不同生境對歪頭菜和鴨兒芹光合生理的影響

王盼， 王孝源， 周鈺鴻， 潘德月， 陳子林， 康華靖

(1.磐安縣中藥創新發展研究院，浙江 磐安 322300； 2.浙江師范大學 植物學實驗室，浙江 金華 321004；3.浙江大盤山國家級自然保護區管理局，浙江 磐安 322300； 4.溫州市農業科學研究院，浙江 溫州 325006)

光合作用作為植物生命的維系，是決定植物生長、發育和繁殖的關鍵環節[1]。光是植物光合作用最基本的決定因子，不同光強下植物光合生理特性的變化由光響應曲線來體現，通過光響應曲線分析，可計算表觀量子效率、光補償點、最大凈光合速率(Pnmax)、光飽和點和暗呼吸速率等重要光合生理參數[2]，有助于了解植物光合作用中光化學效率，指示植物的生長情況及抗逆性大小[3]。光響應曲線能有效地評價植物葉片利用光能的能力和植物對生長環境的適應性，準確分析光響應曲線及其參數是研究光合生理生態過程對環境變化響應的重要途徑[4]。

歪頭菜(Viciaunijuga)是豆科野豌豆屬的多年生草本植物[5]，是青藏高原優良牧草，在草地農業系統中發揮重要的作用，是該地區家畜飼料中蛋白質的重要來源[6]；同時，歪頭菜幼苗又是營養豐富的蔬菜，經濟價值明顯[7]。鴨兒芹(Cryptotaeniajaponica)屬傘形科多年生草本植物，具有抗氧化清除自由基、保護肝臟、抗癌癥、抑制組織增生等作用[8]，有較高的保健價值及藥用價值；同時，鴨兒芹嫩莖葉可清炒、涼拌，翠綠軟糯，唇齒留香，極為爽口，為日本料理的常用菜，產業化潛力較大。為此，本文探討不同生境對歪頭菜和鴨兒芹光合生理的影響，以此明確其最佳生長環境，為推進歪頭菜和鴨兒芹近野生栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及設計

2020年4月在浙江省磐安縣祠下村杉木林林下(生境Ⅰ)和林緣(生境Ⅱ)生境下分別種植鴨兒芹和歪頭菜。2020年8月赴試驗基地，在每個生境選擇5株植物，每株植物選擇一片發育成熟的葉子測定相關的光合生理指標參數。

1.2 指標測定

利用便攜式光合儀(LI-6400-40, LI-COR INC.，USA)于晴天9:00—16:30進行數據測量。在自然光下誘導1.5～2 h后，采用開放式氣路，流速為400 μmol·s-1。根據預測量儀器中葉室溫度的動態變化，設定葉室溫度約為29.47 ℃，空氣相對濕度控制在45%～70%，光合有效輻射強度(PAR)梯度設為1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50和0 μmol·m-2·s-1，應用CO2注入系統提供400 μmol·mol-1穩定的CO2。在此條件下同時測定葉片的Pn-Ca曲線和其他數據。應用自動測量程序(FlrPn-Cacurve)進行數據測量，數據記錄前儀器均自動進行參比室和樣品室之間的匹配。全面測量不同生境下的鴨兒芹和歪頭菜葉片光合熒光參數。

1.3 數據處理

采用Excel 2010作圖；根據光合計算軟件4.1，應用光響應機理模型，擬合電子傳遞速率(ETR)和凈光合速率(Pn)對光強的響應曲線；運用SPSS 19.0版本軟件進行計算和方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同生境對葉片ETR的影響

ETR表示被植物吸收的光能沿光合電子傳遞鏈被利用情況[9]。從圖1可知，PAR<200 μmol·m-2·s-1時，歪頭菜和鴨兒芹葉片的ETR均隨光強的增加呈直線上升；之后則隨PAR的增加而緩慢增長；除生境Ⅰ下的鴨兒芹外，其余ETR均在達到最大值后發生較為明顯的光系統Ⅱ(PSⅡ)動力學下調現象。比較不同生境下的ETR可見，弱光下兩種生境的歪頭菜和鴨兒芹葉片的ETR均極為接近，當光強大于400 μmol·m-2·s-1時，生境Ⅰ下歪頭菜和鴨兒芹葉片的ETR顯著高于生境Ⅱ。

圖1 不同生境下葉片的ETR對PAR的響應曲線

利用光響應機理模型擬合ETR對光強的響應曲線。由表1可知，R2均大于0.90，說明光響應模型擬合效果較好。生境Ⅰ下歪頭菜和鴨兒芹葉片的最大電子傳遞速率(ETRmax)及其對應的飽和光強均顯著高于生境Ⅱ。

表1 不同生境下葉片光合ETR對PAR的響應曲線結果

2.2 不同生境對葉片Pn的影響

從圖2可以看出，歪頭菜和鴨兒芹葉片Pn均隨PAR的增加而增加，當大于800 μmol·m-2·s-1后，趨于穩定或略有下降趨勢。從不同生境來看，生境Ⅰ下的歪頭菜和鴨兒芹的Pn整體較高。

圖2 不同生境下葉片的Pn對PAR的響應曲線

利用光響應機理模型擬合不同條件下光合作用對光的響應曲線，得到Pnmax、Pn及其對應的飽和光強(Isat)、光補償點(Ic)和暗呼吸速率(Rn)等光合參數。由表2可知，擬合曲線所得到的擬合值與其所對應的實測值高度符合，R2均大于0.90。同ETR對光強響應的擬合結果類似，生境Ⅰ下歪頭菜和鴨兒芹葉的Pnmax和Isat均顯著高于生境Ⅱ。不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片的Ic均較低，說明歪頭菜和鴨兒芹利用弱光的能力較強，能很好地適應弱光環境。

表2 不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片Pn對光的響應曲線擬合結果

2.3 不同生境對葉片蒸騰速率及氣孔導度的影響

由圖3可知，除生境Ⅱ下歪頭菜葉片蒸騰速率(Tr)隨著光強的增加而先上升后下降外，其余生境下的歪頭菜和鴨兒芹葉片Tr均隨著光強的增加而呈上升趨勢。生境Ⅱ下歪頭菜葉片的Tr較高，生境Ⅰ下鴨兒芹葉片的Tr較高。

圖3 不同生境下葉片的Tr對PAR的響應曲線

由圖4可知，不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片氣孔導度(gs)均隨著光強的增加而先上升后緩慢下降。生境Ⅰ下歪頭菜葉片的gs整體高于生境Ⅱ；鴨兒芹葉片的gs除在較高光強(600和800 μmol·m-2·s-1下)有差異外，整體上均較為接近。

圖4 不同生境下葉片的gs對PAR的響應曲線

2.4 不同生境對葉片PSⅡ的實際光化學效率的影響

實際光化學效率(ΦPSⅡ)為PSⅡ的實際光化學效率，是研究植物光抑制的一種快速、非損傷性的指標。不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片ΦPSⅡ均隨著光強的增加而降低。由圖5可知，生境Ⅰ下歪頭菜葉片ΦPSⅡ值整體較高，而鴨兒芹則整體較低，且在光強大于200 μmol·m-2·s-1時，兩種生境下歪頭菜和鴨兒芹ΦPSⅡ值的差異均達到顯著水平。

圖5 不同生境下葉片的ΦPSⅡ對PAR的響應曲線

2.5 不同生境對葉片光化學猝滅系數及非光化學效率的影響

光化學猝滅系數(qP)反映PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學電子傳遞的份額，并進一步反映PSⅡ反應中心的開放程度和電子傳遞活性的大小。由圖6可知，不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片qP均隨著光強的增加而整體呈直線下降。生境Ⅰ下歪頭菜和鴨兒芹葉片qP值整體較高，且在光強大于200 μmol·m-2·s-1時，兩種生境下歪頭菜和鴨兒芹qP值的差異均達到顯著水平。

圖6 不同生境下葉片的qP對PAR的響應曲線

植物吸收的光能除一部分用于光合作用外，還有一部分可通過非光化學猝滅(qN)過程來調整過量能量的耗散，保護PSⅡ反應中心免受因吸收過多光能而引起的光氧化和光抑制傷害。由圖7可知，不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片qN均隨著光強的增加呈下降趨勢，兩種生境下，歪頭菜葉片的qN值在較高光強(大于150 μmol·m-2·s-1)下存在顯著差異，而鴨兒芹葉片的qN值整體無顯著差異。

圖7 不同生境下葉片的qN對PAR的響應曲線

2.6 不同生境下葉片F′v/F′m值的比較

F′v/F′m為PSⅡ反應中心的有效光化學量子產量，其值的降低是光抑制或光破壞最基本的特征。由圖8可知，不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片F′v/F′m均隨著光強的增加而下降。兩種生境下，歪頭菜葉片的F′v/F′m值在較高光強(大于150 μmol·m-2·s-1)下存在顯著差異，而鴨兒芹葉片的F′v/F′m值整體無顯著差異。

圖8 不同生境下葉片的F′v/F′m對PAR的響應曲線

3 小結與討論

光合作用是植物最為重要的代謝活動[10]，是作物將光能轉為化學能的過程。植物的光響應曲線反映的是光合速率隨著光合有效輻射變化特性，是判定植物光合能力的重要指標[11]，其擬合出的相關參數還可以反映植物在不同光照條件下生存能力，以及對環境條件的適應能力[12]。

試驗結果表明，弱光下兩種生境的歪頭菜和鴨兒芹葉片的ETR均較高，其中生境Ⅰ下歪頭菜和鴨兒芹葉的ETRmax及其對應的飽和光強均顯著較高。從葉片凈光合作用來看，生境Ⅰ下的歪頭菜和鴨兒芹光合速率同樣整體較高，且歪頭菜和鴨兒芹的最適宜光強分別約為700和900 μmol·m-2·s-1。氣孔是由保衛細胞構成的直接影響植物葉片光合作用的細胞器[13]，環境條件會介導氣孔的關閉張開，從而引起氣孔導度的變化，進一步影響植物的蒸騰速率和凈光合速率[14]。不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片氣孔導度均隨著光強的增加而先上升，而后緩慢下降，這與王海珍等[15]研究結果一致。此外，歪頭菜和鴨兒芹葉片的蒸騰速率均以生境Ⅱ下較高。由此可見，歪頭菜和鴨兒芹均為半陽生植物。從光補償點來看，不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片的光飽和點均低，說明歪頭菜和鴨兒芹利用弱光的能力較強，能很好地適應弱光環境。

PSⅡ光化學被認為是光合作用中對脅迫最敏感的部分，光合過程中PSⅡ所吸收的光能會有少部分以葉綠素熒光的形式被重新釋放出來[16]。葉綠素熒光與光合有緊密的聯系，通過葉綠素熒光可以反映光合作用的活性和行為，因此，葉綠素熒光技術被視為是研究植物光合作用與環境關系的內在探針[17]。葉綠素熒光參數能夠確定環境變化條件下PSⅡ反應中心的作用效率，反映光合作用中PSⅡ的電子捕獲能力；F′v/F′m表示植物的潛在最大光合能力，不僅是顯示植株是否受到脅迫的指示器，也可表示植物生理的健康狀態，F′v/F′m降低代表作物受到脅迫。ΦPSⅡ與F′v/F′m二者都是反映植物光合性能和健康狀況的重要參數[18]。不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片的qN與ΦPSII均隨著光強的增加而整體呈下降趨勢，兩種生境下歪頭菜與鴨兒芹葉片的qN值整體均無顯著差異。生境Ⅰ下歪頭菜葉片ΦPSⅡ值與qP值整體較高，而生境Ⅰ下鴨兒芹葉片的ΦPSⅡ值與qP值則整體較低，且在光強大于200 μmol·m-2·s-1時，兩種生境下歪頭菜和鴨兒芹ΦPSⅡ值與qP值的差異均達到顯著水平。不同環境下歪頭菜和鴨兒芹葉片F′v/F′m均隨著光強的增加而下降，兩種生境下，歪頭菜葉片的F′v/F′m值在較高光強下存在顯著差異；而鴨兒芹葉片的F′v/F′m值整體無顯著差異。由此可見，歪頭菜和鴨兒芹兩種植物在不同生境下的光合參數整體上表現出較大差異，尤其是歪頭菜。

植物的生理特性是由遺傳因素決定的，但外部環境條件也對其內部的生理生化響應產生重要影響。通過對歪頭菜和鴨兒芹在不同生境條件下的栽種試驗發現，不同光強環境對歪頭菜和鴨兒芹的生長影響較大，且二者能很好地適應弱光環境。因此，建議歪頭菜和鴨兒芹在種植時，選擇半遮陽環境，更有利于種子發芽和幼苗生長，進而提高農業生產。