3種觀賞性石斛的光合特性比較研究*

秦惠珍，鄒 蓉，鄧麗麗，楊一山，柴勝豐，蔣 強，羅亞進**

(1.廣西壯族自治區(qū)中國科學(xué)院廣西植物研究所，廣西喀斯特植物保育與恢復(fù)生態(tài)學(xué)重點實驗室，廣西桂林 541006；2.廣西雅長蘭科植物國家級自然保護區(qū)管理中心，廣西百色 533209)

石斛屬DendrobiumSw.是蘭科植物中僅次于石豆蘭屬的第二大屬，為多年生草本植物。石斛屬植物野生資源主要分布在云南、廣西和貴州[1]，廣西野生石斛資源非常豐富，其中以蘭科命名的廣西雅長蘭科植物國家級自然保護區(qū)石斛屬植物有9種，呈局部集中、整體零星分布的特點；石斛對生存環(huán)境要求嚴(yán)格，大多分布在海拔450-900 m的溫涼高濕地帶，受溫度、光照、土壤等環(huán)境因子影響較大[2]。野生石斛大都存在不同程度的生境破碎、人為采挖嚴(yán)重等現(xiàn)象，野生石斛資源急劇減少。石斛屬植物多兼具藥用、食用與觀賞價值，市場需求量大。由于石斛屬植物生境特殊，生長發(fā)育緩慢，野生資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足市場的需求。石斛屬研究領(lǐng)域廣，目前關(guān)于石斛屬植物的研究有化學(xué)成分[3,4]、親緣關(guān)系及分子鑒定[5-7]、代謝途徑[8,9]、內(nèi)生真菌及菌根真菌[10,11]和光合生理特性研究[12-14]。針對石斛屬植物，雖然從生理生化方面進行了較多的研究，但關(guān)于其可再生資源研究較少，且主要集中在組織培養(yǎng)方面。迄今已有部分石斛屬植物在組織培養(yǎng)上取得試管苗，如鐵皮石斛、姬美石斛、兜唇石斛和細(xì)莖石斛等[15-19]，但大多數(shù)石斛屬植物的組培苗存在移栽成活率低，難以在生產(chǎn)中大規(guī)模使用等問題。因此，摸清石斛野外生長所需要的環(huán)境條件及其生理特性，對攻克石斛屬植物的規(guī)模化栽培具有重要意義。光合作用是植物進行生長的必要條件，對石斛屬植物的產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要影響[20]。影響光合作用的溫度、光照、水分、環(huán)境中CO2濃度等環(huán)境因素均會影響石斛屬植物的生長，米斛、鐵皮石斛和銅皮等3種霍山石斛的最佳生長環(huán)境條件為濕度80%左右，高光強、高溫和低濕度均會抑制其生長；低溫會對報春石斛造成一定程度的脅迫，導(dǎo)致其光合作用效率降低[21]；增大CO2濃度有利于促進霍山石斛的生長[22]。

疊鞘石斛DendrobiumdenneanumKerr.、流蘇石斛D.fimbriatumHook.和束花石斛D.chrysanthumWall.ex Lindl.在廣西樂業(yè)縣繁育效果良好，花朵艷麗、開花周期長，觀賞價值高，具有廣闊的市場前景，因此本研究選用這3種石斛作為研究對象。通過研究不同光合有效輻射(Photosynthetically Active Radiation，PAR)和不同CO2濃度對疊鞘石斛、流蘇石斛和束花石斛等3種觀賞性石斛光合特性的影響，旨在摸清3種石斛對光照強度和CO2濃度的需求規(guī)律，找出其生長的適宜光照范圍和CO2濃度，為其栽培馴化、良種繁育及規(guī)?；N植等提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于2021年4月，在廣西雅長蘭科植物國家級自然保護區(qū)蘭花繁育實驗中心進行試驗，地理位置為24°51′ N，106°22′ E，海拔為940 m。試驗地年平均氣溫16.3℃，年平均降水量為1 051.7 mm，年平均日照1 467.0 h，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。

1.2 材料

選取廣西雅長蘭科植物國家級自然保護區(qū)蘭花繁育實驗中心3年生疊鞘石斛、流蘇石斛和束花石斛的栽培植株，株高均為80-100 cm，每個物種選取5株作為待測植株，選取3-5片中上部位成熟葉片進行測定。

1.3 方法

1.3.1 光響應(yīng)曲線測定

于晴天上午9：00-11:30使用Li-6400 XT便攜式光合儀(Li-XT，USA)進行測定，采用LED紅藍光源葉室，將PAR設(shè)定為1 600 μmol·m-2·s-1、1 400 μmol·m-2·s-1、1 200 μmol·m-2·s-1、1 000 μmol·m-2·s-1、800 μmol·m-2·s-1、600 μmol·m-2·s-1、400 μmol·m-2·s-1、200 μmol·m-2·s-1、150 μmol·m-2·s-1、100 μmol·m-2·s-1、80 μmol·m-2·s-1、60 μmol·m-2·s-1、40 μmol·m-2·s-1、20 μmol·m-2·s-1、0 μmol·m-2·s-115個梯度，CO2濃度控制在400 μmol·mol-1。采用自動測量系統(tǒng)Auto Prog，設(shè)定最大等待時間300 s、最小等待時間120 s。每個物種測量3株植物，每株植物測量一個葉片，測定對應(yīng)的凈光合速率(Pn)、光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)、表觀量子效率(AQY)和暗呼吸速率(Rd)等光合特性指標(biāo)。

1.3.2 CO2響應(yīng)曲線測定

使用Li-6400 XT便攜式光合儀中的CO2自動測量系統(tǒng)測定3種石斛屬植物的CO2響應(yīng)曲線，每種植物測量3個重復(fù)，光照強度設(shè)定為600 μmol·m-2·s-1，CO2濃度梯度設(shè)為50 μmol·mol-1、100 μmol·mol-1、150 μmol·mol-1、200 μmol·mol-1、300 μmol·mol-1、400 μmol·mol-1、600 μmol·mol-1、800 μmol·mol-1、1 000 μmol·mol-1、1 200 μmol·mol-1、1 600 μmol·mol-1、2 000 μmol·mol-1，設(shè)定最大等待時間300 s、最小等待時間120 s，測定對應(yīng)的Pn。

1.3.3 葉綠素相對含量測定

選取3種石斛屬植物中上部位的健康成熟葉片，用SPAD-502 Plus葉綠素計(MINOLTA，Japan)對3種石斛屬植物葉片進行SPAD值測量，每張葉片測量6個位置，每種植物測5株。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用WPS 2019的Excel軟件進行數(shù)據(jù)整理及初步分析，采用Origin 9.1作圖，采用IBM SPSS Statistics 23軟件進行多重比較分析，用直角雙曲線修正模型[23]擬合3種石斛屬植物的光響應(yīng)曲線及CO2響應(yīng)曲線，利用光合計算4.1.1軟件計算光響應(yīng)曲線及CO2響應(yīng)曲線擬合值及光合參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 光響應(yīng)曲線

疊鞘石斛、流蘇石斛和束花石斛光響應(yīng)曲線擬合的決定系數(shù)(R2)均達到0.95以上，擬合效果較好。3種石斛的光響應(yīng)曲線隨PAR的變化趨勢存在一定差異(圖1)。其中束花石斛的Pn隨PAR的變化最明顯，在PAR為0-200 μmol·m-2·s-1時，Pn隨PAR的增加呈現(xiàn)直線上升的趨勢；在PAR為200-400 μmol·m-2·s-1時，Pn隨PAR的增加呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢；隨后Pn隨PAR的增加呈現(xiàn)下降的趨勢?？梢?，強光照會導(dǎo)致束花石斛光合作用受到限制，光合作用能力下降。流蘇石斛和疊鞘石斛的光響應(yīng)曲線呈現(xiàn)相似的變化趨勢，在PAR為0-200 μmol·m-2·s-1時，Pn隨PAR的增加呈現(xiàn)直線上升的趨勢，隨后Pn隨PAR的增加緩慢上升最后趨于穩(wěn)定。疊鞘石斛、流蘇石斛和束花石斛3種石斛的最大凈光合速率(Pmax)分別為3.54 μmol·m-2·s-1、3.86 μmol·m-2·s-1、4.03 μmol·m-2·s-1，無顯著性差異(表1)。

表1 3種石斛屬植物光響應(yīng)曲線特征參數(shù)

圖1 3種石斛屬植物的光響應(yīng)曲線

植物光合作用光飽和點(LSP)和光補償點(LCP)的差值越大，表明植物利用的光照強度范圍越大，光合作用能力越強[24]。3種石斛的LCP具有顯著性差異(P<0.05)，其中束花石斛的LCP最低，表明其對弱光的利用能力最強。3種石斛的LSP具有顯著性差異(P<0.05)，其中，疊鞘石斛LSP最高，其對強光的利用能力最強，其次為束花石斛，流蘇石斛對強光的利用能力最弱，強光容易導(dǎo)致流蘇石斛發(fā)生光抑制現(xiàn)象。疊鞘石斛、流蘇石斛和束花石斛的LSP與其LCP的差值分別為992.94 μmol·m-2·s-1、675.70 μmol·m-2·s-1、711.49 μmol·m-2·s-1，可見疊鞘石斛利用光照強度的范圍最廣，在生產(chǎn)中可根據(jù)光照特點擴大其栽培范圍。3種石斛的表觀量子效率(AQY)差異較大，疊鞘石斛和流蘇石斛對弱光的利用能力顯著低于束花石斛(P<0.05)。3種石斛間的暗呼吸速率(Rd)具有顯著性差異(P<0.05)，其中流蘇石斛的Rd顯著高于疊鞘石斛和束花石斛，流蘇石斛進行暗呼吸作用消耗有機物的能力顯著高于其他兩種石斛。

2.2 CO2響應(yīng)曲線

疊鞘石斛、流蘇石斛和束花石斛的CO2響應(yīng)曲線擬合的決定系數(shù)(R2)均在0.94以上，曲線的擬合效果較好。3種石斛的Pn變化趨勢隨CO2濃度(50-2 000 μmol·mol-1)的增加存在明顯差異。疊鞘石斛的Pn隨CO2濃度(50-2 000 μmol·mol-1)的增加呈現(xiàn)直線上升的趨勢，但CO2濃度并未達到飽和狀態(tài)。流蘇石斛的Pn在CO2濃度為0-400 μmol·mol-1時緩慢上升；之后隨著CO2濃度增加，呈現(xiàn)直線上升趨勢，但CO2濃度并未達到飽和狀態(tài)。束花石斛的Pn在CO2濃度為0-400 μmol·mol-1時緩慢上升，同流蘇石斛的Pn變化趨勢一致；在CO2濃度為400-500 μmol·mol-1時，呈現(xiàn)直線上升趨勢；之后隨著CO2濃度的增加，呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，但CO2濃度未達到飽和狀態(tài)(圖2)。可見，3種石斛中疊鞘石斛Pn增長最快，且CO2濃度高或低時，Pn增長沒有顯著變化；流蘇石斛的Pn增長趨勢居中，但其利用低濃度CO2的能力較弱；束花石斛的Pn增長趨勢最緩慢，且其利用低濃度和高濃度CO2的能力均較弱。

圖2 3種石斛屬植物光合作用CO2響應(yīng)曲線

表2反映了3種石斛屬植物的光合作用對CO2胞間濃度響應(yīng)的特征參數(shù)。3種石斛的初始羧化效率(β)的大小依次為疊鞘石斛>流蘇石斛>束花石斛，但疊鞘石斛和流蘇石斛的β沒有顯著性差異。最大凈光合速率(Amax)反映了植物利用CO2進行光合作用的能力，3種石斛的Amax大小依次為疊鞘石斛>流蘇石斛>束花石斛，且疊鞘石斛和流蘇石斛的Amax分別為束花石斛的2.29和2.52倍。CO2補償點(CCP)和CO2飽和點(CSP)是判斷植物是否具有高光合速率的一個指標(biāo)[25]。一般來說，具有高光合效率的植物具有較低的CCP和較高的CSP。3種石斛的CSP沒有顯著性差異，且均在2 400 μmol·m-2·s-1以上。3種石斛的CCP具有顯著性差異，疊鞘石斛的CCP最小(100.12 μmol·m-2·s-1)，流蘇石斛的CCP最大(158.02 μmol·m-2·s-1)。疊鞘石斛、流蘇石斛和束花石斛的CSP與其CCP的差值分別為2 575.40 μmol·m-2·s-1、2 257.69 μmol·m-2·s-1、2 697.45 μmol·m-2·s-1，綜合分析CCP和CSP可知，3種石斛的光合效率相近。流蘇石斛的光呼吸速率(Rp=1.57 μmol·m-2·s-1)顯著大于疊鞘石斛和束花石斛，但遠(yuǎn)不及耐強光植物的光呼吸速率[26]，3種石斛的光呼吸速率均較低，可能與其耐陰性有關(guān)。

表2 3種石斛屬植物CO2響應(yīng)曲線特征參數(shù)

2.3 葉綠素相對含量

由圖3可知，3種石斛屬植物葉片的SPAD值表現(xiàn)為束花石斛與流蘇石斛無顯著性差異，與疊鞘石斛具有顯著性差異；其中束花石斛的SPAD值(58.06)最大，疊鞘石斛的SPAD值(51.09)最小。3種石斛的SPAD值變化趨勢與光響應(yīng)曲線中的凈光合速率變化趨勢一致。

圖3 3種石斛屬植物的SPAD值

3 討論

光質(zhì)作為能源對植物生長至關(guān)重要，植物利用光能進行光合作用，為包括人在內(nèi)的所有生命提供能量[27]。但不同植物對光量子的吸收能力不一樣，當(dāng)植物吸收的光能大于其化學(xué)反應(yīng)所需要的能量時，由于有部分光能未能被消耗，就會產(chǎn)生光抑制現(xiàn)象，光抑制的程度取決于光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心與光合機構(gòu)保護機制的運轉(zhuǎn)破壞兩方面的平衡狀態(tài)[28]。陽生植物具有較強的光合作用能力，一方面是因為在強光下其仍能提高光合效率，利用更多的光能;另一方面是其能增加熱耗散，消滅過剩光能，維持光系統(tǒng)平衡[29]。陰生植物光合能力較弱，主要是因為其對強光的利用能力較弱，對強光特別敏感，具有強光不耐受性，在強光下光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到破壞[30]。陰生植物一般對弱光具有較強的耐受能力，典型的陰生植物其光飽和點、光補償點均較低[31]。本研究中，疊鞘石斛、流蘇石斛和束花石斛的光飽和點均低于1 000 μmol·m-2·s-1，光補償點均小于5 μmol·m-2·s-1，3種石斛的光飽和點和光補償點均較低，為典型的陰生植物[32]，具有較強的耐陰性，可能與其長期生長在陰濕的樹干、有苔蘚覆蓋的巖石壁上有關(guān)，是長期與環(huán)境相互作用的結(jié)果，且強光下表現(xiàn)出一定的不適應(yīng)性。AQY是度量植物對弱光利用能力的指標(biāo)，AQY值越大，表明植物吸收與轉(zhuǎn)換光能的色素蛋白復(fù)合體越多，利用弱光能力越強[33]。本研究中束花石斛的AQY顯著高于其他兩種石斛，表明束花石斛對弱光的利用能力最強。暗呼吸速率(Rd)是指植物在光照強度為0時，單位時間內(nèi)通過呼吸消耗氧氣和有機物生成二氧化碳的量[34]。暗呼吸速率反映植物在黑暗條件下消耗有機物的程度[35]，本研究中3種石斛的暗呼吸速率(Rd)具有一定的顯著性差異，表現(xiàn)在流蘇石斛與疊鞘石斛、束花石斛差異顯著，而疊鞘石斛與束花石斛之間差異不顯著，但3種石斛的Rd較低，均小于0.5 μmol·m-2·s-1，可能與石斛屬植物的耐陰性和整體光合能力較弱有關(guān)。

植物碳同化受Rubisco活性和RuBP再生速率的限制，初始羧化效率(β)反映植物胞間CO2濃度為50 μmol·mol-1時植物Rubisco的量及酶活性，β越高，植物光合作用對低濃度CO2的利用能力越強[36,37]。本研究中疊鞘石斛和流蘇石斛的β顯著高于束花石斛，表明疊鞘石斛和流蘇石斛對CO2的利用能力比束花石斛高，束花石斛在CO2濃度低的環(huán)境中生長容易受到限制，因此在生長實踐活動中可以采取CO2加富等措施增加其CO2濃度，以提高束花石斛產(chǎn)量。CSP和CCP是光合作用中植物對CO2利用能力的表現(xiàn)[38]，CSP反映了植物利用CO2進行光合作用能力的強弱，其值越高，利用的能力越強；CCP是反映植物利用CO2能力的重要指標(biāo)，CCP越低表明植物利用低濃度CO2進行光合作用時，其干物質(zhì)積累能力越強。本研究中，3種石斛的CSP沒有顯著性差異，均處于較高值，可見，3種石斛利用CO2的能力較強。疊鞘石斛的CCP最低，表明其利用低濃度CO2進行光合作用時，其干物質(zhì)積累能力較強。

植物的光合能力還與葉片的葉綠素含量密切相關(guān)[39]，而葉片的葉綠素含量與其綠色度值(SPAD值)具有顯著相關(guān)性[39]，高葉綠素含量的植物具有競爭優(yōu)勢[40]，利用SPAD-葉綠素檢測儀測定蘭科植物葉片的葉綠素含量，是較為便捷且不損傷葉片的方法[41]。在本研究的3種石斛中，疊鞘石斛的SPAD值最小，其在光響應(yīng)曲線中的Pmax也最?。皇ㄊ腟PAD值最大，其在光響應(yīng)曲線中的Pmax也最大，說明3種石斛的凈光合速率與SPAD值存在一定的正相關(guān)性。

4 結(jié)論

本研究中，3種石斛屬植物的最大凈光合速率無顯著性差異，且葉片SPAD值與其凈光合速率有一定程度的相關(guān)性。3種石斛屬植物均具有較強的耐陰性。3種石斛的凈光合速率均隨著CO2濃度的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，且在測定的范圍內(nèi)均沒有達到飽和點，因此在種植這3種石斛時，可以采用CO2加富來促進其生長。除此之外，疊鞘石斛的光照強度適應(yīng)范圍最廣，對強光的利用能力最強，栽植時可擴大其栽培范圍；束花石斛在弱光下其光合作用能力最強，耐陰性最強，在栽培時可將其栽植在林間較陰的樹下、石縫等地。流蘇石斛的光合作用能力處于中等水平，光補償點高、光飽和點低，對光照的適應(yīng)范圍較狹窄，栽植時可根據(jù)其特性選擇光照環(huán)境條件以提高產(chǎn)量。