不同浓度ALA对红豆杉幼苗光合特性的影响

张玉豪，姚素梅，2*，孟 丽，邓 哲

（1．河南科技学院生命科技学院，河南 新乡 453003；2．河南科技学院新科学院，河南 新乡 453003）

红豆杉是红豆杉属植物的通称，为我国一级珍稀濒危保护植物。红豆杉具有很好的药用价值，其主要成分紫杉醇能够抑制肿瘤细胞的繁殖和迁移，对多种晚期癌症具有显著的疗效［1］。另外，紫杉醇对糖尿病、风湿性关节炎等多种疾病也有着一定的治疗效果［1-2］。植物生长调节物质的研究和应用在作物栽培学上具有十分重要的意义，对农业生产做出了巨大贡献［3-4］。5-氨基乙酰丙酸（5-aminolevulinicacid，简称ALA）是四氢吡咯的前缀化合物，对生物体合成叶绿素起着决定性作用［5］。ALA可以显著提升植株的着色、增加净光合速率、提高产量并改善果实的外观品质和食用品质［6-9］，喷施适宜适量浓度的ALA还能明显提高植物的抗冷性和耐盐性［10-11］，因此ALA被人们称为新型的植物生长调节剂［12］。

红豆杉具有很好的药用价值和保健作用，但红豆杉对其生长的环境条件要求高，野生红豆杉天然分布区较狭窄，天然种群资源十分有限，开展红豆杉驯化栽培技术研究是解决保护、恢复及利用该种群的关键途径。合理施肥可以促进红豆杉生长，提高紫杉醇含量［13］。研究发现，施用ALA促进了植物生长发育，提高了品质［14-17］，但该类研究大多集中在农作物和园艺作物上，尚未见将ALA应用于红豆杉的相关报道。本试验通过向红豆杉幼苗喷施不同浓度的ALA来探究其对红豆杉幼苗光合特性和生长状况的影响，开展南太行野生红豆杉种苗驯化栽培技术研究，为保护南太行野生红豆杉种质资源，扩大种群规模，提供理论依据和实施参数。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2016～2018年在河南科技学院药用植物栽培实验室进行，该实验室在室外建造大棚栽培红豆杉幼苗，大棚用遮阳网做遮阴处理，并定期喷水，创造红豆杉适宜的生长环境。试验配制了适合红豆杉生长的土壤环境，其中红豆杉幼苗盆栽所用土的成分是稻壳∶土∶鸡粪=3∶3∶1。试验选取生长状况相同且良好的红豆杉幼苗盆栽25盆并将其分成5组，每5盆一组，向其中4组红豆杉幼苗分别喷施10、20、40、60 mg/L的ALA，另一组喷施等量的清水做对照处理，每3 d喷施1次，连续喷施2次。待生长一定时间后测量红豆杉幼苗各生长指标和光合特性。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 光合参数测定

选择晴朗天气，在测定日的9：00～11：00采用Licor-6400型便携式光合测定仪测定红豆杉幼苗叶片的净光合速率（Pn），气孔导度（Gs），胞间二氧化碳浓度（Ci），蒸腾速率（Tr）等光合参数，由于红豆杉是喜阴作物并且叶片较窄，气孔导度偏低，用标准叶室测量误差较大，因此本试验采用红蓝光源叶室进行测量。测量时，将样品室CO2浓度设置为400 μmol/mol，光合有效辐射（PAR）强度设置为1 100 μmol/（m2·s），以这种略高的强度的光刺激红豆杉幼苗叶片气孔导度的增大，有利于光合参数更准确的测定。由于红豆杉叶片很窄且小，夹取叶片时同时夹取4片叶片，4片叶片并齐平行并与样品室垂直且叶片不能重叠。等Licor-6400型便携式光合测定仪上a行各参数稳定，b行ΔCO2值波动幅度＜0.5μ mol/mol，Pn值稳定到小数点后一位，且不再向一个方向变化，c行参数在正常参数范围，即 0＜Gs＜1，Ci＞0，Tr＞0，此时记录数据。

1.2.2 光响应曲线测定

采用Li-6400型便携式光合作用测定仪测定净光合速率（Pn），气孔导度（Gs），胞间二氧化碳浓度（Ci），蒸腾速率（Tr）等光合参数。使用LED红蓝光源叶室测定不同光照强度下红豆杉幼苗净光合速率的大小。夹取叶片时同样是夹取4片叶片，4片叶片并齐平行并与样品室垂直且叶片不能重叠，将PAR从高到低设定为1 800、1 500、1 200、1 000、800、500、200、100、80、40，和 0 μmol/（m2·s） 共 11 个强度，CO2浓度设定为400 μmol/mol。在晴好天气条件下，使用开放气路于9:00～11:00进行光响应曲线的测定。

采用Michaelis-Menten方程（式1）对光响应曲线进行模拟：

式中，PAR为光合有效辐射，α为表征光合作用最大光能转化率的表观初始量子效率，Pmax为潜在最大光合速率，Rd 为暗呼吸。用叶子飘的光合计算2.5模拟软件拟合得到光响应曲线光合特征参数α、Pmax、Rd、LSP、LCP。

1.2.3 生长状况的测量

红豆杉幼苗喷施不同浓度ALA一段时间后，待不同处理的红豆杉幼苗在生长状况上出现明显差异后测量其株高、地茎、冠幅、叶面积指数等生长状况并做记录。

苗高的测量：从地面为始到植株顶端的距离，记为 h（cm）。

地径的测量：在距离地面高度10 cm处测得植株株干直径，记为r（mm）。

冠幅的测量：分别测量植株南北与东西的宽度，取其平均值，记为P（cm）。

叶面积指数（LAI）的测量：采用LAI2200冠层分析仪测量。以组为单位测量红豆杉幼苗的冠层，设置3个重复，每个重复为ABBBBB，记录LAI值。

1.3 资料分析方法

利用Excel 2013软件对数据进行处理和绘图，并采用SAS统计软件包中的ANOVA过程对数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 喷施不同浓度的ALA对红豆杉幼苗叶片光合参数的影响

2.1.1 喷施不同浓度的ALA对红豆杉幼苗叶片净光合速率的影响

红豆杉的光合速率是红豆杉能量和物质转化的重要因素，由图1可知：向红豆杉幼苗喷施10、20、40、60 mg/L的ALA，与对照相比红豆杉幼苗的净光合速率均有提升，经方差分析得知各不同浓度处理之间的净光合速率具有显著性差异，由此可知：在试验浓度范围内，喷施20 mg/L浓度的ALA对红豆杉幼苗叶片的净光合速率的提升最为显著。

图1 不同ALA浓度对红豆杉幼苗叶片光合速率的影响

2.1.2 喷施不同浓度的ALA对红豆杉幼苗叶片气孔导度的影响

气孔导度直接影响着光合速率，气孔导度增大有利于植物叶片进行气体交换从而促进光合速率的增大。由图2可知：向红豆杉幼苗喷施10、20、40、60 mg/L的ALA，与对照相比红豆杉幼苗叶片的气孔导度均增大，且经方差分析得出除喷施10、60 mg/L浓度的红豆杉幼苗叶片的气孔导度之间没有显著性差异之外，其余各组之间均有显著性差异，且喷施20 mg/L ALA的红豆杉幼苗叶片的气孔导度最大。由此可知，在试验浓度范围内，喷施20 mg/L的ALA对红豆杉幼苗叶片的气孔导度的增大最为显著。

图2 不同ALA浓度对红豆杉幼苗叶片气孔导度的影响

2.1.3 喷施不同浓度的ALA对红豆杉幼苗叶片胞间CO2浓度的影响

CO2是光合作用的反应底物，胞间CO2浓度对植物光合作用的生理生化过程起着决定性作用。由图3得知：向红豆杉幼苗喷施10、20、40、60 mg/L的ALA，与对照相比红豆杉幼苗叶片的胞间CO2浓度没有显著性差异。

图3 不同ALA浓度对红豆杉幼苗叶片胞间CO2浓度的影响

2.1.4 喷施不同浓度的ALA对红豆杉幼苗叶片蒸腾速率的影响

植物蒸腾速率的大小能够反映出光合速率的大小，由图4可知：向红豆杉幼苗喷施10、20、40、60 mg/L的ALA，与对照相比红豆杉幼苗叶片的蒸腾速率均有明显增大，经方差分析得知除了20和40 mg/L浓度的ALA处理之间没有显著性差异之外，其余各组处理之间均有显著性差异。由此得知：在试验浓度范围内，喷施20 mg/L的ALA对红豆杉幼苗叶片蒸腾速率的增大最为显著。

图4 不同ALA浓度对红豆杉幼苗叶片蒸腾速率的影响

2.2 喷施不同浓度的ALA对红豆杉幼苗叶片光响应曲线的影响

从图5可以看出，5种处理的红豆杉幼苗的光响应曲线趋势基本一致，且5种处理的Pn在PAR＜400μ mol（/m2·s）时随PAR的增大快速增加，随后增速明显放慢，之后趋于稳定。其中20 mg/L处理的红豆杉幼苗的Pn值最大，喷施清水的红豆杉幼苗的Pn值最小。由表1得知，喷施20 mg/L浓度ALA的红豆杉幼苗Pmax最大，其光饱和点（LSP）表观量子效率（AQE）也最高，光补偿点（LCP）和暗呼吸速率（Rd）相对较低，表明喷施20 mg/L浓度ALA使红豆杉幼苗对光强的利用范围变广，光能利用效率变高，呼吸消耗减少。其余处理之间与对照相比Pmax也有增加，但增加不大。

图5 喷施不同浓度的ALA的红豆杉幼苗叶片的光响应拟合曲线

表1 不同浓度处理下红豆杉幼苗的光响应曲线拟合参数

因此得知：在试验浓度范围内，喷施20 mg/L浓度ALA对红豆杉幼苗叶片光响应曲线拟合参数的提升最为显著。

2.3 喷施不同浓度的ALA对红豆杉幼苗生长状况的影响

ALA作为一种植物生长调节剂，其影响植物的光合作用最终会体现在植物的生长状况上。由表2可知：向红豆杉幼苗喷施20 mg/L浓度的ALA最能提高红豆杉幼苗的株高、冠幅和叶面积指数，但地径差异不显著，原因可能是红豆杉幼苗生长缓慢，试验处理时间短，地径变化还不太明显。但从整体来说，在试验浓度范围内，向红豆杉幼苗喷施20 mg/L浓度的ALA可以促进红豆杉幼苗的生长发育。

表2 喷施不同浓度的ALA对红豆杉幼苗生长状况的影响

3 讨论

通过本次试验可以看出，不同浓度的ALA能够显著影响红豆杉幼苗的光合特性和生长发育。喷施适宜适量的ALA能够显著提高红豆杉幼苗叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率，从而改善红豆杉幼苗的生长状况。

由试验研究可知，向红豆杉幼苗叶片喷施适宜适量浓度的ALA能够增大红豆杉幼苗叶片的气孔导度，从而促进了叶片的气体交换速率和蒸腾速率，最终导致叶片光合速率的增大。光响应曲线对认识植物光化学反应过程中的光化学效率具有重大的意义，Pmax能够直接反应植物的光合能力，Lsp和Lcp的高低能够反映植物对光照强度的利用范围［18］；AQE是植物吸收，转换和利用光能能力的指标，该值越高表明植物利用光能的能力越强。向红豆杉幼苗叶片喷施适宜适量浓度的ALA增大了红豆杉幼苗的Pmax、Lsp、AQE，降低了红豆杉幼苗叶片的Lsp和Rd，说明喷施适宜适量浓度的ALA能够增大红豆杉幼苗叶片吸收、转换和利用光能的能力及对光照强度的利用范围，从而增大了红豆杉幼苗叶片的光合能力。其中，在试验浓度范围内，喷施20 mg/L的ALA对红豆杉叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）的提升和光响应曲线拟合参数的影响最为明显，效果最好。

光合作用产生的有机物的积累最终会体现在植株的生长状况上［19］，植物叶片的净光合速率与植物的生长发育呈正相关。在试验浓度范围内，喷施20 mg/L ALA处理对红豆杉幼苗叶片净光合速率提高的幅度最大，从而促进红豆杉幼苗生长的效果最显著。

4 结论

向红豆杉幼苗喷施10、20、40、60 mg/L的ALA，与对照相比，这些处理均提升了红豆杉幼苗叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率，从而改善了植株的生长状况，影响了红豆杉幼苗叶片的光响应曲线拟合参数，但对叶片胞间二氧化碳浓度的影响不太显著。结果显示：在试验浓度范围内，喷施20 mg/L的ALA对红豆杉幼苗净光合速率、气孔导度、蒸腾速率及生长状况的提升效果最为显著；对红豆杉幼苗的光合特征参数的影响也最为显著，在20 mg/L浓度处理下的红豆杉幼苗叶片的最大净光合速率、光饱和点和表观量子效率得到显著提高，同时光补偿点和暗呼吸速率有所降低，从而促进了红豆杉幼苗的生长。因此，在红豆杉幼苗的驯化栽培中，可以向红豆杉幼苗喷施20 mg/L浓度的ALA来提高红豆杉幼苗叶片的光合能力，改善植株的生长状况。