三葉青懷玉1號與懷玉2號光合特性和表型比較

張艷， 蔡紅， 陳榮華， 洪森榮,3,4，5*

(1.上饒師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，江西 上饒 334001； 2.上饒市紅日農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，江西 上饒 334700； 3.上饒市藥食同源植物資源保護(hù)與利用重點實驗室，江西 上饒 334001； 4.上饒市三葉青保育與利用技術(shù)創(chuàng)新中心，江西 上饒 334001； 5.上饒農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研究院，江西 上饒 334001)

三葉青(TetrastigmahemsleyanumDiels et Gilg)是一種草質(zhì)藤本植物，也是我國獨一無二且較為稀少的一種中草藥，屬于葡萄科崖爬藤屬[1]。三葉青全株都可以作為藥用植物，尤其是其塊根和果實藥效最佳，其塊根被稱為蛇附子，也被稱為金線吊葫蘆、石猴子、三葉對、雷膽子、陰靈子等[2]，藥用價值高，在治療炎癥、鎮(zhèn)痛等方面有一定的作用[3]。

植物光合特性與其自身生長發(fā)育狀態(tài)以及形態(tài)結(jié)構(gòu)有著密切聯(lián)系[4]。不同植物在其結(jié)構(gòu)形態(tài)、生理生化指標(biāo)等方面有其自身對自然環(huán)境的適應(yīng)能力，從而表現(xiàn)出不同的形態(tài)特征，如植株大小、葉片大小、葉片厚薄程度等，同時也表現(xiàn)出不同的光合參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)等生理生化指標(biāo)[5]。測定植株的光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)等指標(biāo)可以研究評判該植物光合作用的強(qiáng)弱[6]。光合作用作為植物一項重要的生理活動，其研究對于植株本身來說具有重大意義，特別是三葉青作為我國特有的一種珍稀藥材，探究其品種間的光合作用差異對其大規(guī)模大棚栽培與種植非常有價值。

由于三葉青的藥理作用效果較佳，人類對其挖采量逐年增加，致使野生三葉青瀕臨滅絕[7]。在供不應(yīng)求的情形下，三葉青的人工種植規(guī)模在不斷擴(kuò)大，與三葉青有關(guān)的研究也在不斷增多，三葉青的相關(guān)種植栽培技術(shù)也越來越成熟，對它的開發(fā)也在不斷加大[8]?，F(xiàn)階段與三葉青有關(guān)的研究大量集中在炎癥[9]、腫瘤[10]等方面的藥用價值、栽培繁殖技術(shù)[11-13]、生理生化特性分析[14]以及光照[15]、水分[16]等對其生長的影響等。雖然對三葉青的研究頗多，尤其是對其光合特性已有較多研究，但在相同光照條件下，對同一地區(qū)大棚種植的2種不同栽培種間各項參數(shù)對比分析少見報道。本文測量了懷玉山本地的2個三葉青優(yōu)質(zhì)栽培種懷玉1號和懷玉2號的光合參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、葉綠素含量、葉長葉寬、葉形指數(shù)，并對這些參數(shù)進(jìn)行對比分析，探究2個優(yōu)質(zhì)栽培種之間存在的光合作用效率差異，了解2個三葉青栽培種大棚種植的光合作用生理狀態(tài)，為制定懷玉山2個栽培種三葉青更為科學(xué)的栽培措施提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

此次取材測量的三葉青來自于江西省上饒市玉山縣的懷玉山三葉青種植基地，懷玉山位于江西省玉山縣西北方向60 km處，其平均海拔為1 000 m，年平均氣溫為12～16 ℃，屬于中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，降水豐富，適合三葉青的種植。此種植基地種植有來自全國各地的68個野生三葉青品種。懷玉山三葉青懷玉1號和懷玉2號為基地選育出的有極高藥用價值的栽培種，選擇這2個三葉青栽培種當(dāng)中較為健康的完整植株葉片，進(jìn)行各項參數(shù)的測定和比較分析。

采用LI-6400XT便攜式光合儀(美國LI-COR公司生產(chǎn))測定2個三葉青栽培種懷玉1號和懷玉2號葉片的光合參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)，采用SPAD-502 plus便攜式葉綠素測定儀(日本柯尼卡美能達(dá)公司生產(chǎn))測定三葉青栽培種懷玉1號和懷玉2號的葉綠素含量，采用普通直尺測量2個三葉青栽培種的葉長與葉寬。

1.2 光合參數(shù)的測定

2個三葉青栽培種的光合參數(shù)于2019年10月25日上午9：00—11：00進(jìn)行測定，測定時分別在2個三葉青栽培種懷玉1號和懷玉2號當(dāng)中選擇4片長勢較好的完整葉片，每片葉片測量2組數(shù)據(jù)，一共測量8組數(shù)據(jù)，測量完成之后計算瞬時羧化速率(CUE)、氣孔限制值(Ls)和水分利用效率(WUE)[17]。

1.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定

光合參數(shù)測定完成后，采用LI-6400XT便攜式光合儀測量葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)。分別從2個三葉青栽培種懷玉1號和懷玉2號當(dāng)中選取3片長勢較好的完整葉片，并在葉柄處用繩子做好標(biāo)記，再用錫箔紙將每片葉片包蓋嚴(yán)實，確保沒有漏光，葉片暗處理30 min之后，取下錫箔紙進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)測量，測量完成后將葉片曝光0.5 h再進(jìn)行一次測量。計算PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、PSⅡ潛在光化學(xué)效率(Fv/Fo)、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)、光化學(xué)熒光淬滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)[18]。

1.4 葉綠素含量測定

采用便攜式葉綠素測定儀SPAD-502 plus測定2個三葉青栽培種葉片葉綠素含量，在每個三葉青栽培種當(dāng)中選擇10片長勢較好的完整葉片進(jìn)行測定，測得數(shù)據(jù)共20組。

1.5 葉長與葉寬的測定

測定2個三葉青栽培種的葉長與葉寬，葉寬為中間葉脈1/2處的寬度，使用的測量工具為普通直尺。選擇的三葉青葉片需完整且具有本栽培種的代表性，做好實驗記錄，計算葉形指數(shù)[19]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計整理好各項參數(shù)數(shù)據(jù)之后，使用Excel 2010和SPSS 19.0對所測得的各項參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 懷玉1號和懷玉2號葉片光合參數(shù)的比較

植物的凈光合速率(Pn)與它的光合能力的大小存在緊密的聯(lián)系，植株凈光合速率越大，則其光合能力越強(qiáng)[20]。從表1可知，懷玉1號葉片Pn的平均值為3.09 μmol·m-2·s-1，懷玉2號葉片Pn平均值為1.54 μmol·m-2·s-1，比懷玉1號葉片Pn的平均值低1.55 μmol·m-2·s-1，懷玉2號Pn平均值大約是懷玉1號的50%。懷玉2號的氣孔導(dǎo)度(Gs)、細(xì)胞間CO2濃度(Ci)平均值均高于懷玉1號的平均值，2個三葉青栽培種懷玉1號和懷玉2號的Gs平均值分別為0.03 mmol·m-2·s-1、0.031 mmol·m-2·s-1，由此可知懷玉2號葉片Gs平均值比懷玉1號高出0.001 mmol·m-2·s-1；懷玉1號葉片Ci平均值為240.19 μmol·mol-1，懷玉2號葉片Ci平均值為321.64 μmol·mol-1，較懷玉1號高81.45 μmol·mol-1，懷玉1號葉片Ci平均值是懷玉2號的74.6%。對于2個三葉青栽培種的蒸騰速率(Tr)，懷玉1號和懷玉2號平均值分別為0.376 mmol·m-2·s-1、0.380 mmol·m-2·s-1，懷玉1號略高于栽培種懷玉2號，但差別不大。懷玉1號的Ls、WUE、CUE平均值均要高于懷玉2號，且差別較蒸騰速率明顯，其中懷玉1號Ls平均值為0.40，懷玉2號Ls平均值為0.20，是懷玉1號Ls平均值的49%，懷玉1號較懷玉2號多0.20；懷玉1號WUE平均值為8.13，懷玉2號WUE平均值為4.39，懷玉1號較懷玉2號多3.74，懷玉1號WUE平均值是懷玉2號的1.85倍；懷玉1號CUE平均值為0.013，懷玉2號CUE平均值為0.005，懷玉2號CUE平均值僅為懷玉1號的38%。2個懷玉山三葉青懷玉1號和懷玉2號的Pn、Ci、Ls、WUE、CUE存在極顯著差異，而Gs、Tr差異不顯著。

表1 懷玉1號和懷玉2號光合特性比較

2.2 懷玉1號和懷玉2號葉綠素?zé)晒鈪?shù)的比較

通過對葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定和分析，可以得出植株光能利用的情況，有研究表明，葉綠素?zé)晒獗葍艄夂纤俾矢芊从持参锶~片內(nèi)的光合行為[21-22]。由表2可知，所測得的數(shù)據(jù)當(dāng)中，懷玉1號的初始熒光產(chǎn)量(Fo)、最大熒光產(chǎn)量(Fm)、光下最小熒光產(chǎn)量(F′o)、穩(wěn)態(tài)熒光產(chǎn)量(Fs)、NPQ均高于懷玉2號。其中懷玉1號Fo平均值為829，懷玉2號Fo平均值為720，懷玉1號較懷玉2號高109，懷玉1號Fo平均值是懷玉2號的1.15倍；懷玉1號Fm平均值為3 777，懷玉2號Fm平均值為3 515，懷玉1號較懷玉2號高262，懷玉2號Fm平均值為懷玉1號的93%；懷玉1號F′o平均值為736，懷玉2號F′o平均值為723，懷玉1號較懷玉2號高13，懷玉2號F′o平均值為懷玉1號的98.2%；懷玉1號Fs平均值為1 070，懷玉2號Fs平均值為976，懷玉1號較懷玉2號高94，懷玉2號平均值為懷玉1號的91.2%；懷玉1號NPQ平均值為0.67，懷玉2號NPQ平均值為0.57，懷玉1號較懷玉2號多0.10，懷玉2號NPQ平均值是懷玉1號的85%。而所測得的光下最大熒光F′m、Fv/Fm、F′v/F′m、Fv/Fo、qP、ΦPSⅡ，懷玉2號所測得的平均值均高于懷玉1號。其中懷玉1號F′m的平均值為1 824，懷玉2號F′m的平均值為2 142，懷玉2號較懷玉1號高318，懷玉1號F′m的平均值只有懷玉2號的85%；懷玉1號Fv/Fm平均值為0.78，懷玉2號Fv/Fm平均值為0.80，懷玉1號較懷玉2號低0.02；懷玉1號的F′v/F′m平均值為0.60，懷玉2號F′v/F′m平均值為0.66，懷玉1號較懷玉2號低0.06，懷玉1號F′v/F′m平均值是懷玉2號的89%；懷玉1號Fv/Fo平均值為3.55，懷玉2號Fv/Fo平均值為3.88，懷玉1號較懷玉2號低0.33，懷玉1號Fv/Fo平均值是懷玉2號的91%；懷玉1號qP平均值為0.69，懷玉2號qP平均值為0.82，懷玉1號較懷玉2號低0.13，懷玉1號qP平均值是懷玉2號的84%；2個三葉青栽培種懷玉1號與懷玉2號的ΦPSⅡ平均值分別為0.41、0.54，懷玉1號較懷玉2號低0.13，懷玉1號ΦPSⅡ平均值是懷玉2號的75.9%。2個三葉青栽培種懷玉1號與懷玉2號熒光參數(shù)差異的顯著性情況，其中Fs、qP、ΦPSⅡ在2個栽培種當(dāng)中有顯著差異，而2個三葉青栽培種的Fo、Fm、F′o、F′m、Fv/Fm、F′v/F′m、Fv/Fo、NPQ無明顯差異。

表2 懷玉1號與懷玉2號葉綠素?zé)晒鈪?shù)比較

2.3 懷玉1號和懷玉2號葉綠素含量的比較

20世紀(jì)80年代，日本美能達(dá)公司開發(fā)了一種便攜式的SPAD葉綠素儀，它利用葉綠素的光譜吸收峰在藍(lán)色區(qū)域(400～500 nm)和紅色區(qū)域(600～700 nm)的特性，通過發(fā)射650 nm的紅色光和940 nm的紅外光，并根據(jù)透射比計算得到的一種與葉片內(nèi)葉綠素含量相對應(yīng)的參數(shù)SPAD值。由表3可知，懷玉1號葉片葉綠素含量平均值為49.93，懷玉2號葉綠素含量平均值為68.46，2個三葉青栽培種的葉綠素含量存在極顯著差異。

表3 懷玉1號與懷玉2號葉綠素含量比較

2.4 懷玉1號和懷玉2號葉長、葉寬和葉形指數(shù)的比較

植物葉長、葉寬、葉形指數(shù)可以體現(xiàn)它的葉片形態(tài)以及生長狀態(tài)[23]。根據(jù)表4數(shù)據(jù)可知，懷玉1號葉長平均值為7.54 cm，懷玉2號葉長平均值為9.36 cm，懷玉1號葉長平均值較懷玉2號小1.82 cm；懷玉1號葉寬平均值為3.65 cm，懷玉2號葉寬平均值為3.01 cm，懷玉1號葉寬平均值較懷玉2號多0.64 cm；懷玉1號平均葉形指數(shù)為2.07，懷玉2號平均葉形指數(shù)為3.12，懷玉1號平均葉形指數(shù)較懷玉2號低1.05。2個三葉青栽培種懷玉1號和懷玉2號在葉長、葉寬和葉形指數(shù)上存在極顯著差異。

表4 懷玉1號與懷玉2號葉長、葉寬和 葉形指數(shù)比較

3 討論

本文對懷玉山三葉青懷玉1號和懷玉2號2個栽培種的光合特性、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、葉綠素含量、葉長、葉寬以及葉形指數(shù)進(jìn)行了對比分析，運(yùn)用單因素方差分析法得出了2個栽培種上述各項參數(shù)的差異性結(jié)果。凈光合速率很大程度上能夠反映植株的光合能力，凈光合速率會受到蒸騰速率的影響，水分利用效率、凈光合速率、瞬時羧化速率均會受到氣孔導(dǎo)度的影響[24]。有研究表明，由凈光合速率與氣孔導(dǎo)度是否有關(guān)可以得出凈光合速率是否受到氣孔因素影響，當(dāng)葉片細(xì)胞間CO2濃度降低，氣孔限制值升高時，凈光合速率受到氣孔導(dǎo)度的影響，即受到氣孔因素影響，反之則不受氣孔導(dǎo)度的影響，即受到非氣孔因素的影響[25]。水分利用效率表現(xiàn)了植株利用水分的能力，與植物的抗旱性有關(guān)[26]。凈光合速率在2個三葉青栽培種間差異極其明顯，除了受到溫度、光照、CO2濃度、地域等因素的影響[27-28]，可能還會受到具有遺傳效應(yīng)的地域差異的影響[29]。一般來說，細(xì)胞間CO2濃度大小會受到空氣中的CO2濃度、葉肉細(xì)胞光合活性和氣孔導(dǎo)度[30]的影響。三葉青作為一種喜陰的藥用植物，大棚種植時遮光處理可減少光照對它的傷害，其蒸騰速率會隨著葉片氣孔導(dǎo)度的增大而增大[31]。在本試驗中，懷玉1號的凈光合速率、氣孔限制值、蒸騰速率、瞬時羧化速率以及水分利用效率平均值均高于懷玉2號，而懷玉1號的細(xì)胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度平均值均小于懷玉2號。由此分析可知，懷玉1號的抗旱性較懷玉2號強(qiáng)，且由凈光合速率數(shù)據(jù)可知懷玉1號光合能力強(qiáng)于懷玉2號。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fm反映完全關(guān)閉的光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心的熒光強(qiáng)度，即最大熒光；Fo表示完全開放的葉綠體光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心的熒光強(qiáng)度，被稱為初始熒光；Fv/Fm反映植物光化學(xué)反應(yīng)的最大潛力，即最大光量子產(chǎn)量，會因環(huán)境脅迫的出現(xiàn)而減小[32-33]。F′v/F′m表示在開放的條件下，光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心捕獲激發(fā)能的效率。Fv/Fo是光系統(tǒng)Ⅱ潛在光化學(xué)效率；光化學(xué)淬滅系數(shù)qP可體現(xiàn)質(zhì)體醌類QA再氧化的程度，與電子傳遞及光合氧化等密切相關(guān)[34]。NPQ即非光化學(xué)淬滅系數(shù)，表示捕獲的不用于電子傳遞而以熱的形式散失的部分能量；實際光化學(xué)效率ΦPSⅡ表示光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心的實際電離情況。在本試驗中，懷玉1號的Fo、Fm、F′o、Fs、NPQ平均值均高于懷玉2號，懷玉1號的F′m、Fv/Fm、F′v/F′m、Fv/Fo，qP、ΦPSⅡ平均值均低于懷玉2號，且2個裁培種的Fs、qP、ΦPSⅡ存在顯著差異。由此可分析，懷玉1號電子傳遞效率較懷玉2號的低，而其光合能力強(qiáng)于懷玉2號，推測懷玉1號可能受到環(huán)境脅迫的影響。

植物葉片的葉綠素含量可反映植株的生長狀態(tài)以及光合能力強(qiáng)弱[35]。不同植物葉綠素含量與其光合指標(biāo)的相關(guān)性不盡相同，有的植物葉綠素含量與它的光合指標(biāo)相關(guān)，例如油菜[36]、水稻[37]的葉綠素含量越多，其凈光合速率越高；而有的植物凈光合速率與葉綠素含量沒有相關(guān)性，如甜葉菊[38]、綠茶[39]、甘薯[40]。在本試驗中，懷玉1號葉綠素含量平均值顯著低于懷玉2號，而懷玉1號光合能力強(qiáng)于懷玉2號，綜合對2個三葉青栽培種葉綠素?zé)晒鈪?shù)的比較分析，表明三葉青的光合作用效率與葉綠素含量沒有相關(guān)性。

根據(jù)葉形指數(shù)大小可以將植物的葉形分為披針形、橢圓形、長橢圓形、近圓形[19]。懷玉1號葉形指數(shù)平均值是2.07，可以判斷其葉形為橢圓形，懷玉2號葉形指數(shù)平均值是3.12，可以判斷其葉形為披針形。在本試驗中，懷玉1號葉形指數(shù)平均值低于懷玉2號葉形指數(shù)平均值，而懷玉1號光合能力強(qiáng)于懷玉2號，因此，可推測三葉青2個栽培種懷玉1號和懷玉2號的葉形指數(shù)可能與其光合作用效率大小呈負(fù)相關(guān)。