天師栗幼苗光合特性研究

李曉東 侯曉星 王柯月 石召華 葉利春 舒少華

摘要 [目的]揭示天師栗幼苗光合特性，為天師栗優(yōu)質(zhì)種苗的培育和優(yōu)良居群的選擇提供理論指導(dǎo)。[方法]以3個不同居群（恩施州ESLZ、神農(nóng)架林區(qū)SNJ、十堰市竹溪縣ZXSQ）的天師栗一年生實生苗為試驗材料，利用LI-6800便攜式光合作用系統(tǒng)測定各居群天師栗幼苗葉片凈光合速率、凈光合速率日變化、光響應(yīng)曲線、CO 2響應(yīng)曲線，采用丙酮乙醇混合液法測定各居群天師栗幼苗葉片光合色素含量。[結(jié)果]ESLZ的光合性能最優(yōu)，其凈光合速率（P n）、氣孔導(dǎo)度（G s）、胞間CO 2濃度（C i）、蒸騰速率（T r）均顯著高于SNJ、ZXSQ;3個不同居群天師栗的凈光合速率日變化均呈雙峰趨勢，存在明顯的“光午休”現(xiàn)象，且ESLZ的2個峰值均顯著高于SNJ、ZXSQ;3個不同居群天師栗均在800 μmol/（m2·s）、1 400 μmol/mol左右達到了光飽和點和CO 2飽和點，ESLZ在光飽和點和CO 2飽和點對應(yīng)的凈光合速率最高;ESLZ的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量明顯高于SNJ、ZXSQ，且存在顯著差異。[結(jié)論]ESLZ的光合性能、光合色素含量明顯優(yōu)于其他2個居群，光能利用率更高，對光照的適應(yīng)范圍更廣，可作為優(yōu)良居群推廣種植。天師栗幼苗的光飽和點和光補償點較低，在幼苗期可采取適當?shù)恼陉幋胧?，提高光能利用率?/p>

關(guān)鍵詞 天師栗;幼苗;居群;光合特性;光合色素

中圖分類號 S567.1+9? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）05-0152-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.05.038

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Study on Photosynthetic Characteristics of Aesculus wilsonii Rehd Seedlings

LI Xiao-dong， HOU Xiao-xing， WANG Ke-yue et al

（College of Plant Science and Technology， Huazhong Agricultural University， Wuhan， Hubei 430070）

Abstract [Objective]To reveal the photosynthetic characteristics of A. wilsonii seedlings and provide theoretical basis for the cultivation and selection of high-quality populations of A. wilsonii. [Method]The A. wilsonii 1-year-old seedlings from three different populations （ESLZ， SNJ， ZXSQ） were used as experimental materials. The LI-6800 photosynthesis system was used to measure the net photosynthetic rate， diurnal variation of photosynthesis， light response curve and CO 2 response curve of A. wilsonii seedlings. The acetone-ethanol mixture method was used to measure the photosynthetic pigment content of A. wilsonii seedlings. [Result]ESLZ had the best photosynthetic performance， and its net photosynthetic rate （P n）， stomatal conductance （G s）， intercellular CO 2 concentration （C i） and transpiration rate （T r） were significantly higher than those of SNJ and ZXSQ.The daily changes of photosynthetic rate of three different populations of A.wilsonii showed double-peak curves with obvious phenomenon of photosynthetic“noon break”and the two peak values of ESLZ were significantly higher than another two populations. A. wilsonii reached the light saturation point and CO 2 saturation point at 800 μmol/（m2·s） and 1 400 μmol/mol. At the light as well as CO 2 saturation point， ESLZ had the maximum net photosynthetic rate.The contents of chlorophyll a， chlorophyll b and carotenoid of ESLZ were all significantly higher than that of SNJ and ZXSQ. [Conclusion]ESLZ has better photosynthetic characteristics and photosynthetic pigment content than another two populations. It has a higher utilization rate of light energy and a wider range of adaptation to light， so ESLZ is more suitable for promotion and planting. The light saturation point and light compensation point of A. wilsonii seedlings are relatively lower， so we can take some shading measures to improve the utilization rate of light energy.

Key words A. wilsonii;Seedling;Populations;Photosynthetic characteristics;Photosynthetic pigment

基金項目 國家重點研發(fā)計劃項目“娑羅子規(guī)?；N植及精準扶貧示范研究”（2017YFC1701002）。

作者簡介 李曉東（1995—），男，河北邢臺人，碩士研究生，研究方向：中藥材栽培。*通信作者，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事中藥材栽培研究。

收稿日期 2021-05-18;修回日期 2021-07-01

天師栗屬七葉樹科（Hippocastanaceae）七葉樹屬（Aesculus Linn.）落葉喬木，其種子又稱娑羅子，具有疏肝解郁、和胃殺蟲之功效[1]?，F(xiàn)代藥理研究表明，娑羅子的主要藥用成分是七葉皂苷A、七葉皂苷B，具有抗炎、消腫、抗癌作用[2]。天師栗在我國的分布范圍較廣，主要分布在河南西南部、湖北西部、江西西部、貴州和云南等地，但在各地均呈零星分布，通常在數(shù)株至數(shù)十株不等，長期的地理隔絕使天師栗的形態(tài)特征與生理特性產(chǎn)生了較大差異[3]。天師栗作為中藥材娑羅子的主要來源之一，廣泛應(yīng)用在食品、藥材、園林等方面，其應(yīng)用價值高、開發(fā)前景廣闊、市場對其資源需求顯著增長，對天師栗的研究逐漸受到關(guān)注[4]。而目前對天師栗的研究主要集中在化學成分、栽培技術(shù)等方面，對天師栗生理特性的研究鮮有報道。

光合作用是植物生長的基礎(chǔ)，也是評價植物對環(huán)境適應(yīng)性的重要指標[5]，而且光合特性在一定程度上反映了品種的優(yōu)劣，所以探究不同居群天師栗的光合特性，對優(yōu)良居群的篩選及制定合理的栽培措施具有重要意義。該試驗通過對3個不同居群天師栗幼苗的光合特性、光合色素含量進行比較分析，探討不同居群天師栗幼苗對環(huán)境的適應(yīng)性及其光合能力的差異，以期為天師栗優(yōu)質(zhì)種苗培育與優(yōu)良居群選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

自湖北省十堰市竹溪縣（ZXSQ）、神農(nóng)架林區(qū)（SNJ）、恩施州（ESLZ）采集的3個不同居群的天師栗種子，于2019年3月種于華中農(nóng)業(yè)大學藥用植物資源圃，每個居群選擇3株無病蟲害、生長健壯的一年生實生苗于2020年8月進行光合數(shù)據(jù)測定，各居群天師栗地理位置信息見表1。

1.2 測定內(nèi)容與方法

1.2.1 天師栗凈光合速率測定。

2020年8月中旬，在晴朗無風條件下，于08：30—11：30利用LI-6800型便攜式光合儀測定天師栗一年生實生苗凈光合速率（P n）、胞間CO 2濃度（C i）、氣孔導(dǎo)度（G s）、蒸騰速率（T r），光強設(shè)置為1 000 μmol/（m2·s），CO 2濃度設(shè)置為400 μmol/mol，每個居群均選擇生長完好的第4～5片完全展開葉進行測定，每一葉片重復(fù)測量3次，取平均值。

1.2.2 天師栗光響應(yīng)-CO 2響應(yīng)曲線測定。

1.2.2.1

光響應(yīng)曲線測定。于08：30—11：30利用LI-6800型便攜式光合儀測定。設(shè)定參比室中CO 2濃度為400 μmol/mol，葉室溫度控制在30 ℃，相對濕度控制在40%，光照強度設(shè)置為0、50、100、200、300、400、600、800、1 000、1 200 μmol/（m2·s），共10個光照強度梯度，測定光響應(yīng)曲線前，按預(yù)估飽和光強及最適CO 2濃度對不同居群天師栗進行30 min光誘導(dǎo)，使其達最佳生理活動狀態(tài)，待儀器參數(shù)穩(wěn)定后開始記錄數(shù)據(jù)。每個居群均選擇生長完好的第4～5片完全展開葉進行測定，每一葉片重復(fù)測量3次，取平均值。

1.2.2.2

CO 2響應(yīng)曲線測定。于08：30—11：30利用LI-6800型便攜式光合儀測定。光照強度設(shè)置為1 000 μmol/（m2·s），CO 2濃度設(shè)置為0、50、100、200、300、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600 μmol/mol，共12個梯度，每個居群均選擇生長完好的第4～5片完全展開葉進行測定，每一葉片重復(fù)測量3次，取平均值。

1.2.3 天師栗光合速率日變化。

于06：30—18：30利用LI-6800型便攜式光合儀，測定不同居群天師栗凈光合速率，光照強度設(shè)置為1 000 μmol/（m2·s），CO 2濃度設(shè)置為400 μmol/mol。每個居群均選擇生長完好的第4～5片完全展開葉進行測定，每一葉片重復(fù)測量3次，每隔1 h記錄一次測量結(jié)果。

1.2.4 天師栗光合色素含量測定。

取天師栗第4～5片完全展開葉中間位置的健康完整葉片，去葉脈并剪成碎塊，稱取0.2 g，置于50 mL錐形瓶中，加入50 mL 45%乙醇-45%丙酮-10%混合液黑暗中浸提24 h至葉片全白，取浸提液分別于470、649和665 nm波長下測定吸光度，按下列公式分別計算出葉綠素a、葉綠素b和胡蘿卜素濃度（mg/L），求得樣品各光合色素含量[6]。

C a=13.95A 665-6.88A 649

C b=24.96A 649-7.32A 665

C x=（1 000A 470-2.05C a-114.8C b）/245

式中，A 470、A 649、A 665分別表示葉綠素溶液在波長470、649和665 nm波長下的吸光度。

1.3 統(tǒng)計分析

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理制表繪圖，利用SPSS 21.0軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析、顯著性分析，計算各項數(shù)據(jù)的均值、標準差，數(shù)據(jù)均以平均數(shù)±標準差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同居群天師栗光合指標

由表1可知，3個不同居群天師栗光合指標存在顯著差異，其中ESLZ的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO 2濃度、蒸騰速率均為最高，分別為6.68 μmol/（m2·s）、0.06 mol/（m2·s）、233.91 μmol/mol、1.95 mmol/（m2·s）;其次是SNJ，其各項光合指標分別為5.61 μmol/（m2·s）、0.04 mol/（m2·s）、214.88 μmol/mol、1.37 mmol/（m2·s）;ZXSQ的各項光合指標均最低，分別為4.37 μmol/（m2·s）、0.03 mol/（m2·s）、198.01 μmol/mol、1.04 mmol/（m2·s）。

2.2 光響應(yīng)-CO 2響應(yīng)曲線

光響應(yīng)曲線反映了植物光合速率隨光照強度改變而變化的規(guī)律，對天師栗光響應(yīng)曲線進行測定，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，在光照強度0～800 μmol/（m2·s），隨著光照強度的增加，ESLZ、SNJ和ZXSQ的凈光合速率呈上升趨勢，3個居群的天師栗凈光合速率均在800 μmol/（m2·s）時達到最高值，分別為7.83、6.86、6.28 μmol/（m2·s）;隨著光照強度的繼續(xù)增加，凈光合速率的增長趨于平緩，即800 μmol/（m2·s）為光飽和點，3個居群對光合有效輻射的響應(yīng)曲線基本一致，在光飽和點ESLZ對應(yīng)的凈光合速率最高。在光照強度0～50 μmol/（m2·s）時，ESLZ、SNJ和ZXSQ的凈光合速率（Y）與光照強度（X）之間呈線性相關(guān)，線性方程分別為Y=0.034X-0.80、Y=0.031X-1.06、Y= 0.029X-1.16，當Y=0時，光照強度分別為23.53、33.90、40.00 μmol/（m2·s），即為三者光補償點。

CO 2響應(yīng)曲線反映了植物光合速率隨胞間CO 2濃度改變而變化的規(guī)律，由圖2可知，在CO 2濃度為50～100 μmol/mol時，ESLZ、SNJ、ZXSQ的凈光合速率（Y）與CO 2濃度（X）大致呈線性相關(guān)，線性方程分別為Y= 0.025X-2.55、Y= 0.024X-2.90、Y= 0.022X-2.90，當Y= 0時，CO 2濃度分別為102.00、120.83、131.81 μmol/mol，即為三者CO 2補償點。另外，CO 2濃度在100～1 400 μmol/mol時，隨著CO 2濃度的提高，光合速率逐漸增加，隨著CO 2濃度的再增加，3個不同居群天師栗的光合速率不再提高，即1 400 μmol/mol為天師栗的CO 2飽和點，3個天師栗居群對CO 2濃度的響應(yīng)曲線基本一致，在CO 2飽和點ESLZ對應(yīng)的凈光合速率最高。

2.3 不同居群天師栗凈光合速率日變化

由圖3可知，3個居群的天師栗凈光合速率日變化整體呈升高—降低—升高—降低的趨勢，天師栗凈光合速率在06：30—10：30快速提高，于10：30達到第1個峰值，ESLZ、SNJ、ZXSQ的峰值分別為6.5、 5.8、5.4 μmol/（m2·s），在10：30—12：30天師栗凈光合速率開始下降至谷底，這是因為隨著中午溫度的不斷升高，導(dǎo)致葉片出現(xiàn)“光午休”現(xiàn)象。在12：30—14：30天師栗凈光合速率逐漸升高，14：30出現(xiàn)第2個峰值，ESLZ、SNJ、ZXSQ的峰值分別為5.7、5.5、5.0 μmol/（m2·s）。14：30—18：30天師栗凈光合速率逐漸下降至最低，這是因為隨著光照減弱、溫度逐漸降低所致。3個居群天師栗凈光合速率日變化均呈雙峰趨勢，存在明顯的“光午休”現(xiàn)象。

2.4 不同居群天師栗光合色素含量

從3個不同居群的天師栗光合色素含量的測定結(jié)果（表3）可以看出，ESLZ、SNJ的光合色素含量明顯高于ZXSQ，其中ESLZ的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量均為最高，分別為1.31、0.65、1.96、0.52 mg/g;其次是SNJ，4種光合色素含量分別為1.15、0.57、1.72、0.43 mg/g; ZXSQ的4種光合色素含量均為最低，分別為0.93、0.50、1.43、0.40 mg/g。結(jié)果表明不同居群天師栗的光合色素含量具有一定差異，且天師栗葉片凈光合速率與葉綠素含量之間具有顯著相關(guān)性。

3 討論與結(jié)論

光合作用是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)[7]，而光照強度是影響植物光合作用的主要因子，研究不同光照強度下植物的光合特性，對掌握植物生長發(fā)育情況、制定合理的栽培措施具有重要的作用[8-9]。光飽和點和補償點是評價植物需光特性的2個重要指標，光補償點的高低可以作為判斷植物在低光照強度條件下能否生長的標志，光補償點越小表明植物利用弱光的能力越強;光飽和點反映了植物利用強光的能力，光飽和點越高說明植物在受到強光時不易發(fā)生光抑制，植物的耐陽性越強[10]。對3個居群（恩施州ESLZ、神農(nóng)架林區(qū)SNJ、十堰市竹溪縣ZXSQ）天師栗一年生幼苗的光合特性研究結(jié)果表明，天師栗一年生幼苗的光飽和點為800 μmol/（m2·s），光補償點在23.35～40.00 μmol/（m2·s），天師栗幼苗的光飽和點和光補償點都較低，這與七葉樹屬植物耐半陰、怕烈日直射、不耐干熱氣候的特點相吻合[11]。同時也有研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)遮陰處理的七葉樹幼苗光合利用率更高，七葉樹幼苗可對弱光進行高效利用[12]，這也可能是導(dǎo)致天師栗光補償點和光飽和點較低的原因。晴朗天氣下植物的光合作用日變化一般分為單峰型和雙峰型2種類型，大多數(shù)植物在夏季表現(xiàn)為雙峰型變化[13]。該研究中天師栗幼苗的凈光合速率日變化均呈雙峰曲線，這是因為隨著中午光照強度的增加，溫度升高，導(dǎo)致天師栗幼苗凈光合速率的降低，出現(xiàn)了“光午休”現(xiàn)象。李成忠等[12]的研究結(jié)果表明七葉樹幼苗在自然光照下于夏季、秋季生長容易受到光抑制，而適度遮陰可較好地緩解這一問題，這與付忠等[14]的研究結(jié)論一致。而在烈日照射條件下天師栗幼苗也極易受到日灼傷害，因此在天師栗的栽培過程中，應(yīng)該采取適當?shù)恼陉幋胧?，這樣不僅可以使天師栗保持較高的光能利用率，緩解“光午休”現(xiàn)象，而且能防止日灼對天師栗造成傷害。

凈光合速率直接反映了植物光合作用能力的強弱，通過3個居群天師栗幼苗的光合指標可以看出，ESLZ的凈光合速率（P n）、氣孔導(dǎo)度（G s）、胞間CO 2濃度（C i）、蒸騰速率（T r）明顯優(yōu)于其他2個居群，綜合天師栗幼苗的光響應(yīng)曲線、CO 2響應(yīng)曲線可以看出，ESLZ的光利用范圍更廣，在飽和點對應(yīng)的凈光合速率最高，能更好地適應(yīng)強光和弱光環(huán)境。植物葉片光合色素含量與植物光合能力密切相關(guān)[15]，可直接反映植物葉片光合能力的大小[16]，而葉綠素a和葉綠素b具有捕獲吸收光能的作用[17]，因此葉綠素含量的高低是影響葉片光合特性的重要因素。對3個居群天師栗幼苗的光合色素含量研究表明，ESLZ的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量均為最高，SNJ次之，ZXSQ的各種光合色素含量最低，這與天師栗各項光合指標的分析結(jié)果相同，說明天師栗幼苗光合能力的強弱受到光合色素的直接影響，同時也進一步說明ESLZ的光合性能優(yōu)于其他2個居群，為天師栗優(yōu)良居群的選擇提供了參考。

植物的光合速率是影響植物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素[18]，也是評價品種優(yōu)劣的重要條件，而植物光合作用的強弱與植物種類、品種特性和環(huán)境因子密切相關(guān)[19-20]。該研究對3個居群天師栗的光合特性研究結(jié)果表明，在同樣的栽培條件下，不同居群天師栗的凈光合速率、胞間CO 2濃度、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、光合色素含量具有一定差異，其中ESLZ的各項光合指標明顯優(yōu)于其他2個居群，說明ESLZ的光合性能更強，更有利于有機物質(zhì)的積累促進其生長發(fā)育，更適宜作為優(yōu)良居群推廣種植。該試驗從光合特性的角度對3個不同居群天師栗進行了初步研究，對天師栗的種苗培育與優(yōu)良居群選擇具有一定的指導(dǎo)意義，今后可結(jié)合天師栗的形態(tài)學性狀、藥材質(zhì)量性狀進行進一步評價。

參考文獻

[1] 國家藥典委員會.中華人民共和國藥典：一部[S].北京：化學工業(yè)出版社，2005：206.

[2] 王緒英，趙永芳.中藥娑羅子的化學組分及七葉皂苷藥用價值的研究[J].唐山師范學院學報，2001，23（5）：7-11.

[3] 張辰露，李新生，梁宗鎖.七葉樹屬植物的分布特征及化學成分研究進展[J].西北林學院學報，2009，24（6）：142-145.

[4] 熊超，李西文，關(guān)小羽，等.天師栗無公害規(guī)范化種植的探討[J].世界科學技術(shù)-中醫(yī)藥現(xiàn)代化，2019，21（4）：808-814.

[5] GAGO J，DALOSO D M，CARRIQU ?M，et al.The photosynthesis game is in the "inter-play"：Mechanisms underlying CO 2 diffusion in leaves[J/OL].Environmental and experimental botany，2020，178[2021-01-21].https：//doi.org/10.1016/j.envexpbot.2020.104174.

[6] 蘇正淑，張憲政.幾種測定植物葉綠素含量的方法比較[J].植物生理學通訊，1989，25（5）：77-78.

[7] 張聰穎，方炎明，姬紅利，等.遮蔭處理對紅葉石楠和灑金桃葉珊瑚光合特性的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學報，2011，22（7）：1743-1749.

[8] SALGADO-LUARTE C，GIANOLI E.Herbivory may modify functional responses to shade in seedlings of a light-demanding tree species[J].Functional ecology，2011，25（3）：492-499.

[9] 何科佳，王中炎，王仁才.夏季遮陰對獼猴桃園生態(tài)因子和光合作用的影響[J].果樹學報，2007，24（5）：616-619.

[10] 吳家森，宋福強，陳榮，等.3種七葉樹屬植物葉片氣體交換特征和葉綠素熒光特性比較[J].植物研究，2008，28（4）：438-441.

[11] 明孟碟.天師栗規(guī)范化種植技術(shù)研究[D].武漢：湖北中醫(yī)藥大學，2017.

[12] 李成忠，居萍，孫燕，等.遮陰對七葉樹幼苗光合特性的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2017，45（22）：162-165.

[13] ZHU Y，LIU F，WANG C K，et al.Diurnal variation and light response of net ecosystem carbon exchange in a temperate broadleaved deciduous forest at Maoershan，Northeast China[J].The journal of applied ecology，2020，31（1）：72-82.

[14] 付忠，謝世清，徐文果，等.不同光照強度下謝君魔芋的光合作用及能量分配特征[J].應(yīng)用生態(tài)學報，2016，27（4）：1177-1188.

[15] 趙輝，呂良賀，路鑫，等.雜種金葉銀杏葉片光合特性分析[J].南京林業(yè)大學學報（自然科學版），2020，44（1）：193-199.

[16] 李春喜，韓蕊，邵云，等.小麥開花期旗葉光合特性與地上部干物質(zhì)量的相關(guān)和通徑分析[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2019，47（6）：66-70.

[17] 湯文華，竇全琴，潘平平，等.不同薄殼山核桃品種光合特性研究[J].南京林業(yè)大學學報（自然科學版），2020，44（3）：81-88.

[18] 劉星劼，張永清，李佳.山東省兩種歐李栽培品種的光合特性研究[J].世界科學技術(shù)-中醫(yī)藥現(xiàn)代化，2018，20（4）：547-552.

[19] 阮曉，王強，顏啟傳.藥用植物生理生態(tài)學[M].北京：科學出版社，2010：80-88.

[20] 薛建平，王興，張愛民，等.地黃光合特性研究[J].中國中藥雜志，2009，34（6）：778-780.