兩種葉型五指毛桃的光合特性比較研究*

秦惠珍，鄧麗麗，鄒 蓉，唐健民，韋 霄，覃 芳，史艷財(cái)

(廣西壯族自治區(qū)中國(guó)科學(xué)院廣西植物研究所，廣西喀斯特植物保育與恢復(fù)生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541006)

0 引言

五指毛桃為桑科(Moraceae)榕屬(Ficus)植物粗葉榕(FicushirtaVahl.)的俗名，因其干燥根形似五指而得名。五指毛桃是華南地區(qū)常見的藥用植物，藥用價(jià)值高，具有“廣東人參”美譽(yù)，為嶺南十大名藥之一[1]。其具有健脾補(bǔ)肺、行氣利濕、舒筋活絡(luò)、止咳平喘、滋陰養(yǎng)顏等功效，是藥食同源佳品[2,3]。五指毛桃的主要化學(xué)成分包括黃酮類、有機(jī)酸類、酯類、萜類、甾醇類等物質(zhì)，香豆素類成分可能為其主要藥效成分[4]，臨床上常和多種藥物配伍，用于治療支氣管炎、哮喘、肝硬化、關(guān)節(jié)炎等[5]。五指毛桃的提取工藝主要以補(bǔ)骨脂素和多糖的提取為主[6-9]。目前，五指毛桃以野生來源為主，因其具有藥食同源的功效，市場(chǎng)需求大，濫采濫挖現(xiàn)象嚴(yán)重，野生資源日趨枯竭[10]。對(duì)五指毛桃的鑒別研究主要集中于五指毛桃根部性狀、顯微特征、薄層色譜、光譜及DNA條形碼鑒別等方面[10-14]，近年來五指毛桃栽培成為研究熱點(diǎn)。五指毛桃的繁殖方式有種子繁殖、扦插繁殖和組織培養(yǎng)3種[15]。種子繁殖為五指毛桃最主要的繁殖方式，但成活率較低，僅有50%左右，完全成熟的種子發(fā)芽率高于未完全成熟的種子[16-18]。扦插繁殖的土壤應(yīng)選擇疏松肥沃、排水保水能力良好的砂質(zhì)壤土，插穗長(zhǎng)度以15-20 cm為宜，扦插繁殖的成活率和出苗率可達(dá)100%[16]。利用組織培養(yǎng)技術(shù)獲得再生植株已經(jīng)成為植物繁殖的有效方法。組織培養(yǎng)繁殖速度快、再生率高，可為栽培五指毛桃提供大量種苗[19，20]。研究五指毛桃不同葉型的光合特性，摸清其生長(zhǎng)特性，是將其進(jìn)行引種栽培和繁育的關(guān)鍵。五指毛桃具有較高的遺傳多樣性，不同葉型五指毛桃的遺傳特性差異較大，導(dǎo)致其在形態(tài)指標(biāo)和光合生理指標(biāo)方面存在較大的差異[21]。五指毛桃種內(nèi)變異較大，根據(jù)葉片分裂的程度可劃分為圓葉型和缺葉型，進(jìn)一步可細(xì)分為全緣型、淺裂型、三指深裂型、五指深裂型4種[22]。目前對(duì)于不同葉型五指毛桃的研究較少，僅對(duì)其形態(tài)和生理指標(biāo)進(jìn)行研究，關(guān)于不同葉型五指毛桃的光合特性研究尚未有報(bào)道[5]。本研究以圓葉五指毛桃和缺葉五指毛桃為試驗(yàn)材料，對(duì)其光合生理特性進(jìn)行測(cè)定，并分析其凈光合速率與主要環(huán)境因素間的關(guān)系，以便于在生產(chǎn)栽培時(shí)根據(jù)其特性進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選擇生長(zhǎng)在桂林植物園種質(zhì)資源圃(110°18′03″E，25°05′27″N)的圓葉和缺葉兩種葉型的五指毛桃開展試驗(yàn)，每個(gè)類型選擇生長(zhǎng)健壯的10株，樹齡為5年。該地屬中亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)，年均氣溫19.2℃，月平均氣溫高于20℃的有6-7個(gè)月，年相對(duì)濕度78.0%，具有明顯的干濕兩季。

1.2 光合日變化測(cè)定

2020年8月上旬，在晴朗天氣時(shí)，采用LI-6400便攜式光合儀的透明葉室測(cè)量?jī)煞N葉型的五指毛桃光合日變化，每個(gè)植株測(cè)定同一部位的3片葉片。日變化測(cè)量在完全自然光下完成，當(dāng)日環(huán)境中最大光照強(qiáng)度可達(dá)2 000 μmol·m-2·s-1，空氣中二氧化碳濃度約400 μmol·m-2·s-1，最高溫度約34℃，最大濕度為40%。測(cè)定時(shí)間為8:30-18:30，每2 h測(cè)量1次光合日變化，日變化測(cè)量的環(huán)境因子包括光合有效輻射(Photosynthetically Active Radiation，PAR)、大氣中二氧化碳濃度(Concentration of carbon dioxide in the atmosphere，Ca)、空氣溫度(Air temperature，Ta)、大氣相對(duì)濕度(Relative air Humidity，RH)，光合指標(biāo)包括凈光合速率(Net Photosythetic rate，Pn)、胞間二氧化碳濃度(Intercellular carbon dioxide concentration，Ci)、氣孔導(dǎo)度(Stomatal conductance，Gs)、蒸騰速率(Transpiration rate，Tr)，環(huán)境因子和光合指標(biāo)均可從光合儀中導(dǎo)出，根據(jù)這些指標(biāo)計(jì)算水分利用效率(Water Use Efficiency，WUE，mmol·mol-1)和氣孔限制值(Limiting value of stomata，Ls)等，計(jì)算公式[21]如下：

WUE=Pn/Tr，

Ls=1-Ci/Ca。

1.3 光響應(yīng)曲線測(cè)定

光響應(yīng)曲線采用LI-6400便攜式光合儀LED紅藍(lán)光源葉室測(cè)定，測(cè)定時(shí)間為09:00-12:00，選擇每株中段成熟、無病蟲害的葉片。PAR依次設(shè)置為0，20，50，100，200，400，800，1 000，1 200，1 400，1 500 μmol·m-2·s-1，3個(gè)重復(fù)結(jié)果取平均值。使用二氧化碳鋼瓶控制二氧化碳濃度為400 μmol·m-2·s-1，測(cè)量前將葉片置于1 500 μmol·m-2·s-1光強(qiáng)下進(jìn)行誘導(dǎo)20 min。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016對(duì)光合速率日變化和光響應(yīng)曲線進(jìn)行初步分析，采用SPSS 23.0進(jìn)行t檢驗(yàn)分析顯著性,同時(shí)對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析。采用光合計(jì)算軟件中的直角雙曲線修正模型對(duì)光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合[23]，采用Origin 8.5進(jìn)行相關(guān)圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 凈光合速率對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)

如圖1所示，光照強(qiáng)度為0-300 μmol·m-2·s-1時(shí)，兩種不同葉型五指毛桃的凈光合速率(Y)與光合有效輻射(X)呈線性相關(guān)，超過該P(yáng)AR范圍后，Pn隨PAR的增大呈逐步上升趨勢(shì)，圓葉五指毛桃PAR為1 000 μmol·m-2·s-1左右時(shí)，凈光合速率達(dá)到最大值，此后再增大PAR，Pn有下降的趨勢(shì)；缺葉五指毛桃PAR為1 400 μmol·m-2·s-1左右時(shí)，凈光合速率達(dá)到峰值，此后再增大PAR，Pn基本沒有發(fā)生變化。

圖1 兩種葉型五指毛桃Pn對(duì)PAR的響應(yīng)

利用弱光(0-300 μmol·m-2·s-1)下的凈光合速率做線性方程，從線性方程可知圓葉五指毛桃的表觀量子效率AQY為0.045 μmol·m-2·s-1，缺葉五指毛桃的AQY為0.036 μmol·m-2·s-1。利用雙曲線修正模型對(duì)凈光合速率進(jìn)行擬合，從擬合后的光合作用-光響應(yīng)曲線可知，圓葉五指毛桃的最大凈光合速率Pmax、光飽和點(diǎn)LSP和光補(bǔ)償點(diǎn)LCP分別為4.89，1 046.89和25.12 μmol·m-2·s-1；缺葉五指毛桃的分別為4.29，1 400.70和17.37 μmol·m-2·s-1。

2.2 主要環(huán)境因子日變化

由圖2可知，一天中光合有效輻射PAR和空氣溫度Ta均呈“單峰型”曲線，PAR最高峰出現(xiàn)在13:00，峰值達(dá)1 009.82 μmol·m-2·s-1?？諝庵蠧O2濃度Ca在9:00-13:00明顯降低，13:00之后逐漸回升(圖2a)。空氣溫度Ta最高峰出現(xiàn)在15:00，峰值為38.83℃。空氣中相對(duì)濕度RH隨空氣溫度的升高而降低，清晨達(dá)到最高，此后逐步減低，15:00達(dá)到谷值，基本呈“V型”變化趨勢(shì)(圖2b)。

2.3 光合特征參數(shù)日變化

2.3.1 凈光合速率和蒸騰速率

由圖3a可知，圓葉五指和缺葉五指毛桃凈光合速率Pn日變化均呈現(xiàn)“雙峰型”曲線，均分別在11:00和15:00出現(xiàn)峰值，11:00的凈光合速率達(dá)到最大；兩種不同葉型五指毛桃的凈光合速率均在13:00出現(xiàn)最小值，可見兩種不同葉型五指毛桃均在13:00出現(xiàn)短暫的光合“午休”現(xiàn)象。圓葉五指毛桃凈光合速率日變化均值較缺葉五指毛桃顯著提高(P<0.05)，高出36.70%，由此可見圓葉五指毛桃的光合作用能力強(qiáng)于缺葉五指毛桃。圓葉五指毛桃和缺葉五指毛桃的蒸騰速率Tr呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)(圖3b)，均為先增加后降低，11:00前呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，之后急速降低；圓葉五指毛桃蒸騰速率日變化均值較缺葉五指毛桃提高了36.93%(P<0.05)，兩者的蒸騰速率均在11:00達(dá)到最大值。

圖2 環(huán)境因子日變化過程

圖3 兩種葉型五指毛桃的Pn、Tr日變化

2.3.2 胞間二氧化碳濃度和氣孔導(dǎo)度

由圖4可知，兩種葉型的五指毛桃胞間CO2濃度Ci日變化呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，呈現(xiàn)“降-升-降-升”的變化趨勢(shì)，均在15:00時(shí)達(dá)到最低值，分別為298.07和271.60 μmol·mol-1。兩種葉型五指毛桃的氣孔導(dǎo)度Gs日變化趨勢(shì)相同，與凈光合速率變化相似，約在13:00達(dá)到一個(gè)較小值，分別為0.110和0.032 mol·m-2·s-1。圓葉五指毛桃Ci日變化和Gs日變化均值分別顯著高于缺葉五指毛桃7.36%和39.33%(P<0.05)。

圖4 兩種葉型五指毛桃五指毛桃的Ci、Gs日變化

2.3.3 水分利用效率和氣孔限制值

由圖5a可知，圓葉五指毛桃和缺葉五指毛桃的水分利用效率WUE的日變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)“升高-降低-升高-降低”的變化趨勢(shì)，但兩種不同葉型五指毛桃在不同時(shí)間段的水分利用效率存在明顯的差異。13:00前利用效率變化趨勢(shì)不一致，13：00后圓葉五指毛桃對(duì)水分的利用效率明顯低于缺葉五指毛桃，總體上圓葉五指毛桃WUE日變化均值為0.99 μmol·mol-1，稍低于缺葉五指毛桃(1.00 μmol·mol-1)。由圖5b可知，圓葉五指毛桃和缺葉五指毛桃的氣孔限制值Ls日變化均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，15:00前圓葉五指毛桃Ls低于缺葉五指毛桃Ls，15:00后圓葉五指毛桃Ls高于缺葉五指毛桃Ls，總體上圓葉五指毛桃Ls日變化均值為0.18,稍低于缺葉五指毛桃Ls日變化均值(0.19)。

圖5 兩種葉型五指毛桃的WUE、Ls日變化

2.4 凈光合速率與主要環(huán)境因子的相關(guān)性

由表1可知，兩種五指毛桃葉片的凈光合速率與光合有效輻射均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(r=0.791，n=7；r=0.639，n=7)。空氣相對(duì)濕度與空氣溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.893，n=7；r=-0.992，n=7)。

表1 凈光合速率與主要環(huán)境因子的相關(guān)性

3 討論

植物最基本的功能是進(jìn)行光合作用，光合作用對(duì)五指毛桃的生長(zhǎng)具有重要意義。光照是影響植物光合作用的最直接因素，光飽和點(diǎn)及光補(bǔ)償點(diǎn)的高低能反映植物對(duì)強(qiáng)光照的適應(yīng)能力[24,25]。一般常見的灌木陽葉的最大凈光合速率、光飽和點(diǎn)、光補(bǔ)償點(diǎn)分別為5-20 ，400-1 500，20-50 μmol·m-2·s-1[26,27]。本研究中圓葉五指毛桃的最大凈光合速率、光飽和點(diǎn)、光補(bǔ)償點(diǎn)分別為4.89，1 046.89，25.12 μmol·m-2·s-1，缺葉五指毛桃的最大凈光合速率、光飽和點(diǎn)、光補(bǔ)償點(diǎn)分別為4.29，1 400.70，17.37 μmol·m-2·s-1。由此可見，對(duì)一般灌木的陽葉而言，兩種葉型五指毛桃均具有較低的凈光合速率、較高的光飽和點(diǎn)及光補(bǔ)償點(diǎn)，屬于典型的陽生植物。

對(duì)兩種葉型五指毛桃的光合特性進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，圓葉五指毛桃具有較低的飽和點(diǎn)和較高的光補(bǔ)償點(diǎn)，缺葉五指毛桃具有較高的光飽和點(diǎn)和較低的光補(bǔ)償點(diǎn)。缺葉五指毛桃在1 400 μmol·m-2·s-1PAR下仍能進(jìn)行光合作用，可以考慮在林下、相對(duì)較裸露的路邊或山坡等地種植，其較圓葉五指毛桃可種植的范圍更廣。

植物對(duì)光能的利用情況反映了其將光能轉(zhuǎn)變成有機(jī)物的能力，而植物葉片光合日變化能夠反映一天中植物生理代謝與物質(zhì)積累的變化過程，同時(shí)也反映了植物生長(zhǎng)過程受不同環(huán)境因素(如土壤和光照等)的影響程度[28,29]。本研究的測(cè)定結(jié)果顯示，兩種葉型五指毛桃均出現(xiàn)了光合午休現(xiàn)象，與小葉榕在秋季測(cè)量的時(shí)間(13:00)基本一致[30]。此外，Ci降低和Ls升高，一般為氣孔因素引起的光合速率下降。在本研究中,9:00-13:00時(shí)Ci降低，Ls升高，說明兩種葉型五指毛桃的光合午休現(xiàn)象是由氣孔限制因素引起的，這與同屬植物小葉榕的研究結(jié)果一致。

主要環(huán)境因子的相關(guān)性表明，圓葉五指毛桃、缺葉五指毛桃的光合有效輻射與凈光合速率均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)。且在本研究中光合有效輻射為影響兩種葉型凈光合速率最大的環(huán)境因子，對(duì)其凈光合速率產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，由此可知，在進(jìn)行栽培或生產(chǎn)時(shí)可對(duì)兩種五指毛桃多進(jìn)行修剪，以增強(qiáng)其光合有效輻射，促進(jìn)產(chǎn)量提升。

4 結(jié)論

兩種葉型五指毛桃的光合特性存在較大差異，圓葉五指毛桃的光合作用能力強(qiáng)于缺葉五指毛桃。兩種葉型五指毛桃均出現(xiàn)了光合午休現(xiàn)象，主要是由氣孔因素引起的。影響兩種葉型五指毛桃凈光合速率最大的環(huán)境因子是光合有效輻射，兩種葉型五指毛桃均具有明顯的陽生植物特點(diǎn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中要多進(jìn)行修剪，以提供充足的光照。