胡杨异形叶光合生理特性及其与叶形态的关系

王海珍 徐雅丽 代雅琦 韩 路

（1塔里木大学植物科学学院，新疆 阿拉尔 843300）

（2塔里木大学生命科学学院，新疆 阿拉尔 843300）

光合作用作为地球上最重要的一个生理生化过程,为植物生长发育提供了大部分物质和能量［1］。叶片是绿色植物吸收光能和形成同化力的光合器官，生长季其光合机构面临着既需要光能又要避免强光、高温等胁迫的伤害［2］。为了能够在荒漠逆境中生存和繁衍，荒漠植物在长期进化和适应过程中完善了多种抵御和减轻各种逆境胁迫的一系列形态和生理生化保护机制［3］，如与叶运动和表皮毛、蜡质减少光能捕获吸收机制，与类囊体膜能量化和叶黄素循环有关的热耗散机制［4］，与PSⅡ反应中心的可逆失活及D1蛋白周转有关的能量耗散机制［5］，与光呼吸、Mehler反应等有关的生化机制［6］，围绕PSⅠ的电子循环机制［2］，光合能力提高和反应中心功能下调［4］、修复，活性氧清除机制［7］等。这些保护机制的正常运转可以确保叶片光合作用的有效进行，然而一旦这些机制缺失或受抑制，就会降低光合功能、损伤光合机构［8］。许多研究表明，植物抵抗逆境胁迫依赖于形态结构和生理生化特征的耦合［9］，且各种保护机制究竟哪一种机制贡献最大，则因物种、生长经历和环境条件等的不同而异，也可能是多种机制协同作用［4］。因此，研究荒漠植物叶形态与光合生理性状的耦合及防御保护机制对其叶片生长发育及其树体的生长、生存均具有重要的意义。

自然界大多数植物在同一植株上成熟叶的叶形一致，但也有一些植物因不同生长阶段或环境条件的变化而呈现出不同的形状，这种同一植株上着生不同类型或多种形状叶片的现象，称为异形叶性［10］。塔里木盆地自然生长的胡杨（Populus euphraticaOliv.）具有典型异形叶性特征，随个体生长发育树冠上依次出现条形叶，卵状菱形、卵圆形、锯齿卵圆形等形状的叶片，同时随立地条件而发生变化，披针形叶随地下水位加深/土壤含水量降低逐渐消失，随后是卵形叶消失，最后整株树冠上全部为锯齿阔卵形叶［11］。这是胡杨在长期进化过程中响应异质环境使树冠上不同位置叶形态发生改变，差异化地调控叶片生理生态功能以满足生存需求，实现最佳的资源利用和避免逆境伤害，提高生境适合度和生存能力。近年来，胡杨叶形变化及其适应进化机制受到广大学者的关注，众多学者从异形叶的解剖结构［12］、光合与水分生理［11-13］、功能性状［14］等方面展开了研究，大多研究结果均表明胡杨阔卵形叶光合效率、保水能力与抗逆能力高于条形叶［12-13］，认为胡杨异形叶性是长期适应干旱荒漠环境在结构与功能上形成了独特的适应机制。也有研究表明，胡杨异形叶性与个体发育阶段密切相关［15］。目前对胡杨异形叶形态性状与光合生理性状的权衡及耦合关系研究鲜见报道，为此本文以胡杨3种典型异形叶为试验材料，研究异形叶气体交换、叶绿素荧光参数与形态性状的差异及其相互关系，探讨异形叶光合功能与形态性状的权衡适应策略，旨在揭示胡杨逆境生存竞争过程中的叶形分化机理与适应进化机制。

1 材料与方法

1.1 供试材料

在阿拉尔市塔里木大学东门外人工林内选择生长旺盛、无病虫害、叶形分化明显的15株胡杨成年个体，分别选择树冠不同位置3种典型异形叶（条形叶、卵形叶、锯齿阔卵形叶—文中简称锯齿叶）挂牌进行气体交换与叶绿素荧光参数的测定，测定时将枝条拉至同一高度活体测定。

1.2 净光合速率的测定

2019年8月中旬选择晴朗无云的天气，利用Li-6400便携式光合仪（LI-COR，USA）测定胡杨3种成熟异形叶单位面积Pn、Gs、Tr等生理指标，同时仪器自动记录光合有效辐射（PAR）、气温（Tair）、大气相对湿度（RH）等环境因子。测定时间为9:30至13:00，每株测定3～5个叶片。其中，光源为系统提供的红、蓝光源（6400-02B），光强设置为光合有效辐射（PAR）1 500 μmol·m-2·s-1，CO2浓度为 370±10 μmol·mol-1，其由Li-6400液化CO2钢瓶提供，叶片温度控制在25±2℃。水分利用效率WUE=Pn/Tr，光能利用率LUE=Pn/PAR，及单位质量叶净光合速率（Pnmass）［16］。

1.3 叶绿素荧光动力学参数测定

测定前叶片经过一夜充分暗适应，于次日清晨日出前（PAR＜20 μmo1·m-2·s-1）利用 PAM-2 100（Walz,Germany）便携式脉冲调制式叶绿素荧光仪测定3种异形叶F0（初始荧光）、Fm（最大荧光）、Fv（可变荧光）、Fv/Fm（PSII最大光化学量子效率）。

夏季9:30-13:00与净光合速率同步测定光适应下叶绿素荧光参数日变化。光适应下叶绿素荧光参数包括：稳态荧光（Ft）、初始荧光（F0′）、最大荧光（Fm′）、PSII实际光化学量子效率（ΦPSII）、光合电子传递速率（ETR）、光化学猝灭系数（qP）和非光化学猝灭系数（NPQ）。计算PSII激发能压力（1-qP）、光合功能相对限制（LPFD）、光系统间激发能分配不平衡偏离系数（β/α-1），其中β为PSII激发能分配系数，α为PSI激发能分配系数。PSII天线色素吸收光能被用于光化学反应能量（P）和天线热耗散能量（D）及以荧光形式耗散能量（E），D+P+E=1，以上参数计算参考文献［3,17-18］。

1.4 光合色素含量的测定

剪下每株挂牌标记的异形叶，用湿润纱布包裹装入自封袋中并置于冷藏采样箱带回实验室。3种异形叶各10片（每株1片）去除主脉、剪碎混合，用80%丙酮浸泡置于实验柜黑暗48 h，过滤后用分光光度计测定光合色素含量，3次重复。

1.5 叶形态性状与养分含量测定

上述采样叶片使用游标卡尺测量距离叶主脉两侧约3 mm处的厚度，平均值即叶厚度；用直尺测量叶长与叶宽。用扫描仪扫描每个自封袋中的叶片，用Image J软件计算总叶面积，总叶面积除以叶片数得到单叶面积；随后使用万分之一天平称量叶片鲜重，置于烘箱中105℃杀青15 min，再用80℃烘干48 h，取出称叶干重，计算比叶面积，叶片干物质含量，叶片含水量，最后将烘干叶片粉碎、消煮，采用凯氏定氮法测定单位质量叶氮含量，钼锑抗比色法测定单位质量叶磷含量，火焰光度计测定单位质量叶钾含量，重复3次。计算单位面积叶氮含量（Narea），及光合氮利用率（PNUE）［16,19］。

1.6 数据处理方法

首先对胡杨3种典型异形叶的形态性状、光合荧光参数求算术平均值和标准偏差，采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和Duncan法进行多重比较。利用Pearson相关性分析，明晰叶形态、光合性状之间的权衡关系，并采用逐步回归分析建立异形叶光合能力（Y，以净光合速率表征）与其它功能性状（X）的关系模型，筛选影响异形叶光合能力的因子。统计过程采用SPSS 19.0完成，用Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 胡杨异形叶光合色素含量比较

卵形叶Chla、Chlb、Chl（a+b）比值最高，锯齿叶Chla/b含量最高，条形叶均最低；卵形叶与锯齿叶Ch-la、Chl（a+b）、Chla/b无显著差异，但均与条形叶差异显著（P＜0.05）（表1）。3种异形叶Car含量差异不显著（P＞0.05），锯齿叶Car含量最高，分别高于条形叶、卵形叶7.94%、6.94%；但条形叶Car/Chl（a+b）比值最高，与卵叶形之间差异显著（P＜0.05）。

2.2 胡杨异形叶光合生理性状的比较

表2可见，胡杨3种异形叶光合气体交换参数差异明显。卵形叶Pn、Tr、Gs、WUE、LUE均最高，条形叶则均最低；锯齿叶Ci最高。卵形叶Pn、LUE、WUE分别比锯齿叶、条形叶高23.81%、46.46%，14.43%、27.70%，15.60%、40.40%。卵形叶Pn与锯齿叶、条形叶差异极显著（P＜0.01），卵形叶、锯齿叶Gs、Ci与条形叶差异显著（P＜0.05），卵形叶Tr、LUE、WUE与条形叶差异显著（P＜0.05）。

胡杨3种异形叶的光能捕获与利用、能量分配与耗散能力差异明显。锯齿叶Fv/Fm、Fv′/Fm′、ETR、NPQ、D最高，卵形叶ΦPSII、qP与P最高，而条形叶E、1-qP、β/α-1、LPFD均最高，表明夏季强光高温条件下条形叶光能捕获、吸收与转化效率低，光系统受抑最严重。方差分析表明，锯齿叶、卵形叶Fv/Fm、Fv′/Fm′、ΦPSII、qP、P与条形叶差异显著（P＜0.05），锯齿叶ETR、NPQ分别与条形叶、卵形叶差异显著（P＜0.05）。条形叶1-qP、β/α-1与卵形叶差异显著（P＜0.05），E、LPFD与卵形叶、锯齿叶差异均显著（P＜0.05）。

续表2

续表2

2.3 胡杨3种异形叶功能性状差异及其相互关系

胡杨3种异形叶功能性状明显不同（表3），叶长、叶宽与长/宽比均达极显著差异（P＜0.01）。叶片厚度锯齿叶最厚，与其它2种叶形差异显著（P＜0.05）；卵形叶叶面积最大、锯齿叶居中，均与条形叶差异显著（P＜0.05）。条形叶SLA最大，分别高于卵形叶、锯齿叶8.66%、15.41%，其与锯齿叶差异显著（P＜0.05）。叶N含量、单位质量叶光合速率、光合氮利用率卵形叶最高，与其它2种叶形差异显著（P＜0.05）；单位面积叶氮含量、叶P含量以卵形叶最高，其与条形叶差异显著（P＜0.05）；锯齿叶K含量最高，与条形叶差异显著（P＜0.05）。3种异形叶叶片含水量，叶干物质含量均无显著差异（P＞0.05）。综上可见，卵形叶LN、LP含量、LA、Pnmass、PNUE、Narea最高，锯齿叶LW、LD、LK、LDMC含量最高，条形叶LN、LP、LK、LDMC含量、LW、LA、LD、Narea、Pnmass、PNUE均最小且SLA、LL最大。

表3 胡杨3种异形叶功能性状比较

续表3

由表4可见，胡杨异形叶LL、LW、LL/LW与大部分光合生理性状呈显著或极显著的相关，其中LL与Tr、WUE、LUE、Fv′/Fm′、qP、ΦPSII、Fv/Fm呈极显著负相关（P＜0.01），与NPQ、LPFD、D+E、β/α-1、1-qP呈极显著正相关（P＜0.01）；LW与Tr、WUE、LUE、Fv′/Fm′、qP、ΦPSII、Fv/Fm呈极显著正相关（P＜0.01），与NPQ、LPFD、D+E、β/α-1、1-qP呈显著负相关（P＜0.05）。LA与WUE、Fv′/Fm′、qP、ΦPSII、Fv/Fm呈显著正相关（P＜0.05），与LPFD、D+E、β/α-1、1-qP呈显著负相关（P＜0.05）。LDMC 与WUE、LUE、Fv′/Fm′、Fv/Fm呈显著正相关（P＜0.05），LN与Pn、Tr呈极显著正相关（P＜0.01），PNUE与Pn呈极显著正相关（P＜0.01）。表明胡杨异形叶长宽比的变化直接影响其光合生理功能，二者相互耦合来适应干旱荒漠环境。

表4 胡杨异形叶形态性状与光合生理性状的相关性

2.4 影响胡杨异形叶光合能力的因素

采用逐步回归分析胡杨3种异形叶光合能力与叶功能性状之间的关系（表5），表明影响胡杨3种异形叶光合能力的主要因素明显不同。条形叶主要受Gs、PNUE和SLA的影响，锯齿叶主要受用于光化学电子传递的光能份额及转化成化学能的效率（qP）和LP、LD的影响，而卵形叶主要受Fv′/Fm′和SLA的影响。

表5 胡杨异形叶光合能力与叶功能性状的回归分析

3 讨论

叶片作为植物体暴露在环境中表面积最大的器官，对异质环境具有较强的感知能力，而异质环境使植株上不同位置叶片可获得性资源数量发生变化，从而迫使植物需要适时调整其功能性状。植物通过叶面积、叶厚等功能性状在形态结构上的可塑性［20］，差异化地调控叶片Pn、Tr、LUE、WUE、ΦPSII、ETR、NPQ等生理生态功能，以提高植物对环境空间异质性的适应能力和生境适合度［21］，使自身能更好地适应异质环境和促进种群繁衍。着生在胡杨树冠不同高度的3种典型异形叶Pn、Tr、LUE、WUE、Chl（a+b）、Fv′/Fm′、qP、P随LA增大而增大；Fv/Fm、D与Car含量随LD增大而增强，荧光辐射耗散能则随LD增大而减少，且LL、LW与大部分光合生理性状显著相关，反映出叶构建模式的改变直接影响异形叶光合生理功能。

荒漠异质环境下胡杨3种异形叶气体交换参数均存在显著差异，以卵形叶Pn、Tr、Gs、WUE、LUE 最高，锯齿叶居中，条形叶最低；同时条形叶qP、ΦPSII、Fv′/Fm′、ETR均低于卵形叶、锯齿叶，表明条形叶光合碳同化能力的降低与PSII功能降低有关。这与陈志成等［22］报道树冠上部叶片的Pn、Tr、Gs、WUE、LCP、光合同化力（Fv′/Fm′、ΦPSII）显著高于树冠下部叶片相一致。分析原因是由于胡杨树冠下部为条形叶，叶细长和叶面积小致使其捕光面积不足；同时强光下其光系统发生光抑制程度高（Fv/Fm降低），导致Pn低，但低Pn难以满足幼龄个体快速生长的需要。随树体长高，树冠下部的条形叶处于弱光环境，光竞争就成为其生长面对的首要问题，条形叶为保证在有限的光环境中获得最大的碳同化速率，需要加强营养物质投资（LN）、增大LW、LA进行叶内生物量的权衡分配和叶构型塑造的调整，形成薄而高SLA叶片，增加捕光面积，且薄叶片能够使CO2和水分等从气孔到达叶绿体的路径缩短，有利于光透过和光能吸收［23］；同时通过Chla/b和光补偿点下降、表观量子效率增加等生理变化增强对弱光的吸收利用［11］。但条形叶低的光合酶活性、叶肉细胞羧化效率不能有效地将捕获光能转化为化学能［11］，增大了吸收光能向以荧光形式的耗散和热耗散途径的能量分配，导致PSII过量激发能的积累，产生严重的光抑制，因而qP、ETR、ΦPSⅡ最小，1-qP、β/α-1、LPFD均最高，致使条形叶LDMC、光合能力低。

卵形叶生长在树冠顶端新梢上部，具有明显的顶端优势，养分优先供应使叶片N、P、Chl（a+b）含量高，促进细胞分裂、扩展和增大了LW、LA、叶绿体数目；大叶片增加了叶片捕光面积，N、P素更多用于构建光合机构和光合磷酸化、电子传递，从而提高了叶片Fv′/Fm′、ETR，使其Pn、PNUE最高；增大 LW、LA会促进叶片与周围的空气进行热量交换，降低叶片温度，减少高温环境对叶片的胁迫，通过减少热耗散能量而更多地分配给光化学反应，因而qP、ΦPSII、P比例最大。卵形叶Pn、WUE、PNUE、LDMC、SLA分别是条形叶的1.46倍、1.27倍、1.19倍、1.06倍、0.92倍，表明胡杨叶形态变化有助于增强其生理功能和适应能力。研究表明，PNUE是一个与叶片生理、形态及适应环境机制有关的重要指标，是种间光合能力变异的最主要因子之一。PNUE高的植株意味着有更多的氮用于构建光合机构，使其叶绿素含量更高，生长更快，生产力更高［24］。SLA能客观准确地反映植物对水分的利用效率及其获取资源、适应贫瘠环境的能力和强光下的自我保护能力［16］。因此，卵形叶比条形叶的生产力和应变能力更强，更能适应异质强光环境。但卵形叶LD与Fv/Fm均低于锯齿叶。

锯齿叶生长在树冠中、上部的短枝上，是树冠上分布最多、占绝对优势的叶形。胡杨为更好适应严酷的荒漠环境，就必须在增加资源获取能力的同时提高物质能量的转化及利用效率。因为，锯齿叶若继续将有限资源投入到叶面积扩大上不但延缓了叶片的散热时间，还会加重了植株的蒸腾失水，使其处于不利的竞争态势。所以锯齿叶趋向于选择增加叶厚度和叶柄长度，形成厚、宽且小SLA的叶片，一方面增加叶厚将更多的干物质、N、K素用于构造细胞壁、保卫结构和叶肉细胞密度，增加栅栏组织［12］，增强抗逆性和避免强光对叶片的伤害作用［25］，从而使用于构造光合蛋白质的氮相应减少，导致Pn、PNUE降低；但较高的LP含量直接参与氧化磷酸化和光合磷酸化，一定程度上可维持其较高Pn。同时叶厚增加使水力导度和水汽进出表皮的阻力增大，在细胞出现质壁分离时保持高的含水量，达到减少植株内部水分散失而降低Tr；而且较长的叶柄可使叶片更易摇摆，从而增加叶表面的有效风速而降低叶温，避免大量蒸腾失水［15］。另一方面小SLA叶片具有较高的热交换能力和强调控生理代谢能力，提高了非辐射能量（热）耗散，导致NPQ和D较高，P、qP、ΦPSII降低，实现通过自身调节机制耗散掉过剩的光能达到自我保护的目的，这与低SLA植物能够更好地适应资源贫瘠和强光、干旱环境的结论一致［26］。可见，锯齿叶通过改变生物量分配和牺牲部分光合能力而增强抗逆能力，有助于防止叶片过度失水和提高叶片的生境适应能力，体现出锯齿叶通过异质环境对叶性状的塑造以更好适应荒漠环境而产生的一种自我保护的生存策略。因此，胡杨同化器官叶形态随着生树冠不同高度环境的变化发生了相应的改变，是其适应荒漠环境变化和满足生长转变需求在叶形态结构、功能上进化出的生存策略。

4 结论

（1）胡杨异形叶叶长、宽、长/宽、叶面积、干物质含量与光合生理性状显著相关，反映出叶构建模式的改变直接影响异形叶光合生理功能。条形叶光合能力主要受SLA、Gs和PNUE的影响，锯齿阔卵形叶受qP、LD和LP的影响，而卵形叶则Fv′/Fm′和SLA的影响。

（2）卵形叶属高Pn、Tr、LUE、WUE和光能吸收转化效率高的叶形，锯齿阔卵形叶叶厚、耐强光（Fv/Fm）、ETR和Car含量高，以NPQ形式清除过剩激发能保护光合机构的正常运转，维持较高的Pn和干物质生产；条形叶叶薄、SLA高、Chla/b低，吸收光能主要用于非辐射能量耗散（D+E），光抑制程度重，光合效率低。

（3）胡杨3种异形叶形态性状与光合生理性状的权衡策略不同，通过改变叶形态性状（LW、LD、LA、SLA）差异化调整异形叶的光合生理功能，形成不同的生理生态适应策略。