不同油橄欖品種苗期快速光曲線模型選擇及光合特性分析*

馬成艷，劉世增，姜成英，吳文俊，趙夢炯，陳煒青，金高明，戚建莉

(1.甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.國家林業(yè)局油橄欖工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730020)

油橄欖(OleaeuropeaL.)為木犀科(Oleeacea)木犀欖屬(Olea)亞熱帶常綠小喬木，是地中海氣候的典型植物，也是世界著名的四大木本油料樹種之一。橄欖油具有較高的不飽和脂肪酸和多種維生素，長期食用可增強(qiáng)人體消化系統(tǒng)功能，減少心血管疾病，促進(jìn)骨骼發(fā)育。橄欖油還可用于開發(fā)醫(yī)藥、保健、化妝品等系列產(chǎn)品，具有重要的藥用和保健價值。油橄欖也具有速生、耐旱、耐高溫和根系發(fā)達(dá)等生物學(xué)特性，具有保持水土、涵養(yǎng)水源的生態(tài)功能，是荒山綠化、生態(tài)恢復(fù)的可選樹種[1-2]。

葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)可以從內(nèi)在揭示植物光合生理的表現(xiàn)，在一定程度上能夠反映植物對環(huán)境的適應(yīng)情況，被稱為是研究植物光合作用的有效探針[3-4]。有關(guān)植物葉綠素?zé)晒馓匦缘难芯繄蟮垒^多，但研究各植物種的葉綠素?zé)晒鈪?shù)所用光合模型也各有不同，主要有直角雙曲線模型(RH)、非直角雙曲線模型(NRH)、單指數(shù)模型(SEM)、雙指數(shù)模型(DEM)和直角雙曲線修正模型(MRH)等，這些模型都存在一些缺點(diǎn)，且不同模型擬合的結(jié)果偏差較大[5-8]。因此，應(yīng)用多種模型對同一研究對象的光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，對擬合優(yōu)度進(jìn)行比較，采用最佳擬合模型對相關(guān)光合參數(shù)進(jìn)行估算，可提高對這些參數(shù)估計的準(zhǔn)確性，從而更好地認(rèn)識供試植物的光合特性。

甘肅隴南白龍江干熱河谷區(qū)，油橄欖種植面積占全國總面積的80%，建有國家級油橄欖種質(zhì)資源圃，引進(jìn)品種130余個。有關(guān)油橄欖生理生態(tài)特性，已有大量研究報道[9-13]。但對從土耳其引進(jìn)的在隴南地區(qū)表現(xiàn)優(yōu)良的Domat等油橄欖在生理生態(tài)特性方面的研究鮮有報道。本研究采用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)測定7個油橄欖品種的葉綠素?zé)晒鈪?shù)，通過RH、NRH、SEM、DEM和MRH擬合分析各油橄欖品種的葉綠素?zé)晒夤忭憫?yīng)曲線(RLCs)，以期選擇最適合的葉綠素?zé)晒夤忭憫?yīng)模型，根據(jù)葉綠素?zé)晒庾罴压忭憫?yīng)模型，評價各品種的苗期光合特性，為隴南地區(qū)引進(jìn)種植油橄欖的種質(zhì)高效優(yōu)質(zhì)栽培和良種選擇提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于甘肅省隴南市武都區(qū)兩水林場(104°75′E， 33°37′N)，屬于北亞熱帶半濕潤氣候，年均氣溫 14.9 ℃，年日照時數(shù)1 911.7 h，年無霜期210～240 d，年降水量474～900 mm，年平均濕度61%～71%，是油橄欖的最佳適生區(qū)。

1.2 試驗(yàn)材料

采用從土耳其引進(jìn)的Domat、Odemis、Yamalak sarisi、Memecik、Ayvalik、Cekiste、Gemlik共7個油橄欖品種的嫁接苗,見表1。

表1 7個土耳其引進(jìn)油橄欖品種的基本情況

引進(jìn)自砧嫁接苗定植，砧木為原品種半同胞種子實(shí)生苗，3 a生；接穗為同一品種優(yōu)樹1 a生枝條，插皮芽接，每砧嫁接4～5芽。2018年春季嫁接，2019年秋季引進(jìn)，定植到高60 cm，直徑80 cm的無紡布營養(yǎng)缽，基質(zhì)為泥炭土、椰糠和熟土以1︰1︰1的比例混合，每營養(yǎng)缽1株，苗木的接穗生長1 a后作為試驗(yàn)材料。

1.3 測定方法

于2020年8月上旬，選擇連續(xù)晴朗的3天，每天8:00—11:00進(jìn)行。每個品種選取3株長勢健壯、光照一致的植株。測定前，將油橄欖幼苗葉片先經(jīng)過 20 min 的充分暗適應(yīng)，用Li-6400-40便攜式熒光葉室測定系統(tǒng)，每株選取3片葉子，每片葉子3個重復(fù)，測得初始熒光(Fo)，隨后施加飽和脈沖光，測得最大熒光(Fm)。并由Fo，F(xiàn)m計算，暗適應(yīng)葉片 PSII 最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)，PSII 潛在光化學(xué)效率(Fv/Fo)。之后經(jīng)0.5 h自然光適應(yīng)，測定在光合有效輻射強(qiáng)度(PAR)分別為2 000、1 500、1 000、500、200、100、50、20、10和0 μmol/(m2·s)時的葉綠素?zé)晒庀嚓P(guān)參數(shù)。使用開放氣路，流速為300 μmol/s，外接CO2鋼瓶，濃度控制為 400 μmol/mol，最小等待時間設(shè)定為120 s，最大等待時間設(shè)定為200 s，通過外接緩沖瓶穩(wěn)定大氣中 CO2濃度。測定過程中，每個梯度光照持續(xù)時間為 10 s，依次測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

利用 Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖。用葉子飄光合計算軟件4.1.1中5 種光合模型對RLCS及其參數(shù)進(jìn)行擬合，各模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式[14-16]見表2。利用origin 8.0得出信息量準(zhǔn)則(AIC)、均方根誤差(RMSE)。圖中的部分?jǐn)?shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

表2 5種光響應(yīng)曲線(RLCS)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式

2 結(jié)果與分析

2.1 葉綠素?zé)晒狻忭憫?yīng)曲線(RLCs)模型擬合結(jié)果

R2是衡量所建立模型效果好壞的指標(biāo)之一，其值越大表明模型擬合得越好，卻不能說明所得到的光合參數(shù)是否與實(shí)測值相符[15]。為了更好地對模型擬合效果進(jìn)行比較，本研究同時引入了RMSE和AIC評價指標(biāo)。RMSE表示相對于真實(shí)值的離散程度，用來描述誤差大小；AIC值越小，說明擬合的模型精度高且簡潔[14-16]。因此，葉綠素?zé)晒狻忭憫?yīng)曲線模型擬合中，R2值越接近1，RMSE值越小，AIC值越小，則說明模型的擬合效果越好。結(jié)果表明，5個模型對7個油橄欖品種的RLCs擬合效果優(yōu)劣順序?yàn)椋篗RH>SEM>RH>NRH>DEM。MRH中R2、RMSE和AIC的平均值分別為0.999 4(最大)、10.591 5(最小)和1.419 3(最小)，擬合優(yōu)度最好，是7個油橄欖品種的最佳擬合模型(表3)。

表3 5個模型擬合7個油橄欖品種的RLCs回歸參數(shù)

通過比較單個油橄欖品種RLCs擬合優(yōu)度，擬合效果的優(yōu)劣順序如下：Domat為MRH>SEM> RH >DEM>NRH，Odemis為RH>DEM>MRH>SEM>NRH，Yamalak sarisi為RH>SEM>DEM>MRH>NRH，Memecik為MRH>RH>SEM>NRH>DEM，Ayvalik為MRH>DEM>RH>SEM>NRH，Cekiste為MRH>SEM>RH>NRH>DEM，Gemlik為MRH>SEM>RH>NRH>DEM。這與整體擬合效果和擬合精度稍有不同。

結(jié)果表明，7個油橄欖品種MRH模型擬合RLCs總體趨勢：隨PAR在0～2 000 μmol/(m2·s)內(nèi)遞增，各油橄欖品種葉片的ETR逐漸增大，且在低光強(qiáng)部分，ETR隨PAR的增強(qiáng)上升迅速，達(dá)到相對較高光強(qiáng)部分則上升緩慢(圖1)。Domat、Odemis、Yamalak sarisi、Memecik、Ayvalik和Gemlik葉片的ETR隨PAR的增強(qiáng)而增加。Cekiste葉片的ETR隨PAR的增強(qiáng)逐漸增加，達(dá)到飽和光強(qiáng)后，隨PAR的增強(qiáng)趨于穩(wěn)定。

2.2 葉綠素?zé)晒狻忭憫?yīng)曲線(RLCs)參數(shù)比較

7個油橄欖品種葉片的ETR隨PAR變化的實(shí)測值與MRH模型所得擬合值非常接近。Domat葉片的最大電子傳遞速率實(shí)測值為217.562 7 μmol/(m2·s)，MRH模型擬合值為215.737 2 μmol/(m2·s)，占實(shí)測值99.12%，且R2=0.999 9(圖1A)。Odemis、Yamalak sarisi、Memecik、Ayvalik、Cekiste、Gemlik葉片ETR擬合值占實(shí)測值的百分比分別為96.49%、99.97%、99.76%、99.98%、99.73%、99.46%。且最大電子傳遞速率(Rmax)大小順序?yàn)椋篗emecik>Odemis>Yamalak sarisi>Gemlik>Domat>Ayvalik>Cekiste。

RLCs的初始斜率(α)，稱為初始量子效率，又稱低光強(qiáng)下的光合量子效率，表示植物將光能轉(zhuǎn)化為電子流的能力，是植物在光合作用中光能轉(zhuǎn)化效率的一種度量。其值越大，表明植物葉片在低光強(qiáng)階段對光能的利用效率越高[17]。MRH擬合各油橄欖的RLCs中，初始斜率(α)大小順序?yàn)椋篛demis> Ayvalik> Memecik>Domat>Gemlik>Cekiste>Yamalak sarisi(圖1)，則說明Odemis對弱光的利用能力最強(qiáng)，對光能的轉(zhuǎn)化效率最高，Ayvalik、Memecik、Domat和Gemlik次之，Yamalak sarisi和Cekiste最弱。

圖1 7個油橄欖品種的快速光響應(yīng)MRH曲線

PARsat表示一定條件下植物的潛在光合作用能力。其值越大，表明植物在強(qiáng)光下的生長發(fā)育不易受到抑制[18]。MRH擬合各油橄欖的RLCs中，飽和光合有效輻射(PARsat)大小順序?yàn)椋篗emecik>Ayvalik>Odemis>Yamalak sarisi>Cekiste>Gemlik>Domat。表明Memecik潛在光合能力最強(qiáng)，對光強(qiáng)的適應(yīng)范圍更廣；Ayvalik、Odemis、Yamalak sarisi和Cekiste次之，Gemlik和Domat最弱。

初始熒光Fo是植物PSII所有反應(yīng)中心均處于開放狀態(tài)時的最小熒光產(chǎn)量。最大熒光Fm是PSII反應(yīng)中心完全關(guān)閉時的熒光產(chǎn)量，反映了PSII的電子傳遞情況。Fv/Fm是PSII最大光化學(xué)效率，為反應(yīng)PSII反應(yīng)中心原初光能轉(zhuǎn)化效率[19-20]。結(jié)果表明，Odemis、Memecik和Ayvalik的Fo、Fm、Fv/Fm和Fv/Fo值均高于其它品種，Yamalak sarisi、Cekiste均低于其它品種(表4)。Odemis和Memecik與Yamalak sarisi的Fo值之間存在顯著差異。Odemis、Memecik和Ayvalik的Fm值之間差異顯著；Yamalak sarisi、Ayvalik的Fv/Fm的值與其他品種間都存在顯著差異，Cekiste與Yamalak sarisi、Memecik和Ayvalik的Fv/Fm的值之間存在顯著差異；Ayvalik的Fv/Fo的值與其他品種間都存在顯著差異,Yamalak sarisi與Memecik、Ayvalik和Gemlik的Fv/Fo的值存在顯著差異。

表4 7個油橄欖品種葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的比較

2.3 PSII的實(shí)際光化學(xué)效率(PhiPS2)和電子傳遞速率(ETR)的光響應(yīng)曲線

PhiPS2 為PSII反應(yīng)中心的實(shí)際光化學(xué)效率，表示植物在光合作用過程中PSII系統(tǒng)反應(yīng)中心部分關(guān)閉時的原初光能捕獲效率，表征植物在光照條件下PSII吸收光能用于原初反應(yīng)階段的實(shí)際運(yùn)行效率，可快速地確定光強(qiáng)變化時或其他環(huán)境條件下PSII反應(yīng)中心的作用效率[21-25]。隨著光強(qiáng)在0～2 000 μmol/(m2·s)內(nèi)遞增，7個油橄欖品種葉片PhiPS2的總體趨勢都逐漸減小，范圍在0.18～0.78，各品種間PhiPS2無顯著性差異(P<0.01)(圖2)。且在低光強(qiáng)部分〔0～200 μmol/(m2·s)〕，PhiPS2隨光強(qiáng)的增加而緩慢減小，到達(dá)相對較高光強(qiáng)部分迅速減小。在光強(qiáng)為1 500～2 000 μmol/(m2·s)內(nèi)，Memecik葉片PhiPS2整體水平高于其它品種，Cekiste葉片PhiPS2低于其它品種；Ayvalik、Domat、Gemlik、Yamalak sarisi、Odemis間PhiPS2無明顯差異。

圖2 7個油橄欖品種的PSII實(shí)際光化學(xué)效率 (PhiPS2)的光響應(yīng)曲線Fig.2 Response of actual photochemical efficiency of PSII(PhiPS2)to light intensity in seven olive cultivars

植物RLCs中ETR隨光強(qiáng)的變化規(guī)律，可以反映植物葉片對光強(qiáng)變化的適應(yīng)機(jī)理。在光強(qiáng)相同的情況下，植物葉片的ETR越高，碳同化過程中形成的電子傳遞載體(ATP 和 NADPH)就越高[10,14]。隨著光強(qiáng)在0～2 000 μmol/(m2·s)內(nèi)遞增，各油橄欖品種的ETR逐漸增大,各品種間ETR無顯著性差異(P<0.01)(圖3)。在低光強(qiáng)部分[0～200 μmol/(m2·s)]，ETR隨光強(qiáng)的增加而緩慢上升，到達(dá)相對較高光強(qiáng)部分則上升迅速。在光強(qiáng)低于1 000 μmol/(m2·s)時，各品種間ETR整體水平無明顯差異。在光強(qiáng)1 500～2 000 μmol/(m2·s)內(nèi)，Odemis和Memecik葉片的ETR隨光強(qiáng)增加而增大的速度最快，且高于其它5個品種(α=0.05)；Domat、Yamalak sarisi、Ayvalik、Gemlik上升速度較慢，但高于Cekiste；Cekiste在光強(qiáng)1 500～2 000 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)ETR無明顯差異，但低于其它6個品種(圖3)。

圖3 7個油橄欖品種的電子傳遞速率光響應(yīng)曲線Fig.3 Response of electron transfer rate to light intensityin seven olive cultivars

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

光響應(yīng)曲線是植物光合作用隨著光照強(qiáng)度改變的系列反應(yīng)曲線，測定該曲線可獲得植物光合特性的相關(guān)生理參數(shù)，有助于判定植物的光合效率，且不同植物有其最佳的光響應(yīng)曲線模型[7]。因?yàn)?，RH、NRH和SEM的擬合方程是無極值的漸近線，不能直接得出植物的光飽和點(diǎn)，不能合理地擬合植物在光抑制條件下的光響應(yīng)曲線。SEM和DEM通常只用于藻類、浮游植物和少數(shù)陸生植物，且DEM擬合值遠(yuǎn)高出實(shí)際值的結(jié)果[8，26-27]。在模型擬合的研究中，MRH擬合方程存在極值，能較好地擬合植物存在PSII動力學(xué)下調(diào)或光抑制時的光響應(yīng)曲線，且擬合曲線與實(shí)測值高度符合[28-31]。本研究通過分析各模型的擬合優(yōu)度，得出MRH是7個油橄欖品種的最佳擬合模型(表3)。同時，各油橄欖品種MRH模型擬合曲線與實(shí)測值的符合程度高達(dá)95%以上(圖1)。因此，上述理論在本研究中也得到了驗(yàn)證。

光合電子流對光的響應(yīng)曲線一般包括以下3個階段：①ETR隨PAR的增加而幾乎線性增加；②ETR隨PAR的增加緩慢增加到一個平臺；③ETR隨PAR的增加而下降，出現(xiàn)光PSII的動力學(xué)下調(diào)或光抑制現(xiàn)象階段[16]。本研究中，在PAR為0～2 000 μmol/(m2·s)條件下，Domat、Odemis、Yamalak sarisi、Memecik、Ayvalik和Gemlik葉片的ETR隨PAR的增強(qiáng)而快速增加。在設(shè)定最大光照條件2 000 μmol/(m2·s)下，各品種葉片的ETR均未出現(xiàn)下降趨勢，即均無PSII的動力學(xué)下調(diào)現(xiàn)象。Cekiste葉片ETR隨PAR增強(qiáng)緩慢增強(qiáng)并趨于飽和，這表明除Cekiste，其它6個油橄欖品種都可以承受較高的光輻射。

已有研究表明，植物Fv/Fm在正常情況下為0.80～0.85[19]。本研究中，7個油橄欖品種的Fv/Fm值接近于0.80或大于0.80，而小于0.83，說明7個油橄欖品種苗木生長狀況良好，也側(cè)面說明了其他熒光指標(biāo)的可靠性。在7個油橄欖品種中，Odemis、Memecik和Ayvalik的PSII反應(yīng)中心處于完全開放和完全關(guān)閉時的熒光產(chǎn)量較高，具有較高的PSII活性，但Yamalak sarisi和Cekiste與之相反。

本研究中，隨著光強(qiáng)增強(qiáng)各油橄欖品種的PhiPS2呈下降趨勢，最低達(dá)到了0.18，推測高光強(qiáng)迫使各油橄欖品種葉片PSII反應(yīng)中心受到了光抑制，降低了各油橄欖品種的實(shí)際光能轉(zhuǎn)化效率，使PSII潛在活性受損，光合作用原初反應(yīng)過程受到了抑制。Memecik的PhiPS2整體水平高于各品種，Cekiste低于其它6個品種(圖2)。隨著光強(qiáng)增強(qiáng)各油橄欖葉片的ETR都明顯增大，一定程度的高光強(qiáng)有利于提高各油橄欖品種的PSII反應(yīng)中心開放程度，將更多的光能用于推動各油橄欖葉片的光合電子傳遞，提高了各油橄欖品種的光合效率。Memecik的ETR值明顯高于各品種，Cekiste低于其它6個品種(圖3)，說明在相同光照條件下，Memecik對光照的響應(yīng)能力最強(qiáng)，具有較大的潛在光合能力，Cekiste則相反。

脅迫導(dǎo)致植物 PSII 開放反應(yīng)中心開放程度減少，引起 PSII 有效光量子產(chǎn)量的下降，從而導(dǎo)致光合電子傳遞效率的明顯降低，電子傳遞過程明顯受到抑制。本研究中，Memecik葉片PhiPS2值整體水平明顯高于其它品種，且隨光強(qiáng)的變化幅度最小，其ETR值明顯也高于其它品種。因此，可說明Memecik具有較好的光合能力；Cekiste葉片PhiPS2值低于其它品種，隨光強(qiáng)的變化幅度最大，且其ETR值顯著低于其它品種，則說明Cekiste光合效率較差。

3.2 結(jié)論

MRH是7個油橄欖品種RLCs的最佳擬合模型，R2值最接近1，RMSE和AIC值最小，擬合曲線與實(shí)測值高度符合。Memecik具有較好的光合特性，將光能轉(zhuǎn)化為電子流的能力和潛在光合能力較強(qiáng)，且具有較廣的光輻射范圍。Cekiste的光合特性較差，將光能轉(zhuǎn)化為電子流的能力和潛在光合能力最弱，對高光強(qiáng)的適應(yīng)能力較差。