不同盐渍条件下海滨锦葵光合-光响应模型

温黎明,赵秀梅,董轲,崔冰,高小淇,殷晓晓,王菊,范海

(山东师范大学，山东省逆境植物重点实验室，山东 济南 250014)

近年来，世界性的土壤盐渍化问题受到了广泛关注。我国的土壤盐渍化主要分布在广袤的荒漠、干旱、半干旱地区，但地势相对低平，地下径流汇集、出流滞缓的区域，也存在着各种类型的土壤次生盐渍化现象[1-2]，这对区域农业发展构成了严重的威胁。由于人口增长过快，未来越来越多的荒地将被用作耕地[3]。海滨锦葵(Kostelezkyavirginica)是锦葵科草本植物，经济用途为纤维、药用、食用、观赏等[4]。另外，海滨锦葵花形美丽、花期长、耐盐碱，是海滨绿化和改良盐碱地的优选植物。海滨锦葵原产于美国，1993年，南京大学钦佩教授将海滨锦葵种子引进中国[5]。前人对海滨锦葵的抗盐生理研究较多，如钙对NaCl胁迫下海滨锦葵种子萌发和幼苗生长的缓解效应以及盐胁迫对海滨锦葵生长及Na+、K+离子积累的影响等等[6-9]。近几年，海滨锦葵的转录组分析以及抗盐基因成为研究热点[10-11]，但盐胁迫下海滨锦葵的光响应曲线模型尚未报道。

光合作用是植物生长的基础，含有光合色素的植物可通过光合作用将无机物同化成有机物并释放氧[12]，但光合作用对盐胁迫非常敏感，盐胁迫可抑制植物的光合作用。光响应曲线描述了光量子通量密度与植物净光合速率之间的关系。目前国内外常用的光响应模型有直角双曲线模型、非直角双曲线模型、指数模型以及直角双曲线修正模型，通过光响应曲线可以计算出植物的表观量子效率α、最大净光合速率Pn max、光饱和点(light saturation point, LSP)、光补偿点(light compensation point , LCP)以及暗呼吸速率Rd等。不同的光响应模型估算的参数也有一定的差异，本文对不同盐胁迫处理的海滨锦葵进行光响应模型拟合，比较各种模型间光响应参数的差异，找到各种盐胁迫下最适的光响应曲线模型，增进对盐胁迫条件下海滨锦葵光合作用的了解，旨在为准确计算光响应曲线参数提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 供试材料

海滨锦葵种子采自东营海滨，选取饱满的海滨锦葵种子，浸泡露白，于2017年10月13日播种在装有干净细沙的塑料盆中，每盆3株，出苗后浇灌1/2的Hoagland溶液，待其长出第2片真叶，转为完全Hoagland溶液浇灌。4周后对植株进行盐处理，本实验设置4个处理：0 mmol·L-1(完全Hoagland溶液，即对照组)、100 mmol·L-1、200 mmol·L-1、300 mmol·L-1(NaCl溶液用完全Hoagland溶液配制)，采用每日递增法达到预期盐浓度，盐处理时间为两周，每个处理设置3个重复。

1.2 光响应曲线的测定

将植株放在太阳光下充分光适应半小时，选取健康植株的第3片真叶为实验材料，采用CIRAS-3便携式光合作用测定系统(美国PPSystems)于上午9:30—11:30测定海滨锦葵的净光合速率(Pn)等参数。光合有效辐射的梯度设置为2 000、1 750、1 500、1 250、1 000、800、600、400、200、100、50、25、0 μmol·m-2·s-1，CO2摩尔浓度为400 μmol·mol-1(大气CO2摩尔浓度)，温度为23 ℃(室温)。

1.3 光响应曲线模型

1.3.1 非直角双曲线模型

非直角双曲线模型[13]的表达式为：

(1)

式中,Pn为净光合速率；Q为光量子通量密度；α是光响应曲线在Q= 0时的斜率, 即植物的初始斜率或初始量子效率；Pn max为最大净光合速率；θ为反映光响应曲线弯曲程度的区角参数，取值0≤θ≤1；Rd为暗呼吸速率。式(1)是一个没有极值的函数，无法由式(1)直接求出光补偿点(LLCP)和光饱和点(LLSP)，因此，计算LLCP时用以下公式：

(2)

有学者假设0.7Pn max所对应的光强为饱和光强[14]，因此本文用0.7Pn max估算饱和光强。

1.3.2 直角双曲线模型

直角双曲线模型[15]的表达式为：

(3)

式(3)也是一个没有极值的函数, 即直角双曲线同样是一条没有极点的渐近线。计算LLCP时用以下公式：

(4)

光饱和点计算方法同非直角双曲线。

1.3.3 指数模型

指数模型[16]的表达式为：

Pn=Pn max(1-e-αQ/Pn max)-Rd，

(5)

估算植物的饱和光强时,需要假定光合速率为 0.9Pn max[17]或0.99Pn max[18]所对应的光强为饱和光强。本文估算饱和光强时假定光合速率为 0.9Pn max。

1.3.4 直角双曲线修正模型

直角双曲线修正模型[19]的表达式为：

(6)

式中β和γ为系数，单位为m2·s·μmol-1，直角双曲线修正模型存在极点，即存在饱和光强和最大净光合速率[20]。饱和光强Isat的计算公式为：

(7)

最大净光合速率Pn max的计算公式为：

(8)

光补偿点LLCP的计算公式：

(9)

1.4 数据处理

实验采用EXCEL 2010处理数据，采用Origin Pro 8.5软件进行曲线拟合。光响应模型拟合参数和平均实测值见表1，拟合参数与实测值的相对误差见表2。

表1 不同盐渍条件下海滨锦葵光合-光响应模型拟合参数与实测值Table 1 Fitting parameters and measureddata of different photosynthetic and light-response models of Kostelezkya virginica under salt stress

续表1

表2 不同盐渍条件下海滨锦葵光合-光响应模型拟合参数与实测值的相对误差Table 2 The relative errors between fitting parameters and measured data of different photosynthetic and light-response models of Kostelezkya virginica under salt stress

2 结果与分析

2.1 非直角双曲线模型对光响应曲线的拟合

图1 利用非直角双曲线模型拟合的不同盐胁迫下海滨锦葵的光响应曲线Fig.1 Light response curve of Kostelezkya virginica under salt stress fitted by non-rectangular hyperbola model

由图1和表1可知，非直角双曲线模型对200 mmol·L-1NaCl处理的海滨锦葵整体拟合程度最高。其中R2高达0.997，最大净光合速率为21.16 μmol·m-2·s-1，光饱和点为1 304.09 μmol·m-2·s-1，光补偿点为51.61 μmol·m-2·s-1，暗呼吸速率为0.67 μmol·m-2·s-1。而其他模型拟合值与实测值差别较大，例如该模型对0 mmol·L-1处理的海滨锦葵在光合有效辐射为0～1000 μmol·m-2·s-1时的拟合程度较差。

2.2 直角双曲线模型对光响应曲线的拟合

从图2和表1可以看出，直角双曲线模型对对照组的拟合情况较好，直角双曲线模型为0 mmol·L-1盐处理时海滨锦葵的最适分析模型，其中初始量子效率为0.033，最大净光合速率为26.67 μmol·m-2·s-1，光饱和点为2 002.89 μmol·m-2·s-1，光补偿点为10.13 μmol·m-2·s-1，暗呼吸速率为0.33 μmol·m-2·s-1。其中光饱和点和暗呼吸速率拟合值与实测值接近，而最大净光合速率和光补偿点与实测值有一定的差别。由于该模型同样是一个没有极值的函数，对100 mmol·L-1、200 mmol·L-1、300 mmol·L-1NaCl处理的海滨锦葵光响应曲线拟合时与实测值差别较大。

图2 利用直角双曲线模型拟合的不同盐胁迫下海滨锦葵的光响应曲线Fig.2 Light response curve of Kostelezkya virginica under salt stress fitted by rectangular hyperbola model

2.3 指数模型对光响应曲线的拟合

虽然指数模型的形式很多，但无法拟合在饱和光强之后光合速率随光强的增加而降低时的光响应曲线。由图3和表1、2知，对于本实验4个不同的处理，当实测值达到饱和光强时，拟合值却一直上升，拟合效果不佳，相对误差较大。因此该模型对盐胁迫下海滨锦葵的光响应曲线无实际应用性。

图3 利用指数模型拟合的不同盐胁迫下海滨锦葵的光响应曲线Fig.3 Light response curve of Kostelezkya virginica under salt stress fitted by exponential model

2.4 直角双曲线修正模型对光响应曲线的拟合

不少研究证明直角双曲线修正模型具有良好的适用性，光合作用对光响应修正模型中的系数β和γ具有确切的生物学意义，其中β为光抑制项，单位为m2·s·μmol-1，β值越大，表示植物越容易受到光抑制。γ为光饱和项，其单位也为m2·s·μmol-1，γ值越大，表示植物越容易达到饱和[21]。由图4和表1、2可知，直角双曲线修正模型对100 mmol·L-1处理组的拟合效果最佳，R2=0.989，初始量子效率为0.016，最大净光合速率为22.10 μmol·m-2·s-1，光饱和点为1 878.82 μmol·m-2·s-1，光补偿点为101.32 μmol·m-2·s-1，暗呼吸速率为1.62 μmol·m-2·s-1。另外，直角双曲线修正模型对300 mmol·L-1盐处理组的拟合效果也较好，R2=0.988，初始量子效率为0.007，最大净光合速率为8.70 μmol·m-2·s-1，光饱和点为1 698.53 μmol·m-2·s-1，光补偿点为113.31 μmol·m-2·s-1，暗呼吸速率为0.79 μmol·m-2·s-1。该模型可准确拟合高光强下光合速率下降(光抑制)的情况。

图4 利用直角双曲线修正模型拟合的不同盐胁迫下海滨锦葵的光响应曲线Fig.4 Light response curve of Kostelezkya virginica under salt stress fitted by rectangular hyperbola modified model

3 讨论

光响应曲线是研究植物光合性能的重要方法[19]，在植物生理、品种筛选、植物抗性等方面的研究中被广泛采用[22]。由于光响应模型种类较多，不同的植物需要不同的光响应模型；另外，同种植物在不同处理下，其最适光响应模型也有一定的差异。已有的研究表明：阴生植物的LLCP<20 μmol·m-2·s-1或更低，LLSP为500～1000 μmol·m-2·s-1；而阳生植物LLCP为50～100 μmol·m-2·s-1，LLSP为1 500～2 000 μmol·m-2·s-1或更高[23]。本实验除对照组海滨锦葵的LLCP≈20 μmol·m-2·s-1外，盐处理组的LLCP和表观量子效率均增加，说明盐胁迫降低了海滨锦葵对弱光的利用能力；而LLSP均在阳生植物的划定范围内。初步判断海滨锦葵属于阳生植物。

植物的光合作用机构对逆境胁迫非常敏感，通常是逆境伤害的首要位点[24]。海滨锦葵是一种耐盐的C3植物，适当浓度的盐胁迫可促进其生长。与盐处理海滨锦葵叶片相比，对照组的叶片更成熟，但叶绿素含量略低，导致其光合速率降低；随着盐胁迫程度的加重，净光合速率表现出先增高后降低的趋势，100 mmol·L-1盐胁迫处理时，净光合速率实测值最大；300 mmol·L-1盐胁迫处理时最大净光合速率和光饱和点均降低，严重抑制植株的生长，这与前人的研究一致[6]。本研究利用当前常用的4个模型，对不同盐胁迫处理的海滨锦葵进行光响应曲线拟合，分析了不同条件下的最适光响应模型，对盐胁迫下海滨锦葵的生态和生理研究有一定的意义。

本文采用相对误差(RE)和决定系数(R2)来评价光响应曲线的模拟效果。对照组的拟合效果：直角双曲线模型直角双曲线修正模型非直角双曲线模型指数模型。直角双曲线模型拟合效果最好，R20.98，Pn max与实测值相差7.77，LLSP与实测值相差47.14，LLCP与实测值相差9.84，Rd与实测值相差0.07。而其他模型拟合值与实测值相差较多。当光照达到一定的强度时，对照组未出现光抑制，而直角双曲线模型同样没有极值，故能拟合出光合速率随着光强不断上升的趋势。100 mmol·L-1盐胁迫时的拟合效果：直角双曲线修正模型指数模型非直角双曲线模型直角双曲线模型。直角双曲线修正模型拟合效果最佳，平均相对误差(MRE)仅为0.09，R2=0.989，Pn max与实测值相差2.7，LLSP与实测值相差36.71，LLCP与实测值相差2.08，Rd与实测值相差0.22，而其他模型拟合值与实测值相差较多。一定盐浓度对海滨锦葵的净光合速率有促进作用，此时海滨锦葵存在光抑制，直角双曲线修正模型能精确拟合到光抑制的情况，这与前人[22, 25]对盐胁迫下中山杉以及干旱胁迫下杠柳的研究结果一致。200 mmol·L-1盐胁迫时的拟合效果：非直角双曲线模型指数模型直角双曲线修正模型直角双曲线模型。200 mmol·L-1盐胁迫时非直角双曲线模型拟合效果较好，R2=0.997，Pn max与实测值相差2.56，LLSP与实测值相差645.28，LLCP与实测值相差8.87，Rd与实测值相差0.13，而其他模型拟合值与实测值相差较多。200 mmol·L-1盐胁迫对海滨锦葵属于中度胁迫，净光合速率受到一定的抑制。300 mmol·L-1盐胁迫时的拟合效果：直角双曲线修正模型非直角双曲线模型指数模型直角双曲线模型。300 mmol·L-1盐胁迫时直角双曲线修正模型拟合效果较好，R2=0.988，Pn max与实测值相差0.46，LLSP与实测值相差677.38，LLCP与实测值相差30.3，Rd与实测值相差0.7。其次是非直角双曲线模型，而其他模型拟合值与实测值相差较多。300 mmol·L-1盐胁迫对海滨锦葵属于重度胁迫，较高浓度的盐胁迫会引起保卫细胞吸水受限，从而导致气孔开闭受限。

4个不同的盐处理中，100 mmol·L-1盐处理组用直角双曲线修正模型拟合时精确度最高，直角双曲线修正模型具有计算植物最大净光合速率及饱和光强的公式[26]，更符合植物实际的光合过程。上述研究，为了解不同盐浓度下海滨锦葵的光合特性提供了参考。