黃連花的光合日變化及干旱對其光合特性的影響

雷 蕾，張彥妮

（1. 東北林業大學園林學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2. 太原植物園，山西 太原 030025）

光合作用是植物生長發育過程中重要的化學反應[1]，其將光能轉化為可儲存的化學能，為植物的一系列活動提供最初的營養[2]。光合速率的大小不僅與物種的遺傳特性有關，而且還受許多環境因素的限制，對環境變化較為敏感。作為植物進行光合作用的能量來源，光合有效輻射(PAR)直接影響了植物的光合作用[3]。不同植物光合日變化表現不同，礬根(Heuchera micrantha)的光合日變化呈雙峰型，具有明顯的“午休”現象[4]；黃芩(Scutellaria baicalensis)的光合日變化呈不明顯雙峰曲線，有輕微光合“午休”現象[5]；而有的植物光合日變化隨著季節的變化而變化，5月份呈現雙峰型，8和10月份呈現單峰型[6]。水分作為光合作用的原材料之一，它的缺失會降低光合酶的活性，影響植物的光合速率，延緩植物的正常生長。如干旱導致東北玉簪 (Hosta clausavar.ensata)和射干 (Belamcanda chinensis)凈光合速率顯著降低[7-8]；隨著干旱時間的增加，溝葉結縷草(Zoysia matrella)植株的凈光合速率和胞間CO2濃度先增加后降低，氣孔導度和蒸騰速率逐漸降低[9]。王瑩博等[10]對白芨(Bletilla striata)的研究表明干旱只降低了葉片的光合參數，而對光反應系統并沒有造成不可逆的破壞。因此，干旱對植物光合特性的影響因植物而異。

黃連花(Lysimachia davurica)作為報春花科珍珠菜屬多年生野生花卉，在國內主要分布于東北三省、內蒙古東北部及華北平原的東北部。其花期在春末至秋初，花期長，花大、色黃、密集，具有很高的觀賞價值，且其耐寒性強，在寒冷的東北地區根部宿存于地下而不死，是較為理想的高寒地區綠化資源。此外黃連花還是一種重要的藥用材料，具有鎮靜、降壓、治失眠和高血壓的功效[11]。目前關于黃連花的研究主要集中在其化學成分的鑒定、分離提取[12-14]、種子萌發、組培快繁體系的建立[15-16]、馴化栽培[17]、自然干旱脅迫對黃連花部分生理指標的影響[18]，關于干旱對其光合生理特性的影響尚未見報道。因此，本研究以黃連花幼苗為試驗材料，運用LI-6400光合儀測定了自然條件下的光合日變化和不同干旱脅迫下的光合特性，分析黃連花的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度等參數的變化，以明確黃連花的光合特性，揭示干旱脅迫對黃連花生長和光合作用的影響機理，為提高植物水分利用效率，實行節水栽培以及園林應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與處理

試驗于東北林業大學園林學院花圃的溫室進行。黃連花的組培苗經過緩苗、馴化、移栽后作為備用試驗材料。2015年4月選擇高度約為8 cm，生長狀況基本一致的黃連花生根苗，移栽到裝有蛭石的花盆中置于室內陽臺(光照強度為自然光照，溫度范圍為 15～25 ℃)馴化 20 d。其間每周澆灌1次稀釋了5～10倍的MS營養液10 mL為其補充營養。馴化結束后，將黃連花移栽至花盆中 (上口徑 13 cm，下口徑 9.5 cm，高 11 cm)，每盆裝花卉市場上購買的育苗基質土300 g進行正常的栽培管理，育苗基質土壤pH 4.59，有機質含量15.27 g·kg-1， 全 氮 含 量 18.52 g·kg-1， 全 磷 含 量3.3 g·kg-1，全鉀含量 21.41 g·kg-1。

2015年6月14日開始進行盆栽控水(植株的高度為20 cm)。此時溫室的溫度變化范圍為28～38 ℃。試驗設置了4個干旱梯度：脅迫時間分別為5、10、15和20 d。每個梯度6盆。試驗開始前，對黃連花盆栽進行充足澆水，使土壤水分達到飽和，作為干旱開始(0 d)。開始控水后，對照組每天09:00測量其土壤含水量并對其進行補水，使其含水量控制在85%～87%。待不同梯度的脅迫到達設定的時間后，分別測定對照組的光合日進程以及不同脅迫梯度植株的光響應曲線。

1.2 測量項目及方法

土壤含水量：人工采取盆土1/3位置的新鮮土樣，采用恒溫箱烘干法，分別測定不同干旱梯度的土壤含水量。

光合日變化：于晴朗無風的天氣(18～30 ℃)，選用美國LI-COR公司生產的LI-6400便攜式光合儀(透明葉室)對黃連花進行不離體測量。測量時采用開放式氣路，時間為08:00至18:00，每隔2 h測量一次。機器自動記錄凈光合速率 [Pn，μmol·(m2·s)-1]、胞 間 CO2濃 度 (Ci， μmol·mol-1)、 蒸 騰 速 率 [Tr，mmol·(m2·s)-1]和氣孔導度 [Gs，mmol·(m2·s)-1]。水分利用效率(WUE，μmol·mmol-1)為凈光合速率與蒸騰速率的比值[19]。

光響應曲線的測定：于不同干旱梯度的黃連花盆栽中，選取長勢和光照相似部位的葉片(從頂部向下數第3片葉子)，利用LI-6400便攜式光合系統測定各處理的光響應曲線。測量時間為09:00-11:30，采用開放式氣路，大氣的CO2濃度保持在380～390 μmol·mol-1。LI-6400 的紅藍光源模擬設定光強依次為 1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50、25、0 μmol·(m2·s)-1。機器自動記錄Pn、Ci、Tr和Gs等參數。

1.3 數據處理與分析

采用SPSS 20.0對光響應曲線進行非直角雙曲線模型擬合[20]，得到最大凈光合速率(Amax)、暗呼吸速率(Rd)。根據實測光合數據，對弱光下的光合速率進行直線回歸，得到表觀量子效率(AQE)和光補償點(LCP)。將直線回歸得到的線性方程與最大凈光合速率相交，得到光飽和點(LSP)。采用Excel 2003 進行作圖，SPSS 20.0 進行One-way ANOVA單因素方差和顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對土壤含水量的影響

隨著干旱脅迫時間的延長，土壤含水量呈現逐漸下降的趨勢，脅迫時間越長，影響越嚴重(圖1)，各處理組和對照差異明顯。0～15 d內，土壤含水量急劇下降，5 d時，土壤含水量降為38.92%，此時葉片出現輕度萎蔫現象，與莖尖方向的夾角變大。脅迫10 d時，土壤含水量為14.25%，葉片皺縮嚴重，特別是莖尖嚴重缺水，以致彎曲下垂。脅迫15和20 d的土壤含水量變化不明顯，15 d時為4.54%，此時地上部分干枯，復水后可以萌發出新芽，20 d僅為3.93%，整個植株干旱死亡。

圖 1 不同脅迫天數的土壤含水量Figure 1 The soil moisture content after different drought stress

2.2 光合有效輻射日變化和水分利用效率

自然條件下，PAR雖然瞬時變化較大，但日變化規律總體呈“單峰”型，1 d中的最大值出現在10:00-12:00[1 200～1 300 μmol·(m2·s)-1]，隨后開始減小，到 18:00 時達到最小值 [50 μmol·(m2·s)-1]，變化幅度較大(圖2)。

圖 2 光合有效輻射日變化和水分利用效率Figure 2 The daily variation of photosynthetically active radiation (PAR) and water use efficiency (WUE)

黃連花全天的WUE值相較于抗旱植物青綠苔草(Carex leucochlora)而言[6]均較低，最大值約為2.5 μmol·mmol-1，分別在 08:00 和 18:00，Pn在 14:00最大時 WUE 僅為 1.45 μmol·mmol-1(圖 2)，這可能和兩個時間段的氣孔導度較低有關。而青綠苔草的 WUE 全天最高可達 8.95 μmol·mmol-1，說明黃連花對外界環境中水分的依賴性較高，抗旱能力一般，對干旱環境的適應力較弱。

2.3 黃連花的光合日變化

黃連花的凈光合速率(Pn)在1 d中的變化呈“單峰”型，沒有“午休”現象(圖3)。08:00時由于氣溫較低、光強較弱，Pn值較低。隨著PAR的增強，葉片可利用的光能變多，Pn逐漸增大，14:00左右達到最大值[9.18 μmol·(m2·s)-1]。Pn的最大值相對于PAR 出現時間推遲，可能與PAR的瞬時變化幅度較大有關。

胞間CO2濃度(Ci)日變化規律與Pn基本相反，在08:00到16:00趨于平穩，波動較小，差異不顯著(P＞0.05)。18:00時突然急劇上升，并達到一天中的最大值 (699.07 μmol·mol-1)(圖 3)。

圖 3 凈光合速率和胞間CO2濃度日變化Figure 3 The daily variation of net photosynthetic rate (Pn)and the internal CO2 concentration (Ci)

蒸騰速率(Tr)在1 d中的變化呈現“雙峰”型，兩個峰值分別位于 10:00 [4.92 mmol·(m2·s)-1]和 16:00[6.47 mmol·(m2·s)-1]， 18:00 達 到 最 小 值 [0.17 mmol·(m2·s)-1]。氣孔導度 (Gs)日變化隨著時間的變化呈“單峰”型曲線(圖4)，14:00前呈現逐漸增加的趨勢，且12:00前差異不顯著，14:00時有了大幅度的提升，達到最大值[0.32 μmol·(m2·s)-1]。14:00 后開始逐漸降低，且各時間段之間差異顯著(P＜0.05)。

圖 4 蒸騰速率和氣孔導度日變化Figure 4 The daily variation of transpiration rate (Tr) and stomatal conductance (Gs)

2.4 干旱脅迫對黃連花幼苗光響應曲線的影響

自然條件下，黃連花的Pn在PAR小于400 μmol·(m2·s)-1時呈直線型增長，隨后增長率逐漸減小，在 PAR 為 1 200 μmol·(m2·s)-1時達到最大值 [11.61 μmol·(m2·s)-1]。而在干旱條件下，干旱脅迫 5 和 10 d的黃連花盡管生長狀況較弱，Pn明顯低于CK，但是依然保持正值緩慢增長，在PAR為1 200 μmol·(m2·s)-1時 達 到 最 大 值 ， 分 別 為 1.38 和 0.11 μmol·(m2·s)-1，較對照分別減小了 88.11% 和 99.05%(圖5)。而干旱15 d時Pn全程均為負值。

圖 5 干旱脅迫對黃連花凈光合速率的影響Figure 5 Effect of drought stress on net photosynthetic rate(Pn) of L. davurica

自然和干旱條件下黃連花的胞間CO2濃度(Ci)整體表現為隨著光照的增加而減小，變化趨勢基本與凈光合速率相反(圖6)。除干旱10 d在光合有效輻射為 50 μmol·(m2·s)-1時低于對照組外，其余各處理組的Ci濃度高于CK，脅迫15 d最高。

圖 6 干旱脅迫對黃連花胞間CO2濃度的影響Figure 6 Effect of drought stress on the internal CO2 concentration (Ci) of L. davurica

干旱條件下，氣孔導度和蒸騰速率的變化趨勢與凈光合速率基本相同(圖7、圖8)，且隨著脅迫

圖 7 干旱脅迫對黃連花氣孔導度的影響Figure 7 Effect of drought stress on the stomatal conductance (Gs) of L. davurica

圖 8 干旱脅迫對黃連花蒸騰速率的影響Figure 8 Effect of drought stress on the transpiration rate(Tr) of L. davurica

時間的延長先下降后上升。脅迫 5 d 及 10 d 內二者呈下降趨勢，15 d時有一個小幅度的上升。

利用非直角雙曲線模型對各處理的光響應曲線進行擬合，決定系數(R2)均在0.9以上(表1)，說明此模型能夠較好地說明不同干旱脅迫條件下黃連花的光響應過程。

干旱脅迫下，隨著脅迫程度增加黃連花的最大凈光合速率(Amax)呈現快速下降的趨勢。干旱脅迫 5、10和 15 d的 Amax與對照相比分別降低了85.32%、96.59%和102.30%(表1)。說明干旱脅迫對黃連花的最大凈光合速率有明顯的抑制作用。

表 1 不同脅迫時間的黃連花光響應參數擬合值Table 1 The fitting value of light response parameter in different time of drought stress of L. davurica

暗呼吸速率 (Rd)在脅迫10 d及 10 d內緩慢降低，干旱15 d明顯增加，總體呈現先降低后增加的趨勢。干旱脅迫下光補償點(LCP)與對照相比均有不同程度的增加，其中脅迫15 d時LCP最大，較對照增加了15.39倍(表1)。表明干旱脅迫下，光合作用受到限制，植物對弱光的利用率降低。

隨著脅迫時間的延長，光飽和點(LSP)呈現先增加后下降的趨勢，分別于干旱5和15 d時達到最大值和最小值。脅迫下的表觀量子效率(AQE)低于對照，且隨著脅迫時間的延長先減小后增大，5和10 d時達到最小值。綜合各項指標，表明輕度的干旱脅迫(干旱5 d)降低了黃連花對弱光的利用能力，卻提高了對強光的適應能力。而中度和重度的脅迫正好與之相反，這是可能植物對干旱脅迫做出的適應性調整。

3 討論

受物種本身的遺傳特性影響，不同植物其光合作用日變化不同。一般情況下，日變化不外乎單峰型、雙峰型、平坦型和不規則型4種日變化模式[21]，其中單峰型和雙峰型最為常見。本研究中，黃連花的凈光合速率(Pn)在1 d中的變化呈“單峰”型，沒有“午休”現象，在 14:00 達到峰值 [9.18 μmol·(m2·s)-1]。因此，黃連花和其他植物一樣，其光合速率主要受光照影響。在光合日進程中，黃連花保持較高的凈光合速率 [≥5 μmol·(m2·s)-1]的時間較長，長達8 h，且無“午休”，表明其對光環境的適應能力較強，能夠高效地積累光合產物。蒸騰速率(Tr)和氣孔導度(Gs)日變化趨勢與Pn基本相同，14:00達到最大值。這與任建武等[22]、柯世省等[23]的研究相一致，因為光合作用的原料(水和部分礦質營養元素)的運輸均依賴于蒸騰作用。因此，一般來說，蒸騰速率與光合速率呈正比。胞間CO2濃度(Ci)日變化與Pn基本相反，18:00時達到最大值，這可能是由于傍晚時分的光照較弱，氣溫較低，植物對CO2的固定能力下降，導致CO2在細胞內積累增多[24]。

干旱環境中植物的光合速率降低是所有植物的共同現象[25]。對于黃連花，所有處理的凈光合速率(Pn)在一定范圍內(光飽和點)均會隨著光強增大而增大，達到最大值后開始逐漸減小，即出現了光抑制效應。而干旱15 d時Pn全程均為負值，此時植株的能耗輸出顯著大于輸入，已不再具有維持生命活動的能力，這與張彥妮等[18]所得到的干旱15 d時部分植株的地上部分死亡的結論相符合。干旱下Ci高于對照，這可能是由于干旱降低了植株的凈光合速率，導致葉片對CO2的固定能力較弱，胞間CO2得不到有效利用導致其大量積累。而CO2利用率的減小可能與干旱降低了光合作用關鍵酶的活性有關[26]。氣孔導度在干旱條件下明顯降低，且在1 d內的變化不明顯，這可能是干旱在一定的時間范圍內誘導了氣孔關閉，降低了蒸騰速率，且此時的干旱脅迫已對氣孔間接造成了一定的傷害，導致氣孔對光強的響應不敏感，基本失去了調節控制作用[27]。

引起Pn降低的原因有氣孔和非氣孔因素[28]。前者是指逆境使氣孔導度受到限制，導致胞間CO2濃度不能滿足光合作用的需求，后者是葉綠體活性與核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶(Rubisco)活性降低、1, 5-二磷酸核酮糖(RuBP)再生能力降低等引起光合作用能力降低。檢驗Pn下降的原因是否為氣孔因素關鍵是Gs和Ci[29]：二者在同一時間范圍內變化趨勢一致即為氣孔因素，反之則為非氣孔因素。本研究中，Gs隨著脅迫時間的延長先降低后上升，而Ci則持續上升。氣孔導度逐漸下降，這可能是黃連花主動適應干旱脅迫的一種生態避旱策略，通過減少氣孔的開度，減少體內水分過度的蒸騰，但是這也限制了胞間CO2和空氣中O2的交換，限制了CO2及時排出，導致Ci上升。參照以上標準，干旱脅迫10 d以下，非氣孔因素是導致Pn下降的主要原因，而脅迫15 d，氣孔限制是引起Pn降低的主要原因。此結果與黑麥草(Lolium perenne)和葦狀羊茅(Festuca arundinacea)[30]、高羊茅 (Festuca pratensiscv. Houndog V)[31]的研究結果相一致。

葉片光響應曲線是葉片凈光合速率隨定額光源強度變化而變化的趨勢。其中，AQE是凈光合速率與光合有效輻射的比值，其大小反映了植物對于光能的提高光能轉化效率[32]，結合LSP和LCP可以在一定程度上反映植物的抗旱機制。張志剛和尚慶茂[33]對辣椒(Capsicum annuum)的研究發現，其通過提高光能轉化效率，降低強光的適應性和對弱光的利用能力以響應逆境。而黃芪(Scutellaria baicalensis)通過提升植株對強光的適應性和對弱光的利用能力來加強自己的防御系統[5]。本研究中，黃連花的AQE降低，LSP先增大后減小，LCP增大，表明輕度干旱降低了黃連花對弱光的利用能力，卻提高了對強光的適應能力。這與華北繡線菊(Spiraea fritschianad)和金山繡線菊(Spiraea japonica)[34]在輕度脅迫下的抗旱機制相同。

4 結論

自然條件下，黃連花凈光合速率(Pn)在1 d中的變化呈“單峰”型，在14:00達到最大值[9.18 μmol·(m2·s)-1]，沒有“午休”現象，基本與 PAR 的日變化趨勢相同。自然干旱條件下，黃連花可以承受10 d的脅迫，其通過增大光照的適應范圍，提高強光的利用率以響應逆境，這是植物對于干旱脅迫的適應性調整。綜上所述，黃連花對外界環境中水分的依賴性較高，抗旱能力一般，對干旱環境的適應力較弱。