中度錳脅迫對(duì)降香黃檀幼苗光合特性的影響

楊紅蘭 黃秋嬋 韋玉淼 馮守富

（1.廣西民族師范學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院 廣西崇左 532200；2.宜州區(qū)山谷高級(jí)中學(xué) 廣西河池 546300）

錳（Mn）是植物體生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中所必需的微量元素，在植物的光合作用中，其在維持細(xì)胞器的正常結(jié)構(gòu)與活化酶活性等方面有著不可替代的作用[1]。然而，土壤中有效錳含量過(guò)高時(shí)會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用，導(dǎo)致植物自身結(jié)構(gòu)及功能的改變，也會(huì)影響植物的形態(tài)、生理特性和超微結(jié)構(gòu)，還會(huì)降低光合色素含量，削弱光合作用，破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，引發(fā)滲透相關(guān)指標(biāo)的變化，從而抑制植物的生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)植物的生長(zhǎng)造成不利影響[2-4]。錳在植物光合作用過(guò)程中所發(fā)揮的作用是錳在植物體內(nèi)最重要的生理功能。葉綠體中分布著較多的錳，錳不僅在維持葉綠體結(jié)構(gòu)上是必需的，而且能夠直接參與植物光合作用過(guò)程中的光合放氧階段[5-6]。

降香黃檀（Dalbergia odoriferaT.Chen），又叫作黃花梨、花梨木，屬于豆科蝶形花亞科黃檀屬半落葉常綠喬木，被列為國(guó)家二級(jí)保護(hù)植物[7]。其因材質(zhì)堅(jiān)硬、結(jié)構(gòu)致密，耐濕耐腐蝕且伴有芳香等特性，常用來(lái)制造上等家具和工藝品[8]。此外，降香黃檀還具有止血止痛、行血活血等功效，有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和藥用價(jià)值[9]。近些年來(lái)，隨著人們生活水平的不斷提高，降香黃檀產(chǎn)品越來(lái)越受到人們追捧和青睞，市場(chǎng)常常供不應(yīng)求。目前我國(guó)對(duì)降香黃檀的研究主要集中在栽培技術(shù)和藥用功能等方面。本研究以降香黃檀幼苗為實(shí)驗(yàn)材料，測(cè)定在中度錳脅迫下降香黃檀幼苗的光合參數(shù)，以了解降香黃檀在錳脅迫下的光合作用情況，為引種栽培和合理管理提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及處理

降香黃檀成熟種子浸泡24 h，洗凈瀝干插播在沙基中。培養(yǎng)至幼苗長(zhǎng)出兩片羽葉時(shí)，選取各方面長(zhǎng)勢(shì)類似的幼苗植株移栽到口徑為15 cm的塑料盆中，每盆5棵，各種植盆中的混合土壤質(zhì)量相同且配比為營(yíng)養(yǎng)土∶黑土∶紅土∶沙土=5∶2∶2∶1。待幼苗長(zhǎng)大到5片羽葉時(shí)，選取6盆各方面長(zhǎng)勢(shì)相近的降香黃檀幼苗植株，平均分為2組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)組以臨近根部填埋的方式一次埋入Mn含量為10 mg/kg的MnSO4進(jìn)行脅迫處理，空白對(duì)照組以自來(lái)水澆灌。

1.2 光合參數(shù)的測(cè)定

脅迫后每隔14 d于晴朗天氣采用便捷式光合測(cè)定儀測(cè)量光合參數(shù)，共測(cè)3期（以下稱為早期、中期、后期）。每期測(cè)定時(shí)間從8：00到15：00，每1 h測(cè)1次。測(cè)量時(shí)，每盆選取長(zhǎng)勢(shì)相同朝向一致的3片成熟葉進(jìn)行測(cè)量，每葉記錄5組數(shù)據(jù)。測(cè)定的光合環(huán)境指標(biāo)包括大氣CO2濃度（air CO2concentration, Ca）、大氣相對(duì)濕度（relative air humidity, RH）、大氣溫度（air tamperature, Ta）、光合有效輻射（photosynthetically active radiation, PAR），生理指標(biāo)包括幼苗的凈光合速率（net photosynthetic rate, Pn）、蒸騰速率（transpiration rate, Tr）、胞間 CO2濃度（intercellular CO2concentration, Ci）、氣孔導(dǎo)度（stomatal conductance, Gs）等。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2016和SPSS軟件進(jìn)行作圖和處理。光合利用率（LUE）和水分利用率（WUE）計(jì)算公式如下：

光能利用率（light use efficiency, LUE）=凈光合速率（Pn）/光合有效輻射（PAR）×100%；

水分利用率（water use efficieney, WUE）=凈光合速率（Pn）/蒸騰速率（Tr）×100%[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子日變化

環(huán)境因子日變化曲線如圖1所示。大氣CO2濃度（Ca）在8：00—10：00緩慢下降，11：00后趨于穩(wěn)定；大氣溫度（Ta）保持在30 ℃～40 ℃，波動(dòng)不大。二者在3個(gè)時(shí)期的變化不大。早期大氣相對(duì)濕度（RH）在10：00時(shí)有明顯下降，之后迅速回升，然后逐漸趨于穩(wěn)定；中期和后期大氣相對(duì)濕度（RH）在8：00—10：00緩慢下降，之后趨于穩(wěn)定。脅迫早期的光合有效輻射（PAR）變化曲線呈雙峰型，從8：00開(kāi)始逐漸下降，9：00—10：00明顯上升，達(dá)到第一個(gè)峰值，第二個(gè)峰值出現(xiàn)在12：00。脅迫中期與脅迫后期的光合有效輻射日變化趨勢(shì)相似，曲線呈單峰型。脅迫中期的光合有效輻射峰值出現(xiàn)在10：00，脅迫后期光合有效輻射的峰值出現(xiàn)在11：00。

圖1 降香黃檀幼苗脅迫早、中、后期環(huán)境因子日變化

2.2 中度錳離子脅迫下降香黃檀幼苗生理因子日變化

2.2.1 降香黃檀幼苗葉片凈光合速率（Pn）日變化

降香黃檀幼苗葉片的凈光合速率日變化曲線如圖2所示。降香黃檀實(shí)驗(yàn)組前期和中期的凈光合速率變化趨勢(shì)相似，在8：00—9：00急劇下降，9：00—10：00有明顯的上升趨勢(shì)，而后從11：00開(kāi)始下降，至12：00 Pn降到最低。12：00—13：00及14：00—15：00 Pn均呈上升趨勢(shì)，此時(shí)Pn變化主要受光強(qiáng)影響。在后期，實(shí)驗(yàn)組Pn變化趨勢(shì)和空白組相似，呈“W”形，出現(xiàn)光合“午休”現(xiàn)象。這三個(gè)時(shí)期中，每一個(gè)時(shí)期的凈光合速率在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)上都表現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)組低于空白組。

圖2 降香黃檀幼苗凈光合速率日變化曲線

2.2.2 降香黃檀幼苗葉片蒸騰速率（Tr）日變化

降香黃檀幼苗葉片的蒸騰速率日變化曲線如圖3所示。脅迫早期，實(shí)驗(yàn)組Tr日變化曲線呈雙峰型，峰值出現(xiàn)在10：00和13：00；空白組Tr日變化曲線為單峰型，峰值出現(xiàn)在12：00，此時(shí)正好為當(dāng)天光合有效輻射的最高點(diǎn)，12：00后Tr開(kāi)始下降，直至15：00達(dá)到最低點(diǎn)。脅迫中期空白組Tr日變化規(guī)律不明顯，實(shí)驗(yàn)組Tr的日變化曲線呈單峰型，峰值出現(xiàn)在9：00。脅迫后期實(shí)驗(yàn)組Tr日變化曲線呈不明顯的“W”形。綜合三個(gè)時(shí)期Tr的變化規(guī)律可以看出，降香黃檀幼苗的蒸騰速率在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)上都表現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)組低于空白組。蒸騰速率能夠反映出植物根系吸收水分能力的強(qiáng)弱，如蒸騰速率增大則表示植物根系吸收的水分增多，反之則減少[12]。由此可以看出，中度錳離子脅迫可以使降香黃檀幼苗根系吸收水分的能力減弱從而降低了降香黃檀幼苗的蒸騰速率。

圖3 降香黃檀幼苗蒸騰速率日變化曲線

2.2.3 降香黃檀幼苗葉片胞間CO2濃度（Ci）日變化

降香黃檀幼苗葉片胞間CO2濃度日變化曲線如圖4所示。脅迫早期，空白組的Ci從早上8：00開(kāi)始明顯下降，在9：00達(dá)到當(dāng)日最低值，9：00后開(kāi)始上升并于10：00達(dá)到峰值，之后Ci的變化不明顯；而實(shí)驗(yàn)組降香黃檀幼苗Ci日變化曲線呈雙峰型，Ci最高值出現(xiàn)在13：00，最低值出現(xiàn)在8：00。脅迫中期，實(shí)驗(yàn)組和空白組的Ci日變化規(guī)律均不明顯。脅迫后期空白組和實(shí)驗(yàn)組的Ci日變化曲線相對(duì)平緩，其中空白組呈雙峰型，Ci最高值出現(xiàn)在9：00；實(shí)驗(yàn)組呈單峰型，Ci最高值出現(xiàn)在11：00。此外，錳脅迫后降香黃檀幼苗Ci的日平均值均明顯高于空白組，在脅迫早期，實(shí)驗(yàn)組較空白組增加了56.4434 μmol/mol，脅迫中期實(shí)驗(yàn)組比空白組增加了44.1449 μmol/mol，脅迫后期實(shí)驗(yàn)組比空白組增加了24.2767 μmol/mol。由此可得，中度錳離子脅迫能提高降香黃檀的胞間CO2濃度。但是，脅迫時(shí)間越久，提高程度越低。

圖4 降香黃檀幼苗胞間CO2濃度日變化曲線

2.2.4 降香黃檀幼苗葉片氣孔導(dǎo)度（Gs）日變化

降香黃檀幼苗葉片氣孔導(dǎo)度日變化曲線如圖5所示。脅迫早期，在光合有效輻射達(dá)到最大值時(shí)（12：00），實(shí)驗(yàn)組降香黃檀幼苗葉片Gs明顯低于空白組。且在光合有效輻射達(dá)到最大值前2 h，空白組Gs呈上升趨勢(shì)，而實(shí)驗(yàn)組則呈下降趨勢(shì)。脅迫中期，空白組和實(shí)驗(yàn)組的Gs總體上呈下降趨勢(shì)。脅迫后期，兩組的Gs在總體上呈平緩上升趨勢(shì)。在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，實(shí)驗(yàn)組的氣孔導(dǎo)度都低于空白組，說(shuō)明，錳脅迫會(huì)降低降香黃檀幼苗葉片的氣孔導(dǎo)度。

圖5 降香黃檀幼苗氣孔導(dǎo)度日變化曲線

2.2.5 降香黃檀幼苗葉片光能利用率（LUE）日變化

由圖6可知，三個(gè)時(shí)期空白組和實(shí)驗(yàn)組的LUE日變化曲線存在明顯差異。與空白組相比，實(shí)驗(yàn)組脅迫早期平均光能利用率降低了0.0282%，脅迫中期降低了0.02%，脅迫后期降低了0.0547%，說(shuō)明錳脅迫會(huì)降低降香黃檀幼苗對(duì)光能的利用率。此外，三個(gè)時(shí)期的LUE日變化波動(dòng)較大，這與當(dāng)天的PAR變化有關(guān)。

圖6 降香黃檀幼苗光能利用率日變化曲線

2.2.6 降香黃檀幼苗葉片水分利用率（WUE）日變化

如圖7所示，降香黃檀幼苗葉片的WUE日變化趨勢(shì)與LUE相似。在PAR達(dá)到峰值時(shí)降香黃檀幼苗的WUE有明顯的下降趨勢(shì)。脅迫早期和中期，兩組WUE變化規(guī)律均不明顯。脅迫后期，實(shí)驗(yàn)組的日變化曲線呈“W”形，第一個(gè)低谷出現(xiàn)在11：00，第二個(gè)低谷出現(xiàn)在14：00。從日均值上看，與空白組相比，實(shí)驗(yàn)組脅迫早期WUE降低了0.04%,脅迫中期降低了0.15%，脅迫后期降低了0.85%。由此可以得出錳離子脅迫降低了降香黃檀幼苗葉片的水分利用率。

圖7 降香黃檀幼苗水分利用率日變化曲線

3 討論與結(jié)論

鎂（Mg2+）是葉綠素的重要組成成分，但過(guò)量的錳離子會(huì)抑制鎂離子的吸收和活性，導(dǎo)致葉綠素的合成受阻，致使植物的光合速率降低[11]。在錳離子的脅迫下，與空白組相比，降香黃檀幼苗葉片的凈光合速率均值在脅迫早期降低了48.17%，而脅迫中期和后期實(shí)驗(yàn)組的Pn均值均為負(fù)值；蒸騰速率均值在脅迫早期降低了18.30%，中期降低了15.09%，后期降低了2.01%；氣孔導(dǎo)度均值在脅迫早期降低了25.73%，中期降低了28.73%，后期則升高了6.35%；胞間CO2濃度均值在脅迫早期升高了13.78%，中期升高了8.22%，后期升高了5.48%。這說(shuō)明隨著錳脅迫的持續(xù)作用，降香黃檀幼苗的光合作用能力不斷減弱。

光合作用為植物進(jìn)行物質(zhì)代謝和能量轉(zhuǎn)換提供物質(zhì)源，是植物賴以生存的基礎(chǔ)，而凈光合速率體現(xiàn)了植物有機(jī)物的積累[12-13]。引起凈光合速率降低的因素有很多，其中主要有氣孔限制因素和非氣孔限制因素。氣孔限制因素是由于植物氣孔導(dǎo)度降低使得CO2進(jìn)入葉肉細(xì)胞受到阻礙，從而引起光合速率的下降，非氣孔因素則是因?yàn)橹参锶~肉細(xì)胞本身的光合活性受到了限制，進(jìn)一步影響植物進(jìn)行光合作用[14]。也就是說(shuō)，當(dāng)凈光合速率下降時(shí)，細(xì)胞間隙CO2濃度和氣孔導(dǎo)度同時(shí)下降，那么就說(shuō)明引起植物凈光合速率下降的主要因素是氣孔限制因素；相反，如果凈光合速率下降時(shí)，細(xì)胞間隙的CO2濃度升高而氣孔導(dǎo)度卻降低了，那就說(shuō)明導(dǎo)致植物凈光合速率降低的主要因素是非氣孔限制因素。結(jié)合上文的數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)用Mn含量為10 mg/kg的MnSO4進(jìn)行脅迫處理時(shí)，在降香黃檀幼苗的凈光合速率以及氣孔導(dǎo)度降低時(shí)，細(xì)胞間隙的CO2濃度升高，因此可得，中度錳脅迫下引起降香黃檀幼苗光合作用速率降低的主要因素是非氣孔限制因素。