西番蓮不同冠層葉片葉綠素熒光特性比較*

賴瑞云，林建忠，張雪芹，林麗霞，鐘贊華，謝志南

（福建省亞熱帶植物研究所，福建省亞熱帶植物生理生化重點公共實驗室，廈門 361006）

西番蓮（Passiflora edulis）是西番蓮科（Passifloraceae）西番蓮屬（PassifloraL.）的多年生常綠藤本攀援果樹。西番蓮果實含有豐富的蛋白質、脂肪、還原糖、有機酸、多種維生素和人體需要的氨基酸，以及鈣、鐵等多種礦質元素，富含多種揮發(fā)性芳香物質，具有醫(yī)療保健作用。西番蓮葉形奇特、四季常青，同時花果大、花形優(yōu)美、色澤艷麗、掛果期長等極具觀賞性，是當今庭院與園林建設的一種新潮園藝植物[1-3]。

我國不少地區(qū)已將西番蓮種植業(yè)列為“短、平、快”的精準扶貧項目，但總體呈現(xiàn)產量不穩(wěn)定等突出問題。西番蓮傳統(tǒng)搭架模式為十字形棚架、T 字形棚架、A 字形棚架和籬架等[4-5]，生長后期其枝條間相互纏繞，枝葉互相遮擋，生長面積和采光效率都低，通風透光差，容易發(fā)生病害，高空操作不利于整形修剪、除蟲噴藥、人工輔助授粉及果實采收。賴瑞云等[6]采用西番蓮柱狀式栽培模式，有效地避免了傳統(tǒng)栽培模式的缺陷，可有效提高西番蓮的生長面積和采光效率。西番蓮柱狀栽培枝條下垂重疊形成不同冠層。冠層是果樹最先接觸外界環(huán)境與光照的部位，是果樹光合作用的直接通道，果樹冠層內光照等環(huán)境因子的分布不同決定了其生理生態(tài)狀況及產量。蘋果[7]、核桃[8]、枇杷[9]等果樹有關冠層光合特性研究較多，而對西番蓮的研究主要集中在引種及栽培技術、病蟲害防治、產品研制以及保鮮加工技術等方面[10-12]，有關西番蓮葉綠素熒光動力學特性的研究相對較少，特別是西番蓮不同冠層光合熒光特性的研究未見報道。本試驗在黃金西番蓮柱狀栽培模式下，測定其不同冠層葉綠素熒光參數并對其進行分析研究，探究柱狀栽培模式下西番蓮不同冠層有效輻射積累，旨在為優(yōu)化西番蓮光能利用和枝條留取修剪技術方面提供理論依據和科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020 年1 月在福建省亞熱帶植物研究所西番蓮設施栽培園進行，供試品種為2 年生黃金西番蓮，種植搭架模式采用柱狀栽培新模式[6]，圓柱形定植容器高50 cm，圓柱形攀援架高120 cm，直徑為60 cm。栽植土基本養(yǎng)分為有機質含量57.9 g/kg，pH 值7.18，速效鉀含量272 mg/kg，有效磷含量620 mg/kg，水解氮含量319 mg/kg。

1.2 試驗設計

選取5 株柱狀栽培模式代表性西番蓮植株為試驗株，植株高度取中部，按東西南北4 個方向，每個方向取外、中、內3 點，設為外層、中層、里層3 個冠層，3 個冠層分別選取葉色、葉形、葉位相近的健康成熟葉片，于7：00—17：00 采用Mini-PAM型便攜式脈沖調制式葉綠素熒光分析儀（德國WALZ 公司），實時測定PSII 有效光化學量子產量（Yield）、光合電子傳遞速率（ETR）、光化學熒光猝滅系數（qP）、非光化學熒光猝滅系數（qN），每2 h 測定1 次，5 株西番蓮不同冠層重復取樣3次，每片葉片數值均記錄3 次。于20：00 測定Yield和qP，并運用葉綠素熒光誘導曲線的測定程序Light-curve 測定葉片的光響應曲線，即選用Light-curve 測定程序，按SET 鍵激活，先打開一個飽和脈沖測量Fo、Fm 和Fv/Fm，延遲一段時間后打開已設定強度的光化學來誘導熒光動力學，間隔一定時間連續(xù)打開飽和脈沖進行猝滅分析。總測定時間設定3 min，每隔22.5 s 測定1 次，1 個程序共測定完成9 個點。于結果期統(tǒng)計結果量。

待試驗植株果實成熟后依外層、中層、里層分別采果，統(tǒng)計并分析結果植株不同冠層結果總量。

1.3 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2010 進行數據處理和作圖，用SPSS 20.0 統(tǒng)計分析軟件進行Duncan’s 方差分析。

2 結果與分析

2.1 西番蓮不同冠層葉片熒光參數變化

2.1.1 實時Yield 和ETR 的日變化

從圖1 可以看出，西番蓮3 個冠層葉片的Yield值均呈先下降后上升的日變化趨勢，至13：00 時降至最低點，至17：00 時外層Yield 值最高，達0.807，此時三者間差異顯著。各測定時間西番蓮葉片的Yield 值均為外層＞中層＞里層，從外層至里層呈降低趨勢，除13：00 外層與里層差異不顯著外，在其余測定時間，外層與里層均差異顯著。

圖1 西番蓮不同冠層葉片光化學量子產量日變化

由圖2 可知，西番蓮各冠層的ETR 值均呈現(xiàn)先上升再下降的變化趨勢，與Yield 值變化趨勢相反，至11：00 三者ETR 值均達到峰值，外層高達68.47、中層為21.60、里層為2.57，外層ETR 值為中層的3.17 倍，為里層的26.64 倍，三者間差異顯著。在整個測試過程中，各測定時間西番蓮葉片的ETR 值均為外層＞中層＞里層，外層與中層、里層二者差異均達顯著水平。

圖2 西番蓮不同冠層葉片光合電子傳遞速率變化

2.1.2 實時qP 和qN 的日變化

由圖3 可知，西番蓮不同冠層葉片外層qP 值始終保持相對較高的數值，各測定時間qP 值均為外層＞中層＞里層，外層與里層差異達顯著水平。日變化趨勢qP 值與Yield 值一樣先降低再升高，外層與中層于13：00 降到一天中的最低值，里層于11：00 達到最低，然后再逐漸恢復。

圖3 西番蓮不同冠層葉片光化學熒光猝滅系數日變化

從圖4 可知，西番蓮不同冠層的qN 值日變化趨勢為先上升后下降，與qP 值日變化趨勢相反。從7：00 開始，隨光照、溫度的升高，葉片將吸收的光較多地分配到熱耗散，至11：00 時qN 值達到最高，外層qN 值高達0.615；各測定時間均為外層qN 值最高，與中層、里層的差異均達顯著水平。

圖4 西番蓮不同冠層葉片非光化學熒光猝滅系數日變化

2.2 暗適應后不同冠層西番蓮葉片Yield 和qP 的變化

從圖5 可以看出，不同冠層葉片的Yield 值變化范圍為0.728～0.810，暗適應后外層的葉片Yield值最高，達0.810，里層最低，為0.728，外層、中層間差異不顯著，二者與里層均差異顯著。暗適應后不同冠層的qP 值變化范圍為1.020～1.183，外層的qP 值最高，達1.183，和中層差異不顯著，外層、中層二者均與里層差異顯著。

圖5 暗適應后西番蓮不同冠層葉片Yield 和qP 的變化

2.3 不同冠層西番蓮葉片光響應曲線

從圖 6 可知，在光照強度增強至 200 μmol·m-2·s-1之前，3 個冠層ETR 值都呈上升趨勢，外層上升速度明顯快于中層和里層，外層葉片光響應曲線各時間段ETR 值皆比其他2 個冠層高，隨著光照強度的進一步上升而略微增加，逐漸趨于飽和。而中層、里層隨光照強度增強至 200 μmol·m-2·s-1，達到最高值，后隨著光照強度的進一步上升而逐漸下降，二者光合響應曲線在強光下表現(xiàn)為抑制型。

圖6 西番蓮不同冠層葉片光響應曲線

2.4 西番蓮不同冠層結果數比較

柱狀栽培西番蓮不同冠層的結果性狀統(tǒng)計分析見圖7，外層結果數最多，平均為160 個/株，不同冠層結果量為外層＞中層＞里層，且三者差異顯著，可見有效結果枝基本在外層。

圖7 西番蓮不同冠層結果數

3 討論與結論

果樹產量形成與成花坐果關系密切，而光合作用是影響果實產量和品質的重要因素，冠層內光照強度是影響果實產量和品質等的重要因子[7]。葉綠素熒光技術是以葉綠素熒光為探針快速、靈敏檢測植物對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等光合作用狀態(tài)，無損傷研究植物光合生理特性，評價植株光合能力強弱的技術[13]。本研究表明，在日變化過程中，3 個冠層葉片Yield 和qP 值均呈早晚高、中午低的變化趨勢，qN 值趨勢相反，說明中午發(fā)生了光抑制。實際光能轉化效率Yield 表示植物葉片光合電子傳遞的量子產額，可作為葉片光合電子傳遞速率快慢的相對指標。葉綠素熒光光化學猝滅系數（qP）代表PSII 反應中心開放的比例，反映了PSII光合色素捕獲的光能轉化為化學能的效率[14]。早晨及傍晚光強較低，葉片吸收的光能最大限度地用在光化學反應上，Yield 和qP 值較高，隨著光強及溫度的升高，葉片開始將吸收的光能較多地分配到熱耗散，11：00 時3 個冠層光強達到峰值，此時外層葉片qN 值達到峰值，13：00 時中層、里層達到峰值，時間基本吻合。qN 為非光化學猝滅系數，反映了PSII 將過剩光能轉化為熱能的能力[15]，為PSII天線色素吸收的光能以熱的形式耗散而非用于光合電子傳遞的部分[16]，是植物在高光強環(huán)境下的自我保護機制，較高的qN 值有利于植物對過剩光能的熱耗散。植物葉片出現(xiàn)非光化學猝滅是一種對其光合機構保護的機制。

西番蓮柱狀式立體栽培，提高了采光效率，產量增加明顯[6]，試驗結果表明，不同冠層結果量差異顯著，外層顯著大于中層和里層。本研究表明，柱狀栽培模式西番蓮不同冠層葉片熒光參數存在明顯差異，同一個測定時間，西番蓮不同冠層的Yield、ETR、qP 和qN 值從里層到外層逐漸增大，說明外層能吸收更多的光能，具有較高的光能轉化效率，光合活性也較強；在適應強光、抵御光抑制破壞能力方面外層優(yōu)于中層和里層，說明外層的光保護能力及反抗逆性比中層、里層強。外層的Yield、ETR、qP 和qN 值全天始終保持相對較高的水平，外層的電子傳遞速率和光合熱耗散能力比中層、里層高，說明外層受到的光抑制較輕，受脅迫后恢復能力強，能維持較高的光合活性。進一步表明外層葉片利用熱耗散保護其光合器官免受光氧化破壞的能力比中層、里層葉片強。光化學猝滅與PSII 的光化學反應密切相關，能反映PSII 穩(wěn)定原初電子受體QA 的還氧狀態(tài)，是由QA 的重新氧化所引起，qP 越大，QA 重新氧化的量就越多[17]。本研究通過比較不同冠層葉片暗適應后的Yield 和qP 值發(fā)現(xiàn)，外層值最高，里層最低，說明外層光合能力比里層強，里層光合能力弱。

ETR 為電子傳遞速率，可反映出PSII 反應中心捕獲電子的效率[18]。不同光強變化過程中，外層、中層和里層葉片對于光強變化的光響應曲線也不同，隨著光強的增加，外層葉片光響應曲線ETR 值穩(wěn)定且高于中層和里層，當光照強度超過1 000 μmol·m-2·s-1時，上升幅度減小，光飽和度為1 000 μmol·m-2·s-1。西番蓮作為起源于熱帶的草質藤本，葉片對強光的適應性最強。中層和里層光響應曲線ETR 值呈下降趨勢，說明中層、里層的光響應曲線反應中心關閉程度均增加，在較低光強下就已經達到較高關閉程度。研究表明，在同等光強條件下，植物的ETR 越高表明植株葉片可以形成的ATP 和NADPH 等活躍化學能越多，從而為暗反應進行光合碳同化提供充足能力，可加快有機物的積累和碳同化運轉效率[19]?？赡苤袑?、里層葉片電子傳遞速率降低時，產生ATP 較少，所以暗反應速率較慢，而外層葉片能較快地啟動卡爾文循環(huán)，消耗光反應產生的ATP 及NADPH[20]，使光合作用中心很快打開，ETR 能夠很快增加。

柱狀栽培西番蓮外冠層在適應強光、抵御光抑制破壞能力方面明顯優(yōu)于中層和里層，因此，可適當增強里層修剪枝條力度，降低葉片密度，保持通風透氣，有利于產量的提高。