窩兒七的光合作用與環(huán)境因子間的關(guān)系研究*

孫濤 雷瑞祥 劉永 裴青青

(陜西中醫(yī)藥大學(xué)，陜西 咸陽 712046)

窩兒七為小檗科山荷葉屬植物南方山荷葉(DiphylleiasinensisH.L.Li)的根及根莖，產(chǎn)于湖北、陜西等地，生長于海拔1880～3700米的落葉闊葉林、針葉林、竹叢或灌叢下。根莖具有清熱、涼血、活血、止痛以及瀉下作用。主治腰腿疼痛、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、跌打損傷、月經(jīng)不調(diào)等癥[1]。窩兒七中主要化學(xué)成分有鬼臼毒素、去氫鬼臼素、β-谷甾醇、山柰酚糖苷、山荷葉素糖苷、鼠李檸檬素、鼠李素和閉木花酮、棕櫚酸、3-O-甲基-槲皮素等[2]。其中的黃酮類化合物具有直接抑菌、協(xié)同抑菌及抑制細(xì)菌毒性等作用[3]，鬼臼毒素類物質(zhì)具有良好的抗腫瘤和抗免疫活性[4]，因此窩兒七藥材具有廣闊的應(yīng)用前景。

如何提高中藥材的品質(zhì)與產(chǎn)量一直是當(dāng)前的研究熱點，目前對窩兒七的化學(xué)成分活性，有效成分的含量、藥效等方面研究較多[5-6]，未見有關(guān)其光合作用研究報道，光對植物的形態(tài)建成和生殖器官的發(fā)育影響很大，光合作用的產(chǎn)物是藥用植物生長發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，光合作用強(qiáng)弱直接決定藥用植物的產(chǎn)量[7]，所以研究窩兒七的光合作用有利于了解其生長規(guī)律。本文以小檗科植物窩兒七的葉片為研究材料，對窩兒七凈光合速率日變化及其環(huán)境因子的相互關(guān)系進(jìn)行研究，揭示環(huán)境因子對窩兒七葉片的光合特性的日變化規(guī)律，為選擇合理的栽培環(huán)境和栽培種源提供依據(jù)。

實驗研究在2018年7月25日,在太白縣塘口村進(jìn)行試驗，塘口村處于秦嶺鰲山北麓，由栓皮櫟、蒙古櫟、華山松和樺樹形成落葉闊葉林，全年降雨在1000 mL左右，溫度-30 ℃～20 ℃之間，窩兒七生長于林下陰濕環(huán)境中。試驗材料選擇上層功能葉片，連續(xù)晴天之后進(jìn)行相關(guān)光合試驗。材料經(jīng)陜西中醫(yī)藥大學(xué)中藥資源學(xué)教研室王西芳教授鑒定為小檗科植物南方山荷DiphylleiasinensisH.L.Li。

1 方法

1.1光合參數(shù)日變化測定 采用便攜式光合測定儀(TARGAS-1,USA)，從8∶00～18∶00每隔1 h測定自然條件下窩兒七葉片的光合日變化。測定的指標(biāo)主要有：凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)以及主要環(huán)境因子，包括光合有效輻射(PAR)、大氣溫度(Ta)、空氣相對濕度(RH)、大氣CO2濃度(Ca)等。測定前選擇5株健壯植株，選取生長部位相同、向陽角度一致的5片葉片進(jìn)行活體測定，測定時保持葉片自然生長角度不變，結(jié)果為5次測定的平均值。同時計算窩兒七葉片水分利用率(WUE=Pn/Tr)及氣孔限制值(Ls=1-Ci/Ca)。

1.2光響應(yīng)曲線的測定 被測葉片在自然光強(qiáng)下適應(yīng)2 h，于晴朗天氣的上午9∶00～11∶00測定光響應(yīng)曲線，溫度和CO2濃度采用自然條件。光合有效輻射(PAR)采用便攜式光合測定儀內(nèi)置紅藍(lán)光源控制，光照強(qiáng)度梯度設(shè)為0、50、100、200、300、400、600、800、1000、1200、1500、2000 μmol·m-2·s-1，葉片選擇同上。

1.3數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2007和SPSS 20.0軟件進(jìn)行正交數(shù)據(jù)處理分析。

2 結(jié)果和分析

2.1光合有效輻射(PAR)日變化 由圖1可知，窩兒七葉片光合有效輻射(PAR)日變化的規(guī)律呈現(xiàn)“單峰”曲線。8∶00～9∶00光合有效輻射呈現(xiàn)快速上升狀態(tài)，9∶00=～10∶00=光合有效輻射沒有變化，10∶00～12∶00光合有效輻射快速上升，在12∶00達(dá)到最大值(1631 μmol·m-2·s-1)，12∶00～14∶00光合有效輻射緩慢降低，14∶00～17∶00光合有效輻射快速降低，18∶00時測得光合有效輻射最小值(213 μmol·m-2·s-1)。

圖1 光合有效輻射(PAR)日變化

2.2大氣溫度(Ta)日變化 溫度對植物的生長發(fā)育至關(guān)重要，過高或過低的溫度會對植物的光合特性產(chǎn)生顯著影響[8]。由圖2可知，大氣溫度(Ta)隨著時間的不斷推移，變化趨勢與PAR變化基本一致，其變化范圍在15.2～31.3℃之間，8∶00～12∶00大氣溫度快速上升并于12∶00達(dá)到最大值，12∶00～15∶00大氣溫度保持平穩(wěn)狀態(tài)，15∶00～18∶00大氣溫度快速下降。

圖2 大氣溫度(Ta)日變化

2.3空氣相對濕度(RH)日變化 研究表明，空氣相對濕度較高的早晨光合速率不高，認(rèn)為這除了與光照有關(guān)外，還與空氣相對濕度大，蒸騰速率低，不利于光合產(chǎn)物在植株體內(nèi)的運輸有關(guān)[9]。由圖3可知，空氣相對濕度(RH)的變化趨勢與光合有效輻射和大氣溫度的變化趨勢呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，8∶00=空氣相對濕度最大(58.34%)，8∶00=～13∶00=隨著大氣溫度與光有效輻射的不斷增大，空氣相對濕度不斷降低，13∶00=～15∶00=相對平緩，14∶00=測得其最小值(35%)，15∶00=～18∶00=隨著大氣溫度與光有效輻射的降低，空氣相對濕度快速上升。

圖3 空氣相對濕度(RH)日變化

2.4大氣CO2濃度(Ca)日變化 如圖4分析可以得出，大氣CO2濃度(Ca)的變化趨勢與空氣相對濕度變化趨勢類似，其變化范圍為385.94～469.52 μmol·m-2·s-1，8∶00=大氣CO2濃度最大，8∶00=～11∶00=大氣CO2濃度逐漸降低，并于11∶00=達(dá)到最小值(385.94 μmol·m-2·s-1)，11∶00=～13∶00=大氣CO2濃度逐漸上升，變化速率相對緩慢，13∶00=～18∶00=大氣CO2濃度變化不大，保持平穩(wěn)。CO2是植物生長發(fā)育和生理活動的關(guān)鍵因子，研究表明，大氣CO2濃度升高會增強(qiáng)植物光合作用[10]。

圖4 大氣CO2濃度(Ca)日變化

2.5凈光合速率(Pn)日變化 凈光合速率是表示光合作用強(qiáng)弱變化的核心指標(biāo)之一[11]。由圖5可知，窩兒七葉片凈光合速率Pn日變化呈“單峰”曲線，8∶00=～10∶00=凈光合速率呈上升趨勢，8∶00=～13∶00=凈光合速率上升減慢，并于13∶00=達(dá)到最大值16.21 μmol·m-2·s-1，13∶00=～18∶00=凈光合速率快速下降，于18∶00=到達(dá)最小值8.22 μmol·m-2·s-1。

圖5 凈光合速率(Pn)日變化

2.6氣孔導(dǎo)度(Gs)日變化 氣孔是植物水分和CO2氣體交換的重要通道，氣孔導(dǎo)度是決定植物光合作用強(qiáng)度和水分蒸騰強(qiáng)度的重要因素[12]。由圖6可知，窩兒七葉片氣孔導(dǎo)度與凈光合速率日變化規(guī)律基本一致，以“單峰”的形式表現(xiàn)出來。8∶00=～9∶00=氣孔導(dǎo)度呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，9∶00=～11∶00=快速上升并達(dá)到峰值0.56 μmol·m-2·s-1，從11∶00=～18∶00=一直下降并達(dá)到最小值0.12 μmol·m-2·s-1，晚上18∶00=的氣孔導(dǎo)度明顯小于早8∶00=的氣孔導(dǎo)度數(shù)值。

圖6 氣孔導(dǎo)度(Gs)日變化

2.7蒸騰速率(Tr)日變化 蒸騰作用主要涉及植物水分的吸收和有機(jī)物的運輸過程，是營養(yǎng)物質(zhì)在植物體內(nèi)運輸?shù)闹饕獎恿?蒸騰速率的大小反映植物吸收和運輸能力的強(qiáng)弱[13]。由圖7可知，窩兒七葉片蒸騰速率Tr日變化曲線與PAR和Ta的趨勢基本一致，也呈“單峰”曲線。8∶00=～13∶00=蒸騰速率持續(xù)上升，13∶00=出現(xiàn)高峰值7.30 μmol·m-2·s-1，13∶00=～14∶00=蒸騰速率呈緩慢下降趨勢，14∶00=～18∶00=蒸騰速率快速下降，18∶00=到達(dá)最小值1.98 μmol·m-2·s-1，18∶00=的蒸騰速率稍大于8∶00=的蒸騰速率。

圖7 蒸騰速率(Tr)日變化

2.8胞間CO2濃度(Ci)日變化 由圖8可知，窩兒七葉片胞間CO2濃度(Ci)日變化呈現(xiàn)“雙峰”。8∶00=～9∶00=胞間CO2濃度迅速上升，達(dá)到第一個峰值411.62 μmol·m-2·s-1，9∶00=～11∶00=胞間CO2濃度緩慢下降，11∶00=～13∶00=緩慢上升到第二個峰值412.19μmol·m-2·s-1，谷底出現(xiàn)在11∶00=左右，13∶00=～18∶00=緩慢下降到最小值98.43 μmol·m-2·s-1，18∶00=時，胞間CO2濃度數(shù)值最低，低于8∶00=的胞間CO2濃度數(shù)值，谷底的胞間CO2濃度數(shù)值高于8∶00=的胞間CO2濃度數(shù)值。胞間CO2濃度是光和生理生態(tài)研究中經(jīng)常用到的一個重要參數(shù)，特別是在光合作用氣孔限制分析中，Ci的變化方向是確定光合速率變化是否為氣孔因素的的主要原因[14]。

圖8 胞間CO2濃度(Ci)日變化

2.9水分利用率(WUE)日變化 由圖9可知，窩兒七葉片水分利用率WUE在8∶00=最大，其WUE數(shù)值為10.00 μmol·mol-1，8∶00=～10∶00=水分利用率隨著時間的延長而逐漸降低，10∶00=～11∶00=水分利用率有緩慢上升的趨勢并達(dá)到第一個峰值3.75 μmol·mol-1，11∶00=～14∶00=水分利用率又開始緩慢降低保持相對穩(wěn)定，14∶00=～15∶00=水分利用率緩慢上升并達(dá)到第二個峰值2.80 μmol·mol-1，15∶00=～17∶00=緩慢下降保持相對穩(wěn)定，17∶00=～18∶00=迅速上升并達(dá)到最大值4.00 μmol·mol-1，明顯低于8∶00=時水分利用率。有研究表明，空氣濕度通過影響蒸騰速率來影響水分利用率，空氣濕度越低，水分利用率越高[15]。

圖9 水分利用率(WUE)日變化

2.10氣孔限制(Ls)日變化 在水分脅迫條件下，由于氣孔導(dǎo)度的限制，導(dǎo)致胞間CO2濃度不能滿足光合作用的需求[16]。窩兒七葉片氣孔限制(Ls)日變化規(guī)律如圖10，呈現(xiàn)“雙峰”曲線，8∶00=～9∶00=氣孔限制迅速下降，9∶00=～12∶00=氣孔限制緩慢下降保持穩(wěn)定，于12∶00=達(dá)到最小值，其Ls數(shù)值為0.01，12∶00=～18∶00=氣孔限制開始上升，于18∶00=達(dá)到最大值0.69，18∶00=的氣孔限制值明顯大于8∶00=的氣孔限制值。

圖10 氣孔限制(Ls)日變化

2.11窩兒七葉片凈光合速率與影響因子的相關(guān)性分析 生理生態(tài)因子共同作用會引起植物的凈光合速率(Pn)的影響，通過對窩兒七葉片凈光合速率及其主要生理生態(tài)因子進(jìn)行多元相關(guān)性分析(表1)，通過Pn與各影響因子間的數(shù)值相關(guān)分析可知，窩兒七葉片凈光合速率數(shù)值日變化相關(guān)性分析，與Gs呈極顯著正相關(guān)(r=0.749，P<0.01)，與Ci呈極顯著正相關(guān)(r=0.860，P<0.01)，與Tr呈極顯著正相關(guān)(r=0.817，P<0.01)，PAR呈極顯著正相關(guān)(r=0.932，P<0.01)，與RH呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.628，P<0.05)，與Ta呈極顯著正相關(guān)(r=0.782，P<0.01)，與Ls呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.898，P<0.01)。分析結(jié)果表明，Pn與主要影響因子PAR，Tr，Gs，Ci，呈正相關(guān)，與Ca、RH呈負(fù)相關(guān)。比較各影響因子與窩兒七葉片凈光合速率Pn的相關(guān)性大小排序為：PAR>Ci>Tr>Ta>Gs>Ca>WUE>RH>Ls，表明光合有效輻射、胞間CO2濃度、蒸騰速率、大氣溫度、氣孔導(dǎo)度是影響窩兒七葉片凈光合速率Pn的主要影響因子。

表1 窩兒七葉片凈光合速率與影響因子的相關(guān)分析

2.12窩兒七葉片的光響應(yīng) 窩兒七的光合-光響應(yīng)曲線為圖11,Pn最大時其數(shù)值為Pmax21.42 μmol·m-2·s-1,此時的光照強(qiáng)度PAR數(shù)值為2000 μmol·m-2·s-1，但在所測的光強(qiáng)范圍內(nèi),窩兒七并未出現(xiàn)光飽和點。當(dāng)光照強(qiáng)度PAR為零時凈光合速率Pn為-2.24 μmol·m-2·s-1,即為光補(bǔ)償點LCP，此時是窩兒七葉片進(jìn)行暗呼吸作用。在0～400 μmol·m-2·s-1時，窩兒七葉片的凈光合速率Pn隨著光照強(qiáng)度PAR的增強(qiáng)而呈顯著上升趨勢，400～1200 μmol·m-2·s-1時，窩兒七葉片的凈光合速率Pn隨著PAR的增強(qiáng)而緩慢上升，1200～2000 μmol·m-2·s-1時，凈光合速率Pn變化較小，趨于穩(wěn)定。

圖11 窩兒七葉片光合速率―光合有效輻射響應(yīng)曲線

3 討論

光合作用是綠色植物重要的生理特征，太陽是綠色植物光合作用所需能量的直接來源，適宜的光照可以保證植物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，遮陰對植物的光合作用、形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理特性等都有顯著影響[17]。本研究結(jié)果表明，窩兒七葉片的凈光合速率呈現(xiàn)“單峰”形式，存在微弱的“光和午休”現(xiàn)象，這與窩兒七的生存環(huán)境有直接的關(guān)系。窩兒七為林下植物，由圖2，3，5，6，7可知，在8∶00=～11∶00=，隨著光有效輻射和溫度的上升，氣孔導(dǎo)度逐漸增大，蒸騰速率上升，空氣相對濕度逐漸變小，凈光合速率不斷上升，說明溫度上升有利于光合速率的增加，這與徐振鋒[18]等人的研究相一致。凈光合速率和光合有效輻射強(qiáng)度的日變化均為先升后降的趨勢，這是因為光有效輻射強(qiáng)度改變引起溫度、空氣相對濕度等環(huán)境因子的變化，而空氣相對濕度可以影響氣孔導(dǎo)度，并控制CO2攝入量，進(jìn)一步影響植物的光合速率[19]。11∶00=～13∶00=，隨著溫度和光有效輻射繼續(xù)增加，蒸騰速率也在升高，空氣相對濕度保持恒定，氣孔導(dǎo)度開始緩慢下降，凈光合速率逐漸保持相對穩(wěn)定。大氣CO2濃度的變化趨于穩(wěn)定。通過對窩兒七葉片凈光合速率與影響因子的相關(guān)分析，得出光合有效輻射、胞間CO2濃度、蒸騰速率、大氣溫度、氣孔導(dǎo)度是影響窩兒七葉片凈光合速率Pn的主要影響因子，Pn與Gs呈極顯著正相關(guān),與RH呈負(fù)相關(guān),說明空氣相對濕度大會抑制氣孔開閉，減少光合作用。窩兒七葉片在其適宜光合作用時，氣孔打開，氣孔導(dǎo)度變大，當(dāng)相對濕度逐漸飽和，溫度升高，不宜光合作用時，氣孔逐漸閉合，氣孔導(dǎo)度變小，說明窩兒七是氣孔限制型植物。

本文采用便攜式光合測定儀對窩兒七葉片進(jìn)行光合參數(shù)日變化的測定，揭示環(huán)境因子對窩兒七葉片光合特性的日變化規(guī)律，為選擇合理的栽培生境和適宜的種植條件提供了有力的依據(jù)，也為提高窩兒七藥材品質(zhì)奠定基礎(chǔ)。