石蒜属植物叶绿素荧光特性研究

全妙华， 贺安娜， 彭 红， 石 珍，潘 凤， 黄惠永

石蒜属（Lycoris Herb.）是石蒜科（Amaryllidaceae）中一个重要的属，为多年生草本植物，主产于中国和日本，全世界约20种，我国约16种[1].其鳞茎含有丰富的石蒜碱、加兰他敏等多种生物碱，尤其加兰他敏作为乙酰胆碱酯酶抑制剂用于治疗老年性痴呆症等疾病具有良好疗效，具有重要的药用价值[2，3].虽然加兰他敏等生物碱可以人工合成，但存在合成工艺复杂、成本高、品质差等问题.到目前为止，从天然石蒜属植物中分离提取仍然是获得加兰他敏等生物碱的主要途径[4].近年来，由于经济利益驱使，对野生石蒜属资源进行了过度的采挖，使石蒜资源处于濒危状态，深入开展石蒜属植物资源方面研究，可以促进其保护与合理利用.

光合作用是反映植物同化能力和研究不同植物类群生理生化特性差异的重要指标.叶绿素荧光主要反映光合作用在光反应阶段生理生化变化，内在地表征植物的环境适应机制.叶绿素荧光测定已成为快速获取有关植物光合作用定量与定性信息的一种十分有效的手段[5-7].近年来，有关石蒜属植物研究主要集中在生物进化、化学成分及药理药效等方面[8-13]，在光合生理方面开展了部分研究工作，如忽地笑、石蒜等物种的光合特性[14-16]、环境条件（如水分、土壤等）对忽地笑等物种的生理生化特性影响等[17-19]，但有关石蒜属植物的叶绿素荧光特性等相关研究报道较少.本研究通过对石蒜属植物的叶绿素荧光参数进行测定与比较，并且运用聚类分析方法，探讨其种间关系，为石蒜属分类及优异种质筛选提供参考依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料包括石蒜属15种和1个变种共16份材料（表1），其中石蒜和忽地笑两个物种采自湖南怀化，其它物种分别由南京中山植物园和杭州植物园提供；其染色体数引自相关文献[8，20].材料种植于怀化学院生物园，选用的土壤、光照、水肥管理等均保持一致，并且所有材料在该试验地引种栽培均在3年以上.

1.2 实验方法

2013 年 3 月，选晴朗天气，于上午 9：00～11：00，采用Li-6400光合系统测定仪（美国LI-COR公司）测定石蒜属植物各项荧光参数，主要包括初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）、PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）、光下开放的PSII反应中心的激发能捕获效率（Fv'/Fm'）、电子传递速率（ETR）、PSⅡ电子传递量子产率（ФPSⅡ）、光化学猝灭系数（qP）、非光化学猝灭系数（NPQ）等.其中 Fo、Fm、Fv/Fm测定前将叶片暗适应20 min.各项叶绿素荧光参数均重复测定3次.

表1 石蒜属植物材料的基本情况

1.3 数据统计与分析

测定数据采用Excel及SPSS统计软件进行相关性及聚类分析.

2 结果与分析

2.1 石蒜属植物的叶绿素荧光参数比较

由表2可知，在16个供试的石蒜属植物中，玫瑰石蒜、中国石蒜、稻草石蒜、乳白石蒜、陕西石蒜等物种的Fo、Fm均较高，红蓝石蒜、石蒜、忽地笑、江苏石蒜等的Fo、Fm均较低；陕西石蒜、长筒石蒜、香石蒜和玫瑰石蒜的Fo比红蓝石蒜（最低值）的分别高出38.94%、33.64%、31.40%和30.08%，说明这4个石蒜属物种具有较高的初始荧光量；陕西石蒜、稻草石蒜、玫瑰石蒜和乳白石蒜的Fm比江苏石蒜（最低值）的分别高出66.17%、59.91%、53.55%和52.60%，说明这4个物种的光系统PSⅡ电子传递状况比其它石蒜属物种更好.

安徽石蒜、短蕊石蒜、忽地笑和黄长筒石蒜等物种的Fv/Fm较高，比江苏石蒜（最低值）的分别高出14.66%、12.17%、12.03%和11.89%，提示这些石蒜属物种具有将光能更有效地转化为植物所需的化学能的能力.安徽石蒜、玫瑰石蒜和短蕊石蒜的Fv'/Fm'较高，比鹿葱（最低值）的分别高出50.66%、48.28%和45.89%，提示这些石蒜属物种具有更高的PSⅡ原初光能转化效率.

2.2 石蒜属植物的PSⅡ应用中心的光化学转化效率比较

由表3可知，不同石蒜属植物的ΦPSⅡ值具有明显差异，其中黄长筒石蒜、中国石蒜、玫瑰石蒜、安徽石蒜等具有较高ΦPSⅡ值，与忽地笑（最低值）相比，分别高出142.62%、140.16%、140.16%和131.97%；ETR经由ΦPSII推倒而来，其走势与ΦPSII值基本吻合，也是黄长筒石蒜、玫瑰石蒜、中国石蒜等物种的ETR值较高，表明这些石蒜属物种叶片具有较高的PSⅡ光能转化效率，能够为光合作用的暗反应的光合碳同化阶段积累更多的能量，有利于碳同化的高效运转和有机物的积累.

表2 石蒜属植物的直接荧光参数

表3 石蒜属植物的间接荧光参数

光化学猝灭系数qP，即PSⅡ天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额，反映PSⅡ所捕获的光量子转化为化学能的效率.由表3可知，石蒜属种间的qP值存在明显显著，其中忽地笑、长筒石蒜、乳白石蒜等物种的qP值较低，中国石蒜、黄长筒石蒜、陕西石蒜和玫瑰石蒜等的较高，说明这些石蒜属物种具有较强的光合电子传递能力，进而有利于光合产物积累.

非光化学淬灭系数NPQ反映了植物热耗散的能力的变化，热耗散有利于防御光抑制的破坏，对光合机构起到自我保护作用.由表3可知，石蒜属物种之间的NPQ值存在明显差异，其中忽地笑、安徽石蒜、石蒜、短蕊石蒜等物种的NPQ值较小，表明了它们的叶片通过热耗散的部分较少，提高了光化学猝灭能力，能充分利用所捕获的光能，有利于提高光合利用能力.

2.3 叶绿素荧光参数间的相关性

由表4可知，石蒜属植物的叶绿素荧光参数之间存在一定相关性，并且部分相关性达到显著或极显著水平.Fm与 Fo、Fv/Fm，ETR 与 Fv'/Fm'、ΦPSII、qP 之间正相关性均达极显著水平，说明石蒜属植物的叶绿素最大荧光（Fm）与PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）以及电子传递速率（ETR）与PSⅡ原初光能转化效率（Fv'/Fm'）、PSⅡ电子传递量子产率（ФPSⅡ）、光化学猝灭系数（qP）等因素之间存在极大关联.NPQ与Fv/Fm之间呈负极显著相关性；NPQ与 Fm、Fv'/Fm'之间呈负显著相关性；Fo与Fv/Fm、Fv'/Fm'，qP 与 Fv/Fm，NPQ与 ΦPSII、ETR 呈负相关性；其余参数之间呈正相关性.

2.4 基于叶绿素荧光参数的聚类结果

综合考虑 Fo、Fm、Fv/Fm、ФPSⅡ、qP 等叶绿素荧光参数，对16个石蒜属植物进行聚类分析.当欧式距离为15时，可将石蒜属植物聚为三类（如图1），即长筒石蒜、香石蒜、鹿葱、安徽石蒜、中国石蒜、短蕊石蒜和黄长筒石蒜共7个物种聚为一类；江苏石蒜、稻草石蒜、乳白石蒜、陕西石蒜、石蒜、玫瑰石蒜、红蓝石蒜和换锦花共8个物种聚为另一类；忽地笑单独聚为一类.

表4 叶绿素荧光参数之间的相关性

图1 基于叶绿素荧光参数的石蒜属植物聚类树状图

3 结论与讨论

植物叶绿素荧光与光合作用中各个反应过程紧密相关，是植物环境适应机制的内在表征.如Fm是PSⅡ反应中心处于完全关闭时的荧光产量，反映PSⅡ的电子传递状况[21]；Fv/Fm值的大小表示光系统PSⅡ光化学效率的大小[7]，ETR则反映实际光强下的表观电子传递速率，其值越高形成的活跃化学能越多，可为暗反应的光合碳同化积累更多能量，以促进碳同化的高效运转和有机物的积累[22，23]；qP直接反映植物光合效率和对光能的利用，该值较高有利于碳同化，提高植物的光合效率[24]，等等.本研究结果表明，石蒜属植物的荧光参数存在较大差异，其中玫瑰石蒜、中国石蒜、安徽石蒜等物种的Fm、ΦPSⅡ、ETR、Fv'/Fm'、qP值均较高，安徽石蒜、短蕊石蒜、忽地笑和黄长筒石蒜等物种的Fv/Fm较高等，说明这些物种的光系统Ⅱ（PSⅡ）的电子传递速率、光化学效率等光合生理特性较好，其光合效率和光合能力相对较高.对主要荧光参数综合分析可知，中国石蒜、安徽石蒜、玫瑰石蒜和忽地笑等在供试的石蒜属植物中具有较好的光合生理功能.

本研究表明，基于主要的叶绿素荧光参数可将供试的石蒜属植物聚为三类，即长筒石蒜、香石蒜、鹿葱、安徽石蒜、中国石蒜、短蕊石蒜和黄长筒石蒜聚为一类，该类群出叶期均为春季，其染色体数目多为16或27条，核型主要为6M+10T或6M+10T+11t；江苏石蒜、稻草石蒜、乳白石蒜、陕西石蒜、石蒜、玫瑰石蒜、红蓝石蒜和换锦花聚为一类，该类群出叶期绝大多数为秋季，其染色体数目多为22或19条，核型主要为22t或3M+5T+11t；忽地笑单独聚为一类，其染色体数目16条，核型6M+10T.从第一、二类聚类结果来看，其出叶期、染色体倍性及核型相近的物种基本聚为同一类，说明叶绿素荧光参数应用于石蒜属分类可靠性较好.该聚类结果除忽地笑、中国石蒜、短蕊石蒜等少数种类的分类地位存在一定分歧外，大多数石蒜属物种的分类位置与形态学[25]、叶绿体trn H-psb A[10]、atp B-rbc L[26]等序列分类结果基本一致；同时也进一步证实了袁菊红[9]认为玫瑰石蒜、红蓝石蒜、江苏石蒜、乳白石蒜、稻草石蒜的亲缘关系比较近的研究结论；并且支持了张露等[8]有关忽地笑在石蒜属的分类地位，认为忽地笑作为广布种，明显区别于其他种，单独聚在一起，与其他种的遗传距离大、亲缘关系远等研究结论.但忽地笑与中国石蒜、安徽石蒜、长筒石蒜的染色体数目及核型相同或相近，尤其与中国石蒜的花型、花色等性状极其相似，其分类位置不同或亲缘关系较远，还有待深入研究.

[1]钱啸虎，徐垠，胡之璧，等.中国植物志（第16卷第1分册）[M].北京：科学出版社，1985：16-27.

[2]季宇彬，辛国松，曲中原，等.石蒜属植物生物碱类化学成分和药理作用研究进展[J].中草药，2016，47（1）：157-163.

[3]王欢，王跃虎，陈丽娟，等.石蒜属植物生物碱成分研究进展[J].天然产物研究与开发，2012，24：691-697，701.

[4]邓传良，周坚.石蒜属植物生物碱研究概况[J].中国野生植物资源，2004，23（6）：13-14.

[5]Lima J.D.，Mosquim P.R.，Da Matta F.M.Leaf gas exchange and chlorophyll fluorescence parameters in Phaseolus vulgaris as affected by nitrogen and phosphorus deficiency[J].Photosynthetica，1999，37（1）：113-121.

[6]姚晓蕊，潘存德，李冬梅，等.11种人工栽培树木叶绿素荧光特征比较[J].干旱区研究，2009，26（4）：555-560.

[7]涂志华，卢仁锋，潘瑞，等.沿海沙地10个竹种叶绿素荧光特征比较[J].福建林学院学报，2012，32（2）：131-135.

[8]张露，蔡友铭，诸葛强，等.石蒜属种间亲缘关系RAPD分析[J].遗传学报，2002，29（10）：915-921.

[9]袁菊红.中国原产石蒜属植物的数量分类和主成分分析[J].亚热带植物科学，2010，39（3）：32-37．

[10]全妙华，欧立军，佘朝文，等.中国石蒜属种间关系的trn H-psb A 序列分析[J].园艺学报，2011，38（8）：1589-1594.

[11]姜小凤，高燕会，童再康，等.石蒜属植物SCo T-PCR反应体系构建及优化[J].浙江农林大学学报，2013，30（3）：444-452.

[12]Evidente A.，Kireev A.S.，Jenkins A.R.，et al.Biological evaluation of structurally diverse amaryllidaceae alkaloids and their synthetic derivatives：discovery of novel leads for anticancer drug design[J].Planta Med，2009，75（5）：501-507.

[13]Liu R.F.，Cao Z.F.，Tu J.，et al.Lycorine hydrochloride inhibits metastatic melanoma cell-dominant vasculogenic mimicry[J].Pigment Cell Melanoma Res，2012，25（5）：630-638.

[14]全妙华，陈东明，何吉.石蒜属植物忽地笑的光合特性研究[J].2010，23（3）：694-699.

[15]王婷.4种石蒜属植物光合特性的研究[D].南京：南京林业大学，2014，6：1-34.

[16]杨志玲，杨旭，谭梓峰，等.林药间作系统石蒜叶绿素及其荧光参数日变化特征 [J].江西农业大学学报，2011，33（2）：0322-0327.

[17]Xu，S.，Jiang M.，Fu J.，et al.Physiological and antioxidant parameters in Two Lycoris species as influenced by water deficit stress.HORTSCIENCE，2015，50（11）：1702-1708.

[18]Quan M.H.and Liang.J.Theinfluences of four types of soil on the growth，physiological and biochemical characteristics of Lycoris aurea（L’Her.）Herb[J].Sci.Rep.，2017，7：srep 43284.

[19]黎辉.施肥对石蒜叶片叶绿素荧光和生理特性的影响[D].南昌：江西农业大学，2014，6：1-35.

[20]赵天荣，施永泰，蔡建岗，等.石蒜属植物的研究进展[J].北方园艺，2008（4）：65-69.

[21]张守仁．叶绿素荧光动力学参数的意义及讨论[J].植物学通报，1999，16（4）：444-448．

[22]崔晓伟，高健，张志坚，等.5种地被竹叶绿素荧光特性研究[J].江西农业大学学报，2011，33（4）：0726-0730.

[23]张其德，蒋高明，朱新广，等.12个不同基因型冬小麦的光合能力[J].植物生态学报，2001，25（5）：532-536.

[24]赵明，丁在松，RIshhill，等.干旱和遮光条件下玉米非光化学荧光碎灭的变化和组成的研究[J].作物学报，2003，29（1）：59-62.

[25]邓传良.石蒜属植物系统学及长筒石蒜遗传多样性研究[D].南京：南京林业大学，2005，6：6-45.

[26]魏磊，庞磊，杨旭，等.基于叶绿体DNA atp B-rbc L区序列探讨石蒜属种间系统发育关系[J].热带亚热带植物学报，2013，21（2）：109-115.