萘乙酸對(duì)太子參光合特性的影響

時(shí) 蕾，袁婷婷，許中秋，謝寅峰

（南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心∕生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210037）

【研究意義】太子參（Pseudostellaria heterophylla）為石竹科草本植物，以干燥塊根入藥，是我國(guó)傳統(tǒng)的名貴中藥材[1]。近年來(lái)，隨著太子參藥用成分的開(kāi)發(fā)利用，太子參需求量急劇增加，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于種植技術(shù)的不規(guī)范、連作障礙[2]、病蟲(chóng)害侵染等原因?qū)е氯斯ぴ耘喈a(chǎn)量下降，效益不高。高效栽培技術(shù)的研究有助于解決太子參生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題。光合作用是植物物質(zhì)生產(chǎn)與產(chǎn)量的基礎(chǔ)。研究表明，高海拔環(huán)境可以促進(jìn)太子參的光合作用，進(jìn)而促進(jìn)太子參塊根的膨脹，最終導(dǎo)致太子參產(chǎn)量的提高[3]；葉面噴施多效唑可提高太子參葉片的凈光合速率，進(jìn)而提高產(chǎn)量[4]。因此，探討提高太子參光合性能的方法及其機(jī)制的研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。【前人研究進(jìn)展】萘乙酸（NAA）為生長(zhǎng)素類(lèi)植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，具有提高植株光合速率、加速葉綠素合成、促進(jìn)植株生長(zhǎng)、增強(qiáng)抗逆性等特性[5-6]。因其生產(chǎn)成本低、價(jià)格低廉，已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)。研究表明，萘乙酸葉面噴施處理可以調(diào)控茄子葉片形態(tài)建成，增加?xùn)艡诮M織和海綿組織細(xì)胞體積和葉面積，提高茄子單株生物量和果實(shí)產(chǎn)量[7]；萘乙酸處理山藥能夠促進(jìn)淀粉向還原糖的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而加快光合同化物的積累[8]；在組織培養(yǎng)條件下，外施萘乙酸處理可以提高布氏萼鳳梨葉片PSⅡ的活性，促進(jìn)試管苗的生長(zhǎng)[9]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】自然生長(zhǎng)條件下，有關(guān)生長(zhǎng)素對(duì)光合作用調(diào)控作用及其機(jī)制的研究尚少。本課題組前期研究表明，適當(dāng)濃度萘乙酸葉面噴施處理能夠有效提高太子參塊根產(chǎn)量、改善塊根品質(zhì)[10]，但對(duì)其增產(chǎn)的機(jī)制有待進(jìn)一步探討。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究通過(guò)對(duì)太子參葉片光合氣體交換參數(shù)和熒光參數(shù)的測(cè)定分析，從光合特性的角度探討萘乙酸增產(chǎn)的生理機(jī)制，為其高產(chǎn)栽培應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地及材料

試驗(yàn)地位于江蘇省鎮(zhèn)江市下蜀鎮(zhèn)南京林業(yè)大學(xué)下蜀林場(chǎng)，年平均氣溫15.2 ℃，年均降雨量1 104 mm，年均日照時(shí)數(shù)2 018 h，年均無(wú)霜期229 d；土壤為黃棕壤，耕層（0～20 cm）土壤全氮含量0.704 g∕kg、全磷0.146 g∕kg、有效磷12.5 mg∕kg、速效鉀103.7 mg∕kg、有機(jī)質(zhì)7.39 g∕kg、pH 4.5～5.5[10]。實(shí)驗(yàn)試劑為α-萘乙酸（分子式:C12H10O2），供試太子參（Pseudostellaria heterophylla）種子由福建省柘榮縣種苗站提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014年11月至2015年6月在南京林業(yè)大學(xué)下蜀林場(chǎng)進(jìn)行。太子參種植、田間管理及萘乙酸處理方法同文獻(xiàn)[10]。NAA處理濃度分別為0，10，20，50 mg∕L，以0 mg∕L為對(duì)照。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 葉綠素以及光合日變化參數(shù) 選取5月下旬晴天，采用便攜式光合測(cè)定儀（Li-6400R，美國(guó)）進(jìn)行光合日變化的測(cè)定，測(cè)定參數(shù)包括氣體交換參數(shù)（Pn、Gs、Ci、Tr）和環(huán)境因子參數(shù)（Ta、φ、Ca、PAR）等。測(cè)定時(shí)間為08:00—18:00，每隔2 h測(cè)1次。每個(gè)處理隨機(jī)選取6片成熟的太子參葉片，每處理組3株重復(fù)。葉綠素含量測(cè)定采用分光光度法[11]，每次測(cè)定間隔15 d，共進(jìn)行4次測(cè)定。

1.3.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù) 4—6月采用Technologica公司（英國(guó)）的葉綠素?zé)晒饪焖俪上裣到y(tǒng)Chlorophyll fluorescence Imager（CFImager）測(cè)定其各熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)。每個(gè)處理隨機(jī)選取6片成熟葉片，充分暗適應(yīng)30 min后獲取暗處理參數(shù)，測(cè)定完成后在800 mmol∕（m2·s）光強(qiáng)下對(duì)植株進(jìn)行充分活化后獲取光適應(yīng)處理數(shù)據(jù)。每個(gè)處理3次重復(fù)。每次測(cè)定間隔15 d，共進(jìn)行4次測(cè)定。測(cè)定的指標(biāo)包括:暗適應(yīng)下PSⅡ潛在光化學(xué)效率（Fv∕Fm），光適應(yīng)下PSⅡ最大光化學(xué)效率（Fv′∕Fm′）和實(shí)際光化學(xué)效率（ηΦPSⅡ），電子傳遞速率（CETR），光化學(xué)淬滅系數(shù)（CPQC）和非光化學(xué)淬滅系數(shù)（CNPQ）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2010和Origin 8.5分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)和相關(guān)分析?；疑P(guān)聯(lián)分析參考文獻(xiàn)[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 NAA對(duì)太子參光合日變化參數(shù)的影響

由環(huán)境因子日變化參數(shù)（圖1）可知，測(cè)定當(dāng)日天氣晴朗，光合有效輻射（PAR）日變化曲線(xiàn)呈現(xiàn)典型的單峰型變化趨勢(shì)，在14:00左右達(dá)到峰值，為1 600μmol∕（m2·s），平均為933.33μmol∕（m2·s）。大氣溫度（Ta）日變化與PAR類(lèi)似，峰值也在14:00左右，平均為29.06 ℃。大氣二氧化碳濃度（Ca）和相對(duì)濕度（φ）則與PAR和Ta相反，呈先下降后上升的變化趨勢(shì)，在中午時(shí)刻出現(xiàn)低值。

圖1 光合有效輻射、大氣CO2濃度、大氣溫度和大氣濕度日變化Fig.1 Diurnal variations of photosynthetic effective radiation（PAR），atmospheric CO2concentration（Ca），atmospheric temperature（Ta）and atmospheric humidity（φ）

圖2A表明，各處理組太子參凈光合速率（Pn）日變化曲線(xiàn)均呈典型的雙峰型變化趨勢(shì)，峰值分別出現(xiàn)在10:00和14:00，前峰高于后峰，中午時(shí)刻（12:00）出現(xiàn)明顯的“午休”現(xiàn)象。與對(duì)照相比，不同濃度的萘乙酸處理雖未改變雙峰型變化趨勢(shì)，但均不同程度地提高了凈光合速率日均值、峰值和谷值，有效緩解了“午休”現(xiàn)象，其中以10 mg∕L萘乙酸處理效果最佳，Pn日均值及12:00時(shí)谷值分別比對(duì)照增加41.57%和22.52%，均差異顯著（P＜0.05）。

各處理組的氣孔導(dǎo)度（Gs）日變化曲線(xiàn)與Pn變化趨勢(shì)基本一致，呈雙峰型變化，前峰高于后峰（圖2B）。不同濃度的萘乙酸處理對(duì)Gs僅有不同程度的促進(jìn)作用，以10 mg∕L效果最佳，Gs日均值比對(duì)照增加17.04%。隨著處理濃度的增加，促進(jìn)效果減弱。

由圖2C可知，各處理胞間CO2濃度（Ci）日變化曲線(xiàn)總體均呈“W”型變化趨勢(shì)，與Pn日變化相反，“午休”時(shí)胞間CO2濃度呈現(xiàn)相對(duì)高點(diǎn)。不同濃度的萘乙酸處理總體上均不同程度地降低了日變化進(jìn)程中的Ci，包括“午休”時(shí)的峰值，以10 mg∕L處理影響最大，日均值比對(duì)照下降24.88%。

各處理Tr日變化曲線(xiàn)均呈現(xiàn)單峰型，在14:00左右達(dá)到峰值（圖2D）。與對(duì)照相比，不同濃度的萘乙酸處理均不同程度地提高了太子參葉片的Tr，10，20，50 mg∕L質(zhì)量濃度處理組Tr日均值分別增加了27.18%、13.85%、11.28%，均與對(duì)照呈顯著差異（P＜0.05）。

圖2 萘乙酸對(duì)太子參凈光合速率（A）、氣孔導(dǎo)度（B）、胞間CO2濃度（C）、蒸騰速率（D）的日變化影響Fig.2 Effects of naphthylacetic acid on diurnal changes of net photosynthetic rate（A），stomatal conductance（B），intercellular carbon dioxide concentration（C）and transpiration rate（D）of P.heterophylla seedlings

2.2 NAA對(duì)太子參葉綠素含量的影響

圖3表明，不同質(zhì)量濃度的外源NAA葉面噴施處理對(duì)太子參葉片葉綠素含量均有不同程度的提升作用，其中以10 mg∕L處理促進(jìn)效果最佳，處理15，30，45，60 d后，分別比對(duì)照增加9.90%、12.92%、18.36%、17.64%，并且各時(shí)間點(diǎn)均與對(duì)照呈顯著差異（P＜0.05）。隨著處理濃度的增加，促進(jìn)效應(yīng)減弱，呈明顯的濃度效應(yīng)，以50 mg∕L處理促進(jìn)效果最差。

圖3 NAA對(duì)太子參葉片葉綠素含量的影響Fig.3 Effect of naphthyl acetic acid on chlorophyll content in leaves of P.heterophylla seedlings

2.3 NAA對(duì)太子參葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由圖4A可知，試驗(yàn)期間各處理組Fv∕Fm均呈先升后降的趨勢(shì)，與對(duì)照相比，不同濃度的萘乙酸處理均不同程度地提高了Fv∕Fm，以10 mg∕L處理促進(jìn)效應(yīng)最強(qiáng)，處理15，30，45，60 d后，分別比對(duì)照增加3.44%、3.47%、4.64%、3.83%，均達(dá)顯著差異（P＜0.05）。隨著萘乙酸處理濃度的增加，其促進(jìn)作用減弱，呈現(xiàn)明顯的濃度效應(yīng)。

由圖4F可知，各處理組葉片的CNPQ變化趨勢(shì)與上述參數(shù)相反，隨著處理濃度的增加呈先降后升的趨勢(shì)。與對(duì)照相比，不同濃度的萘乙酸處理均降低了太子參葉片CNPQ，以10 mg∕L處理組最低，處理15，30，45，60 d后，分別比對(duì)照降低14.29%、17.60%、23.36%、12.28%，均達(dá)差異顯著（P＜0.05）。

2.4 凈光合速率與相關(guān)生理生態(tài)因子的灰色關(guān)聯(lián)分析

為了進(jìn)一步探討內(nèi)外環(huán)境因素對(duì)太子參光合作用的影響程度，將對(duì)照與最適濃度（10 mg∕L）處理下凈光合速率與生理生態(tài)因子之間的關(guān)系分別進(jìn)行了灰色關(guān)聯(lián)分析。如表1所示，兩者Pn與生理因子的關(guān)聯(lián)度由大到小依次為Gs、Ci和Tr；與環(huán)境因子的灰色關(guān)聯(lián)度由大到小依次為T(mén)a、Ca、φ和PAR。影響Pn的主要環(huán)境因子均為T(mén)a，而生理因子均為Gs。與對(duì)照相比，萘乙酸處理能夠降低太子參葉片凈光合速率與外界環(huán)境、生理因子的關(guān)聯(lián)度?？梢?jiàn)，適宜質(zhì)量濃度萘乙酸處理能夠降低內(nèi)外環(huán)境因素變化對(duì)太子參Pn的影響。

表1 凈光合速率與生理、生態(tài)因子的灰色關(guān)聯(lián)度Tab.1 Gray relational degree between net photosynthetic rate and physiological，ecological factors

2.5 太子參各生理指標(biāo)的相關(guān)性分析

通過(guò)分析太子參光合及熒光參數(shù)之間的相關(guān)性（表2），發(fā)現(xiàn)Pn與葉綠素含量、Gs、Tr、Fv∕Fm、CPQC、ηΦPSⅡ呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），而與Ci、CNPQ呈顯著負(fù)相關(guān)，其中Pn與Ci的相關(guān)性最強(qiáng)，進(jìn)一步表明萘乙酸處理下Pn的提升與氣孔因素和非氣孔因素的改善均有關(guān)，而非氣孔因素的改善又與PSⅡ光化學(xué)活性的增強(qiáng)密切相關(guān)。

表2 太子參各生理指標(biāo)之間的相關(guān)性Tab.2 Correlation of physiological indexes of radix pseudostellariae

3 討論與結(jié)論

葉綠素是光合作用的重要色素，不僅參與光能的吸收，同時(shí)在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[13]。本研究表明，適宜質(zhì)量濃度萘乙酸葉面噴施處理顯著提高了太子參葉片的葉綠素含量，這可能與萘乙酸刺激太子參根系的生長(zhǎng)、促進(jìn)Fe、Mg等礦質(zhì)的吸收[10]，從而有利于葉綠素的合成有關(guān)。萘乙酸也可能直接參與葉綠素的合成代謝，近來(lái)研究表明[14]，生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及其響應(yīng)因子SlARF10直接參與了番茄果實(shí)發(fā)育過(guò)程中葉片葉綠素的代謝調(diào)控，高表達(dá)有利于促進(jìn)葉綠素的合成活性和含量積累。葉綠素含量的提高有利于太子參光合性能的提升，本研究的相關(guān)分析結(jié)果也進(jìn)一步表明萘乙酸處理下太子參葉片葉綠素含量與凈光合速率成顯著正相關(guān)，說(shuō)明葉綠素含量的增加是萘乙酸提高太子參凈光合能力的重要因素之一。

光合日變化分析是探討環(huán)境因子影響植物生長(zhǎng)和代謝的重要手段，日變化參數(shù)特征反映了植物一天中進(jìn)行物質(zhì)積累及生理代謝的持續(xù)能力[15-16]。晴朗天氣下植物的光合作用日變化模式一般分為2種曲線(xiàn)類(lèi)型，單峰型和雙峰型，大多數(shù)植物在炎熱季節(jié)表現(xiàn)為雙峰型變化，即存在“午休”現(xiàn)象，本研究中太子參均存在明顯“午休”現(xiàn)象，這與太子參自然生長(zhǎng)條件下適應(yīng)于陰涼環(huán)境而不耐高溫和強(qiáng)光的特性相吻合。“午休”期間隨著太子參Pn和Gs的下降，Ci則呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，根據(jù)光合作用氣孔與非氣孔限制的理論可以推斷其凈光合能力的下降主要是由非氣孔限制引起[17-18]，可能與高溫強(qiáng)光導(dǎo)致光合作用關(guān)鍵酶活性降低、過(guò)剩激發(fā)能產(chǎn)生光抑制等因素有關(guān)[19-20]。本研究中萘乙酸處理使太子參光合日變化過(guò)程中日均值和峰值均不同程度得到提高，并使光合“午休”期間Pn和Gs升高、Ci下降，表明萘乙酸處理主要通過(guò)改善非氣孔限制因素來(lái)緩解“午休”現(xiàn)象。此外，從整個(gè)日變化過(guò)程中Pn與Gs成顯著正相關(guān)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，萘乙酸處理促進(jìn)太子參光合能力的增強(qiáng)也與氣孔限制因素的改善有關(guān)。邢興華等[21]研究也表明萘乙酸處理可以改善干旱脅迫下植物葉片的氣孔導(dǎo)度，從而提高植物光合同化物的形成能力。因此，適宜質(zhì)量濃度的萘乙酸處理可以通過(guò)改善非氣孔和氣孔因素來(lái)提高太子參的光合性能，但“午休”期間主要改善了非氣孔因素的限制。

葉綠素?zé)晒庾鳛楣夂献饔玫膬?nèi)探針，能直接或間接反應(yīng)光合作用的原初反應(yīng)、電子傳遞以及CO2同化過(guò)程，用于快速分析植物光合系統(tǒng)對(duì)光能的吸收、轉(zhuǎn)化、傳遞和利用等情況[22-23]。本研究顯示，適宜質(zhì)量濃度的萘乙酸處理能夠顯著提高太子參葉片的、ηΦPSⅡ、CETR、CPQC，同時(shí)降低葉片的CNPQ，表明萘乙酸能夠提高太子參PSⅡ反應(yīng)中心原初光能的捕捉效率，PSⅡ反應(yīng)中心的開(kāi)放程度增加，使有效光量子產(chǎn)量提高、電子傳遞速率增強(qiáng)，從而促進(jìn)ATP和NADPH的生成，有利于碳的固定和還原，最終導(dǎo)致Pn的提高。CNPQ反映了葉片吸收光能以熱能形式的耗散程度，是植物在強(qiáng)光高溫等逆境環(huán)境下防御光抑制和光破壞的重要自我保護(hù)機(jī)制[24-25]。適當(dāng)濃度的萘乙酸處理降低了過(guò)剩激發(fā)能所致的熱耗散程度，是太子參葉片光抑制得到緩解的體現(xiàn)。Pn與、ηΦPSⅡ、CPQC呈顯著正相關(guān)，而與CNPQ呈顯著負(fù)相關(guān)的結(jié)果進(jìn)一步證明萘乙酸通過(guò)促進(jìn)太子參葉片對(duì)激發(fā)能的吸收和光化學(xué)利用來(lái)提升凈光合能力，從而緩解光抑制，增強(qiáng)熱耗散不是萘乙酸緩解光抑制的機(jī)制。至于萘乙酸對(duì)太子參光合性能的改善是否與促進(jìn)CO2的利用效率有關(guān)尚待進(jìn)一步探討。此外，盡管本研究中10 mg∕L NAA處理顯著提升了太子參的光合能力，但在更低濃度范圍內(nèi)的效應(yīng)及其最適濃度仍需進(jìn)一步研究。

灰色關(guān)聯(lián)度側(cè)重于對(duì)不同因素變化趨勢(shì)的分析，因此可以用來(lái)探討Pn與環(huán)境因素之間動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)的一致性的關(guān)聯(lián)程度。本研究表明，對(duì)照處理的太子參葉片凈光合速率與外界環(huán)境因素的關(guān)聯(lián)程度較高，表明外界環(huán)境的變化對(duì)太子參Pn影響較大，其中大氣溫度和光照是制約太子參光合能力的主要環(huán)境因素，這與太子參喜陰、不耐高溫強(qiáng)光的生長(zhǎng)特性相一致。因此，在人工栽培條件下，可通過(guò)采取林下種植或適當(dāng)遮蔭的栽培方式、同時(shí)加強(qiáng)灌溉等措施，有利于緩解高溫強(qiáng)光對(duì)太子參光合作用的抑制作用。適宜濃度的萘乙酸處理，太子參Pn與環(huán)境因素的關(guān)聯(lián)程度明顯下降，即外界環(huán)境因素的變化對(duì)太子參Pn的影響減弱，表明萘乙酸處理能夠增強(qiáng)太子參對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)能力，當(dāng)環(huán)境因素（高溫強(qiáng)光）出現(xiàn)不利于太子參生長(zhǎng)的變化趨勢(shì)時(shí)，其仍能保持較高的凈光合能力，從而提高產(chǎn)量。