不同实生变异和常规檵木光合特性的比较

，， ， ， ，卫东，，炎林

（1.湖南农业大学 a.园艺学院；b.湖南省中亚热带优质花木繁育与利用工程技术研究中心；c.教育学院，湖南 长沙 410128；2.园林花卉种质资源与综合利用湖南省重点实验室，湖南 长沙 410125）

檵木Loropetalum chinense为金缕梅科檵木属常绿灌木或小乔木，目前在园林绿化工程和城镇化建设工程中得到广泛栽植和应用[1]。变异植物满足了人们对观赏植物新、特、奇的要求，且目前地被植物在园林绿化中得到越来越广泛的应用，具备特异性状的檵木属变异植株将更受市场欢迎。近年来，关于檵木属植物的研究主要集中在遗传多样性、生理特性、胁迫生理、繁殖育种和开发利用等方面[2-5]。

光合作用是植物进行生长发育、开花结果的生理生化基础，其影响因子有光照、环境CO2浓度、环境温度、光受体、矿质营养等[6-7]。近年来，通过改变植物中光合相关过程来提高生物量的方法受到了极大的关注。植物为了更好地适应其所处的环境条件，可根据相应的环境条件来采取适应策略，包括光合作用和新陈代谢的变化[8]。朱运钦等[9]在对不同株型桃树光合特性的研究中发现，在普通型、半矮化型和垂枝型桃品种间光补偿点的差异较显著；紧凑型桃的光饱和点最高，垂枝型桃次之，普通型桃最低。姜卫兵等[10]经研究发现，与一般苹果树相比，短枝型苹果树具备较高的光饱和点和较低的光补偿点。张光弟等[11]在矮化型观赏植物苹果矮化砧B9 和N29 光合特性的研究中发现，N29 的弱光利用能力高于B9，而B9 的高光适应能力较强。也有关于檵木属植物光合特性的研究报道。陈晓林等[12]和王小青等[13]进行了不同种类红花檵木光合特性的比较研究，结果表明不同品种的光合特性和适应环境的能力不同；董佳丽等[14]比较了红花檵木实生后代光合特性的差异，认为后代与其母本的光合特性差异显著；谢智华等[15]探究了不同酸度营养液对红花檵木光合特性的影响，认为春季红花檵木新枝在pH5.5 的弱酸性水培环境中光合表现最佳；桂克印等[16]经研究认为，外界物质对红花檵木叶片光合特性的影响较小；化香平等[17]探究了南京地区红花檵木与红叶石楠光合特性的差异，结果表明红花檵木的叶绿素参数均比红叶石楠高，但其光合能力弱于红叶石楠。

檵木属植物作为具有多种园林用途的彩叶树种，其株型与光合特性之间是否存在直接关系，及其光合特性是否影响其生态习性等仍有待探明。而关于檵木属变异植物光合特性方面的研究鲜见报道。探讨檵木属植物匍匐和垂枝变异类型在光合特性和叶绿素荧光特性方面的改变，对檵木属植物的品种选育具有较大的理论和实践意义。因此，有必要加强檵木属变异植株光合特性分子调节机制方面的研究。本试验中通过对檵木属不同变异株系光响应曲线的测定，结合叶片叶绿素荧光等相关光合生理数据，研究其在同等环境条件下的光合特性差异，分析檵木属不同实生变异植株的光合能力，以期探明檵木属植物株型与光合特性之间的关系，为改良檵木属植物的栽培条件提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在湖南省长沙市湖南农业大学花卉基地（113°08′E，28°18′N）。长沙市坐落在湖南省东部偏北的湘江下游和长沙盆地西缘地区，属亚热带季风气候。年平均气温17.2 ℃，年均降水量1 361.6 mm，年平均日照1 200 ～1 600 h，无霜期年平均约275 d，霜期一般出现在11月至次年3月。气候温和，降水充裕，雨热同期，四季明显[18]。

1.2 试验材料

试验材料来源于湖南农业大学花卉基地红花檵木种质资源圃中自然授粉的‘花叶檵木2号’的实生苗，通过观察，从实生苗中筛选出2 个枝形有明显外观变异的优良单株‘卧龙’和‘42号’，分别编号为Y1 和Y2，以‘浏阳红’（Y3）和‘大叶红’（DYH）为对照（图1）。变异材料Y1 的特征为：株型矮小，分枝密，枝条蜷曲呈匍匐生长；叶较小，椭圆形，顶端尖，叶面有光泽且星状毛较少；常绿不落叶，叶色为深浅不一的绿色，新叶带有老叶绿色的条带（色晕、色块）；花为白色。变异材料Y2 的特征为：枝条细软下垂，似垂柳；叶较小，长卵形，新叶为墨绿色，老叶秋季变红掉落；花为白色。10月中旬至11月中旬，选取生长状况良好且无病虫害的向阳植株的叶片作为研究对象，每个处理重复3 次。

图1 变异檵木与常规檵木试材的形态Fig.1 Morphological characteristics of variations and normal materials of L.chinense

1.3 试验方法

1.3.1 光响应特征参数的测定和光合-光响应曲线的绘制

09:00—16:00，每种植物随机选择3 片叶，使用LICOR 公司（美国）生产的LI-6400 便携式光合仪测定光响应曲线。测定前对叶片进行光诱导10 min，待其完成光诱导并达到稳态后开始测定。测定时大气温度为20 ～25 ℃，以大气作为CO2源，制作空气缓冲瓶，来保持CO2浓度的相对稳定，流速为500 μmol/s，内置光照强度（PAR）梯度设置为0、20、50、80、100、200、500、800、1 000、1 200、1 500、1 800 μmol/(m2·s)。使用Photosyn Assistant 软件对数据进行处理，分析植株的光补偿点、光饱和点、初始表观量子效率和最大净光合速率（Pnmax）等数据，根据测定的净光合速率（Pn），绘制光合-光响应曲线。

1.3.2 叶绿素荧光参数的测定和叶绿素荧光诱导动力学曲线的绘制

2019年10月25日，使用Fluor Pen FP110 手持式叶绿素荧光仪进行叶绿素荧光参数的活体测定。分别选取Y1、Y2、DYH、Y3 同一部位受光一致且为从形态学上端数第4 片健康功能叶进行测定，每株选3 片叶，取其平均值。每次测定前，将待测叶片擦拭干净，使用叶片夹夹住且不夹在叶片的主叶脉上，进行20 min 暗处理。暗处理结束后开始测定叶绿素荧光参数，测量过程中使仪器探头、叶片夹和叶片三者紧密贴合。测定的叶绿素荧光参数主要包括初始荧光（Fo）、可变荧光（Fv）和最大荧光（Fm）。计算PS Ⅱ的潜在活性（Fv/Fo）、PS Ⅱ最大光化学效率（Fv/Fm）、非光化学淬灭（NPQ）和光化学淬灭（PQ）。根据叶绿素荧光参数，参照付春霞等[19]和杨宋琪等[20]的方法，绘制叶绿素荧光诱导动力学曲线。

1.4 数据处理

用Excel 2010 软件整理数据，用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析，用LSD 法和Duncan法对各参数进行差异显著性检验和多重比较，用Origin 8.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 实生变异和常规檵木植株光响应特征参数的比较

选用直角双曲线修正模型[21]描述实生变异及常规檵木植株的光合-光响应曲线，得出4 种植株的光响应特征参数（表1）。由表1可知，Y3、DYH 和Y2 的Pnmax分别为9.655、9.142 和6.704 μmol/(m2·s)，差异不显著（P＞0.05），而Y1 的Pnmax为15.864 μmol/(m2·s)，是前者的1.64 ～2.37 倍，差异显著（P＜0.05），表明Y1的光合能力较强。在4 种植株中，Y1 的初始表观量子效率达到0.066，表明其捕获光子能力较强，其他3 种植株间无显著差异，且均与Y1 差异显著（P＜0.05）。4 种植株的光饱和点不具有显著差异，表明其对强光的适应能力基本相同。Y2 的光补偿点和暗呼吸速率与其他3 种植株差异显著，表明其对弱光的利用能力较强，在无光条件下具备较小的呼吸速率。

表1 实生变异和常规檵木植株的光响应特征参数（直角双曲线修正模型）†Table1 Comparison of light response characteristic parameters of seed propagated variations and normal plants of L.chinense (modified rectangular hyperbolic model)

2.2 实生变异和常规檵木植株光合-光响应曲线的比较

光合-光响应曲线反映了植物的净光合速率随光照强度增减而变化的规律，实生变异及正常檵木植株的光合-光响应曲线如图2所示。由图2可见，4 种檵木植株的光合-光响应曲线的变化趋势基本一致，Pn随PAR 的增强而逐渐增加。整体上，各植株光合速率由高到低依次为Y1、Y3、DYH、Y2。

2.3 实生变异和常规檵木植株叶绿素荧光参数的比较

叶绿素荧光是一种非损伤探针，用来研究植物的光合作用非常有效[22-23]。实生变异及常规檵木植株的叶绿素荧光参数见表2。由表2可知，Y1的Fo值最大，为8 604.67，Y1 与Y2 的Fo值无显著差异（P＞0.05），但与Y3 和DYH 差异显著（P＜0.05）。Y1 的Fm值和Fv值最大，分别为45 417.67 和36 813.00，与其他植株间差异显著（P＜0.05），其他植株间差异均不显著（P＞0.05）；在Y1、Y3 和DYH 三者间，Fv/Fm值、Fv/Fo值和Fm/Fo值无显著差异（P＞0.05），但三者的上述指标均与Y2 存在显著差异（P＜0.05）。

PS Ⅱ所吸收的光能无法被光合作用消耗，将多余光能用热的形式耗散，即NPQ，其反映了植物的光保护能力[24-26]。光照下，实生变异和常规檵木植株NPQ 和PQ 的变化过程如图3所示。由图3可见，随着光照时间延长，Y1 和DYH 的NPQ 一直呈递增趋势，表明其热耗散能力较强，叶绿素吸收的光能向光合电子传递消耗较多，光合能力较强，更有利于抵制光抑制对光合机构的损害。Y3 在光照的40 s 内有快速上升的过程，然后一直保持平缓上升，至光照160 s 时呈下降趋势。Y2 的NPQ 在40 s 内增长后出现了“降低—升高—降低—升高—降低”的趋势。PQ 表现了PS Ⅱ反应中心开放部分的占比，反映植物在一定光环境下应用光能来进行光化学转化的能力，代表了其光合效率[27]。Y1 的PQ 值整体上呈现缓慢上升的趋势，而Y2、Y3 和DYH 整体上呈现先升高、再降低的趋势，其中Y2 的PQ 值较高，表明其PS Ⅱ反应中心电子传递活性较大，而且PS Ⅱ反应中心开放的比例较大。

2.4 实生变异和常规檵木植株叶绿素荧光诱导动力学曲线的比较

植物叶绿素荧光诱导动力学曲线可反映PS Ⅱ反应中心原初光化学反应的相关信息。J 期反映电子从QA-到QB的积累，I期代表电子从QA到QB-的积累，P 期被认为是电子从QA-到QB2-的积累[28]。实生变异及常规檵木植株的叶绿素荧光诱导动力学曲线如图4所示。由图4可见，各植株叶片的叶绿素荧光诱导动力学曲线各时间点和形态有一定差别。O 点和P 点为Y1 的荧光强度最高，说明其光抑制程度较小，Y1 与其他3 种植株间存在差异，说明株型的不同可造成檵木属植物叶绿素荧光强度的差异。自O 点差异开始，随着J 点和I点差异的积累，到达P 点时差异达到最大。在对叶片进行快速荧光动力学诱导时，光照面积和强度不同，可能会使得叶绿素荧光诱导动力学曲线出现较大差别。在I—P 段，Y2 与DYH 的荧光强度并未有太大差异，说明其较多的光能用于转变成化学能。

图2 实生变异和常规檵木植株的光合-光响应曲线Fig.2 Comparison of photosynthetic light response curve of seed propagated variations and normal plants of L.chinense

表2 实生变异和常规檵木植株的叶绿素荧光参数Table2 Comparison of chlorophyll fluorescence parameters of seed propagated variations and normal plants of L.chinense

图3 实生变异和常规檵木植株NPQ 与PQ 的变化曲线Fig.3 NPQ and QP variation curve of seed propagated variations and normal plants of L.chinense

图4 实生变异和常规檵木植株的叶绿素荧光诱导动力学曲线Fig.4 JIP test curves of seed propagated variations and normal plants of L.chinense

3 结论与讨论

檵木属植物实生变异会影响其光合效率和生态适应性，从而导致光合能力的较大改变。通过对4 种檵木植株叶绿素荧光参数和光响应参数的比较，发现匍匐突变植株‘卧龙’的最大净光合速率、光饱和点、初始表观量子效率均最大，光补偿点较低，电子传递效率最大，光合性能较好，热耗散较强，在强光下受到光抑制作用小，也能较好地利用弱光，而垂枝突变植株‘42号’的光合适应能力较对照植株稍弱。本试验中，实生变异类型‘卧龙’的光合性能最强，能通过光合作用充分利用光能，积累大量有机物质，表现出对环境较强的适应性，其在园林景观应用中的前景较好。在栽培时，因‘42号’较不耐阴，应首选在向阳坡适当种植，在进行城市美化景观配植时应适度疏植。

光合作用作为影响植物生长发育的重要因素之一，受到外部环境条件和自身因素的综合影响，其光合生理参数是科学制订栽培措施的重要依据[29-30]。植物的光补偿点和光饱和点是评估植物对光能的利用能力的可信指标，光饱和点越高且光补偿点越低，表示其对光的适应范围较大，光适应性较强[31-32]。本研究中，‘卧龙’和对照植株的光补偿点较低，表明三者耐阴性较强，而‘42号’的光补偿点较高，表明其最不耐阴。其中，光补偿点参数也表明匍匐突变植株较对照更加耐阴，而垂枝突变植株较对照耐阴性更弱。一般认为，光饱和点高的植物能更加有效地利用强光，而‘卧龙’的光饱和点和最大净光合速率均显著高于其他3 种植株。因此‘卧龙’对光环境的适应性更广，既能在强光下较好地利用光能，又对弱光具有一定的耐受性。崔永宁等[33]对大花黄牡丹变异材料光合特性的研究结果表明，变异品种的光补偿点和最大净光合速率均显著高于同品种的非变异植株，这与本研究结论相一致。与对照植株相比较，匍匐突变植株的优势更加突出，其光合能力和独特株型更能满足市场需求；垂枝突变植株的暗呼吸速率较对照植株更高，其光合能力与对照相差无几，但消耗较多。

叶绿素荧光无损检测技术被广泛用于研究植物的光合生理和逆境胁迫生理，叶绿素荧光参数指标能够反映植物叶片光系统Ⅱ对光能的吸收、传递和耗散等状况[34-35]。Fo作为暗反应下的初始荧光，表示植物叶片的光合中心光系统Ⅱ在完全开放状态下的荧光产量，与植物叶片的叶绿素浓度有关[36]。本研究中，‘卧龙’的Fo值最高，其次是‘42号’，说明二者的叶绿素含量比对照高，Fo值的上升能有效避免PS Ⅱ活性中心发生不可逆转的毁坏，表明‘卧龙’和‘42号’的光合性能较好。Fm表示经过PS Ⅱ的电子传递情况，Fv表示PS Ⅱ的电子传递效率[37]。‘卧龙’的Fm值和Fv值在4 种植株中均是最高的，另外‘卧龙’的PQ 值不停上升却低于其他3 种植株，说明其PS Ⅱ反应中心活性相对较大，电子传递效率较高，在强光环境下可较好地开启热耗散机制，让植物免受光抑制的损伤。‘42号’的PQ 值较高，表明其有较高的光能利用效率。

根据叶绿素荧光诱导动力学曲线能够分析出PS Ⅱ反应中心的活性，各植株的Fm值由高到低依次是‘卧龙’‘大叶红’‘42号’‘浏阳红’，各植株的Fv值由高到低依次是‘卧龙’‘大叶红’‘浏阳红’‘42号’。Fv/Fm表示植物潜在的最大光合能力，Fv/Fo代表光系统PS Ⅱ的潜在光化学活性，其值越高说明植物的光合性能越强，二者也是植物发生光抑制的敏感指标，可用于评估植物对环境的适应性，检验植物生长是否受到抑制[38-40]。一般植物不受胁迫的Fv/Fm值为0.75 ～0.85。本试验中，‘42号’的Fv/Fm值小于0.75，说明此时叶片已经受到胁迫。‘42号’的NPQ 在光照120 ～180 s 时出现上升趋势，是为了维护PS Ⅱ反应中心，而促发本身的保护机制来耗散掉多余的能量，而PQ 出现下降趋势在一定程度上表示PS Ⅱ反应中心开放程度的下降，适应光合作用能力的下降[41]，表明外界胁迫在一定程度上抑制了‘42号’的光合作用。‘卧龙’和对照的Fv/Fo值和Fm/Fo值明显高于‘42号’，说明三者较‘42号’具有更高的PSⅡ潜在光化学活性和电子传输活性。有研究报道，逆境胁迫会使植物叶绿素荧光参数Fm、Fv/Fm、Fv/Fo和Fm/Fo降低，Fo升高[42-43]，这与本试验中‘42号’叶绿素荧光参数的变化相一致。与对照植株相比，匍匐突变植株‘卧龙’的整个光系统机制更强，能够更好地适应环境；而垂枝突变植株‘42号’因秋季变色落叶形成自我保护机制，不利于植株整体光合作用的进行，导致与对照植株存在显著差异。

由于受到本试验中所选材料数量的限制，其生长年限不一致，仅设计了3 个重复处理，受植物生长阶段等因素的影响，研究结果具有一定局限性。为了选育综合性状优良的檵木资源，后续将进一步研究檵木生长指标与光合特性的相关性。