生態(tài)因子對(duì)歐洲冬青光合特性的影響1)

李燕 于冰 辛建攀 田如男

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037)

歐洲冬青(Ilexaquifolium)又名英國(guó)冬青，冬青科(Aquifoliaceae)冬青屬(Ilex)植物，原產(chǎn)于歐洲南部、中部、西北部，為北極第三紀(jì)孑遺物種[1-2]。該樹(shù)種四季常青，樹(shù)姿優(yōu)美，果紅時(shí)鮮艷美麗、經(jīng)冬不落，可作綠籬、盆栽，也可孤植或叢植，在城市綠化、園林美化中具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于歐洲冬青的研究集中于地理分布、種群更新機(jī)制、藥用價(jià)值等方面，關(guān)于其對(duì)環(huán)境因子的生理生態(tài)適應(yīng)性研究較少[3-4]。研究表明，植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性最先表現(xiàn)于生理生態(tài)功能，如光合作用類型、水分利用程度等[5]。光合作用作為植物體內(nèi)重要的代謝反應(yīng)，是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)。植物光合能力的大小不僅受內(nèi)部生理因素(如基因)的影響，還受到大氣溫度(Ta)、空氣相對(duì)濕度(RH)、光合有效輻射(PAR)、大氣CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ca)等外部環(huán)境因子的影響[6-11]。

南京地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，與歐洲冬青原產(chǎn)地自然條件的差異會(huì)導(dǎo)致國(guó)內(nèi)引進(jìn)該樹(shù)種時(shí)出現(xiàn)生長(zhǎng)發(fā)育緩慢、觀賞價(jià)值降低等現(xiàn)象[1]。本研究從光合角度出發(fā)，結(jié)合南京地區(qū)主要生態(tài)因子，研究不同季節(jié)歐洲冬青‘黃果’、‘阿拉斯加’的光合日變化特征，探究生態(tài)因子對(duì)其的影響，以期為歐洲冬青在亞熱帶地區(qū)的引種馴化、栽培、園林應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為荷蘭引進(jìn)的2年生歐洲冬青‘黃果’、‘阿拉斯加’扦插苗。將植株栽植于直徑30 cm的塑料盆內(nèi)，每盆1株，置于南京林業(yè)大學(xué)園林國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心溫室，于通風(fēng)良好、陽(yáng)光充足的環(huán)境中進(jìn)行常規(guī)養(yǎng)護(hù)。

1.2 光合氣體交換參數(shù)日變化測(cè)定

以生長(zhǎng)健壯、大小一致的植株為試驗(yàn)材料，分別于晴天(3月22日、7月28日、11月3日、1月17日)08：00—18：00期間，利用CIRAS-2便攜式光合儀對(duì)供試品種進(jìn)行葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ci)等參數(shù)的測(cè)定，并計(jì)算出氣孔限制值(Ls)：Ls=1-Ci/Ca。測(cè)定時(shí)，統(tǒng)一選取當(dāng)年生新枝上部向陽(yáng)方向且生長(zhǎng)良好的成熟葉片(從上至下第3或第4片葉)，并對(duì)測(cè)定葉片及植株進(jìn)行掛牌標(biāo)記。每個(gè)品種重復(fù)3次。

1.3 生態(tài)因子對(duì)凈光合速率影響的測(cè)定

以生長(zhǎng)健壯、大小一致的植株為試驗(yàn)材料，選擇4—6月中晴朗無(wú)風(fēng)的1 d，于08：30—11：30期間利用CIRAS-2便攜式光合儀進(jìn)行測(cè)定。

將光合測(cè)定系統(tǒng)的葉室溫度設(shè)定為25 ℃，濕度設(shè)定為90%，CO2摩爾分?jǐn)?shù)設(shè)定為380 μmol·mol-1，光強(qiáng)分別設(shè)定為2 000、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、175、150、100、75、50、0 μmol·m-2·s-1，共15個(gè)梯度，記錄Pn。采用葉子飄等[12]建立的直角雙曲線修正模型進(jìn)行擬合，得到最大凈光合速率(Pnmax)、光補(bǔ)償點(diǎn)(Lc,p)、光飽和點(diǎn)(Ls,p)、表觀量子效率(AQY)等光合特征參數(shù)[13-15]。

將光合測(cè)定系統(tǒng)的葉室溫度設(shè)定為25 ℃，濕度設(shè)定為90%，光照強(qiáng)度設(shè)定為1 000 μmol·m-2·s-1，CO2摩爾分?jǐn)?shù)分別設(shè)定為1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、150、120、100、80、50、0 μmol·mol-1，共13個(gè)梯度，記錄Pn。采用直線雙曲線修正模型進(jìn)行擬合，得到Pnmax、CO2補(bǔ)償點(diǎn)(Cc,p)、CO2飽和點(diǎn)(Cs,p)、羧化效率(CE)等參數(shù)。

將光合測(cè)定系統(tǒng)的光照強(qiáng)度設(shè)定為1 000 μmol·m-2·s-1，葉室濕度設(shè)定為90%，CO2摩爾分?jǐn)?shù)設(shè)定為380 μmol·mol-1，光合測(cè)定系統(tǒng)的葉室溫度分別設(shè)定為5、10、15、18、20、21、22、23、24、25、28、30、35、38 ℃，共14個(gè)梯度，記錄Pn。

將光合測(cè)定系統(tǒng)的光照強(qiáng)度設(shè)定為1 000 μmol·m-2·s-1，葉室溫度設(shè)定為25 ℃，CO2流量設(shè)定為380 μmol·mol-1，光合測(cè)定系統(tǒng)的葉室相對(duì)濕度分別設(shè)定為90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%，共9個(gè)梯度，記錄Pn。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 26軟件進(jìn)行非線性回歸及單因素方差分析，采用Duncan法進(jìn)行多重比較，使用Microsoft Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同季節(jié)歐洲冬青葉片光合參數(shù)日變化

2.1.1 凈光合速率的日變化

Pn是衡量植物光合能力的重要指標(biāo)，可以表征植物光合產(chǎn)物積累能力的高低。由圖1可知，歐洲冬青‘黃果’、‘阿拉斯加’在南京地區(qū)出現(xiàn)不同程度的光合“午休”現(xiàn)象。在3月22日、11月3日、1月17日，‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片Pn日變化曲線均呈雙峰型，其峰值分別出現(xiàn)在10：00及14：00，波谷出現(xiàn)在12：00。1月17日12：00時(shí)，‘阿拉斯加’葉片的Pn比‘黃果’增加了270.34%(P<0.05)，表明‘阿拉斯加’光抑制程度較弱。7月28日，‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片光合“午休”時(shí)間為14：00，比其他3個(gè)時(shí)間段推遲了2個(gè)小時(shí)。由表1可知，雖然不同時(shí)間段歐洲冬青‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片Pn日變化趨勢(shì)相似，但日平均Pn存在一定差異。7月28日，‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片日平均Pn最大，分別比其他3個(gè)時(shí)間段顯著增加了25.67%～124.40%和54.58%～81.92%(P<0.05)。

圖1 不同時(shí)間段歐洲冬青葉片凈光合速率日變化

表1 不同季節(jié)歐洲冬青葉片日平均凈光合速率

2.1.2 氣孔導(dǎo)度的日變化

氣孔是CO2進(jìn)入及水分散失的門戶，Gs的變化與光合作用、蒸騰作用密切相關(guān)。由圖2可知，在3月22日、11月3日、1月17日，歐洲冬青‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片Gs日變化規(guī)律和Pn一致，均為雙峰型曲線。葉片Gs于10：00時(shí)出現(xiàn)第1個(gè)波峰，12：00時(shí)出現(xiàn)波谷，這與PAR、Ta增加，Ca、RH下降有關(guān)。7月28日，歐洲冬青‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片Gs日變化趨勢(shì)不同于其他3個(gè)時(shí)間段，其中‘黃果’葉片Gs日變化呈下降趨勢(shì)；‘阿拉斯加’葉片Gs日變化呈倒置單峰曲線，于12：00時(shí)出現(xiàn)波谷(50.75 mmol·m-2·s-1)。

圖2 不同時(shí)間段歐洲冬青葉片氣孔導(dǎo)度日變化

2.1.3 蒸騰速率的日變化

從圖3可知，歐洲冬青‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片Tr日變化曲線為雙峰型曲線。3月22日，‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片Tr均在10：00、14：00達(dá)到峰值，其中‘黃果’峰值分別為4.46、3.06 μmol·m-2·s-1，‘阿拉斯加’峰值分別為4.75、2.71 μmol·m-2·s-1。中午12:00時(shí)，2種葉片的Tr出現(xiàn)波谷，這與葉片Gs下降有關(guān)，該現(xiàn)象有利于防止歐洲冬青體內(nèi)水分耗散。11月3日、1月17日，‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片Tr也表現(xiàn)出相似的日變化趨勢(shì)。7月28日，‘阿拉斯加’葉片Tr日變化曲線為雙峰型曲線，其最大值(4.48 μmol·m-2·s-1)出現(xiàn)在14：00；‘黃果’葉片Tr日變化曲線為單峰型曲線，于12：00達(dá)到最大值(4.79 μmol·m-2·s-1)。

圖3 不同時(shí)間段歐洲冬青葉片蒸騰速率日變化

2.1.4 胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)的日變化

由圖4可知，3月22日、11月3日，歐洲冬青‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片Ci日變化曲線為倒置雙峰型曲線，分別于10：00、14：00出現(xiàn)波谷，這與葉片非氣孔因素有關(guān)(圖2)。7月28日，‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片Ci日變化趨勢(shì)與3月22日、11月3日的相似，但2個(gè)波谷均推遲2個(gè)小時(shí)。1月17日，‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片Ci日變化曲線均為倒置單峰型曲線，于12：00達(dá)到最低值，分別為307.50、306.00 ppm。

圖4 不同時(shí)間段歐洲冬青葉片胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)日變化

2.1.5 氣孔限制值的日變化

Ls可以反映植物對(duì)大氣CO2的利用效率，與Ci密切相關(guān)。從圖5可知，在3月22日、7月28日、11月3日，歐洲冬青‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片Ls日變化曲線為雙峰型曲線，第1次波峰后，Ls均下降，與Ci變化趨勢(shì)相反，此時(shí)非氣孔因素是導(dǎo)致2個(gè)品種產(chǎn)生光抑制的原因。1月17日，‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片Ls日變化曲線為單峰型曲線。

圖5 不同時(shí)間段歐洲冬青葉片氣孔限制值日變化

2.2 生態(tài)因子對(duì)歐洲冬青葉片凈光合速率的影響

2.2.1 光照對(duì)葉片凈光合速率的影響

AQY是光合作用中光能轉(zhuǎn)化效率的一種量度，其值越高，表明植物對(duì)弱光的利用能力越強(qiáng)。由表2可知，歐洲冬青‘黃果’葉片AQY比‘阿拉斯加’的增加了6.45%(P<0.05)，其對(duì)弱光的利用能力較強(qiáng)。Ls,p則表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)，說(shuō)明‘阿拉斯加’葉片對(duì)強(qiáng)光環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)。與‘黃果’相比，‘阿拉斯加’葉片暗呼吸速率(Rd)、Lc,p、Pnmax均無(wú)明顯變化(P>0.05)。

表2 歐洲冬青2個(gè)品種光合-光強(qiáng)響應(yīng)曲線參數(shù)

2.2.2 CO2對(duì)葉片凈光合速率的影響

CE受1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/氧合酶活性及活化1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/氧合酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的限制。Rd反映了植物維持自身生命活動(dòng)所消耗有機(jī)物的含量。Pnmax是衡量葉片光合潛力的重要指標(biāo)，反映光合電子傳遞、光合磷酸化活性。由表3可知，歐洲冬青‘黃果’葉片CE、Pnmax、Rd分別比‘阿拉斯加’高25.93%、23.34%、24.41%(P<0.05)，說(shuō)明‘黃果’葉片1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/氧合酶活性較強(qiáng)、光合潛力較高，其葉片呼吸對(duì)光合產(chǎn)物的需求更多。與‘黃果’相比，‘阿拉斯加’葉片Cc,p、Cs,p均無(wú)明顯變化(P>0.05)?！S果’、‘阿拉斯加’的Cs,p均遠(yuǎn)高于Ca(圖1)，這意味著可以通過(guò)增加CO2摩爾分?jǐn)?shù)提高歐洲冬青葉片光合能力。

表3 2個(gè)歐洲冬青品種光合-CO2響應(yīng)曲線參數(shù)

2.2.3 溫度對(duì)葉片凈光合速率的影響

由圖6可知，歐洲冬青‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片Pn對(duì)Ta的響應(yīng)曲線均為雙峰型曲線。隨著Ta升高，‘黃果’葉片Pn逐漸升高，分別于18、24 ℃時(shí)達(dá)到峰值，峰值分別為8.33、9.03 μmol·m-2·s-1?！⒗辜印~片Ta對(duì)Pn的影響也表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，分別于20、25 ℃時(shí)達(dá)到峰值，峰值分別為7.67、8.60 μmol·m-2·s-1。由上述結(jié)果可知，歐洲冬青‘黃果’、‘阿拉斯加’喜溫暖氣候。

圖6 溫度對(duì)2個(gè)歐洲冬青品種葉片凈光合速率的影響

2.2.4 空氣相對(duì)濕度對(duì)葉片凈光合速率的影響

由表4可知，隨RH的下降，歐洲冬青‘黃果’葉片凈光合速率呈下降趨勢(shì)。當(dāng)RH為10%～70%時(shí)，其葉片Pn與RH為80%時(shí)相比，下降了10.16%～63.59%(P<0.05)，‘阿拉斯加’葉片Pn也表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，說(shuō)明濕潤(rùn)環(huán)境有利于‘黃果’和‘阿拉斯加’光合作用。

表4 不同空氣相對(duì)濕度時(shí)2個(gè)品種歐洲冬青的光合參數(shù)

3 討論

3.1 不同季節(jié)歐洲冬青葉片光合參數(shù)日變化

在自然環(huán)境條件時(shí)，植物葉片光合參數(shù)的日變化可以反映光合作用與自身生理、外界環(huán)境變化間的關(guān)系[16]。Pn的大小反映植物同化作用的強(qiáng)弱及光合產(chǎn)物積累的多少，其不僅受植物生物學(xué)特性的影響，還受PAR、Ca、Ta、RH等多種生態(tài)因子的影響[17-18]。本研究中，不同季節(jié)歐洲冬青‘黃果’、‘阿拉斯加’均出現(xiàn)了明顯的光合“午休”現(xiàn)象，表明其在光照過(guò)強(qiáng)時(shí)產(chǎn)生了光抑制。其中，春季(3月22日)、秋季(11月3日)光合“午休”期間，葉片Ci增加，Ls下降，夏玉米(Zeamays)[19]、歐洲衛(wèi)矛(Euonymuseuropaea)‘八仙花’[20]等多種植物也發(fā)現(xiàn)了相似現(xiàn)象，表明非氣孔因素是導(dǎo)致2個(gè)歐洲冬青品種出現(xiàn)光抑制的主要原因，這與3月22日、11月3日RH較小有關(guān)。冬季(1月17日)葉片Ci減少，Ls上升，意味著2個(gè)歐洲冬青品種光合“午休”現(xiàn)象與氣孔限制密切相關(guān)[21]。與‘黃果’相比，‘阿拉斯加’在1月17日對(duì)光抑制敏感性較低，與Valladares et al.[22]對(duì)冬季田間條件下歐洲冬青光抑制敏感性的研究結(jié)果相一致。本研究中，冬季Ta月均值為5.8 ℃，最低值僅為-3 ℃，這會(huì)抑制葉片1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/氧合酶活性，降低羧化效率，從而降低光合能力[23-25]。

康雅茸等[26]發(fā)現(xiàn)，夏季蘆葦葉片Pn日變化曲線呈明顯不對(duì)稱的雙峰型曲線，光合“午休”現(xiàn)象明顯，與本研究中歐洲冬青‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片Pn日變化規(guī)律相似，由此可推測(cè)‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片Pn日變化曲線在7月28日也呈雙峰型變化。此外，夏季(7月28日)光合“午休”期間，2個(gè)品種葉片Ci增加、Ls下降，說(shuō)明非氣孔限制是導(dǎo)致此時(shí)光合“午休”現(xiàn)象的主要原因，牡丹(Paeoniasuffruticosa)、桃(Prunuspersica)等植物也有類似現(xiàn)象[27-28]，這是因?yàn)橄募?7月28日)中午高溫(35 ℃)時(shí)，歐洲冬青葉片葉綠體結(jié)構(gòu)受損、1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/氧合酶活性降低，葉片暗呼吸、光呼吸加強(qiáng)[29-30]。因此，做好夏季降溫措施有利于歐洲冬青的引種、栽培。

3.2 生態(tài)因子對(duì)歐洲冬青葉片凈光合速率的影響

光響應(yīng)曲線是研究植物光合能力的一種重要手段，可以反映植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力[31-32]。AQY作為光合作用中光能轉(zhuǎn)化效率的一種指標(biāo)，其值一般在0.04～0.07[33]。本研究中，歐洲冬青‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片AQY分別為0.033、0.031，可以看出2個(gè)品種葉片光能轉(zhuǎn)化效率較低，對(duì)弱光的利用能力較弱。Lc,p、Ls,p作為植物耐陰性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，反映了植物對(duì)光照條件的要求及其適應(yīng)性的強(qiáng)弱[34-35]。研究表明，陽(yáng)生植物葉片Lc,p高于10 μmol·m-2·s-1，葉片Ls,p高于1 000 μmol·m-2·s-1[36-37]，因此，歐洲冬青‘黃果’、‘阿拉斯加’均屬于陽(yáng)生植物，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。

植物的碳同化受到羧化效率和1，5-二磷酸核酮糖(RuBP)再生速率的限制[38]。CO2響應(yīng)曲線中初始斜率(即CE)與1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/氧合酶活性、活化1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/氧合酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)[33]。本研究中，歐洲冬青‘黃果’葉片CE比‘阿拉斯加’增加了25.93%(P<0.05)，表明‘黃果’葉片中1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/氧合酶活性較高及活化的1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/氧合酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)較多，對(duì)大氣CO2有更高的光合利用效率[39]。當(dāng)CO2處于飽和階段時(shí)，Pnmax反映了光合機(jī)構(gòu)由受1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/氧合酶限制轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕾嘋O2受體-RuBP再生速率[40]。本研究中，歐洲冬青‘黃果’葉片Pnmax比‘阿拉斯加’明顯增加了23.34%，說(shuō)明‘黃果’葉片光合機(jī)構(gòu)中RuBP的再生速率較高，對(duì)CO2的同化能力較強(qiáng)，有利于其光合產(chǎn)物的形成、積累[41]。

歐洲冬青原產(chǎn)于荷蘭，屬溫帶海洋性氣候，Ta為0～22 ℃。本研究中，‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片Pn分別在24、25 ℃達(dá)到最大值，證明了歐洲冬青喜溫暖的生態(tài)學(xué)特性[3]。有研究發(fā)現(xiàn)，銀杏(Ginkgobiloba)、樟樹(shù)(Cinnamomamcamphora)、樂(lè)昌含笑(Micheliachapensis)、廣玉蘭(Magnoliagrandiflora)、玉蘭(Magnoliadenudata)等多數(shù)植物葉片Pn對(duì)Ta的響應(yīng)曲線為單峰型曲線，在35 ℃時(shí)Pn達(dá)到最大值[42]，由此表明，歐洲冬青葉片光合作用對(duì)高溫比較敏感。同時(shí)，本研究認(rèn)為，濕潤(rùn)的大氣條件可以促進(jìn)歐洲冬青‘黃果’、‘阿拉斯加’葉片光合作用，這是其對(duì)原產(chǎn)地氣候條件的適應(yīng)性表現(xiàn)。

4 結(jié)論

歐洲冬青‘黃果’、‘阿拉斯加’屬陽(yáng)生植物，喜溫暖、濕潤(rùn)環(huán)境。其中，‘阿拉斯加’對(duì)較強(qiáng)光照具有良好的適應(yīng)能力，‘黃果’具有較好的光合能力。在春季(3月22日)、夏季(7月28日)、秋季(11月3日)，非氣孔因素是導(dǎo)致歐洲冬青‘黃果’、‘阿拉斯加’出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象的主要原因；冬季(1月17日)葉片氣孔導(dǎo)度下降，原因與‘黃果’、‘阿拉斯加’出現(xiàn)光合“午休”現(xiàn)象密切相關(guān)。在亞熱帶地區(qū)引種歐洲冬青品種時(shí)，應(yīng)做好夏季降溫、增濕等措施，以增強(qiáng)其適應(yīng)能力。