山生柳不同優(yōu)樹無性系光合特性比較

馬成俠，李強(qiáng)峰

(1.西寧市南山公園，青海 西寧 810000； 2.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院農(nóng)林系，青海 西寧 810016)

山生柳(SalixoritrephaSchneid.)也稱高山柳、毛枝山居柳[1]，是中國特有種，落葉矮小灌木，高60～120 cm[2]。生于海拔3000～4700 m的高山地帶，是青藏高原地區(qū)高寒柳灌叢的建群種和優(yōu)勢(shì)種。以山生柳作為優(yōu)勢(shì)種所構(gòu)成的灌木林是青海省主要的灌木林類型之一[1，3]，分布廣，面積大，在保持水土、涵養(yǎng)水源等方面具有重要作用[1]，是我國干旱半干旱地區(qū)優(yōu)秀的生態(tài)防護(hù)樹種[4-6]。

青海省地處江河源頭，氣候寒冷、干旱，生態(tài)環(huán)境脆弱，森林覆蓋率低，多數(shù)地方喬木生長受到限制，而山生柳作為青海高寒地區(qū)灌木林的建群種或優(yōu)勢(shì)樹種，處于喬木林分布上線與高寒草甸之間，具有生活力強(qiáng)，耐高寒，植株叢生，根系發(fā)達(dá)的特性。開展山生柳不同無性系的葉綠素含量、凈光合速率和葉綠素?zé)晒獾戎笜?biāo)的測定與對(duì)比分析，揭示無性系間光合特性的規(guī)律及其差異性，為山生柳高光效育種篩選優(yōu)良無性系提供參考，對(duì)青海高寒地區(qū)植樹造林及生態(tài)恢復(fù)和生態(tài)保護(hù)等具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)在西寧市大通植物園試驗(yàn)田進(jìn)行，所選材料為大通、祁連、果洛、天峻 4個(gè)分布區(qū)中初選的50個(gè)山生柳優(yōu)良單株的1年生扦插苗。

2 試驗(yàn)方法

2.1 不同山生柳無性系生長量及成活率測定

2018年3月15日，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，將50個(gè)山生柳無性系制成插條并編號(hào)，每個(gè)無性系各制30個(gè)插條，3次重復(fù)，統(tǒng)一用GGR(1∶2000)浸泡3 h后扦插。2019年6—10月進(jìn)行成活率測定，選出生長穩(wěn)定的山生柳無性系作為優(yōu)良無性系。

2.2 不同山生柳無性系光合參數(shù)的測定

選擇天氣晴朗的日子，采用LCpro便攜式光合儀測定不同山生柳無性系的光合參數(shù)，為減小試驗(yàn)誤差，每個(gè)無性系各測10株，每個(gè)所選單株測定3次，分別取上、中、下3個(gè)部位中同一朝向的葉片，用均值表示。

2019年9月28日，測定光合有效輻射為1500 μmol·m-2·s-1下的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度。9月29日測定所選山生柳無性系的光合參數(shù)日變化。測定的時(shí)間從7∶00開始，每隔2 h測定1次，直至19∶00結(jié)束。

2.3 不同山生柳無性系葉綠素含量的測定

2019年9月28日，在凈光合速率測定后，及時(shí)采摘葉片，分別裝袋并帶回實(shí)驗(yàn)室，用研磨法測定。每袋樣品重復(fù)3次。葉綠素含量以全部讀數(shù)的平均值表示。

2.4 不同山生柳無性系葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定

采用JUNIOR-PAM熒光儀測定山生柳無性系的熒光參數(shù)。2019年10月1日，從每個(gè)山生柳無性系中選取3株長勢(shì)基本一致的植株，選取山生柳枝條第5對(duì)葉片，用濕毛巾包裹，放到加有冰袋的保溫箱中，帶回實(shí)驗(yàn)室測定。測定指標(biāo)包括：初始熒光Fo，最大熒光產(chǎn)量Fm、Fv/Fm、Fv/Fo、qP、qN、NPQ、ETR，每個(gè)葉片測定3次，取平均值。

3 數(shù)據(jù)處理及綜合分析

采用Excel統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)測定數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和圖表繪制，采用SPSS 24.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

4 結(jié)果與分析

4.1 不同山生柳無性系的生長特性比較

2019年6月對(duì)山生柳無性系生長情況進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果見表1。其中苗高最大的無性系(T11)為113.4 cm，最小的無性系(Q33)為23.5 cm，極差近5倍，總平均值為60.6 cm；地徑最大的無性系(T10)為14.33 mm，最小的無性系(T5)為5.09 mm，極差近3倍，總平均值為8.20 mm。從表中看出，有18個(gè)山生柳無性系的成活率大于80%，且苗高和地徑均大于區(qū)組平均值，因此將此18個(gè)無性系作為光合特性研究對(duì)象。同一無性系的生長表現(xiàn)整齊一致，各類形態(tài)特征完全統(tǒng)一。

表1 不同山生柳無性系生長狀況

表1(續(xù))

4.2 不同山生柳無性系的光合特性比較

4.2.1 不同山生柳無性系葉綠素含量比較 18個(gè)山生柳無性系的葉綠素含量間存在極顯著差異(P<0.01)。對(duì)18個(gè)山生柳無性系進(jìn)行多重比較(表2)可知，葉綠素含量較高的是T11、T10、T3、G21、Q43號(hào)無性系，分別為7.65、7.55、7、6.91、6.8 mg·g-1，顯著高于T15～T18號(hào)無性系。其中T10、T11的葉綠素含量顯著高于其它山生柳無性系，說明T10、T11具有更大的光合潛力。

表2 不同山生柳無性系葉綠素含量多重比較

4.2.2 不同山生柳無性系光合參數(shù)比較 對(duì)18個(gè)無性系的光合參數(shù)進(jìn)行多重比較(表3)可知，T11、T10、T3、G21、Q43的凈光合速率Pn值顯著高于其它無性系，分別為5.57、5.38、5.24、5.13、5.04 μmol·m-2·s-1，其中T11仍居于首位，說明這5個(gè)山生柳無性系對(duì)光能的利用率較高，其中T11的光能利用率最高，且T11與其它無性系間凈光合速率存在顯著性差異(P<0.05)。氣孔導(dǎo)度Gs最大的無性系是T11、T10、T3、G21、Q43，分別為230.5、222.7、218.4、185.7、185.4 μmol·m-2·s-1，顯著高于其它無性系，其中T11、T10、T3之間氣孔導(dǎo)度Gs差異不顯著、G21與Q43之間氣孔導(dǎo)度Gs差異不顯著(P>0.05)，但T11、T10、T3與G21、Q43及其它無性系之間的氣孔導(dǎo)度Gs存在顯著性差異(P<0.05)。蒸騰速率Tr較大的無性系是T11、T10、T3、G21，分別為3.16、2.94、2.79、2.74 mmol·m-2·s-1；蒸騰速率較小的無性系是Q38，僅0.86 mmol·m-2·s-1。各山生柳無性系的胞間CO2濃度Ci在129～385 μmol·m-2·s-1之間，其中Q38、P27、Q46、G22、Q48的胞間CO2濃度較高，T11的胞間CO2濃度最低；T11、T10、T3之間胞間CO2濃度差異不顯著(P>0.05)，但T11、T10、T3與其它無性系之間的胞間CO2濃度存在顯著性差異(P<0.05)。

表3(續(xù))

4.2.3 不同山生柳無性系葉綠素含量與凈光合速率聚類分析 葉綠素含量、凈光合速率測量結(jié)果表明，山生柳葉片的葉綠素含量與凈光合速率呈顯著正相關(guān)(P<0.05)(表4)，即在一定范圍內(nèi)，葉綠素含量越高凈光合速率越強(qiáng)。把葉綠素含量、凈光合速率作為主要性狀指標(biāo)，對(duì)18個(gè)山生柳無性系進(jìn)行多指標(biāo)系統(tǒng)聚類分析，結(jié)果見圖1、表5。當(dāng)距離為2時(shí)，18個(gè)山生柳無性系可分為5大類群：類群1包括T3、Q43、G21、T11、T10、G24共6個(gè)山生柳無性系，平均葉綠素含量最高，平均凈光合速率最大，分別為7.03 mg·g-1、33.85 μmol·m-2·s-1。說明這6個(gè)無性系的光合利用率強(qiáng)，生理活性高；類群2包括T15、T17、G25、T204個(gè)無性系，這4個(gè)無性系的平均葉綠素含量較高，平均凈光合速率較大，分別為6.26 mg·g-1、28.46 μmol·m-2·s-1；類群3僅有G231個(gè)無性系，其葉綠素含量、凈光合速率處于中等水平，分別為5.61 mg·g-1、23.58 μmol·m-2·s-1；類群4包括G22、Q46、Q39、T2、Q485個(gè)無性系，這5個(gè)無性系的平均葉綠素含量較低、平均凈光合速率較小，分別為4.67 mg·g-1、19.94 μmol·m-2·s-1；類群5包括P27、Q38共2個(gè)無性系，這2個(gè)無性系的平均葉綠素含量及平均凈光合速率最小，分別為2.99 mg·g-1、14.83 μmol·m-2·s-1，說明這2個(gè)山生柳無性系的生理活性較弱。

表4 葉綠素含量與凈光合速率相關(guān)性分析

圖1 不同山生柳無性系葉綠素含量與凈光合速率聚類分析

綜上所述，T3、Q43、G21、T11、T10、G24葉綠素含量和凈光合速率最大，說明T3、Q43、G21、T11、T10、G24的生理活性及光合作用較強(qiáng)，有利于植物的物質(zhì)積累。結(jié)合生長特性指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)T3、Q43、G21、T11、T10這5個(gè)無性系的生長指標(biāo)及光合指標(biāo)均高于其它無性系。

4.2.4 不同山生柳無性系葉綠素?zé)晒鈪?shù)比較 由表6可知，F(xiàn)o與Fv/Fo、NPQ呈極顯著負(fù)相關(guān)，與Y(II)、qN、qP呈顯著負(fù)相關(guān)，與Fm、Fv/Fm、ETR相關(guān)性不顯著；Fm與Fv/Fo、NPQ呈極顯著正相關(guān)，與Fv/Fm、Y(II)、qN、qP呈顯著正相關(guān)，與ETR相關(guān)性不顯著；Fv/Fm與Fv/Fo、Y(II)呈極顯著正相關(guān)，與NPQ呈顯著正相關(guān)，與qN、qP、ETR相關(guān)性不顯著；Fv/Fo與Y(II)、NPQ、qN、qP及ETR呈極顯著正相關(guān)；Y(II)與NPQ、qP和ETR呈極顯著正相關(guān)，與qN呈顯著正相關(guān)；NPQ與qN、qP呈極顯著正相關(guān)，與ETR相關(guān)性不顯著；qN和qP呈極顯著正相關(guān)，與ETR相關(guān)性不顯著；qP和ETR呈極顯著正相關(guān)。

把實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量(Yield)、表觀電子傳遞速率(ETR)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)作為主要熒光參數(shù)，對(duì)18個(gè)山生柳無性系進(jìn)行多指標(biāo)系統(tǒng)聚類分析，結(jié)果見圖2、表7。當(dāng)距離為2時(shí)，18個(gè)山生柳無性系可分為5大類群：類群1包括T11、T10共2個(gè)山生柳無性系，其Yield、ETR、NPQ最高，說明這2個(gè)無性系光合能力及吸收能力最好，光合活性和對(duì)光能利用率最強(qiáng)；類群2包括T3、Q43、G21、T15、G245個(gè)無性系，這5個(gè)無性系的Yield、ETR、NPQ值相比其它無性系較高，說明光合能力及吸收能力較好，光合活性和光能利用率較強(qiáng)；類群3有T17、G25、T203個(gè)無性系，光合能力及吸收能力一般，光合活性和光能利用率一般；類群4包括G23、G22、Q46、Q39、T2、Q486個(gè)無性系，這6個(gè)無性系的光合能力及吸收能力較差，光合活性和光能利用率較小；類群5包括P27、Q382個(gè)無性系，這2個(gè)無性系的光合能力及吸收能力最差，其光合活性和光能利用率最低 。

表5 葉綠素含量與凈光合速率聚類分析結(jié)果

表6 葉綠素?zé)晒鈪?shù)間相關(guān)關(guān)系矩陣表

圖2 不同山生柳無性系葉綠素?zé)晒饩垲惙治?/p>

綜上所述，Yield、ETR、NPQ最高的山生柳無性系是T11、T10，最低的山生柳無性系為P27、Q38，與光合特性和生長指標(biāo)的聚類結(jié)果相吻合。說明葉綠素?zé)晒狻⑷~綠素含量和凈光合速率對(duì)植物生長具有一定影響，它們之間有一定的內(nèi)在關(guān)系。

4.2.5 不同山生柳無性系光合特性比較 對(duì)18個(gè)山生柳無性系的葉綠素含量、光合參數(shù)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)進(jìn)行分析可知，T11、T10、T3、G21及Q435個(gè)無性系生長指標(biāo)及光合指標(biāo)均高于其它無性系且排名基本穩(wěn)定，可將其作為光合生理育種中的高光合特性無性系資源，故僅對(duì)這5個(gè)無性系進(jìn)行光合特性分析即可。由表8可知，不同山生柳無性系的光合參數(shù)存在一定差異，而T11的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均位居首位，分別為5.19 μmol·m-2·s-1、192.89 μmol·m-2·s-1、3.11 mmol·m-2·s-1，其次分別為T10、T3、G21、Q43。而胞間CO2濃度最大的則是Q43，達(dá)到306.29 μmol·m-2·s-1，最小的是T11，僅為207.65 μmol·m-2·s-1。說明T11的光合作用最強(qiáng)，光能利用率也最強(qiáng)。

5 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，18個(gè)山生柳無性系的葉綠素含量間存在極顯著差異，葉綠素含量較高的是T11、T10、T3、G21、Q43號(hào)無性系，顯著高于T15之后的其它山生柳無性系。T11的葉綠素含量顯著高于其它山生柳無性系，說明T11具有更大的光合潛力。18個(gè)山生柳無性系的葉綠素含量變化及光合特性的聚類結(jié)果發(fā)現(xiàn)T11、T10、T3、G21、Q43號(hào)山生柳無性系的光合活性及光能利用率均顯著大于其他山生柳無性系，因此，可將其作為光合生理育種中的高光合特性無性系資源。不同山生柳無性系的光合日變化參數(shù)具有差異，而T11的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率均位居首位，其次分別為T10、T3、G21、Q43。而胞間CO2濃度最大的則是Q43，最小的是T11，說明T11的光合作用最強(qiáng)，光能利用率也最強(qiáng)。

表7 葉綠素?zé)晒饩垲惙治?/p>

表8 不同山生柳無性系光合特性比較

目前，有關(guān)葉綠素含量的研究中，多為鹽脅迫或干旱脅迫對(duì)柳樹葉綠素含量影響，而對(duì)葉綠素含量與光合特性的相關(guān)性研究不多。本試驗(yàn)通過研究山生柳無性系的生長特性、葉綠素含量及光合特性，發(fā)現(xiàn)在同一階段下的葉綠素含量與光合速率呈正相關(guān)關(guān)系，即在一定范圍內(nèi)，葉綠素含量越高凈光合速率隨之越強(qiáng)。檉柳的葉綠素含量隨著凈光合速率的升高逐漸增強(qiáng)[7]，研究結(jié)果與本試驗(yàn)較為一致。

有關(guān)葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)的研究多集中于逆境脅迫[8]、光抑制[9]、干旱脅迫[10]、水分脅迫[11]、鹽分脅迫[12]和其它脅迫[13]等。在山生柳生長發(fā)育方面未見相關(guān)報(bào)道。本文通過葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)對(duì)18個(gè)山生柳無性系進(jìn)行測定可知，葉綠素?zé)晒鈪?shù)可反映山生柳無性系的生長性狀及光合特性。此研究結(jié)果為今后選育山生柳無性系奠定了理論基礎(chǔ)。