3個‘金槐’品種的生理特性比較

覃 芳，史艷財，秦惠珍，鄒 蓉，蔣運生，熊忠臣

（1廣西師范大學生命科學學院，廣西桂林541006；2廣西壯族自治區中國科學院廣西植物研究所，廣西桂林541006）

0 引言

槐(Sophorajaponica)系豆科(Leguminosae)槐屬(Sophora)多年生高大喬木，其干燥的花蕾俗稱槐米，富含蘆丁、黃堿素等活性成分，有降低毛細血管通透性、抗炎、解痙等功效，被廣泛應用于醫藥、保健食品和化妝品中，具有極高的經濟價值[1-2]。‘金槐’是槐的一個優良品種，槐米中活性成分蘆丁含量高達30%以上，因其槐米呈金黃色而得名，如今已在廣西、湖南以及貴州等地廣泛種植[3]。目前，已有許多研究者對‘金槐’展開了研究，主要集中于‘金槐’的蘆丁含量、種質資源、分子研究以及成分分析等方面[4-7]。植物通過光合作用合成有機物、儲存能量，光合作用能力的強弱會對植物的品質、抗性以及生長特性等產生極為重要的影響[8-10]。植物的抗氧化酶含量在植物處于逆境生長中會產生重要影響，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化物酶(peroxidase，POD)、過氧化氫酶(catalase，CAT)活性以及脯氨酸(proline，Pro)、丙二醛(Malondialdehyde，MDA)含量的變化會決定植物的生長狀況[11]。綜合光合生理特征和酶活性指標成為評價植物抗性的一個重要手段。廣西植物研究所已從野生‘金槐’種質資源中選育出9個‘金槐’品種，這些品種大致可分為早熟（以‘金槐J3’為代表）、中熟（以‘金槐J2’為代表）、晚熟（以‘金槐J1’為代表）3類，這3類品種在生物學性狀等方面存在較大差異[12]，系統了解3類‘金槐’品種的光合特性以及抗氧化酶活性對于其進一步的種植地選擇等都有極為重要的作用。關于不同‘金槐’品種光合特性與抗氧化酶活性方面的研究尚未見報道。本研究主要分析不同‘金槐’品種的光合特性與抗氧化系統之間的差異，為‘金槐’的早期人工栽培選優以及栽培生理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料采自廣西壯族自治區中國科學院廣西植物研究所槐樹種植園，該地區處于東經110°18'、北緯25°04'，海拔為175 m，年平均日照時數為1680 h，年平均氣溫為23.5℃，年平均降雨量1949.5 mm，年平均無霜期300天，年平均相對濕度為82%。屬于亞熱帶季風氣候區，氣候溫和，雨量充沛，光照充足。

以‘金槐 J1’、‘金槐 J2’、‘金槐 J3’為試驗材料，2017年8月進行品種嫁接，2018年4月定植，每個品種種植1～5行，每行5株，定植行株距2 m×1 m，南北行向。

試驗儀器有TU-1901型雙光束紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）；多功能熒光酶標儀(SP-Max 3500FL)；LI-6400便攜式光合作用測定系統(LI-COR，Lincoln，Nebraska，USA)。

試驗中所用試劑盒均采購于南京建成生物工程研究所；冰乙酸、乙醇等試劑均為分析純。

1.2 ‘金槐’光響應曲線測定

試驗于高溫晴朗的2019年8月5日進行，測定時間為08:00—12:00。每品種選擇3株，選取中上部向陽生長的成熟完好葉片，利用Li-6400便攜式光合作用系統進行測定。測定前先將待測葉片在1000 μmol/(m2·s)光強下誘導30 min，活化光合系統（用開放氣路，空氣流速為0.5 L/min，葉片溫度為25℃，CO2濃度為400 μmol/mol）。葉室內光量子通量密度設置0、20、50、100、200、400、800、1000、1200、1600、1800 μmol/(m2·s)梯度，測定時每光強下停留2～4 min[13]。

1.3 ‘金槐’光合日變化測定

試驗于晴朗無云的2019年8月6日進行，測定時間為08:00、11:00、14:00、17:00。每品種選擇3株，選取中上部向陽生長的成熟完好葉片，采用Li-6400便攜式光合儀，用LED紅藍光源葉室進行光合日變化測定。測定前先測得自然光強，檢測葉片溫度為25℃，CO2濃度為400 μmol/mol，然后將紅藍光源設置為與自然光強相同的光照強度，確保每個時間段的光照強度相同，并用緩沖瓶控制大氣CO2濃度的穩定，待系統穩定后記錄數據，每個葉片重復記錄3次，計算平均值。測定指標包括光合速率、蒸騰速率、氣孔導度以及胞間CO2濃度等[14]。

1.4 ‘金槐’抗逆性測定

取樣時間為2019年8月1日9:00，選取不同品種‘金槐’的3～4片健康成熟的葉片，保存在冰盒中，當天采用試劑盒進行丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)以及過氧化物酶(POD)的測定。每個處理設3個重復。

1.5 數據分析

以光合有效輻射(photosynthetically active radiation，PAR)為橫軸、凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)為縱軸擬合光響應曲線（Pn-PAR曲線），采用直角雙曲線修正模型進行凈光合速率的計算，如式(1)[15]。

式(1)中，Pn為凈光合速率；α為光響應曲線的初始斜率，即初始量子效率；I為光合有效輻射，Rd為植物暗呼吸速率；β為修正系數；γ是一個與光強無關的系數，等于初始量子效率與最大光合速率之比。

數據均用Excel與SPSS 26軟件進行數據處理與圖表制作，利用光合計算軟件助手進行數據擬合最佳值。本研究圖表所用數據均為平均值±標準誤，不同的字母表示在P＜0.05水平上差異顯著。

2 結果與分析

2.1 3個‘金槐’品種光響應曲線比較

圖1結果顯示，3個‘金槐’品種的光響應曲線總體變化趨勢基本一致。在光合有效輻射為0 μmol/(m2·s)時，凈光合速率均為負值，在光合有效輻射為100 μmol/(m2·s)以下時，3個‘金槐’品種的凈光合速率緩慢上升。在光合有效輻射 100～800 μmol/(m2·s)之間，‘金槐’的光響應曲線持續上升，呈線性狀態。光合有效輻射大于200 μmol/(m2·s)后，‘金槐J2’的凈光合速率明顯大于‘金槐J1’與‘金槐J3’。表明‘金槐J2’的光合能力較強。

圖1 3個‘金槐’品種的光響應曲線

通過表1分析可知，3個品種之間光響應參數差異顯著(P＜0.05)，‘金槐J2’具有較高的最大光合速率以及光飽和點，表明‘金槐J2’利用光能轉化效率最高，其光合潛力最大，對光環境有著較強的適應力；‘金槐J1’的光補償點低于其他2個品種，有利于有機物的積累。

表1 3種‘金槐’光響應曲線指數模型擬合效果

2.2 3個‘金槐’品種的光合日變化參數比較

2.2.1 3個‘金槐’品種凈光合速率比較 圖2結果顯示，3個‘金槐’品種中凈光合速率日變化的趨勢一致。‘金槐J3’在8:00—11:00，呈線性趨勢下降，幅度較大。8:00—17:00‘金槐J2’的凈光合速率一直大于其他2個品種。凈光合速率是衡量植物光合作用能力的重要指標，‘金槐J2’的凈光合速率高表示該植物的光合能力較強，與光響應曲線分析結果一致。

圖2 3個‘金槐’品種凈光合速率比較

2.2.2 3個‘金槐’品種蒸騰速率比較 圖3結果顯示，‘金槐J2’的蒸騰效率日變化相對‘金槐J1’、‘金槐J3’較高，‘金槐J1’蒸騰速率最小。3個‘金槐’品種日變化平均蒸騰效率由大到小為‘金槐J2’、‘金槐J3’、‘金槐J1’。通過蒸騰作用，植物可以獲取生長、發育、繁殖所需的能量和物質，‘金槐J2’的蒸騰速率日變化幅度波動較小，說明其植株積累的能量與有機物質較多，有利于植物生長。

圖3 3個‘金槐’品種蒸騰速率

2.2.3 3個‘金槐’品種氣孔導度比較 圖4結果顯示，3個‘金槐’品種氣孔導度在8:00—11:00趨勢變化一致。‘金槐J2’在11:00時下降，之后開始緩緩上升，到14:00之后再持續下降到最低。‘金槐J1’在8:00—14:00氣孔導度持續下降，在14:00開始回升。‘金槐J3’的氣孔導度在一天的時間里持續下降。3個‘金槐’品種日變化平均氣孔導度由大到小為‘金槐J2’、‘金槐J3’、‘金槐J1’。植物氣孔導度反映不同時間植物葉片內氣孔的張開程度，‘金槐J2’氣孔導度值最大，說明氣孔開放程度大，CO2通過氣孔多，從而影響光合作用，使其光合強度較強。

圖4 3個‘金槐’品種的氣孔導度

2.2.4 3個‘金槐’品種胞間CO2濃度比較 3種‘金槐’的胞間CO2濃度日變化結果（圖5）顯示，不同品種的‘金槐’葉片的胞間CO2濃度日變化趨勢一致，‘金槐J1’與‘金槐J3’相對于‘金槐J2’品種具有較低的胞間CO2濃度。各品種的‘金槐’胞間CO2濃度由大到小表現為‘金槐J2’、‘金槐J3’、‘金槐J1’。植物胞間CO2濃度與植物的光合速率有極大聯系，而且胞間CO2濃度與氣孔導度也存在聯系，研究結果（圖5）與氣孔導度（圖4）變化的規律一致。

圖5 3個‘金槐’品種胞間CO2濃度

2.3 3個‘金槐’品種丙二醛(MDA)含量比較

圖6結果顯示，‘金槐J3’的MDA含量最高；‘金槐J2’與‘金槐J3’差異顯著(P＜0.05)，‘金槐J2’的MDA含量相對于其他‘金槐’品種較低。表明‘金槐J2’在環境的變化下，脂質過氧化的程度作用低，抗逆性較好。

圖6 3個‘金槐’品種的丙二醛含量

2.4 3個‘金槐’品種脯氨酸(Pro)含量比較

圖7結果顯示，‘金槐J2’與‘金槐J1’、‘金槐J3’之間Pro含量差異極為明顯(P＜0.05)。Pro屬于滲透調節物質，抗旱能力越強，Pro含量越多。‘金槐J2’的Pro含量達到了26.038μg/g，表明‘金槐J2’具有較強的抗旱能力，與其MDA的含量表現的情況一致。

圖7 3個‘金槐’品種脯氨酸含量

2.5 3個‘金槐’品種的酶活性比較

2.5.1 過氧化物酶(POD)圖8結果顯示，3個‘金槐’品種POD的活性由高到低表現為‘金槐J2’、‘金槐J1’、‘金槐J3’。‘金槐J2’與‘金槐J3’之間的差異顯著(P＜0.05)，‘金槐J3’的POD活性最低，在一定程度上表明‘金槐J3’的抗逆性較差，反之，‘金槐J2’的POD活性最高，因此其抗逆性較強。

圖8 3個‘金槐’品種過氧化物酶活性

2.5.2 過氧化氫酶(CAT)CAT普遍存在于植物的組織中，其活性與植物的代謝強度及抗性有一定關系。從圖9可以看出，‘金槐J2’的CAT活性最高，相對于其他品種而言，‘金槐J2’的抗逆性較強，能夠在負面環境內有效清除植物體內的過氧化氫。

圖9 3個‘金槐’品種過氧化氫酶活性

2.5.3 超氧化物歧化酶(SOD)從圖10可知，不同品種的‘金槐’所含的SOD酶活性存在顯著差異(P＜0.05)。‘金槐J2’的SOD活性最高，且與其余2個‘金槐’品種呈現明顯差異；‘金槐J3’的SOD活性最低。SOD對機體的氧化與抗氧化平衡起著至關重要的作用，SOD活力越高，證明植物的抗逆性的能力越強。‘金槐J2’具有較好的抗逆性。

圖10 3個‘金槐’品種超氧化物酶歧化酶活性

3 結論

對3個‘金槐’品種的光合特性以及抗氧化酶活性進行對比可知，‘金槐J2’對缺水、干旱的條件有較強的適應能力，‘金槐J3’的光合能力以及抗逆性較差。因此，在進行‘金槐’的選育栽培種植時，應該優先選擇‘金槐J2’。研究結果可以為‘金槐’資源在不同區域的人工栽培種植、選育優良品種提供幫助。

4 討論

‘金槐’是廣西種植的極具地方特色和優勢的大宗藥用植物。不同‘金槐’品種除生物學性狀外，其生理生態特征也存在較大差異，規劃種植選種時盲目性較大，各地種植區的生長狀況表現不一，極大地降低了‘金槐’種植的經濟效益和農民的積極性。筆者首次對‘金槐’早熟（以‘金槐J3’為代表）、中熟（以‘金槐J2’為代表）、晚熟（以‘金槐J1’為代表）3種類型的典型代表品種的光合生理特征及酶活性等生理指標進行了系統研究，綜合評價比較了其光合作用與抗性，對‘金槐’品種的引育篩選具有現實意義。

光響應曲線反映了一定光照強度下植物的潛在光合能力及植物對生長環境的適應性[16]。研究表明，3個‘金槐’品種的光響應曲線前期的變化趨勢相同，但不同品種間還是存在差異，尤其是在光合效率達到800 μmol/(m2·s)后，‘金槐J2’的光響應曲線明顯大于‘金槐J1’與‘金槐J3’，說明‘金槐J2’與其他品種相比能更好地利用光能，適應環境的變化。凈光合速率是衡量植物光合作用能力的重要指標，其值越大表明植物光合適應能力越強[17-18]。光飽和點是評價植物對強光適應性參數，光飽和點越高，表明該植物利用強光的能力越強[19]。姚澤等和韓多紅等[20-21]在對光合速率的研究中發現，氣孔導度、胞間CO2濃度以及蒸騰速率的變化與凈光合速率的變化有緊密聯系，均可作為其光合能力強弱的評價輔助參數。本研究結果顯示，‘金槐J2’的凈光合速率、光飽和點、氣孔導度、蒸騰速率等參數數值都較高，表明‘金槐J2’適應范圍廣，強光下適應能力強，光能利用率大，保證了‘金槐J2’在適宜的生長季節能積累更多的光合產物，并具有一定的抗旱能力。

植物的生長發育與其所含的酶活性大小有著密切聯系。植物葉片中含有的酶主要有POD、SOD、CAT等。諸多研究表明，這些酶的活性與植物抗性呈正比，其活性越高，植物體對于環境的變化適應能力越好[22-23]。脯氨酸屬于滲透調節物質，該物質的增加使抗旱性強的品種保持了較好的水分平衡能力[24]。許多研究用MDA含量來間接反映細胞損傷程度，其含量數值可以反映出抗旱能力的高低，數值越低，其抗氧化能力越強[25]。通過試驗結果分析，‘金槐J2’的綜合表現能力較好，其POD、SOD、CAT活性及Pro含量都比較高，而且其MDA的含量最少，因此可以判定，‘金槐J2’具有較好的抗逆性。本研究主要對正常生長條件下3種‘金槐’品種光合特性進行了分析，在逆境脅迫下，是否表現出同樣的變化趨勢，在抗性和生長形態指標上的差異，將是下一步的研究重點。