肉蓯蓉寄生對(duì)梭梭光合特性的影響

于霞霞， 郭曄紅*， 杜 弢， 賈存勤， 李 欠， 馬興東， 馬旭東

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院中藥材研究所，甘肅省中藥材規(guī)范化生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省藥用植物栽培育種工程研究中心，甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅匯勤生物科技有限公司，甘肅 白銀 730600)

肉蓯蓉CistanchedeserticolaMa是我國(guó)名貴中藥材“大蕓”的基原植物，寄生在梭梭的根部，其生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)全部由梭梭供給；梭梭Haloxylonammodendron(C. A. Mey.) Bunge屬藜科梭梭屬多年生灌木或小喬木，為國(guó)家瀕危三級(jí)保護(hù)植物[1]，具有耐旱、耐寒、抗鹽堿的特性，是西北地區(qū)重要的防風(fēng)固沙先鋒樹(shù)種。全世界約有梭梭10種，是古地中海區(qū)系的遺留種，分布于地中海至中亞地區(qū)，構(gòu)成亞洲荒漠區(qū)分布最廣泛的荒漠植被類(lèi)型[2]，中國(guó)有梭梭和白梭梭HaloxylonpersicumBunge ex Boiss. et Buhsee 2種，主要分布在內(nèi)蒙古、新疆、甘肅、青海、寧夏等地，是西北荒漠半荒漠區(qū)珍貴的植物資源[3]。由于自然作用和人為因素對(duì)荒漠植被的嚴(yán)重破壞，使天然梭梭林大面積減少，人工梭梭林已成為當(dāng)今梭梭群落存在的主要形式。

光合作用是植物的重要生理生態(tài)學(xué)特性之一[4], 它是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，也是植物長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)劣的決定性因素，植物對(duì)環(huán)境條件變化具有十分敏感的生理響應(yīng)[5]。梭梭作為肉蓯蓉的能量供應(yīng)源，其制造有機(jī)物的光合作用至關(guān)重要，近年來(lái)有關(guān)梭梭的研究，主要集中在梭梭群落生長(zhǎng)、林分結(jié)構(gòu)、生物學(xué)特性等方面[6-10]，而關(guān)于梭梭光合生理方面的研究則少有報(bào)道。鞠強(qiáng)等[11]研究了梭梭光合生理生態(tài)過(guò)程與干旱環(huán)境的相互關(guān)系，有關(guān)寄生肉蓯蓉后對(duì)其寄主植物光合生理的影響，郭東鋒[12]、楊太新等[13]研究了管花肉蓯蓉寄生對(duì)寄主檉柳光合特性的影響，而關(guān)于荒漠肉蓯蓉寄生對(duì)寄主梭梭光合作用特性的影響以及環(huán)境因子與光合特性之間的相互關(guān)系則罕見(jiàn)報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)研究了寄生荒漠肉蓯蓉對(duì)梭梭光合特性的影響以及環(huán)境因子對(duì)梭梭光合生理指標(biāo)影響的程度，旨在探明梭梭光合生理指標(biāo)對(duì)肉蓯蓉寄生的響應(yīng)機(jī)制及其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)程度，為荒漠化綜合治理和肉蓯蓉產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況 試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)在甘肅靖遠(yuǎn)糜灘鄉(xiāng)，東經(jīng)104°68′，北緯36°59′，海拔1 450 m，屬溫帶干旱半干旱氣候，年均氣溫9.2 ℃左右，年極端最高氣溫35.1 ℃，年均降水量240 mm，年蒸發(fā)量1 634 mm，平均日照時(shí)數(shù)2 696 h，無(wú)霜期120 d。

1.2 材料 供試植物為甘肅靖遠(yuǎn)縣長(zhǎng)勢(shì)良好的4年生人工栽培梭梭，小區(qū)和管理水平與大田栽培相同。采用梅花點(diǎn)取樣法選取寄生和未寄生肉蓯蓉的梭梭植株各5株，每株梭梭分別在上、中、下(依次距地面75、50、25 cm處)部選取生長(zhǎng)一致的各功能葉片進(jìn)行測(cè)定，并每次在梭梭上、中、下測(cè)定光合的葉片處采集葉片測(cè)定葉綠素，每株重復(fù)3次。將所取樣品立即置于液氮罐中貯藏，帶回實(shí)驗(yàn)室于-80 ℃超低溫冰箱中冷藏備用。

1.3 方法 試驗(yàn)于2018年5月4～6日(蓯蓉出土期)、5月27～29日(開(kāi)花結(jié)實(shí)期)、6月19～21日(枯萎期)3個(gè)時(shí)間段進(jìn)行，以開(kāi)始測(cè)定日期作為測(cè)定日期，每次連測(cè)3 d，求得3 d的平均值作為該測(cè)定期的值，求得3 d中每個(gè)時(shí)刻的平均值繪制光合指標(biāo)日變化曲線(xiàn)，所選日期晴朗無(wú)風(fēng)，用LI-6400型光合儀對(duì)梭梭葉片進(jìn)行活體測(cè)定，每天測(cè)定時(shí)間為8：00～18：00，每隔2 h測(cè)定1次，中午加測(cè)1次，每個(gè)處理選取5株，每株重復(fù)3次，取其平均值。測(cè)定項(xiàng)目包括梭梭的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、水分利用率(WUE=Pn /Tr) 等各項(xiàng)光合生理指標(biāo)，以及空氣溫度(Ta)、空氣相對(duì)濕度 (RH)、葉片溫度(Tl)、大氣壓虧缺(Vpd)、光合有效輻射(PAR)、大氣CO2濃度(CO2)等環(huán)境因子。將Pn、Tr、Gs、Ci、WUE作為物種數(shù)據(jù)源；將Tl、RH、Vpd、Ta、PAR、CO2作為環(huán)境因子數(shù)據(jù)源，分析其光合生理指標(biāo)與環(huán)境因子間的相關(guān)性。在每個(gè)時(shí)期進(jìn)行測(cè)定光合作用的3 d中，連續(xù)3 d進(jìn)行取樣，測(cè)定葉綠素的含量，求得平均值作為該時(shí)期的測(cè)定值，葉綠素含量的測(cè)定采用丙酮法[14]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析 采用SPSS 19.0對(duì)寄生和未寄生肉蓯蓉的梭梭葉片的光合生理指標(biāo)采用One-way ANOVA中的LSD和Duncan法分析，Excel及CanoDraw法繪圖，采用Canoco 4.5 軟件先進(jìn)行DCA分析后選擇RDA分析并排序，RDA排序圖中的環(huán)境因子(Tl、RH、Vpd、Ta、PAR、CO2)用帶箭頭的虛線(xiàn)表示，光合生理指標(biāo)(Pn、Tr、Gs、Ci、WUE)用帶箭頭的實(shí)線(xiàn)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 肉蓯蓉的寄生對(duì)梭梭光合生理指標(biāo)的影響 3個(gè)測(cè)量時(shí)期中，每個(gè)時(shí)期寄生和未寄生肉蓯蓉梭梭的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)隨時(shí)間的變化均有一致的變化規(guī)律，均呈雙峰型曲線(xiàn)，表現(xiàn)出明顯的光合午休現(xiàn)象。Pn從8：00開(kāi)始逐漸升高，12：00出現(xiàn)第1個(gè)峰值，隨后大幅度降低，在14：00降至最低，之后有所回升，在16：00達(dá)到第2次峰值，隨后又逐漸下降，且每個(gè)時(shí)期寄生和未寄生肉蓯蓉的梭梭第1個(gè)峰值均大于第2個(gè)峰值。除5月4日未寄生肉蓯蓉梭梭的Gs、5月27日寄生和未寄生肉蓯蓉梭梭的Tr，其他時(shí)間寄生和未寄生肉蓯蓉梭梭的Gs、Tr與Pn的峰值時(shí)間一致，但2個(gè)峰值的大小則無(wú)明顯的規(guī)律，見(jiàn)圖1。每個(gè)時(shí)期梭梭Pn日均值都表現(xiàn)為未寄生肉蓯蓉的梭梭>寄生肉蓯蓉的梭梭，其中5月4日和5月27日未寄生肉蓯蓉梭梭的Pn日均值高于寄生肉蓯蓉的梭梭(P<0.05)；各個(gè)時(shí)期梭梭的Gs和Tr日均值都表現(xiàn)為未寄生肉蓯蓉的梭梭>寄生肉蓯蓉的梭梭，但未達(dá)到顯著性水平，見(jiàn)表1。

注：1、2、3分別代表5月4日、5月27日、6月19日。A為寄生了肉蓯蓉的梭梭，cK為未寄生肉蓯蓉的梭梭。圖1 肉蓯蓉不同寄生時(shí)期梭梭光合生理特性日變化

3個(gè)測(cè)量時(shí)期中，每個(gè)時(shí)期寄生和未寄生肉蓯蓉梭梭的Ci隨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致，且與各自Pn、Gs、Tr變化趨勢(shì)相反，呈倒雙峰型曲線(xiàn)，在8：00、14：00、18：00 Ci值較高，Ci出現(xiàn)峰值的時(shí)間與Gs、Tr、Pn出現(xiàn)谷值的時(shí)間一致。除5月4日外，其他2個(gè)時(shí)期梭梭Ci日均值與Gs、Tr、Pn日均值相反，為寄生肉蓯蓉的梭梭>未寄生肉蓯蓉的梭梭，5月4日未寄生肉蓯蓉的梭梭Ci僅高于寄生肉蓯蓉梭梭 1.20 μmol/mol，見(jiàn)圖1C、表1。

表1 肉蓯蓉寄生對(duì)梭梭光合參數(shù)日均值的影響

2.2 肉蓯蓉的寄生對(duì)梭梭水分利用效率及葉綠素含量的影響 水分利用效率是反映植物水分利用特性的重要參數(shù)，荒漠植物具有較高的水分利用效率，尤其是在水分虧缺時(shí)能以高水分利用效率來(lái)抵御干旱脅迫[15]，逆境脅迫會(huì)影響植物光合色素的合成[16]。梭梭WUE測(cè)量的3個(gè)時(shí)期中，各自的寄生肉蓯蓉梭梭和未寄生肉蓯蓉梭梭日變化趨勢(shì)一致，不同生長(zhǎng)期，WUE日變化趨勢(shì)有差異。WUE日變化趨勢(shì)在5月4日和5月27日大體相同，均為雙峰型曲線(xiàn)，峰值時(shí)間與Pn的一致，12：00達(dá)到一天中的最大值，14：00為一天中的最小值。與其不同，6月19日梭梭WUE日變化曲線(xiàn)呈降-升-降的趨勢(shì)，在8：00～14：00逐漸降低，14：00后WUE有所回升，到16:00達(dá)到一個(gè)峰值，隨后又下降。最大值出現(xiàn)在8：00，最小值出現(xiàn)的時(shí)間與其他2個(gè)時(shí)期一致，為14：00。同一測(cè)量時(shí)期梭梭WUE日均值表現(xiàn)為未寄生肉蓯蓉梭梭>寄生肉蓯蓉梭梭，但未達(dá)到顯著性水平，表明肉蓯蓉的寄生降低了梭梭的WUE，但不改變?nèi)兆兓厔?shì)，見(jiàn)圖2、表1。3個(gè)測(cè)量時(shí)期，梭梭葉綠素a和葉綠素b含量在每個(gè)測(cè)量期均為未寄生肉蓯蓉梭梭>寄生肉蓯蓉梭梭，但未達(dá)到顯著性水平。6月19日，總?cè)~綠素含量寄生肉蓯蓉梭梭(0.10)略大于未寄生肉蓯蓉梭梭(0.09)，葉綠素a/b在5月4日為寄生肉蓯蓉梭梭>未寄生肉蓯蓉梭梭，其他2個(gè)時(shí)期，總?cè)~綠素與葉綠素a/b均表現(xiàn)為未寄生肉蓯蓉梭梭>寄生肉蓯蓉梭梭，但未達(dá)到顯著性水平，見(jiàn)表2。由于梭梭的葉綠素含量較低，且在不同時(shí)期寄生和未寄生肉蓯蓉梭梭的總?cè)~綠素含量大小比較不一致，因此肉蓯蓉的寄生是否降低了梭梭的總?cè)~綠素含量還需做進(jìn)一步的研究。

注：1、2、3分別代表5月4日、5月27日、6月19日。A為寄生了肉蓯蓉的梭梭，cK為未寄生肉蓯蓉的梭梭。圖2 肉蓯蓉不同寄生時(shí)期梭梭WUE日變化

表2 肉蓯蓉寄生對(duì)梭梭葉綠素含量的影響

2.3 肉蓯蓉寄生對(duì)梭梭光合生理指標(biāo)與環(huán)境因子相關(guān)性的影響 梭梭作為強(qiáng)旱生鹽生植物，對(duì)環(huán)境有著超強(qiáng)的適應(yīng)能力[17]。本研究中第一排序軸對(duì)物種的解釋量最大，故以第1排序軸為主分析環(huán)境因子與光合生理指標(biāo)的相關(guān)性。5月4日和6月9日，影響寄生和未寄生肉蓯蓉梭梭的主要環(huán)境因子排序一致，為CO2>Tl>Ta，見(jiàn)圖3。對(duì)CO2與光合生理指標(biāo)的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù))進(jìn)行分析，5月4日，寄生肉蓯蓉梭梭為0.444，未寄生肉蓯蓉梭梭為0.698(P<0.01)，6月19日，寄生肉蓯蓉梭梭和未寄生肉蓯蓉梭梭依次為0.906、0.927(P<0.01)，見(jiàn)表3，表明肉蓯蓉的寄生使梭梭主要光合生理指標(biāo)與環(huán)境因子的相關(guān)性減弱。5月27日，寄生肉蓯蓉梭梭和未寄生肉蓯蓉梭梭的光合生理指標(biāo)與環(huán)境因子的相關(guān)性相反，其中Tl對(duì)寄生和未寄生肉蓯蓉梭梭的光合生理指標(biāo)的影響作用最大，相關(guān)系數(shù)依次為0.415、-0.502(P<0.01)，見(jiàn)表3，表明肉蓯蓉的寄生使梭梭光合生理指標(biāo)與環(huán)境因子的促進(jìn)與抑制作用變得相反，且每個(gè)時(shí)期種—環(huán)境的相關(guān)性都表現(xiàn)為未寄生肉蓯蓉的梭梭>寄生肉蓯蓉的梭梭。

注：A、cK分別代表寄生和未寄生肉蓯蓉的梭梭。1、2、3分別代表5月4日、5月27日、6月19日。圖3 寄生與未寄生肉蓯蓉梭梭的光合生理指標(biāo)與環(huán)境因子的RDA二維排序圖

表3 第一排序軸與環(huán)境因子的冗余分析

2.4 梭梭光合指標(biāo)與葉綠素含量的相關(guān)性分析 Pearson相關(guān)性分析(表4)表明，梭梭Pn與Ci、葉綠素a及葉綠素a/b呈負(fù)相關(guān)，但未達(dá)到顯著性水平；與Tr呈顯著正相關(guān)(r=0.859，P<0.05)，其他指標(biāo)中與Pn相關(guān)性較大的依次是總?cè)~綠素、Gs、WUE，相關(guān)系數(shù)依次為0.764、0.759、0.517，表明蒸騰速率對(duì)凈光合速率具有強(qiáng)烈的促進(jìn)作用；梭梭Gs與Tr及總?cè)~綠素、Tr與總?cè)~綠素、總?cè)~綠素與葉綠素a/b呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)依次為0.961、0.969、0.935、0.976，表明這些指標(biāo)之間相互促進(jìn)的程度最大。

表4 梭梭光合指標(biāo)及葉色素含量的相關(guān)性分析

2.5 肉蓯蓉寄生對(duì)梭梭光合特性影響的綜合排序 對(duì)不同生長(zhǎng)期所測(cè)梭梭光合及其相關(guān)指標(biāo)用下式求各指標(biāo)的具體隸屬函數(shù)值。

(1)

或

(2)

式中，X為梭梭某一光合及其相關(guān)指標(biāo)測(cè)定值，Xmax、Xmin分別為梭梭該指標(biāo)測(cè)定值內(nèi)的最大值和最小值。若所測(cè)指標(biāo)與光合作用呈正相關(guān)，用式(1)；若所測(cè)指標(biāo)與光合作用呈負(fù)相關(guān)，用式(2)。把每個(gè)時(shí)期每個(gè)處理梭梭光合及其相關(guān)指標(biāo)的隸屬值進(jìn)行累加，并求其平均值，根據(jù)各處理平均值大小確定光和能力的強(qiáng)弱。

光合能力的強(qiáng)弱一般用凈光合速率表示，本研究中通過(guò)對(duì)梭梭光合及其相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，見(jiàn)表4，將與凈光合速率呈正相關(guān)的指標(biāo)用式(1)求隸屬函數(shù)值，將與凈光合速率呈負(fù)相關(guān)的指標(biāo)用式(2)求隸屬函數(shù)值，即Ci、葉綠素a、葉綠素a/b用式(2)，其他指標(biāo)用式(1)。

光合特性是多個(gè)光合生理指標(biāo)綜合作用的結(jié)果，根據(jù)寄生與未寄生肉蓯蓉梭梭的各光合生理及其相關(guān)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值求得平均隸屬函數(shù)值并進(jìn)行排序，可得不同生長(zhǎng)期不同處理梭梭的光合能力的強(qiáng)弱順序。表5顯示，同一生長(zhǎng)期，光合及其相關(guān)指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值均表現(xiàn)為未寄生肉蓯蓉的梭梭>寄生肉蓯蓉的梭梭，表明肉蓯蓉的寄生使梭梭光合能力減弱。不同生長(zhǎng)期的同一處理梭梭的平均隸屬函數(shù)值的綜合排序?yàn)?月27日>6月19日>5月4日，與Pn日均值的排序一致，進(jìn)一步表明Pn是光合生理的代表性指標(biāo)。

表5 肉蓯蓉不同寄生時(shí)期梭梭光合作用綜合排序

3 討論

植物在受到脅迫后，會(huì)產(chǎn)生逆境生理[18-19]，肉蓯蓉的寄生給寄主梭梭造成了脅迫的環(huán)境，對(duì)寄主保護(hù)酶系統(tǒng)及滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生了明顯的傷害，并降低了寄主梭梭的抗旱性[20]。肉蓯蓉寄生對(duì)梭梭產(chǎn)生的逆境生理使類(lèi)囊體膜系統(tǒng)及酶蛋白受損，導(dǎo)致葉綠素分解大于合成，表現(xiàn)為葉綠素(葉綠素a、葉綠素b)含量降低[21-22]，本研究得出，肉蓯蓉的寄生使寄主梭梭葉綠素a、葉綠素b含量降低。

植物在受到脅迫時(shí)，植物的光合作用場(chǎng)所類(lèi)囊體薄膜受損和葉綠體基質(zhì)代謝紊亂[23]，光合作用減弱，表現(xiàn)為單位時(shí)間、單位葉面積吸收CO2的量或放出O2的量減小[24-25]，當(dāng)光合過(guò)程受阻，氣孔導(dǎo)度降低，水分代謝失調(diào)，植物的蒸騰速率下降[26]，因此，認(rèn)為有效的形態(tài)調(diào)節(jié)和較強(qiáng)的氣孔控制是其維持光合作用能力以及適應(yīng)干旱的主要機(jī)制[27]。水分利用效率可以反映植物對(duì)干旱環(huán)境適應(yīng)能力的強(qiáng)弱[28-29]，植物在受到脅迫后，水分利用效率和生物產(chǎn)量降低，甚至出現(xiàn)由于含水量下降而萎蔫的現(xiàn)象[30]。本研究中，梭梭在受到肉蓯蓉的寄生脅迫后，凈光合速率，蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、水分利用效率降低，胞間CO2升高，但肉蓯蓉的寄生未改變梭梭光合特性的日變化趨勢(shì)。相關(guān)性分析表明，蒸騰速率與凈光合速率之間相互促進(jìn)，總?cè)~綠素含量最大程度的促進(jìn)氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和葉綠素a/b。

光合能力是多指標(biāo)綜合作用的結(jié)果，其光合指標(biāo)之間具有相關(guān)性，因此需用光合生理及其相關(guān)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)植物的光合能力[31]，環(huán)境中的光、溫、水、氣等生態(tài)因子變化可引起植物生理因子變化，外在生態(tài)環(huán)境條件和內(nèi)在生理因子共同影響植物光合作用特性[32]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前人有關(guān)棉花、菠菜大豆和酸棗的研究一致[33-36]，經(jīng)冗余分析(RDA)寄生與未寄生肉蓯蓉梭梭的光合指標(biāo)與環(huán)境因子的相關(guān)性，表現(xiàn)為肉蓯蓉的寄生使梭梭光合指標(biāo)與環(huán)境因子的相關(guān)性減弱，寄生肉蓯蓉的梭梭植株對(duì)環(huán)境因子表現(xiàn)出“遲鈍型”響應(yīng)。多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)寄生與未寄生肉蓯蓉梭梭的光合能力強(qiáng)弱，其結(jié)果與單一指標(biāo)評(píng)價(jià)的結(jié)果一致，表現(xiàn)為肉蓯蓉的寄生使梭梭的光合能力減弱。