鴉膽子雌雄株光合作用日變化特性及影響因子研究*

陳軍亮 陳家穎 陳芊芊 許鳳玲 李林鋒

（廣東海洋大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院， 廣東 湛江 524088）

鴉膽子為苦木科鴉膽子屬植物鴉膽子Brucea javanica的干燥成熟果實[1]，始載于明清時代的《生草藥性備要》，具有清熱、燥濕、殺蟲、解毒的功效，可治痢疾、久瀉、瘧疾、痔瘡、療毒，外用可治贅疣、雞眼等[2]。在臨床上對于肺癌、前列腺癌和消化道惡性腫瘤等疾病有顯著療效[3]，鴉膽子有潛在的開發(fā)利用價值和市場應(yīng)用前景。鴉膽子是雌雄異株植物，常綠或落葉小喬木或灌木，廣泛分布于我國的廣東、廣西、福建、臺灣、海南和云南等省區(qū)。鴉膽子藥材資源一直以野生為主，隨著南方各地農(nóng)戶大面積開荒種植甘蔗等經(jīng)濟作物以及開辟果園種植龍眼Dimocarpus longan、荔枝Litchi chinensis等南亞熱帶優(yōu)質(zhì)水果，原有的野生鴉膽子被大量砍伐，造成野生資源的瀕危。長期以來，鴉膽子的研究大多集中在其有效活性成分鑒定[4]、鴉膽子油提取[5]、抗癌藥物的開發(fā)[6]、藥理藥效及臨床應(yīng)用機理[7]等方面，而忽略了對其植物生物學(xué)方面的研究。

光合作用是植物重要的生理生態(tài)特性之一，是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)[8]。植物的光合特性主要包括光合速率、光合作用日變化、光飽和點、光補償點、單位面積最大凈光合速率和表觀量子效率等[8-10]。植物葉片的光合生理特性體現(xiàn)了植物的生長策略和資源利用方式，除了可以直接反映各種植物之間的內(nèi)在節(jié)律差異外，還能夠反映各種植物之間環(huán)境適應(yīng)性的差異，因此能代表各種植物的生理特性和其它環(huán)境因素對它們的綜合影響[11-13]。雌雄異株植物是指雌花和雄花分別位于不同植株上的單性花植物[14]，其種類數(shù)約占被子植物總種數(shù)的 4%～10%[15]，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。在長期的演化過程中，雌雄異株植物在生長特性、資源分配、生殖格局、生理生化特征和基因表達特性等方面具有一定的性別差異，這些差異是現(xiàn)代雌雄異株植物研究的熱點之一[16]。本試驗對鴉膽子雌雄株花果期葉片的光合作用日變化特性進行研究，分析光合生理參數(shù)與環(huán)境影響因子之間的關(guān)系，旨在揭示鴉膽子雌雄株光合作用特性差異，為鴉膽子藥材資源的人工栽培奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設(shè)在廣東海洋大學(xué)北門附近灌木林地（21°07′ 59′ N, 110° 16′59′ E )。年 平 均 氣 溫23.2 ℃，7 月最高，月均溫28.9 ℃， 1 月最低，月均溫15.5 ℃。年降水量1 523 mm，年平均日照20 000 h 以上，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏長而冬短，終年無霜雪。

1.2 試驗材料

2019 年9 月26 日—29 日，在雜灌林邊緣隨機選擇鴉膽子分布比較集中的一塊地段作為樣地，經(jīng)逐個清點，共發(fā)現(xiàn)鴉膽子植株34 棵，其中雌株11 棵，雄株23 棵。結(jié)合前期野外調(diào)查觀察及室內(nèi)實驗，鴉膽子種子自然狀態(tài)下萌發(fā)率較低。因此，野外很少有大面積集中連片分布的群落，且野外發(fā)現(xiàn)的斑塊狀聚集分布的群落多為通過地下根莖克隆生長的植株組合而成。在樣地內(nèi)選擇生長良好、無病蟲害的鴉膽子雌雄株各3 株為試驗材料。在每株樹冠中上部選擇3 個健康復(fù)葉，以每個羽狀復(fù)葉的頂端第4 或第5 片小葉為測定對象，每葉片每次重復(fù)記錄3 個穩(wěn)定的觀測值，取多次測定的平均值。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 光合和生態(tài)指標(biāo) 采用美國生產(chǎn)的Li—6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)對鴉膽子雌雄株光合生理指標(biāo)和光響應(yīng)參數(shù)進行測定。從8:00 至18:00 時 ，每隔2 h 測定1 次，考察其日變化。測定的指標(biāo)包括：葉片凈光合速率（Pn，μmol·m-2·s-1）、胞間CO2濃度（Ci，μmol·mol-1）、氣孔導(dǎo)度（Gs, mol·m-2·s-1）、蒸騰速率（Tr，mmol·m-2·s-1）、葉面大氣蒸汽壓虧缺（VPD, kPa）、葉溫（Tl, ℃）、大氣相對濕度（RH, %）和光合有效輻射（PAR, μmol·m-2·s-1）等。水分利用效率為光合速率與蒸騰速率之比。

1.3.2 光合作用-光響應(yīng)曲線及其特征參數(shù) 利用Li—6400 內(nèi)置LED 人工光源，在上午9: 00—11: 00時測定光合—光強響應(yīng)曲線，雌雄株各3 次重復(fù)。設(shè)定的光強梯度由高到低依次為 2 000、1 600、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50、20、0 μmol ·m-2·s-1，由系統(tǒng)每隔3 min 自動記錄每個光強下鴉膽子雌雄株葉片的凈光合速率。以光量子通量密度（PPFD）為橫軸、Pn為縱軸繪制光合作用光響應(yīng)曲線（Pn-PPFD 曲線）。依據(jù)經(jīng)典的Farquhar 和 Sharkey[17]模型進行Pn-PPFD 曲線擬合，求算最大凈光合速率 （Pmax，μmol·m-2·s-1）、光 補 償 點（LCP, μmol·m-2·s-1）、 光 飽 和 點（LSP, μmol·m-2·s-1）和 表 觀 量 子 效 率（AQY,mol·mol-1）等參數(shù)[18-19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 預(yù)處理數(shù)據(jù)，用SPSS 20.0 統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析，用Sigma plot 10.0 繪圖軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鴉膽子雌雄株葉片光合作用日變化

晴朗天氣下，鴉膽子雌雄株葉片Pn日變化都為單峰曲線（圖1）。其峰值均出現(xiàn)在12: 00 時左右，此后Pn隨光強的減弱而逐漸降低。雖然雌株葉片Pn日均值大于雄株，但兩者差異不顯著。雌雄株葉片Gs、Ci、Tr和VPD 的日變化大體與Pn的變化趨勢相同，也都為單峰曲線（圖1），盡管雌株各指標(biāo)的日平均值都較雄株大，但除Ci的日均值在雌雄株葉片之間存在顯著差異外，VPD、Gs和Tr的日均值都差異不顯著。與Pn的日變化趨勢相反，雄株的WUE 較雌株高，且兩者日均值之間存在顯著差異（圖1）。

圖1 鴉膽子雌雄株葉片凈光合速率及其生理生態(tài)因子的日變化Fig. 1 Daily courses of net photosynthetic rate and ecological and physiological factors in leaves of male and female Brucea javanica plant

2.2 鴉膽子雌雄株葉片凈光合速率與相關(guān)生理生態(tài)因子的關(guān)系

植物葉片凈光合速率的變化是植物自身的生理因子和外界環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果。通過對鴉膽子雌雄株葉片凈光合速率與相關(guān)生理生態(tài)因子的簡單相關(guān)分析得知：鴉膽子雌株葉片Pn與Gs、Tr、VPD、Tl和PAR 極顯著正相關(guān)，與Ci和RH 負(fù)相關(guān)。鴉膽子雄株葉片Pn與Gs、Tr、Tl和PAR 極顯著正相關(guān)，與Ci和RH 負(fù)相關(guān)（表1）。

由于植物的光合作用受多個因子的綜合影響，以二元變量計算的簡單相關(guān)系數(shù)，顯然不能準(zhǔn)確地解釋各因子間的相互關(guān)系，而逐步多元回歸分析方法能有效地從眾多影響因素中挑選出對Pn貢獻大的因子[20]。本研究中鴉膽子雌雄株葉片Pn與相關(guān)生理生態(tài)因子的逐步回歸方程分別為雌株：Pn（♀）= - 8.273+ 0.026Ci+1.486Tr+0.005 PAR (R=0.968**)，雄株：Pn（♂）=0.948+1.089Tr+0.004PAR(R=0.942**)。由上述方程可以看出，樹種性別不同，影響其凈光合作用的主要生理生態(tài)因子也不同。表2 通徑分析結(jié)果表明，影響鴉膽子雌株葉片Pn的Ci、Tr和PAR，其直接通徑系數(shù)大小依次為Tr＞PAR ＞Ci。在3 個因子中，雖然Ci對Pn的直接作用為正值（0.179），但被通過Tr（-0.405）和 PAR（-0.204）等的負(fù)間接作用所掩蓋而使其與Pn呈不顯著負(fù)相關(guān)（表1）。影響鴉膽子雄株葉片Pn的主要生理生態(tài)因子僅為Tr和PAR，其直接通徑系數(shù)大小為Tr＞PAR。與雌株葉片Ci對Pn的作用情況不同，雄株葉片Tr對Pn的直接作用為正值（0.708），且被通過 PAR（0.198）的正間接作用所增強而使其與Pn呈極顯著正相關(guān)（表1）。此外，在通徑分析中決策系數(shù)是其決策指標(biāo)，用以把各自變量對因變量的綜合作用進行排序，最終確定主要決策變量和限制變量。一般而言，決策系數(shù)最大的為主要決策變量，而決策系數(shù)小且為負(fù)值的為主要限制變量[21]。鴉膽子雌株葉片Pn的生理生態(tài)因子的決策系數(shù)順序為R2(Tr)＞R2(PAR)＞R2(Ci)，其中，R2(Ci)值小于0。所以，影響鴉膽子雌株葉片Pn日變化的決策因子為Tr和PAR，限制因子為Ci。其中Tr為主要決策因子，Ci為主要限制因子。同理，鴉膽子雄株生理生態(tài)因子的決策系數(shù)順序為R2(Tr)＞R2(PAR)。其中，R2(Tr)和R2(PAR)值均大于0，因此都為決策變量，不存在限制變量，且Tr為主要決策因子。鴉膽子雌雄株葉片Pn的主要決策因子都為Tr，這說明鴉膽子植株生長環(huán)境的土壤水分狀況對其光合作用影響較大。

表1 鴉膽子雌雄株葉片凈光合速率與生理生態(tài)因子的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficients of net photosynthetic rate and ecological and physiological factors in leaves of male and female Brucea javanica plant

表2 鴉膽子雌雄株葉片凈光合速率主要影響因子間的通徑分析Table 2 Path analysis on the net photosynthetic rate and its affecting factors of male and female Brucea javanica plant

2.3 鴉膽子雌雄株葉片凈光合速率對光照強度的響應(yīng)

由圖2 可以看出，在低光強（＜200 μmol·m-2·s-1）光照梯度下，鴉膽子雌雄株葉片的Pn均隨光照強度的增強而迅速增加，當(dāng)超過600 μmol·m-2·s-1光強后，Pn隨光強增加逐漸變緩。鴉膽子雌雄株葉片光響應(yīng)擬合參數(shù)結(jié)果見表3。從表3 可以看出，鴉膽子雌株的最大凈光合速率和光飽和點顯著高于雄株。但表觀量子效率和暗呼吸速率均小于雄株。雖如此，但兩者T 檢驗差異不顯著。雌株的有效光利用范圍較大，為459.4 μmol·m-2·s-1，雄株的有效光利用范圍較小，僅為268.7 μmol·m-2·s-1。

表3 鴉膽子雌雄株葉片光響應(yīng)參數(shù)比較Table 3 The comparison of light response parameters in leaves of male and female Brucea javanica plant

圖2 鴉膽子雌雄株葉片凈光合速率對光強的響應(yīng)Fig. 2 Responses of net photosynthetic rate to photosynthetic photo flux density (PPFD) in leaves of male and female Brucea javanica plant

3 討論與結(jié)論

自然條件下，鴉膽子雌雄株葉片Pn日變化呈單峰曲線，無光合“午休”現(xiàn)象。多元逐步回歸分析表明，雌雄株樹種不同，影響其葉片光合作用日變化的主要生理生態(tài)因子也不同。雖然鴉膽子雌雄株葉片Pn變化與PAR、Gs、Ci、Tr、VPD、RH 和Tl都有關(guān)，但Tr是鴉膽子雌雄株葉片Pn變化的主要決策因子，Ci為雌株葉片Pn變化的主要限制因子。Tr的變化雖然與PAR 和Tl有很大關(guān)系，但更多的是受制于植物生長環(huán)境的水分供應(yīng)條件。本研究中鴉膽子都為野生植株，生長在向陽的野生雜灌林中，土壤水分條件可能是其生長發(fā)育的主要限制因子。

在試驗設(shè)置的光強下，鴉膽子雌雄株葉片Pn均隨光量子通量密度的增強而增加，只是 當(dāng) 光 強 超 過600 μmol·m-2·s-1后， 其 變 化趨勢才稍有不同。雌雄株的最大凈光合速率和光飽和點有顯著差異（P＜0.01），且雌株高于雄株，而光補償點、表觀量子效率和暗呼吸速率差異不顯著。植物葉片LSP 和LCP 是植物光合能力的重要體現(xiàn)，LSP 和LCP 及其兩者的差值反映了植物對光照條件的要求及其適應(yīng)性[22]，有研究認(rèn)為LCP 值在0～10 μmol· m-2·s-1之 間 為 陰 生 植 物， 在10 μmol· m-2·s-1以上則為陽生植物[23]。本研究中，鴉膽子雌雄株的LCP 大于30 μmol· m-2·s-1，顯示了陽生植物的特性。這和野外觀察到的鴉膽子多分布于曠野、路邊、灌叢中或疏林生境中的實際情況一致。表觀量子效率（AQY）能夠反應(yīng)植物葉片對弱光的利用能力。AQY 越大，表明該植物吸收與轉(zhuǎn)換光能的色素蛋白復(fù)合體可能越多，利用弱光的能力越強[24-25]。對于長勢良好的植物，AQY 值一般在0.040～0.070 之間[26]。本研究中，鴉膽子雌雄株的AQY 值都在上述區(qū)間之內(nèi)，這說明鴉膽子雌雄株葉片的光能利用效率都較大，尤其是雄株對弱光的利用能力更強。

雌雄異株植物不同性別間往往在存活率、形態(tài)特征、生理生化特性、物候期和資源分配模式等方面有差異[27]，但鴉膽子雌雄株在營養(yǎng)生長期從形態(tài)特征上看不出有任何差異，只有等到開花結(jié)果時才能辨別出雌雄。柳躍[28]2013 年跟蹤測定了鴉膽子雌雄株葉片4 月到9 月的可溶性糖、可溶性蛋白，葉綠素、丙二醛含量及POD 和CAT 活性的變化，但上述指標(biāo)6 個月的平均值T 檢驗結(jié)果都表明雌雄株之間差異不顯著。本研究結(jié)果表明，鴉膽子雌株的日最大同化速率（15.2 μmol· m-2· s-1）大于雄株（10.8 μmol· m-2· s-1），盡管兩者Pn日均值差異不顯著，但還是雌株大于雄株，這可能與鴉膽子雌株果實的庫效應(yīng)有關(guān)。果實的存在可提高光合作用，增加氣孔開放度和減少葉片的呼吸消耗[29]，這和本文的研究結(jié)果一致。鴉膽子雄株的水分利用效率較雌株高，且兩者日均值之間存在顯著差異（P＜0.05）。這和文獻報道的在相同的田間條件下，酒神菊樹Baccharis dracunculifolia雌株受到的水分脅迫較輕，但在干旱條件下雄株的水分利用效率更高[30]的情況相似。

綜上所述，鴉膽子雌雄株葉片光合作用日變化趨勢基本一致，都為單峰曲線，沒有光合“午休”現(xiàn)象。作為喜光陽性樹種，鴉膽子對水分脅迫比較敏感，且雄株較雌株的水分和光能利用效率較高。有關(guān)水分、養(yǎng)分脅迫條件下鴉膽子雌雄株的適應(yīng)性差異今后將做進一步的研究。