干旱脅迫對藥用植物馬比木葉片光合特性的影響

高漸飛，周 瑋，孫 燕，李 浪

(1. 貴州科學(xué)院 貴州省山地資源研究所， 貴州 貴陽 550001； 2. 貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工商管理系， 貴州 貴陽 550008)

0 引言

光合作用是綠色植物制造有機物的重要途徑，植物生長發(fā)育過程中可將光能轉(zhuǎn)化為可存儲的化學(xué)能，為植物的生命活動提供最初的營養(yǎng)[1-2]。水分是影響植物的生長發(fā)育狀態(tài)及各種生理活動的重要因素之一，也是限制植物在自然界中分布和影響其生產(chǎn)力的一個重要因素。然而植物本身對水分的需要與其所在環(huán)境的水分條件經(jīng)常處于矛盾之中，水分不足或過多都會影響植物的光合作用，限制其正常生長[3]。植物在受干旱脅迫影響后，其葉片光合作用會產(chǎn)生明顯響應(yīng)[4]。其主要表現(xiàn)有光合酶的活性降低，凈光合速率顯著降低，延緩植物的正常生長[5-6]；氣孔阻力增大和CO2交換速率下降，抑制了葉片的擴展及干物質(zhì)的積累[7]；胞間CO2濃度的變化，氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率逐漸降低，影響植物的生長發(fā)育[8]。因此，了解干旱脅迫下植物光合作用特性響應(yīng)規(guī)律，對構(gòu)建適合其生長的環(huán)境具有重要意義。

馬比木(Nothapodytespittosporoides(Oliv.) Sleum.)為茶茱萸科假柴龍樹屬植物，又名海桐假柴龍樹、公黃珠子、追風(fēng)傘等。分布在貴州、湖南、湖北等海拔230～1 100 m的山谷、陰坡等太陽直射少的陰濕地帶，其對環(huán)境要求相對嚴格，生長緩慢。分布地多為喀斯特石山區(qū)，土壤以黑色石灰土為主，生境較為脆弱，一旦破壞，難以恢復(fù)。馬比木以根入藥，民間常用于祛風(fēng)除濕、理氣散寒，主治風(fēng)寒濕痹、浮腫疝氣、關(guān)節(jié)疼痛等病癥[9-10]。近年來從根中提取的喜樹堿類藥物在臨床上廣泛用于治療原發(fā)性肝癌、胃癌等多種惡性腫瘤及艾滋病[11-13]，使其成為極具價值的抗腫瘤藥物資源；加之其喜樹堿含量遠高于喜樹果(之前喜樹堿主要從中提取)，從而致其遭受嚴重?zé)o序采挖，種質(zhì)資源毀滅性減少，現(xiàn)今已十分稀少，瀕臨滅絕[13-16]。當(dāng)前，關(guān)于馬比木研究主要在繁育技術(shù)[17-18]、喜樹堿的提取及含量測定方法[14-15]、內(nèi)生真菌研究[19-20]和藥效成分分析[21]等幾個方面。自然環(huán)境中馬比木多分布在陰濕地帶，其是否對土壤水分和光照強度有特殊要求，有待進一步研究。研究采用LI-6400光合儀測定馬比木葉片在不同干旱條件、不同光照強度脅迫下的光合特性，分析其凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度等響應(yīng)變化，探尋其適合的土壤水分條件以及光照強度，對進一步了解其對干旱適應(yīng)性及開展規(guī)?；灾簿哂兄笇?dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與處理

供試馬比木樹齡7～8 a。野生植株原生長于貴州省萬山區(qū)，2014年11月移植(苗齡2～3 a，地徑0.3～0.5 cm，苗高25～40 cm)至貴州省貴陽市貴州科學(xué)院(貴州省貴陽市云巖區(qū))樓頂露天栽植，容器為口徑25 cm、高30 cm塑料缽，土壤為林下去除掉落物層的腐殖土。栽植后適時澆水，至2016年3月未見明顯生長。隨即移栽至覆蓋85%遮陽網(wǎng)塑料大棚，至7月新稍超過20 cm，生長旺盛。隨后定期修剪，樹高控制1.4 m以下，2018年12月從塑料大棚取苗后移栽于32 cm×30 cm(口徑×高)的樹脂塑料花缽中，用林下腐殖土和黃壤(w/w=1∶1)栽培，置于貴州科學(xué)院實驗室陽臺，定期澆水，長勢良好。2019年10月8日(苗齡7～8 a，地徑3～5 cm)分批次噴灑充分澆足水，之后讓其自然干旱；第二日起，每2日測定葉片的光響應(yīng)曲線，同時記錄土壤水分含量(體積含水量)，選擇其中6個水分梯度的光響應(yīng)曲線進行分析。

1.2 測定項目及方法

土壤含水量：采用ML3-KIT便攜式土壤水分速測儀(感應(yīng)區(qū)域高度5.5 cm×直徑7.0 cm)分別測定距主干3～5 cm的周邊東南西北4個方向土壤含水量，取平均值。

光響應(yīng)曲線的測定：設(shè)置紅藍光源模擬設(shè)定光合有效輻射(PAR)次為1 400、1 200、1 000、900、800、700、600、400、200、100、50、0 μmol/(m2·s)，每株(共3株)選取長勢和光照接近部位3片成熟葉片，利用LI-6400便攜式光合系統(tǒng)測定各處理的光響應(yīng)曲線。測量時間為9:30—12:00，采用開放式氣路，大氣CO2濃度保持在394～402 μmol/mol。機器自動記錄凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)等參數(shù)，設(shè)置讀數(shù)時間3 s，每次記錄3～5個數(shù)值。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Origin 2018繪制不同土壤水分條件下各光合指標(biāo)數(shù)據(jù)(Pn、Ci、Tr和Gs)和水分利用率(water use efficiency,WUE;Pn/Tr)的變化圖，進一步分析其內(nèi)在規(guī)律。采用Excel 2016對弱光條件下光合速率進行直線回歸，得到光補償點(light compensation point,LCP)和表觀量子效率(the apparent quantum efficiency,AQE)，根據(jù)Pn-PAR光響應(yīng)曲線以及弱光時回歸直線與最大凈光合速率直線交點估計光飽和點(light saturation point,LSP)[22-23]，并對所需數(shù)值進行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對凈光合速率的影響

在不同干旱程度下，馬比木葉片凈光合速率在PAR為0～200 μmol/(m2·s)之間呈快速上升趨勢，200～600 μmol/(m2·s)輻射段上升趨勢變慢，之后逐漸達到極大值4.09～7.16 μmol/(m2·s)，見圖1。在干旱過程中，凈光合速率Pn先下降后逐步升高再迅速降低，當(dāng)土壤含水量至10.5%時達最大值7.16 μmol/(m2·s)；隨之，當(dāng)含水量減小為9.6%時，Pn值迅速下降至最小值4.09 μmol/(m2·s)。土壤水分31.3%～10.5%之間，隨著干旱進行Pn逐漸升高至最活躍狀態(tài)，繼續(xù)干旱脅迫后Pn值迅速降至最低；土壤含水量為10.5%時,馬比木可能進入適度的水分虧缺范圍，可視其為耐干旱的極值。

圖1 土壤水分對馬比木凈光合速率的影響Fig. 1 Effect of soil moisture on net photosynthetic rate of N. pittosporoides

2.2 干旱脅迫對胞間CO2濃度的影響

干旱脅迫對胞間CO2濃度Ci的影響見圖2。

圖2 土壤水分對馬比木胞間CO2濃度的影響Fig. 2 Effect of soil moisture on the internal CO2 concentration of N. pittosporoides

PAR 在0～200 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)呼吸作用所積存的CO2濃度消耗極快，200～600 μmol/(m2·s)之間Ci下降趨勢變緩，PAR >600 μmol/(m2·s)后，Ci變化趨于平穩(wěn)。土壤含水量在31.3%～22.0%之間，隨著干旱進行Ci總體上呈現(xiàn)上升趨勢至最高；之后出現(xiàn)回落，至9.6%時Ci陡降至最低(約175 μmol/(m2·s))。土壤含水量10.5%及以上的5個實驗組之間的Ci均值無顯著性差異(P>0.05)，而9.6%實驗組與其他各組的Ci均呈現(xiàn)差異顯著(P<0.05)；表明對于Ci值來說，22.0%是其光合活躍點，而10.5%是耐干旱極值點。

2.3 干旱脅迫對蒸騰速率的影響

圖3中所示，隨著干旱脅迫的進行，蒸騰速率Tr整體變化呈下降趨勢，但隨著輻射強度的增加呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。土壤含水量28.9%實驗組Tr變化最快，9.6%實驗組Tr下降最慢，31.3%實驗組Tr偏弱。進一步看，PAR在0～100 μmol/(m2·s)范圍時，除了9.6%實驗組，其余各組的Tr均減小；PAR在100～600 μmol/(m2·s)之間，各組的Tr均呈逐步增加趨勢；在600～900 μmol/(m2·s)輻射段，除9.6%實驗組，其余各組Tr均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這可能由氣孔開合度引起，表明在此輻射范圍內(nèi)氣孔變化較活躍。此外，該區(qū)間變化趨勢與葉面溫度變化基本一致，說明蒸騰速率與葉面溫度相關(guān)，其隨溫度升高而增大。

圖3 土壤水分對馬比木蒸騰速率的影響Fig. 3 Effect of soil moisture on the transpiration rate of N. pittosporoides

2.4 干旱脅迫對氣孔導(dǎo)度的影響

從圖4可以看出，隨著干旱進行，氣孔導(dǎo)度Gs整體呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢。

圖4 土壤水分對氣孔導(dǎo)度的影響Fig. 4 Effect of soil moisture on the stomatal conductance of N. pittosporoides

當(dāng)PAR強于100 μmol/(m2·s)時，Gs開始隨著PAR的增加而升高，而后呈平穩(wěn)趨勢。PAR <600 μmol/(m2·s)時，土壤含水量22.0%時Gs最大；PAR 在600～1 400 μmol/(m2·s)之間，含水量10.5%實驗組的Gs已升至接近最高，至PAR為 1 200 μmol/(m2·s)時其超過22.0%實驗組至最高值。而土壤含水量9.6%實驗組Gs一直明顯低于其他組，其中與10.5%實驗組相比更是表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)，說明10.5%是保持光合活性的耐旱極值，10.5%～22.0%是氣孔導(dǎo)度活性較佳土壤水分。

2.5 干旱脅迫對水分利用效率的影響

圖5為水分利用率(WUE)變化趨勢圖。

圖5 土壤水分對水分利用效率的影響Fig. 5 Effect of soil moisture on water use efficiency of N. pittosporoides

由圖5可知，低含水量WUE值較高,土壤含水量為10.5%時WUE值最大(約11 mmol/mol)，土壤含水量為28.9%時，WUE值最小(約6 mmol/mol)，兩組之間的WUE值之間存在顯著性差異(P<0.05)。在PAR為0～200 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)，WUE快速升高，隨后變化相對平緩。與前幾個光合指標(biāo)變化趨勢相比，土壤含水量25.8%實驗組WUE高于22.0%實驗組。整體上看，高土壤含水量的2個實驗組(28.9%和31.3%)WUE<較高的2組(22.0%和25.8%)WUE<較低實驗組(10.5%)；而9.6%實驗組WUE幾乎與31.3%實驗組持平，雖然其光合效率低，但水分利用效率相對高。土壤含水量10.5%是6組實驗中水分利用最高效的，表明適當(dāng)干旱可以提高馬比木的水分利用效率。

2.6 不同干旱脅迫的光響應(yīng)參數(shù)

表1中，在干旱脅迫過程中，最大凈光合速率(取平穩(wěn)變化階段的均值)呈現(xiàn)“減-增-減”的趨勢，在土壤含水量10.5%時達到最大值6.91 μmol/(m2·s)；22.0%時次之，為6.69 μmol/(m2·s)；含水量低至9.6%時,最大凈光合速率出現(xiàn)最小值3.97 μmol/(m2·s)。說明馬比木的光合作用有其適合的土壤水分范圍，且對干旱響應(yīng)較為迅速。

隨著干旱的進行，表觀量子效率(AQE)整體呈減小趨勢，值得注意的是，土壤含水量至10.5%時AQE增大至0.039，后再減小至0.028，依然是9.6%實驗組與其余實驗組間有顯著性差異(P<0.05)。光補償點(LCP) 先減小后增大，整體呈現(xiàn)“V”的變化趨勢，其中土壤含水量9.6%實驗組LCP值最大，達3.85 μmol/(m2·s)；25.8%實驗組LCP接近于0。光飽和點(LSP)呈“減-增-減”的趨勢，最大值出現(xiàn)在22.0%實驗組為187.61 μmol/(m2·s)，其次是10.5%實驗組為173.45 μmol/(m2·s)。整體上，干旱脅迫對馬比木光補償點與光飽和點變化影響較明顯，土壤含水量25.8%時對弱光利用能力更強，10.5%～22.0%對強光利用能力更強。

表1 不同土壤水分的馬比木光響應(yīng)參數(shù)Tab. 1 The value of light response parameter in different soil moisture of N. pittosporoides

3 討論

通常情況下，水分會直接影響植物的生長，水分不足或過多都會影響到植物的光合作用[3]，如何平衡植物生長與水分含量之間的關(guān)系將是植物適宜生長環(huán)境研究的重要環(huán)節(jié)。在馬比木干旱脅迫中，實驗設(shè)置6個不同土壤含水量來探討馬比木在干旱脅迫下光合指標(biāo)的響應(yīng)。

從各指標(biāo)響應(yīng)圖看，Pn、Ci、WUE等3個光合指標(biāo)主要呈現(xiàn)3個輻射階段的響應(yīng)，分別為弱光階段(小于200 μmol/(m2·s))、中強光階段(200～600 μmol/(m2·s))和強光階段(600～1 400 μmol/(m2·s))。弱光階段，各實驗組Pn與WUE增加最快，相反，Ci則快速降低，其結(jié)果與蘇金等[24]對紫珠的光合特性的研究結(jié)果一致；且隨著干旱進行，指標(biāo)增加(降低)幅度增大，此結(jié)果也在陳志成等[23]對珍珠油杏的研究中體現(xiàn)；說明弱光條件下馬比木對干旱的應(yīng)激響應(yīng)更為強烈，一定程度上可以緩解干旱對植物造成的不利影響[25]。中強光階段，6個實驗組的Pn、Ci和WUE變化緩慢，是弱光階段與強光階段的過渡期，指標(biāo)變化趨勢基本與強光輻射階段一致。強光階段，3個指標(biāo)基本平穩(wěn)，且隨干旱進行，呈現(xiàn)先增后減趨勢。土壤含水量10.5%實驗組Pn大于其余各組，22.0%實驗組次之，而9.6%實驗組的Pn最低，且與其余各組有顯著性差異(P<0.05)；Ci值變化中，10.5%和22.0%實驗組降低緩慢，穩(wěn)定時保持較高值；在WUE變化中，10.5%實驗組對水分的利用率最大，22.0%～25.8%實驗組次之，28.9%～31.3%與9.6%實驗組處于低值；表明馬比木在適度干旱條件下水分利用率提高[26]，且土壤含水量在10.5%～25.8%之間能維持較高WUE。綜合3個光合指標(biāo)對干旱響應(yīng)趨勢，土壤含水量10.5%～22.0%是馬比木光合生理活動最活躍區(qū)間[9,27]，而10.5%的土壤水分是馬比木的耐旱極值，22.0%是其光合活躍點。

在實驗有效輻射范圍內(nèi)，Tr與Gs均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，且隨著干旱進行，Tr減小，而Gs卻在土壤含水量為22.0%和10.5%時、強光下保持最大。Gs與Tr息息相關(guān)，一般Gs降低，Tr隨之降低[26]。研究顯示：干旱脅迫會影響氣孔的開閉[28]，適當(dāng)干旱反而刺激氣孔打開，光合作用增強，實現(xiàn)自我調(diào)節(jié)[16]，但隨著干旱加劇，馬比木已不能通過氣孔調(diào)節(jié)實現(xiàn)自我保護，因此在含水9.6%時氣孔導(dǎo)度顯著(P<0.05)區(qū)別于其余各組。經(jīng)進一步分析，高含水量(28.9%和31.3%)和最低含水量(9.6%)的3實驗組葉面溫度較高(23.5 ℃～25.0 ℃)，其次為25.8%實驗組， 10.5%和22.0%實驗組葉面溫度最低，而氣孔導(dǎo)度與此相反，表明葉面高溫可能是導(dǎo)致氣孔關(guān)閉的另一個重要因素。

從影響馬比木光合作用的因素分析，一般研究中有兩種因素：氣孔因素和非氣孔因素，而Ci和Gs是判斷兩種因素的主要依據(jù)[28-29]。通常來說，Ci降低且Gs同時減小時，可判斷Pn變化是由氣孔因素引起，反之，則光合作用主要限制因素為非氣孔因素[29-30]。實驗中，馬比木的Ci與Gs變化恰好一致，說明氣孔因素是影響馬比木光合作用的主導(dǎo)因素。

光補償點(LCP)是植物光合速率與呼吸速率相等時的光照強度，反映的是植物對弱光的適應(yīng)能力，其值越低，對弱光的利用能力越強[31]。在馬比木水分利用率的研究中，隨著土壤含水率的降低，LCP先降低后增加，土壤含水量在25.8%時接近于0，表明此時對弱光的利用能力最強。光飽和點(LSP)是植物Pn不再增加時的光照強度，反映的是植物對強光的適應(yīng)能力，LSP越大，證明植物對強光的利用能力越強[32]。研究中，高含水量(25.8%～31.3%) LSP值在150 μmol/(m2·s)左右，中等水平含水量(22.0%～25.8%) LSP值在162 μmol/(m2·s)左右，較低含水量(10.5%～22.0%) LSP值平均為188 μmol/(m2·s)，而低含水量(9.6%)僅為149 μmol/(m2·s)。整個變化規(guī)律呈現(xiàn)先增后減趨勢，說明隨著土壤含水率降低，馬比木對強光的利用率增加，但是低于10.5%后，對強光利用率受到限制。由上可知，土壤含水率會影響馬比木對弱光和強光的利用能力，總體上馬比木對強光的利用能力更強。表觀量子效率(AQE)反映的是弱光條件下植物吸收和轉(zhuǎn)換光能的能力。研究中，馬比木的AQE值在0.028～0.044范圍，且隨著含水率的降低，AQE值逐漸降低，說明弱光條件下，高含水量有利于馬比木對光的利用[33]。

4 結(jié)論

馬比木在干旱脅迫下有一定程度的自我保護調(diào)節(jié)機制，能適應(yīng)較干旱的土壤環(huán)境。在適度干旱條件下，其光合速率增大，水分利用效率亦增大。實驗表明，土壤水分含量10.5%可能是馬比木耐旱極值， 22.0%～25.8%之間較適合其生長。馬比木對弱光的利用能力較強，對強光也表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性，光照生態(tài)幅度較寬，且在強光下亦沒有出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象。但強光長時間照射馬比木葉片是否會出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象還有待進一步實驗，以及所引起的溫度上升可能會對其光合作用產(chǎn)生較大影響，并可能是其多分布在陰坡的主要原因之一，也有待進一步研究。