凹叶厚朴和无患子光响应特征与叶绿素荧光参数的比较

赖金莉, 陈剑成, 陈凌艳, 荣俊冬, 何天友, 郑郁善,

(1.福建农林大学园林学院；2.福建农林大学林学院，福建 福州 350002)

近年来随着社会经济的发展，城市的发展越来越快，园林绿地的面积却越来越少.城市中弱光环境限制了很多植物的生长，由此园林植物配置的合理性显得尤其重要，比如选择一些适应弱光环境生长的园林植物.植物光合作用受到自身特性和外界环境的影响[1]，因此植物光合生理特征研究可以揭示不同植物对其生存环境的生态适应性机制[2].净光合速率(Pn)和叶绿素荧光作为评价植物耐荫性的重要生理指标，对于揭示植物耐荫性及其机理具有重要作用[3-5].

凹叶厚朴(Magnoliaofficinalissubsp.Biloba)为木兰科(Magnoliaceae)木兰属(Magnolia)的落叶乔木，是厚朴(Magnoliaofficinalis)的亚种，其优美的叶形使其有着重要的园林观赏价值[6,7].目前对其研究主要集中在种质资源、栽培技术、现代育苗技术、苗期生长规律及药理作用等方面，而光合生理方面的研究较少见.无患子(Sapindusmukorossi)隶属无患子科(Sapindaceae)无患子属(Sapindus)的落叶大乔木，树形高大通直，树冠广展，绿荫稠密，秋叶金黄，宜作为庭荫树及行道树，具有很好的观赏价值[8].目前对无患子光合生理的报道也较少.凹叶厚朴和无患子作为重要的园林观赏植物，对其光合生理特性的比较研究还未见报道.本研究比较了凹叶厚朴和无患子的光合光响应与叶绿素荧光特性，旨在探讨两者对光能的利用能力、树种耐荫性以及对环境的适应能力，为两树种在园林上的应用提供参考.

1　材料与方法

1.1　试验材料

试验地设在福建农林大学工业原料林研究所(119°23′E，26°10′N)苗圃试验基地内.试验地属典型的亚热带季风气候，四季常青，阳光充足，雨量充沛，霜少无雪，夏长冬短，温暖湿润，无霜期达326 d，年平均日照数1 700～1 980 h，年平均降水量900～2 100 mm，年平均气温20～25 ℃，适合大部分植物生长.供试材料为凹叶厚朴和无患子2年生实生苗，分别选取5株长势较好的植株作为研究对象，每株选取中上部长势优良的叶片3～5片，每个叶片重复3次，测定结果取平均值.试验于2016年8月天气晴朗的上午(8:00—11:30)进行.

1.2　试验方法

1.2.1光合光响应的测定采用LI-6400便携式光合作用测定系统(Li-cor 6400, USA).通过预实验确定凹叶厚朴和无患子的光饱和点，每次测定前将待测叶片在光饱和点处的光强下诱导30 min，再利用Li-6400-02B LED红蓝光源提供不同强度的光合有效辐射(PAR)，PAR设定为1 800、1 600、1 200、800、600、400、200、150、100、50、0 μmol·m-2·s-1.用CO2钢瓶将参比室的CO2浓度稳定在(400±0.5) μmol·mol-1，气体流速设为(500±0.5) mmol·s-1，每次改变光强后最少稳定时间设为180 s，最多稳定时间设为300 s.测定的参数有Pn、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)，并计算植物水分利用效率(WUE)和气孔限制值(Ls).

1.2.2叶绿素荧光参数的测定采用OPTI-Sciences OS5P便携式脉冲调制叶绿素荧光仪.选取植株中上部受光均匀的成熟叶3～5片，挂牌标记.每个叶片暗适应25 min后，先测定吸光系数(Abs)，照射测量光(0.5 μmol·m-2·s-1)，测定初始荧光(Fo)，再照射饱和脉冲光(2 500 μmol·m-2·s-1)，测定最大荧光(Fm).充分暗适应的PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ实际光化学量子产量(ΦPSⅡ)、表观光合电子传递速率(ETR)和非光化学猝灭系数(qN)均由仪器自动给出.

1.2.3数据分析利用Excel 2003对试验数据进行整理和作图，采用SPSS 19.0软件对数据进行统计处理和分析，采用叶子飘等[9,10]的直角双曲线修正模型对植物的光响应特征参数进行拟合，模型表示如下：

式中，I为光合有效辐射，Pn为净光合速率，α是光响应曲线的初始斜率，β为修正系数，γ为一个与光强无关的系数，Rd为暗呼吸速率.

2　结果与分析

2.1　光响应特征

光响应曲线反映了植物的光合速率随PAR的变化规律.如图1所示，凹叶厚朴和无患子的光响应曲线都存在“快速响应阶段”和“平稳阶段”2个阶段，第一阶段即“快速响应阶段”：PAR≤200 μmol·m-2·s-1时，随着PAR的增大，两种植物的Pn快速增加.第二阶段即“平稳阶段”：PAR>200 μmol·m-2·s-1时，随着PAR的增大，两种植物的Pn增幅逐渐变小，直到曲线与X轴平行，凹叶厚朴甚至有下降的趋势.当PAR>100 μmol·m-2·s-1时，在相同的PAR条件下，无患子的Pn明显大于凹叶厚朴，由此可以推测在相同的光照条件下，无患子的光能利用效率远大于凹叶厚朴.

通过光合—光响应曲线得到的生理参数是植物生理生态学研究的基础[11]，可以反映不同植物对环境的适应性[12].凹叶厚朴和无患子的光响应特征参数(表1)显示，无患子的最大净光合速率(Amax)、表观量子效率(AQY)、光补偿点(LCP)、光饱和点(LSP)和暗呼吸速率(Rd)5个特征参数都高于凹叶厚朴，两树种的Amax、AQY、LCP、Rd均无显著差异(P>0.05)，而两者光饱和点存在显著差异(P<0.05).光补偿点反映了植物对弱光的适应能力，光饱和点反映了植物对强光的适应能力[13].由此可见，无患子具有较高的光合潜力，且无患子对光的适应范围大于凹叶厚朴.利用直角双曲线修正模型拟合光曲线效果较好，凹叶厚朴和无患子的R2分别为0.979和0.991.

图1　凹叶厚朴和无患子的光响应曲线Fig.1　Light response curves of M.officinalis subsp. Biloba and S.mukorossi

树种Amaxμmol·m-2·s-1AQYLCPμmol·m-2·s-1LSPμmol·m-2·s-1Rdμmol·m-2·s-1R2凹叶厚朴5.389±0.009a0.031±0.003a25.078±0.412a858.732±15.964b1.796±0.076a0.979无患子 11.242±0.101a0.046±0.003a25.341±1.264a1530.410±133.328a2.078±0.159a0.991

1)不同小写字母者表示差异显著(P<0.05)，相同字母表示差异不显著(P>0.05).

2.2　光合气体交换参数

由图2～6可以看出，无患子的Gs、Ci和Tr均大于凹叶厚朴，Ls和WUE均低于凹叶厚朴.凹叶厚朴的Gs和Tr的变化趋势是一致的，无患子的Gs和Tr的变化趋势也是一致的.

凹叶厚朴的Gs和Tr都是随PAR的增大而增大，最终达到最大值，在PAR≥1 200 μmol·m-2·s-1时呈现出下降的趋势.无患子的Gs和Tr在0≤PAR≤50 μmol·m-2·s-1时呈下降趋势，并在PAR为50 μmol·m-2·s-1时达到最低点;PAR>50 μmol·m-2·s-1时无患子的Gs和Tr随着PAR的增大而增大.凹叶厚朴和无患子的的Ci都是随着PAR的增加呈现下降的趋势，当PAR<50 μmol·m-2·s-1时，两树种的Ci急剧下降，随着PAR的继续增大，Ci下降的速度逐渐变慢，直到基本与X轴平行，甚至略有上升的趋势；凹叶厚朴和无患子的Ls都是随着PAR的增大而增大，在PAR≤200 μmol·m-2·s-1时，Ls急剧增加，之后增幅逐渐变小；凹叶厚朴和无患子的WUE都是随着PAR的增大先急速上升,后缓慢下降.

图2　凹叶厚朴和无患子Gs对光强的响应Fig.2　Response of Gs to PAR in leaves of M.officinalis subsp. Biloba and S.mukorossi

图3　凹叶厚朴和无患子Ci对光强的响应Fig.3　Response of Ci to PAR in leaves of M.officinalis subsp. Biloba and S.mukorossi

图4　凹叶厚朴和无患子Tr对光强的响应Fig.4　Response of Tr to PAR in leaves of M.officinalis subsp. Biloba and S.mukorossi

图5　凹叶厚朴和无患子的WUE对光强的响应Fig.5　Response of WUE to PAR in leaves of M.officinalis subsp. Biloba and S.mukorossi

图6　凹叶厚朴和无患子的Ls对光强的响应Fig.6　Response of Ls to PAR in leaves of M.officinalis subsp. Biloba and S.mukorossi

2.3　叶绿素荧光参数

叶绿素荧光的特征参数可以反映植物叶片的光合作用机理及其与环境之间的关系.如表2所示，凹叶厚朴和无患子的Fo和Fm之间的差异显著(P<0.05).凹叶厚朴和无患子的Fv/Fm存在显著的差异性(P<0.05)，无患子的Fv/Fm比凹叶厚朴高约3.4%，说明凹叶厚朴发生光抑制的可能性大于无患子[14,15].凹叶厚朴和无患子的ΦPSⅡ存在显著的差异性(P<0.05)，无患子的ΦPSⅡ比凹叶厚朴的高44%，由此说明无患子的光合作用电子传递速率和原初光能捕获效率比凹叶厚朴高.无患子的ETR(19.628±0.025)比凹叶厚朴的ETR(13.628±0.862)提高了44%，说明无患子在实际光强下ETR大于凹叶厚朴[16].光化学猝灭系数(qP)反映了PSⅡ反应中心的开放程度和PSⅡ原初电子受体QA的还原状态，qP越高，PSⅡ反应中心电子传递活性越大[14]；qN是一种自我保护机制，可以耗散反应中心天线色素吸收的过量的光能，从而对光合机构起一定的保护作用[14].与凹叶厚朴相比(表2)，无患子的qP较高，说明无患子PSⅡ反应中心的开放程度和PSⅡ反应中心电子传递活性较大.凹叶厚朴的qN显著大于无患子，说明凹叶厚朴耗散反应中心天线色素吸收过量光能的能力更强，即对光合机构的保护能力更强.

表2　凹叶厚朴与无患子各叶绿素荧光参数的比较1) Table 2　Comparison on chlorophyll fluorescence parameters between M.officinalis subsp. Biloba and S.mukorossi

1)不同小写字母者表示差异显著(P<0.05)，相同字母表示差异不显著(P>0.05).

3　讨论

外界环境条件和内部因素共同制约着植物的光合作用，其中光照是植物进行光合作用不可或缺的因素[17].一般来说，植物在生长良好的环境下的ETR为0.03～0.05[18]；ETR反映了植物利用弱光的能力，ETR越大，表明植物利用弱光的能力越强[19].在本次试验中无患子的ETR为0.046 4，凹叶厚朴的ETR为0.031 2，说明凹叶厚朴和无患子在生长过程中没有受到外界环境的胁迫；无患子的ETR高于凹叶厚朴，表明无患子利用弱光的能力比凹叶厚朴强.LCP能够反映不同植物对弱光的适应能力，LSP能够反反映不同植物对强光的适应能力[13].一般来说，阳生植物的LCP为9～18 μmol·m-2·s-1，LSP为360～450 μmol·m-2·s-1或更高；阴生植物的LCP小于9 μmol·m-2·s-1；LSP为90～180 μmol·m-2·s-1[20].本研究结果显示无患子和凹叶厚朴都具有较高的LCP和LSP，是典型的阳生植物，适宜在全光照条件下生长，这与偶春等[21]对地被石竹的研究结果类似.无患子的LCP和LSP都高于凹叶厚朴，故无患子利用强光和弱光的能力比凹叶厚朴强，无患子对光强的适应范围大于凹叶厚朴.Amax是反映植物叶片光合作用潜能的重要指标[22].本研究显示，无患子具有更高的Amax，因此具有更大的光合潜力，这与马锦丽[23]的研究结果一致.Rd能够反映不同植物消耗光合产物的速率[24]，无患子的Rd高于凹叶厚朴，故无患子消耗光合产物的速率高于凹叶厚朴，从而具有较强的光合能力.本研究拟合出来的无患子的Amax、LCP、LSP、Rd均比林达等[25]拟合出来的数值高，可能是由于他们采用的是1年生扦插苗作为试验材料.

无患子的Gs始终高于凹叶厚朴，而Ls始终低于凹叶厚朴，说明由于无患子的气孔开度大于凹叶厚朴，气孔的限制较小，故无患子的光合作用能力强于凹叶厚朴，光合速率也高于凹叶厚朴.WUE是用来说明单位水量通过蒸腾散失时光合作用所形成的有机物的量[26].植物的WUE越大，表明植物节水能力越强，耐旱能力和适应能力越强[27].本研究中，无患子的WUE高于凹叶厚朴，说明无患子对环境的适应能力比凹叶厚朴强.

植物叶绿素吸收的光能一般用于光合作用电子传递、叶绿素荧光发射和热耗散[18].由于这3种能量存在着相互竞争的关系，光合作用和热耗散的变化会引起荧光发射的相应变化，因此可以通过对荧光的观测探知光合作用和热耗散的变化[28].光合效率高的植物，光化学效率也高，因为在低光强下，植物叶片Pn的高低是由光化学速率决定的[29].一般来说，植物在不受逆境胁迫的条件下，Fv/Fm为0.75～0.85[30].本试验中，无患子和凹叶厚朴的Fv/Fm分别为0.792和0.766，介于0.75与0.85之间，说明本次试验环境没有抑制或阻碍无患子和凹叶厚朴的生长，与表观量子效率的推论是一致的.同时，无患子的Fv/Fm高于凹叶厚朴，说明无患子PSⅡ反应中心的光能转换效率高于凹叶厚朴.凹叶厚朴的qN显著大于无患子，表明凹叶厚朴热耗散能力更强，即凹叶厚朴光合机构的保护能力大于无患子.从理论上来说，qP高有利于植物叶片的碳同化，可以提高植物光合效率.qN与植物光合能力的关系，大多数学者认为同等条件下，低qN的植物具有较好的光合性能[31].在本研究中，无患子的qP高于凹叶厚朴，而qN低于凹叶厚朴，这与无患子具有更高的光合能力的结论相一致.

综上所述，无患子和凹叶厚朴都是喜光植物，无患子对强光和弱光的利用能力都高于凹叶厚朴，故无患子对光的适应范围更广，对环境的适应能力更强.无患子的耐荫性要比凹叶厚朴强，且无患子在生长过程中需要更强的光照才能正常生长，因此这两树种在园林上应用时要考虑其对光强的适应能力.虽然无患子对光的适应能力比凹叶厚朴强，但凹叶厚朴的LCP和LSP也不低，两者都需要充足的光照才能生长良好，在植物配置时适合种在群落的中上层.

[1] 柯世省.天台山3种常绿阔叶树光合特性的季节变化[J].浙江林业科技,2004,24(5):7-11.

[2] 许大全.光合作用效率[M].上海:上海科学技术出版社,2002:39-52.

[3] 王建华,任士福,史宝胜,等.遮荫对连翘光合特性和叶绿素荧光参数的影响[J].生态学报,2011,31(7):1 811-1 817.

[4] 王雁,苏雪痕,彭镇华.植物耐荫性研究进展[J].林业科学研究,2002,15(3):349-355.

[5] 张亚杰,冯玉龙.喜光榕树和耐荫榕树光适应机制的差异[J].植物生理与分子生物学学报,2004,30(3):297-304.

[6] 中国科学院中国植物志编委会.中国植物志[M].北京：科学出版社，1996.

[7] 吴佳木.凹叶厚朴良种选育及GAP关键技术研究[D].福州:福建农林大学,2014.

[8] 陈有民.园林树木学[M].2版.北京:中国林业出版社,2011:357-358.

[9] 叶子飘,于强.一个光合作用光响应新模型与传统模型的比较[J].沈阳农业大学学报,2007,38(6):771-775.

[10] 叶子飘,于强.光合作用光响应模型的比较[J].植物生态学报,2008,32(6):1 356-1 361.

[11] CLENDENNEN S K, ZIMMERMAN R C, POWERS D A, et al. Photosynthetic response of the giant kelp,Macrocystispyrifera(phaeophyceae) to ultraviolet radiation[J]. Journal of Phycology, 1996,32(4):614-620.

[12] 靳甜甜,刘国华,胡婵娟,等.黄土高原常见造林树种光合蒸腾特征[J].生态学报,2008,28(11):5 758-5 765.

[13] 高贵宾,钟浩,吴志庄,等.不同混生地被竹光合和荧光特征比较[J].福建农林大学学报(自然科学版),2016,45(5):515-521.

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

[15] 刘志梅,蒋文伟,杨广远,等.干旱胁迫对3种金银花叶绿素荧光参数的影响[J].浙江农林大学学报,2012,29(4):533-539.

[16] 陈永滨.闽楠光合和叶绿素荧光特性研究[D].福州:福建农林大学,2015.

[17] 沈宗根,陈翠琴,王岚岚,等.3种石斛光合作用和叶绿素荧光特性的比较研究[J].西北植物学报,2010,30(10):2 067-2 073.

[18] 刘建锋,杨文娟,史胜青,等.崖柏与侧柏光合特性和叶绿素光参数的比较研究[J].西北植物学报,2011,31(10):2 071-2 077.

[19] 刘圣恩,林开敏,石丽娜,等.夹竹桃与珊瑚树光合光响应及PSⅡ叶绿素荧光特性比较[J].福建农林大学学报(自然科学版),2015,44(4):384-390.

[20] 潘瑞炽.植物生理学[M].7版.北京:高等教育出版社,2012:92-93.

[21] 偶春,姚侠妹,卓丽环,等.生态因子对地被石竹光合作用的影响[J].福建农林大学学报(自然科学版),2012,41(5):475-480.

[22] 丁俊祥,邹杰,唐立松,等.克里雅河流域荒漠——绿洲交错带3种不同生活型植物的光合特性[J].生态学报,2015,35(3):733-741.

[23] 马锦丽,江洪,舒海燕,等.天目山自然保护区典型阔叶林的光合特性[J].福建农林大学学报(自然科学版),2016,45(4):381-390.

[24] 张保玉.葡萄光合作用光响应曲线的研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2009.

[25] 林达,王松杰,许霞玲,等.栾树和无患子净光合速率对光强和CO2浓度的响应[J].黑龙江农业科学,2012,10:89-93.

[26] 胡化广,张振铭,吴生才,等.植物水分利用效率及其机理研究进展[J].节水灌溉,2013(3):11-15.

[27] 孔文娟.四个油茶品种的光合特性研究[D].兰州:甘肃农业大学,2013.

[28] 徐德聪.不同品种美国山核桃叶绿素荧光特性的研究[D].长沙:中南林业科技大学,2004.

[29] 林晗,陈辉,吴承祯,等.千年桐种源间叶绿素荧光特性的比较[J].福建农林大学学报(自然科学版),2012,41(1):34-39.

[30] DEMMIG B, BJORKMAN O. Comparison of the effect of excessive light on chlorophyll fluorescence (77K) and photon yield of O2evolution in leaves of higher plants[J]. Planta, 1987,171(2):171-184.

[31] 李潮海,刘奎.不同产量水平玉米杂交种生育后期光合效率比较分析[J].作物学报,2002,28(3):379-383.