廣西4個(gè)蒜頭果家系幼苗光合生理特征分析

黃曉露，楊日升，駱相華，蘇方貴，李寶財(cái)，楊卓穎，梁文匯

（1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 廣西特色經(jīng)濟(jì)林培育與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530002；2.砦牙鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)林業(yè)水利技術(shù)服務(wù)中心，廣西河池 547603；3.鳳山縣核桃科研開發(fā)中心，廣西河池 547600）

蒜頭果（Malania oleifera）為鐵青樹科（Olacaceae）蒜頭果屬單型種植物[1]，自然分布于我國(guó)云南東南部和廣西西部的喀斯特山區(qū)[2-3]，多生長(zhǎng)于海拔300 ～1 200 m 石灰?guī)r低山地區(qū)，是石漠化地區(qū)重要綠化樹種，分布區(qū)較窄，自然更新能力極弱，為我國(guó)重點(diǎn)保護(hù)的瀕危物種[4]。前人研究發(fā)現(xiàn)野生狀態(tài)下蒜頭果幼苗生長(zhǎng)需要蔭蔽，在透光度較大的條件下難以存活[3]。蒜頭果種子萌發(fā)率較高，實(shí)生育苗是目前主要的育苗方式，但幼苗保存率低，幼苗抵抗病害的能力差，移栽成活率低，成為蒜頭果資源保護(hù)和利用的難題[3,5-6]。

光合作用是植物通過光能合成有機(jī)物質(zhì)和能量的過程，是植物體內(nèi)最重要的化學(xué)反應(yīng)，是影響植物生長(zhǎng)和形態(tài)結(jié)構(gòu)的重要因素[7]。光環(huán)境影響瀕危植物生長(zhǎng)和更新已經(jīng)得到廣泛關(guān)注。徐清等[8]研究表明，光照過強(qiáng)導(dǎo)致瀕危樹種毛果木蓮（Manglietia ventii）幼苗的生長(zhǎng)和發(fā)育受到抑制，且過度采伐不利于生境光環(huán)境的維持。招禮軍等[9]研究表明，膝柄木（Bhesa robusta）幼樹在光照充足、環(huán)境開闊的林緣生境下，生長(zhǎng)狀況顯著優(yōu)于弱光條件的林窗、林下生境。李文英[7]報(bào)道瀕危樹種水青樹（Tetracentron sinense）與伴生物種相比，其光合能力和光能利用率較低，在群落競(jìng)爭(zhēng)中處于不利地位。韓彪等[10]研究表明，適當(dāng)補(bǔ)充環(huán)境中的CO2可提高泰山花楸（Sorbus taishanensis）的光合效率，對(duì)其生長(zhǎng)有積極效果。廣西是蒜頭果主要分布區(qū)，對(duì)其區(qū)內(nèi)資源分布、優(yōu)株篩選和種苗繁育的研究仍處于起步階段。本研究以廣西4 個(gè)蒜頭果家系為材料，分析幼苗生長(zhǎng)情況及其光合生理特征，測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，有助于科學(xué)合理地開發(fā)利用蒜頭果種質(zhì)資源，為今后加強(qiáng)蒜頭果種苗繁育工作和原生境種群恢復(fù)，發(fā)展桂西北蒜頭果經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料來源及育苗方法

供試材料來源于廣西河池市鳳山縣（FS1、FS8）、巴馬縣（BM1）和百色市田林縣（TL3）歷年種子產(chǎn)量較高的4個(gè)野生蒜頭果家系（表1）。試驗(yàn)苗圃位于廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院（108°35′E，22°92′N），屬亞熱帶季風(fēng)氣候，海拔120 m，年均氣溫21.6 ℃，年均降水量1 304.2 mm，年均相對(duì)濕度79%。

表1 種子采集地基本情況Tab.1 Basic situation of seed collection places

2020年10月，采集成熟、飽滿的新鮮蒜頭果果實(shí)帶回試驗(yàn)苗圃，剝離種仁，藏于消毒過的沙床中進(jìn)行催芽，每7天澆1次0.1%多菌靈，催芽期間保持沙床濕潤(rùn)。2021年1月左右種子開始萌發(fā)，2月上旬實(shí)生苗長(zhǎng)出真葉，2月下旬實(shí)生幼苗長(zhǎng)至10 cm 左右時(shí)，將其轉(zhuǎn)移至蔭棚下，移栽于規(guī)格16 cm × 16 cm 的黑色塑料育苗杯中，育苗基質(zhì)為草炭土、椰糠、蛭石和珍珠巖混合輕基質(zhì)（有機(jī)物質(zhì)≥15%，腐殖酸≥8%，pH值接近中性），進(jìn)行常規(guī)育苗管理。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 生長(zhǎng)情況測(cè)定

2021年7月，測(cè)定幼苗的苗高、地徑，每個(gè)家系測(cè)定30株，取平均值。

1.2.2 光響應(yīng)曲線測(cè)定

2021年7月中旬，在晴天8：00 ～11：30 采用Li-6400 便攜式光合測(cè)定儀測(cè)定凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）。選擇從頂端往下第7 ～12 片無破損的成熟葉片，每個(gè)家系重復(fù)3次。有效光輻射（PAR）設(shè)定為1 800、1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、100、80、60、40、20、10 和0 μmol·m-2·s-1（紅藍(lán)光源），空氣流速設(shè)置為500 mL/min，葉溫控制為35 ℃，CO2濃度控制為400 μmol/m2，葉室濕度65%。

1.2.3 葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定

利用便攜式熒光儀測(cè)定系統(tǒng)FMS-2Hansatech測(cè)定初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、可變熒光（Fv）、PSⅡ潛在光化學(xué)效率（Fv/Fo）和PS Ⅱ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）。選擇生長(zhǎng)健康無損傷的葉片用遮光板夾住30 min，暗適應(yīng)后，進(jìn)行測(cè)定。

1.3 計(jì)算公式

水分利用率（WUE，μmol/mmol）的計(jì)算公式如下[11]：

潛在水分利用效率（WUEi，μmol/mmol））的計(jì)算公式如下[12]：

光能利用效率（LUE）的計(jì)算公式為[12]：

采用非直角雙曲線模型擬合光響應(yīng)曲線，計(jì)算公式如下[13-14]：

式中，Pn為凈光合速率；φ為表觀量子效率；Q為光合有效輻射；Pnmax為最大凈光合速率；Rday為暗呼吸速率；k為光響應(yīng)曲角。

以0 ～200 μmol·m-2·s-1有效光輻射為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的凈光合速率為縱坐標(biāo)建立線性方程，其與X軸的交點(diǎn)數(shù)值為光補(bǔ)償點(diǎn)（LCP），與非直角雙曲線模型計(jì)算出的Pnmax的交點(diǎn)在X軸上的數(shù)值為光飽和點(diǎn)（LSP）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS v20.0 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理、方差分析、多重比較和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長(zhǎng)情況

TL3、BM1、FS1 和FS8 家系幼苗苗高、地徑均差異極顯著（P＜0.01）（圖1）。其中，TL3 的苗高、地徑均最大，分別為47.20 cm 和5.60 mm；FS8 的苗高、地徑均最小，分別為38.00 cm 和3.93 mm，分別比TL3小19.49%和29.82%。BM1的苗高、地徑為43.80 cm和5.12 mm，F(xiàn)S1的苗高、地徑為40.57 cm和4.76 mm。

圖1 幼苗生長(zhǎng)情況Fig.1 Situation of seedling growth

2.2 光響應(yīng)曲線參數(shù)

有效光輻射為0 ～600 μmol·m-2·s-1時(shí)，Pn呈增加趨勢(shì)；有效光輻射為600 ～1 000 μmol·m-2·s-1時(shí)，Pn趨于平穩(wěn)（圖2）。有效光輻射為1 200 μmol·m-2·s-1時(shí)，F(xiàn)S8 幼苗葉片的Pn下降；有效光輻射為1 800 μmol·m-2·s-1時(shí)，TL3、BM1和FS1幼苗葉片的Pn均下降，出現(xiàn)輕微的光抑制現(xiàn)象。

圖2 光響應(yīng)曲線Fig.2 Light response curves

非直角雙曲線模型擬合計(jì)算結(jié)果表明，4 個(gè)家系幼苗葉片光合特征參數(shù)均差異極顯著（P＜0.01）（表2）。其中，TL3的Pnmax最大（7.890 μmol·m-2·s-1），其次是BM1（7.707 μmol·m-2·s-1），F(xiàn)S1 和FS8 的Pnmax較小，分別為7.520 和7.511 μmol·m-2·s-1；BM1 的LCP 最大（44.556 μmol·m-2·s-1），TL3 最小（6.170 μmol·m-2·s-1）；TL3的LSP最大（380.266 μmol·m-2·s-1），F(xiàn)S1最?。?92.703 μmol·m-2·s-1）；BM1的Rday最大（2.142 μmol·m-2·s-1），TL3最小（1.143 μmol·m-2·s-1）；TL3、FS1的AQY 最大（0.125 μmol·m-2·s-1），BM1 最?。?.093 μmol·m-2·s-1）（表2）。

表2 光合生理參數(shù)Tab.2 Photosynthetic physiological parameters(μmol·m-2·s-1)

2.3 光合指標(biāo)變化特征

4個(gè)家系幼苗葉片的Gs、Tr、WUE和WUEi均隨有效光輻射增加呈上升趨勢(shì)，Ci呈下降趨勢(shì)，LUE 呈先升后降的趨勢(shì)（圖3 ～7）。TL3幼苗葉片的Gs和Ci比其他家系??；在有效光輻射為400 μmol·m-2·s-1時(shí)，WUE和WUEi最大，分別為4.32和158.55 μmol/mmol。BM1 的Gs和Ci比其他家系大，Tr、LUE 和WUEi偏小。FS1 的Tr在有效光輻射為0 ～400 和1 000 ～1 800 μmol·m-2·s-1時(shí)大于其他家系，WUE 小于其他家系。在有效光輻射60 μmol·m-2·s-1時(shí)，F(xiàn)S1、FS8 的LUE較大，分別為32.59×10-3和33.32×10-3。

圖3 氣孔導(dǎo)度變化特征Fig.3 Variation characteristics of Gs

圖4 胞間CO2濃度變化特征Fig.4 Variation characteristics of Ci

圖5 蒸騰速率濃度變化特征Fig.5 Variation characteristics of Tr

圖6 光能利用效率變化特征Fig.6 Variation characteristics of LUE

圖7 水分利用效率和潛在水分利用效率變化特征Fig.7 Variation characteristics of WUE and WUEi

2.4 葉綠素?zé)晒鈪?shù)

各家系幼苗葉片的Fo、Fv 和Fm均差異極顯著（P ＜0.01），F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo差異顯著（P＜0.05）（表3）。FS8 的Fo最大（188.20），TL3 最?。?4.50）；FS8 的Fv最大（837.68），BM1 最?。?07.18）；FS8 的Fm最大（1 026.40），BM1最小（619.00）。TL3的Fv/Fm和Fv/Fo均最大，分別為0.85和5.64，F(xiàn)S8均最小，分別為0.82和4.45。

表3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)Tab.3 Chlorophyll fluorescence parameters

2.5 相關(guān)性分析

對(duì)4 個(gè)家系幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)、光響應(yīng)參數(shù)和光飽和點(diǎn)附近（400 μmol·m-2·s-1）光合特征進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，苗高與地徑、Pnmax均呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與Fo呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。地徑與Fo呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與Fv呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。Pnmax與LSP 呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），LCP與Gs呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），LSP與WUE呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。Fv/Fm與Pn、LUE 均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與WUEi呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與Ci呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。Fv/Fo與Pn、LUE 均呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。Pn與Ci呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），與WUEi呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與LUE 呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。Gs與Ci呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與WUEi呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。Ci與WUEi呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與LUE呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。WUEi和LUE呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）（表4）。

表4 光合指標(biāo)與生長(zhǎng)性狀之間的相關(guān)分析Tab.4 Correlation analysis among photosynthetic parameters and growth traits

光合指標(biāo)與原生地自然環(huán)境之間的相關(guān)分析表明，Pnmax與緯度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），Rday與經(jīng)度、年均氣溫和年均降水量均呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），F(xiàn)v/Fm與經(jīng)度、年均氣溫和年均降水量均呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），WUEi與經(jīng)度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）（表5）。

表5 光合指標(biāo)與原生地自然環(huán)境之間的相關(guān)分析Tab.5 Correlation analysis among photosynthetic parameters and native natural environment

3 討論與結(jié)論

光響應(yīng)曲線是植株對(duì)生存環(huán)境適應(yīng)性中光合生理信息的重要反映，是確定植株對(duì)光照強(qiáng)度適應(yīng)范圍的主要依據(jù)[15]。張光飛等[16]通過實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)廣南縣蒜頭果2年生實(shí)生苗的光補(bǔ)償點(diǎn)光強(qiáng)為8.1 μmol·m-2·s-1，光強(qiáng)達(dá)750 μmol·m-2·s-1后，光合速率達(dá)到平穩(wěn)，最大凈光合速率接近5.5 μmol·m-2·s-1。本研究表明，廣西蒜頭果各家系幼苗在有效光輻射達(dá)到600 μmol·m-2·s-1后，實(shí)測(cè)的凈光合速率增幅減少，并趨于平穩(wěn)，與張光飛等[16]的研究結(jié)果有一些差異，可能與產(chǎn)地環(huán)境及育苗條件不同有關(guān)。采用非直角雙曲線模型擬合的光響應(yīng)曲線，可知4 個(gè)家系的最大凈光合速率為7.511 ～7.890 μmol·m-2·s-1，光飽和點(diǎn)為292.703 ～380.266 μmol·m-2·s-1，光補(bǔ)償點(diǎn)為6.170 ～44.556 μmol·m-2·s-1，說明蒜頭果能在較低的光強(qiáng)下開始物質(zhì)積累，且隨光照強(qiáng)度增加較快達(dá)到最大光合效率，具有一定程度的耐蔭能力。有效光輻射在1 200 ～1 800 μmol·m-2·s-1時(shí)，蒜頭果各家系幼苗出現(xiàn)輕微的光抑制現(xiàn)象，與付一笑[5]研究結(jié)果相同。光抑制是植株通過調(diào)整光系統(tǒng)運(yùn)作消散過度吸收太陽(yáng)能的保護(hù)機(jī)制[17]，在蒜頭果幼苗培育時(shí)要適當(dāng)遮陽(yáng)，以免出現(xiàn)日灼現(xiàn)象，同時(shí)也對(duì)蒜頭果苗木人工造林的光照控制提出要求[18]。4 個(gè)家系幼苗中，TL3幼苗的最大凈光合速率最大，光補(bǔ)償點(diǎn)最小，光飽和點(diǎn)最大，表明該家系幼苗光環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)，對(duì)光照要求較低且光合作用能力較強(qiáng)，而FS1 和FS8 幼苗的最大凈光合速率較小，光飽和點(diǎn)較低，對(duì)光照要求較高，光合作用能力較弱。光合作用與植物的光生產(chǎn)力直接相關(guān)[19]。TL3 幼苗的最大凈光合速率最大，其苗高、地徑最大，其次為BM1幼苗。原生地自然環(huán)境對(duì)蒜頭果幼苗的光合特性也有一定程度的影響，相關(guān)性表明原產(chǎn)地經(jīng)度、年均氣溫和年均降水量越低，幼苗呼吸速率越低，水分利用潛力越高；緯度越低，凈光合速率越高。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)是有效衡量植物受害程度和光合潛能的指標(biāo)[20-21]，在健康生理狀態(tài)下大多數(shù)高等植物的Fv/Fm值為0.80 ～0.85[22]。本研究發(fā)現(xiàn)蒜頭果幼苗的Fv/Fm值為0.82 ～0.85，皆處于正常的生長(zhǎng)狀態(tài)。相關(guān)性分析表明Fv/Fm、Fv/Fo值越高，在飽和光強(qiáng)附近，幼苗的潛在水分利用率和光能利用效率越強(qiáng)。Fv/Fm與家系原生地自然條件關(guān)系密切，經(jīng)度、年平均氣溫和年均降水量越低，F(xiàn)v/Fm越高。4個(gè)家系幼苗中，TL3原生地的經(jīng)度、年平均氣溫和年均

降水量均較低，其Fv/Fm、Fv/Fo值最大，電子傳遞活性最大，捕獲的光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的效率更高[20]。

植物的光合作用不僅是物質(zhì)和能量的累積，還能敏感反映水分和CO2利用變化的生理過程。葉片氣孔導(dǎo)度反映植物氣孔行為對(duì)光合、呼吸和蒸騰速率的調(diào)節(jié)作用，胞間CO2濃度能從側(cè)面反映植物凈光合速率和葉片CO2的利用率，蒸騰速率則表示植物的耗水情況[23]。本研究中的光合生理特征曲線表明，隨光合速率增大，蒜頭果幼苗葉片氣孔增大，CO2消耗量增加，蒸騰速率和水分利用效率增加。4個(gè)家系幼苗光合生理特征表現(xiàn)與自身特性有關(guān)，在飽和光強(qiáng)下TL3 以較低的氣孔導(dǎo)度水平，維持較高的光合速率、CO2消耗量，可見幼苗沒有表現(xiàn)出氣孔限制效應(yīng)[24-26]。

本試驗(yàn)中蒜頭果家系植株處于苗期階段，其光合生理特征受育苗條件及管理措施影響較大，且由于蒜頭果幼苗期和造林成年的生長(zhǎng)環(huán)境、生長(zhǎng)表現(xiàn)和適應(yīng)性有較大差異，所以在后續(xù)的試驗(yàn)中需與蒜頭果成年植株的光合特性進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步研究探索蒜頭果對(duì)光照的需求和響應(yīng)，為科學(xué)指導(dǎo)蒜頭果的種苗繁育與種植栽培提供理論依據(jù)。