3個(gè)油橄欖品種光合特性與同化物分配規(guī)律

王瑞文，黃穎，鄭京津，姜德志，黃發(fā)新

（1經(jīng)濟(jì)林木種質(zhì)改良與資源綜合利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/大別山特色資源開發(fā)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心/黃岡師范學(xué)院，湖北黃岡 438000；2湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，武漢 430075；3湖北省國(guó)有林場(chǎng)工作站，武漢 430070）

0 引言

油橄欖(Olea europaea)為木犀科木犀欖屬常綠小喬木，是著名的木本油料樹種[1]。中國(guó)已引種油橄欖60 多年，對(duì)油橄欖適生區(qū)進(jìn)行了劃分[2]。光照影響油橄欖的光合作用及果實(shí)發(fā)育，從而影響油橄欖產(chǎn)量及果實(shí)含油率，是進(jìn)行適生區(qū)劃分的重要參考因素之一[3]。國(guó)內(nèi)對(duì)油橄欖光合特性的研究較少，主要在四川涼山、甘肅武都、云南昆明等少數(shù)省市開展了不同脅迫條件及栽培措施對(duì)光合特性影響的研究[4-6]，其他省市關(guān)于油橄欖光合特性的研究鮮有報(bào)道。加強(qiáng)油橄欖在中國(guó)不同生態(tài)區(qū)光合特性的研究十分必要，可以為油橄欖良種選育、栽培和品種推廣提供更多理論依據(jù)。

湖北省自20 世紀(jì)60 年代以來共引種油橄欖種質(zhì)資源30余份，主要在秦巴山區(qū)、武陵山區(qū)、大別山區(qū)等地零星種植，大部分油橄欖品種樹體生長(zhǎng)較差，樹體衰退，樹勢(shì)較弱。與國(guó)內(nèi)主要適生區(qū)域相比，湖北省年平均日照時(shí)間縮短9.3%～68.6%、降雨量增加30%～133%。氣候環(huán)境的不同，會(huì)導(dǎo)致植物的光合特性發(fā)生改變[7-9]。筆者以全國(guó)推廣較多的‘佛奧’、‘萊星’、‘鄂植8 號(hào)’3 個(gè)油橄欖品種為材料，探討其光合特性及同化物分配規(guī)律，以期為油橄欖豐產(chǎn)栽培及品種推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為武漢九峰森林培育試驗(yàn)示范國(guó)家長(zhǎng)期科研基地引種的‘佛奧’、‘萊星’、‘鄂植8號(hào)’3個(gè)油橄欖品種。2008 年種植，3 個(gè)品種管理措施一致。2021年測(cè)定時(shí)樹齡為13年。

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于武漢市東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)楓林大道九峰，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫高濕，冬季干冷少雨。極端最高氣溫為38.7℃，極端最低氣溫為-16.7℃，年平均溫度為16.7℃，1 月平均氣溫最低(0.4℃)，7—8月平均氣溫最高(28.7℃)。一年中夏季約135 d、冬季約110 d、春秋約110 d；年平均日照時(shí)數(shù)為1600 h，無霜期235 d；初夏雨量較為集中，年降雨量1200～1400 mm，年平均相對(duì)濕度79%。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 光合指標(biāo)日變化測(cè)定于7月選擇晴朗無風(fēng)的天氣，使用美國(guó)里格公司生產(chǎn)的LI-6400XT 光合測(cè)定系統(tǒng)進(jìn)行光合指標(biāo)測(cè)定。測(cè)定時(shí)間為7:00—17:00，每隔2 h 測(cè)量1 次。每個(gè)品種選取生長(zhǎng)較好無病蟲害且樹體大小一致的30 株進(jìn)行測(cè)量，10 株1 個(gè)重復(fù)，3 次重復(fù)，每株選取方位一致的3 片葉子進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量指標(biāo)包括光合有效輻射(PAR)、空氣相對(duì)濕度(RH)、大氣溫度(Ta)、大氣CO2濃度(Ca)等外界環(huán)境因子參數(shù)及凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)。依據(jù)式(1)計(jì)算水分利用率[10]。

1.3.2 光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線測(cè)定 利用LI-6400XT 自身配備的紅藍(lán)光源及CO2小鋼瓶分別控制光合有效輻射(PAR)和CO2濃度，進(jìn)行不同光強(qiáng)和CO2濃度下凈光合速率的測(cè)定[11]。光合有效輻射(PAR)為1500、1200、800、600、500、300、100、50、40、30、20、10、0 μmol/(m2·s)，CO2濃度為50、100、200、300、400、600、800、1000、1200、1400、1600 μmol/mol。每個(gè)品種3 次重復(fù)，每次重復(fù)測(cè)量3個(gè)數(shù)據(jù)取平均值。

采用非直角雙曲線模型[12]模擬光響應(yīng)曲線，并計(jì)算相關(guān)參數(shù)，如式(2)。

式中，P 為凈光合速率，φ為表觀量子效率，Q為光合有效輻射，Pmax為最大凈光合速率，k為光響應(yīng)曲線直角，Rday為暗呼吸速率。

采用葉子飄模型擬合CO2響應(yīng)曲線及特征參數(shù)[13]，如式(3)。

式中，Pn為凈光合速率，Ci 為胞間CO2濃度，Rd為光呼吸速率，a 是CO2響應(yīng)曲線的初始羧化效率，b和c為系數(shù)。

1.3.3 光合同化物分配率測(cè)定光合同化物分配率測(cè)定采用13C 同位素標(biāo)記法[14]，標(biāo)記氣體為13C 豐度99%的CO2氣體（購(gòu)于上海化工研究院）。每個(gè)品種重復(fù)3次，10 株一個(gè)重復(fù)，另選10 株做空白對(duì)照組（13C 自然豐度），對(duì)照組要求遠(yuǎn)離標(biāo)記組，以避免受到標(biāo)記13C的污染。標(biāo)記72 h后將樣品送至武漢博越生物科技有限公司進(jìn)行13C同位素的分析測(cè)定，同時(shí)測(cè)定樣品總碳含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

用Excel 2007 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過SPSS 22 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析、多重比較（采用Duncan 新復(fù)極差法）及灰色關(guān)聯(lián)度分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 外界環(huán)境因子日變化特征

光合有效輻射和大氣溫度日變化規(guī)律一致（圖1～2），均呈先上升后下降的趨勢(shì)，大氣CO2濃度和大氣濕度則是先下降后上升（圖3～4）。PAR峰值出現(xiàn)在11:00，為1392.53 μmol/(m2·s)，17:00降至621.78 μmol/(m2·s)；Ta在13:00達(dá)到最高值為41.27℃，17:00時(shí)降至37.42℃；Ca在7:00時(shí)值最高為453.58 μmol/mol，在15:00時(shí)達(dá)到最低值為409.20 μmol/mol；RH 在7:00 時(shí)值最高51.64%，11:00時(shí)值最低為34.56%。

圖1 光合有效輻射日變化

圖2 大氣溫度日變化

圖3 大氣CO2濃度日變化

圖4 大氣濕度日變化

2.2 3個(gè)品種光合氣體交換參數(shù)日變化分析

3個(gè)品種油橄欖的凈光合速率日變化均呈“雙峰”曲線（圖5），在9:00和13:00出現(xiàn)峰值，11:00出現(xiàn)午休現(xiàn)象。3個(gè)品種的Pn日變化值為5.29～16.65 μmol/(m2·s)，其中‘鄂植8 號(hào)’的Pn日均值[9.63 μmol/(m2·s)]高于‘萊星’[9.46 μmol/(m2·s)]，顯著高于‘佛奧’[8.84 μmol/(m2·s)](P<0.05)，說明‘鄂植8號(hào)’具有更強(qiáng)的凈光合能力。

圖5 凈光合速率日變化

3 個(gè)品種的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率日變化規(guī)律及峰值出現(xiàn)的時(shí)間與凈光合速率相符（圖6～7）?！饖W’的Gs 日均值比‘萊星’、‘鄂植8 號(hào)’分別高14.24%、15.72%?！踔? 號(hào)’的Tr 日均值低于其他2 個(gè)品種。可見Pn的變化主要是由氣孔因素引起的。

圖6 蒸騰速率日變化

圖7 氣孔導(dǎo)度日變化

3 個(gè)品種胞間CO2濃度日變化規(guī)律基本呈先下降后上升的趨勢(shì)（圖8）。隨著光合作用的增強(qiáng)，外界環(huán)境中CO2濃度逐漸下降，氣孔逐漸關(guān)閉，導(dǎo)致胞間CO2濃度下降，在13:00時(shí)達(dá)到最低值。‘佛奧’的Ci 日均值最高為279.8 μmol/mol，比‘萊星’、‘鄂植8 號(hào)’分別高16.8%、33.3%。

圖8 胞間CO2濃度日變化

3 個(gè)品種的光合瞬時(shí)水分利用率呈下降趨勢(shì)，在7:00時(shí)水分利用率最高，11:00之后變化平緩，且11:00之后‘鄂植8 號(hào)’的水分利用率高于其他2 個(gè)品種（圖9）；‘佛奧’、‘萊星’、‘鄂植8 號(hào)’的光合水分利用率日均值為2.69、2.53、2.50 mmol/mol。

圖9 瞬時(shí)水分利用率日變化

2.3 3 個(gè)品種凈光合速率與相關(guān)生理生態(tài)因子的灰色關(guān)聯(lián)分析

為進(jìn)一步探討內(nèi)外環(huán)境因素對(duì)油橄欖光合作用的影響，對(duì)3 個(gè)油橄欖品種凈光合速率(Pn)和相關(guān)生理生態(tài)因子進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。從表1可以看出，‘佛奧’、‘萊星’凈光合速率與生理因子的灰色關(guān)聯(lián)度為Gs>Ci>WUE>Tr；‘鄂植8 號(hào)’凈光合速率與生理因子的關(guān)聯(lián)度為Gs>WUE>Tr>Ci；‘佛奧’、‘萊星’凈光合速率與環(huán)境因子的灰色關(guān)聯(lián)度為Ca>Ta>RH>PAR；‘鄂植8號(hào)’凈光合速率與環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)度為Ca>Ta>PAR>RH。Gs和Ca是影響油橄欖凈光合速率的2個(gè)主要因子。

表1 凈光合速率與主要生理、生態(tài)因子的灰色關(guān)聯(lián)度

2.4 3個(gè)品種光響應(yīng)曲線特征參數(shù)分析

3個(gè)品種在光飽和時(shí)的最大凈光合速率變化范圍為26.80～28.76 μmol/(m2·s)（見表2），其中‘鄂植8 號(hào)’的最大凈光合速率與‘佛奧’無顯著差異，兩者顯著高于‘萊星’。3 個(gè)品種表觀量子效率變化范圍為0.02～0.07，暗呼吸速率為0.32～2.11 μmol/(m2·s)，光補(bǔ)償點(diǎn)的變化范圍為31.52～62.88 μmol/(m2·s)，光飽和點(diǎn)的變化范圍為831.66～1203.78 μmol/(m2·s)，‘佛奧’表觀量子效率、暗呼吸速率、光飽和點(diǎn)顯著高于其他2 個(gè)品種，‘鄂植8號(hào)’的光補(bǔ)償點(diǎn)顯著高于其他2個(gè)品種(P<0.05)?？梢钥闯?，‘鄂植8號(hào)’、‘佛奧’的光合能力高于‘萊星’，同時(shí)‘佛奧’具有較高的光飽和點(diǎn)，可利用的光強(qiáng)范圍廣，有利于形成生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。3 個(gè)品種線性擬合的判定系數(shù)均在0.930以上，線性擬合度高。

表2 3個(gè)油橄欖品種光響應(yīng)曲線相關(guān)參數(shù)

2.5 3個(gè)品種CO2響應(yīng)曲線特征參數(shù)分析

從表3可以看出，3個(gè)品種在CO2飽和時(shí)的最大凈光合速率變化范圍為27.163～28.035 μmol/(m2·s)，羧化效率變化范圍為0.016～0.037 mol/(m2·s)，CO2補(bǔ)償點(diǎn)變化范圍為24.427～36.246 μmol/(m2·s)，光呼吸速率變化范圍為0.904～2.311 μmol/(m2·s)，CO2飽和點(diǎn)變化范圍為793.815～1673.253 μmol/(m2·s)?！饖W’的最大凈光合速率、羧化效率顯著高于其他2個(gè)品種；‘鄂植8號(hào)’的光呼吸速率值、CO2飽和點(diǎn)值顯著高于其他2 個(gè)品種。由此可見，‘佛奧’對(duì)CO2利用效率高，‘鄂植8號(hào)’對(duì)CO2利用幅度寬。

表3 3個(gè)油橄欖品種CO2響應(yīng)曲線特征參數(shù)分析

2.6 光合同化物分配的差異

由表4可知，光合產(chǎn)物13C含量和分配率在油橄欖各器官中存在差異。3 個(gè)品種各器官13C 含量和分配率由高到低均為葉片>枝條>果殼>種仁。葉片13C 分配率為39.52%～49.92%，是主要的同化器官；種仁的13C分配率最低，為6.67%～8.18%。參試品種光合產(chǎn)物主要集中在葉片、枝條等營(yíng)養(yǎng)組織，這也是油橄欖產(chǎn)量較低的因素之一。

表4 3個(gè)油橄欖品種各器官13C含量和分配率

3 結(jié)論與討論

植物光合作用日變化有單峰型和雙峰型2 種模式，大多數(shù)植物在夏季有“午休”現(xiàn)象，表現(xiàn)為雙峰型[15]。本試驗(yàn)中3個(gè)品種油橄欖Pn、Gs、Tr日變化均呈“雙峰”型。當(dāng)溫度和光強(qiáng)升高時(shí)，葉片氣孔關(guān)閉，Pn快速下降，表現(xiàn)為受氣孔因素限制[16]。關(guān)閉氣孔，降低蒸騰作用，保留了水分，可降低強(qiáng)光對(duì)光合系統(tǒng)的損傷，有利于植物適應(yīng)高溫天氣。劉露等[17]研究表明，油橄欖在涼山典型旱季、雨季中，凈光合速率日變化均為典型的單峰曲線，在11:00左右達(dá)到高峰。主要原因是在涼山典型旱季、雨季氣候下，油橄欖凈光合速率主要受蒸騰作用和氣孔導(dǎo)度2個(gè)因子影響，11:00之后蒸騰作用和氣孔導(dǎo)度都呈下降趨勢(shì)，導(dǎo)致凈光合速率在11:00達(dá)到高峰后，呈下降趨勢(shì)。本研究通過灰色關(guān)聯(lián)度分析認(rèn)為，氣孔導(dǎo)度和大氣中CO2濃度是影響油橄欖凈光合速率的2個(gè)主要因子。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，可通過調(diào)節(jié)外界CO2濃度及氣孔開放程度等方法來提高油橄欖的光合速率。

光響應(yīng)曲線特征參數(shù)是衡量植物利用和適應(yīng)光的重要指標(biāo)[18]。最大凈光合速率反映植物光合能力及積累干物質(zhì)的能力[19]。3個(gè)油橄欖品種中，‘鄂植8號(hào)’和‘佛奧’的光合能力較強(qiáng)，有利于積累更多的有機(jī)物質(zhì)[20]。表觀量子效率反映植物光能利用效率，尤其是對(duì)弱光的利用能力[21]。3 個(gè)品種中‘佛奧’表觀量子效率最高，對(duì)弱光的利用效率強(qiáng)。暗呼吸速率反映黑暗條件下植物對(duì)光合產(chǎn)物的消耗?！饖W’暗呼吸速率最高，對(duì)光合產(chǎn)物消耗最大，‘鄂植8 號(hào)’暗呼吸速率最低，對(duì)光合產(chǎn)物消耗最小。光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)代表對(duì)光的適應(yīng)范圍及對(duì)強(qiáng)光和弱光的利用能力?！饖W’光飽和點(diǎn)最高，適應(yīng)強(qiáng)光能力最強(qiáng)，對(duì)光的適應(yīng)幅度較大；‘鄂植8 號(hào)’光補(bǔ)償點(diǎn)高，適應(yīng)弱光能力差；‘萊星’光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)均較低，對(duì)光的適應(yīng)幅度較小，適應(yīng)弱光的能力較強(qiáng)，耐陰性強(qiáng)。木本陽性植物葉片的最大凈光合速率一般為10～25 μmol/(m2·s)，光補(bǔ)償點(diǎn)為10～50 μmol/(m2·s)，光飽和點(diǎn)為600～1500 μmol/(m2·s)[22]。本研究中，3 個(gè)油橄欖品種的最大凈光合速率為26.804～28.763 μmol/(m2· s)，光補(bǔ)償點(diǎn)為31.518～62.879 μmol/(m2· s)，光飽和點(diǎn)為831.665～1203.784 μmol/(m2·s)，表明油橄欖是典型的陽性植物，栽培油橄欖時(shí)應(yīng)選擇光照充足的地方。不同的品種對(duì)光的適應(yīng)性不同，在栽培時(shí)，不同的品種可設(shè)置不同的栽培密度或通過修剪整型來提高油橄欖光能利用效率[23]。光合作用和效率也可作為油橄欖育種的選擇目標(biāo)[24]。

CO2響應(yīng)曲線特征參數(shù)反映了植物利用CO2的能力?！饖W’具有較高的最大凈光合速率和羧化效率，其CO2濃度較低時(shí)也能保持較高的光合速率[25]?！踔?號(hào)’CO2補(bǔ)償點(diǎn)較低，CO2飽和點(diǎn)較高，表明其CO2同化能力強(qiáng)且利用幅度較寬，同時(shí)其光呼吸高，能在強(qiáng)光條件下保持較高的光呼吸以免于光合機(jī)構(gòu)破壞[26-27]?！R星’的CO2補(bǔ)償點(diǎn)較高，CO2飽和點(diǎn)較低，其CO2同化能力較弱且利用CO2幅度較窄?！饖W’、‘鄂植8 號(hào)’的CO2響應(yīng)最大凈光合速率值大于光響應(yīng)最大凈光合速率，說明當(dāng)達(dá)到光飽和時(shí)，CO2供應(yīng)是影響‘佛奧’、‘鄂植8號(hào)’光合速率的重要因子。

光合同化產(chǎn)物向果實(shí)分配和運(yùn)輸多，將有利于植物高產(chǎn)；向葉片、枝條運(yùn)輸多，則會(huì)導(dǎo)致低產(chǎn)[28]。本研究中，采用13C 同位素法標(biāo)記72 h 后，3 個(gè)油橄欖品種40%～50%的同化物已從葉片運(yùn)出，但大部分集中在枝條，運(yùn)輸?shù)焦麑?shí)（果殼、種仁）的同化物僅占20%左右，遠(yuǎn)低于油茶、玉米等植物葉片標(biāo)記72 h后運(yùn)輸?shù)焦麑?shí)的光合同化物[29]。施肥、修剪、光照可促進(jìn)光合產(chǎn)物運(yùn)輸?shù)焦麑?shí)[30-31]，如何提高油橄欖光合產(chǎn)物在果實(shí)中的分配比例還有待下一步的研究。