紅河干熱河谷不同植物光合作用及抗逆生理特性1)

竇沛彤 劉方炎 高成杰 李昆

(中國林業(yè)科學研究院資源昆蟲研究所，昆明，650224)

干熱河谷主要存在于我國西南橫斷山脈的金沙江、瀾滄江、紅河和怒江的中上游地區(qū)，在這些重要河谷地區(qū)形成了干濕季分明、降水少，高蒸發(fā)以及熱量高的干熱河谷氣候，表現(xiàn)出“既熱又干”基本環(huán)境特點[1-2]，由于比較惡劣的自然環(huán)境，導(dǎo)致該地區(qū)干旱頻發(fā)。

在干熱河谷生長的植物經(jīng)常遭受干旱脅迫及光脅迫，這影響了該地區(qū)植物正常的生長及發(fā)育。近些年，學者對干熱河谷的研究主要集中在植物群落特征、多樣性及樹種的抗旱和光合特性等方面[3-12]，其中孫永玉等[10]通過盆栽控水法對干熱河谷檸檬桉苗期的抗旱生理進行了研究，鄭元等[11]通過比較干熱河谷不同種源的牛角瓜苗期生理特性，篩選出了高水平光合生產(chǎn)與水分利用潛力的牛角瓜種質(zhì)資源，趙廣等[12]通過對金沙江干熱河谷區(qū)辣木(Morin-gaoleifera)、銀合歡(Leucaenaleucocephala)、和羅望子(Tamarindusindica)的光合生理特性進行分析，認為在干熱河谷植被恢復(fù)中需謹慎選擇銀合歡。目前，對紅河干熱河谷區(qū)代表性植物在自然條件下對干旱和強光脅迫的生理適應(yīng)性研究還需要進一步完善，紅河干熱河谷旱季的環(huán)境條件是持續(xù)的干旱和高溫，這是對植物生存的最大考驗，也是植被恢復(fù)時的難點。本研究以該區(qū)域鄉(xiāng)土植物天干果(BuchananialatifoliaRoxh. Hort. Beng)、山黃麻(Trematomentosa(Roxburgh) H. Hara)、蝦子花(Woodfordiafruticosa(L.) Kurz)及車桑子(Dodonaeaviscosa(L.) Jacq.)為試驗材料，探討干熱河谷地區(qū)不同植物的光合特性和抗逆生理特性等特征，以期揭示不同植物光合生理、抗氧化酶活性及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對干旱環(huán)境的響應(yīng)，探索不同植物對干熱河谷環(huán)境的適應(yīng)性，為研究紅河干熱河谷地區(qū)的植被恢復(fù)、抗旱樹種的選擇提供科學參考。

1 研究地概況

研究區(qū)域位于云南省紅河縣境內(nèi)(23°19′38″～23°24′55″N，102°15′1″～102°25′36″E)，地處云南省東南部。研究區(qū)域處于低緯度亞熱帶高原型濕潤季風氣候區(qū)，每年5—10月為雨季，降水時空地域分布極不均勻。地帶性土壤以紅壤和燥紅土為主,干旱瘠薄,水肥條件極差，在自然狀態(tài)下以草叢為主,雜以灌木,稀少喬木,稱為稀樹(灌)草叢，地形地貌特殊，焚風效應(yīng)強烈，形成了典型的干熱氣候特征[13-15]，年平均干燥度1.7，屬于半干旱偏濕亞類型[16]。

2 材料與方法

2.1 光響應(yīng)曲線擬合

在2019年4月底，選擇晴朗天氣上午09：00—11：00，采用LI-6400XT便攜式光合測定儀測定植物的凈光合速率(Pn)。人工光源為LI-6400紅藍光源，設(shè)置光合有效輻射梯度為1 800、1 500、1 200、1 000、800、500、200、120、100、80、50、20、0 μmol·m-2·s-1，啟動光響應(yīng)自動測定程序。每種參試植物選擇健康、長勢均一的樹3棵，每棵樹選擇3片葉，結(jié)果取平均值。

用SPSS 23.0對測定的凈光合速率和光合有效輻射數(shù)據(jù)采用非直角雙曲線模型進行擬合[17-18]，得出相應(yīng)的光合響應(yīng)參數(shù)，擬合方程為：

2K]-Rday。

式中：Pn為凈光合速率；AQE為表觀量子效率；PAR為光合有效輻射；Pmax為最大凈光合速率；K為光響應(yīng)曲線曲角；Rday為暗呼吸速率。在光合有效輻射≤200 μmol·m-2·s-1的低光強度下，凈光合速率與光強存在正比線性關(guān)系，該直線方程與X軸的交點為光補償點(LCP)，當Pn為Pmax時所得的PAR為光飽和點(LSP)[19]。

2.2 氣體交換測量

在2019年4月底，采用LI-6400XT便攜式光合測定儀測定參試植物的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、光合有效輻射(PAR)、空氣相對濕度、氣溫等指標。測量時間從早上09：00開始到下午18：00結(jié)束，每隔1 h測定1次，種參試植物選擇健康、長勢均一的樹3棵，每棵樹選擇3片葉，結(jié)果取平均值。

2.3 抗氧化酶活性、超氧陰離子自由基及脯氨酸測定

2.4 數(shù)據(jù)分析與處理

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 23.0完成，其中，方差分析采用多重比較分析中的鄧肯檢驗(Duncan’s test)，圖表在Microsoft Excel 2010軟件中完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植物的光響應(yīng)過程特征

4種植物的光響應(yīng)曲線變化趨勢呈現(xiàn)相似性(圖1)。在一定的光合有效輻射(PAR)范圍之內(nèi)，凈光合速率隨著PAR的增加而升高，當PAR增加到一定值后，凈光合速率開始緩慢增加并最終趨于平緩。PAR為低于20 μmol·m-2·s-1時，由于光照強度較弱，各植物的Pn基本小于0，此時表明植物的呼吸作用強于光合作用。PAR在100～120 μmol·m-2·s-1時，凈光合率上升快慢依次為山黃麻、蝦子花、車桑子、天干果。當各個植物的凈光合速率達到最大時，對應(yīng)的PAR也各不同。

圖1 不同植物的光合響應(yīng)曲線

通過光響應(yīng)參數(shù)(表1)可以看出，4種植物的最大凈光合速率(Pmax)從大到小依次為：山黃麻、蝦子花、車桑子、天干果，說明山黃麻的光合能力最強，天干果的光合能力最弱。蝦子花的光飽和點(LSP)為1 236 μmol·m-2·s-1，略高于其他3中植物，說明蝦子花擁有較強的強光利用能力，且不易發(fā)生光抑制。表觀量子效率是植物光能利用效率的體現(xiàn)，研究表明植物的最大初始量子效率理論值為0.08～0.125 μmol·m-2·s-1，但在自然條件下實測值會小于理論值，一般在0.04～0.07 μmol·m-2·s-1[25]，本文擬合得出的表觀量子效率在0.037～0.085 μmol·m-2·s-1(表1)，可以看出山黃麻的葉片光能轉(zhuǎn)化效率高。4種植物的呼吸速率的大小為蝦子花、山黃麻、車桑子、天干果。

表1 不同植物光合響應(yīng)曲線參數(shù)

3.2 不同植物環(huán)境因子及生理指標日變化

3.2.1 環(huán)境因子日變化

從葉片周圍環(huán)境因子的日變化中可以看出(圖2、3)，上午09：00—11：00，不同植物間光合有效輻射(PAR)與氣溫變化相似，呈現(xiàn)出上升趨勢，空氣相對濕度變化表現(xiàn)為下降趨勢；在11：00—16：00，PAR、氣溫及空氣相對濕度表現(xiàn)為上下波動；在16：00后，PAR開始明顯下降。PAR在14：00時最大，為1 604.8 μmol·m-2·s-1，氣溫在15：00時達到最大，為41.8 ℃，空氣相對濕度在上午09：00時最大，為41.6%。

圖2 不同植物的平均光合有效輻射日變化

3.2.2 凈光合速率

如圖4所示，4種植物的凈光合速率(Pn)均呈現(xiàn)“雙峰”型曲線，不同的是山黃麻、蝦子花的峰值相較于車桑子、天干果來說更明顯。隨著時間的推移，Pn顯示先增大后降低，然后再增大最后降低的趨勢，Pn在11：00、14：00各出現(xiàn)最大值，說明4中植物均有“午休”的現(xiàn)象。4種植物中蝦子花1 d中的Pn一直較大，且日變化波動較大，天干果和車桑子一天中的Pn較低，Pn日變化波動也較小。

圖3 不同植物的平均氣溫和相對濕度日變化

圖4 不同植物的凈光合速率日變化

3.2.3 胞間二氧化碳摩爾分數(shù)

胞間CO2摩爾分數(shù)(Ci)指植物細胞之間的CO2摩爾分數(shù)，能反映出光合作用過程中CO2的耗散與積累，由圖5可知，Ci的日變化大體呈現(xiàn)“V”型，即早晚高，中午低。4種植物出現(xiàn)最低Ci的時間點為13：00，在14：00時，4種植物的Ci在間存在略微上升現(xiàn)象，之后，山黃麻和天干果的Ci處于緩慢上升狀態(tài)，而蝦子花和車桑子則先下降然后再上升。

圖5 不同植物的胞間二氧化碳摩爾分數(shù)日變化

3.2.4 氣孔導(dǎo)度

氣孔是植物與外界氣體交換的主要通道，可控制O2、CO2的交換及蒸騰強度[26]，而氣孔導(dǎo)度(Gs)則反映了植物在進行光合作用和蒸騰作用時氣孔開合的程度。隨著時間的推移，氣孔導(dǎo)度的日變化呈現(xiàn)先增加后降低再增加最后降低的變化趨勢(圖6)，這和凈光合速率的日變化類似，不同的是，除蝦子花外，其他3種植物在10：00時，Gs就達到了第一次峰值。另外，在15：00之后，車桑子的Gs略微上升，16：00后又下降，這應(yīng)該是15：00之后溫度降低(圖3)，植物為保證細胞與大氣間CO2平衡，同時減小Ci過低對光合作用的影響，從而調(diào)節(jié)Gs略微上升。

圖6 不同植物的氣孔導(dǎo)度日變化

3.2.5 蒸騰速率

從圖7可以看出4種植物的蒸騰速率(Tr)日變化趨勢相同，呈現(xiàn)出先增大后降低再增大最后降低的變化。4種植物Tr均在11：00、14：00達到兩次峰值，在達到兩次峰值時，山黃麻、蝦子花的Tr均大于天干果和車桑子。在中午13：00時4種植物Tr都存在減弱趨勢，這是由于干熱河谷區(qū)中午的PAR和氣溫較高，植物為避免高蒸騰導(dǎo)致體內(nèi)散失較多水分從而對脅迫表現(xiàn)出的應(yīng)對策略。

圖7 不同植物的蒸騰速率日變化

3.3 不同植物間的葉綠素質(zhì)量分數(shù)

葉片中葉綠素質(zhì)量分數(shù)可決定其對光能的吸收與轉(zhuǎn)換，但隨著逆境傷害增加，其質(zhì)量分數(shù)逐步降低，從而使光合速率下降。表2可知，不同樹種葉綠素b質(zhì)量分數(shù)之間無顯著差異(P>0.05)；山黃麻，車桑子與其他植物的葉綠素a質(zhì)量分數(shù)間存在顯著差異(P<0.05)，其質(zhì)量分數(shù)由大到小依次為山黃麻、車桑子、蝦子花、天干果；不同樹種間類胡蘿卜素質(zhì)量分數(shù)也存在顯著差異(P<0.05)，其中天干果的類胡蘿卜素含量顯著低于其他植物(P<0.05)。不同植物的總?cè)~綠素與葉綠素a質(zhì)量分數(shù)變化相同，且山黃麻，車桑子與其他植物的總?cè)~綠素質(zhì)量分數(shù)之間也存在顯著差異(P<0.05)。

表2 干旱對不同植物光合葉綠素質(zhì)量分數(shù)的影響 mg·g-1

3.4 不同植物抗氧化酶、脯氨酸及超氧陰離子自由基含量

當植物生長在適宜的環(huán)境中，體內(nèi)活性氧自由基的產(chǎn)生與清除處于平衡狀態(tài)，在遭遇環(huán)境脅迫后，體內(nèi)產(chǎn)生的自由基將超過植物本身清除的能力，就會引起自由基的積累，并且產(chǎn)生傷害。在紅河干熱河谷4種植物葉片中SOD、POD、CAT及脯氨酸含量均無顯著差異(表3)，表明這幾種植物在適應(yīng)干旱條件時，體內(nèi)均產(chǎn)生較多的SOD、POD、CAT來清除因脅迫產(chǎn)生的活性氧自由基，從而避免植物遭受傷害。通過比較4種植物葉片內(nèi)的超氧陰離子自由基含量，我們發(fā)現(xiàn)山黃麻的超氧陰離子自由基含量最少，且與車桑子、蝦子花超氧陰離子自由基含量間存在顯著差異(P<0.05)。這說明山黃麻較其他3種植物能更有效清除體內(nèi)產(chǎn)生的自由基，降低膜脂過氧化作用。

表3 干旱對不同植物抗氧化酶、脯氨酸及超氧陰離子自由基的影響

4 討論

在植物光合日變化中，凈光合速率作為外界環(huán)境和植物光合作用的綜合反應(yīng)具有重要的研究價值，環(huán)境中的光合有效輻射，溫度，相對濕度及植物葉片自身葉綠素質(zhì)量分數(shù)等因素均會影響植物的凈光合速率，且這些影響因素是綜合表現(xiàn)的[27-28]。此次研究中，4種植物的凈光合速率日變化呈現(xiàn)“雙峰”，在11：00前后出現(xiàn)峰值，這主要是因為在09：00—11：00時，PAR是限制凈光合速率的主要環(huán)境因子，當光合有效輻射及氣溫開始上升，在11：00達到較高時(圖6、圖7)，凈光合速率也就出現(xiàn)了第一次峰值；在11：00—13：00，光合有效輻射和氣溫維持在1d中的較高水平，較高的溫度和PAR會對葉綠體的結(jié)構(gòu)造成破壞，加快暗呼吸和光呼吸作用，降低光合作用，從而導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度降低，減少對CO2的吸收，所以在13：00時不同植物的凈光合速率均降低，出現(xiàn)光合“午休”。為避免植物供能不足，在13:00—14：00時植物的部分氣孔重新打開以緩解植物體內(nèi)CO2不足，因此4種植物的Ci和蒸騰速率存在上升現(xiàn)象，凈光合速率也出現(xiàn)第2個峰值。

Farquhar et al.[18]認為，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度及Ci均降低，凈光合速率的下降為氣孔限制，所以可認為4種植物的凈光合速率在13：00前后降低是由氣孔因素導(dǎo)致。在14：00—15：00時，4種植物經(jīng)過長時間的蒸騰作用導(dǎo)致植物失水過多，部分氣孔開始關(guān)閉，從而使氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間CO2摩爾分數(shù)及凈光合速率均出現(xiàn)下降，體現(xiàn)出氣孔對植物光合和蒸騰作用的直接影響[26，29]。

植物葉片光合作用產(chǎn)生的有機物是其生長的物質(zhì)基礎(chǔ)，而凈光合速率(Pn)可作為植物生產(chǎn)能力的指標，光飽和點(LSP)和光補償點(LCP)可表現(xiàn)出植物對弱光和強光的利用能力[30-31]。在比較4種植物光響應(yīng)過程后，可以看出在100 μmol·m-2·s-1之后，4種植物的凈光合速率出現(xiàn)較快的增長，這與前人對干熱河谷區(qū)生長的余甘子、扭黃茅的研究結(jié)果類似[32-33]，說明在干熱河谷區(qū)生長的植物在PAR升高的最初階段，凈光合速率均會出現(xiàn)快速的響應(yīng)。

通過模型對光合參數(shù)進行擬合后可知，4種植物的光飽和點為1 082.4～1 236 μmol·m-2·s-1，陽生木本的光飽和點為600～1 500 μmol·m-2·s-1[34]，說明4種植物具有陽性植物特征，對強光有較高的利用能力。不同的是山黃麻在1 082.4 μmol·m-2·s-1時就達到了飽和光強，此時其Pmax在4種植物中最大，為16.5 μmol·m-2·s-1，且與其他植物之間存在顯著差異(P<0.05)，由此推斷山黃麻可積累較多的光合產(chǎn)物，其生長代謝可能也高于其他3種植物。天干果擁有較低的光補償點和較高的光飽和點，說明在紅河干熱河谷區(qū)這一生境下，天干果對光環(huán)境有較強的適應(yīng)性。

非直角雙曲線擬合的光響應(yīng)參數(shù)具有生物學意義，且擬合曲線比較符合植物的光響應(yīng)過程[35]。本文采用非直角雙曲線模型擬合光合參數(shù)的結(jié)果比較理想，能夠基本反應(yīng)各植物的光合特點，4種植物各自在達到飽和光強之后，凈光合速率并沒有下降，因此，也存在估算的Pmax大于實測值的結(jié)果[31，36-37]。

5 結(jié)論

雖然紅河干熱河谷區(qū)生長的4種植物對光適應(yīng)有所不同，但是4種植物葉片中抗氧化酶活性之間無顯著差異(P>0.05)，說明它們在應(yīng)對逆境脅迫時均能有效保持植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)生與清除間的平衡，增加抗逆性，避免生物膜遭受膜脂過氧化，表現(xiàn)出對紅河干熱河谷環(huán)境較強的適應(yīng)性。