3個(gè)‘金槐’品種的生理特性比較

覃 芳，史艷財(cái)，秦惠珍，鄒 蓉，蔣運(yùn)生，熊忠臣

（1廣西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣西桂林541006；2廣西壯族自治區(qū)中國(guó)科學(xué)院廣西植物研究所，廣西桂林541006）

0 引言

槐(Sophorajaponica)系豆科(Leguminosae)槐屬(Sophora)多年生高大喬木，其干燥的花蕾俗稱槐米，富含蘆丁、黃堿素等活性成分，有降低毛細(xì)血管通透性、抗炎、解痙等功效，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、保健食品和化妝品中，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-2]?！鸹薄腔钡囊粋€(gè)優(yōu)良品種，槐米中活性成分蘆丁含量高達(dá)30%以上，因其槐米呈金黃色而得名，如今已在廣西、湖南以及貴州等地廣泛種植[3]。目前，已有許多研究者對(duì)‘金槐’展開了研究，主要集中于‘金槐’的蘆丁含量、種質(zhì)資源、分子研究以及成分分析等方面[4-7]。植物通過(guò)光合作用合成有機(jī)物、儲(chǔ)存能量，光合作用能力的強(qiáng)弱會(huì)對(duì)植物的品質(zhì)、抗性以及生長(zhǎng)特性等產(chǎn)生極為重要的影響[8-10]。植物的抗氧化酶含量在植物處于逆境生長(zhǎng)中會(huì)產(chǎn)生重要影響，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過(guò)氧化物酶(peroxidase，POD)、過(guò)氧化氫酶(catalase，CAT)活性以及脯氨酸(proline，Pro)、丙二醛(Malondialdehyde，MDA)含量的變化會(huì)決定植物的生長(zhǎng)狀況[11]。綜合光合生理特征和酶活性指標(biāo)成為評(píng)價(jià)植物抗性的一個(gè)重要手段。廣西植物研究所已從野生‘金槐’種質(zhì)資源中選育出9個(gè)‘金槐’品種，這些品種大致可分為早熟（以‘金槐J3’為代表）、中熟（以‘金槐J2’為代表）、晚熟（以‘金槐J1’為代表）3類，這3類品種在生物學(xué)性狀等方面存在較大差異[12]，系統(tǒng)了解3類‘金槐’品種的光合特性以及抗氧化酶活性對(duì)于其進(jìn)一步的種植地選擇等都有極為重要的作用。關(guān)于不同‘金槐’品種光合特性與抗氧化酶活性方面的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究主要分析不同‘金槐’品種的光合特性與抗氧化系統(tǒng)之間的差異，為‘金槐’的早期人工栽培選優(yōu)以及栽培生理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采自廣西壯族自治區(qū)中國(guó)科學(xué)院廣西植物研究所槐樹種植園，該地區(qū)處于東經(jīng)110°18'、北緯25°04'，海拔為175 m，年平均日照時(shí)數(shù)為1680 h，年平均氣溫為23.5℃，年平均降雨量1949.5 mm，年平均無(wú)霜期300天，年平均相對(duì)濕度為82%。屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，光照充足。

以‘金槐 J1’、‘金槐 J2’、‘金槐 J3’為試驗(yàn)材料，2017年8月進(jìn)行品種嫁接，2018年4月定植，每個(gè)品種種植1～5行，每行5株，定植行株距2 m×1 m，南北行向。

試驗(yàn)儀器有TU-1901型雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）；多功能熒光酶標(biāo)儀(SP-Max 3500FL)；LI-6400便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)(LI-COR，Lincoln，Nebraska，USA)。

試驗(yàn)中所用試劑盒均采購(gòu)于南京建成生物工程研究所；冰乙酸、乙醇等試劑均為分析純。

1.2 ‘金槐’光響應(yīng)曲線測(cè)定

試驗(yàn)于高溫晴朗的2019年8月5日進(jìn)行，測(cè)定時(shí)間為08:00—12:00。每品種選擇3株，選取中上部向陽(yáng)生長(zhǎng)的成熟完好葉片，利用Li-6400便攜式光合作用系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定前先將待測(cè)葉片在1000 μmol/(m2·s)光強(qiáng)下誘導(dǎo)30 min，活化光合系統(tǒng)（用開放氣路，空氣流速為0.5 L/min，葉片溫度為25℃，CO2濃度為400 μmol/mol）。葉室內(nèi)光量子通量密度設(shè)置0、20、50、100、200、400、800、1000、1200、1600、1800 μmol/(m2·s)梯度，測(cè)定時(shí)每光強(qiáng)下停留2～4 min[13]。

1.3 ‘金槐’光合日變化測(cè)定

試驗(yàn)于晴朗無(wú)云的2019年8月6日進(jìn)行，測(cè)定時(shí)間為08:00、11:00、14:00、17:00。每品種選擇3株，選取中上部向陽(yáng)生長(zhǎng)的成熟完好葉片，采用Li-6400便攜式光合儀，用LED紅藍(lán)光源葉室進(jìn)行光合日變化測(cè)定。測(cè)定前先測(cè)得自然光強(qiáng)，檢測(cè)葉片溫度為25℃，CO2濃度為400 μmol/mol，然后將紅藍(lán)光源設(shè)置為與自然光強(qiáng)相同的光照強(qiáng)度，確保每個(gè)時(shí)間段的光照強(qiáng)度相同，并用緩沖瓶控制大氣CO2濃度的穩(wěn)定，待系統(tǒng)穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，每個(gè)葉片重復(fù)記錄3次，計(jì)算平均值。測(cè)定指標(biāo)包括光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度以及胞間CO2濃度等[14]。

1.4 ‘金槐’抗逆性測(cè)定

取樣時(shí)間為2019年8月1日9:00，選取不同品種‘金槐’的3～4片健康成熟的葉片，保存在冰盒中，當(dāng)天采用試劑盒進(jìn)行丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)、超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)以及過(guò)氧化物酶(POD)的測(cè)定。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

以光合有效輻射(photosynthetically active radiation，PAR)為橫軸、凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)為縱軸擬合光響應(yīng)曲線（Pn-PAR曲線），采用直角雙曲線修正模型進(jìn)行凈光合速率的計(jì)算，如式(1)[15]。

式(1)中，Pn為凈光合速率；α為光響應(yīng)曲線的初始斜率，即初始量子效率；I為光合有效輻射，Rd為植物暗呼吸速率；β為修正系數(shù)；γ是一個(gè)與光強(qiáng)無(wú)關(guān)的系數(shù)，等于初始量子效率與最大光合速率之比。

數(shù)據(jù)均用Excel與SPSS 26軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與圖表制作，利用光合計(jì)算軟件助手進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合最佳值。本研究圖表所用數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，不同的字母表示在P＜0.05水平上差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 3個(gè)‘金槐’品種光響應(yīng)曲線比較

圖1結(jié)果顯示，3個(gè)‘金槐’品種的光響應(yīng)曲線總體變化趨勢(shì)基本一致。在光合有效輻射為0 μmol/(m2·s)時(shí)，凈光合速率均為負(fù)值，在光合有效輻射為100 μmol/(m2·s)以下時(shí)，3個(gè)‘金槐’品種的凈光合速率緩慢上升。在光合有效輻射 100～800 μmol/(m2·s)之間，‘金槐’的光響應(yīng)曲線持續(xù)上升，呈線性狀態(tài)。光合有效輻射大于200 μmol/(m2·s)后，‘金槐J2’的凈光合速率明顯大于‘金槐J1’與‘金槐J3’。表明‘金槐J2’的光合能力較強(qiáng)。

圖1 3個(gè)‘金槐’品種的光響應(yīng)曲線

通過(guò)表1分析可知，3個(gè)品種之間光響應(yīng)參數(shù)差異顯著(P＜0.05)，‘金槐J2’具有較高的最大光合速率以及光飽和點(diǎn)，表明‘金槐J2’利用光能轉(zhuǎn)化效率最高，其光合潛力最大，對(duì)光環(huán)境有著較強(qiáng)的適應(yīng)力；‘金槐J1’的光補(bǔ)償點(diǎn)低于其他2個(gè)品種，有利于有機(jī)物的積累。

表1 3種‘金槐’光響應(yīng)曲線指數(shù)模型擬合效果

2.2 3個(gè)‘金槐’品種的光合日變化參數(shù)比較

2.2.1 3個(gè)‘金槐’品種凈光合速率比較 圖2結(jié)果顯示，3個(gè)‘金槐’品種中凈光合速率日變化的趨勢(shì)一致?！鸹盝3’在8:00—11:00，呈線性趨勢(shì)下降，幅度較大。8:00—17:00‘金槐J2’的凈光合速率一直大于其他2個(gè)品種。凈光合速率是衡量植物光合作用能力的重要指標(biāo)，‘金槐J2’的凈光合速率高表示該植物的光合能力較強(qiáng)，與光響應(yīng)曲線分析結(jié)果一致。

圖2 3個(gè)‘金槐’品種凈光合速率比較

2.2.2 3個(gè)‘金槐’品種蒸騰速率比較 圖3結(jié)果顯示，‘金槐J2’的蒸騰效率日變化相對(duì)‘金槐J1’、‘金槐J3’較高，‘金槐J1’蒸騰速率最小。3個(gè)‘金槐’品種日變化平均蒸騰效率由大到小為‘金槐J2’、‘金槐J3’、‘金槐J1’。通過(guò)蒸騰作用，植物可以獲取生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖所需的能量和物質(zhì)，‘金槐J2’的蒸騰速率日變化幅度波動(dòng)較小，說(shuō)明其植株積累的能量與有機(jī)物質(zhì)較多，有利于植物生長(zhǎng)。

圖3 3個(gè)‘金槐’品種蒸騰速率

2.2.3 3個(gè)‘金槐’品種氣孔導(dǎo)度比較 圖4結(jié)果顯示，3個(gè)‘金槐’品種氣孔導(dǎo)度在8:00—11:00趨勢(shì)變化一致?！鸹盝2’在11:00時(shí)下降，之后開始緩緩上升，到14:00之后再持續(xù)下降到最低?！鸹盝1’在8:00—14:00氣孔導(dǎo)度持續(xù)下降，在14:00開始回升?！鸹盝3’的氣孔導(dǎo)度在一天的時(shí)間里持續(xù)下降。3個(gè)‘金槐’品種日變化平均氣孔導(dǎo)度由大到小為‘金槐J2’、‘金槐J3’、‘金槐J1’。植物氣孔導(dǎo)度反映不同時(shí)間植物葉片內(nèi)氣孔的張開程度，‘金槐J2’氣孔導(dǎo)度值最大，說(shuō)明氣孔開放程度大，CO2通過(guò)氣孔多，從而影響光合作用，使其光合強(qiáng)度較強(qiáng)。

圖4 3個(gè)‘金槐’品種的氣孔導(dǎo)度

2.2.4 3個(gè)‘金槐’品種胞間CO2濃度比較 3種‘金槐’的胞間CO2濃度日變化結(jié)果（圖5）顯示，不同品種的‘金槐’葉片的胞間CO2濃度日變化趨勢(shì)一致，‘金槐J1’與‘金槐J3’相對(duì)于‘金槐J2’品種具有較低的胞間CO2濃度。各品種的‘金槐’胞間CO2濃度由大到小表現(xiàn)為‘金槐J2’、‘金槐J3’、‘金槐J1’。植物胞間CO2濃度與植物的光合速率有極大聯(lián)系，而且胞間CO2濃度與氣孔導(dǎo)度也存在聯(lián)系，研究結(jié)果（圖5）與氣孔導(dǎo)度（圖4）變化的規(guī)律一致。

圖5 3個(gè)‘金槐’品種胞間CO2濃度

2.3 3個(gè)‘金槐’品種丙二醛(MDA)含量比較

圖6結(jié)果顯示，‘金槐J3’的MDA含量最高；‘金槐J2’與‘金槐J3’差異顯著(P＜0.05)，‘金槐J2’的MDA含量相對(duì)于其他‘金槐’品種較低。表明‘金槐J2’在環(huán)境的變化下，脂質(zhì)過(guò)氧化的程度作用低，抗逆性較好。

圖6 3個(gè)‘金槐’品種的丙二醛含量

2.4 3個(gè)‘金槐’品種脯氨酸(Pro)含量比較

圖7結(jié)果顯示，‘金槐J2’與‘金槐J1’、‘金槐J3’之間Pro含量差異極為明顯(P＜0.05)。Pro屬于滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，抗旱能力越強(qiáng)，Pro含量越多。‘金槐J2’的Pro含量達(dá)到了26.038μg/g，表明‘金槐J2’具有較強(qiáng)的抗旱能力，與其MDA的含量表現(xiàn)的情況一致。

圖7 3個(gè)‘金槐’品種脯氨酸含量

2.5 3個(gè)‘金槐’品種的酶活性比較

2.5.1 過(guò)氧化物酶(POD)圖8結(jié)果顯示，3個(gè)‘金槐’品種POD的活性由高到低表現(xiàn)為‘金槐J2’、‘金槐J1’、‘金槐J3’?！鸹盝2’與‘金槐J3’之間的差異顯著(P＜0.05)，‘金槐J3’的POD活性最低，在一定程度上表明‘金槐J3’的抗逆性較差，反之，‘金槐J2’的POD活性最高，因此其抗逆性較強(qiáng)。

圖8 3個(gè)‘金槐’品種過(guò)氧化物酶活性

2.5.2 過(guò)氧化氫酶(CAT)CAT普遍存在于植物的組織中，其活性與植物的代謝強(qiáng)度及抗性有一定關(guān)系。從圖9可以看出，‘金槐J2’的CAT活性最高，相對(duì)于其他品種而言，‘金槐J2’的抗逆性較強(qiáng)，能夠在負(fù)面環(huán)境內(nèi)有效清除植物體內(nèi)的過(guò)氧化氫。

圖9 3個(gè)‘金槐’品種過(guò)氧化氫酶活性

2.5.3 超氧化物歧化酶(SOD)從圖10可知，不同品種的‘金槐’所含的SOD酶活性存在顯著差異(P＜0.05)。‘金槐J2’的SOD活性最高，且與其余2個(gè)‘金槐’品種呈現(xiàn)明顯差異；‘金槐J3’的SOD活性最低。SOD對(duì)機(jī)體的氧化與抗氧化平衡起著至關(guān)重要的作用，SOD活力越高，證明植物的抗逆性的能力越強(qiáng)。‘金槐J2’具有較好的抗逆性。

圖10 3個(gè)‘金槐’品種超氧化物酶歧化酶活性

3 結(jié)論

對(duì)3個(gè)‘金槐’品種的光合特性以及抗氧化酶活性進(jìn)行對(duì)比可知，‘金槐J2’對(duì)缺水、干旱的條件有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，‘金槐J3’的光合能力以及抗逆性較差。因此，在進(jìn)行‘金槐’的選育栽培種植時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先選擇‘金槐J2’。研究結(jié)果可以為‘金槐’資源在不同區(qū)域的人工栽培種植、選育優(yōu)良品種提供幫助。

4 討論

‘金槐’是廣西種植的極具地方特色和優(yōu)勢(shì)的大宗藥用植物。不同‘金槐’品種除生物學(xué)性狀外，其生理生態(tài)特征也存在較大差異，規(guī)劃種植選種時(shí)盲目性較大，各地種植區(qū)的生長(zhǎng)狀況表現(xiàn)不一，極大地降低了‘金槐’種植的經(jīng)濟(jì)效益和農(nóng)民的積極性。筆者首次對(duì)‘金槐’早熟（以‘金槐J3’為代表）、中熟（以‘金槐J2’為代表）、晚熟（以‘金槐J1’為代表）3種類型的典型代表品種的光合生理特征及酶活性等生理指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，綜合評(píng)價(jià)比較了其光合作用與抗性，對(duì)‘金槐’品種的引育篩選具有現(xiàn)實(shí)意義。

光響應(yīng)曲線反映了一定光照強(qiáng)度下植物的潛在光合能力及植物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的適應(yīng)性[16]。研究表明，3個(gè)‘金槐’品種的光響應(yīng)曲線前期的變化趨勢(shì)相同，但不同品種間還是存在差異，尤其是在光合效率達(dá)到800 μmol/(m2·s)后，‘金槐J2’的光響應(yīng)曲線明顯大于‘金槐J1’與‘金槐J3’，說(shuō)明‘金槐J2’與其他品種相比能更好地利用光能，適應(yīng)環(huán)境的變化。凈光合速率是衡量植物光合作用能力的重要指標(biāo)，其值越大表明植物光合適應(yīng)能力越強(qiáng)[17-18]。光飽和點(diǎn)是評(píng)價(jià)植物對(duì)強(qiáng)光適應(yīng)性參數(shù)，光飽和點(diǎn)越高，表明該植物利用強(qiáng)光的能力越強(qiáng)[19]。姚澤等和韓多紅等[20-21]在對(duì)光合速率的研究中發(fā)現(xiàn)，氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度以及蒸騰速率的變化與凈光合速率的變化有緊密聯(lián)系，均可作為其光合能力強(qiáng)弱的評(píng)價(jià)輔助參數(shù)。本研究結(jié)果顯示，‘金槐J2’的凈光合速率、光飽和點(diǎn)、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率等參數(shù)數(shù)值都較高，表明‘金槐J2’適應(yīng)范圍廣，強(qiáng)光下適應(yīng)能力強(qiáng)，光能利用率大，保證了‘金槐J2’在適宜的生長(zhǎng)季節(jié)能積累更多的光合產(chǎn)物，并具有一定的抗旱能力。

植物的生長(zhǎng)發(fā)育與其所含的酶活性大小有著密切聯(lián)系。植物葉片中含有的酶主要有POD、SOD、CAT等。諸多研究表明，這些酶的活性與植物抗性呈正比，其活性越高，植物體對(duì)于環(huán)境的變化適應(yīng)能力越好[22-23]。脯氨酸屬于滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，該物質(zhì)的增加使抗旱性強(qiáng)的品種保持了較好的水分平衡能力[24]。許多研究用MDA含量來(lái)間接反映細(xì)胞損傷程度，其含量數(shù)值可以反映出抗旱能力的高低，數(shù)值越低，其抗氧化能力越強(qiáng)[25]。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，‘金槐J2’的綜合表現(xiàn)能力較好，其POD、SOD、CAT活性及Pro含量都比較高，而且其MDA的含量最少，因此可以判定，‘金槐J2’具有較好的抗逆性。本研究主要對(duì)正常生長(zhǎng)條件下3種‘金槐’品種光合特性進(jìn)行了分析，在逆境脅迫下，是否表現(xiàn)出同樣的變化趨勢(shì)，在抗性和生長(zhǎng)形態(tài)指標(biāo)上的差異，將是下一步的研究重點(diǎn)。