8個(gè)金蕎麥種質(zhì)光合及光響應(yīng)曲線特性研究

陳可可, 黃 宣, 黃莉娟, 孫小富, 趙麗麗,2

(1.貴州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院， 貴陽(yáng) 550025； 2.國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心， 貴州 貴陽(yáng) 550001)

光合作用是植物通過(guò)光系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)換為化學(xué)能，并為生命活動(dòng)提供必要物質(zhì)的復(fù)雜生理過(guò)程。光合能力是植物在生長(zhǎng)環(huán)境下生理狀況的綜合體現(xiàn)，是衡量不同植物間的光合差異性以及所受環(huán)境脅迫程度的重要指標(biāo)[1-2]。光合研究中常使用凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)等來(lái)表征植物的生長(zhǎng)狀態(tài)，其中凈光合速率可直接反映植物光合能力[3]。植物的光響應(yīng)曲線反映了其葉片凈光合速率隨著光合有效輻射(PAR)改變而變化的規(guī)律[4]，從中可獲得光飽和點(diǎn)(LCP)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LSP)、暗呼吸速率(Rd)以及光合量子效率等光合生理參數(shù)，進(jìn)而可以了解植物的光合能力及規(guī)律特征，推斷出植物的光合潛力[5-6]，探究植物光合作用和光響應(yīng)機(jī)制對(duì)評(píng)價(jià)植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性具有重要意義[7]。近年來(lái)，有關(guān)植物光合-光響應(yīng)曲線的研究較多，葉英林等[8]對(duì)辣椒光合-光響應(yīng)曲線研究發(fā)現(xiàn)，紫色辣椒對(duì)強(qiáng)光具有良好的適應(yīng)性，不易出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象，暗呼吸消耗較小，光合潛力大，有利于有機(jī)物積累。唐慶蘭等[9]對(duì)斑皮檸檬光合-光響應(yīng)曲線研究發(fā)現(xiàn)，種源19666的LCP最低，弱光利用能力強(qiáng)，種源19691、19694和19666的LSP較高，對(duì)強(qiáng)光利用能力強(qiáng)。因此，研究植物光合-光響應(yīng)曲線及特征參數(shù)對(duì)后期植物選育、栽培管理具有重要意義。

金蕎麥(Fagopyrumdibotrys)為寥科(Polygonaceae)蓼屬(Polygonum)植物，作為野生種質(zhì)資源在我國(guó)西南部地區(qū)分布廣泛[10]，不僅含有大量蛋白質(zhì)、維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而且具有較高的藥用價(jià)值[11]。金蕎麥塊莖內(nèi)含有的類黃酮次生代謝物質(zhì)，具有顯著的抗癌作用，還能夠起到消炎抗菌等作用[12]。金蕎麥被廣泛用于畜牧行業(yè)，在畜禽健康養(yǎng)殖過(guò)程中起到重要作用，其提取物能抑制豬腸道中的炎癥上皮細(xì)胞促炎性因子TNF-α、IL-8和IL-6的表達(dá)，對(duì)抗炎因子IL-10的表達(dá)有促進(jìn)作用[13]，也有研究指出將其用于雞養(yǎng)殖中，不僅能促進(jìn)雞的生長(zhǎng)發(fā)育還能增強(qiáng)雞的抗病能力[14]。但近年來(lái)，由于野生金蕎麥資源未得到充分保護(hù)，金蕎麥已經(jīng)被列為國(guó)家二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物，而且其人工栽培種的生態(tài)適應(yīng)性、產(chǎn)量和品質(zhì)等方面仍不能滿足市場(chǎng)需求[15]。隨著無(wú)抗養(yǎng)殖目標(biāo)的提出，藥用、飼用價(jià)值較高的金蕎麥種質(zhì)保護(hù)、開(kāi)發(fā)利用引起研究人員的重視，現(xiàn)有研究主要集中在栽培[16-17]、遺傳育種[18]、藥理作用[19]、不同部位的開(kāi)發(fā)利用[20]等方面，鮮見(jiàn)對(duì)不同種質(zhì)的野生金蕎麥光合特性的研究。本試驗(yàn)以8個(gè)不同金蕎麥種質(zhì)資源為材料，比較其對(duì)光適應(yīng)范圍和對(duì)光能的利用能力，為野生金蕎麥的保護(hù)、引種及開(kāi)發(fā)利用等提供科學(xué)建議及理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

貴州省貴陽(yáng)市貴州大學(xué)西校區(qū)，北緯26°11′～26°34′，東經(jīng)106°27′～106°52′，海拔約1 100 m，日照充分，屬于亞熱帶濕潤(rùn)溫和型氣候，年平均氣溫為15.9 ℃，年平均雨水量為1 129.5 mm。試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為紅壤。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

所選材料是項(xiàng)目組經(jīng)抗旱、耐熱性評(píng)價(jià)篩選獲得的西南地區(qū)8個(gè)不同金蕎麥優(yōu)良種質(zhì)，移植試驗(yàn)地后，按常規(guī)水肥條件進(jìn)行培養(yǎng)，參照喬光等[21]對(duì)馬尾松和唐榮莉等[22]對(duì)辣椒的命名方式來(lái)命名，來(lái)源地如表1所示。

1.3 光合作用-光響應(yīng)曲線及相關(guān)參數(shù)的測(cè)定

每個(gè)種質(zhì)金蕎麥植株中選取生長(zhǎng)良好一致、受光照方向一樣的成熟葉片，使用Li-6400光合作用測(cè)定儀器(美國(guó)Li-cor公司制造)，于2019年7月選擇日照充足的天氣于07：30—10：00時(shí)進(jìn)行光響應(yīng)測(cè)定，摘取受光方向一致的成熟葉片，每個(gè)種質(zhì)測(cè)3株，每個(gè)葉片重復(fù)測(cè)3次。測(cè)量時(shí)參考外部的環(huán)境情況，使葉室內(nèi)氣溫保持在(26±2)℃，CO2的濃度在400 μmol/s，流速為500 μmol/s，PAR從低到高設(shè)置為(0、120、250、500、1 000、1 500、2 000、2 500)μmol /s，每個(gè)光合有效輻射下適應(yīng)3～5 min后進(jìn)行光響應(yīng)測(cè)定。測(cè)定Pn、Gs、Ci和Tr。光合測(cè)量?jī)x器自動(dòng)保存相關(guān)光合參數(shù)數(shù)據(jù)信息，水分利用率則由公式(WUE)=Pn/Tr獲得。

1.4 光響應(yīng)曲線擬合模型

參照葉子飄等[23]提出的直角雙曲線修正模型對(duì)光響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行擬合，該模型的公式為

式中，Pn為凈光合速率；α為光響應(yīng)曲線的初始斜率；β為修正系數(shù)；γ為一個(gè)與光強(qiáng)無(wú)關(guān)的系數(shù)；I為光合有效輻射；Rd為暗呼吸。

運(yùn)用軟件《光合計(jì)算器4.1.1》[24]光合作用對(duì)光響應(yīng)模塊對(duì)8個(gè)金蕎麥種質(zhì)材料葉片的光響應(yīng)曲線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出表觀量子效率(AQE)、最大凈光合速率(Pnmax)、光飽和點(diǎn)(LSP)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)、暗吸速率(Rd)及決定系數(shù)(R2)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Micrisoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，利用SPSS 20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和多重比較，Sigmaplot 14.0軟件作光響應(yīng)曲線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 8個(gè)金蕎麥種質(zhì)光合作用相關(guān)參數(shù)的光響應(yīng)分析

2.1.18個(gè)金蕎麥種質(zhì)Pn的光響應(yīng)曲線

由圖1可知，8個(gè)種質(zhì)的Pn差異較大，當(dāng)PAR在0～250 μmol/(m2·s)時(shí)，8個(gè)金蕎麥種質(zhì)的Pn曲線均處于快速增長(zhǎng)階段，根據(jù)Pn大小，8個(gè)金蕎麥種質(zhì)分成了三個(gè)不同的水平。JQM 2、JQM 4和JQM 7處于較高的水平，三者的差異較小，JQM 8處于中等水平，JQM 1、 JQM 3、JQM 5、JQM 6則處于較低的水平。隨著光合有效輻射的增加，JQM 2、JQM 8、JQM 6在到達(dá)飽和后趨于穩(wěn)定，處于一個(gè)平臺(tái)期。JQM 1則呈下降趨勢(shì)，出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象，其余4個(gè)種質(zhì)在到達(dá)飽和后均有加速上升后下降趨勢(shì)。

圖1 8個(gè)金蕎麥種質(zhì)的Pn光響應(yīng)曲線

2.1.28個(gè)金蕎麥種質(zhì)Gs和Tr的光響應(yīng)曲線

由圖2可知，隨PAR的增加，JQM 2、JQM 4、JQM 7的Gs曲線呈逐漸上升趨勢(shì)，且明顯高于其他種質(zhì)， JQM 3趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)，當(dāng)PAR為0～250 μmol/(m2·s)時(shí)JQM 1呈快速上升趨勢(shì)，250 μmol/(m2·s)以后呈平穩(wěn)趨勢(shì);當(dāng)PAR為0～2 000 μmol/(m2·s)時(shí)JQM 8、JQM 5呈平穩(wěn)趨勢(shì)，2 000 μmol/(m2·s)以后，JQM 8呈快速上升趨勢(shì)，而JQM 5有略微上升趨勢(shì)。JQM 2、JQM 4、JQM 7的Tr曲線隨PAR的增加呈逐漸上升趨勢(shì)，且高于其余種質(zhì)，當(dāng)PAR為0～250 μmol/(m2·s)時(shí)JQM 1呈上升趨勢(shì)，250 μmol/(m2·s)以后有略微下降趨勢(shì)。當(dāng)PAR為0～1 500 μmol/(m2·s)時(shí)JQM 3、JQM 5、JQM 6、JQM 8趨于平穩(wěn)，1 500 μmol/(m2·s)以后，JQM 5呈先上升后下降趨勢(shì)，JQM 3、JQM 6、JQM 8呈略微上升趨勢(shì)。JQM 8的金蕎麥種質(zhì)的Tr光響應(yīng)曲線與Gs光響應(yīng)曲線較為相似。

圖2 8個(gè)金蕎麥種質(zhì)的Gs和Tr光響應(yīng)曲線

2.1.38個(gè)金蕎麥種質(zhì)Ci的光響應(yīng)曲線

由圖3可知，當(dāng)PAR為0～250 μmol/(m2·s)時(shí)，8個(gè)金蕎麥種質(zhì)的Ci光響應(yīng)曲線均呈現(xiàn)急速下降趨勢(shì)。250 μmol/(m2·s)以后，JQM 1、JQM 2、JQM 4、JQM 5、JQM 7等5個(gè)種質(zhì)的變化趨勢(shì)相一致，都有緩慢的上升趨勢(shì)，JQM 6則在該區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)較為平穩(wěn)， JQM 3和JQM 8的Ci曲線高于其余6個(gè)種質(zhì)，兩者呈現(xiàn)出波浪狀的緩慢下降趨勢(shì)，當(dāng)PAR為2 500 μmol/(m2·s)時(shí)，8個(gè)金蕎麥種質(zhì)的曲線接近，無(wú)明顯差異。

圖3 8個(gè)金蕎麥種質(zhì)Ci的光響應(yīng)曲線

2.1.48個(gè)金蕎麥種質(zhì)WUE的光響應(yīng)曲線

8個(gè)金蕎麥種質(zhì)的WUE曲線隨PAR的增加快速上升后趨于平穩(wěn)后降低。在PAR為0～250 μmol/(m2·s)時(shí)，8個(gè)種質(zhì)，除JQM 3呈略微上升趨勢(shì)，在PAR為500 μmol/(m2·s)時(shí)達(dá)到峰值，其余的7個(gè)種質(zhì)的WUE均呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)。當(dāng)PAR為250～2 500 μmol/(m2·s)時(shí)，除JQM 3其余的都呈略微下降的趨勢(shì)；而JQM 3在PAR為500～2 500 μmol/(m2·s)時(shí)呈略微下降的趨勢(shì)，JQM 5的WUE在PAR為1 500～2 000 μmol/(m2·s)時(shí)下降的幅度較其他7個(gè)金蕎麥種質(zhì)更為明顯，在PAR為2 500 μmol/(m2·s)時(shí)，JQM 1、JQM 2、JQM 4、JQM 7的WUE相對(duì)較高，JQM 3、JQM 8最低，其余2個(gè)金蕎麥種質(zhì)處于中等水平。

圖4 8個(gè)金蕎麥種質(zhì)WUE的光響應(yīng)曲線

2.2 8個(gè)金蕎麥種質(zhì)的光合響應(yīng)曲線的特征參數(shù)

使用光合計(jì)算器，采用直角雙曲線修正模型獲得8個(gè)金蕎麥種質(zhì)光響應(yīng)曲線的特征參數(shù)，詳見(jiàn)表2。所有金蕎麥種質(zhì)的R2均大于0.923，說(shuō)明擬合效果較好[25]。光合過(guò)程中，光響應(yīng)曲線特征參數(shù)是植物光合的重要指標(biāo)。LCP為凈光合速率Pn為0時(shí)的PAR值，是衡量植物利用弱光能力的指標(biāo)，LCP越低，說(shuō)明該植物對(duì)弱光的利用能力越強(qiáng)[26]。JQM 2的LCP最低，為18.46 μmol/(m2·s)，顯著低于各種質(zhì)(p<0.05)，JQM 3的LCP最高，為35.01 μmol/(m2·s)，其余各種質(zhì)由低到高排序?yàn)镴QM 6、JQM 5、JQM 8、JQM 1、JQM 7、JQM 4。JQM 4的LSP最高為1 706.70 μmol/(m2·s)，顯著高于除JQM 5外的其余各種質(zhì)，JQM 1的LSP最低，為617.39 μmol/(m2·s)，其余各種質(zhì)由高到低排序?yàn)镴QM 5、JQM 8、JQM 3、JQM 2、JQM 7、JQM 6。植物的LCP越低，而LSP越高，說(shuō)明植物利用光照的范圍更廣。8個(gè)種質(zhì)中，JQM 5利用光能的范圍最廣[1 675.48 μmol/(m2·s)]，JQM 1利用光能的范圍最窄[584.41 μmol/(m2·s)]。JQM 2的Pnmax最大為6.43 μmol/(m2·s)，顯著高于其余各種質(zhì)，說(shuō)明JQM 2光合能力最強(qiáng)，JQM 5的Pnmax最小，為2.53 μmol/(m2·s)。JQM 4的AQE最大，為0.083 μmol/(m2·s)，其次為JQM 1，這兩個(gè)種質(zhì)間差異不顯著，JQM 8的AQE最小，為0.040 μmol/(m2·s)，顯著低于除JQM 3外的其余各種質(zhì)。

表2 8個(gè)金蕎麥種質(zhì)的光合響應(yīng)曲線特征參數(shù)

2.3 8個(gè)金蕎麥種質(zhì)光合氣體交換參數(shù)

由表3可知，JQM 1和JQM 2的Pn分別為13.33 μmol/(m2·s)和11.16 μmol/(m2·s),顯著大于其他6個(gè)金蕎麥種質(zhì)，JQM 3的Pn處于最低水平,為4.21 μmol/(m2·s)。JQM 1的Gs最高,為0.19 mmol/(m2·s)，顯著高于JQM 3、JQM 5、JQM 6、JQM 7，JQM 3的Gs最低,為0.04 mmol/(m2·s)。JQM 4的Ci最高,為266.78 mmol/(m2·s)顯著高于JQM 3，JQM 4的Tr最大,為3.69 mmol/(m2·s)顯著高于JQM 3。

表3 8個(gè)金蕎麥種質(zhì)的氣體交換參數(shù)比較

3 討 論

3.1 8個(gè)金蕎麥種質(zhì)Pn的比較

光合作用是綠色植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中必不可少的基礎(chǔ)生理活動(dòng)，各項(xiàng)光合特性參數(shù)是反映植物生長(zhǎng)過(guò)程的重要指標(biāo)。光合模型則是研究植物光合效率的一個(gè)重要工具，對(duì)探究植物光合響應(yīng)機(jī)制具有重要的意義[23]。前人對(duì)光響應(yīng)曲線的研究主要有兩種情況，一是當(dāng)光合速率到達(dá)飽和點(diǎn)后，光合速率隨光合有效輻射在一定范圍的增大而不再變化，表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的狀態(tài)，另外一種是繼續(xù)增加光強(qiáng)，光合速率表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，表現(xiàn)出光抑制的現(xiàn)象[27-28]。本試驗(yàn)中8個(gè)金蕎麥種質(zhì)的Pn光響應(yīng)曲線比較發(fā)現(xiàn)，8個(gè)種質(zhì)均有“快速響應(yīng)階段”，其中7個(gè)有“平穩(wěn)”階段，1個(gè)出現(xiàn)了光抑制現(xiàn)象，8個(gè)種質(zhì)的“快速響應(yīng)階段”對(duì)應(yīng)的PAR區(qū)間為0～250 μmol/(m2·s)，PAR為250～500 μmol/(m2·s)時(shí)，8個(gè)種質(zhì)Pn增幅變小，500 μmol/(m2·s)后JQM 1有明顯下降趨勢(shì)，出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象。其余種質(zhì)均表現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)，其中JQM 2、JQM 4、JQM 7的Pn無(wú)明顯差異遠(yuǎn)高于其他5個(gè)種質(zhì)。JQM 1的結(jié)果與周勇輝等[29]對(duì)桂花的研究一致，另外7個(gè)種質(zhì)的結(jié)果與袁建民等[30]對(duì)余甘子的研究一致。

3.2 8個(gè)金蕎麥種質(zhì)Gs、Tr及Ci的比較

本研究表明， 在PAR為0～250 μmol/(m2·s)時(shí)，8個(gè)種質(zhì)的Gs呈快速上升趨勢(shì)，表明各種質(zhì)在弱光環(huán)境下將作為光合反應(yīng)底物的CO2迅速消耗，這也解釋了為何各金蕎麥種質(zhì)Ci在低PAR條件下呈急劇下降趨勢(shì)，因?yàn)楦鹘鹗w麥種質(zhì)為了補(bǔ)充反應(yīng)底物進(jìn)而提高植物葉片與大氣之間的氣體交換速率，Tr上升，同時(shí)WUE增加；隨著PAR持續(xù)升高各種質(zhì)的Gs表現(xiàn)出不同差異，其中JQM 2、JQM 4、JQM 7的Gs曲線呈逐漸上升趨勢(shì)，且明顯高于其他種質(zhì)，JQM 3趨于平穩(wěn)趨勢(shì)，JQM 1、JQM 6呈上升后趨于平穩(wěn)趨勢(shì)，JQM 8、JQM 5呈平穩(wěn)后上升趨勢(shì)。生理參數(shù)的差異性說(shuō)明了各種質(zhì)遺傳性不同，在同一條件下表現(xiàn)出不同的適應(yīng)性。

3.3 8個(gè)金蕎麥種質(zhì)WUE的比較

WUE是衡量植物在同一環(huán)境條件下適應(yīng)環(huán)境能力的指標(biāo)[31]。本研究中，8個(gè)金蕎麥種質(zhì)的WUE存在一定差異性，當(dāng)PAR為0～250 μmol/(m2·s)時(shí)8個(gè)金蕎麥種質(zhì)的WUE呈快速上升趨勢(shì)，說(shuō)明這8個(gè)金蕎麥種質(zhì)為適應(yīng)弱光環(huán)境通過(guò)快速提高WUE、Tr、氣體交換速率來(lái)補(bǔ)充光合反應(yīng)底物。當(dāng)PAR在250～1500 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)8個(gè)金蕎麥種質(zhì)趨于平穩(wěn)趨勢(shì)，而在2 000 μmol/(m2·s)以后有略微降低趨勢(shì)，但JQM 7仍保持較高的WUE，JQM 3的WUE最低，說(shuō)明JQM 7具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，JQM 3對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力較弱。這與陳曉英等[32]對(duì)紫堇研究結(jié)果一致。

3.4 8個(gè)金蕎麥種質(zhì)光合特征參數(shù)的比較

植物的LCP和LSP反映植物對(duì)光照強(qiáng)度的要求[33]。Pn是反映植物光合能力的重要參數(shù)[7]。一般陽(yáng)生植物的LSP為360～450 μmol/(m2·s)或更高；LCP為9～18 μmol/(m2·s)或更高[34]，本研究中，8個(gè)金蕎麥種質(zhì)的LCP范圍為18.46～35.01 μmol/(m2·s)，LSP范圍為617.39～1 706.70 μmol/(m2·s)，均屬陽(yáng)性植物，在全光條件下都有較強(qiáng)的適應(yīng)性。這與沈立明等[35]對(duì)獨(dú)蒜研究結(jié)果一致。本研究中，JQM 2、JQM 6的LCP較低，對(duì)弱光利用能力強(qiáng)，在弱光環(huán)境下適應(yīng)能力更強(qiáng)。其中JQM 1、JQM 2兩個(gè)種質(zhì)的Pn較高，光合能力強(qiáng)；JQM 4的LCP、LSP相對(duì)較高，對(duì)強(qiáng)光利用能力強(qiáng)；JQM 5的LCP較低，LSP較高，說(shuō)明對(duì)光強(qiáng)利用范圍最廣，其余種質(zhì)的LCP、LSP一般，對(duì)強(qiáng)光、弱光利用能力一般。

4 結(jié) 論

通過(guò)光響應(yīng)曲線和所獲得的光合參數(shù)分析可得，8個(gè)金蕎麥種質(zhì)都為喜光植物，隨著PAR的增加JQM 1產(chǎn)生了光抑制現(xiàn)象，不宜種植于強(qiáng)光環(huán)境下，JQM 2、JQM 6的LCP較低，對(duì)弱光利用能力強(qiáng)，說(shuō)明其在培育過(guò)程中，適宜種植于遮陽(yáng)地塊，JQM 4的LCP、LSP相對(duì)較高，對(duì)強(qiáng)光利用能力強(qiáng)，適宜種植于全光環(huán)境下。JQM 5的LCP較低，LSP較高，對(duì)光能利用范圍最廣，在兩種地塊下能都較好的生長(zhǎng)。