紅河干熱河谷不同植物光合作用及抗逆生理特性1)

竇沛彤 劉方炎 高成杰 李昆

(中國林業科學研究院資源昆蟲研究所，昆明，650224)

干熱河谷主要存在于我國西南橫斷山脈的金沙江、瀾滄江、紅河和怒江的中上游地區，在這些重要河谷地區形成了干濕季分明、降水少，高蒸發以及熱量高的干熱河谷氣候，表現出“既熱又干”基本環境特點[1-2]，由于比較惡劣的自然環境，導致該地區干旱頻發。

在干熱河谷生長的植物經常遭受干旱脅迫及光脅迫，這影響了該地區植物正常的生長及發育。近些年，學者對干熱河谷的研究主要集中在植物群落特征、多樣性及樹種的抗旱和光合特性等方面[3-12]，其中孫永玉等[10]通過盆栽控水法對干熱河谷檸檬桉苗期的抗旱生理進行了研究，鄭元等[11]通過比較干熱河谷不同種源的牛角瓜苗期生理特性，篩選出了高水平光合生產與水分利用潛力的牛角瓜種質資源，趙廣等[12]通過對金沙江干熱河谷區辣木(Morin-gaoleifera)、銀合歡(Leucaenaleucocephala)、和羅望子(Tamarindusindica)的光合生理特性進行分析，認為在干熱河谷植被恢復中需謹慎選擇銀合歡。目前，對紅河干熱河谷區代表性植物在自然條件下對干旱和強光脅迫的生理適應性研究還需要進一步完善，紅河干熱河谷旱季的環境條件是持續的干旱和高溫，這是對植物生存的最大考驗，也是植被恢復時的難點。本研究以該區域鄉土植物天干果(BuchananialatifoliaRoxh. Hort. Beng)、山黃麻(Trematomentosa(Roxburgh) H. Hara)、蝦子花(Woodfordiafruticosa(L.) Kurz)及車桑子(Dodonaeaviscosa(L.) Jacq.)為試驗材料，探討干熱河谷地區不同植物的光合特性和抗逆生理特性等特征，以期揭示不同植物光合生理、抗氧化酶活性及滲透調節物質對干旱環境的響應，探索不同植物對干熱河谷環境的適應性，為研究紅河干熱河谷地區的植被恢復、抗旱樹種的選擇提供科學參考。

1 研究地概況

研究區域位于云南省紅河縣境內(23°19′38″～23°24′55″N，102°15′1″～102°25′36″E)，地處云南省東南部。研究區域處于低緯度亞熱帶高原型濕潤季風氣候區，每年5—10月為雨季，降水時空地域分布極不均勻。地帶性土壤以紅壤和燥紅土為主,干旱瘠薄,水肥條件極差，在自然狀態下以草叢為主,雜以灌木,稀少喬木,稱為稀樹(灌)草叢，地形地貌特殊，焚風效應強烈，形成了典型的干熱氣候特征[13-15]，年平均干燥度1.7，屬于半干旱偏濕亞類型[16]。

2 材料與方法

2.1 光響應曲線擬合

在2019年4月底，選擇晴朗天氣上午09：00—11：00，采用LI-6400XT便攜式光合測定儀測定植物的凈光合速率(Pn)。人工光源為LI-6400紅藍光源，設置光合有效輻射梯度為1 800、1 500、1 200、1 000、800、500、200、120、100、80、50、20、0 μmol·m-2·s-1，啟動光響應自動測定程序。每種參試植物選擇健康、長勢均一的樹3棵，每棵樹選擇3片葉，結果取平均值。

用SPSS 23.0對測定的凈光合速率和光合有效輻射數據采用非直角雙曲線模型進行擬合[17-18]，得出相應的光合響應參數，擬合方程為：

2K]-Rday。

式中：Pn為凈光合速率；AQE為表觀量子效率；PAR為光合有效輻射；Pmax為最大凈光合速率；K為光響應曲線曲角；Rday為暗呼吸速率。在光合有效輻射≤200 μmol·m-2·s-1的低光強度下，凈光合速率與光強存在正比線性關系，該直線方程與X軸的交點為光補償點(LCP)，當Pn為Pmax時所得的PAR為光飽和點(LSP)[19]。

2.2 氣體交換測量

在2019年4月底，采用LI-6400XT便攜式光合測定儀測定參試植物的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、光合有效輻射(PAR)、空氣相對濕度、氣溫等指標。測量時間從早上09：00開始到下午18：00結束，每隔1 h測定1次，種參試植物選擇健康、長勢均一的樹3棵，每棵樹選擇3片葉，結果取平均值。

2.3 抗氧化酶活性、超氧陰離子自由基及脯氨酸測定

2.4 數據分析與處理

數據分析采用SPSS 23.0完成，其中，方差分析采用多重比較分析中的鄧肯檢驗(Duncan’s test)，圖表在Microsoft Excel 2010軟件中完成。

3 結果與分析

3.1 不同植物的光響應過程特征

4種植物的光響應曲線變化趨勢呈現相似性(圖1)。在一定的光合有效輻射(PAR)范圍之內，凈光合速率隨著PAR的增加而升高，當PAR增加到一定值后，凈光合速率開始緩慢增加并最終趨于平緩。PAR為低于20 μmol·m-2·s-1時，由于光照強度較弱，各植物的Pn基本小于0，此時表明植物的呼吸作用強于光合作用。PAR在100～120 μmol·m-2·s-1時，凈光合率上升快慢依次為山黃麻、蝦子花、車桑子、天干果。當各個植物的凈光合速率達到最大時，對應的PAR也各不同。

圖1 不同植物的光合響應曲線

通過光響應參數(表1)可以看出，4種植物的最大凈光合速率(Pmax)從大到小依次為：山黃麻、蝦子花、車桑子、天干果，說明山黃麻的光合能力最強，天干果的光合能力最弱。蝦子花的光飽和點(LSP)為1 236 μmol·m-2·s-1，略高于其他3中植物，說明蝦子花擁有較強的強光利用能力，且不易發生光抑制。表觀量子效率是植物光能利用效率的體現，研究表明植物的最大初始量子效率理論值為0.08～0.125 μmol·m-2·s-1，但在自然條件下實測值會小于理論值，一般在0.04～0.07 μmol·m-2·s-1[25]，本文擬合得出的表觀量子效率在0.037～0.085 μmol·m-2·s-1(表1)，可以看出山黃麻的葉片光能轉化效率高。4種植物的呼吸速率的大小為蝦子花、山黃麻、車桑子、天干果。

表1 不同植物光合響應曲線參數

3.2 不同植物環境因子及生理指標日變化

3.2.1 環境因子日變化

從葉片周圍環境因子的日變化中可以看出(圖2、3)，上午09：00—11：00，不同植物間光合有效輻射(PAR)與氣溫變化相似，呈現出上升趨勢，空氣相對濕度變化表現為下降趨勢；在11：00—16：00，PAR、氣溫及空氣相對濕度表現為上下波動；在16：00后，PAR開始明顯下降。PAR在14：00時最大，為1 604.8 μmol·m-2·s-1，氣溫在15：00時達到最大，為41.8 ℃，空氣相對濕度在上午09：00時最大，為41.6%。

圖2 不同植物的平均光合有效輻射日變化

3.2.2 凈光合速率

如圖4所示，4種植物的凈光合速率(Pn)均呈現“雙峰”型曲線，不同的是山黃麻、蝦子花的峰值相較于車桑子、天干果來說更明顯。隨著時間的推移，Pn顯示先增大后降低，然后再增大最后降低的趨勢，Pn在11：00、14：00各出現最大值，說明4中植物均有“午休”的現象。4種植物中蝦子花1 d中的Pn一直較大，且日變化波動較大，天干果和車桑子一天中的Pn較低，Pn日變化波動也較小。

圖3 不同植物的平均氣溫和相對濕度日變化

圖4 不同植物的凈光合速率日變化

3.2.3 胞間二氧化碳摩爾分數

胞間CO2摩爾分數(Ci)指植物細胞之間的CO2摩爾分數，能反映出光合作用過程中CO2的耗散與積累，由圖5可知，Ci的日變化大體呈現“V”型，即早晚高，中午低。4種植物出現最低Ci的時間點為13：00，在14：00時，4種植物的Ci在間存在略微上升現象，之后，山黃麻和天干果的Ci處于緩慢上升狀態，而蝦子花和車桑子則先下降然后再上升。

圖5 不同植物的胞間二氧化碳摩爾分數日變化

3.2.4 氣孔導度

氣孔是植物與外界氣體交換的主要通道，可控制O2、CO2的交換及蒸騰強度[26]，而氣孔導度(Gs)則反映了植物在進行光合作用和蒸騰作用時氣孔開合的程度。隨著時間的推移，氣孔導度的日變化呈現先增加后降低再增加最后降低的變化趨勢(圖6)，這和凈光合速率的日變化類似，不同的是，除蝦子花外，其他3種植物在10：00時，Gs就達到了第一次峰值。另外，在15：00之后，車桑子的Gs略微上升，16：00后又下降，這應該是15：00之后溫度降低(圖3)，植物為保證細胞與大氣間CO2平衡，同時減小Ci過低對光合作用的影響，從而調節Gs略微上升。

圖6 不同植物的氣孔導度日變化

3.2.5 蒸騰速率

從圖7可以看出4種植物的蒸騰速率(Tr)日變化趨勢相同，呈現出先增大后降低再增大最后降低的變化。4種植物Tr均在11：00、14：00達到兩次峰值，在達到兩次峰值時，山黃麻、蝦子花的Tr均大于天干果和車桑子。在中午13：00時4種植物Tr都存在減弱趨勢，這是由于干熱河谷區中午的PAR和氣溫較高，植物為避免高蒸騰導致體內散失較多水分從而對脅迫表現出的應對策略。

圖7 不同植物的蒸騰速率日變化

3.3 不同植物間的葉綠素質量分數

葉片中葉綠素質量分數可決定其對光能的吸收與轉換，但隨著逆境傷害增加，其質量分數逐步降低，從而使光合速率下降。表2可知，不同樹種葉綠素b質量分數之間無顯著差異(P>0.05)；山黃麻，車桑子與其他植物的葉綠素a質量分數間存在顯著差異(P<0.05)，其質量分數由大到小依次為山黃麻、車桑子、蝦子花、天干果；不同樹種間類胡蘿卜素質量分數也存在顯著差異(P<0.05)，其中天干果的類胡蘿卜素含量顯著低于其他植物(P<0.05)。不同植物的總葉綠素與葉綠素a質量分數變化相同，且山黃麻，車桑子與其他植物的總葉綠素質量分數之間也存在顯著差異(P<0.05)。

表2 干旱對不同植物光合葉綠素質量分數的影響 mg·g-1

3.4 不同植物抗氧化酶、脯氨酸及超氧陰離子自由基含量

當植物生長在適宜的環境中，體內活性氧自由基的產生與清除處于平衡狀態，在遭遇環境脅迫后，體內產生的自由基將超過植物本身清除的能力，就會引起自由基的積累，并且產生傷害。在紅河干熱河谷4種植物葉片中SOD、POD、CAT及脯氨酸含量均無顯著差異(表3)，表明這幾種植物在適應干旱條件時，體內均產生較多的SOD、POD、CAT來清除因脅迫產生的活性氧自由基，從而避免植物遭受傷害。通過比較4種植物葉片內的超氧陰離子自由基含量，我們發現山黃麻的超氧陰離子自由基含量最少，且與車桑子、蝦子花超氧陰離子自由基含量間存在顯著差異(P<0.05)。這說明山黃麻較其他3種植物能更有效清除體內產生的自由基，降低膜脂過氧化作用。

表3 干旱對不同植物抗氧化酶、脯氨酸及超氧陰離子自由基的影響

4 討論

在植物光合日變化中，凈光合速率作為外界環境和植物光合作用的綜合反應具有重要的研究價值，環境中的光合有效輻射，溫度，相對濕度及植物葉片自身葉綠素質量分數等因素均會影響植物的凈光合速率，且這些影響因素是綜合表現的[27-28]。此次研究中，4種植物的凈光合速率日變化呈現“雙峰”，在11：00前后出現峰值，這主要是因為在09：00—11：00時，PAR是限制凈光合速率的主要環境因子，當光合有效輻射及氣溫開始上升，在11：00達到較高時(圖6、圖7)，凈光合速率也就出現了第一次峰值；在11：00—13：00，光合有效輻射和氣溫維持在1d中的較高水平，較高的溫度和PAR會對葉綠體的結構造成破壞，加快暗呼吸和光呼吸作用，降低光合作用，從而導致氣孔導度降低，減少對CO2的吸收，所以在13：00時不同植物的凈光合速率均降低，出現光合“午休”。為避免植物供能不足，在13:00—14：00時植物的部分氣孔重新打開以緩解植物體內CO2不足，因此4種植物的Ci和蒸騰速率存在上升現象，凈光合速率也出現第2個峰值。

Farquhar et al.[18]認為，凈光合速率、氣孔導度及Ci均降低，凈光合速率的下降為氣孔限制，所以可認為4種植物的凈光合速率在13：00前后降低是由氣孔因素導致。在14：00—15：00時，4種植物經過長時間的蒸騰作用導致植物失水過多，部分氣孔開始關閉，從而使氣孔導度、蒸騰速率、胞間CO2摩爾分數及凈光合速率均出現下降，體現出氣孔對植物光合和蒸騰作用的直接影響[26，29]。

植物葉片光合作用產生的有機物是其生長的物質基礎，而凈光合速率(Pn)可作為植物生產能力的指標，光飽和點(LSP)和光補償點(LCP)可表現出植物對弱光和強光的利用能力[30-31]。在比較4種植物光響應過程后，可以看出在100 μmol·m-2·s-1之后，4種植物的凈光合速率出現較快的增長，這與前人對干熱河谷區生長的余甘子、扭黃茅的研究結果類似[32-33]，說明在干熱河谷區生長的植物在PAR升高的最初階段，凈光合速率均會出現快速的響應。

通過模型對光合參數進行擬合后可知，4種植物的光飽和點為1 082.4～1 236 μmol·m-2·s-1，陽生木本的光飽和點為600～1 500 μmol·m-2·s-1[34]，說明4種植物具有陽性植物特征，對強光有較高的利用能力。不同的是山黃麻在1 082.4 μmol·m-2·s-1時就達到了飽和光強，此時其Pmax在4種植物中最大，為16.5 μmol·m-2·s-1，且與其他植物之間存在顯著差異(P<0.05)，由此推斷山黃麻可積累較多的光合產物，其生長代謝可能也高于其他3種植物。天干果擁有較低的光補償點和較高的光飽和點，說明在紅河干熱河谷區這一生境下，天干果對光環境有較強的適應性。

非直角雙曲線擬合的光響應參數具有生物學意義，且擬合曲線比較符合植物的光響應過程[35]。本文采用非直角雙曲線模型擬合光合參數的結果比較理想，能夠基本反應各植物的光合特點，4種植物各自在達到飽和光強之后，凈光合速率并沒有下降，因此，也存在估算的Pmax大于實測值的結果[31，36-37]。

5 結論

雖然紅河干熱河谷區生長的4種植物對光適應有所不同，但是4種植物葉片中抗氧化酶活性之間無顯著差異(P>0.05)，說明它們在應對逆境脅迫時均能有效保持植物體內活性氧產生與清除間的平衡，增加抗逆性，避免生物膜遭受膜脂過氧化，表現出對紅河干熱河谷環境較強的適應性。