油用牡丹鳳丹光合作用對(duì)光照度及胞間CO2濃度的季節(jié)響應(yīng)

楊玉珍，王國(guó)霞，張志浩

(1.鄭州師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，河南鄭州450044;2.鄭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南鄭州450001)

牡丹(Paeonia suffruticosa Andr.)原產(chǎn)于中國(guó)，為芍藥科(Paeoniaceae)芍藥屬(Paeonia)多年生木本落葉小灌木，在我國(guó)已有1 600多年的栽培歷史［1］，素有“國(guó)色天香”“花中之王”的美稱。油用牡丹為近幾年新興的一種優(yōu)質(zhì)木本油料作物，籽油是其主要產(chǎn)品之一，具有極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。2011年3月，牡丹籽油被衛(wèi)生部正式批準(zhǔn)為新資源食品［2］。目前，油用牡丹在全國(guó)已大面積推廣種植，以鳳丹(Paeonia ostii)和紫斑(Paeonia rockii)為主要栽培種。其中，鳳丹牡丹具有耐濕熱、株型高大、結(jié)實(shí)率高、適應(yīng)性強(qiáng)的特性，分布于全國(guó)大部分地區(qū)，特別是在河南、安徽、山東等省份已有大面積種植;紫斑牡丹由于耐寒抗旱性很強(qiáng)，主要分布在四川、甘肅、陜西等西部地區(qū)［3］。

在油用牡丹的引種栽培中，光和CO2是重要的生態(tài)因子，直接影響著光合作用及最終產(chǎn)量。在關(guān)于光合作用的研究中，光合作用的響應(yīng)是研究植物生理和植物生態(tài)學(xué)的重要途徑。由光響應(yīng)曲線可以確定植物的光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)、表觀量子效率及最大凈光合速率;由CO2響應(yīng)曲線可以確定植物的CO2補(bǔ)償點(diǎn)、飽和點(diǎn)、RuBP羧化作用以及最大凈光合作用。這些指標(biāo)對(duì)了解植物的生理特性具有指導(dǎo)作用，因此，確定植物光合作用對(duì)主要生態(tài)因子如光照和細(xì)胞間CO2濃度在不同季節(jié)里的響應(yīng)，對(duì)于研究植物的光合特性、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面具有重要意義［4］。目前，植物光合作用的光響應(yīng)模型有很多，各有優(yōu)劣，有直角雙曲線模型［5］、非直角雙曲線模型［6］、直角雙曲線的修正模型［7］等，而在對(duì)油用牡丹的光響應(yīng)研究中應(yīng)用最多的是非直角雙曲線模型［7－8］，本試驗(yàn)采用該模型擬合。CO2響應(yīng)模型主要有生化模型［9］、直角雙曲線模型［10］、直角雙曲線修正模型［11］等，本研究首次將直角雙曲線模型應(yīng)用于油用牡丹的CO2響應(yīng)。本研究以油用牡丹主要優(yōu)良栽培品種鳳丹為研究對(duì)象，通過比較不同季節(jié)條件下其光合作用對(duì)光合有效輻射和胞間CO2濃度響應(yīng)的差異，旨在為油用牡丹在河南地區(qū)的大面積推廣栽培以及生產(chǎn)管理提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為5年生鳳丹白品種(Paeonia ostii T.Hong et J.X.Zhang‘Phoenix White’)，種植于鄭州師范學(xué)院黃河灘實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地。試驗(yàn)地處北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，34°51'N、113°38'E，海拔110 m，冷暖適中、四季分明，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗日照長(zhǎng)，冬季寒冷少雪，年平均氣溫在14～14.3℃之間，平均降水量640.9 mm，無霜期220 d，全年日照時(shí)間約2 400 h。植物材料大田種植，水肥條件良好，常規(guī)管理。周邊無高大遮擋物，處全光照環(huán)境。原位隨機(jī)選取測(cè)定長(zhǎng)勢(shì)基本一致、無病蟲害的健康植株，頂端往下第3張或第4張向陽(yáng)功能葉，盡量保持葉片正常生長(zhǎng)角度不變。

1.2 方法

1.2.1 光響應(yīng)曲線的測(cè)定 分別于2016年5月下旬(春季)和2016年7月下旬(夏季)連續(xù)晴天運(yùn)用LI－6400XT便攜式光合測(cè)量系統(tǒng)(LI－COR，USA)進(jìn)行瞬時(shí)光合速率的測(cè)定。測(cè)定時(shí)間為09:00—11:00。試驗(yàn)重復(fù)3次，每次選擇1個(gè)典型植株。以CO2注入系統(tǒng)為氣源，濃度設(shè)定為接近于大氣CO2濃度400μmol/mol。測(cè)定前打開2 000μmol/(m2·s)的6400－02B型LED燈進(jìn)行光誘導(dǎo)。光照度設(shè)置為2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、80、60、40、20、0 μmol/(m2·s)，共 16 個(gè)梯度值。程序設(shè)定完成后，儀器自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，依據(jù)非直角雙曲線模型進(jìn)行光響應(yīng)曲線擬合［6］，擬合數(shù)據(jù)取3次重復(fù)的平均值，擬合公式如下:

式中:Pn為凈光合速率，Pn，max為最大凈光合速率，Q為光合有效輻射，o為表觀量子效率(apparent quantum yield，AQY)，k為擬合曲線曲角，Rd為暗呼吸速率。將光照度在200μmol/(m2·s)以下階段以直線回歸作補(bǔ)充，與非直角雙曲線模型下計(jì)算出的 Pn，max及對(duì)應(yīng)的光照度，即光飽和點(diǎn)(light saturation point，LSP)相接，與x軸的交點(diǎn)即為光補(bǔ)償點(diǎn)(light compensation point，LCP)，直線斜率即為 AQY。

1.2.2 CO2響應(yīng)曲線的測(cè)定 分別于2016年5月下旬(春季)和2016年7月下旬(夏季)連續(xù)晴天運(yùn)用LI－6400XT便攜式光合測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定鳳丹CO2響應(yīng)曲線。測(cè)定時(shí)間在09:00—11:00，試驗(yàn)重復(fù)3次，每次選擇1個(gè)典型植株。光照度設(shè)定在1 000μmol/(m2·s)，由6400－02B型紅藍(lán)光源提供。葉室溫度設(shè)定為25℃。CO2濃度設(shè)定為50、100、200、300、400、600、800、1 000、1 200、1 500、1 800、2 000 μmol/mol共計(jì)12個(gè)梯度值，每個(gè)梯度下最小等待時(shí)間為120 s，最大等待時(shí)間為300 s。程序設(shè)定完成后，儀器自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，利用直角雙曲線［10］擬合細(xì)胞間CO2濃度Ci與凈光合速率Pn，擬合數(shù)據(jù)取3次重復(fù)的平均值，擬合公式如下:

式中:Ci為胞間CO2濃度，CE為RuBP羧化效率，Rp為光呼吸速率(由于光下暗呼吸速率很小，可近似等于光下葉片向外界釋放CO2濃度的速率)。將低CO2濃度在200μmol/mol以下階段以直線回歸作補(bǔ)充，與直角雙曲線模型下計(jì)算出的Pn，max及對(duì)應(yīng)的 CO2濃度即 CO2飽和點(diǎn)(CO2Saturation Point，CSP)相接，則與x軸的交點(diǎn)即為CO2補(bǔ)償點(diǎn)(CO2compensation point，CCP)，截距為 Rp，CO2濃度 200 μmol/(m2·s)以下階段直線斜率即為RuBP羧化效率CE。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003及SPSS 20.0軟件進(jìn)行分析，Origin 8.0 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鳳丹凈光合速率對(duì)光合有效輻射的季節(jié)響應(yīng)

2.1.1 不同季節(jié)光響應(yīng)初始斜率比較 AQY作為葉片光能利用效率重要參數(shù)之一，反映了植物在進(jìn)行光合作用時(shí)對(duì)弱光的利用效率，可用光響應(yīng)曲線的初始斜率［0～200μmol/(m2·s)光照度范圍］計(jì)算得到。一般情況下，植物的 AQY 值在0.03～0.07之間［12］。由表1可以看出，在春季，大田條件下鳳丹光響應(yīng)曲線的初始斜率略小于一般值，而夏季數(shù)值在正常范圍，表明鳳丹在夏季較春季對(duì)弱光的利用效率高。

表1 不同季節(jié)鳳丹光響應(yīng)曲線的初始斜率及相應(yīng)的回歸方程

2.1.2 不同季節(jié)光響應(yīng)曲線及相關(guān)參數(shù)比較 光飽和點(diǎn)和補(bǔ)償點(diǎn)能反映植物對(duì)強(qiáng)光和弱光的利用能力，是反映植物光響應(yīng)的重要指標(biāo)［13］。由圖1可知，鳳丹葉片在不同季節(jié)的光響應(yīng)曲線變化趨勢(shì)相同。在光合有效輻射為0μmol/(m2·s)時(shí)，“鳳丹”的凈光合速率均為負(fù)值，在0～200μmol/(m2·s)光照度范圍內(nèi)，隨著光合有效輻射(Photosynthetically ctive radiation，PAR)的增加，Pn近乎直線增長(zhǎng)，直到接近 Pnmax，此時(shí)對(duì)應(yīng)的PAR值為L(zhǎng)SP。通過對(duì)0～200μmol/(m2·s)光照度范圍內(nèi)曲線進(jìn)行線性回歸及用非直角雙曲線模型對(duì)＞200μmol/(m2·s)光照度范圍曲線進(jìn)行擬合(表2)，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在春季和夏季的 LSP分別為 908.547、1 355.527μmol/(m2·s)。凈光合速率為 0 μmol/(m2·s)時(shí)，光合有效輻射為 LCP，在春季和夏季分別為36.087、54.083μmol/(m2·s)，說明鳳丹在春季對(duì)弱光的利用能力強(qiáng)于夏季。最大凈光合速率Pn，max為植物在飽和光照度下的凈光合速率，是葉片的最大凈光合速率，能夠反映葉片的光合效率和光合潛能。該值在2個(gè)季節(jié)具有明顯差別，分別為24.421、41.059 μmol/(m2·s)。暗呼吸速率 Rd可以反映呼吸速率，在春季和夏季分別為0.968、1.711 μmol/(m2·s)。

表2 不同季節(jié)鳳丹光合－光照度響應(yīng)主要參數(shù)擬合值

2.2 鳳丹凈光合速率對(duì)細(xì)胞間CO2濃度的季節(jié)響應(yīng)

2.2.1 不同季節(jié)CO2響應(yīng)初始斜率比較 RuBP羧化效率CE是指低CO2濃度(0～200μmol/mol)的凈光合速率與胞間CO2濃度擬合的一次方程的斜率，是衡量植物對(duì)葉片中CO2利用效率的重要指標(biāo)［14］。CE值越大，說明在低CO2濃度條件下能夠更高效地利用CO2進(jìn)行光合作用。由表3可知，鳳丹在春季CE值顯著高于夏季，說明在春季對(duì)低CO2濃度的利用高于夏季。

表3 不同季節(jié)鳳丹CO2響應(yīng)曲線的初始斜率及相應(yīng)的回歸方程

2.2.2 不同季節(jié)CO2響應(yīng)曲線比較 CO2作為光合作用的底物，其濃度在一定范圍內(nèi)直接影響著光合作用的進(jìn)程。圖2顯示，隨著Ci值的增大，凈光合速率增大，且春季增幅明顯大于夏季。在低Ci濃度(小于200μmol/mol)時(shí)，Pn上升速度較快，一般認(rèn)為，此時(shí)1，5－二磷酸核酮糖羧化酶(rubsico)對(duì)Pn的限制起主要作用。此后，隨著Ci濃度的增大，Pn增幅減小，直至接近飽和狀態(tài)，此階段的1，5－二磷酸核酮糖羧化酶再生速率是制約Pn的主要原因。在不同季節(jié)分別達(dá)到相應(yīng)的CO2飽和點(diǎn)(1 152.506、1 425.059 μmol/mol)時(shí)，春季的最大凈光合速率Pn，max顯著高于夏季。然而，夏季相對(duì)較低的CO2補(bǔ)償點(diǎn)說明在夏季鳳丹對(duì)低CO2濃度的利用效率高于春季，可見鳳丹在夏季具有較寬的CO2適應(yīng)性。與此同時(shí)，在春季還伴隨著較高的光呼吸速率(表4)。

表4 不同季節(jié)鳳丹光合－C i響應(yīng)主要參數(shù)擬合值

3 結(jié)論與討論

光合作用為地球上的各種生物提供了賴以生存和發(fā)展的食物、空氣和能量，是一個(gè)十分復(fù)雜的生理過程。不同植物葉片的光合特性既受自身遺傳因素影響，也與光照等環(huán)境因子有關(guān)。掌握鳳丹在不同季節(jié)條件下的生長(zhǎng)規(guī)律，有助于提高產(chǎn)量，具有重要的理論和指導(dǎo)意義。

3.1 鳳丹光合作用對(duì)光的季節(jié)響應(yīng)

光飽和條件下的凈光合速率有時(shí)被稱為光合能力，或光合潛力［10］。光飽和點(diǎn)和補(bǔ)償點(diǎn)分別反映植物對(duì)強(qiáng)光和弱光的利用情況，同時(shí)也與植物的生長(zhǎng)階段和適應(yīng)對(duì)策以及不同季節(jié)的氣候條件密切相關(guān)。本試驗(yàn)中夏季鳳丹具有較高的光飽和點(diǎn)，說明其對(duì)強(qiáng)光利用能力優(yōu)于春季，而較高的光補(bǔ)償點(diǎn)伴有較高的暗呼吸速率也說明鳳丹對(duì)弱光的利用能力低于春季。光合機(jī)構(gòu)每吸收1個(gè)光量子固定的CO2或釋放的O2分子數(shù)被稱為光合碳同化的量子效率。AQY不考慮葉片光透射和反射(15%左右)，而是按照入射的光量子數(shù)計(jì)算得到的量子效率［14］。植物的表觀量子效率越高，其對(duì)光能的利用能力就越強(qiáng)。本研究中夏季鳳丹AQY值大于春季，說明其在夏季對(duì)光能的利用能力較強(qiáng)。光補(bǔ)償點(diǎn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中有很大的意義。在間作和套作中選擇搭配的作物種類，林帶樹種的配置等都與光補(bǔ)償點(diǎn)有關(guān)。栽培過密或水肥過多，容易造成徒長(zhǎng)，使得封行提前，作物中下部葉片接受的光照匱乏，低于光補(bǔ)償點(diǎn)，葉片不但不能制造有機(jī)物，反而會(huì)消耗自身養(yǎng)分，導(dǎo)致作物減產(chǎn)。另外，畢玉偉等以盆栽條件下的鳳丹為研究對(duì)象得出的光飽和點(diǎn)和補(bǔ)償點(diǎn)范圍均大于本研究結(jié)果，推測(cè)盆栽和田間氣候因子的差異可能是造成這種不符情況的主要原因，也可能與Pn－PAR數(shù)據(jù)擬合的方法［15］有關(guān)。

3.2 鳳丹光合作用對(duì)胞間CO2濃度的季節(jié)響應(yīng)

普通空氣中的CO2濃度偏低，制約了光合作用。CO2是光合作用的原料，是RuBP羧化酶的主要底物，其補(bǔ)償點(diǎn)和飽和點(diǎn)是植物是否具有潛在高光合效率的重要指標(biāo)。大田條件下鳳丹在春季和夏季的 CCP分別為 138.184、54.256μmol/mol，屬一般C3植物范疇，說明在夏季鳳丹對(duì)低濃度CO2的利用能力優(yōu)于春季;春季的羧化效率高于夏季，表明鳳丹在春季對(duì)低CO2濃度適應(yīng)性更強(qiáng)。在達(dá)到遠(yuǎn)高于大氣CO2濃度值400μmol/moL左右的CSP時(shí)，鳳丹的最大Pn，max可分別達(dá) 86.603、54.256 μmol/(m2·s)，遠(yuǎn)大于同時(shí)期自然條件下的最高凈光合速率，說明鳳丹還具有巨大的光合潛力。在一定的CO2濃度范圍內(nèi)，適當(dāng)增施CO2肥會(huì)極大促進(jìn)油用牡丹產(chǎn)量。