3个百合品种光合特征的比较研究

智永祺，韩福贵，卢珍红，段 青*， 戴余有，李绅崇

(1.云南省农业科学院花卉研究所，云南昆明650100；2.绍兴市农业科学研究院，浙江绍兴312003；3.江苏省中国科学院植物研究所/南京中山植物园，江苏南京210014)

百合(Liliumspp.)为百合科(Liliaceae)百合属(LiliumL.)栽培品种的总称，其花色明艳，花姿高雅，寓意吉祥，是我国重要的鲜切花之一，深得消费者青睐[1]。目前注册的百合品种已经超过10 000个[2]，近年来引种的东方百合品种就达200余个[3]。设施栽培条件下，百合可周年生产，全年供花[1]。但设施栽培中普遍存在的光照不足、空气流通不畅等问题，影响了百合的光合作用，从而影响了其生长、开花[4-5]。

不同百合品种光合能力存在差异[6-7]。对百合光合作用影响最大的因素是光照和水分。在相同的光照强度下，随着水分胁迫的加剧，净光合速率明显下降[8-9]。水分充足的情况下，不同百合品种光合作用对光照强度响应不一致。有研究表明，随着遮阴程度增加，百合的净光合速率明显下降[10-11]；也有学者得到了相反的结论[9,12]。

东方百合品种‘Siberia’(‘西伯利亚’)和‘Sorbonne’(‘索邦’)是云南省鲜切花出口量最大的2个品种[13]。东方百合与喇叭百合的杂交品种‘Conca D or’(‘木门’)因其花色亮丽、抗性优良正成为最具市场潜力的品种[14]。本研究以 ‘Siberia’、‘Sorbonne’、‘Conca D or’为材料，研究日光温室栽培条件下其光合日变化、叶绿素荧光诱导曲线及快速光曲线等参数，分析净光合速率与环境因子的关系，为百合设施栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料为市场需求量大，且在张家港地区生长适应性较好的3个百合品种，分别为：东方百合品种‘Siberia’(‘西伯利亚’)和‘Sorbonne’(‘索邦’)、亚洲百合与喇叭百合的杂交品种‘Conca D or’(‘木门’)。不同品种百合种植于江苏张家港市骏马农林有限公司的日光温室内，选取长势较好、生长一致的蕾前期不同品种百合作为试验材料，植株高度为80 cm。

1.2 试验设计

对不同品种百合进行常规水肥管理，试验于2013年10月27日进行，此时百合处于蕾前期。随机选择不同叶位的健康叶片测定，每处理测量3个重复。叶位的确定标准为：上部叶离地60 cm；中部叶离地40 cm；下部叶离地20 cm。

1.3 项目测定及方法

1.3.1 光合参数日变化的测量 采用德国WALZ公司生产的GFS-3000便携式光合作用测量仪，于测量日08:00—16:00，每隔2 h测定1次3个百合品种不同叶位叶片的光合参数。各光合生理参数为：净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(E)、胞间二氧化碳浓度(Ci)等。

1.3.2 叶绿素荧光参数测量 对待测叶片进行暗适应处理30 min后，测定3个百合品种不同叶位叶片的叶绿素初始荧光(F0)、最大荧光(Fm)、光化学淬灭系数(qP)、非光化学淬灭系数(NPQ)，从而计算出PSⅡ最大光化学量子产量(Fv/Fm)；设3次重复；之后设置9个有效光辐射(PAR)梯度，分别为0，66，90，125，190，285，420，625，820 μmol/(m2·s)，每个梯度持续10 s，测出相对电子传递速率(rETR)，用于快速光曲线的拟合。叶片照射190 μmol/(m2·s)的光化光达到稳态后，即测量快速光曲线。

1.4 数据处理与分析

试验数据采用Excel进行统计处理，利用开源统计软件R语言进行后续分析和作图[13]，agricolae软件包进行通径系数分析[16]，psych软件包进行相关性分析[17]。

利用R软件的phytotools包、采用Nelder-Mead法、根据公式rETR=α×Ek(1-exp(-E×Ek-1))进行快速光曲线的拟合[16]。其中Ek代表半饱和光强；α为快速光曲线的初始斜率；rETR随PAR的变化即为快速光曲线。最后根据公式rETRmax(Pm)=Ek×α计算出最大相对电子传递速率(rETRmax)。

2 结果与分析

2.1 试验期间环境因子的日变化

图1 环境因子的日变化Fig.1 Diurnal changes of environmental factors

日光温室栽培条件下，‘Conca D or’的光照日变化呈双峰型，净光合速率的峰值分别出现在10:00和14:00；‘Sorbonne’、‘Siberia’呈单峰型(图1A)，净光合速率的峰值分别出现在10:00。测量过程中大气温度日变化(Ta)如图1B所示，呈双峰曲线变化，‘Sorbonne’和‘Conca D or’的Ta则呈单峰曲线变化，14:00日光温室内大气温度最高。叶片温度(TL)均为双峰型变化曲线(图1C)，不同品种同一时间TL差异不显著(P=0.552)。TL与Ta之间呈显著正相关(P<0.05)，说明叶片温度主要受大气温度影响。大气CO2浓度(Ca)在08:00较高，然后下降，10:00—12:00几乎不变化，14:00之后略有上升，日均值分别为432.8 μmol/(m2·s)(‘Siberia’)、428.4 μmol/(m2·s)(‘Conca D or’)和426.4 μmol/(m2·s)(‘Sorbonne’)，各品种之间差异未达到显著水平(P=0.809)(图1D)。空气相对湿度(RH)变化趋势如图1E，不同品种栽培的日光温室内空气相对湿度变化趋势一致，无显著差异(P=0.985)。其中，08:00和16:00较高，10:00和14:00较低，整体呈倒双峰型的变化。

2.2 3个百合品种光合参数的日变化

植物光合作用日变化有两种典型的方式，即双峰型和单峰型[19]。由图2A可以看出，日光温室栽培条件下，3个百合品种3个叶位的净光合速率(Pn)平均值日变化趋势一致，峰值是在上午10:00；‘Siberia’的Pn峰值和日平均值最大，分别为6.53，3.30 μmol/(m2·s)。3个百合品种气孔导度(Gs)日变化呈下降趋势(图2B)，在08:00—10:00、14:00—16:00下降明显，10:00—14:00几乎不变化；其中‘Sorbonne’的Gs的峰值和日均值最高，分别达237.19，107.04 mmol/(m2·s)。图2C显示蒸腾速率(Tr)日变化，‘Conca D or’和‘Sorbonne’的Tr值日变化趋势一致，08:00—12:00Tr值下降，峰值在14:00出现，随后Tr值明显下降。‘Siberia’的Tr值呈单峰型，峰值出现在10:00。‘Sorbonne’的Tr峰值和日均值最高，分别达1.85，1.27 mmol/(m2·s)。3个百合品种胞间CO2浓度(Ci)和气孔限制值(Ls)日变化趋势高度一致，均呈现早晚高、中午低的单谷型或早晚低、中午高的单峰型变化，最低值或最高值均出现在10:00；品种间的差异不大，‘Siberia’的Ci最小值较低，Ls峰值最大，分别为364.39 mg/L和0.30(图2D、E)。

图2 日光温室栽培条件下3个百合品种光合参数日变化Fig.2 Diurnal changes of photosynthetic parameters of three lily cultivars cultivated in sunlight greenhouse

2.3 叶绿素荧光参数快速光曲线参数的异质性分析

不同叶位叶绿素荧光参数的变异系数如表1所示。3个百合品种不同叶位叶片的荧光参数的变异系数呈现出较高的异质性；其中非光化学淬灭系数(NPQ)的变异系数最大，均在58%以上(58.5%～95.9%)。‘Sorbonne’的PSⅡ原初光能转化效率(Fv/Fm)变异系数最小，低于1%。但不同的品种变化趋势不尽相同。3个品种上部叶的光化学淬灭系数(qP)值均最大；‘Siberia’和‘Conca D or’中部叶的Fv/Fm值、最大电子传递速率(Pm)和Ek值及上部叶的相对电子传递速率(rETR)最大；而‘Sorbonne’的下部叶Fv/Fm值最大；‘Siberia’上部叶和中部叶的实际量子产量(Y)相同且大于下部叶；‘Sorbonne’的上部叶Y值最大，‘Conca D or’则是中部叶Y值最大；3个品种不同叶位的叶片α值非常接近，‘Siberia’和‘Sorbonne’上部叶的α值在供试叶片中略高，‘Conca D or’的中部叶和下部叶α值相等。

Fv/Fm表示的是PSⅡ将吸收的光能转化成化学能的效率。所有的供试叶片中，‘Siberia’中部叶的Fv/Fm最大，为0.820；下部叶的Fm/Fv最小，仅为0.576；而且3个品种中‘Siberia’ 3个部位叶片的Fv/Fm平均值亦最大，为0.792。实际量子产量Y反映了植物的实际光合效率，光化学猝灭系数(qP)反映了PSⅡ天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额，是由质体醌类QA等再氧化所造成的，与电子传递、光合氧化等过程直接相关。qP越大，QA重新氧化的量愈大，即PSⅡ的电子传递活性越大。‘Sorbonne’的实际量子产量(Y)、光化学淬灭系数(qP)和相对电子传递速率(rETR)在3个品种中最高；Y值为0.584，约为另外2个品种的3倍；qP为0.809；rETR为46.6，分别是‘Siberia’和‘Conca d or’的1.88倍和1.60倍。

表1 日光温室栽培条件下不同百合品种的叶绿素荧光参数和快速光曲线参数

Fv/Fm：PSⅡ原初光能转化效率；Y：PSⅡ实际量子产量；qP：光化学淬灭系数；NPQ：非光化学淬灭系数；rETR：相对电子传递速率；Pm：最大相对电子传递速率；Ek：半饱和光强；α：初始斜率

Fv/Fm:Maximal quantum efficiency of photosystem II;Y:Quantum yield of photosynthetic electron transport;qP:photochemical quenching;NPQ:non- photochemical quenching;rETR:relative electron transfer rate;Pm:maximum relative electron transfer rate;Ek:semi-saturated light intensity;α:initial slope

快速光曲线能够评估光强对植物潜在光合作用能力的影响[20]。Ek反映了植物耐受强光的能力，Ek越大，耐受强光能力越强，初始斜率α值反映了叶片捕光能力的高低[20]。从表1可知，‘Sorbonne’的Pm和Ek最大，分别为208 μmol/(m2·s)和709 μmol/(m2·s)，分别是‘Siberia’和‘Conca D or’的6.5和6.1倍、4.7和4.6倍。3个品种中‘Sorbonne’的α值最高，为0.29，且Ek最高，因而具有很高的耐受强光能力和捕光能力。

2.4 不同百合品种光合速率与环境因子关系的通径分析

Pn与环境因子通径分析结果见表2。环境因子中对‘Siberia’的Pn直接作用由大到小为PAR>TL>RH>Ca>Ta，其中PAR和TL对Pn直接作用较大，分别为0.698 3和0.608 1；Ta的直接作用则为负向；RH和Ca受TL、PAR负作用影响较大。RH对‘Sorbonne’和‘Conca D or’的Pn直接作用最大，分别达到3.057 6和4.026 8，但受到TL、Ca和PAR的负作用影响；Ca对二者的Pn均具有负作用；除此之外，对‘Sorbonne’的Pn具有负向作用还有Ta。TL对‘Sorbonne’的Pn，PAR对‘Conca D or’的Pn直接作用都较大，分别为1.611 6和1.388 5，但均受RH负作用的影响。

表2 日光温室培条件下3个百合品种环境因子通径系数

PAR：光合有效辐射；Ca：大气CO2浓度；Ta：大气温度；RH：空气相对湿度；TL：叶片温度

PAR:photosynthetic active radiation;Ca:atmospheric CO2concentrations;Ta:atmospheric temperature;RH:relative air humidity;TL:leaf temperature

2.5 不同百合品种环境因子与净光合速率的相关性分析

由表3可知，仅‘Siberia’的PAR、TL与Pn呈极显著正相关，相关系数分别为0.95和0.74；表明在日光温室栽培条件下，一定程度增加PAR和提高TL可以提高‘Siberia’净光合速率。‘Sorbonne’和‘Conca D or’的Pn与环境因子间相关性均未达到显著水平。3个品种中，所有TL与RH之间均为极显著负相关；除‘Sorbonne’外，其余Ta与TL均呈极显著正相关；Ca与RH呈极显著正相关，与TL呈极显著负相关；Ta与RH之间均为极显著负相关。

表3 日光温室培养条件下3个百合品种环境因子与净光合速率的相关系数

*表示显著性水平在0.05，**表示显著性水平在0.01；PAR：光合有效辐射；Ca：大气CO2浓度；Ta：大气温度；RH：空气相对湿度；TL：叶片温度；Pn:净光合速率

*represents a significance level of 0.05,**represents a significance level of 0.01，PAR:photosynthetic active radiation;Ca:atmospheric CO2concentrations;Ta:atmospheric temperature;RH:relative air humidity;TL:leaf temperature;Pn:net photosynthetic rate

3 讨论

百合光合作用的外界影响因素主要有光、温度等[21]。合理调整生长过程中的环境条件可以增强光合作用，促进有机物积累[20]。

研究表明，3个百合品种净光合速率大小关系为：‘Siberia’，‘Sorbonne’，‘Conca D or’。本研究是在温室栽培条件下进行的，与露地条件相比，光照强度不高，PAR增加，东方百合‘Siberia’的Pn显著增大；而对于‘Sorbonne’，Pn与环境因子间相关性不显著，所以净光合速率 ‘Siberia’>‘Sorbonne’。而在露地栽培条件下，有研究认为‘Sorbonne’>‘Siberia’，差异不显著[23]，也有研究得出‘Conca D or’>‘Siberia’>‘Sorbonne’[7]。比较不同结论发现，不同研究的起始条件不同，因此很难进行平行比较。饱和光强下，东方百合品种‘Sorbonne’和‘Siberia’ 的净光合速率虽然互有高低，但均无显著差异。东方百合品种‘Sorbonne’具有很高的耐受强光能力和捕光能力，日光温室栽培条件下，可以适当减少遮阴，增加光照强度，以增强光合作用，促进有机物积累。

不同百合品种受到温度胁迫，净光合速率会下降[24-25]。前人的研究发现，东方百合不同品种最适温度不同[21]，而本试验处理叶温在适温(18～25 ℃)范围内，因此，净光合速率与叶温呈直接正相关，随叶温的增加而增大。

同一百合品种不同叶位的光合作用也存在异质性。不同叶位光合异质性由多方面因素导致，内因有叶龄等，外因有光照等。一般认为，处于健康生理状态的植物Fv/Fm值在0.75～0.85[24]，叶片成熟或衰老后Fv/Fm下降明显[27]，本研究中百合下位叶Fv/Fm小于0.8，可能是由叶龄偏大导致。‘Siberia’和‘Conca D or’的光保护能力按叶位从上到下逐渐下降，对甘蔗(Saccharumofficinarum)苗期不同叶位叶片的研究也得到相似结果[28]。‘Sorbonne’上位叶比中位叶低的现象与拟南芥(Arabidopsisthaliana)相似，主要原因是叶龄越大，光保护能力越强[27]。

4 结论

3个百合品种光合日变化呈单峰型，净光合速率日变化不同于典型的单峰型[19]，峰值提前到上午10:00。日光温室条件下，净光合速率的大小关系为：‘Siberia’>‘Sorbonne’>‘Conca D or’。

光强对‘Siberia’影响极显著，增加光强能促进光合作用；在适合的温度条件下，3个百合品种Pn随TL的增加而增大。‘Sorbonne’和‘Siberia’的Pn下降为非气孔限制，而‘Conca D or’在12:00后为气孔限制。

3个百合品种不同叶位光合作用的异质性明显，NPQ异质性最高。‘Sorbonne’比‘Siberia’和‘Conca D or’具有更高的耐受强光能力和捕光能力。