不同地域連翹的光合特性研究

陳虹宇,任子蓓,黃炳旭,李雪嬌,任士福

(1河北農業大學 林學院,河北 保定 071000;2石家莊郵電職業技術學院,河北 石家莊 050020)

連翹(Forsythiasuspensa),為木樨科、連翹屬、落葉灌木,是園林中常用的觀賞植物,其果實含有連翹苷、連翹酯苷A,具有清熱解毒、抗菌消炎等作用,連翹不僅是我國傳統的藥用植物,更是新冠疫情防治的主要中藥材[1-2]。連翹耐寒、耐旱、耐鹽堿的能力較強,對土壤條件要求不高,在太行山地區有廣泛分布,因其經濟效益與生態效益兼顧,成為道地產區未來產業化發展的重要中藥材品種。但連翹以野生資源居多,不同類型間表型特征、生理特性各不相同,加之缺乏科學管理,產量、果實品質低下[3]。因此,開展新品種選育和提純復壯等工作,選育優質高產連翹新品種是現在亟需解決的問題。

植物的光合作用是其生長發育、形態建成的基礎,更是經濟樹種的產量基礎,光合作用對植物次生代謝過程及產物積累會產生影響,而連翹等中藥植物的次生代謝產物通常是主要藥效成分,因此光合作用對連翹的產量和品質具有決定性作用[4-12]。光合作用是植物適應環境變化較為敏感的過程,除外界因素外,植物本身生理特性也會產生影響,其生理特性會因生長環境不同而發生變化[13-15]。因此,研究植物的葉片特征、葉綠素熒光以及光合作用參數等,可以綜合分析其光合特性,還能體現植物對環境的適應能力[16]。目前,對連翹的研究主要集中在有效成分作用機理、栽培技術、經濟價值開發等方面,對于光合特性方面的研究較少[17-22]。因此,針對太行山地區連翹產業的發展需求,對來自河北石家莊、河南三門峽、山西運城3個產地連翹的光合特性進行研究比較,選擇出適應太行山地區,能夠最大程度發揮光合作用潛力的連翹類型,以期為太行山地區高光效連翹品種的選育及科學制定連翹高效栽培技術措施提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于河北省石家莊市平山縣,地理坐標E 113°58′,N 38°28′,屬大陸性季風氣候。試驗地位于平山縣西南部,太行山東麓中段,西與山西省盂縣交界,海拔高度1 236.44 m,年均降水量609 mm,年均氣溫12.9 ℃,無霜期130～190 d。

1.2 試驗材料

所用3種連翹分別引自河北省平山縣、山西運城、河南三門峽,均利用3年生大苗造林,目前為7年生林木,期間進行統一管理。

1.3 試驗方法

試驗于2021年6月進行,試驗前各選定長勢、冠幅、樹形相近的健康樣株15棵,試驗設定5株1小區,3次重復。選擇晴朗無云的上午9：00-12：00進行葉綠素熒光參數及光響應曲線的測定,選擇生長在樹體外圍樹冠中上部枝條自頂梢向下第5～7片葉子。從4個方向各采10片葉子,各小區葉片混合均勻后帶回進行葉片形狀特征測量。

1.3.1 葉片形態特征 每個小區隨機選取10片葉子,測量比較3種連翹的葉片形狀特征。利用電子掃描儀以及ImageJ軟件測定葉面積及其他葉片的大小,沿主脈方向從葉柄基部至葉尖的長度為葉長,垂直于主脈到葉緣最長的距離為葉寬。將10片葉片葉脈重疊垂直放置,利用游標卡尺測量靠近葉脈處葉片厚度,數值平均后即為葉厚。

1.3.2 葉綠素含量 將葉片洗凈后擦干,去除葉脈,剪成細絲,準確稱取0.1 g置于試管中,加入10 mL 95%乙醇后密封,放入暗處反應24 h,用分光光度計測定稀釋后的提取液在663、645、440 nm波長下的光密度值,測定完畢后,按公式計算葉綠素a、葉綠素b以及總葉綠素含量。

(1)

式中：C為葉綠素濃度;V為提取液體積;N為稀釋倍數;W為樣品鮮重或干重。

1.3.3 光響應曲線 利用LI-6400便攜式光合分析系統進行測定,將光合有效輻射(PAR)分別依次設置為2 000、1 500、1 000、800、500、200、100、50、20、0 μmol/(m2·s)。分別測定在不同光強下3種連翹的凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)等參數,并計算葉片水分利用效率(WUE=Pn/Tr)。利用葉子飄光合計算軟件對光響應曲線進行擬合,在本研究中采用非直角雙曲線模型進行擬合,并計算光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)、最大凈光合速率(Pmax)、暗呼吸速率(Rd)等參數[23]。

(2)

式中：Pn為凈光合速率;φ為表觀量子效率;Pmax為最大凈光合速率;PPED為光合有效輻射;k為光響應曲線曲角;Rd為暗呼吸速率。

1.3.4 葉綠素熒光參數 使用FP 100便攜式葉綠素熒光儀測定葉綠熒光參數。測定前使用暗適應葉夾夾20 min,然后測定葉片葉綠素熒光參數。包括初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)、PSⅡ量子效率(Fv/Fo)。

1.3.5 數據處理 通過Excel 2014和 Sigmaplot 14.0 進行作圖,用SPSS 22.0對測定數據進行差異性及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 葉片特征

不同地區連翹的葉片特征,見表1。

表1 不同地區連翹的葉片表型特征Table 1 Leaf phenotypic characteristics of F. suspensa in different regions

3種連翹的葉片表型特征有明顯的區別,河北連翹葉片鋸齒大、小而狹長,顏色為暗綠色;山西連翹葉片鋸齒較小,顏色為淺綠色,呈卵形;河南連翹葉片鋸齒相對較小,顏色為暗濃綠色,葉片較大,呈橢圓形。

由表1可知,不同地區的連翹,其葉面積、葉長、葉寬均為：山西連翹>河南連翹>河北連翹。葉厚為：河南連翹>山西連翹>河北連翹。植物的葉面積是影響其光合能力的主要表型特征,山西連翹與河北連翹間具有顯著差異,山西連翹的葉面積大小為12.456 cm2,河北連翹為9.329 cm2,河南連翹的葉面積與其他2種連翹均無顯著差異,大小為11.152 cm2。

2.2 葉綠素含量

不同地區連翹的葉綠素含量,見表2。

表2 不同地區連翹的葉綠素含量Table 2 Chlorophyll content of F. suspensa in different regions

由表2可知,山西連翹的葉綠素a、葉綠素b以及總葉綠素含量均為最高,葉綠素a含量為1.230 mg/g,與其他2種連翹存在顯著性差異,其次為河北連翹1.081 mg/g,河南連翹1.031 mg/g,二者間不存在差異。而葉綠素b的含量由大到小為：山西連翹0.294 mg/g,河南連翹0.238 mg/g,河北連翹0.194 mg/g,山西連翹與河北連翹間存在顯著差異,二者與河南連翹均沒有差異?？側~綠素含量的大小排列與葉綠素a相同,最大值為山西連翹1.524 mg/g,河北連翹的含量為1.275 mg/g,河南連翹為1.269 mg/g。河北連翹葉綠素a/b的值為5.672,顯著高于其他2種連翹,河南連翹次之,為4.347,山西連翹的總葉綠素含量雖高,但其葉綠素a/b的值卻最低,為4.190。

2.3 葉綠素熒光參數

不同地區連翹的葉綠素熒光參數,見表3。

表3 不同地區連翹的葉綠素熒光參數Table 3 Chlorophyll fluorescence parameters of F. suspensa in different regions

由表3可知,3種連翹的葉綠素熒光參數均無顯著差異。初始熒光是PSⅡ反應中心處于完全開放時的熒光產量,與葉片葉綠素濃度有關,3種連翹的初始熒光數值大小排列與所測得的葉綠素a和總葉綠素含量相符,為：山西連翹>河北連翹>河南連翹。Fv/Fm是PSⅡ最大光化學量子產量,代表PSⅡ對光能的轉換效率,Fv/Fo表示光反應中心PSⅡ的潛在活性,3種連翹的2項比值均無差異。

2.4 光響應曲線

不同地區連翹的光響應曲線,見圖1。

圖1 不同地區連翹的光響應曲線Figure 1 Light response curves of Forsythia suspensa in different regions

由圖1可知,隨著光強的增強,3種連翹的凈光合速率均呈現不斷升高趨勢。河北連翹的凈光合速率范圍在-0.852～10.713 μmol/(m2·s),河南連翹在-0.998～7.440 μmol/(m2·s),山西連翹在-0.794～6.780 μmol/(m2·s),在光強不斷增加的過程中,河北連翹的凈光合速率始終顯著高于其他2種連翹。在光強為0～1 000 μmol/(m2·s)時,3種連翹的凈光合速率為：河北連翹>山西連翹>河南連翹,在光強為1 000～2 000 μmol/(m2·s)時,凈光合速率則為：河北連翹>河南連翹>山西連翹。

2.4.1 光響應曲線參數 利用SPSS 22.0軟件采用非直角雙曲線模型對光響應曲線進行擬合。不同地區連翹的光響應曲線擬合特征參數,見表4。

表4 不同地區連翹光響應曲線擬合特征參數Table 4 Fitting parameters of light response curves of F. suspensa in different regions

由表4可知,3種連翹的最大凈光合速率由大到小為：河北連翹>河南連翹>山西連翹,其中河北連翹的最大凈光合速率顯著高于其他2種連翹,為13.230 μmol/(m2·s),河南連翹為10.541 μmol/(m2·s),山西連翹為7.491 μmol/(m2·s)。3種連翹最大凈光合速率的計算值與實測值相近。最大凈光合速率可以反映出植物利用光合作用制造有機物的最大潛力,因此河北連翹對于光能的利用能力優于其他2種連翹。

在光強為0～200 μmol/(m2·s)時,對3種連翹的凈光合速率進行線性回歸,當光強為0 μmol/(m2·s)時,直線與y軸相交的點即為植物的暗呼吸速率。河南連翹的暗呼吸速率最高,為0.596 μmol/(m2·s);山西次之,為0.484 μmol/(m2·s);河北連翹的暗呼吸速率最低,為0.397 μmol/(m2·s)。

3種連翹的表觀量子效率具有顯著性差異,可以反映植物對弱光的利用能力,河北連翹最高,為0.082;山西連翹次之,為0.050;河南連翹最低,為0.042。

光飽和點是植物隨著光強的增加,其凈光合速率趨于不變時對應的光照強度,河北連翹與河南連翹的光飽和點均大于1 000 μmol/(m2·s),2種連翹的光飽和點不存在顯著差異,分別為1 490.00、1 449.33 μmol/(m2·s)。山西連翹光飽和點最小,與其他2種連翹存在顯著性差異,為656.00 μmol/(m2·s)。3種連翹的光飽和點擬合值的比較結果與實測值相符,但河北連翹與山西連翹的擬合光飽和點數值均小于實際觀測的光飽和點。在實際測量時,隨光強增加到2 000 μmol/(m2·s),河北連翹的凈光合速率一直呈現升高的趨勢,因此河北連翹的實際光飽和點在2 000 μmol/(m2·s)以上;河南連翹在實際測量中光強大于1 400 μmol/(m2·s)后凈光合速率趨于不變,到達光飽和點,與擬合的光飽和點相近;山西連翹在光強達到800 μmol/(m2·s)后凈光合速率呈現明顯下降趨勢,因此其實際光飽和點要大于擬合光飽和點656.00 μmol/(m2·s)。

光補償點為植物呼吸速率與光合速率相等時的光照度值,光補償點低說明植物對于弱光的利用能力強。3種連翹的光補償點存在顯著性差異,但均小于50 μmol/(m2·s),河南連翹的光補償點最高,為32.00 μmol/(m2·s),山西連翹為17.33 μmol/(m2·s),河北連翹最低,為12.00 μmol/(m2·s)。

2.4.2 光合參數隨光強變化趨勢 3種連翹的各個光合參數隨光照強度的變化趨勢,見圖2。

圖2 不同地區連翹光合參數變化Figure 2 Changes of photosynthetic parameters of F. suspensa in different regions

由圖2-(a)可知,3種連翹的胞間CO2濃度隨著光強的變化呈現先下降后緩慢上升的趨勢,在光強為0～500 μmol/(m2·s)時,胞間CO2濃度急速下降,這與植物開始進行光合作用有關,在光強為500～800 μmol/(m2·s)時,濃度到達最低點,后又逐漸升高。在不同光照強度下,3種連翹的胞間CO2濃度均表現為：河南連翹>山西連翹>河北連翹。

由圖2-(b)可知,3種連翹的蒸騰速率隨著光強的變化一直在升高,河北連翹的蒸騰速率值始終高于其他2種連翹,河南連翹的蒸騰速率在光強大于1 000 μmol/(m2·s)后高于山西連翹。對3種連翹的蒸騰速率變化進行線性回歸,得出回歸方程：河北連翹為y=0.001 1x+1.417 0(R2=0.986 7);河南連翹為y=0.001 1x+0.891 9(R2=0.988 9);山西連翹為y=0.000 5x+1.115 2(R2=0.920 2)。3種連翹的線性擬合值均大于0.9,河北連翹與河南連翹的增長速率相同,且為山西連翹增長速率的2倍多。

由圖2-(c)可知,3種連翹的氣孔導度變化為隨光強升高而增大,對3種連翹氣孔導度變化進行線性回歸,得出結果：河北連翹為y=6E-05x+0.088 4(R2=0.990 8);河南連翹為y=8E-05x+0.046(R2=0.978 3);山西連翹為y=3E-05x+0.071 4(R2=0.899 7)。河南連翹的增長速率大于其他2種連翹,在光強大于1 000 μmol/(m2·s)后增長趨勢更明顯,在光強大于1 500 μmol/(m2·s)后,河南連翹的氣孔導度最大,山西連翹的氣孔導度變化趨于平緩。

由圖2-(d)可知,3種連翹的水分利用效率變化趨勢為先升高后降低,均在光強為500 μmol/(m2·s)時達到最大值,分別為山西連翹3.844 μmol/mmol、河北連翹3.809 μmol/mmol、河南連翹3.553 μmol/mmol,河北連翹與山西連翹的水分利用效率相近,河南連翹的水分利用效率最低。

2.4.3 光合參數的相關性分析 各個光合參數間相關性分析,見表5。

表5 光響應曲線特征參數的相關關系Table 5 Correlation of characteristic parameters of light response curves

由表5可知,3種連翹各個光合參數間均達到極顯著相關,胞間CO2濃度與其他幾項參數呈極顯著負相關,凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度以及水分利用效率間互為正相關。凈光合速率與其他光合參數間相關系數均大于0.8,由大到小為：胞間CO2濃度(0.902)>蒸騰速率(0.893)>水分利用效率(0.879)>氣孔導度(0.839),此數項參數均是限制凈光合速率的主要因素。此外,胞間CO2濃度與水分利用效率、蒸騰速率與氣孔導度的相關系數接近于1,分別為0.997和0.980。

3 討論與結論

3.1 討論

海拔較高的山地具有低溫、低氣壓和強日照輻射等特點,在此環境下生長的植物會形成特殊的光合生理適應機制,包括形態結構與生理特性,因此植物葉片性狀由遺傳因素和環境條件共同決定[24-25]。有研究表明,葉面積與厚度相對較小的植物在高溫、干旱、高光和低養分的環境下較有優勢,3種連翹的葉面積大小為：山西連翹>河南連翹>河北連翹,葉片厚度沒有差異,因此河北連翹的葉片特征更適應于試驗地環境。

葉綠素含量也是決定光合作用大小的重要指標,山西連翹的總葉綠素含量最高,但在研究中山西連翹的光響應表現最差,其最大凈光合速率以及光飽和點均為3種連翹中最低,這與毛行簡、陶娟對連翹的研究結果相反[14,26]。這可能是因為,山西連翹的總葉綠素含量最高,葉綠素含量過高容易造成光抑制現象[27]。植物的葉綠素a主要吸收波長較長的紅光,陽生葉單位質量內葉綠素a/b值較陰生葉高,山西連翹的葉綠素a/b值最小,與其在高光強下光合作用受到抑制的表現一致,說明山西連翹不適于生長在光照較強的環境,而河北連翹的葉綠素a/b的值最高,是典型的陽生植物,在一定范圍內,光強越大,光合作用越強[28]。

葉綠素熒光技術是植物光合作用研究的有效探針,Fv/Fm反映了PSⅡ反應中心內光能轉換效率,也代表植物體對環境光照長期適應的結果[29-30]。3種連翹的Fv/Fm值沒有顯著差異,差值也非常小,與大多數植物相同,比值接近0.8[31]。

光強是影響植物葉片凈光合速率的主要因素,對光響應曲線的測定及擬合是植物光合生理領域的重要方向及手段,其擬合參數比某一時刻點的測定參數更適合預測植物的生長[32-34]。首先表觀量子效率可以反映植物對弱光的利用能力,其數值一般在0.04～0.07之間,河南連翹與山西連翹的值均在此范圍內,河北連翹的表觀量子效率最高[35]。光飽和點和光補償點是植物光合能力的重要體現,代表對不同光強的適應能力,光補償點與表觀量子效率一樣,都可以說明植物對弱光的利用能力,3種連翹中河北連翹的光補償點最低,表觀量子效率最高,對弱光的利用能力最強,其次為山西連翹與河南連翹[36]。光飽和點體現植物對強光的適應能力,3種連翹的光飽和點擬合值與實測值有所不同,但由大到小依舊為：河北連翹>河南連翹>山西連翹,河北連翹的實際光飽和點在2 000 μmol/(m2·s)以上,在今后的研究中,還需將光合有效輻射的變化范圍設置的更大。3種連翹的光補償點在10～35 μmol/(m2·s)之間,相對較低,河南連翹與河北連翹的光飽和點接近1 500 μmol/(m2·s),這種高光飽和點、低光補償點的特征代表2種連翹對不同程度的光照適應性強,具有較高的光合能力,這與王建華的研究結果相近[37]。山西連翹的光飽和點小于1 000 μmol/(m2·s),光飽和點于光補償點均較低,更適于在弱光環境下生長。河南連翹與河北連翹可利用的光能范圍較大,但是河南連翹的最大凈光合速率較河北連翹小。暗呼吸速率也是植物利用弱光能力的重要參數,代表無光條件下呼吸強度的大小,河北連翹的暗呼吸速率最小,在不同光強下的凈光合速率均大于其他2種連翹[38]。河南連翹的暗呼吸速率大于山西連翹,在光強增強初期,生理活動所消耗的物質能量較高,并且表觀量子效率小于山西連翹,光合作用較弱。因此,凈光合速率始終小于山西連翹。但隨著光強增大,河南連翹的氣孔導度、蒸騰速率逐漸增加,光合作用開始增強,凈光合速率在光照較強時高于山西連翹。

前人的研究對于凈光合速率和胞間CO2濃度的相關關系各有不同,但與蒸騰速率、氣孔導度均呈正向關系,3種連翹的凈光合速率除與胞間CO2濃度呈負相關外,與其余參數均為正相關,且均達到了極顯著水平,胞間CO2濃度是影響凈光合速率最顯著的因子,氣孔導度與蒸騰速率間存在極顯著正相關,且均與胞間CO2濃度成極顯著負相關,表明3種連翹光合作用容易受到非氣孔因素的限制,凈光合速率低是因為葉肉細胞光合活性弱[39-44]。蒸騰速率與氣孔導度是植物對水分利用情況的主要指標,蒸騰速率與氣孔導度的相關系數接近1,氣孔導度是影響蒸騰速率的主要因素,與司建華、羅永忠的研究結果一致,擁有高水分利用效率和低的蒸騰速率的植物對干旱環境的適應能力更強,山西連翹表現出高的水分利用效率和低的蒸騰速率,在較為干旱的山地對水分的要求相對較低[45-47]。

3.2 結論

(1)3種連翹的葉片表型特征存在差異,葉面積由大到小排列為：山西連翹(12.456 cm2)>河南連翹(11.152 cm2)>河北連翹(9.329 cm2),山西連翹的葉綠素a、葉綠素b的含量均大于其他2種連翹,分別為1.230、0.294 mg/g。河北連翹的葉綠素a/b的值最大,為5.672,山西連翹葉綠素a/b(4.190)最小,但總葉綠素的含量最高,在強光下光合作用容易受到抑制。3種連翹的葉綠素熒光參數沒有顯著差異。

(2)河北連翹的光飽和點、最大凈光合速率以及表觀量子效率均為最高,光補償點與暗呼吸速率最低,可利用的光合有效輻射范圍最廣,光合能力顯著優于其他2種連翹;河南連翹的光飽和點[1 449.33 μmol/(m2·s)]以及最大凈光合速率[10.541 μmol/(m2·s)]僅次于河北連翹,但其光補償點、暗呼吸速率最高,表觀量子效率最低,在弱光下,光合作用容易受到抑制;山西連翹可利用的光合有效輻射范圍最小,最大凈光合速率最低,為7.491 μmol/(m2·s),但山西連翹的表觀量子效率與暗呼吸速率僅次于河北連翹,對弱光的利用能力高于河南連翹。

(3)對光合參數進行相關性分析,只有胞間CO2濃度與其他參數成極顯著負相關,其余均為極顯著正相關。與凈光合速率相關系數最高的是胞間CO2濃度,為0.902,氣孔導度與蒸騰速率的相關系數為0.980。因此,凈光合速率升高時,胞間CO2濃度降低,氣孔導度與蒸騰速率也升高,表明影響3種連翹光合作用的為非氣孔因素,即受連翹葉肉細胞的光合活性大小影響,是植物本身的生理特性。

綜上所述,河北連翹所能適應的光照范圍最廣,屬陽生植物,光照強度越大,其光合作用越強;河南連翹在弱光下的氣孔導度較小,凈光合速率較低,適合栽植于光照條件良好的立地;山西連翹表現為陰生植物,對弱光的利用能力較好,適合栽植于林下或山地陰坡等光照較弱的立地。本研究只分析了3種連翹的光合特性,對其綜合的生理生態適應性評價還需在后續試驗中增加植物表觀特征、非生物脅迫抵抗能力、產量及果實品質等多方面內容。