有刺枸骨和無(wú)刺枸骨在不同CO2 濃度下的光合能力分析

張興月 陳金鑫 劉國(guó)元 余春梅 張 健 姚 彬 魏 輝

（1南通大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南通 226019；2南通市觀賞植物遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南通 226019；3南通如皋市萬(wàn)禾花木生態(tài)園，江蘇 南通 226500）

光合作用對(duì)物質(zhì)的代謝和能量轉(zhuǎn)化有重要作用，其影響植物固定光能和有機(jī)物積累的能力，是植物生存和進(jìn)行各項(xiàng)生命活動(dòng)的基礎(chǔ)[1]。這些基礎(chǔ)的生命過(guò)程不僅影響植物個(gè)體發(fā)育，而且對(duì)植物生存和分布有重要影響。光照、水分、溫度、CO2濃度和礦質(zhì)元素是影響植物光合作用的主要因素[2]。光照條件對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和形態(tài)建成有重大影響[3]。光照較弱無(wú)法滿足植物生長(zhǎng)發(fā)育的需求，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)較慢；光照較強(qiáng)則會(huì)灼傷植物的葉片[3]，不僅會(huì)導(dǎo)致葉綠體和植物細(xì)胞被破壞，加快葉片衰老，從而降低植物的光合速率，還會(huì)導(dǎo)致光合器官受到損傷，進(jìn)而降低植物光合能力[4]。此外，光合速率在一定程度上會(huì)隨著光照強(qiáng)度的減弱而減弱、增加而增加，當(dāng)光照強(qiáng)度超過(guò)光補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)，隨著光照強(qiáng)度的增加，光合速率的增加會(huì)變得緩慢；當(dāng)光照強(qiáng)度到光飽和點(diǎn)后，光合速率會(huì)隨著光照強(qiáng)度的增加而下降[5]。水不僅是光合作用的原料，而且是酶活及生化反應(yīng)的介質(zhì)。如果植物細(xì)胞水分供求失調(diào)，將會(huì)對(duì)光合作用產(chǎn)生重大影響[6]。一方面，水分的缺乏，會(huì)增加脫落酸的含量，進(jìn)而使氣孔導(dǎo)度下降，吸收CO2速度下降；另一方面，光合產(chǎn)物輸出受到影響，并影響葉片乃至整株植株的生長(zhǎng)發(fā)育[7]。溫度會(huì)對(duì)光合作用的相關(guān)酶的活性、水分供求平衡和植物葉片氣孔的狀態(tài)造成影響，從而對(duì)植物光合生理過(guò)程產(chǎn)生較大影響[8]。晝夜溫差較大可以增加凈光合速率，并積累較多的同化產(chǎn)物[9]。自然界CO2濃度會(huì)影響植物的整體生長(zhǎng)過(guò)程，且胞間CO2濃度直接影響光合強(qiáng)度，當(dāng)達(dá)到CO2飽和點(diǎn)時(shí)，光合速率達(dá)到最大值[10]。礦質(zhì)元素是維持植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要條件，其對(duì)植物細(xì)胞葉綠素含量、酶活性等產(chǎn)生影響，從而間接影響植物的光合作用[11-12]。葉綠體中存在大量氮元素，其是1，5-二磷酸核酮糖羧化酶的重要組成物質(zhì)[13]。磷涉及植物細(xì)胞光合磷酸化過(guò)程，對(duì)碳反應(yīng)過(guò)程中相關(guān)酶的活性、光合產(chǎn)物的運(yùn)輸及二磷酸核酮糖的再生有重大影響。此外，鉀、鎂和鐵等礦質(zhì)元素也參與光合作用中氣孔的調(diào)節(jié)，葉綠素的形成，光合產(chǎn)物的合成與運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程[14]。光合作用作為植物特有的生理過(guò)程，促進(jìn)生物的不斷演變和自然界的日益發(fā)展，并對(duì)人類社會(huì)的生存和發(fā)展也有積極的促進(jìn)作用。

園林植物作為園林綠化的主要材料，有利于美化環(huán)境和滿足觀賞需求，具有較高的生態(tài)效益和社會(huì)效益。園林植物不僅在城市綠化上至關(guān)重要，而且其光合作用具有降溫增濕、調(diào)節(jié)氣候和凈化空氣等生態(tài)功能[15]。枸骨（Ilex cornuta）又名“貓兒刺”“鳥(niǎo)不宿”，為冬青科冬青屬常綠小喬木或灌木[16]，多產(chǎn)于長(zhǎng)江中下游地區(qū)，城市綠化和家庭庭院都常有栽培。該樹(shù)種喜光，稍耐陰，但生長(zhǎng)較為緩慢，樹(shù)皮灰白且平滑，枝形各異且密生，枝形可整塑成多干形、球形及樹(shù)狀盆景?；ㄆ?—5 月為黃綠色小花，球形綠色核果，9—11 月果實(shí)成熟，形成鮮紅核果，且滿枝碩果。枸骨的品種較多，例如，葉形小、株型緊湊的枸骨品種，能很好地遮擋灌木下部空間，滿足節(jié)約型園林的要求；花期較長(zhǎng)、核果量大且色澤鮮的枸骨品種，可增加秋冬季園林景觀的色彩和趣味性。在園林景觀設(shè)計(jì)上可根據(jù)需求進(jìn)行選擇。此外，枸骨多分為有刺枸骨（I. cornuta）和無(wú)刺枸骨（I.coruntavar. fortunei），二者都是很好的觀葉觀果園林樹(shù)種，對(duì)城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)起到重要的作用。其中，無(wú)刺枸骨是枸骨的自然變種。

光合作用使自然界中的太陽(yáng)能量進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)，生命的基本物質(zhì)也來(lái)自植物的光合作用。光不僅影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，也是植物生存演化進(jìn)程中最重要的環(huán)境因子之一。研究植物對(duì)光的適應(yīng)能力對(duì)于提高植物的產(chǎn)量和質(zhì)量，促進(jìn)植物的分布和引種、馴化等都有重要意義。近年來(lái)，育種學(xué)家普遍關(guān)注不同品種間的光合作用差異，探究高光合作用的品種及機(jī)理。因此，了解不同品種枸骨的光合特性，對(duì)植樹(shù)造林和園林植物配置具有重要意義。本文以有刺枸骨和無(wú)刺枸骨為對(duì)象，研究其凈光合速率、胞間CO2濃度、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、葉片飽和蒸氣壓虧缺、瞬時(shí)光合有效輻射強(qiáng)度、CO2補(bǔ)償點(diǎn)和CO2飽和點(diǎn)的特性，探討有刺枸骨和無(wú)刺枸骨的光合作用存在差異的原因，為該植物的優(yōu)化種植、品種選育及高效栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地與材料

本試驗(yàn)在2022年8月于江蘇如皋萬(wàn)禾花木生態(tài)園典型常綠珍貴鄉(xiāng)土樹(shù)種試驗(yàn)基地枸骨園進(jìn)行。園區(qū)種植的無(wú)刺枸骨和有刺枸骨均為4年生的成年枸骨，種植密度為3 m × 3 m，種植后覆土蓋過(guò)根盤10 cm，高壟栽培，壟高于地面20 cm，并在園區(qū)設(shè)置30 cm×20 cm（寬×高）的排水溝，便于排水。此外，采取適當(dāng)?shù)乃使芾?，一般澆水遵循澆灌均勻且透原則，春秋無(wú)雨時(shí)每7 d 澆2 次，夏季無(wú)雨或干旱季節(jié)每天1 次，早晨或傍晚進(jìn)行；在春季和夏季各追肥1 次，以農(nóng)家肥雞糞為主，分別在每棵枸骨4 個(gè)角上施加，施用量為每角2 kg左右。

1.2 試驗(yàn)方法

在晴朗無(wú)云或者少云日，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的無(wú)刺枸骨和有刺枸骨進(jìn)行相關(guān)光合指標(biāo)測(cè)定。選用LI-COR 公司的Li-6800 光合儀，配備2 × 3 紅藍(lán)光源葉室，設(shè)置相對(duì)濕度50%，葉室溫度30 ℃，光強(qiáng)1000 μmol/（m2·s），選用高壓濃縮CO2小鋼瓶，將CO2濃度分別設(shè)置為0、30、60、90、120、200、400、600、800、1000、1200、1300、1400和1500 μmol/mol，并在上述CO2濃度下設(shè)置測(cè)定光合相關(guān)指標(biāo)時(shí)間120 s。在9：00—11：30對(duì)無(wú)刺枸骨和有刺枸骨完全展開(kāi)的新生葉片進(jìn)行光合作用相關(guān)指標(biāo)的自動(dòng)測(cè)定，每次測(cè)定至少重復(fù)3次，并按照說(shuō)明書進(jìn)行儀器操作。測(cè)試無(wú)刺枸骨和有刺枸骨的凈光合速率、胞間CO2濃度、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、葉片飽和蒸氣壓虧缺和瞬時(shí)光合有效輻射強(qiáng)度，并根據(jù)有刺枸骨和無(wú)刺枸骨CO2響應(yīng)曲線分別計(jì)算CO2補(bǔ)償點(diǎn)和CO2飽和點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 凈光合速率和胞間CO2濃度比較

有刺枸骨和無(wú)刺枸骨的凈光合速率隨CO2濃度的變化關(guān)系如圖1 所示。當(dāng)CO2濃度在0～1200 μmol/mol 時(shí)，有刺枸骨和無(wú)刺枸骨的凈光合速率隨著CO2濃度的增加而增加；在CO2濃度大于1200 μmol/mol 時(shí)，有刺枸骨和無(wú)刺枸骨的凈光合速率保持基本恒定，不再隨著CO2濃度的增加而增加。其中，CO2濃度為0～600 μmol/mol 時(shí)，有刺枸骨和無(wú)刺枸骨的凈光合速率的增幅最大。相同CO2濃度下，無(wú)刺枸骨的凈光合速率始終大于有刺枸骨，無(wú)刺枸骨的凈光合速率最大達(dá)到13 μmol/（m2·s），有刺枸骨的凈光合速率最大達(dá)到9 μmol/（m2·s）（圖1A）。此外，有刺枸骨和無(wú)刺枸骨的胞間CO2濃度隨著CO2濃度的增加而增加。在較低CO2濃度（小于300 μmol/mol）下，有刺枸骨的胞間CO2濃度總體上要高于無(wú)刺枸骨；當(dāng)CO2濃度大于300 μmol/mol時(shí)，無(wú)刺枸骨的胞間CO2濃度高于有刺枸骨的胞間CO2濃度（圖1B）。

圖1 凈光合速率和胞間CO2濃度隨CO2濃度變化的情況

2.2 氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率比較

有刺枸骨和無(wú)刺枸骨的氣孔導(dǎo)度都隨著CO2濃度的增加而下降，并且無(wú)刺枸骨的氣孔導(dǎo)度始終高于有刺枸骨。在CO2濃度在1000 μmol/mol以內(nèi)時(shí)，隨著CO2濃度的增加，有刺枸骨氣孔導(dǎo)度的降幅較大；在CO2濃度為1000～1500 μmol/mol 時(shí)，隨著CO2濃度的增加，氣孔導(dǎo)度的降幅相對(duì)較少。而無(wú)刺枸骨的氣孔導(dǎo)度的降幅一直保持較大趨勢(shì)。無(wú)刺枸骨的最大氣孔導(dǎo)度達(dá)到0.063 mol/（m2·s），最小氣孔導(dǎo)度僅為0.027 mol/（m2·s）；而有刺枸骨的最大氣孔導(dǎo)度達(dá)到0.053 mol/（m2·s），最小氣孔導(dǎo)度僅為0.018 mol/（m2·s）（圖2A）。此外，有刺枸骨和無(wú)刺枸骨的蒸騰速率都隨著CO2濃度的增加而下降，兩者的下降幅度基本保持一致。在相同的CO2濃度下，無(wú)刺枸骨的蒸騰速率始終高于有刺枸骨。無(wú)刺枸骨的最大蒸騰速率達(dá)到0.00220 mol/（m2·s），最小蒸騰速率僅為0.00095 mol/（m2·s）；而有刺枸骨的最大氣孔導(dǎo)度達(dá)到0.0017 mol/（m2·s），最小氣孔導(dǎo)度僅為0.00056 mol/（m2·s）（圖2B）。

圖2 氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率隨CO2濃度變化的情況

2.3 葉片飽和蒸氣壓虧缺和瞬時(shí)光合有效輻射強(qiáng)度比較

有刺枸骨和無(wú)刺枸骨葉片飽和蒸氣壓虧缺在總體上都隨著CO2濃度的增加而增加，但是變化幅度相對(duì)較小。在相同的CO2濃度下，無(wú)刺枸骨的葉片飽和蒸氣壓虧缺始終比有刺枸骨略大（圖3A）。此外，有刺枸骨和無(wú)刺枸骨瞬時(shí)光合有效輻射強(qiáng)度隨著CO2濃度的增加而保持在穩(wěn)定水平，其中，無(wú)刺枸骨的光合有效輻射強(qiáng)度大約在700 μmol/（m2·s），而有刺枸骨的光合有效輻射強(qiáng)度大約在1500 μmol/（m2·s），有刺枸骨的光合有效輻射強(qiáng)度始終比無(wú)刺枸骨大（圖3B）。

圖3 葉片飽和蒸氣壓虧缺和瞬時(shí)光合有效輻射強(qiáng)度隨CO2濃度變化的情況

2.4 CO2響應(yīng)曲線比較

有刺枸骨的CO2響應(yīng)擬合曲線為y=（-6.43536E-6）X2+0.01695X-1.74077（R2=0.9963）。根據(jù)有刺枸骨的CO2響應(yīng)曲線（圖4），可計(jì)算出有刺枸骨葉片的CO2飽和點(diǎn)為1373.13 μmol/（m2·s）。此外，無(wú)刺枸骨的響應(yīng)擬合曲線為y=（-7.3944E-6）X2+0.02081X-1.49851（R2= 0.998）。根據(jù)無(wú)刺枸骨的CO2響應(yīng)曲線，可計(jì)算出無(wú)刺枸骨葉片的CO2飽和點(diǎn)為1472.76 μmol/（m2·s）。無(wú)刺枸骨相對(duì)于有刺枸骨的CO2飽和點(diǎn)較高。在有刺枸骨的CO2響應(yīng)曲線中，模擬直線與x軸相交，y= 0時(shí)的CO2濃度即是CO2補(bǔ)償點(diǎn)；根據(jù)有刺枸骨CO2響應(yīng)曲線方程可計(jì)算出有刺枸骨CO2補(bǔ)償點(diǎn)為107.05 μmol/（m2·s）；根據(jù)無(wú)刺枸骨CO2響應(yīng)曲線方程可計(jì)算出無(wú)刺枸骨CO2補(bǔ)償點(diǎn)為73.95 μmol/（m2·s）。無(wú)刺枸骨相對(duì)于有刺枸骨的CO2補(bǔ)償點(diǎn)較低。

圖4 CO2響應(yīng)曲線

3 結(jié)論與討論

植物的光合作用受光照條件（包括光強(qiáng)、光質(zhì)）影響[17]。本文研究了枸骨在不同光強(qiáng)下的光合能力，結(jié)果表明，在相同的光和強(qiáng)度下，有刺枸骨的凈光合速率比無(wú)刺枸骨的凈光合速率小。此外，植物的光合作用受CO2濃度的影響，短時(shí)間內(nèi)大氣CO2濃度升高，植物的光合速率顯著增加[18-20]。本研究探究外界環(huán)境不同CO2濃度對(duì)有刺枸骨和無(wú)刺枸骨光合作用的影響。當(dāng)CO2濃度在0～600 μmol/mol范圍內(nèi)時(shí)，有刺枸骨和無(wú)刺枸骨的凈光合速率迅速上升，而CO2濃度在600～1500 μmol/mol 范圍內(nèi)時(shí)，有刺枸骨和無(wú)刺枸骨的凈光合速率上升趨勢(shì)逐漸變慢，并趨于平緩。此外，在CO2濃度增加過(guò)程中，無(wú)刺枸骨的凈光合速率始終大于有刺枸骨，這表明在儲(chǔ)能和光合產(chǎn)物產(chǎn)生方面無(wú)刺枸骨要優(yōu)于有刺枸骨。引起二者凈光合速率存在不同的主要原因包括氣孔因素和非氣孔因素。其中，氣孔因素主要包括氣孔導(dǎo)度、氣孔數(shù)量和氣孔孔徑，非氣孔因素主要包括光合作用中相關(guān)酶活及構(gòu)成。在本研究中，有刺枸骨和無(wú)刺枸骨的氣孔導(dǎo)度都隨著CO2濃度的增加而下降，兩者的降幅基本保持一致。氣孔蒸騰是植物蒸騰作用的最主要表現(xiàn)形式之一[21]，本研究表明無(wú)刺枸骨的氣孔導(dǎo)度顯著大于有刺枸骨，這導(dǎo)致無(wú)刺枸骨的蒸騰速率大于有刺枸骨。此外，氣孔在植物內(nèi)外氣體交換中發(fā)揮重要作用，水、CO2和氧氣都要共用這個(gè)通道，因此氣孔的狀態(tài)會(huì)影響植物光合、呼吸和蒸騰等生理過(guò)程[22-23]。枸骨氣孔導(dǎo)度隨CO2濃度的變化和蒸騰速率隨CO2濃度的變化同步。氣孔導(dǎo)度首先影響枸骨內(nèi)水分的變化，其次會(huì)影響胞間CO2的交換。本研究中，氣孔導(dǎo)度和水分利用率呈負(fù)相關(guān)，有刺枸骨較無(wú)刺枸骨而言有較高的水分利用率。此外，在相同CO2濃度下，無(wú)刺枸骨的凈光合速率、胞間CO2的濃度以及蒸騰速率都大于有刺枸骨，這表明無(wú)刺枸骨具有更高的光合作用、CO2交換率和蒸騰速率。通過(guò)對(duì)無(wú)刺枸骨和有刺枸骨胞間CO2濃度的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在外界CO2變化的條件下，胞間CO2濃度與凈光合速率呈現(xiàn)正相關(guān)?；谏鲜鼋Y(jié)果，推測(cè)氣孔導(dǎo)度并不是引起無(wú)刺枸骨比有刺枸骨凈光合速率大的原因，胞間CO2濃度可能是引起無(wú)刺枸骨比有刺枸骨凈光合速率大的原因。在相同的CO2濃度下，有刺枸骨的光合有效輻射強(qiáng)度大于無(wú)刺枸骨，這表明在相同外界CO2濃度下，無(wú)刺枸骨可能具有更高的光合效率，但是由于有刺枸骨具有較強(qiáng)的光合有效輻射，因此，在設(shè)置園林景觀時(shí)，可以混合種植有刺枸骨和無(wú)刺枸骨[24-25]，以豐富景觀造型，且充分利用光能實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的積累和吸收環(huán)境中過(guò)多的CO2[26-28]。