干熱河谷區3個種源余甘子的光響應曲線特性研究

袁建民，何 璐*，楊曉瓊，許智萍，孔維喜，趙瓊玲，瞿文林，雷 虓

(1.云南省農業科學院 熱區生態農業研究所，云南 元謀 651300；2.云南省元謀干熱河谷植物園，云南 元謀 651300)

光合作用是植物生長發育和產量形成的基礎，是植物將太陽光能轉化為化學能的復雜生理過程[1-2]。光合作用不僅受到植物自身因素的影響，而且受到多個環境生態因子的影響[3]。光照是影響植物光合作用最重要的生態因子，近年來有關植物光合作用生理對光照的響應特征研究較多[4-6]。在干熱河谷區，強光屬于經常發生的逆境脅迫，很大程度上影響著植物光合生理過程和水分利用效率等[7-8]。通過光響應模型擬合可以獲得光飽和點(Light saturation point，LSP)、光補償點(Light compensation point，LCP)、最大凈光合速率(Maximum net photosynthetic rate，Pn,max)、表觀量子效率(Apparent quantum efficiency，AQY)、暗呼吸速率(Dark respiration rate，Rd)等多個光合參數，進而可以了解植物的光合效率及規律特征，判定植物的光合潛力[9-10]。因此，研究植物的光合光響應特征，有助于深入了解植物在干熱河谷區環境條件下的生理生態特性。

余甘子(PhyllanthusemblicaL.)為大戟科(Euphorbiaceae)葉下珠屬(Phyllanthus)落葉小喬木或灌木，既是藥食兩用植物，也是干熱河谷區荒山恢復治理及礦區恢復的重要樹種。原產于印度、巴基斯坦、斯里蘭卡、馬來西亞等地。以中國和印度分布面積最大，產量最多，而中國以云南的野生資源最為豐富[11]。余甘子喜光，耐干旱，分布于海拔80～2300 m，東經70°～122°、北緯1°～29°，具有很強的適應性[12]。余甘子為常用藏藥[13]，富含維生素、酚類、黃酮、氨基酸、多糖等活性物質[14]，具有抗炎抑菌、抗腫瘤、抗氧化、降血糖、降血壓、降脂等藥理保健作用[15-20]，開發利用潛力巨大。目前，關于余甘子的研究主要集中在組織培養[21]、遺傳多樣性[22]、化學成分[23]和藥理作用[24]等方面，而對余甘子的光合特性研究鮮見報道。鑒于此，本研究以收集于元謀干熱河谷區的3個種源野生余甘子實生苗為試驗材料，對其光合生理變化進行初步研究，探究不同種源余甘子的光合特性差異，以期為余甘子的人工培育、資源保護和優良種源篩選等提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地設在云南省農業科學院熱區生態農業研究所干熱河谷農業生態實驗室，位于楚雄州元謀縣城南(101.88° E，25.70° N)，海拔約1181.4 m，屬于金沙江干熱河谷區，光熱資源充足，立體氣候明顯。年均氣溫21.5 ℃，年日照時數2670 h，積溫8552.7 ℃·d，極端最低氣溫-2 ℃， 極端最高氣溫42 ℃，年均降水量615.1 mm，主要集中在5～9月，其它月份少雨或無雨，年均蒸發量3911.2 mm，全年無霜期達360 d，相對濕度53%。

供試材料為不同種源余甘子材料，共3份(表1)，均由云南省農業科學院熱區生態農業研究所提供。

表1 供試余甘子材料

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 試驗于2018年5～9月在云南省農業科學院熱區生態農業研究所干熱河谷農業生態實驗室進行，試驗材料為野生余甘子種子1年生實生苗。采用50孔黑色塑料穴盤育苗，至幼苗長至10 cm高時，種植于口徑×底徑×高度為16 cm×12.5 cm×17 cm、容量為2 L的綠色塑料花盆中，完全隨機設計，每個花盆種植1株，每個材料種植15株。栽培基質為燥紅土+珍珠巖+腐殖土(3∶1∶2)的混合基質，期間根據植株生長狀況添加適量的營養和水分，置于塑料大棚中進行一致的水肥管理。

1.2.2 測定方法 利用產自美國Li-COR公司的Li-6400 XT便攜式光合作用測量系統，于2018年8月23日至9月10日進行測定。定植90 d后，選擇幼苗期(株高50 cm)無病斑、健康的葉片進行測定。每個材料測定1個葉片，隨機測定5株，連續重復3 d，取其平均值。配置6400-02 B紅藍光源，設定光合有效輻射(PAR)依次為2000、1800、1500、1200、1000、800、500、200、100、50、20、0 μmol/(m2·s)。光合測定系統直接測出凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)等數值，并計算水分利用效率(WUE=Pn/Tr)。測定時，葉片溫度為(31.92±0.16) ℃，氣流速度為(500.00±0.01) μmol/s，樣品室CO2濃度為(402.84±1.25) μmol/mol，相對濕度為(52.48±0.25)%。

1.3 數據處理

采用直角雙曲線修正模型進行光響應曲線擬合[9-10]，運用軟件《光合計算器》[25]光響應模塊對3個余甘子材料葉片的光響應曲線實測數據進行擬合，得出表觀量子效率(α)、最大凈光合速率(Pn，max)、光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)、暗呼吸速率(Rd)及決定系數(R2)；試驗數據處理及作圖利用Excel 2007完成。

2 結果與分析

2.1 不同種源余甘子凈光合速率光響應特征

不同種源余甘子間凈光合速率(Pn)的光響應曲線的變化趨勢基本一致，但又存在一定差異。當PAR為0時，凈光合速率(Pn)為負值；隨著PAR的升高，Pn值迅速上升；當PAR達到800 μmol/(m2·s)時，曲線上升趨于平穩；當PAR達到飽和點后，Pn值上升變緩慢，甚至出現下降的趨勢。種源20180907-3的Pn最大值最大，Pn最小值偏小，曲線上升趨勢相對較急；其次是種源20180907-1；Pn最大值最小的是種源20180907-2，Pn最小值偏小，曲線上升趨勢較平緩(圖1)。

Pn與PAR的多項式回歸及PAR在200 μmol/(m2·s)以下的線性回歸結果見表2。由表2可知，Pn與PAR呈現一定的二次曲線相關關系，3個種源擬合曲線的R2值分別為0.881、0.818、0.834；而Pn與PAR呈現顯著的線性相關關系，3個種源擬合曲線的R2值分別為0.952、0.912、0.954，說明線性擬合效果較好。

圖1 3個種源余甘子凈光合速率光響應曲線

表2 二項式回歸方程和PAR在200 μmol/(m2·s)以下的直線回歸方程

注：y是凈光合速率(Pn)，x是光合有效輻射(PAR)。

2.2 模型擬合的特征參數分析

運用直角雙曲線修正模型對3個不同種源余甘子植株葉片Pn光響應數據進行擬合，由《光合計算器》得到的光響應特征參數見表3。由表3可知，3個種源余甘子葉片的光響應參數差異顯著(P<0.05)。決定系數(R2)在0.9982～0.9994之間，擬合效果較好。3個種源的Pn，max在5.9665～7.0675之間，種源20180907-1和20180907-3之間的Pn，max差異不顯著，但均顯著高于種源20180907-2。

3個種源余甘子的光補償點(LCP)和光飽和點(LSP)均存在顯著差異(P<0.05)。光補償點(LCP)最高的種源是20180907-1，為8.8940 μmol/(m2·s)，但光飽和點(LSP)較高，為1228.955 μmol/(m2·s)，說明該種源利用強光的能力較強；種源20180907-3的LCP值次之，為7.2458 μmol/(m2·s)，對弱光的利用能力較強，而LSP值最低，為942.0609 μmol/(m2·s)，對強光的利用能力較弱；種源20180907-2的LCP值最低為6.4522 μmol/(m2·s)，利用弱光的能力最強，而LSP值為1096.543 μmol/(m2·s)，對強光的利用能力中等。

表觀量子效率(α)反映的是植物對弱光的利用能力，而暗呼吸速率(Rd)反映的是植物呼吸作用對光合產物的消耗。一般來說，生長良好的植物表觀量子效率(α)在0.03～0.08之間[26]。3個種源余甘子的α值在0.0584～0.0745之間，說明參試野生余甘子對弱光的利用能力總體上屬于中上水平。Rd值在0.4517～0.4922之間，種源20180907-2的Rd值最低，種源20180907-1的Rd值最高。

2.3 不同種源余甘子氣孔導度和胞間CO2濃度的光響應

3個種源余甘子的氣孔導度(Gs)隨PAR的升高而緩慢上升，不同種源之間變化基本一致，但種源間的變化幅度存在一定差異(圖2)。種源20180907-1的Gs隨PAR的變化幅度為0.0641～0.1076 μmol/(m2·s)，變化幅度最大；種源20180907-3的變化幅度次之，變化幅度為0.0738～0.1059 μmol/(m2·s)；種源20180907-2的變化幅度較小，變化幅度為0.0528～0.0823 μmol/(m2·s)。

表3 3個種源余甘子光響應特征參數

注：同一列不同小寫字母表示不同種源間存在顯著差異(P<0.05)。

胞間CO2濃度(Ci)隨PAR的升高而下降，3個種源余甘子的下降趨勢基本一致，不同種源間差異較小(圖3)。當PAR低于500 μmol/(m2·s)時，不同種源的Ci隨PAR的升高而下降趨勢明顯；當PAR在500～800 μmol/(m2·s)之間時，Ci隨PAR升高而下降緩慢；當PAR大于800 μmol/(m2·s)時，不同種源的Ci隨PAR升高而開始緩慢上升，但上升幅度較小。

圖2 3個種源余甘子氣孔導度光響應曲線

圖3 3個種源余甘子胞間CO2濃度光響應曲線

2.4 不同種源余甘子蒸騰速率和水分利用效率的光響應

3個種源余甘子的蒸騰速率(Tr)隨PAR的升高而逐漸升高，但升高幅度較小，不同種源曲線變化趨勢基本一致(圖4)，同時與氣孔導度(Gs)隨PAR變化的曲線趨勢相類似。種源20180907-1的變化幅度最大，Tr變化范圍為1.6802～2.7429 μmol/(m2·s)；種源20180907-2和20180907-3的變化幅度相近，Tr變化范圍分別為1.3783～2.1619 μmol/(m2·s)和1.8711～2.6441 μmol/(m2·s)。

不同種源余甘子的水分利用效率(WUE)隨PAR的升高而逐漸上升，不同種源之間的曲線變化趨勢基本一致(圖5)，同時與凈光合速率(Pn)隨PAR變化的趨勢相類似。不同種源在PAR低于500 μmol/(m2·s)時，WUE隨PAR的升高迅速上升；當PAR為500～800 μmol/(m2·s)時，WUE達到最大值，之后隨PAR的升高而趨于平緩，甚至下降。不同種源間WUE存在一定差異，種源20180907-2的變化幅度最大，WUE為-0.3134～3.4391 μmol/(m2·s)；其次是種源20180907-1，WUE變化幅度為-0.2822～2.8773 μmol/(m2·s)；種源20180907-3的變化幅度最小，WUE為-0.1888～2.8091 μmol/(m2·s)。

圖4 3個種源余甘子蒸騰速率光響應曲線

圖5 3個種源余甘子水分利用效率光響應曲線

3 討論與結論

對干熱河谷區3個種源余甘子幼苗的光響應曲線比較發現，PAR在0～200 μmol/(m2·s)范圍內，3個種源的Pn迅速升高，均存在“快速響應階段”。前人研究表明其他物種如檫木、山烏桕和楓香樹等樹種的Pn在0～400 μmol/(m2·s)范圍迅速增加，為快速響應階段[6]。本研究中隨著PAR繼續升高，Pn升高到最大值后，達到一個“平穩階段”。這與段愛國[27]等對余甘子樹種的光合光響應研究結果相類似。本研究中種源20180907-3的凈光合速率略高于其他2個種源。3個種源的Pn隨PAR升高到最大值后平穩下來，這說明3個種源均不存在較明顯的光抑制現象。

本研究中，3個種源的Gs在弱光[PAR為0～100 μmol/(m2·s)]條件下，隨著PAR的升高Gs存在一個急劇上升的過程，此時光合消耗大量CO2，外界的CO2不足于滿足光合需求，以至于Ci明顯下降，這是植物為了補充光反應底物進而提高細胞內氣體交換速率，因此，Tr也上升，同時WUE也升高。隨著PAR的繼續升高，不同種源余甘子的Gs變化趨勢存在一定差異，光合生理參數的差異性說明各種源的遺傳特性本身不同，在一定的環境條件下，呈現出不同的環境適應性。

水分利用效率(WUE)是耦合植物葉片光合與水分生理過程的重要指標，反映的是植物適應干旱環境條件的生長潛力，WUE高，說明該植物適應干旱環境能力強[28]。本研究中，3個種源余甘子WUE存在一定差異。隨著PAR的升高，種源20180907-2的WUE變化幅度最大，其次是種源20180907-1，變化幅度最小的是20180907-3，在PAR達到500 μmol/(m2·s)以后，3個種源的WUE均有明顯下降，但是種源20180907-2的WUE仍較高，說明種源20180907-2具有一定的節水栽培潛力，在水資源有限的干熱河谷地區栽培具有一定優勢。

本研究采用直角雙曲線模型對3個種源余甘子的光響應曲線進行擬合，決定系數(R2)在0.9982～0.9994之間，說明該模型擬合效果好；同時獲得了LCP、LSP等重要光合參數。LSP和LCP可直接反映植物對強光和弱光的適應能力，明確植物對光照條件的需求范圍[29]。本研究中，不同種源余甘子的LSP范圍為942.0609～1228.955 μmol/(m2·s)，而一般陽生木本植物的LSP為600～1500 μmol/(m2·s)[30]，說明余甘子表現出明顯的陽生特征，在高光強下具有較強的光合能力，這可能是余甘子長期適應干熱河谷區環境的結果。通常LCP越低說明植物利用弱光的能力越強，多數學者認為LCP小于30 μmol/(m2·s)的植物屬于低LCP植物[31]。3個余甘子種源的LCP范圍為6.4522～8.8940 μmol/(m2·s)，均未超過30 μmol/(m2·s)，說明其利用弱光能力較強，具有良好的光適應能力，這與段愛國等[32]的研究結果相符。綜上所述，3個種源野生余甘子幼苗光合特性參數之間存在顯著差異(P<0.05)，表明不同種源余甘子的光合特性存在差異，對環境的適應能力也有所不同。總體來看，各種源野生余甘子均為喜光植物，種源20180907-1的LSP和LCP相對較高，可作為耐高光強的材料，這樣更能發揮其生長潛力；種源20180907-2的LSP中等，LCP較低，表觀量子效率(α)較高，對弱光的利用能力較強，同時具備較強的抗旱能力；種源20180907-3的LSP和LCP均為中等。在實際栽培中，應充分考慮余甘子樹種的光合特性，并根據耐光性和生長速率等進行科學合理應用。由于植物的光合特性容易受到環境因素和自身生長特性的影響，因此，關于光合特性的研究，今后還需要針對不同種源余甘子的光合日變化、季節變化及葉綠素熒光等方面的差異進行深入研究。