高溫脅迫對樟樹光合性能的影響

王 彬，田正鳳，應彬彬，馬元丹，左照江

（浙江農林大學 林業與生物技術學院，浙江 杭州 311300）

在全球氣候變暖的大背景下，由溫室效應不斷加劇而導致的高溫天氣日趨嚴重，已成為全世界廣為關注的環境問題之一。高溫不僅會危害人體健康，也會對農林業生產造成嚴重影響［1－2］。在高溫脅迫下，植物種子萌發受抑［3］、 光合能力降低［4－5］、 活性氧（reactive oxygen species,ROS）大量產生并造成次生氧化脅迫［6］。這不僅會影響植物生長發育，甚至會引發細胞程序性死亡［6－7］。光合作用是植物最主要的物質與能量代謝過程，也是對環境因子變化最為敏感的生理過程［8－9］。高溫脅迫可破壞光系統Ⅱ（PSⅡ）結構，抑制電子供體側水的光解，并降低氣孔導度、反應中心光化學效率、二氧化碳同化能力和水分利用效率等［4,10－12］。在這些影響中，往往幾種共同作用以降低植物的光合性能。樟樹Cinnamomum camphora主要生長在熱帶和亞熱帶地區，是優良的園林綠化樹種，被廣泛作為庭蔭樹、行道樹、防護林以及風景林使用，具有巨大的經濟與生態價值。目前，對樟樹研究主要集中于組織培養和無性繁殖等育苗技術［13－14］，以及低溫［15］、 干旱［16－17］和鹽堿脅迫［18－19］等對生理特性的影響以評估其向北方和鹽堿灘涂引種的適應性。隨著高溫天氣的加劇，其生長過程中不可避免的會經歷高溫脅迫，以其主要生長區域之一浙江省為例，2013－2017年間夏季高溫可達40℃，甚至某些區域會高達42℃［20］。然而高溫對樟樹生長與光合作用具有何種影響，尚未見相關研究報道。因此，本研究從葉綠素熒光誘導動力學、氣體交換速率和水分利用效率等方面研究高溫脅迫對樟樹光合性能的影響，以期揭示高溫環境對樟樹的危害。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與處理

在3月選取生長一致的3年生樟樹幼苗（高度約90 cm）移栽至花盆（高30 cm，直徑30 cm）中，并置于室外緩苗備用。在5月選取生長狀況一致的幼苗進行高溫脅迫處理。將樟樹幼苗放入光照培養箱中（光16 h/暗8 h），分別進行25，35和45℃（光照時的溫度）溫度處理，黑暗時溫度分別為20，25和35℃。35和45℃高溫處理前分別經25和35℃適應2 d后進行，溫度升高時升速為3℃·h－1。以25℃處理作為對照。每個溫度處理幼苗4株，視為重復1次·株－1。高溫脅迫2 d后，測定幼苗的光合性能。

1.2 葉綠素熒光誘導動力學曲線測定

對樟樹葉片暗適應15 min后，采用Yaxin-1161葉綠素快速熒光儀測定其葉綠素熒光誘導動力學曲線［21］，并根據CHRISTEN等［22］的方法計算葉綠素熒光動力學參數：單位反應中心吸收的光能總量（ABS/RC），單位反應中心捕獲的光能總量（TRO/RC），單位反應中心內電子傳遞的量子產額（ETO/RC），單位反應中心熱耗散的能量（DIO/RC），光合性能指數（PIABS）和單位吸收面積上天線色素能量吸收的驅動力（DFABS）。

1.3 氣體交換速率測定

樟樹葉片的氣體交換速率采用LI-6400便攜式光合儀進行測量，光強設定為2 000，1 500，1 200，1 000，800，600，400， 300， 200，100，50， 20，10 和 0 μmol·m－2·s－1，二氧化碳摩爾分數為 400 μmol·mol－1， 葉室溫度為 30 ℃。 對光合速率（Pn）， 氣孔導度（Gs）， 胞間二氧化碳摩爾分數（Ci）和蒸騰速率（Tr）的光響應變化進行分析，并參考YE等［23］直角雙曲線修正模型計算光補償點、光飽和點和最大光合速率。

1.4 水分利用效率計算

水分利用效率是指植物或葉片每蒸騰一定量的水分所同化的二氧化碳的量，即Pn與Tr的比值，以mmol·mol－1（二氧化碳/水）表示。 在 25和 35℃時， 樟樹處于最大光合速率時的光強接近于 1 200 μmol·m－2·s－1， 45 ℃時接近 1 000 μmol·m－2·s－1， 分別采用此時的光合速率和蒸騰速率計算相應的水分利用效率。

1.5 數據處理

實驗數據采用SPSS 13.0進行分析，Origin 8.0進行作圖。

2 結果與分析

2.1 高溫脅迫對樟樹葉綠素熒光誘導動力學的影響

在35和45℃高溫脅迫下，樟樹葉綠素熒光誘導動力學曲線O到P點的熒光強度均明顯降低，其中在45℃高溫脅迫后降至最低（圖1）。

圖1 高溫對樟樹葉綠素熒光誘導動力學曲線的影響Figure 1 Effects of high temperature on chlorophyll fluorescence transientsin Cinnamomum camphora

樟樹經35和45℃高溫脅迫處理后，其ABS/RC分別降低了4.9%和21.7%，其中在45℃高溫脅迫時差異達到極顯著（P＜0.01）水平。與ABS/RC相似，35和45℃高溫脅迫均明顯降低TRO/RC，ETO/RC，PIABS和DFABS，并且在45℃高溫脅迫時均達到極顯著（P＜0.01）水平。對于DIO/RC而言，35和45℃高溫脅迫均使其明顯增加，與對照相比分別增加了13.5%（P＜0.05）和 78.4%（P＜0.01）（表 1）。

表1 高溫脅迫對樟樹葉綠素熒光誘導動力學參數的影響Table 1 Effects of high temperature stress on chlorophyll fluorescence transient parameters in Cinnamomum camphora

2.2 高溫脅迫對樟樹光合作用的影響

隨著光照強度增加，樟樹光合速率呈現先增加后趨于穩定的明顯的光響應曲線特征。在35和45℃高溫脅迫后，樟樹的光響應曲線明顯降低，其中在45℃時降至最低，這表明高溫明顯抑制了樟樹光合速率（圖2A），其中最大光合速率分別降低了42.3%（P＜0.05）和67.6%（P＜0.05）。 同時， 光補償點分別增加了20.3%（P＜0.01）和1.6倍（P＜0.01），而光飽和點則分別降低了6.7%和11.9%（P＜0.05）（表2）。

表2 高溫脅迫對樟樹光響應參數的影響Table 2 Effects of high temperature stress on light response parameters in Cinnamomum camphora

氣孔導度對光強的響應與光合速率相似，亦隨光強增加而呈現先增加后趨于穩定的變化趨勢，同時隨高溫脅迫增強而逐漸降低（圖2B）。對于胞間二氧化碳摩爾分數而言，其隨光強增加而逐漸降低。在高溫脅迫后， 胞間二氧化碳摩爾分數升高， 其中在光強≥1 000 μmol·m－2·s－1后 45 ℃時最高（圖 2C）。

圖2 高溫脅迫對樟樹光合作用的影響Figure 2 Effects of high temperature stress on photosynthesis in Cinnamomum camphora

2.3 高溫脅迫對樟樹蒸騰速率和水分利用效率的影響

隨著光照強度增加，樟樹在25，35和45℃的蒸騰速率均呈現逐漸增加趨勢。與25℃相比，樟樹在35和45℃高溫脅迫后，其蒸騰速率明顯降低，其中在45℃高溫脅迫時降至最低（圖3A）。采用樟樹處于最大光合速率時的光合速率和蒸騰速率計算水分利用效率，其在25℃時為5.0 μmol·mmol－1，在35和45℃高溫脅迫后分別降低了16.0%和44.6%，并且差異均達到顯著（P＜0.05）和極顯著（P＜0.01）水平（圖3B）。

圖3 高溫脅迫對樟樹蒸騰速率和水分利用效率的影響Figure 3 Effects of high temperature stress on transpiration rate and water use efficiency in Cinnamomum camphora

3 討論

葉綠素熒光是研究植物光合作用有效的非損傷探針，其誘導動力學曲線可反映PSⅡ反應中心原初光化學反應。在O—P點的熒光動態變化過程中，O點表示PSⅡ反應中心可最大限度的接受光量子；O—J表示PSⅡ反應中心受光激發后將電子傳給PSⅡ原初醌受體（QA）并還原為；J—I—P表示質體醌（PQ）庫的還原狀態［24］。在高溫脅迫下，樟樹O—P點的熒光強度明顯降低，這與高溫脅迫對蘋果Malus domestica［25］和黃瓜Cucumis sativus［26］葉片葉綠素熒光誘導動力學曲線的影響相一致。在此過程中，樟樹O—J點熒光強度降低，表明其積累導致了PSⅡ受體側電子傳遞受阻［21,27］；J—P降低則表明PSⅡ供體側電子傳遞受阻， 并引發 P680＋積累［28－29］。

在光反應過程中，光能的吸收、分配與利用可通過葉綠素熒光誘導動力學參數進行反應［30］。在高溫脅迫下，辣椒Capsicum annum葉片反應中心單位面積上吸收、捕獲和傳遞的光能均明顯降低［31］。在本研究中，樟樹亦有相似結果，ABS/RC，TRO/RC和ETO/RC在高溫脅迫下均明顯低于對照（表1）。在高溫脅迫時，樟樹DIO/RC增加，這表明其吸收的光能通過葉黃素循環進行熱耗散增加［33］。PIABS由光能吸收、激發能捕獲和激發能到電能的傳導3方面構成［32］，在高溫脅迫下樟樹PIABS降低表明光反應過程受到明顯抑制。

在高溫脅迫后， 黃瓜［34］、 芍藥 Paeonia lactiflora［35］和油菜 Brassica napus［36］的光合速率、氣孔導度和蒸騰速率以及芍藥水分利用效率均明顯降低，同時黃瓜［34］和西洋杜鵑Rhododendron hybridum［37］胞間二氧化碳摩爾分數明顯升高，本研究結果與之相似。樟樹在高溫脅迫后，氣孔導度降低限制了水分蒸發從而導致蒸騰速率降低，同時光合速率降低量明顯高于蒸騰速率降低量，進而導致水分利用效率明顯降低。植物光合速率降低的原因可分為氣孔限制與非氣孔限制［38］，如果脅迫降低氣孔導度而葉肉細胞仍可活躍的進行光合作用，其胞間二氧化碳摩爾分數顯著降低，這就是典型的氣孔限制；反之則為非氣孔限制。在高溫脅迫下，雖然樟樹氣孔導度明顯降低，但是胞間二氧化碳摩爾分數卻明顯升高，這表明高溫導致樟樹光合速率降低不是由氣孔限制原因造成的。

由此可見，高溫脅迫可通過降低樟樹PSⅡ的光能吸收、量子產量和電子傳遞，并促進吸收的光能進行熱耗散，從而降低PSⅡ效率，進而導致同化力（三磷酸腺苷ATP和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸NADPH）減少以影響二氧化碳同化并降低光合速率。