油蒿葉片氮分配對其最大凈光合速率季節變異的影響

趙洪賢,張洋軍,徐銘澤,衛騰宙,毛 軍,雒 宇,賈 昕,3,查天山,3,*

1北京林業大學水土保持學院, 北京 100083 2 寧夏鹽池毛烏素沙地生態系統國家定位觀測研究站, 鹽池 751500 3 北京林業大學水土保持國家林業局重點實驗室, 北京 100083 4 甘肅省林業科學研究院, 蘭州 730020

光合作用是碳循環的驅動力,植物葉片的光合作用模型可以反映植物對環境的適應能力[1—2]。葉片最大凈光合速率(Amax)衡量光合潛力,通過研究植物葉片光合參數的動態變化,可以分析植物對其所處環境的響應與其葉片光合作用機構運轉狀況。

葉片光合能力受生物與非生物因素的限制,這些限制因素多是由植物的個體發育和外界環境因素造成[3]。如對于荒漠植物,空氣溫度(Ta)和光合有效輻射(PAR)可以通過影響植物葉片氣孔的開度,影響CO2的吸收,從而影響植物的最大凈光合速率(Amax)[4],也有研究報道Ta和葉片比葉面積(SLA)是影響油蒿最大羧化效率(Vcmax)和最大電子傳遞速率(Jmax)的主要影響因素[5],根據前人研究發現,對于半干旱區植物,植物對水的可獲得性是限制其生長的重要環境因子[6],土壤水分是重要的限制因素,水分脅迫會對植物葉片的Vcmax有明顯的抑制作用[7]。

氮是植物光合作用過程中重要的營養元素,最大凈光合速率與葉氮含量之間的關系被廣泛認可,它的供應直接影響植物的光合作用[8]。葉綠素是植物進行光合作用的主要色素,其含量Cc對植物的光合速率有較大的影響,它的含量也會影響氮在葉片中的分配[9]。為滿足不同生長階段植物對氮的需求,植物對光合作用和構建細胞壁的氮分配權衡可能存在其不同的生長階段[10],葉片中的氮素會隨著植物體的需求分配給光合系統和非光合系統[11—12]。光合系統包括一系列相互作用的子系統,分配到的氮按照一定的比例分配給羧化系統(Pc)、生物力學系統(Pb)、捕光系統(PL)。非光合系統組分中分配的氮被用來構建植物細胞的細胞壁等防御機構[13—14]。有研究提出在同一地區,有些物種為進行更快更高效的光合,會將更多的氮分配到葉綠體中,以爭取更多的養分[15—16]；也有研究認為當植物處于環境脅迫條件下時,會更傾向于投資非光合機構從而具有較小的氮利用效率和較低的光合能力[13]。因此氮素在植物葉片中的分配對植物的光合作用有著極大的影響。根據已有研究發現,葉片氮素在植物葉片不同機構中分配的季節動態會受環境因素和植物自身生理特性的影響[4,7,17],如有研究認為在低氮水平下,植物傾向于將氮素更多的用于光合系統,以提高其光合能力[18]。

最大電子傳遞速率與最大羧化效率的比值Jmax/Vcmax可以表明氮在植物光合系統中的分配情況[19]；Vcmax和Jmax可以描述葉片的光合能力,是決定碳同化速率的關鍵[20—22],光合作用發生在葉綠體中,涉及光依賴和非光依賴的生化反應,前者受到Jmax的限制[22]；Vcmax與光合作用的關鍵酶Rubisco直接相關,Rubisco與植物葉片的光合速率相關[22]。而Vcmax和Jmax是估算氮在葉片光合機構中的分配比例的重要參數[16],因此,本研究推測植物最大凈光合速率的季節動態與植物葉氮含量在葉片不同機構中的分配有關。

目前,關于荒漠植物光合響應曲線參數季節動態及其調控機理的研究,多集中在環境因子或植物葉片性狀對植物光合速率的影響[23—25],也有人研究了葉氮含量對光合特性的影響[5,26],而將最大凈光合速率與葉氮分配的季節動態結合研究的報道非常有限。在土壤肥力較低的荒漠地區,植物葉片的最大凈光合速率與氮素在葉片各個系統間分配比例的關系是什么,在不同的物候時期,植物如何調節對葉片氮素的利用策略來滿足自身在不同時期生長的需求,仍需進一步的研究。干旱半干旱地區是全球變暖過程中最敏感脆弱的地區之一,其在我國的分布范圍占國土總面積的48.8%[4,27],對此區域內的荒漠植物生理機制的研究十分必要。因此,本研究以荒漠典型灌木油蒿(Artemisiaordosica)為研究對象,通過對光合響應曲線的全生長期原位觀測和葉片氮含量的測定,分析油蒿最大凈光合速率的季節動態,闡明葉氮分配的季節變化對油蒿最大凈光合速率季節動態的影響。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

實驗在寧夏鹽池毛烏素沙地生態系統國家定位觀測研究站(37°42′31″N, 107°13′47″ E)進行。氣候類型屬于典型中溫帶大陸性季風氣候,降水主要集中在7—9月,年降水量約287 mm,蒸發量約是降水量的7倍[4]。年平均氣溫7.7 ℃,晝夜溫差較大,日照充足。研究區內優勢植物種為油蒿。根據研究站之前觀察結果,油蒿展葉期在一年的第100—150天(4月11日至6月1日),完全展葉期在第151—240天(6月2日至8月29日),落葉期在第241—290天(8月30日至10月18日)[28]。生長季內,試驗樣地土壤全氮含量均值為0.17g/kg。

1.2 研究方法

實驗于2018年5—10月進行,結合手動測量與通量塔連續觀測的氣象數據進行分析研究。在距通量塔1公里處的100m×100 m油蒿樣地內,隨機選擇5株受光均勻的成年油蒿植株作為觀測樣株。

從2018年5月3日到9月24日,以10d為一個周期進行觀測,選擇周期內晴朗無風的天氣,使用LI- 6400XT便攜式光合測定儀(LI-COR, USA)和LI- 6400的紅藍光源葉室(LI-COR, USA)在8：00—11：30測量油蒿的光響應曲線和CO2響應曲線,流速設置為500 μmol/s。測量光響應曲線時,光強梯度設置為2000、1800、1500、1200、1000、800、600、400、200、100、50和0 μmol m-2s-1,在每個光強梯度下適應3 min,儀器自動將樣品室與參比室進行匹配后記錄其光合速率；測量CO2響應曲線時,設定光強為1800 μmol m-2s-1,利用LI- 6400的注入系統和外接CO2小鋼瓶提供并控制CO2濃度,CO2濃度梯度設置為400、200、100、50、400、600、800、1000、1200、1500、1800、2000 μmol CO2/mol,在每個濃度下適應3 min后,儀器自動測量其光合速率并記錄。將被測葉片帶回實驗室,稱量其葉片鮮重,并用ImagJ軟件分析計算得到其葉面積,并對所測得的光合響應曲線數據進行校正。

在各個樣株上采集與所測葉片葉位、葉形、葉齡相近的葉片若干,稱取0.2g的新鮮葉片,分別加入適量碳酸鈣、石英砂和95%的乙醇,用研缽研成均漿,抽濾后用95%的乙醇定容至25mL,以95%的乙醇溶液作為空白對照,在波長649nm和665nm下測定提取液的吸光度,根據經驗公式法,計算得出油蒿葉片葉綠素含量Cc；其余葉片在105℃下殺青2h,接著在75℃下持續烘干至恒重,用研缽制成粉末狀,過100目篩,每份稱取1.5g,裝入自封袋中,妥善保存至生長季結束,帶回北京委托中國科學研究院植物所測定葉片氮含量。

1.3 數據處理及分析

1.3.1數據處理

根據分光光度計法實驗原理中提供的計算公式,計算油蒿葉片中葉綠素含量Cc(mg/g)：

式中,A665為葉綠素在665nm波長下的吸光度,A649為葉綠素在649nm波長下的吸光度,V為提取液體積,N為稀釋倍數,W為樣品鮮質量(g)。

本研究中利用葉子飄等[29—30]提出的雙曲線修正模型對所測得的光響應曲線進行擬合計算,得到Amax：

式中β為修正系數[30]；α是光響應曲線的初始斜率；γ是光響應曲線的初始斜率與植物最大光合速率的比值；Ic是植物的光補償點；I為光合有效輻射；Rd為植物的暗呼吸速率[31]；其中Im為植物的飽和光照強度,其計算公式為：

CO2響應曲線參數的計算,是根據1980年Farquhar等提出的FvCB模型,計算最大羧化效率Vcmax(μmol m-2s-1)和最大電子傳遞速率Jmax(μmol m-2s-1)[32—33]。本研究中,數據分析使用RStudio 4.0.5軟件[34],利用R包plantecophys進行擬合計算,公式如下：

式中,Ac為Rubisco活動限制下凈光合速率,Ci為胞間CO2濃度,Oi為胞間O2濃度,Г*為無暗呼吸時的CO2補償點,Kc,Ko分別為CO2和O2Rubisco活性的Michaelis-Menten系數[35—36]；J為電子傳輸速率,θ取值0.85,α取值0.24,核酮糖-1,5-雙磷酸(RuBP)Aj為RuBP再生受到限制時的凈光合速率[36]。

本研究中,用經驗公式法估算油蒿葉片氮素在各組分之間的分配比例[16],根據Vcmax、Jmax和葉綠素含量Cc估算氮在羧化系統中的分配比例Pc、在生物力能學組分中的比例Pb和在捕光系統中的分配比例PL[16,37],計算公式如下：

式中,Vcr是單位Rubisco的CO2固定活性,取值為20.78 μmolCO2g-1Rubisco-1,Jmc是單位 Cyt f的最大電子傳遞速率,取值為155.65 μmol e-μmol-1cyt fs-1[14,16,37]；Nmass為單位干重葉片氮含量(g/g),Cc為葉綠素含量(mmol/g),CB為捕光系統中葉綠素與氮的比值(mmol Chl/g N)[16],其計算公式為：

式中,LMA為比葉重(g/m2),為葉片干重與葉面積的比值。氮在葉片光合系統的分配比例Pp與在非光合系統中的分配比例P1-P為：

Pp=Pc+Pb+PL

P1-p=1-Pp

1.3.2數據分析方法

基于SPSS軟件,用雙變量相關性分析法和回歸分析法分析油蒿葉片最大凈光合速率Amax與各個生物相關性,基于R[34],利用agricolae包,對葉氮分配相關參數與Amax之間的關系進行通徑分析,并基于通徑系數表,分析各因子對Amax季節動態的作用路徑；軟件制圖采用Origin9.0。

2 結果

2.1 油蒿最大凈光合速率的季節動態

在不同的物候時期,由于植物對光強、溫度等因子的敏感度不同,油蒿最大凈光合速率(Amax)存在季節動態。在生長季內,油蒿的Amax在23.42 μmol CO2m-2s-1周圍波動變化(圖1),在完全展葉中期(第182天)有最大值29.48 μmol CO2m-2s-1,在完全展葉末期有最小值16.85 μmol CO2m-2s-1,Amax季節變異系數(Cv)為14%。Vcmax和Jmax具有相同的季節變異趨勢(圖1)。

圖1 毛烏素沙地油蒿光合參數季節動態Fig.1 Seasonal variations in photosynthetic parameters in Artemisia ordosica in Mu Us Sandy land橫向參照線為各參數觀測期內均值, 縱向參照線劃分不同物候期;橫坐標即年積日

2.2 油蒿葉片氮分配相關參數的季節動態

油蒿葉片氮分配的相關參數Pc、Pb、PL在生長季內呈波動變化,油蒿葉片氮利用效率(PNUE)在完全展葉中期有最大值11.82 μmolCO2gN-1s-1(圖2)。油蒿葉氮分配參數在生長季內呈波動變化,均在完全展葉中期有最大值(第182天),Pc、Pb、PL分別為0.26、0.09、0.08(圖2),即Pp在此時有最大值0.43(Pc+Pb+PL),此時葉片氮素在油蒿光合系統中的分配比例最大。在完全展葉末期(第232天),Pc、Pb、PL有最小值(圖2),此時油蒿葉氮在非光合系統中的分配比例P1-p有最大值0.79,PNUE也在此時有最小值6.72μmolCO2gN-1s-1。

圖2 2018年油蒿生物因子季節動態Fig.2 Seasonal variations in biotic factors in Artemisia ordosica in 2018橫向參照線為各參數觀測期內均值,縱向參照線劃分不同物候期。橫坐標即年積日

2.3 油蒿最大凈光合速率與葉氮分配相關參數的關系

對油蒿最大凈光合速率Amax與Nmass進行回歸分析,結果顯示,Amax與Nmass極顯著正相關(P<0.01)(圖3),即油蒿最大凈光合速率與葉片氮含量相關；因此對Amax與葉片氮分配相關參數Pc、Pb、PL進一步進行回歸分析,結果表明Amax與Pb極顯著正相關(P<0.01),與PL顯著正相關(P<0.05),與Pc相關,與P1-p顯著負相關(P<0.05)(圖4)。

圖3 2018年毛烏素沙地油蒿葉片最大凈光合速率Amax與葉片氮含量Nmass的關系Fig.3 Relationship between the maximum net photosynthetic rate Amax and Nmass in Artemisia ordosica in Mu Us sandy land in 2018

圖4 2018年毛烏素沙地油蒿葉片最大凈光合速率Amax與葉片氮分配相關參數的關系Fig.4 Relationship between the maximum net photosynthetic rate Amax and nitrogen distribution parameters in Artemisia ordosica in Mu Us sandy land in 2018

2.4 基于通徑分析的葉氮分配相關參數對油蒿最大凈光合速率的作用識別

主要分析2018年5—10月油蒿最大凈光合速率受氮分配相關參數的調控機制,但各個因子之間的相關性導致的信息重疊,因此本研究基于通徑分析方法,對Pc、Pb、PL對Amax的影響進行通徑分析,根據直接、間接通徑系數(表1)分析其對油蒿Amax季節動態的影響路徑。

通徑分析結果表明,氮在捕光系統中分配比例PL的直接通徑系數為正值且最大,其次是氮在生物力能學組分中的比例Pb和氮在羧化系統中的比例Pc均對Amax產生了正向影響。Pc通過Pb間接作用于Amax的間接通徑系數為正值。

3 討論

葉片氮素在光合與非光合系統之間的分配權衡已經被廣泛討論。在本研究中,通過對研究區主要建群種油蒿的光合參數及葉片氮含量的全生長期原位測定,研究其葉片氮分配對最大凈光合速率季節變化的影響。本文的研究結果表明,油蒿在不同的物候階段,為滿足其生長的需求,氮在葉片不同機構中的分配比例不同[14],植株通過不同的氮素利用策略來維持生長。油蒿葉片Amax在完全展葉中期有最大值,這與前人研究所得出的油蒿葉片Amax在展葉期和落葉期有較大值有別[5],說明油蒿Amax的季節動態特征可能存在年際差異。氮素向葉片光合機構的分配是PNUE重要的決定因素之一[11],在觀測期內,Jmax/Vcmax在完全展葉中期有最大值3.86(圖5),而Jmax與Vcmax的比值可以表示葉片氮素在光合系統中的分配情況[19],即在該物候期油蒿羧化和RuBP再生速率較強[22],可能是由于在此期間,油蒿葉片氮素在光合系統的分配比例Pp有最大值(圖2),氮素的分配傾向于光合系統,葉片向Rubisco投入更多的氮以增加光合能力,PNUE也在此物候期有最大值,同時油蒿葉片具有較小的LMA,即此時葉片的光合能力最大,光合氮利用效率最高,在此物候時期油蒿處于快速生長階段。在不同物候時期,葉片氮分配的改變有利于植物在自然生境中的生存。本研究發現,在完全展葉初期和末期,油蒿葉片氮素分配更傾向于非光合系統,表現為在這兩個時期Pp均有最小值0.21(第162天、第232天),此時油蒿葉片光合速率較小,光合能力較弱,而比葉重(LMA)較高(圖5),這說明油蒿在葉片結構生物量中投入了更多的氮,有利于維持葉片機械韌性,獲得較長的葉片壽命,提高油蒿抵抗不利環境的能力[12—13]。

表1 葉片氮分配參數對油蒿最大凈光合速率Amax的直接、間接通徑系數

圖5 2018年毛烏素沙地油蒿葉片比葉重LMA和Jmax/Vcmax的季節動態Fig.5 Seasonal variations in LMA and Jmax/Vcmax in Artemisia ordosica in Mu Us sandy land in 2018橫向參照線為各參數觀測期內均值,縱向參照線劃分不同物候期;橫坐標即年積日

氮素對植物葉片光合系統所有的組成部分都至關重要[22],在本研究中,Nmass與Amax顯著相關,隨著單位干重葉片氮含量的增加,Amax顯著增加,即油蒿最大光合能力增大,這與前人研究結果相似[17]。油蒿葉片氮素在各個光合機構中的分配比例與Amax均正相關,隨著其在光合系統中的分配總比例Pp增加,油蒿最大凈光合速率Amax增大。本研究中,Amax與LMA顯著負相關(圖6),與前人研究的具有高LMA的植株具有較低的光合速率的結論相似[9,13],這可能是由于在具有較高LMA的葉片中,有更多的氮被用于構建細胞壁,這可能導致分配給Rubisco的氮含量相對減少,分配到光合系統的氮較低[12—14,38],使油蒿光合能力降低,表現為Amax減小(圖6)。在觀測期內油蒿的PNUE明顯低于常綠灌木[39],根據前人對不同物種PNUE差異的生理原因的研究結果表明,這可能是油蒿以犧牲PNUE來提高其在非光合系統中氮的投入,從而提高葉片應對干旱脅迫時的抗逆性[11, 14,39]。

圖6 2018年毛烏素沙地油蒿葉片最大凈光合速率Amax與比葉重LMA、葉綠素含量Cc的關系Fig.6 Relationship between the maximum net photosynthetic rate Amax and LMA and Cc in Artemisia ordosica in Mu Us sandy land in 2018

本研究發現油蒿葉片氮素在捕光系統中分配比例PL對Amax產生了最大的正向影響,這可能是由于PL與葉片葉綠素含量Cc密切相關[16],而本研究中Amax與Cc顯著正相關(P<0.05)(圖6),因此PL對Amax有最大的直接正向影響。從回歸分析結果可知,氮在生物力能學組分中分配比例Pb對Amax的季節動態變化解釋度最大(圖4),通徑分析也表明Pb對Amax有直接的正向影響,Pb對Amax的影響可能是由于當CO2濃度到達一定大小時,植株葉片的光合作用受最大電子傳遞效率Jmax的限制[2,18,22],從而體現為正相關關系；回歸分析結果顯示氮在羧化系統分配比例Pc與Amax的季節動態變化呈不顯著正相關(圖4),但本研究發現Pc主要通過Pb對Amax的季節動態產生了間接的正向影響,這可能是由于油蒿葉片在不同的物候時期,會通過調節葉片氮素在羧化系統和生物力能學系統之間的分配比例而影響Amax的大小[19]。油蒿在生長旺盛時期葉片傾向于投資較多的氮進行光合作用,在生長初期和末期則傾向于投資更多的氮來提高植物葉片的機械韌性,維持較長的葉片壽命。本文的研究表明了荒漠典型灌木油蒿在不同物候時期通過調控氮在葉片光合和非光合系統之間的分配比例,通過不同的氮素利用策略,調節葉片最大凈光合速率與葉片機械韌性之間的權衡以適應環境變化。

4 結論

(1)觀測期內,油蒿最大凈光合速率(Amax)在完全展葉中期(第182天)有最大值,在此物候階段,油蒿的光合能力最大。

(2)油蒿Amax與氮素在葉片各個光合機構中的分配比例均正相關,考慮氮分配相關參數對Amax季節動態的影響時,氮在捕光系統中分配比例PL與Amax呈顯著正相關,PL對Amax的季節動態有最大的直接正向影響,氮在生物力能學組分中的比例Pb與Amax極顯著正相關(R2=0.49,P<0.01),氮在羧化系統中分配比例Pc主要通過影響Pb對Amax產生正向作用。