马尾松不同产脂力无性系光合特性差异分析1)

魏永成 刘青华 周志春 丰忠平

(中国林业科学研究院亚热带林业研究所，富阳，311400) (浙江省淳安县姥山林场)

责任编辑:潘 华。

马尾松(Pinus massoniana Lamb.)是我国松属植物中分布最广的乡土树种，广泛分布于南方各省区，其生长快，适应性强，不仅是我国主要的针叶用材树种，而且也是我国最主要的采脂树种，约90%的松脂采自马尾松［1］，其中福建、广西、广东和湖南等为马尾松松脂的主产区。松脂含松节油和松香，是林化产业的主导产品之一，用途十分广阔，涉及国民经济许多部门，如用于香料、医药、机械、造纸、电子、油墨等行业，共有400 多种用途［2］。

已有研究表明，松树产脂力受中度至高度的遗传控制。如刘青华等［3］认为马尾松产脂力受中度遗传控制，其家系遗传力为0.42。Westbrook 等［4］基于火炬松(Pinus taeda Linn.)产脂力的研究发现其加性遗传力变化在0.12～0.30。因此，通过遗传改良可使松脂产量得到大幅提高。松脂为次生代谢产物，其来源于光合作用产物，是松树固定碳的一种方式，因此可认为光合作用是决定松脂生产力高低的重要生理过程［5］。研究表明，马尾松的光合作用能力因种源、家系和单株不同而异。如张如华等［6－7］研究认为马尾松不同种源在强光高温条件下光合能力差异显著，南带种源的光合能力要高于中带和北带的种源，而在家系间，速生优良家系则具有较高的光合速率和干物质积累量。然而有关马尾松光合作用能力与产脂力的研究报导较少。本文拟利用高产脂力和低产脂力马尾松无性系嫁接苗，研究和分析不同产脂力马尾松无性系的光合特性，旨在揭示光合作用对马尾松产脂力的影响，为高产脂力马尾松品种选育提供理论指导。

1 研究区概况

试验设置在浙江省淳安县姥山林场马尾松嫁接苗圃地。嫁接苗接穗来源于福建省国有来舟林业试验场的8年生马尾松种子园高产脂无性系自由授粉家系测定林。2011年对该测定林中植株(遭受损伤和病虫害的植株除外)进行采脂试验，确定各家系中各单株的产脂力。2012年5月选择产脂力及生长兼优的优株采穗，同时选择2 个产脂力较低的单株采穗以作为对照(表1)。将穗条嫁接于浙江省淳安县姥山林场苗圃地。嫁接采用髓心形成层对接法培育嫁接苗，界面在2年生砧木茎10 cm 高处。该苗圃地位于浙江省淳安县千岛湖东南湖区(119°02'E，29°33'N)，海拔约为150 m，年平均气温17.0 ℃，年日照总时间1 951 h，年平均降水量1 430 mm，无霜期263 d，坡度20°～30°，山地黄壤。

表1 马尾松优树生长情况及产脂力

2 研究方法

鉴于7—8月份是马尾松产脂盛期，本试验选在2013年7月底8月初利用LI－6400 便携式光合测定系统，采用透明狭长针叶叶室，在晴朗的天气条件下进行净光合速率及相关参数的测定。试验中每天温度保持在25～38 ℃，光照强度在早—中—晚3 个时间段呈现“低—高—低”的变化趋势，最高约为1 500 μmol·m－2·s－1。测定材料包括29#、30#、422#和52#4 个高产脂力无性系，及10#和19#2 个低产脂力无性系，其母株8年生时生长和产脂力情况见表1。其中每无性系选取10 个分株，每株测量3 次。每次测量记录10 个值，取其平均值。具体测量过程为:

(1)2013年7月25—27日进行光合指标日进程的测定，测定时间07:00—18:00，时间间隔根据早—中—晚的顺序采用“2h—1h—2h”的梯度进行。系统自动记录净光合速率、光合有效辐射、胞间CO2摩尔分数、蒸腾速率和气孔导度等参数，并利用净光合速率与光合有效辐射的比值计算光能利用效率［8］，利用净光合速率与蒸腾速率的比值计算瞬间水分利用效率［9］。

(2)2013年7月28—31日的上午08:00—11:00进行光合—光强响应曲线测定。采用光合仪自带红蓝光源，光照强度在0～2 000 μmol·m－2·s－1范围内设定16 个梯度，从高到低依次为2 000、1 800、1 500、1 300、1 200、1 000、800、600、500、400、200、150、1 和0 μmol·m－2·s－1。测量前先进行光诱导30 min，将CO2摩尔分数控制在350 μmol·mol－1，叶室温度30 ℃，相对湿度60%，然后通过系统自动测量程序测定相应的净光合速率。

(3)在2013年8月1—4日上午8:00—11:00测定光合—CO2响应曲线。采用光合仪自带红蓝光源，并加CO2钢瓶以控制CO2摩尔分数。CO2摩尔分数设定16 个梯度，设置顺序为400、350、300、250、200、180、150、120、100、50、400、600、800、1 000、1 200 和1 500 μmol·mol－1，调节光合有效辐射为1 200 μmol·m－2·s－1，叶室温度为30 ℃，相对湿度60%，通过系统自动测量程序测定相应的净光合速率。

采用SPSS18 以及Excel2007 对试验数据进行分析和响应曲线的拟合。拟合模型选用非直角双曲线即Farquhar 模型［10］:

进行光合—光强响应曲线拟合时，Pn为净光合速率，Pnmax为最大净光合速率，Φ 为光响应曲线的初始斜率，即表观光合量子效率，I 为光合有效辐射，K为曲角，描述的是响应曲线的弯曲程度，Rd为暗呼吸速率。光合有效辐射在0～200 μmol·m－2·s－1的净光合速率观测值近似一条直线，利用直线拟合求出光补偿点和光饱和点［11］。

进行光合—CO2响应曲线拟合时，Pn为净光合速率，Pnmax为最大净光合速率，Φ 为CO2响应曲线的初始斜率，即羧化效率，I 为CO2摩尔分数，Rd为光呼吸速率。利用直线拟合计算出CO2补偿点和CO2饱和点［11］。

3 结果与分析

3.1 马尾松不同产脂力无性系光合生理特征的日变化

净光合速率测定(图1a)结果表明:高产脂力和低产脂力无性系净光合速率的日变化皆呈单峰曲线，峰值出现在09:00—11:00，没有明显的双峰特征，即不存在“光合午休”现象。从变化趋势来看，净光合速率在早晨随着光合有效辐射的增加迅速提高，在11:00—16:00 时受到强光抑制而逐渐降低，16:00—18:00 时，净光合速率急剧下降。与低产脂力无性系相比，高产脂力无性系全天的净光合速率较高，最高可达9.81 μmol·m－2·s－1，约为低产脂无性系的1.29 倍。高产脂力无性系净光合速率的日均值为5.57 μmol·m－2·s－1，为低产脂力无性系的1.22 倍，意味着较高的净光合速率有利于松脂的大量分泌。在图1b 中，各无性系胞间CO2摩尔分数的日变化皆呈“V”型曲线，这主要是由于光合作用不断增强，CO2消耗增加，胞间CO2摩尔分数降低，下午净光合速率明显降低后，胞间CO2摩尔分数又逐渐上升。其中高产脂力无性系的胞间CO2摩尔分数一直较低，表明其CO2利用率高，有机物合成较多。

高产脂力和低产脂力无性系蒸腾速率的日变化呈双峰现象(图1c)。双峰曲线中各无性系第一个峰值在09:00—11:00，第二个峰值出现在13:00，说明马尾松各无性系在中午的强光高温作用下蒸腾作用加强。16:00 之后，蒸腾速率迅速降低，这是由于光合有效辐射减小、温度下降及光合生理减弱之故。总体来看，低产脂力无性系蒸腾速率高于高产脂力无性系，表明高的蒸腾速率不利于松脂的分泌。不同产脂力马尾松的气孔导度测定结果显示，各无性系气孔导度日变化也呈双峰曲线(图1d)，在09:00—11:00 达到第一个峰值，有利于光合作用的高效进行，在13:00 左右则达到第二个峰值，随后气孔导度迅速降低。

图1e 表明，高产脂力和低产脂力无性系的光能利用率在07:00 时的均值分别为1.39 和0.86 mmol·mol－1，随后光能利用效率持续下降，15:00 时高产脂力无性系达到最低值0.36 mmol·mol－1，然后呈现上升趋势，而低产脂力无性系则一直呈降低趋势。整个变化过程中，高产脂力无性系的光能利用效率均高于低产脂力无性系，说明其利用强光和弱光的能力均高于低产脂力无性系。植物水分利用效率是指净光合速率与蒸腾速率之比，是一个较为稳定的衡量光合作用与水分消耗关系的指标［12］。高产脂力无性系的平均水分利用效率较高，为3.06 nmol·mol－1，约为低产脂力无性系的1.69 倍。

图1 不同产脂力无性系光合生理特征的日变化

3.2 马尾松不同产脂力无性系光合—光强响应特征分析

作为光合作用的基本条件之一，光照强度对植物的光合作用影响十分显著。由图2可知，当光合有效辐射(光合有效辐射)在0～300 μmol·m－2·s－1左右时，马尾松不同产脂力无性系的净光合速率几乎均呈线性增长。随着光合有效辐射的持续增加，马尾松净光合速率的增长速度变缓，出现光饱和现象。但是当光合有效辐射继续增大时，植株的净光合速率下降，该现象是植物在强光照射下自身防御反应使然。

图2 马尾松不同产脂力无性系光合—光响应曲线

在低光合有效辐射条件下，各无性系的净光合速率相近，但随着光合有效辐射的增加，不同无性系的净光合速率开始出现显著差异(表2)。高产脂力无性系在不同的光合有效辐射下净光合速率均大于低产脂力无性系，尤其达到光饱和点后，高产脂力无性系的平均净光合速率达到4.71 μmol·m－2·s－1，约为低产脂力无性系的3 倍。这说明高产脂力无性系对不同光照环境适应性较强，为较高的次生代谢物质积累奠定良好的生理基础。

表2 不同光合有效辐射下马尾松产脂力方差分析

结合Farquhar 模型和直线回归方程，可以得到各无性系的最大净光合速率、光呼吸速率、光饱和点、光补偿点和表观光合量子效率等相关光合参数，结果见表3。不同产脂力无性系之间各指标差异显著，如高产脂力无性系30#的最大净光合速率达到7.575 μmol·m－2·s－1，是低产脂力无性系10#的2.28 倍，说明高产脂力无性系对光的利用能力强。表观光合量子效率反映了植物对光能的转化利用效率，光饱和点反映了植物对强光利用能力的大小，而光补偿点则表征植物利用弱光的能力大小。具有较高的光饱和点，同时具有较低的光补偿点的植物，对光的生态适应能力也较强。马尾松高产脂力无性系的表观光合量子效率均值为低产脂无性系的2.41倍，光饱和点最高达1 200 μmol·m－2·s－1，光补偿点最低至45 μmol·m－2·s－1，说明高产脂力无性系利用强光和弱光的能力均比低产脂力无性系强，可以在较强的光照下进行高效的光合作用，也可以利用弱光进行物质积累。

3.3 马尾松不同产脂力无性系光合—CO2 响应特征分析

由马尾松无性系光合—CO2响应曲线(图3)可以看出，不同产脂力无性系在不同CO2浓度下，净光合速率变化与光强—光合响应曲线变化趋势基本一致。当CO2摩尔分数处于0～400 μmol·mol－1时，各无性系的净光合速率均呈线性增长趋势。CO2摩尔分数超过400 μmol·mol－1之后，净光合速率增速逐渐变缓，CO2摩尔分数超过800 μmol·mol－1之后，净光合速率趋于稳定甚至略有下降，说明增加CO2摩尔分数能够促进植物的光合作用，但过高的CO2摩尔分数则产生抑制作用。不同CO2摩尔分数下，高产脂力无性系净光合速率均大于低产脂力无性系。高产脂力无性系在CO2摩尔分数较低时净光合速率也维持在较高的水平，达到CO2饱和点后，净光合速率相对较高，均值达到7.99 μmol·mol－1，说明其对CO2环境适应性强，可以维持较高的光合作用水平，为松脂的大量分泌奠定生理基础。而2 个低产脂力无性系平均净光合速率较低，仅为4.17 μmol·m－2·s－1，说明其对CO2的利用能力相对较弱，次生代谢物合成量也较低。

表3 马尾松不同产脂力无性系光合—光响应曲线参数

图3 马尾松不同产脂力无性系光合—CO2 响应曲线

结合Farquhar 模型和直线回归方程，计算出各无性系的最大净光合速率、光呼吸速率、CO2饱和点、CO2补偿点和羧化效率等相关光合参数，结果见表4。高产脂力无性系最大净光合速率是低产脂力无性系的1.18 倍，同时其光呼吸速率(Rd)较低产脂力无性系低19.72%，有利于光合作用有机物的积累。高产脂力无性系的羧化效率也较高，为低产脂力无性系的1.8 倍，说明马尾松高产脂力无性系在CO2的转化效率上占有优势。不同产脂力无性系的CO2饱和点和CO2补偿点均值相近，差异不显著。

表4 马尾松不同产脂力无性系CO2 响应曲线参数

4 结论与讨论

植物体内次生代谢物质积累与光合作用密切相关。光合速率日变化及净光合速率对光照和CO2的响应，可以反映植物对外界环境变化的适应性以及对不同光照强度和CO2摩尔分数的利用效率等［13－14］。净光合速率日变化结果表明，马尾松高产脂力无性系的净光合速率一直保持在相对较高的水平，植物体内有机物质合成速率相对较大。马尾松不同产脂力无性系的净光合速率日变化呈单峰曲线，峰值出现在09:00—11:00，这与刘欣欣等［15］的结果基本一致。但也有研究发现，1年生马尾松幼苗在9月净光合速率日变化呈双峰曲线，有明显的“光合午休”现象［6］。根据祝志勇确定的马尾松全年产脂量较高的时间［16］，本试验时间为7月底8月初，其时温度较高(日最高温度37 ℃左右)，中午在强光、高温影响下，大气相对湿度、胞间CO2摩尔分数等出现不同程度的降低，导致净光合速率迅速下降。马尾松各无性系在中午的强光高温作用下蒸腾作用加强，其中低产脂力无性系的蒸腾速率较高，植物体内水分大量散失，不利于光合产物的积累和松脂的分泌。高产脂力无性系的光能利用效率和水分利用效率均比低产脂力无性系高，说明马尾松低产脂力无性系的产脂力更易受到光照和水分等因素影响。

马尾松高产脂力无性系在不同光强、不同CO2摩尔分数下光合作用均高于低产脂力无性系。由光合—光照强度响应特征和光合—CO2摩尔分数响应特征发现，马尾松高产脂力无性系净光合速率一直保持优势地位，远高于低产脂力无性系，且具有很高的光饱和点和较低的光补偿点，说明高产脂力无性系对强光和弱光的环境均能适应，始终保持较高的净光合速率，这与张如华［7］的研究结论相符。马尾松高产脂力无性系的光呼吸速率较低，有机物消耗相对较少，同时羧化效率较高，表明高产脂力无性系具有较高的CO2转化效率。综上所述，马尾松不同无性系的光合特性存在显著的差异，这种差异应与其产脂力密切相关。马尾松高产脂力无性系的光合能力远强于低产脂力无性系，高产脂力无性系在强光条件下也可以保持高效的光合能力，具有较强的环境适应能力。

［1］ 李爱民，全妙华，牛友芽，等.马尾松松脂产量影响因素研究进展［J］.湖南林业科技，2008，35(1):58 －59.

［2］ Lee H J，Ravn M M，Coates R M.Synthesis and characterization of abietadiene，levopimaradiene，palustradiene，and neoabietadiene:hydrocarbon precursors of the abietane diterpene resin acids［J］.Tetrahedron，2001，57(29):6155 －6177.

［3］ 刘青华，周志春，范辉华，等.马尾松产脂力与生长性状的家系变异及优良家系早期选择［J］.林业科学研究，2013，26(6):686 －691.

［4］ Westbrook J W，Resende M F Jr，Munoz P，et al.Association genetics of oleoresin flow in loblolly pine:discovering genes and predicting phenotype for improved resistance to bark beetles and bioenergy potential［J］.New Phytol，2013，199(1):89 －100.

［5］ 杨章旗.马尾松材性与产脂性状遗传改良研究［D］.北京:北京林业大学，2012.

［6］ 张如华，陈天华，王章荣.马尾松不同家系光合特性的研究［J］.江苏林业科技，1999，26(3):5 －13.

［7］ 张如华.马尾松不同种源光合特性研究［J］.安徽农业科学，2006，34(19):4921 －4922.

［8］ 马成仓，高玉葆，王金龙，等.内蒙古高原甘蒙锦鸡儿光合作用和水分代谢的生态适应性研究［J］.植物生态学报，2004，28(3):306 －311.

［9］ 郑淑霞，上官周平.8 种阔叶树种叶片气体交换特征和叶绿素荧光特性比较［J］.生态学报，2006，26(4):1080 －1087.

［10］ Farquhar G D，Caemmerer S，Berry J A.A biochemical model of photosynthetic CO2assimilation in leaves of C3 species［J］.Planta，1980，149(1):78 －90.

［11］ 黄秦军，黄国伟，丁昌俊，等.美洲黑杨杂种不同生长势无性系光合特性［J］.林业科学，2013，49(3):56 －62.

［12］ 张向峰，王玉杰，王云琦.水分胁迫对马尾松光合特性的影响［J］.中南林业科技大学学报，2012，32(7):58 －63.

［13］ Gu L，Pallardy S G，Tu K，et al.Reliable estimation of biochemical parameters from C3 leaf photosynthesis intercellular carbon dioxide response curves［J］.Plant，Cell Environment，2010，33(11):1852 －1874.

［14］ Lestari R，Rbert G，Huyskens-Keil S.The effect of light and water supply on growth，net CO2assimilation rate and mineral content of Salsk (Salacca zalacca (Gaertn.)Voss)seedlings［J］.International Journal of Biology，2011，3(3):94 －104.

［15］ 刘欣欣，张明如，温国胜，等.浙江省常见15 个树种的光合特性［J］.浙江农林大学学报，2012，29(2):173 －179.

［16］ 祝志勇，于建云.生态因子对马尾松产脂的影响初探［J］.华东森林经理，2002，16(3):35 －37.