cè)~綠素含量和類胡蘿卜素含量，其中葉綠素b的變化趨勢更為明顯.有研究認(rèn)為，光強(qiáng)和光質(zhì)都能對葉綠素合成產(chǎn)生影響[30]，而溫度對葉綠素合成也具有重要調(diào)節(jié)作用，低溫降低葉綠素的含量[3].高海拔地區(qū)的類群，其葉綠素和色素合成在原產(chǎn)地可能受到低溫條件的限制，因此，合成效率可能較低[4]；而植物生長季8月份栽培區(qū)域內(nèi)水熱同期，使得葉綠素和胡蘿卜素合成在高海拔類群中更為活躍.葉綠素a和b的比值盡管在不同類群中存在差異，但整體具有一定程度的降低，這與野外的測定結(jié)果有所不同[3-4].對荒漠環(huán)境下的云杉研究也發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)光下葉綠素含量的降低可能是一種馴化適應(yīng)[7]，因此，葉綠素在不同類群的差異，也可能是對移栽地區(qū)環(huán)境的馴化適應(yīng).而類胡蘿卜素含量的增加，則與其對高海拔強(qiáng)光的適應(yīng)有可能關(guān)[3].高海拔來源的植物長期受到強(qiáng)太陽輻射，特別是UV-B輻射的影響，類胡蘿卜素不僅可以在光反應(yīng)中傳遞電子，而且作為非抗氧化物質(zhì)來清除過多的自由基，因此高含量的胡蘿卜素含量和Car/Chl能更有利于植物光合器官的保護(hù)[31].因此，異地移栽后，麻花艽類群的葉綠素合成的改變可能存在著一定的馴化適應(yīng)，但高海拔植物具有高含量胡蘿卜素可能是因?yàn)楦嗍艿皆a(chǎn)地環(huán)境的影響.

夏明忠[9]比較了不同來源水稻的光合特征，認(rèn)為高光強(qiáng)下高海拔水稻具有較高的光合速率.Westbeek等[32]比較了高山、亞高山和低海拔起源的7種植物，發(fā)現(xiàn)高海拔地區(qū)的植物光合速率明顯大于低海拔地區(qū)而羧化能力也一樣，這與本研究的結(jié)果一致.本研究發(fā)現(xiàn)，異地移栽后，麻花艽類群的光合速率與引種地海拔具有顯著正相關(guān)性(P<0.05)，而胞間CO2濃度則呈現(xiàn)降低的趨勢，說明引種移栽后，高海拔來源的麻花艽仍然具有較高的CO2同化能力.Rubsico酶在光合作用中具有重要作用，其遺傳和動力學(xué)特征可能已經(jīng)在長期的低溫、低氣壓等高山環(huán)境下發(fā)生了動力學(xué)性質(zhì)改變，羧化能力提高[3].但也有研究表明，高海拔植物的光合速率并不高，可能是低氣壓導(dǎo)致的結(jié)果[33].應(yīng)該看到，麻花艽類群的光合速率盡管隨海拔有所增高，但類群間并沒有達(dá)到顯著水平，這可能與綜合因素限制有關(guān)[4].同樣，有研究認(rèn)為，隨著海拔升高，氣孔導(dǎo)度增加[3]；但本研究結(jié)果顯示，不同種源的麻花艽類群，氣孔導(dǎo)度隨著海拔的升高具有降低的趨勢.氣孔導(dǎo)度受光質(zhì)和溫度影響，高溫降低氣孔導(dǎo)度[34].高海拔植物的光合最適溫度降低[3].因此，異地移栽后，不同種源麻花艽類群的氣孔導(dǎo)度降低，可能也與栽培地區(qū)夏季的溫度較高有關(guān).高海拔類群氣孔導(dǎo)度的降低，導(dǎo)致胞間CO2降低，構(gòu)成光合速率的限制因素，使得高海拔類群凈光合速率并未顯著高于低海拔的互助和同仁類群，但其趨勢仍然表現(xiàn)出隨海拔增高的趨勢.這也與前期矮嵩草、高山稻的研究結(jié)果一致[4,7]，說明起源地可能仍然是影響麻花艽光合潛力的主要因素.

葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)是分析光合機(jī)構(gòu)PSⅡ光化學(xué)活性的有力工具[11].Fv′/Fm′反映PSⅡ原初光能捕獲效率，而PSⅡ非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ則反映光合機(jī)構(gòu)通過非輻射能量耗散過剩激發(fā)能的能力，調(diào)節(jié)PSⅡ光合量子效率[33].本研究發(fā)現(xiàn)，不同類群麻花艽的Fv′/Fm′在穩(wěn)態(tài)光強(qiáng)860 μmol/(m2·s)下均無顯著差異，而NPQ隨海拔升高有增強(qiáng)趨勢.師生波等[7]對云杉的研究發(fā)現(xiàn)，高光強(qiáng)下，其NPQ在移栽地區(qū)無差異，存在趨同適應(yīng)性.但不同種源麻花艽NPQ值的差異可能更多與其起源地有關(guān)，其中高海拔達(dá)日、碌曲和河南類群的NPQ值均高于低海拔同仁和互助類群，是否存在趨同適應(yīng)尚待進(jìn)一步觀察.在穩(wěn)態(tài)光強(qiáng)下，麻花艽NPQ平均值約為1.5～2.5，均低于3.0，呈現(xiàn)了一定的耐陰性[3]，這也與麻花艽類群在高原的分布生境一致.

葉綠素?zé)晒鈪?shù)曲線可反映植物光合功能對環(huán)境變化的快速響應(yīng)與應(yīng)答.本研究結(jié)果顯示，光化學(xué)猝滅系數(shù)qP的光響應(yīng)曲線隨光強(qiáng)呈現(xiàn)降低的趨勢.qP反映了電子傳遞過程中質(zhì)體醌的QA的氧化還原狀態(tài)，光環(huán)境中QA接受電子，形成還原態(tài)NADH，可將同化力轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的化學(xué)能，qP的降低意味著強(qiáng)光對PSⅡ反應(yīng)中心產(chǎn)生了抑制作用.高海拔類群的qP降低程度明顯低于低海拔類群的，說明高海拔起源的麻花艽類群發(fā)生光抑制的程度弱于低海拔的，能更好的適應(yīng)高原的強(qiáng)太陽輻射.這可能與非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ增強(qiáng)有關(guān).不同海拔麻花艽非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ隨光強(qiáng)的增加其變化趨勢較為一致，高海拔類群升高較明顯.強(qiáng)光下NPQ較高，表明此時植物類囊體膜上的PSⅡ反應(yīng)中心多呈失活狀態(tài)，失活的反應(yīng)中心與光捕獲天線色素一起共同參與過剩激發(fā)能的耗散過程，可保護(hù)功能反應(yīng)中心免遭多余光能的傷害[35-36]；同樣，高海拔類群具有較高類胡蘿卜素含量，能有助于抵御強(qiáng)光產(chǎn)生的過量自由基對于反應(yīng)中心的傷害.隨著海拔升高，太陽輻射增強(qiáng)，原產(chǎn)地高海拔的麻花艽類群可通過非光化學(xué)能量耗散的增強(qiáng)保護(hù)PSⅡ反應(yīng)中心，是對高海拔強(qiáng)光輻射的一種適應(yīng).

ETR描述PSⅡ反應(yīng)中心相對的電子傳遞速率.一般認(rèn)為，低于200 μmol/(m2·s)光強(qiáng)下，光合電子傳遞與光強(qiáng)之間呈直線相關(guān)關(guān)系[34]；而本研究發(fā)現(xiàn)，光強(qiáng)小于600 μmol/(m2·s)的中低光下，麻花艽的ETR與光強(qiáng)之間也呈顯著正相關(guān)關(guān)系.其中高海拔的α值顯著大于低海拔的互助和同仁類群，表明高海拔麻花艽類群具有更高的光反應(yīng)效率.而光強(qiáng)大于600 μmol/(m2·s)后ETR增加緩慢且在高光強(qiáng)下略有降低的趨勢，這可能與反應(yīng)中心發(fā)生了光抑制，導(dǎo)致ETR降低有關(guān)[37].最小飽和光強(qiáng)EK值表明，不同種源麻花艽的數(shù)值在410～658 μmol/(m2·s)，并且達(dá)日、碌曲和河南類群具有更高的最小光飽和值，說明其光抑制的發(fā)生需要更高的光照強(qiáng)度.ETR隨光強(qiáng)的變化趨勢一致，且來源于高海拔的麻花艽類群具有較高的ETR數(shù)值，同樣高海拔類群的ETRm顯著高于低海拔的互助和同仁類群.這表明，高海拔來源的麻花艽其光反應(yīng)中心的電子傳遞效率也顯著高于低海拔種源地區(qū).同樣，光響應(yīng)曲線也顯示，高海拔類群具有更高的Fv′/Fm′和NPQ值，并且無論在適宜光照強(qiáng)度還是高光強(qiáng)下，其ETR都隨海拔而明顯增強(qiáng).

4 結(jié)論

總上所述，異地移栽馴化過程中，不同海拔麻花艽類群的光合氣體代謝參數(shù)以及葉綠素?zé)晒夥治鰯?shù)據(jù)均顯示，葉綠素含量、光合速率、非光化學(xué)猝滅系數(shù)和最大電子傳遞速率均與海拔有正相關(guān)性.移栽馴化1 a后，原產(chǎn)地海拔依然對麻花艽光合特性有重要影響，這也與前人的光合特征研究結(jié)果一致[8-9].因此，高海拔的達(dá)日、河南和碌曲馴化類群具有更高光合潛力和對強(qiáng)光適應(yīng)性.近期研究也表明，NPQ在植物應(yīng)對強(qiáng)光環(huán)境的協(xié)同進(jìn)化過程中起著重要作用[38].高原地形復(fù)雜，生境千差萬別，強(qiáng)光、低氣壓、低溫等脅迫因素可能不僅塑造著植物的外形，而且對光合代謝過程也產(chǎn)生有深刻影響[3].高海拔植物在生長過程中遭受更高的太陽輻射和紫外輻射[3,6,19],在合成光合產(chǎn)物的同時，必須耗散掉過剩的激發(fā)能，保護(hù)光反應(yīng)中心.因此，高海拔起源的麻花艽類群可能通過較高的光化學(xué)反應(yīng)和非光化學(xué)能量耗散，以及高的電子傳遞速率來適應(yīng)強(qiáng)太陽光輻射，維持光合機(jī)構(gòu)的有效運(yùn)行；此外，較高含量的胡蘿卜素和葉綠素b含量也是高海拔麻花艽類群保護(hù)光合器官的有效策略.