不同地黄品种光合特性的比较研究＊

吴廷娟，田梦平，谢小龙

（河南中医药大学药学院 郑州 450046）

植物的光合速率是影响植物产量和品质的重要因素[1]，也是评价品种优劣的重要条件。而植物光合作用的强弱受植物种类、品种特性和各种环境因子的影响[2-3]。

地黄(Rehmannia glutinosa)为玄参科植物，是我国著名的4 大怀药之一，主产于河南温县、武陟、沁阳等地。由于地黄栽培历史悠久，造成栽培类型和品种多样化[4-7]。不同地黄品种的叶片形状[8]、叶绿素和花青素含量及光合特性均具有显著差异[9]，而且对不同栽培管理措施的响应也不同[10]。野生地黄叶片的净光合速率在一天中呈双峰，具有明显的午休现象，叶片净光合速率主要受光照强度和胞间CO2浓度影响，而受空气相对湿度、气温、蒸腾速率、气孔导度影响较小[4]。同时不同地黄品种间的光合色素含量差异显著，并与叶色的深浅有关[5]。但现在有关地黄光合特性，尤其是针对众多栽培品种的光合特性的研究甚少。

本研究通过对不同地黄栽培品种的光合特性进行比较研究分析，有助于了解不同地黄种质资源的生产潜能，对科学栽培管理以及优良地黄品种选育有着重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料

本实验于河南中医药大学地黄种质资源圃进行。共有10 个地黄品种，分别为沁怀1 号、红薯王、怀丰、May-85、金九、小黑英、狮子头、野生、83 抚育和9302。地黄于2015 年4 月份种植，实验采取随机区组设计，每个品种重复3 次，每小区1 m2。采取条播的方法，行距15 cm，株距10 cm。地黄种栽均来自河南中医药大学地黄种质资源圃。

1.2 方法

1.2.1 叶片叶绿素含量的测定

选用便携式叶绿色测定仪测定叶绿素含量。每小区选择3株，每株选择1片具有相同叶龄和长势的叶片进行测定，每片叶重复测定5次，计算平均叶绿素含量。

1.2.2 光合速率相关指标测定

试验测定仪器为美国拉哥公司生产的便携式光合作用测定仪Li-6400（Li-Cor6400, Li-Cor Inc.,Lincoln, USA）。选择晴朗天气从9:00-11:00，每小区随机选择3 株，然后分别选择1 片长势、叶龄和叶向一致的叶片进行测定。系统测定叶片净光合速率(Pn)、胞间 CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、叶室内的光合有效辐射(PAR)、大气相对湿度(RH)和大气温度（Tair）等相关参数的变化。水分利用效率(WUE) =Pn/Tr。每片叶片重复测定3 次，由测定仪自动输出数据，分别取所测3株共9次数据的平均值。

1.2.3 光响应曲线的测定

选取每株生长良好的健康成熟叶，于晴天用便携式光合作用测定仪Li-6400（Li-Cor6400, Li-Cor Inc.,Lincoln,USA）进行光响应曲线测定。使用红蓝光源叶室进行测定，光响应曲线测定设定参比室中CO2浓度为400 μmol•mol-1，叶室温度控制在（30±0.5）℃，相对湿度控制在（40±5）%，光响应曲线设置 2 000、1 500、1 000、800、600、400、200、150、100、50、25、0 μmol·m-2·s-1共12个光照强度梯度。在测定光响应曲线之前，先将仪器设定好估测的饱和光强和最适CO2浓度，对地黄叶片进行光诱导30 min。待仪器的净光合速率（Pn）参数稳定在小数点之后1位时开始记录数据。每个品种随机选择3 株生长良好的植株，每株选择1 片健康成熟叶片进行3 次重复测定，尽量保持叶片在植株上原位测量。然后用叶子飘模型拟合光响应曲线，得到光响应曲线的初始斜率(α)、饱和光强(Isat)、最大净光合速率(Pnmax)、光补偿点(Ic)和暗呼吸速率(Rd )等指标。

1.2.4 CO2响应曲线的测定

选取每株生长良好的健康成熟叶，于晴天用便携式光合作用测定仪Li-6400（Li-Cor6400, Li-Cor Inc.,Lincoln,USA）进行CO2响应曲线的测定。该仪器配置有CO2注射器，可对叶室提供一个稳定可调节的CO2气源，测定中用CO2钢瓶提供不同CO2浓度。测定时设定叶室中光合有效辐射为光合有效辐射强度（PAR）控制在 1 000 μmol·m-2·S-1，参比室CO2浓度从400 μmol·mol-1降到 0 μmol·mol-1，然后再从 0 μmol·mol-1升至 2 000 μmol·mol-1，即 400、300、200、100、50、400、400、600、800、1 000、1 200、1 500、1 800、2 000 μmol·mol-1，共14个CO2浓度水平，进行3次重复测定。

1.3 数据处理与分析

本实验所有原始数据用先Excel 2007 进行整理。用软件SPSS 16.0 进行单因素方差分析和相关性统计分析，显著水平取P<0.05，并用Duncon 法进行多重比较。进行光响应曲线和CO2响应曲线拟合时，分别用光合计算软件对所测得光合数据根据叶子飘模型进行光响应曲线和CO2响应曲线的拟合，得到各项光合参数，再分别对各项光合参数在10个地黄品种间做单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同地黄品种叶片叶绿素含量和水分利用效率

图1 10个地黄品种的叶片叶绿素含量和水分利用效率（WUE）

由图1a可以看出，10个地黄品种间的叶片叶绿素含量差异不显著（F= 1.74，P> 0.5）。但多重比较发现，沁怀1 号的叶片叶绿素含量最高（60.7 mg·g-1），显著高于狮子头(51.7 mg·g-1)和野生(50.9 mg·g-1)的地黄叶片叶绿素含量，而其它品种间无显著差异。

由图1b 可以看出10 个地黄品种间的水分利用效率差异显著（F= 4.86，P< 0.01），其中83 抚育（5.8 μmol·mol-1）和野生（5.6 μmol·mol-1）的水分利用效率显著高于其它品种，而其它品种间无显著差异，均在3.2-3.9 μmol·mol-1之间。

2.2 不同地黄品种的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率

由图2a可以看出，10个地黄品种间的叶片净光合速率间存在显著差异（F=28.65，P<0.01）。其中金九的净光合速率最高(14.6 μmol·m-2·s-1)，显著高于其它品种。其次是May-85、小黑英和狮子头的叶片净光合速率分别达 12.5、12.1 和 11.7 μmol·m-2·s-1，且三个品种间差异不显著。品种9302 的净光合速率最小（6.1 μmol·m-2·s-1），显著低于其它品种。

由图2b可以看出，10个地黄品种间的气孔导度间存在显著差异（F=15.38，P<0.01），其中沁怀1号、May-85、金九和狮子头的气孔导度在0.16-0.19 mol·rn-2·s-1之间，均显著高于其它品种。其次是红薯王、怀丰和小黑英，其气孔导度在 0.12-0.13 mol·rn-2·s-1之间。83抚育和 9302 的气孔导度最小，在 0.7-0.8 mol·rn-2·s-1之间，显著低于其他品种。

由图2c 可以看出，10 个品种间的胞间CO2浓度存在显著差异（F=10.26，P< 0.01），其中小黑英的胞间CO2浓度最高（268.7 μmol·mol-1)，显著高于金九、怀丰、9302、野生（依次为 251.7、247.8、243.8、240.2 μmol·mol-1）。83抚育的胞间CO2浓度最低，显著低于其他品种，仅为213.9 μmol·mol-1。

由图2d可以看出，10个地黄品种间的叶片蒸腾速率差异显著（F= 12.41，P< 0.01），其中金九、沁怀1号、May-85 和狮子头的叶片蒸腾速率最高，分别为3.7、3.2、3.3 和 3.4 mol·m-2·s-1；野生、83 抚育和 9302 的叶片蒸腾速率最低，分别为2.1、2.0和1.6 mol·m-2·s-1。

2.3 10个地黄品种的光响应曲线

图2 10个地黄品种的光合参数

从图3可以看出，10个地黄品种的叶片Pn 值对光的响应曲线有差异。在相同的光照条件下，10个地黄品种的Pn值在光照强度为0-500 μmol·m-2·s-1范围内随着PAR的增强，Pn迅速增加。PAR在500-1 000 μmol·m-2·s-1范围内，Pn上升缓慢。在PAR在1 000-2 000范围内，10 个地黄品种的Pn 表现出不同变化趋势。在1 000-2 000 μmol·m-2·s-1范围内，85-5、金九、狮子头、83抚育、和9302保持稳定或略有下降；小黑英、红薯王保持缓慢的持续增加；怀丰和沁怀1 号保持持续下降。

由表1 可以看出，10 个地黄品种最大净光合速率在 7.99-13.15 μmol·m-2·s-1之间，怀丰的最高为 13.15 μmol·m-2·s-1，83抚育的最低为7.99 μmol·m-2·s-1；光饱和点在770.52-1 109.20 之间，其中May-85 最高，表明其利用强光的能力最强，野生的最低。光补偿点在51.09-124.62 μmol·m-2·s-1之间，其中狮子头的最高为 12.64 μmol·m-2·s-1，85-5 的 最 低 为 51.09 μmol·m-2·s-1。多重比较发现，狮子头的暗呼吸速率显著高于怀丰和85-5 和野生；狮子头的光补偿点显著高于May-85。

2.4 10个地黄品种CO2响应曲线

从图4 可以看出，10 个地黄品种的叶片Pn 值对CO2的响应曲线趋势一致。CO2浓度在0-600 μmol·mol-1范围内，随着CO2浓度的增加，净光合速率迅速增加。CO2浓度在600-1 000 μmol·mol-1范围内，净光合速率增加速率变慢。CO2浓度在1 000-2 000 μmol·mol-1范围内，净光合速率缓慢增加，不同品种间表现略有差异。

图3 10个地黄品种的光响应曲线

表1 10个地黄品种的光响应曲线相关参数

由表2 可以看出，10 个地黄品种间的光呼吸速率在 3.45-5.68 μmol·mol-1之间，其中小黑英的最高，显著高于83 抚育的光呼吸速率，其他品种间差异不显著。10 个地黄品种的光合能力在27.21-37.86 μmol·mol-1之间，其中May-85 的光合能力显著高于野生和83-抚育的光合能力，其他品种间的光合能力差异不显著。10 个地黄品种的CO2饱和点在1 587.89-2 247.19 μmol·mol-1之 间 ，其 中 野 生 的 为 2 247.19 μmol·mol-1，显著高于其他品种，而其他品种间的CO2饱和点无差异。10个地黄品种在CO2响应曲线的初始斜率和CO2补偿点间无差异。

2.5 光合作用参数间的相关性

通过对10 个地黄品种的光合参数的平均值间做相关分析看出（表3），地黄叶片净光合速率分别与叶片的气孔导度和蒸腾速率存在显著的正相关关系，相关系数分别为0.76和0.81（P<0.05）。叶片的气孔导度和胞间CO2的浓度间也存在显著的正相关关系，相关系数为0.68（P<0.05）。胞间CO2浓度与叶片蒸腾速率间存在积极正相关关系（R2=0.64，P<0.05），但与水分利用效率呈显著负相关关系（R2=-0.71，P<0.05）。同时，气孔导度和叶片蒸腾速率受环境相对湿度的积极影响，相关系数分别为0.93和0.91（P<0.01）。

2.6 不同地黄品种的光合特性评价

图4 10个地黄品种CO2光响应曲线

表2 10个地黄品种CO2响应曲线相关参数

表3 光合作用参数间的相关性

图5 10个地黄品种光合特性聚类分析图

光合速率的大小受内外多种因素的影响。对10个地黄品种的5个光合特性指标：净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度和水分利用效率的平均值，在SPSS 数据处理系统中，选择相似性矩阵和最远邻元素聚类法聚为4类（图5）。由聚类结果可以得出：10 个品种分为4 类：小黑英、野生和83-抚育分为一类；9302 为一类；May-85、狮子头为一类；红薯王、怀丰、沁怀1号和金九聚为一类。

3 讨论

植物叶片的净光合速率是评价一个品种光合作用强弱的一个重要指标。影响叶片净光合速率的因素分为两大方面，一方面是叶片本身如叶龄、叶形、气孔阻力、蒸腾速率、叶绿素含量及叶向等均对叶片光合速率产生影响；另一方面主要受外界环境如温度、光照强度、空气湿度等的影响[2-3]。对净光合速率和光合色素以及其它指标进行相关性分析，找出与净光合速率相关的指标，可以为生产中提高植物的光合能力提供一定的理论依据。本实验研究表明10 个地黄品种的叶片净光合速率存在极显著差异（图2a），而且主要与气孔导度和叶片的蒸腾速率有关（表3），但此结果与薛建平等的报道结果不一致。薛建平等人的研究结果表明野生地黄叶片的净光合速率日动态变化与叶片的气孔导度和蒸腾速率均无显著关系[4]，这可能与本实验所选材料和测定时间不同所造成的。另一方面，本实验结果表明叶片的净光合速率与环境温度、相对湿度和光合有效辐射均无显著关系，但薛建平等的报道指出地黄叶片的净光合速率受光照强度的显著影响，而与空气温度和相对湿度的关系不大[4]。由于本实验测定时间为10 月中旬，本实验认为当天10:00 左右的外界光合有效辐射不是限制光合速率的主要因子，具体的限制因素还有待一步研究和分析。另外，由于本实验做相关分析时用的是10个地黄品种光合特性指标的平均值，这也可能是造成本研究结果与他人研究结果差异的原因。

叶绿素含量的高低能影响叶片的光合特性。研究表明，忍冬、地黄叶片叶绿素含量与光合速率的高低呈正比[11-12]。但本实验相关分析结果表明，地黄叶片的净光合速率与叶绿素含量之间并无显著相关关系，这一点在其它作物上也有相似的报道[13]。本研究表明，10 个地黄品种叶片叶绿素含量差异不显著，这与温学森等研究结果不一致，其结果表明不同地黄品种的叶片光合色素含量差异达极显著水平[3]，这可能与测定方法的不同有关。

水分利用效率是指单位面积水分消耗所能同化的光合产物量，是一个较为稳定的衡量碳固定和水分消耗比例的指标。研究表明，干旱胁迫下小紫珠、日本荚蒾幼苗的光合速率都受到显著的影响[14-15]。通过测定WUE 能够阐明植物的气体交换特性以及抗旱性机理，从而选择出低耗水、生产效率高、抗性强的地黄品种。地黄在苗期和根系膨大期都需要保持适宜的田间持水量，才能满足光合作用的需求[16]。本实验条件下，10 种地黄叶片的WUE 在品种间差异显著（图1b），表明不同品种间水分利用能力差别较大。野生和83抚育的水分利用效率较高，较其他品种更适宜在干旱地区生长。本实验中，10 个地黄品种的胞间CO2浓度与WUE 之间呈显著负相关关系(表3)，表明胞间CO2浓度与气孔导度呈现极显著的正相关，但与净合速率均不相关，这可能与CO2的利用率有关。相关研究也表明植物的光合作用受大气CO2浓度的显著影响[17-18]，随着大气浓度CO2浓度的增加，势必会影响不同地黄品种的光合生理特性。

光饱和点和补偿点是评价植物需光特性的两个重要指标。由实验结果可知，10个地黄品种的光饱和点和光补偿点都较高，属于阳生品种，这与已有报道一致[3]。从10 个地黄品种的CO2饱和点来看，均能适应较高浓度的CO2水平。所以，随着大气CO2浓度的增加，如果在其他条件满足的条件下，将更有利用地黄的生长和产量的提高。

通过选取净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度5 个光合指标进行聚类分析把10 个地黄品种分成4 类，其中金九、沁怀1 号、怀丰、红薯王光合性能较优。在实际生产中，金九为当家品种，种植面积比较大，产量和品质均较好。所以，结合本实验研究结果，金九应加强保护，防止其优良性状退化，可推广种植。狮子头、May-85的光合特性次之，应结合产量、品质等综合特性合理进行推广种植。9302 的光合特性较差，应结合其他性状综合考虑是否适宜继续作为栽培品种。本实验结果表明这种聚类结果受选择的条件和方法影响，所以应结合实际和其他的品种特性进行综合评价。

总之，植物的光合特性对植物体内的生理生化过程具有重要的影响，也必然影响到药材的质量。虽然本实验的研究结果与已有的研究结果有一定差异，但本实验得到的基础资料对于指导地黄的品种选育具有一定的理论指导意义。这也表明在今后的研究中，还需进一步采用多种测定方法进行方法学的比较研究，同时还应与不同地黄品种的质量评价相结合，才更能反映光合特性与其质量之间的关系。