干热河谷区3个种源余甘子的光响应曲线特性研究

袁建民，何 璐*，杨晓琼，许智萍，孔维喜，赵琼玲，瞿文林，雷 虓

(1.云南省农业科学院 热区生态农业研究所，云南 元谋 651300；2.云南省元谋干热河谷植物园，云南 元谋 651300)

光合作用是植物生长发育和产量形成的基础，是植物将太阳光能转化为化学能的复杂生理过程[1-2]。光合作用不仅受到植物自身因素的影响，而且受到多个环境生态因子的影响[3]。光照是影响植物光合作用最重要的生态因子，近年来有关植物光合作用生理对光照的响应特征研究较多[4-6]。在干热河谷区，强光属于经常发生的逆境胁迫，很大程度上影响着植物光合生理过程和水分利用效率等[7-8]。通过光响应模型拟合可以获得光饱和点(Light saturation point，LSP)、光补偿点(Light compensation point，LCP)、最大净光合速率(Maximum net photosynthetic rate，Pn,max)、表观量子效率(Apparent quantum efficiency，AQY)、暗呼吸速率(Dark respiration rate，Rd)等多个光合参数，进而可以了解植物的光合效率及规律特征，判定植物的光合潜力[9-10]。因此，研究植物的光合光响应特征，有助于深入了解植物在干热河谷区环境条件下的生理生态特性。

余甘子(PhyllanthusemblicaL.)为大戟科(Euphorbiaceae)叶下珠属(Phyllanthus)落叶小乔木或灌木，既是药食两用植物，也是干热河谷区荒山恢复治理及矿区恢复的重要树种。原产于印度、巴基斯坦、斯里兰卡、马来西亚等地。以中国和印度分布面积最大，产量最多，而中国以云南的野生资源最为丰富[11]。余甘子喜光，耐干旱，分布于海拔80～2300 m，东经70°～122°、北纬1°～29°，具有很强的适应性[12]。余甘子为常用藏药[13]，富含维生素、酚类、黄酮、氨基酸、多糖等活性物质[14]，具有抗炎抑菌、抗肿瘤、抗氧化、降血糖、降血压、降脂等药理保健作用[15-20]，开发利用潜力巨大。目前，关于余甘子的研究主要集中在组织培养[21]、遗传多样性[22]、化学成分[23]和药理作用[24]等方面，而对余甘子的光合特性研究鲜见报道。鉴于此，本研究以收集于元谋干热河谷区的3个种源野生余甘子实生苗为试验材料，对其光合生理变化进行初步研究，探究不同种源余甘子的光合特性差异，以期为余甘子的人工培育、资源保护和优良种源筛选等提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地设在云南省农业科学院热区生态农业研究所干热河谷农业生态实验室，位于楚雄州元谋县城南(101.88° E，25.70° N)，海拔约1181.4 m，属于金沙江干热河谷区，光热资源充足，立体气候明显。年均气温21.5 ℃，年日照时数2670 h，积温8552.7 ℃·d，极端最低气温-2 ℃， 极端最高气温42 ℃，年均降水量615.1 mm，主要集中在5～9月，其它月份少雨或无雨，年均蒸发量3911.2 mm，全年无霜期达360 d，相对湿度53%。

供试材料为不同种源余甘子材料，共3份(表1)，均由云南省农业科学院热区生态农业研究所提供。

表1 供试余甘子材料

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验于2018年5～9月在云南省农业科学院热区生态农业研究所干热河谷农业生态实验室进行，试验材料为野生余甘子种子1年生实生苗。采用50孔黑色塑料穴盘育苗，至幼苗长至10 cm高时，种植于口径×底径×高度为16 cm×12.5 cm×17 cm、容量为2 L的绿色塑料花盆中，完全随机设计，每个花盆种植1株，每个材料种植15株。栽培基质为燥红土+珍珠岩+腐殖土(3∶1∶2)的混合基质，期间根据植株生长状况添加适量的营养和水分，置于塑料大棚中进行一致的水肥管理。

1.2.2 测定方法 利用产自美国Li-COR公司的Li-6400 XT便携式光合作用测量系统，于2018年8月23日至9月10日进行测定。定植90 d后，选择幼苗期(株高50 cm)无病斑、健康的叶片进行测定。每个材料测定1个叶片，随机测定5株，连续重复3 d，取其平均值。配置6400-02 B红蓝光源，设定光合有效辐射(PAR)依次为2000、1800、1500、1200、1000、800、500、200、100、50、20、0 μmol/(m2·s)。光合测定系统直接测出净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)等数值，并计算水分利用效率(WUE=Pn/Tr)。测定时，叶片温度为(31.92±0.16) ℃，气流速度为(500.00±0.01) μmol/s，样品室CO2浓度为(402.84±1.25) μmol/mol，相对湿度为(52.48±0.25)%。

1.3 数据处理

采用直角双曲线修正模型进行光响应曲线拟合[9-10]，运用软件《光合计算器》[25]光响应模块对3个余甘子材料叶片的光响应曲线实测数据进行拟合，得出表观量子效率(α)、最大净光合速率(Pn，max)、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)、暗呼吸速率(Rd)及决定系数(R2)；试验数据处理及作图利用Excel 2007完成。

2 结果与分析

2.1 不同种源余甘子净光合速率光响应特征

不同种源余甘子间净光合速率(Pn)的光响应曲线的变化趋势基本一致，但又存在一定差异。当PAR为0时，净光合速率(Pn)为负值；随着PAR的升高，Pn值迅速上升；当PAR达到800 μmol/(m2·s)时，曲线上升趋于平稳；当PAR达到饱和点后，Pn值上升变缓慢，甚至出现下降的趋势。种源20180907-3的Pn最大值最大，Pn最小值偏小，曲线上升趋势相对较急；其次是种源20180907-1；Pn最大值最小的是种源20180907-2，Pn最小值偏小，曲线上升趋势较平缓(图1)。

Pn与PAR的多项式回归及PAR在200 μmol/(m2·s)以下的线性回归结果见表2。由表2可知，Pn与PAR呈现一定的二次曲线相关关系，3个种源拟合曲线的R2值分别为0.881、0.818、0.834；而Pn与PAR呈现显著的线性相关关系，3个种源拟合曲线的R2值分别为0.952、0.912、0.954，说明线性拟合效果较好。

图1 3个种源余甘子净光合速率光响应曲线

表2 二项式回归方程和PAR在200 μmol/(m2·s)以下的直线回归方程

注：y是净光合速率(Pn)，x是光合有效辐射(PAR)。

2.2 模型拟合的特征参数分析

运用直角双曲线修正模型对3个不同种源余甘子植株叶片Pn光响应数据进行拟合，由《光合计算器》得到的光响应特征参数见表3。由表3可知，3个种源余甘子叶片的光响应参数差异显著(P<0.05)。决定系数(R2)在0.9982～0.9994之间，拟合效果较好。3个种源的Pn，max在5.9665～7.0675之间，种源20180907-1和20180907-3之间的Pn，max差异不显著，但均显著高于种源20180907-2。

3个种源余甘子的光补偿点(LCP)和光饱和点(LSP)均存在显著差异(P<0.05)。光补偿点(LCP)最高的种源是20180907-1，为8.8940 μmol/(m2·s)，但光饱和点(LSP)较高，为1228.955 μmol/(m2·s)，说明该种源利用强光的能力较强；种源20180907-3的LCP值次之，为7.2458 μmol/(m2·s)，对弱光的利用能力较强，而LSP值最低，为942.0609 μmol/(m2·s)，对强光的利用能力较弱；种源20180907-2的LCP值最低为6.4522 μmol/(m2·s)，利用弱光的能力最强，而LSP值为1096.543 μmol/(m2·s)，对强光的利用能力中等。

表观量子效率(α)反映的是植物对弱光的利用能力，而暗呼吸速率(Rd)反映的是植物呼吸作用对光合产物的消耗。一般来说，生长良好的植物表观量子效率(α)在0.03～0.08之间[26]。3个种源余甘子的α值在0.0584～0.0745之间，说明参试野生余甘子对弱光的利用能力总体上属于中上水平。Rd值在0.4517～0.4922之间，种源20180907-2的Rd值最低，种源20180907-1的Rd值最高。

2.3 不同种源余甘子气孔导度和胞间CO2浓度的光响应

3个种源余甘子的气孔导度(Gs)随PAR的升高而缓慢上升，不同种源之间变化基本一致，但种源间的变化幅度存在一定差异(图2)。种源20180907-1的Gs随PAR的变化幅度为0.0641～0.1076 μmol/(m2·s)，变化幅度最大；种源20180907-3的变化幅度次之，变化幅度为0.0738～0.1059 μmol/(m2·s)；种源20180907-2的变化幅度较小，变化幅度为0.0528～0.0823 μmol/(m2·s)。

表3 3个种源余甘子光响应特征参数

注：同一列不同小写字母表示不同种源间存在显著差异(P<0.05)。

胞间CO2浓度(Ci)随PAR的升高而下降，3个种源余甘子的下降趋势基本一致，不同种源间差异较小(图3)。当PAR低于500 μmol/(m2·s)时，不同种源的Ci随PAR的升高而下降趋势明显；当PAR在500～800 μmol/(m2·s)之间时，Ci随PAR升高而下降缓慢；当PAR大于800 μmol/(m2·s)时，不同种源的Ci随PAR升高而开始缓慢上升，但上升幅度较小。

图2 3个种源余甘子气孔导度光响应曲线

图3 3个种源余甘子胞间CO2浓度光响应曲线

2.4 不同种源余甘子蒸腾速率和水分利用效率的光响应

3个种源余甘子的蒸腾速率(Tr)随PAR的升高而逐渐升高，但升高幅度较小，不同种源曲线变化趋势基本一致(图4)，同时与气孔导度(Gs)随PAR变化的曲线趋势相类似。种源20180907-1的变化幅度最大，Tr变化范围为1.6802～2.7429 μmol/(m2·s)；种源20180907-2和20180907-3的变化幅度相近，Tr变化范围分别为1.3783～2.1619 μmol/(m2·s)和1.8711～2.6441 μmol/(m2·s)。

不同种源余甘子的水分利用效率(WUE)随PAR的升高而逐渐上升，不同种源之间的曲线变化趋势基本一致(图5)，同时与净光合速率(Pn)随PAR变化的趋势相类似。不同种源在PAR低于500 μmol/(m2·s)时，WUE随PAR的升高迅速上升；当PAR为500～800 μmol/(m2·s)时，WUE达到最大值，之后随PAR的升高而趋于平缓，甚至下降。不同种源间WUE存在一定差异，种源20180907-2的变化幅度最大，WUE为-0.3134～3.4391 μmol/(m2·s)；其次是种源20180907-1，WUE变化幅度为-0.2822～2.8773 μmol/(m2·s)；种源20180907-3的变化幅度最小，WUE为-0.1888～2.8091 μmol/(m2·s)。

图4 3个种源余甘子蒸腾速率光响应曲线

图5 3个种源余甘子水分利用效率光响应曲线

3 讨论与结论

对干热河谷区3个种源余甘子幼苗的光响应曲线比较发现，PAR在0～200 μmol/(m2·s)范围内，3个种源的Pn迅速升高，均存在“快速响应阶段”。前人研究表明其他物种如檫木、山乌桕和枫香树等树种的Pn在0～400 μmol/(m2·s)范围迅速增加，为快速响应阶段[6]。本研究中随着PAR继续升高，Pn升高到最大值后，达到一个“平稳阶段”。这与段爱国[27]等对余甘子树种的光合光响应研究结果相类似。本研究中种源20180907-3的净光合速率略高于其他2个种源。3个种源的Pn随PAR升高到最大值后平稳下来，这说明3个种源均不存在较明显的光抑制现象。

本研究中，3个种源的Gs在弱光[PAR为0～100 μmol/(m2·s)]条件下，随着PAR的升高Gs存在一个急剧上升的过程，此时光合消耗大量CO2，外界的CO2不足于满足光合需求，以至于Ci明显下降，这是植物为了补充光反应底物进而提高细胞内气体交换速率，因此，Tr也上升，同时WUE也升高。随着PAR的继续升高，不同种源余甘子的Gs变化趋势存在一定差异，光合生理参数的差异性说明各种源的遗传特性本身不同，在一定的环境条件下，呈现出不同的环境适应性。

水分利用效率(WUE)是耦合植物叶片光合与水分生理过程的重要指标，反映的是植物适应干旱环境条件的生长潜力，WUE高，说明该植物适应干旱环境能力强[28]。本研究中，3个种源余甘子WUE存在一定差异。随着PAR的升高，种源20180907-2的WUE变化幅度最大，其次是种源20180907-1，变化幅度最小的是20180907-3，在PAR达到500 μmol/(m2·s)以后，3个种源的WUE均有明显下降，但是种源20180907-2的WUE仍较高，说明种源20180907-2具有一定的节水栽培潜力，在水资源有限的干热河谷地区栽培具有一定优势。

本研究采用直角双曲线模型对3个种源余甘子的光响应曲线进行拟合，决定系数(R2)在0.9982～0.9994之间，说明该模型拟合效果好；同时获得了LCP、LSP等重要光合参数。LSP和LCP可直接反映植物对强光和弱光的适应能力，明确植物对光照条件的需求范围[29]。本研究中，不同种源余甘子的LSP范围为942.0609～1228.955 μmol/(m2·s)，而一般阳生木本植物的LSP为600～1500 μmol/(m2·s)[30]，说明余甘子表现出明显的阳生特征，在高光强下具有较强的光合能力，这可能是余甘子长期适应干热河谷区环境的结果。通常LCP越低说明植物利用弱光的能力越强，多数学者认为LCP小于30 μmol/(m2·s)的植物属于低LCP植物[31]。3个余甘子种源的LCP范围为6.4522～8.8940 μmol/(m2·s)，均未超过30 μmol/(m2·s)，说明其利用弱光能力较强，具有良好的光适应能力，这与段爱国等[32]的研究结果相符。综上所述，3个种源野生余甘子幼苗光合特性参数之间存在显著差异(P<0.05)，表明不同种源余甘子的光合特性存在差异，对环境的适应能力也有所不同。总体来看，各种源野生余甘子均为喜光植物，种源20180907-1的LSP和LCP相对较高，可作为耐高光强的材料，这样更能发挥其生长潜力；种源20180907-2的LSP中等，LCP较低，表观量子效率(α)较高，对弱光的利用能力较强，同时具备较强的抗旱能力；种源20180907-3的LSP和LCP均为中等。在实际栽培中，应充分考虑余甘子树种的光合特性，并根据耐光性和生长速率等进行科学合理应用。由于植物的光合特性容易受到环境因素和自身生长特性的影响，因此，关于光合特性的研究，今后还需要针对不同种源余甘子的光合日变化、季节变化及叶绿素荧光等方面的差异进行深入研究。