青海祁连棱果沙棘自然杂交带三种沙棘光合特性日变化分析

赵一丹　贾凌云　张辉　范宝强　刘本立　孙坤

摘要：  雜交带是研究物种形成及进化的天然实验室。为探究棱果沙棘自然杂交带三种沙棘的生理生态适应性，该研究在光照充足的7月中旬分别测定了该区域三种沙棘雌、雄株的光合特性及相关环境因子的日变化。结果表明：（1）同种沙棘雌、雄株间光合日变化规律基本一致，不同沙棘光合特性的日变化规律存在较大差异。中国沙棘（Hippophae rhamnoides ssp. sinensis）净光合速率（Pn）日变化呈明显的双峰曲线，峰值出现在光合有效辐射（PAR）和空气温度（Ta）相对较高的10：00和14：00，最高达到（19.53±5.35）μmol·m-2·s-1;棱果沙棘（Hippophae goniocarpa）和肋果沙棘（H. neurocarpa ssp. neurocarpa）Pn日变化均呈近双峰曲线，在PAR和Ta相对较低的8：00和16：00有较高的值，最高值分别为（13.43±3.43）和（15.27±2.43）μmol·m-2·s-1。（2）三种沙棘水分利用效率（WUE）与Pn的日变化规律一致，但中国沙棘具有最高的WUE，达到（6.72±0.95）μmol·mmol-1，棱果沙棘和肋果沙棘的WUE日变化最高分别为（4.03±1.08）和（4.93±0.86）μmol·mmol-1。（3）三种沙棘蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间二氧化碳浓度（Ci）和气孔限制值（Ls）的日变化规律相似，其中Gs均在10：00后一致下降，在12：00左右均出现不同程度的气孔关闭现象，这是其发生光合午休的主要原因之一。杂交带三种沙棘光合特性日变化差异主要表现在中国沙棘和其他两种沙棘之间，而杂交种棱果沙棘与亲本种肋果沙棘的变化规律基本一致，其Pn与WUE可能受到了Ta、PAR和空气相对湿度（RH）等环境因子的影响。

关键词： 杂交带， 沙棘属， 光合日变化， 水分利用效率

中图分类号：  Q945.79文献标识码：  A文章编号：  1000-3142（2019）09-1212-08

Abstract：  Hybrid zone is a natural laboratory for studying speciation and evolution. In order to explore the ecophysio-logical adaptability of three species of seabuchthorn （Hippophae）， we measured the relevant environmental factors and diurnal changes in photosynthetic characteristics of female and male plants of the three Hippophae species in Qilian County of Qinghai Province in July. The results were as follows： （1） The diurnal variation of photosynthesis between female and male plants of the same species was basically consistent， and there are differences in the diurnal variation of photosynthetic characteristics of the three Hippophae species. Diurnal changes of net photosynthetic rate （Pn） in H. rhamnoides  ssp. sinensis showed a significant bimodal curve， with peak values at 10：00 and 14：00， and the highest value was （19.53±5.35） μmol·m-2·s-1 when photosynthetically active radiation （PAR） and air temperature （Ta）. Although the diurnal changes of Pn in H. goniocarpa and H. neurocarpa ssp. neurocarpa were all nearly bimodal curve， the higher values at 8：00 and 16：00， and the highest values were （13.43±3.43） and （15.27±2.43）μmol·m-2·s-1， repectively when PAR and Ta were lower. （2） Water use efficiency （WUE） of the three species of Hippophae was consistent with the change of Pn， but H. rhamnoides ssp. sinensis had a higher WUE， which peaked at 10：00 and 14：00， and the highest value was （6.7±0.95）μmol·mmol-1. The peak values of H. goniocarpa and H. neurocarpa ssp. neurocarpa were 8：00 and 16：00， and the highest values were （4.03±1.08） and （4.93±0.86） μmol·mmol-1， respectively. （3） The diurnal changes of transpiration rate （Tr）， stomatal conductance （Gs）， intercellular CO2 concentration （Ci） and stomatal limiting value （Ls） of the three species of Hippophae were similar. Gs decreased uniformly after 10：00 among them， and there were different degrees of stomatal closure at around 12：00， which was one of the causes of leaf photosynthetic depression in midday. In diurnal changes of photosynthesis， H. rhamnoides ssp. sinensis was significantly different from others， H. goniocarpa showed similar change trend with H. neurocarpa ssp. neurocarpa， and its Pn and WUE may be affected by environmental factors such as Ta， PAR and air relative humidity （RH）.

Key words： hybrid zone， Hippophae， diurnal change of photosynthesis， water use efficiency （WUE）

杂交是植物种群的进化动力（Barton，2010），自然杂交产生的杂交带（hybrid zone）是指由已分化的物种再次接触后交叉繁殖而产生杂交种的分布区域（Arnold，1997）。杂交带作为研究遗传结构、生殖隔离机制以及物种形成和进化等的天然实验室，一直是备受关注的焦点（Hewitt，1988）。它的维持依靠内源选择（endogenous selection）即杂交个体基因型的选择（Barton，1985）和外源选择（exogenous selection）即环境因素影响的共同作用（Moore，1977;Arnold，1996）。因此，自然杂交带内杂交个体的适合度受基因型-生境共同效应的影响（Kimball & Campbell，2009）。Johnston et al.（2003）认为，适合度表现在生活史的各个方面，如种子萌发和幼苗生长阶段、营养生长阶段、繁殖阶段等。植物的生理特征（如光合特性、幼苗生长、叶绿素含量等）可以反映杂交后代与亲本种的适合度（Campbell et al.，2005;Kimball & Campbell，2009; Donovan et al.，2010）。植物的光合特性不仅受到温度、空气、光照等外界条件的影响，而且受植物本身遗传特性所制约（姜武等，2007;仲启铖等，2014;邹长明等，2015）。在自然环境中，研究杂交后代与亲本光合特性的日变化规律，对探讨其光合生理适合度有重要意义。

近年来，对ITS、cpDNA trnS-G及trnL-F等序列的分析已证明了棱果沙棘（Hippophae goniocarpa）是由同域分布的中国沙棘（H. rhamnoides ssp. sinensis）和肋果沙棘（H. neurocarpa ssp. neurocarpa）同倍化杂交形成的（Sun et al.，2003;张辉，2005;杜玉娟，2008;蒋严妃等，2014）。现已从种子萌发、保护酶活性、克隆结构和克隆多样性等方面探究了棱果沙棘及其亲本的适合度（唐洁涓，2009;江龙龙，2013）。然而，在自然杂交带中，三种沙棘的光合特性有什么不同还有待研究。本研究以青海省祁连县棱果沙棘自然杂交带的三种沙棘为材料，测定了其光合特性和相关环境因子的日变化，旨在从光合生理的角度为自然杂交带三种沙棘的生理生态适应性以及沙棘杂交带的维持机制提供理论依据。

1研究地区与研究方法

1.1 研究地区自然概况

研究区位于青海省海北藏族自治州祁连县（100°24′ E，38°9′ N，海拔3 020 m），属于高寒半干旱、半湿润山地森林草原气候，年平均气温0.7 ℃，1月平均气温 -13.1 ℃，7月平均气温10～14 ℃;年降水量435.5 mm，降水主要集中在5—9月，多以暴雨形式出现，占全年降水的88.6%。

沙棘灌丛在该区域为主要分布植被，中国沙棘和肋果沙棘在河漫滩沙棘灌丛中混杂分布，属于群落共建种和优势种，并在该区域杂交形成了棱果沙棘自然杂交带。

1.2 材料和方法

以青海祁连县棱果沙棘自然杂交带（日旭村河滩）中的中国沙棘、肋果沙棘及其杂交种棱果沙棘为材料，分别随机选取树龄一致、生长旺盛的雌、雄各3株，于2017年7月中旬，在晴朗无风光照充足的天气，采用便携式光合作用测定系统（TPS-2， PP system， UK）测定三种沙棘不同方位冠层外侧成熟壮叶的光合参数，测定选用自然光源，每次3个重复，从8：00—18：00每隔2 h测定1次，连续测3 d。为避免仪器遮挡和光源差异较大引起的误差，测定时使叶室与自然光线垂直。

测定三种沙棘的光合特性参数包括净光合速率Pn （net photosynthetic rate）、蒸腾速率Tr （transpiration rate）、气孔导度Gs （stomatal conductance） 及胞间CO2浓度Ci （intercellular CO2 concentration）;水分利用效率WUE （water use efficiency），计算公式为WUE=Pn/Tr;气孔限制值Ls（stomatal limiting value），计算公式为Ls=1-Ci/Ca;同步测定光合有效辐射PAR （photosynthetically active radiation）、空气相对湿度RH （air relative humidity）、空气CO2浓度Ca（air CO2  concentration） 及空气温度Ta（air temperature） 等环境因子。

1.3 数据处理

利用Excel和Origin8数据处理软件进行整理分析和绘图;采用SPSS20.0软件对环境因子间进行相关性分析并进行显著性检验，采用单因素方差分析 （one-way ANOVA） 比较不同数据组间的差异 （P=0.05）。数据用平均值±标准差表示。

2结果与分析

2.1 环境因子日变化

研究区主要环境因子的日变化如图1所示。从早晨8：00到下午18：00，PAR与Ta呈先增后减的趋势（图1：a），该区域光照强度较大，PAR在中午12：00的峰值达到（2 136.5±116.83）μmol·m-2·s-1，Ta相對于PAR有时滞效应，在14：00达到峰值，为（30.87 ± 0.5）℃，相关性分析显示（表1），PAR与Ta呈现显著的正相关（P<0.05）。

Ca与RH的日变化曲线均呈“V”型（图1：b），前者在12：00达到最低，为（420.5±12.5）μmol·mol-1，之后上升幅度较小，植物光合吸收CO2是Ca降低的一个重要原因;在该区域，由于七月中旬降雨频繁，RH值较高，一天内于14：00达到最低，为（41.42±1.47）%。它们与Ta的变化关系密切，呈极显著负相关。

2.2 三种沙棘光合特性的日变化

2.2.1 三种沙棘净光合速率的日变化三种沙棘净光合速率（Pn）日变化呈双峰或近双峰曲线，其峰值有所不同（图2），中国沙棘Pn在10：00和14：00出现峰值，最高达到（19.53±5.35）μmol·m-2·s-1，棱果沙棘和肋果沙棘Pn的变化趋势大致相同，均在8：00和16：00出现较高的值，棱果沙棘Pn最大值为（13.43±3.43）μmol·m-2·s-1，肋果沙棘Pn的最大值为（15.27±2.43）μmol·m-2·s-1。相同种雌、雄株之间的变化规律基本相似。

2.2.2  三种沙棘蒸腾速率和气孔导度的日变化三种沙棘Tr与Pn的变化趋势相似（图3）。中国沙棘Tr在10：00和16：00出现峰值，棱果沙棘Tr在8：00和16：00出现较高值，肋果沙棘雌、雄株Tr日变化的第二个峰值有所不同，雄株在14：00出现峰值，雌株在16：00出现峰值。中国沙棘、棱果沙棘、肋果沙棘Tr一天内的变化范围分别为（2.08±0.16）～（3.21±0.29）mmol·m-2·s-1、（2.27±0.13）～（3.29±0.20）mmol·m-2·s-1、（1.8±0.35）～（3.2±0.12）mmol·m-2·s-1。

三种沙棘的Gs变化趋势一致，都在8：00—10：00较大，之后急剧下降，12：00后保持较低水平，变化波动小（图4）。

2.2.3  三种沙棘胞间CO2浓度和气孔限制值的日变化图5结果表明，三种沙棘Ci均在早晨8：00的值最高，在中午12：00达到最低，值在360～620 μmol·mol-1的范围内，此后稍有回升，但幅度不大。

2.2.4 三种沙棘水分利用效率日变化三种沙棘的WUE均呈双峰曲线（图7），与Pn变化曲线相似，中国沙棘峰值出现在10：00和14：00，棱果沙棘和肋果沙棘在8：00和16：00的值较高。前者的WUE值与后两者有极显著差异（P<0.01），其最大值为（6.72±0.95）μmol·mmol-1，棱果沙棘和肋果沙棘WUE最大值分别为（4.03±1.08）、（4.93±0.86）μmol·mmol-1。

3讨论

3.1 三种沙棘的光合特性

光合作用是植物十分复杂的内部生理过程，环境因子对植物的光合生理特性具有显著影响，不同植物也表现出不同的光合特性（韦兰英等，2010;叶子飘等，2016）。光合速率可以反映植物光合作用的强度，是衡量光合作用的重要指标。相关研究表明，植物净光合速率的日变化曲线形态有单峰型、双峰型、平坦型和不规则型等多种（王爱民等，2000）。本研究结果表明，三种沙棘不同性别之间的光合特性日变化规律均大致相同，但不同沙棘光合特性参数的日变化规律有所差异。

三种沙棘净光合速率日变化曲线均为双峰型曲线或近双峰型曲线，表现出一定的光合午休现象，但中国沙棘与棱果沙棘和肋果沙棘有明显不同。中国沙棘在PAR较高的10：00 [（1 270.83±263.93） μmol·m-2·s-1]和14：00[（1 905.00±435.07）μmol·m-2·s-1]，有较高的Pn[（19.53±5.35）μmol·m-2·s-1]和WUE[（6.72±0.95）μmol·mmol-1]，较低的Ls，说明其在较高PAR和较高Ta下能更好地利用光能;棱果沙棘和肋果沙棘的Pn和WUE日变化均呈近双峰型曲线，在PAR相对较低的8：00[（169.33±45.7）μmol·m-2·s-1]，也有较高的Pn值。由于晚上较高的呼吸作用积累了较多的CO2，此时Ca达到（665.5±40.86） μmol·mol-1，同时棱果沙棘和肋果沙棘也表现出较高的Gs和Ci，是该时刻Pn值较大的原因，此后随着光合作用对CO2的消耗，Ci逐渐降低，但其Pn值和WUE仍然低于中国沙棘，说明其光合能力和水分利用效率在一定程度上受到了PAR和Ta的限制。

气孔是植物与外界进行气体交换的重要通道，Gs的变化直接影响植物的Pn和Tr（赵顺等，2014）。杂交带的三种沙棘表现出基本一致的Gs日变化，在8：00—10：00的值都很高，而在此之后骤降，在12：00左右均出现不同程度的气孔关闭的现象。三种沙棘Ci的日变化规律也相似，在12：00前呈下降趋势，同时Ls均有所升高，但其值变化并不明显，基本在0.1左右浮动，因此Pn值在中午的下降不仅受到气孔因素的限制，同时也受到其他因素的影响。

从整体来看，中国沙棘具有最高的Pn和WUE，棱果沙棘和肋果沙棘的Pn与WUE较低。靳甜甜等（2011）对黄土高原中国沙棘光合特性日变化的研究，发现其在光照充足、温度和空气湿度较高的环境下，有更高的Pn和WUE，这可能反映了分布在高海拔寒冷条件下的棱果沙棘和肋果沙棘的Pn与WUE受到了Ta、PAR和RH等环境因子的影响。

3.2  三种沙棘的生理適合度

亲本及杂种后代在光合特性方面的差异不仅与自身遗传特性相关，也受到环境的影响。研究光合速率和水分利用效率对揭示植物的生理适合度有着重要的意义（Donovan & Ehleringer，1994;Arntz & Delph，2001）。Campbell et al.（2005）通过对Ipomopsis亲本及杂交后代的光合速率和水分利用效率的比较研究，分析了杂种和亲本的生理适合度，发现杂种在自然条件下的瞬时水分利用效率具有杂种优势，在干旱环境中表现出高存活率且占据了新的生境。本研究结果显示，在自然杂交带上，亲本中国沙棘的Pn和WUE最高，且在一天内温度较高时达到峰值，而杂交种棱果沙棘在光合生理方面并未表现出高水分利用效率的杂种优势，其变化规律与肋果沙棘相似，它们在一天内温度较低时，表现出较高的Pn与WUE，这反映了肋果沙棘和棱果沙棘在高海拔环境下具有更好的生理生态适应性。杂交带理论认为，杂交带的维持取决于内源选择和外源选择的共同作用（Schweitzer，2002）。研究表明，肋果沙棘和棱果沙棘分别分布在海拔27 00 ～ 4 300 m和2 700 ～ 3 100 m的环境，杂交种棱果沙棘具有和亲本肋果沙棘相似的光合生理特性去适应高海拔环境，但并未表现出比亲本更高的生理适应性去占据新的生境（外源选择），这可能为杂交带的维持机制提供理论依据。另外，Schierenbeck et al.（1993）指出，高Pn和高WUE通常被作为植物生存和广泛分布能力强弱的表征。三种沙棘中，中国沙棘在海拔较低的地区（400 ～ 3 100 m）分布广泛，占据了相对较宽的生态位，其Pn与WUE也明显高于肋果沙棘和棱果沙棘。

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