白及幼苗不同驯化期叶片光合光响应特征研究

罗 鸣，刘 海，杨平飞，张金霞，杨再刚2，夏 与3，吴明开

(1.贵州省农业科学院现代中药材研究所，贵阳 550006；2.剑河县产业发展协调指导中心，贵州 剑河 556499；3.安龙县欣蔓生物科技有限责任公司，贵州 安龙 552400)

兰科植物白及(Bletillastriata)是一种濒危药用植物，贵州野生白及生于海拔950～1 600 m之间，土壤含腐殖质较丰富的林下、草丛、岩石缝中[1]。白及主要药用部位为干燥块茎，有收敛止血，消肿生肌的功效。用于咯血，吐血，外伤出血，疮疡肿毒，皮肤皲裂等[2]病症。白及常利用其种子进行组织培养，可在短期内培育出大量组培种苗，而在大田种植之前，组培种苗需要经过大棚炼苗过程逐步适应室外环境，此过程是白及幼苗移栽大田成活的关键，因此大棚内有效光照等环境因素对于组培种苗的影响极大。有研究显示在炎热夏季，白及会出现明显光合“午休”的现象，表明白及符合阴生植物特征[3]。对于大部分濒危植物而言，其光合生理代谢较弱[4]。白及研究更多是涉及种苗繁育、生产栽培技术以及药用成分等方面，白及幼苗阶段光合生理特性少有报道。

为了筛选出白及幼苗期最佳光响应拟合模型，本研究利用不同的光合作用拟合模型对植物光响应进行拟合与分析[5]，采用人工控制光强的方法，测量相同环境下不同生长时期白及幼苗叶片光响应，通过定量分析及比较，筛选出适用于白及幼苗不同炼苗期的最适光照，为白及组培苗设施栽培获得优质生产用苗提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材 料

实验材料来自贵州省贵阳市花溪区省农科院内，通过白及种子培育的组培种苗，种植于普通钢架大棚内苗床上，基质为树皮、锯末与腐殖土的混合物。

1.2 方 法

选择晴朗天气，在09：30-11：30时测定。使用美国LI-COR公司LI 6400 XT，安装红蓝光源叶室，内置光强设置梯度为2 000，1 800，1 500，1 200，1 000，800，500，300，200，150，120，100，80，60，40，20，0μmol·(m2·s)-1，选择白及驯化大棚驯化初期(Ⅰ期)、块茎形成期(Ⅱ期)、块茎膨大期(Ⅲ期)。

进行机器预热检查之后，将待测白及叶片置于1 000μmol·(m2·s)-1光强下诱导30 min。改变光照强度后，最少稳定时间设定为3 min，显示数据无异常波动之后开始自动记录。设定CO2浓度(400±10)μmol·(m2·s)-1，不同驯化期随机选择植株功能叶，3次重复。

1.3 数据处理

利用Excel 2011软件、SPSS 20.0软件进行数据分析、绘图处理。

1.3.1直角双曲线模型直角双曲线模型(图中简称“直角模型”)[6]

净光合速率(Pn)，μmol·(m2·s)-1；光量子通量密度(I)，μmol·(m2·s)-1；初始量子效率(α)；最大净光合速率(Pnmax)，μmol·(m2·s)-1；暗呼吸速率(Rd)，μmol·(m2·s)-1；光补偿点(LCP)，μmol·(m2·s)-1；光饱和点(LSP)，μmol·(m2·s)-1。

1.3.2非直角双曲线模型直角双曲线模型(图中简称“非直角模型”)[7]

Pn(I)=

(4)

(5)

光饱和点估算方法同直角双曲线模型。

1.3.3修正直角双曲线模型(图中简称“直角新模型”)[8-9]

(6)

(7)

(8)

(9)

图1 白及幼苗不同炼苗期光合响应曲线

1.3.4指数模型指数模型表达式(图中简称“指数模型”)[10-11]

Pn(I)=Pnmax(1-e-aI/Pnmax)-Rd

(10)

(11)

(12)

(13)

2 结果与分析

2.1 白及驯化阶段光响应曲线的拟合

将白及驯化过程中3个不同生长期的光响应曲线的实测值与4种模型的拟合值进行作图。结果(图1)显示，4种拟合模型得到的预测值与实测值较为相近。其中修正直角双曲线模型存在极值，且3次拟合决定系数R2≥0.999，拟合效果最好。直角双曲线模型和非直角双曲线模型均不存在极值，Pn均随PAR的增大而增强，拟合值与实测值出现不符，拟合效果较差。指数模型是存在极值的方程，但Pn随PAR的增大达到最大值后，继续增大PAR，Pn保持不变，与实际情况不符[12-14]。

2.2 光响应特征参数

2.2.1初始量子效率(α)与表观量子效率(AQE)

光合作用过程中最大量子效率α值理论值在0.08～0.125之间，实际拟合模型α值在0.06～0.12之间，略偏小于理论值，拟合方法是合理的。表观量子效率AQE4种拟合模型在拟合中，通过公式进行各特征参数计算，其中在不同拟合模型中AQE值差异不大，与实测值较为接近。

2.2.2最大净光合速率(Pnmax)

直角双曲线、非直角双曲线两种模型拟合Pnmax值皆大于实际测量值，2种模型对白及生长Ⅲ期拟合Pnmax值为10.64μmol·(m2·s)-1、10.06μmol·(m2·s)-1，实测值为8.62μmol·(m2·s)-1，误差较大。指数模型其拟合Pnmax与实测点走势较为吻合，但是在计算时，需假设光合速率为0.9(公式12)或0.99(公式13)，计算后所得的光强为饱和光强(表中以a/b表示)，结果误差较大，而且随着设定光合有效辐射PAR超过1 500μmol·(m2·s)-1时，拟合值始终维持不变，与实测情况不符。修正直角双曲线模型拟合值与实测值最为接近，且在设定光合有效辐射PAR为1 500μmol·(m2·s)-1时，Pn拟合值出现了明显光抑制现象，与实测Pn值变化趋势一致。

2.2.3光饱和点(LSP)与光补偿点(LCP)

光饱和点(LSP)修正直角双曲线模型拟合值与实测值最为接近，拟合效果最好，其他模型LSP拟合值均小于实测值。光补偿点LCP不同拟合模型中LCP预测值与实测值最为一致。但是除了修正直角双曲线模型，其他3种模型的拟合LSP与实测差别较大。结合光饱和点结果，说明这3种模型在拟合计算过程中存在一定的误差。

图2 白及光合参数的线性拟合关系

表1 光响应实测值与模型拟合值比较

2.2.4暗呼吸速率(Rd)

在非直角双曲线模型模拟Ⅰ期，拟合值为0，表明该模型不适于Rd值计算。其余3种模型拟合值均接近实测值，其中直角双曲线模型拟合效果较好。

2.5 白及幼苗生长期环境因子的线性拟合

以光合有效辐射(PARo)为自变量，白及幼苗叶片净光合速率(Photo/Pn)、气孔导度(Cond)、胞间二氧化碳浓度(Ci)及蒸腾速率(Trmmol)为因变量进行的线性拟合。根据其散点分布构成的直线关系，表明外界光强对植物净光合速率、气孔导度及蒸腾作用存在正向的线性关系，与胞间二氧化碳浓度存在负向的线性关系。

3 结论与讨论

修正直角双曲线模型是白及组培幼苗驯化阶段光响应拟合的最佳模型，利用该模型可以更好地了解白及幼苗时期的光合生理情况，确保白及组培幼苗在炼苗阶段快速适应室外环境，在最短时间内达到出苗标准，为兰科濒危药用植物白及的育种及其濒危机制研究奠定了基础。在设定的光强梯度下，白及幼苗生长各阶段均出现了光抑制的现象，表明适度的遮阴有利于白及幼苗的生长发育。

自然界中阴生植物与阳生植物对光照的响应速率和程度不尽相同[15]。植物叶片的光饱和点与光补偿点反映了植物对光照条件的要求。本试验由拟合效果最佳的修正直角双曲线模型得出的白及炼苗阶段3个不同生长期LSP为754.89～1 563.27μmol·(m2·s)-1，白及生长旺盛期，自然光强都能达到该强度，白及在炎热夏季会出现明显光合“午休”的现象，与其独有的气孔能力相关[16]。在植物光响应拟合模型研究中，直角双曲线模型、非直角双曲线模型2种模型使用较多，但在此次试验中这2种曲线不存在极值，其适应性和拟合精度均受到一定的限制，这种误差来源于模型自身的缺陷[17-20]，应根据植物不同生长习性、生长阶段、生长环境等情况进行模型筛选，确保数据最大程度上的准确性。