不同生境密蒙花光合生理特性及光合曲線最適模型

陳蘭英，肖 娟

(1.西華師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，南充 637000；2.西華師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，南充 637000)

密蒙花為馬錢科醉魚草屬植物密蒙花(BuddlejaofficinalisMaxim.)的干燥花蕾及花序，主要分布于我國西南及中南等地區(qū)，作為傳統(tǒng)中藥，具有清熱養(yǎng)肝、明目退翳之功效并于2015年載入《中國藥典》[1-2]。目前對(duì)密蒙花的研究多集中于對(duì)藥用部位的化學(xué)成分、藥理活性和臨床應(yīng)用上的研究，而對(duì)密蒙花的生存環(huán)境，特別是生境異質(zhì)性對(duì)密蒙花植物的影響及光合生理特性相關(guān)方面的研究還鮮有報(bào)道[3-7]。密蒙花目前的市場(chǎng)供應(yīng)源主要來自野生種群，部分產(chǎn)地的密蒙花成年樹種數(shù)量小，株幼苗成活率低，種群發(fā)展趨于衰退[8]。因此，保存現(xiàn)有密蒙花較大植株，開發(fā)種植密蒙花是今后發(fā)展的重要方向。進(jìn)行密蒙花的栽培種植，了解其光合生理特性是基礎(chǔ)，而選擇適用于密蒙花光合-光響應(yīng)曲線的模型是取得密蒙花光合生理特性的關(guān)鍵。根據(jù)密蒙花植物在野外生境中主要分布在疏林、路旁灌叢中的生長(zhǎng)特征，以及前期對(duì)密蒙花黃酮類化合物進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：不同生境、不同的花期對(duì)密蒙花的主要黃酮類化合物(蒙花苷、木犀草素和芹菜素)的影響具有顯著差異，在盛花期密蒙花的次生代謝產(chǎn)物最高。基于此推測(cè)密蒙花植物對(duì)光照強(qiáng)度的適應(yīng)能力具有一定的差異，不同的生境條件對(duì)其生長(zhǎng)和生理特性可能產(chǎn)生不同的影響[9]。在植物的光合-光響應(yīng)曲線擬合中，運(yùn)用不同模型擬合得到的光合參數(shù)不同，進(jìn)行擬合時(shí)應(yīng)選擇適合植物的光響應(yīng)曲線擬合模型，并根據(jù)曲線計(jì)算才能得到符合植物光合作用的光合生理參數(shù)[10]。迄今為止，還未見有不同生境下密蒙花的光合生理過程的相關(guān)研究。因此，在密蒙花的盛花期，利用直角雙曲線修正模型、改進(jìn)指數(shù)函數(shù)模型、指數(shù)函數(shù)模型、非直角雙曲線模型及直角雙曲線模型等5種常用模型對(duì)不同生境密蒙花的光合-光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，篩選適用于密蒙花的光合響應(yīng)曲線擬合模型，根據(jù)模型計(jì)算出密蒙花的光合生理參數(shù)并比較不同生境密蒙花植物光合特性的差異，探討生境異質(zhì)性對(duì)密蒙花的光合生理特性、次生代謝產(chǎn)物及葉片葉綠素含量的影響，為今后深入研究密蒙花精細(xì)化栽培技術(shù)、提高密蒙花的生態(tài)適應(yīng)性提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究在川東北丘陵地區(qū)南充市與廣安市交界地金城山森林公園(N30°45′，E106°28′)進(jìn)行，該地海拔最高為1 128 m，屬亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，全年溫暖濕潤(rùn)，1月均溫5.4 ℃，7月均溫21.7 ℃，年均溫17.5 ℃，全年降雨量約1 063 mm，該地植物的生長(zhǎng)期較長(zhǎng)[10]。密蒙花不同生境的環(huán)境因子見表1，3個(gè)生境中相對(duì)光強(qiáng)、相對(duì)濕度均具有顯著差異(P<0.05)。其中，相對(duì)光強(qiáng)為林緣>林窗>林內(nèi)，相對(duì)濕度為林內(nèi)>林緣和林窗。

表1 密蒙花不同生境主要環(huán)境因子概況

1.2.1 植物生長(zhǎng)情況及黃酮類化合物含量測(cè)定

于2018年5月選擇不同生境的密蒙花各10株進(jìn)行植株的高度、基徑、花序長(zhǎng)度和中部成熟葉葉面積測(cè)量，用卷尺測(cè)定株高，直尺測(cè)定植株基部直徑及花序長(zhǎng)度，葉面積用LI-3000C便攜式葉面積儀測(cè)定。采摘不同生境中密蒙花的花序鮮重各2 kg，帶回實(shí)驗(yàn)室烘干備用。使用美國Agilen公司1100型高相液相色譜儀，參照許龍等[11]、陳蘭英等[9]的方法對(duì)花序中蒙花苷、木犀草素和芹菜素進(jìn)行提取和含量測(cè)定。

1.2.2 葉片葉綠素含量的測(cè)定

于2018年5月隨機(jī)選取不同生境中密蒙花各5株，并選取各植株中部完全展開的葉片(100 g)放入冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室備用，采用丙酮乙醇浸提法進(jìn)行葉綠素含量的測(cè)定[12]。

1.2.3 光響應(yīng)曲線的測(cè)定

于2018年5月下旬晴天的8：30—11：30使用便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)LI-6400(LI-COR Inc., Lincoln, USA)進(jìn)行光響應(yīng)曲線測(cè)定。光強(qiáng)梯度設(shè)定為：1 800、1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、80、50、30、10和0 μmol/(m2·s)。測(cè)定前對(duì)被測(cè)葉片進(jìn)行800 μmol/(m2·s)光誘導(dǎo)30 min，每個(gè)不同光強(qiáng)值設(shè)定數(shù)據(jù)采集時(shí)間 3 min，不同生境的密蒙花選擇生長(zhǎng)良好的5株，每株選取植株的中上部選取3片健康、完整的向陽葉片進(jìn)行測(cè)定，記錄凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)和氣孔導(dǎo)度(Gs)等主要光合參數(shù)。

1.2.4 密蒙花光響應(yīng)曲線擬合模型應(yīng)用

5個(gè)擬合模型的表達(dá)式見表2，為驗(yàn)證5個(gè)模型擬合的精確度，采用擬合值均方誤差：

表2 5種擬合模型及表達(dá)式

和擬合值平均絕對(duì)誤差：

1.2.5 密蒙花葉片光合日變化測(cè)定

于2018年5月下旬，晴天7:00—19:00選擇不同生境各5株植株中上部3片完整展開葉進(jìn)行光合日變化測(cè)定，每隔 1 h 測(cè)定 1 次，測(cè)定時(shí)保持葉片原有方位，記錄凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間 CO2濃度(Ci)和氣孔導(dǎo)度(Gs)，每片葉片重復(fù)測(cè)定4次取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析和 LSD(P<0.05)比較不同生境間各指標(biāo)的差異性，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，統(tǒng)計(jì)及模型分析使用SPSS 22.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生境對(duì)植物生長(zhǎng)及黃酮類化合物的影響

根據(jù)單因素方差分析(表3)，不同生境對(duì)植株高度、基徑、花序長(zhǎng)和葉面積均具有顯著影響(P<0.05)，均為生境Ⅱ顯著大于生境Ⅰ和生境Ⅲ(P<0.05)，生境Ⅰ和生境Ⅲ無顯著差異。3個(gè)生境的黃酮類化合物含量在不同生境條件下具有顯著差異(P<0.05)。在不同生境條件下，密蒙花干燥花序蒙花苷含量差異顯著(P<0.05)，生境Ⅱ>生境Ⅲ>生境Ⅰ；木犀草素含量生境Ⅱ顯著大于生境Ⅲ和生境Ⅰ；芹菜素含量差異顯著(P<0.05)，生境Ⅱ>生境Ⅲ>生境Ⅰ。

表3 不同生境條件密蒙花生長(zhǎng)情況及黃酮類化合物含量比較

2.2 不同生境對(duì)葉片色素含量的影響

葉綠素 a(Chl-a)、葉綠素 b(Chl-b)和總?cè)~綠素(Total-Chl)在3個(gè)不同生境中具有顯著差異(P<0.05)。Chl-a中，生境Ⅱ顯著大于生境Ⅰ和生境Ⅲ，生境Ⅰ和生境Ⅲ無顯著差異；在Total-Chl和Chl-b中，生境Ⅱ>生境Ⅲ>生境Ⅰ(P<0.05)；Chl-a/Chl-b值生境Ⅱ顯著小于生境Ⅰ和生境Ⅲ(P<0.05)，Chl-a/Chl-b的值反映植物對(duì)光能利用能力，值越小說明植物利用弱光能力強(qiáng)(表4)。

表4 不同生境條件密蒙花葉片葉綠素含量比較

2.3 不同生境的密蒙花葉片光響應(yīng)曲線

3個(gè)生境的密蒙花葉片光響應(yīng)實(shí)測(cè)值及5個(gè)模型的擬合曲線見圖1。在3個(gè)生境中，實(shí)測(cè)值均與直角雙曲線修正模型的擬合值最為接近。不同生境的密蒙花葉片實(shí)測(cè)值曲線變化大致相同：在低光強(qiáng)[0～400 μmol/(m2·s)]下，Pn均隨PAR的增大呈線性增大；在400～800 μmol/(m2·s)，Pn上升幅度變緩；當(dāng)PAR在800～1 400 μmol/(m2·s)時(shí)，隨著PAR的增加，Pn逐漸呈平緩趨勢(shì)；而PAR在 1 600～1 800 μmol/(m2·s)時(shí)，生境Ⅱ和生境Ⅲ的Pn開始下降，呈現(xiàn)出光抑制現(xiàn)象。

圖1 不同生境密蒙花光響應(yīng)實(shí)測(cè)值及擬合曲線

2.4 密蒙花葉片光響應(yīng)曲線擬合模型及光合生理參數(shù)

決定系數(shù)R2值的大小可以判定方程擬合度的高低，結(jié)合MAE和MSE進(jìn)行檢驗(yàn)，R2越大，MAE及MSE越小，說明擬合效果越好。由表5可知：R2中除直角雙曲線模型和非直角雙曲線模型的值均小于0.990，其余模型的決定系數(shù)均大于0.990；MAE與MSE在3個(gè)生境中均為直角雙曲線修正模型最小，其擬合得到的密蒙花葉片最大凈光合速率也最接近實(shí)測(cè)值。指數(shù)函數(shù)模型、非直角雙曲線模型、直角雙曲線函數(shù)模型擬合的最大凈光合速率比測(cè)量值低；且暗呼吸速率為正數(shù)，不符合實(shí)際情況的植物暗呼吸速率應(yīng)該表現(xiàn)為負(fù)值，指數(shù)模型和改進(jìn)指數(shù)模型得到的飽和點(diǎn)均小于實(shí)測(cè)值，但Pmax大于實(shí)測(cè)值，采用這些模型分析密蒙花葉片的光響應(yīng)曲線不符合植物的光合生理特征。因此，在5個(gè)模型中，直角雙曲線修正模型最適用于密蒙花的光響應(yīng)曲線的擬合。根據(jù)表5，直角雙曲線修正模型計(jì)算出的Isat生境Ⅰ為1 424.698 μmol/(m2·s)，生境Ⅱ?yàn)? 725.755 μmol/(m2·s)，生境Ⅲ為1 608.846 μmol/(m2·s)，Ic分別為20.589、19.078、30.891 μmol/(m2·s)，初始量子效率分別為0.045、0.063、0.043，在0.04～0.07之間。生境Ⅱ的葉片表觀量子效率均高于其他生境，且生境Ⅱ光補(bǔ)償點(diǎn)顯著低于其他兩個(gè)生境。

表5 5個(gè)模型各項(xiàng)光合參數(shù)的比較及模型擬合精確度

2.5 密蒙花葉片光合日變化

密蒙花葉片凈光合速率日變化曲線生境Ⅱ和生境Ⅰ都是單峰型，而生境Ⅲ為雙峰型具“午休”現(xiàn)象(圖2)。生境Ⅱ和生境Ⅰ凈光合速率峰值(Pn)分別出現(xiàn)在 11：00[18.639 μmol/(m2·s)]和12：00[13.573 μmol/(m2·s)]，而后Pn開始逐漸下降。生境Ⅲ葉片的Pn峰值出現(xiàn)在11：00和14：00，14：00時(shí)段后，生境Ⅲ密蒙花葉片凈光合速率均呈下降趨勢(shì)。3個(gè)生境的氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)日變化趨勢(shì)均為單峰曲線，Gs和Tr在對(duì)應(yīng)的時(shí)間段達(dá)到峰值，隨后降低。同時(shí)，蒸騰速率受大氣CO2濃度的影響，Ci在早、晚較高，隨著光強(qiáng)逐漸升高，氣溫上升，胞間Ci濃度開始下降。生境Ⅰ和生境Ⅱ的葉片Pn增高，Ci的濃度降低，說明葉片Ci因?yàn)镚s的降低而減小。而生境Ⅲ的葉片凈光合速率降低時(shí)伴隨著Ci的增高，出現(xiàn)“午休”，光合速率降低可能是因?yàn)槿~肉細(xì)胞中光合作用相關(guān)酶的活性受到高溫和高光強(qiáng)破壞所致。通過比較不同生境的凈光合速率日均值大小可知(表6)，密蒙花光合日變化的凈光合速率有明顯的差異，生境Ⅱ>生境Ⅲ>生境Ⅰ，說明生境Ⅱ密蒙花葉片日光合生產(chǎn)力大于生境Ⅲ和生境Ⅰ。

圖2 不同生境密蒙花凈光合速率Pn、Gs、Tr和Ci的日變化

表6 不同生境下密蒙花的Pn、Gs、Tr和Ci日均值

3 討論與結(jié)論

生境條件對(duì)植物起著重要的誘導(dǎo)和脅迫作用，研究異質(zhì)生境對(duì)植物生長(zhǎng)的影響機(jī)制具有重要意義，可為藥用植物栽培環(huán)境的選擇以及相適應(yīng)的栽培技術(shù)制定提供理論依據(jù)[15-17]。密蒙花主要藥用部位為花，選擇密蒙花次生代謝產(chǎn)物富集的盛花期進(jìn)行研究更有意義。通過對(duì)不同生境的密蒙花的株高、基徑、花序長(zhǎng)和葉面積的比較后發(fā)現(xiàn)，生境Ⅱ的條件更利于密蒙花的生長(zhǎng)。研究中林窗(生境Ⅱ)的密蒙花3種黃酮類化合物含量要顯著高于弱光區(qū)林內(nèi)(生境Ⅰ)和較高強(qiáng)光區(qū)林緣(生境Ⅲ)。同時(shí)，林窗生境的密蒙花葉綠素含量要顯著高于林內(nèi)和林緣，說明光照是密蒙花黃酮類成分積累的最重要限制因素，適度的林窗光照可以降低強(qiáng)光對(duì)葉綠素的破壞，從而使葉片更加有效地進(jìn)行光合作用[18-19]。光照過弱或過強(qiáng)均會(huì)使葉綠素含量呈下降趨勢(shì)，林窗生境Ⅱ的光照范圍能夠使其達(dá)到最大值。生境Ⅱ的Chl-a、Chl-b和總Chl的含量最高，同時(shí)光合光響應(yīng)曲線及光合日變化中Pn的均值也最高。

通過5個(gè)模型的擬合對(duì)比發(fā)現(xiàn)：直角雙曲線修正模型能夠反映密蒙花葉片在光照強(qiáng)度超過飽和點(diǎn)時(shí)葉片凈光合速率受抑制而下降的過程，符合植物的生理生長(zhǎng)規(guī)律，這與其他研究者研究植物在自然條件下的植物生理狀態(tài)的結(jié)論一致[20-21]。此外，直角雙曲線修正模型R2高于其他模型，均方誤差和平均絕對(duì)誤差則小于其他模型。這與童貫和[22]、徐斌等[23]研究不同模型的適用性，直角雙曲線修正模型擬合的光合-光響應(yīng)效果較好的結(jié)果一致。直角雙曲線修正模型計(jì)算出3個(gè)生境的Pmax值為14.07～17.54 μmol/(m2·s)，Isat為1 424.698～1 725.755 μmol/(m2·s)；Ic為19.078～30.891 μmol/(m2·s)，初始量子效率均在0.04～0.07之間。高的初始量子效率說明植物捕獲光量子的能力越強(qiáng)，同時(shí)，較高的光飽和點(diǎn)和較低的光補(bǔ)償點(diǎn)說明植物葉片在弱光條件下能對(duì)其進(jìn)行利用，并通過降低呼吸消耗來維持自身正常生長(zhǎng)[24]，研究中生境Ⅱ利用弱光的能力更強(qiáng)。由此可見，密蒙花屬于半陰性至半陽性植物，生境Ⅱ即林窗下的中等水平光條件有利于密蒙花葉綠素的合成及生長(zhǎng)。通過對(duì)比不同環(huán)境條件下密蒙花的光合特性，生境Ⅱ的Pn值大于其他兩個(gè)生境，不同生境的葉片凈光合速率日變化曲線并不一致。結(jié)合Ci變化可知，林內(nèi)和林窗的Pn降低是氣孔限制因素導(dǎo)致的，但林緣生境凈Pn的降低可能是非氣孔限制因素，即葉肉細(xì)胞自身活性下降引起的非氣孔限制，具體的機(jī)理尚待進(jìn)一步研究[25-26]。

在引種栽培密蒙花時(shí)，應(yīng)模擬野外生境Ⅱ的生長(zhǎng)條件，提供適宜的光照條件：飽和光強(qiáng)接近1 725.755 μmol/(m2·s)，光補(bǔ)償點(diǎn)接近17.478 μmol/(m2·s)。同時(shí)，針對(duì)密蒙花3個(gè)不同生境的主要環(huán)境因子概況，密蒙花林內(nèi)生境中種植需及時(shí)調(diào)控喬冠層的透光率，在林緣中種植需要進(jìn)行遮蔭處理。在實(shí)際的栽培種林窗光照條件(64.95%±2.90%)和相對(duì)濕度條件(50.50%±3.21%)可作為疏林、遮光種植和田間管理的參照。