肉蓯蓉寄生對梭梭光合特性的影響

于霞霞， 郭曄紅*， 杜 弢， 賈存勤， 李 欠， 馬興東， 馬旭東

(1.甘肅農業大學農學院中藥材研究所，甘肅省中藥材規范化生產技術創新重點實驗室，甘肅省藥用植物栽培育種工程研究中心，甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅中醫藥大學藥學院，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅匯勤生物科技有限公司，甘肅 白銀 730600)

肉蓯蓉CistanchedeserticolaMa是我國名貴中藥材“大蕓”的基原植物，寄生在梭梭的根部，其生長所需的營養物質全部由梭梭供給；梭梭Haloxylonammodendron(C. A. Mey.) Bunge屬藜科梭梭屬多年生灌木或小喬木，為國家瀕危三級保護植物[1]，具有耐旱、耐寒、抗鹽堿的特性，是西北地區重要的防風固沙先鋒樹種。全世界約有梭梭10種，是古地中海區系的遺留種，分布于地中海至中亞地區，構成亞洲荒漠區分布最廣泛的荒漠植被類型[2]，中國有梭梭和白梭梭HaloxylonpersicumBunge ex Boiss. et Buhsee 2種，主要分布在內蒙古、新疆、甘肅、青海、寧夏等地，是西北荒漠半荒漠區珍貴的植物資源[3]。由于自然作用和人為因素對荒漠植被的嚴重破壞，使天然梭梭林大面積減少，人工梭梭林已成為當今梭梭群落存在的主要形式。

光合作用是植物的重要生理生態學特性之一[4], 它是植物生長發育的基礎，也是植物長勢優劣的決定性因素，植物對環境條件變化具有十分敏感的生理響應[5]。梭梭作為肉蓯蓉的能量供應源，其制造有機物的光合作用至關重要，近年來有關梭梭的研究，主要集中在梭梭群落生長、林分結構、生物學特性等方面[6-10]，而關于梭梭光合生理方面的研究則少有報道。鞠強等[11]研究了梭梭光合生理生態過程與干旱環境的相互關系，有關寄生肉蓯蓉后對其寄主植物光合生理的影響，郭東鋒[12]、楊太新等[13]研究了管花肉蓯蓉寄生對寄主檉柳光合特性的影響，而關于荒漠肉蓯蓉寄生對寄主梭梭光合作用特性的影響以及環境因子與光合特性之間的相互關系則罕見報道。本實驗研究了寄生荒漠肉蓯蓉對梭梭光合特性的影響以及環境因子對梭梭光合生理指標影響的程度，旨在探明梭梭光合生理指標對肉蓯蓉寄生的響應機制及其對環境的適應程度，為荒漠化綜合治理和肉蓯蓉產業持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況 試驗點設在甘肅靖遠糜灘鄉，東經104°68′，北緯36°59′，海拔1 450 m，屬溫帶干旱半干旱氣候，年均氣溫9.2 ℃左右，年極端最高氣溫35.1 ℃，年均降水量240 mm，年蒸發量1 634 mm，平均日照時數2 696 h，無霜期120 d。

1.2 材料 供試植物為甘肅靖遠縣長勢良好的4年生人工栽培梭梭，小區和管理水平與大田栽培相同。采用梅花點取樣法選取寄生和未寄生肉蓯蓉的梭梭植株各5株，每株梭梭分別在上、中、下(依次距地面75、50、25 cm處)部選取生長一致的各功能葉片進行測定，并每次在梭梭上、中、下測定光合的葉片處采集葉片測定葉綠素，每株重復3次。將所取樣品立即置于液氮罐中貯藏，帶回實驗室于-80 ℃超低溫冰箱中冷藏備用。

1.3 方法 試驗于2018年5月4～6日(蓯蓉出土期)、5月27～29日(開花結實期)、6月19～21日(枯萎期)3個時間段進行，以開始測定日期作為測定日期，每次連測3 d，求得3 d的平均值作為該測定期的值，求得3 d中每個時刻的平均值繪制光合指標日變化曲線，所選日期晴朗無風，用LI-6400型光合儀對梭梭葉片進行活體測定，每天測定時間為8：00～18：00，每隔2 h測定1次，中午加測1次，每個處理選取5株，每株重復3次，取其平均值。測定項目包括梭梭的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、水分利用率(WUE=Pn /Tr) 等各項光合生理指標，以及空氣溫度(Ta)、空氣相對濕度 (RH)、葉片溫度(Tl)、大氣壓虧缺(Vpd)、光合有效輻射(PAR)、大氣CO2濃度(CO2)等環境因子。將Pn、Tr、Gs、Ci、WUE作為物種數據源；將Tl、RH、Vpd、Ta、PAR、CO2作為環境因子數據源，分析其光合生理指標與環境因子間的相關性。在每個時期進行測定光合作用的3 d中，連續3 d進行取樣，測定葉綠素的含量，求得平均值作為該時期的測定值，葉綠素含量的測定采用丙酮法[14]。

1.4 統計分析 采用SPSS 19.0對寄生和未寄生肉蓯蓉的梭梭葉片的光合生理指標采用One-way ANOVA中的LSD和Duncan法分析，Excel及CanoDraw法繪圖，采用Canoco 4.5 軟件先進行DCA分析后選擇RDA分析并排序，RDA排序圖中的環境因子(Tl、RH、Vpd、Ta、PAR、CO2)用帶箭頭的虛線表示，光合生理指標(Pn、Tr、Gs、Ci、WUE)用帶箭頭的實線表示。

2 結果與分析

2.1 肉蓯蓉的寄生對梭梭光合生理指標的影響 3個測量時期中，每個時期寄生和未寄生肉蓯蓉梭梭的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)隨時間的變化均有一致的變化規律，均呈雙峰型曲線，表現出明顯的光合午休現象。Pn從8：00開始逐漸升高，12：00出現第1個峰值，隨后大幅度降低，在14：00降至最低，之后有所回升，在16：00達到第2次峰值，隨后又逐漸下降，且每個時期寄生和未寄生肉蓯蓉的梭梭第1個峰值均大于第2個峰值。除5月4日未寄生肉蓯蓉梭梭的Gs、5月27日寄生和未寄生肉蓯蓉梭梭的Tr，其他時間寄生和未寄生肉蓯蓉梭梭的Gs、Tr與Pn的峰值時間一致，但2個峰值的大小則無明顯的規律，見圖1。每個時期梭梭Pn日均值都表現為未寄生肉蓯蓉的梭梭>寄生肉蓯蓉的梭梭，其中5月4日和5月27日未寄生肉蓯蓉梭梭的Pn日均值高于寄生肉蓯蓉的梭梭(P<0.05)；各個時期梭梭的Gs和Tr日均值都表現為未寄生肉蓯蓉的梭梭>寄生肉蓯蓉的梭梭，但未達到顯著性水平，見表1。

注：1、2、3分別代表5月4日、5月27日、6月19日。A為寄生了肉蓯蓉的梭梭，cK為未寄生肉蓯蓉的梭梭。圖1 肉蓯蓉不同寄生時期梭梭光合生理特性日變化

3個測量時期中，每個時期寄生和未寄生肉蓯蓉梭梭的Ci隨時間的變化趨勢一致，且與各自Pn、Gs、Tr變化趨勢相反，呈倒雙峰型曲線，在8：00、14：00、18：00 Ci值較高，Ci出現峰值的時間與Gs、Tr、Pn出現谷值的時間一致。除5月4日外，其他2個時期梭梭Ci日均值與Gs、Tr、Pn日均值相反，為寄生肉蓯蓉的梭梭>未寄生肉蓯蓉的梭梭，5月4日未寄生肉蓯蓉的梭梭Ci僅高于寄生肉蓯蓉梭梭 1.20 μmol/mol，見圖1C、表1。

表1 肉蓯蓉寄生對梭梭光合參數日均值的影響

2.2 肉蓯蓉的寄生對梭梭水分利用效率及葉綠素含量的影響 水分利用效率是反映植物水分利用特性的重要參數，荒漠植物具有較高的水分利用效率，尤其是在水分虧缺時能以高水分利用效率來抵御干旱脅迫[15]，逆境脅迫會影響植物光合色素的合成[16]。梭梭WUE測量的3個時期中，各自的寄生肉蓯蓉梭梭和未寄生肉蓯蓉梭梭日變化趨勢一致，不同生長期，WUE日變化趨勢有差異。WUE日變化趨勢在5月4日和5月27日大體相同，均為雙峰型曲線，峰值時間與Pn的一致，12：00達到一天中的最大值，14：00為一天中的最小值。與其不同，6月19日梭梭WUE日變化曲線呈降-升-降的趨勢，在8：00～14：00逐漸降低，14：00后WUE有所回升，到16:00達到一個峰值，隨后又下降。最大值出現在8：00，最小值出現的時間與其他2個時期一致，為14：00。同一測量時期梭梭WUE日均值表現為未寄生肉蓯蓉梭梭>寄生肉蓯蓉梭梭，但未達到顯著性水平，表明肉蓯蓉的寄生降低了梭梭的WUE，但不改變日變化趨勢，見圖2、表1。3個測量時期，梭梭葉綠素a和葉綠素b含量在每個測量期均為未寄生肉蓯蓉梭梭>寄生肉蓯蓉梭梭，但未達到顯著性水平。6月19日，總葉綠素含量寄生肉蓯蓉梭梭(0.10)略大于未寄生肉蓯蓉梭梭(0.09)，葉綠素a/b在5月4日為寄生肉蓯蓉梭梭>未寄生肉蓯蓉梭梭，其他2個時期，總葉綠素與葉綠素a/b均表現為未寄生肉蓯蓉梭梭>寄生肉蓯蓉梭梭，但未達到顯著性水平，見表2。由于梭梭的葉綠素含量較低，且在不同時期寄生和未寄生肉蓯蓉梭梭的總葉綠素含量大小比較不一致，因此肉蓯蓉的寄生是否降低了梭梭的總葉綠素含量還需做進一步的研究。

注：1、2、3分別代表5月4日、5月27日、6月19日。A為寄生了肉蓯蓉的梭梭，cK為未寄生肉蓯蓉的梭梭。圖2 肉蓯蓉不同寄生時期梭梭WUE日變化

表2 肉蓯蓉寄生對梭梭葉綠素含量的影響

2.3 肉蓯蓉寄生對梭梭光合生理指標與環境因子相關性的影響 梭梭作為強旱生鹽生植物，對環境有著超強的適應能力[17]。本研究中第一排序軸對物種的解釋量最大，故以第1排序軸為主分析環境因子與光合生理指標的相關性。5月4日和6月9日，影響寄生和未寄生肉蓯蓉梭梭的主要環境因子排序一致，為CO2>Tl>Ta，見圖3。對CO2與光合生理指標的相關性(相關系數)進行分析，5月4日，寄生肉蓯蓉梭梭為0.444，未寄生肉蓯蓉梭梭為0.698(P<0.01)，6月19日，寄生肉蓯蓉梭梭和未寄生肉蓯蓉梭梭依次為0.906、0.927(P<0.01)，見表3，表明肉蓯蓉的寄生使梭梭主要光合生理指標與環境因子的相關性減弱。5月27日，寄生肉蓯蓉梭梭和未寄生肉蓯蓉梭梭的光合生理指標與環境因子的相關性相反，其中Tl對寄生和未寄生肉蓯蓉梭梭的光合生理指標的影響作用最大，相關系數依次為0.415、-0.502(P<0.01)，見表3，表明肉蓯蓉的寄生使梭梭光合生理指標與環境因子的促進與抑制作用變得相反，且每個時期種—環境的相關性都表現為未寄生肉蓯蓉的梭梭>寄生肉蓯蓉的梭梭。

注：A、cK分別代表寄生和未寄生肉蓯蓉的梭梭。1、2、3分別代表5月4日、5月27日、6月19日。圖3 寄生與未寄生肉蓯蓉梭梭的光合生理指標與環境因子的RDA二維排序圖

表3 第一排序軸與環境因子的冗余分析

2.4 梭梭光合指標與葉綠素含量的相關性分析 Pearson相關性分析(表4)表明，梭梭Pn與Ci、葉綠素a及葉綠素a/b呈負相關，但未達到顯著性水平；與Tr呈顯著正相關(r=0.859，P<0.05)，其他指標中與Pn相關性較大的依次是總葉綠素、Gs、WUE，相關系數依次為0.764、0.759、0.517，表明蒸騰速率對凈光合速率具有強烈的促進作用；梭梭Gs與Tr及總葉綠素、Tr與總葉綠素、總葉綠素與葉綠素a/b呈極顯著正相關(P<0.01)，相關系數依次為0.961、0.969、0.935、0.976，表明這些指標之間相互促進的程度最大。

表4 梭梭光合指標及葉色素含量的相關性分析

2.5 肉蓯蓉寄生對梭梭光合特性影響的綜合排序 對不同生長期所測梭梭光合及其相關指標用下式求各指標的具體隸屬函數值。

(1)

或

(2)

式中，X為梭梭某一光合及其相關指標測定值，Xmax、Xmin分別為梭梭該指標測定值內的最大值和最小值。若所測指標與光合作用呈正相關，用式(1)；若所測指標與光合作用呈負相關，用式(2)。把每個時期每個處理梭梭光合及其相關指標的隸屬值進行累加，并求其平均值，根據各處理平均值大小確定光和能力的強弱。

光合能力的強弱一般用凈光合速率表示，本研究中通過對梭梭光合及其相關指標進行相關性分析，見表4，將與凈光合速率呈正相關的指標用式(1)求隸屬函數值，將與凈光合速率呈負相關的指標用式(2)求隸屬函數值，即Ci、葉綠素a、葉綠素a/b用式(2)，其他指標用式(1)。

光合特性是多個光合生理指標綜合作用的結果，根據寄生與未寄生肉蓯蓉梭梭的各光合生理及其相關指標的隸屬函數值求得平均隸屬函數值并進行排序，可得不同生長期不同處理梭梭的光合能力的強弱順序。表5顯示，同一生長期，光合及其相關指標的平均隸屬函數值均表現為未寄生肉蓯蓉的梭梭>寄生肉蓯蓉的梭梭，表明肉蓯蓉的寄生使梭梭光合能力減弱。不同生長期的同一處理梭梭的平均隸屬函數值的綜合排序為5月27日>6月19日>5月4日，與Pn日均值的排序一致，進一步表明Pn是光合生理的代表性指標。

表5 肉蓯蓉不同寄生時期梭梭光合作用綜合排序

3 討論

植物在受到脅迫后，會產生逆境生理[18-19]，肉蓯蓉的寄生給寄主梭梭造成了脅迫的環境，對寄主保護酶系統及滲透調節系統產生了明顯的傷害，并降低了寄主梭梭的抗旱性[20]。肉蓯蓉寄生對梭梭產生的逆境生理使類囊體膜系統及酶蛋白受損，導致葉綠素分解大于合成，表現為葉綠素(葉綠素a、葉綠素b)含量降低[21-22]，本研究得出，肉蓯蓉的寄生使寄主梭梭葉綠素a、葉綠素b含量降低。

植物在受到脅迫時，植物的光合作用場所類囊體薄膜受損和葉綠體基質代謝紊亂[23]，光合作用減弱，表現為單位時間、單位葉面積吸收CO2的量或放出O2的量減小[24-25]，當光合過程受阻，氣孔導度降低，水分代謝失調，植物的蒸騰速率下降[26]，因此，認為有效的形態調節和較強的氣孔控制是其維持光合作用能力以及適應干旱的主要機制[27]。水分利用效率可以反映植物對干旱環境適應能力的強弱[28-29]，植物在受到脅迫后，水分利用效率和生物產量降低，甚至出現由于含水量下降而萎蔫的現象[30]。本研究中，梭梭在受到肉蓯蓉的寄生脅迫后，凈光合速率，蒸騰速率、氣孔導度、水分利用效率降低，胞間CO2升高，但肉蓯蓉的寄生未改變梭梭光合特性的日變化趨勢。相關性分析表明，蒸騰速率與凈光合速率之間相互促進，總葉綠素含量最大程度的促進氣孔導度、蒸騰速率和葉綠素a/b。

光合能力是多指標綜合作用的結果，其光合指標之間具有相關性，因此需用光合生理及其相關指標綜合評價植物的光合能力[31]，環境中的光、溫、水、氣等生態因子變化可引起植物生理因子變化，外在生態環境條件和內在生理因子共同影響植物光合作用特性[32]。本實驗結果與前人有關棉花、菠菜大豆和酸棗的研究一致[33-36]，經冗余分析(RDA)寄生與未寄生肉蓯蓉梭梭的光合指標與環境因子的相關性，表現為肉蓯蓉的寄生使梭梭光合指標與環境因子的相關性減弱，寄生肉蓯蓉的梭梭植株對環境因子表現出“遲鈍型”響應。多指標綜合評價寄生與未寄生肉蓯蓉梭梭的光合能力強弱，其結果與單一指標評價的結果一致，表現為肉蓯蓉的寄生使梭梭的光合能力減弱。