4种苦苣苔科植物光合特性的比较

郑月萍，沈宗根，姜 波，姜 武，吕洪飞

(1.浙江师范大学化学与生命科学学院，浙江金华 321004;2.常熟理工学院生物与食品工程学院，江苏常熟 215500)

苦苣苔科(Gesneriaceae)属双子叶植物，是玄参目的重要类群，与玄参科的关系比较接近.苦苣苔科植物全世界有150属3 700余种，分布于亚洲东部和南部、非洲、欧洲南部、大洋洲至墨西哥的热带至温带地区，中国已知有58属463种［1-3］，其中27属375种为中国特有种，半数以上为狭域种.

苦苣苔科植物多数种类具有重要的观赏价值、药用价值和科研保护价值［1-2］.国内对苦苣苔科植物的研究基本上侧重于其科研价值，如植物区系地理分布、系统进化、植物分类学等.近年来对苦苣苔科植物的研究已逐渐从科研走向实用.该科植物许多种类在我国南方是传统的民间草药，为历代本草所记载，尤其在四川少数民族地区广泛使用.该科植物主要含黄酮类化合物，多具有清热、止咳平喘、活血、滋补的功能.另外，苦苣苔科植物因花繁色艳、叶片独特及株形紧凑而深受花卉爱好者的赏识，如苦苣苔亚科中著名的观赏植物非洲堇属Saintpaulia、芒毛苣苔属Aeschynanthus和大岩桐亚科的大研桐属Sinningia等.

值得一提的是，苦苣苔科植物具有非常特殊的生境，它们大多喜生于阴湿的山坡石缝中或岩洞附近，也有许多种类生长在条件恶劣的崖壁上，并且绝大多数种类具有极强的耐荫性，分布于背阴或散射光线处.在如此特殊的生境下生存，苦苣苔科植物肯定有其奇特的适应机制，其极强的耐荫性机理就是值得研究的内容之一.

另外，特殊的生态环境，极低的自然繁殖率，再加上人类无休止的采挖及自然生境的不断丧失，野生苦苣苔科植物愈来愈稀少，许多种类正处于濒危状态.

基于苦苣苔科植物的上述特征，迫切需要对苦苣苔科植物进行研究，对中国特有的濒危种类及具有园艺观赏和药用价值的种类进行开发和保护.引种栽培就是保护、利用苦苣苔科植物的必由之路.在苦苣苔科植物的栽培过程中，光照条件直接影响植株的生长速率和生长量，并进一步影响其生产周期和商品质量［4］.但是，以苦苣苔科植物为材料，对其生长栽培时所需光照条件的研究尚未见报道.光照条件是影响植物生长的重要因素之一，通过对植物的光合作用和叶绿素荧光特性的研究，可以很好地了解植物对光照条件的需求.本研究通过对4种苦苣苔科植物的光合作用和叶绿素荧光特性的测定，研究了不同苦苣苔科植物对光照条件的需求，从而为研究苦苣苔科植物对特殊生境的适应机理提供借鉴，同时也为苦苣苔科植物的合理栽培和养护管理提供理论参考.

1 材料与方法

1.1 供试植物

2008年8月从浙江省金华市九峰山采集了4种苦苣苔科植物:半蒴苣苔(Hemiboea henryi Clarke)、温州长蒴苣苔(Didymocarpus cortusifolius(Hance)W.T.Wang)、牛耳朵(Chirita eburnea Hance)和大花旋蒴苣苔(Boea clarkeana Hemsl.)，并将这4种苦苣苔科植物种植在装有泥炭、沙土和腐殖土混合物的花盆中，放于浙江师范大学温室内进行培养和驯化.温室内的日温控制在25～30℃.每天18:00进行灌溉，水分浸透土壤即可.

1.2 测定方法

用便捷式叶绿素计测定4种苦苣苔科植物叶片的叶绿素含量，找出最佳功能叶.然后，在晴天从07:00左右开始，采用GFS-3000光合作用仪和MINI-PAM叶绿素荧光仪，测定4种苦苣苔科植物最佳功能叶的光合参数和荧光参数.

1.2.1 光合速率日变化的测定

参见文献［5］.采用GFS-3000便携式光合作用仪，对4种苦苣苔科植物的光合速率日变化情况进行测定.选择晴朗无风、光照充足的一天，在室外自然光强下测定4种苦苣苔科植物的净光合速率(Pn)在一天中的变化情况.测定从07:00持续到18:00，每隔1 h对同一叶片测定1次，并同步测定光合有效辐射(PAR)、叶片表面温度(Tleaf)、空气相对湿度(Hr)、环境CO2浓度(Ca)、叶片与空气的水汽压亏缺(VPD)等相关参数.测定时选取充分展开的叶片，且每次测定时均需稳定约3 min后才能开始数据采集.

1.2.2 光响应曲线的测定

参见文献［6］.将CO2浓度设定为688 mg/m3，用光合系统的可调光源在0～1 400 μmol·m-2·s-1光强度下测定光响应曲线，回归法求得光饱和点和光补偿点.

1.2.3 CO2响应曲线的测定

参见文献［6］.用内置式可调CO2供气系统在设定光合有效辐射为600 μmol·m-2·s-1下测定CO2响应曲线，求得CO2饱和点和CO2补偿点.以上测定将叶温控制在28℃.

1.2.4 叶绿素荧光参数的测定

参见文献［5，7-8］.叶绿素荧光参数用脉冲调制荧光仪MINI-PAM进行测定.测定之前植株需经过30 min以上的暗适应，测定时记录表观电子传递速率(ETR)、PSⅡ的实际光化学量子产量(Yield)、光化学淬灭(qP)系数和非光化学淬灭(qN)系数.

1.3 数据分析

GFS-3000光合作用仪每次测定时记录5个数据，各项参数在3个植株上进行重复测定.所得数据首先用EXCEL软件进行初步处理，然后采用单因子方差分析，以95%可信度水平上的最小显著性差异为差异显著，用SPSS软件进行统计分析.

2 结 果

图1 4种苦苣苔科植物的净光合速率日变化曲线

2.1 4种苦苣苔科植物的净光合速率与生理生态因子的日变化

4种苦苣苔科植物的净光合速率日变化曲线都显示为不明显的双峰曲线，即具有“午休”现象，但日变化规律不尽相同(见图1).上午，随着光照强度增大、气温升高和相对湿度降低，植物酶系统充分活化，光合作用加快，半蒴苣苔、大花旋蒴苣苔、牛耳朵和温州长蒴苣苔分别在12:00，12:00，10:00和10:00出现第1个峰值;在13:00，13:00，11:00和13:00分别出现“午休”现象;之后，净光合速率又缓慢回升，半蒴苣苔、大花旋蒴苣苔和温州长蒴苣苔在16:00达到第2个峰值，而牛耳朵在17:00达到第2个峰值;然后，随着时间的推移，净光合速率持续下降直至某一值.

净光合速率与光照强度、温度、空气相对湿度和土壤湿度等环境因子密切相关［9］.图2显示了4种苦苣苔植物的5个生理生态因子在一天中的变化情况:光合有效辐射在中午12:00达到最大值，随后又逐渐下降;叶片表面温度先逐渐增加并在14:00达到最大值44.19℃，后逐渐下降;空气相对湿度在08:00和18:00具有最大值;叶片与空气的水汽压亏缺的变化趋势和叶片表面温度的变化趋势相似;而环境CO2浓度具有和空气相对湿度相同的变化趋势.

图2 4种苦苣苔科植物的生理生态因子日变化情况

对净光合速率和5个生理生态因子进行皮尔逊相关分析，以进一步分析4种苦苣苔科植物的净光合速率和生理生态因子之间的相互作用关系.皮尔逊相关分析结果(见表1)显示，半蒴苣苔和大花旋蒴苣苔的净光合速率和环境CO2浓度呈负相关.净光合速率较大时，叶片固定的CO2比较多，引起环境CO2浓度的降低;午间出现光合午休现象时，环境CO2浓度达到最低;之后，随着光照强度的减弱，4种苦苣苔科植物的光合作用强度降低而使环境CO2浓度逐渐回升.光合作用需要许多酶的参与，而酶的活性大小在一定的温度范围内和温度呈正相关.因此，叶片表面温度与半蒴苣苔及大花旋蒴苣苔的净光合速率之间存在极大的正相关性.同时，光合有效辐射与4种苦苣苔科植物的净光合速率之间没有显著相关性，这可能是因为光照强度通过其他的环境因子间接影响了4种苦苣苔科植物的净光合速率.

表1 4种苦苣苔科植物的净光合速率与生理生态因子之间的皮尔逊相关性分析结果

2.2 4种苦苣苔科植物的光响应曲线

光响应曲线(见图3)显示:4种苦苣苔科植物的净光合速率随着光合有效辐射的增加而迅速增加，光合有效辐射超过200 μmol·m-2·s-1后增加缓慢，至光合有效辐射为1 000 μmol·m-2·s-1时达到最大值，之后趋于稳定或略有下降.表2显示了半蒴苣苔、大花旋蒴苣苔、温州长蒴苣苔和牛耳朵的光补偿点分别为 48.73，13.66，6.64 和 63.47 μmol·m-2·s-1，而它们的光饱和点相近并明显低于一般植物.

图3 4种苦苣苔科植物的光响应曲线

表2 4种苦苣苔科植物的光补偿点、光饱和点、CO2补偿点和CO2饱和点

2.3 4种苦苣苔科植物的CO2响应曲线

CO2响应曲线(见图4)显示:4种苦苣苔科植物的净光合速率从负值开始增加，环境CO2浓度在295～786 mg/m3时增加速度较快，并达到最大值，之后略有下降.如表2所示:4种苦苣苔科植物的CO2补偿点均介于118～196 mg/m3;而 CO2饱和点高于1 277 mg/m3，大花旋蒴苣苔的CO2饱和点甚至达到了1 965 mg/m3.

2.4 4种苦苣苔科植物的叶绿素荧光参数

图4 4种苦苣苔科植物的CO2响应曲线

实际光化学量子产量表示PSⅡ的实际光化学效率，是PSⅡ所吸收的光量子中用于光化学反应的比例.此数值是一个表征植物光合作用能力高低的变量.从图5(a)可以看出:4种苦苣苔科植物的实际光化学量子产量的平均值大小为温州长蒴苣苔＞牛耳朵＞半蒴苣苔＞大花旋蒴苣苔，且都随着光合有效辐射的增加而下降.这说明:吸收相同光能后，温州长蒴苣苔将更多的光能用于光化学过程;同时，随着光合有效辐射的增加，4种苦苣苔科植物吸收的光能中用于光化学过程的比例下降.表观电子传递速率是反映实际光强条件下的表观电子传递效率的.表观电子传递速率随光合有效辐射的增加而变化的曲线如图5(b)所示，为一单峰曲线:在低光强下，4种苦苣苔科植物的表观电子传递速率无明显差异;当光强超过100 μmol·m-2·s-1时，随着光强的增加，4种苦苣苔科植物的表观电子传递速率都增加，且增加速度以温州长蒴苣苔显著大于牛耳朵和半蒴苣苔，更大于大花旋蒴苣苔，光饱和表观电子传递速率大小顺序是:温州长蒴苣苔＞牛耳朵＞半蒴苣苔＞大花旋蒴苣苔;当光强超过600～800 μmol·m-2·s-1后，4种苦苣苔科植物的表观电子传递速率随光强进一步增加而急剧下降.光化学淬灭反映了PSⅡ所捕获的光量子转化成化学能的效率，代表PSⅡ反应中心开放部分的比例，其值越高，表明PSⅡ反应中心原初电子受体QA库越大，PSⅡ反应中心开放的比例也越大，从而使天线色素所捕获的光能以更高的比例用于推动光合电子的传递，促进电子传递能力的提高.由图5(c)可知:4种苦苣苔科植物的光化学淬灭值相差不显著;且随着光合有效辐射的增加，4种苦苣苔科植物的光化学淬灭以大致相同的幅度下降.这表明随着光合有效辐射的增强，PSⅡ反应中心逐渐关闭.非光化学淬灭反映了PSⅡ天线色素吸收的光能以热的形式耗散的那部分光能，对光合机构起到一定的保护作用.非光化学淬灭值大，表示叶片通过热耗散的部分较多，从而阻碍植物利用所捕获的光能充分有效地用于光合作用.从图5(d)可看出，随着光合有效辐射从0 μmol·m-2·s-1增大到1 400 μmol·m-2·s-1，4种苦苣苔科植物的非光化学淬灭值也逐渐增加.4种苦苣苔科植物的非光化学淬灭平均值的大小顺序为:牛耳朵＞半蒴苣苔＞温州长蒴苣苔＞大花旋蒴苣苔，表明在强光下牛耳朵能够将更多的光能以热的形式耗散掉，从而不易发生光抑制.

图5 4种苦苣苔科植物的叶绿素荧光参数

3 讨论与小结

光合作用是植物生长发育的基础和生产力高低的决定性因素，同时又是一个对环境条件变化很敏感的生理过程［10］.4种苦苣苔科植物的净光合速率日变化曲线均为双峰曲线，具有“午休”现象.分析“午休”现象出现的原因:可能是实验测定期间金华地区较高的光辐射形成了光抑制;也可能是气温升高，空气相对湿度降低，暗呼吸和光呼吸速率的增加导致光合速率下降［11］;还有可能是由于光照强度的增加，其光合作用强度也增强，使环境CO2被迅速利用，但小环境内的CO2含量是有限的，从而使苦苣苔科植物的光合作用出现低谷，此时CO2成为小环境内苦苣苔科植物叶片进行光合作用的限制性因子.光合作用第2个峰值的出现，可能是随着光合作用的减弱和苦苣苔科植物的呼吸作用释放CO2或气流交换，使小环境内的CO2浓度又升高的缘故.环境CO2浓度的降低导致净光合速率降低的现象，也可以在一定程度上为设施栽培CO2施肥技术提供理论依据，即设施内增施CO2气肥可以提高叶片的光合作用速率和果实品质［12］.“午休”现象出现的另一种可能是，随着光照强度的增加，净光合速率也逐渐增大，需要较多的水分供应，植物通过关闭气孔来有效调节其蒸腾作用，减少水分的蒸腾，由于气孔的关闭使胞间CO2浓度下降，净光合速率也随之下降，因而出现“午休”现象.

净光合速率和5个生理生态因子之间的皮尔逊相关分析表明，各环境因子相互作用并对植物的净光合速率产生影响.因此，为了有效避免光合午休现象的发生，可以采取适度的遮荫，以降低叶片表面温度和叶片与空气的水汽压亏缺，增加空气相对湿度.与此同时，适当增加环境CO2浓度也能够提高4种苦苣苔科植物的净光合速率.

光饱和点与光补偿点可以作为植物需光特性的主要指标，用来衡量其需光量［13］.4种苦苣苔科植物具有较低的光补偿点和光饱和点，说明它们是耐阴植物，其生境中往往具有较低的光照强度.因此，在人工栽培过程中需要进行适度遮荫，以降低光照强度.

CO2是植物光合作用的主要原料之一，其含量多少直接影响到光合作用的进行［14-15］.CO2饱和点和补偿点是判断植物是否具有高光合效率遗传特性的一个重要指标［16］.4种苦苣苔科植物均具有较高的CO2饱和点和补偿点，说明它们具有较高的光合效率.在大棚栽培时可以适当提高环境中的CO2浓度.

通过叶绿素荧光特征的分析可获得植物对光能的利用情况［17］.对4种苦苣苔科植物的叶绿素荧光特征的分析可知，PSⅡ潜在活性和光能转化效率的高低顺序为温州长蒴苣苔＞牛耳朵＞半蒴苣苔＞大花旋蒴苣苔，顺序在前者可以形成更多的化学能(腺嘌呤核苷三磷酸和还原型辅酶Ⅱ)，为光合碳同化提供充分的能量和还原力，形成更多的光合产物，表现出更加良好的光合生理性能.高的非光化学荧光猝灭能力有利于光能的耗散，但降低了光化学猝灭能力，阻碍了植物高效地利用所捕获的光能及更有效地用于光合作用.牛耳朵和半蒴苣苔具有较高的非光化学猝灭值，说明牛耳朵和半蒴苣苔在逆境(如强光)条件下为避免过强光对光系统的损伤，光合系统运转受抑制.这符合植物光合机构的自我保护机制.因此，从光合生理角度出发，牛耳朵为开发引种的优选品种，不仅因其有特殊的观赏美感，而且具有较强的光能利用能力与适应能力.

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