基于光合特性的不同欧李种质资源评价

2021-07-09王占军何建龙

经济林研究 2021年2期

田英，朱强，尹蓉，王占军，何建龙

（1.宁夏大学农学院，宁夏银川 750021；2.宁夏林业研究院种苗生物工程国家重点实验室，宁夏银川 750004；3.宁夏农林科学院荒漠化治理研究所，宁夏银川 750002）

光合作用是植物维持自身生存和发展的基础。光合的变化反映着植物对环境的适应能力，可以作为判断植物生长和抗逆性的指标[1]。植物进行光合作用的主要器官是叶片，主要载体是叶绿素，叶绿素含量可以反映植物光合能力和营养状况，因此，通过计算叶绿素含量也可分析植物与环境间的关系问题[2-3]。同一植物不同种质的光合性能存在一定差异，相关研究主要针对小麦[4]、玉米[5]、水稻[6]等粮食作物和枣[7]、油茶[8]等经济林树种。于文颖等[9]研究了小麦花期轻度干旱胁迫有利于其光合作用，随着干旱程度的加大，干旱胁迫可促使小麦叶片气孔变小，使其光合速率下降。王丹等[10]就不同耕作方式对小麦光合性能和产量形成的影响问题开展了研究，结果表明，免耕小麦的叶绿素含量最高，免耕有利于灌浆后期小麦叶片捕捉更多的光能以供植株进行光合作用，从而达到增产的目的。王丽华等[11]研究了饲用、加工用和粮饲兼用等不同利用类型的小黑麦光合特性的差异情况，结果表明，饲用型和粮饲兼用型小黑麦的净光合速率大于加工型的，抽穗期饲用型小黑麦的净光合速率最大，开花期粮饲兼用型小黑麦的净光合速率最大。光合作用能力与植物生长表现和生产性能均有直接关系，所以光合参数是植物种质资源评价和筛选需要重点考虑的指标。

欧李Cerasus humilis（Bge.）Sok 是蔷薇科樱属丛生型灌木，是我国北方特有的野生植物资源，欧李果肉中所含钙的质量分数高达524 mg·kg-1，是普通水果的2～10 倍[12]，故其商品名又称为“钙果”。欧李野生资源主要分布于我国黑龙江、辽宁、内蒙古、河北、山西等北方地区，常生长在海拔100～1 800 m 的沙地、草地、山地的阳坡上。欧李全身都是宝，其果实既可鲜食，也可用于提取花青素，其果仁可入药；其枝条和叶片均可用来制作动物饲料，故欧李也是很好的饲草用灌木资源；其植株还具有较高的观赏价值，可以用作新型园林观赏树种[13]。欧李的根系十分发达，具有耐寒、耐旱、耐贫瘠等特性，可以改良土壤结构，改善生态环境，防止水土流失，是重要的防风固沙、治理水土流失的先锋树种，可在我国西北地区大面积栽种，已被国家林业和草原局列为生态林优良树种。近几年，欧李越来越为人们所关注。目前，有关欧李光合作用方面的研究主要集中在干旱[14-15]和盐碱胁迫[16]对其光合生理的影响等方面，而关于不同欧李种质资源的光合特性和叶绿素相对含量的差异情况的研究报道却较少。为给欧李优良适生品种资源的区域筛选及其栽培应用提供理论依据，本研究对宁夏银川典型人工沙地（银川植物园）2017年度引进的不同欧李种质资源的光合特性和叶绿素相对含量进行了测定与分析，以阐明欧李不同种质资源之间光合生长的差异性。

1 材料与方法

1.1 引种试验地概况

引种试验地位于宁夏回族自治区银川市金凤区良田镇银川植物园内（107°22′ E，38°28′ N）。试验区海拔1 115 m，属于中温带半干旱大陆性气候，气候干燥、降雨稀少、蒸发量大、风大沙多，昼夜温差大，常年刮风，降水集中在7—9月，年均气温10.1 ℃，年均降水量180 mm，年均蒸发量1 880 mm。1月平均最低气温-15.2 ℃，极端最低气温-27.9 ℃；7月平均最高气温30.1 ℃，极端最高气温37.2 ℃；相对湿度45%～66%。土壤类型为沙壤土，质地疏松，较为瘠薄，其有机质含量为4.12 g/kg，pH 值为8.51。

1.2 引种材料

供试的10 个欧李试验材料为株高70.0 cm、地径0.2 cm 的不同欧李种质资源3年生扦插苗，均是近年来选育出的栽培品种或品系，以银川植物园内收集的从山西太行山引进的野生毛叶欧李为对照，其树龄与其他供试品种或品系的一致，所有试验材料的基本信息见表1。2017年春季，将10 个欧李种质资源和毛叶欧李（CK）整齐一致的3年生扦插苗统一定植于银川植物园欧李种质资源圃内，采用大田常规穴植的方式种植，栽植前对地块进行机械平整、施足底肥、旋地后，挖定植穴，定植的株行距为0.8 m×1.2 m，每个种质的栽培面积各0.3 hm2，为保证授粉，每个种质资源间隔4 行定植，随机重复。定植前对根系修剪，栽后浇足定根水；栽后随即对地上部分枝条进行平茬修剪，留茬高度为5 cm，以降低损耗，促进根系生长和基生枝萌发，根据土壤情况进行适时补水等日常管理。

表1 供试材料的基本信息Table 1 Test material information

1.3 测定方法

1.3.1 光合指数

2019年8月中旬，采用GFS-3000光合仪（Heinz WalzGmbH 公司，德国）进行测定，每个种质各选长势良好的植株3 株，每株上随机选取1 个主枝，在晴天的10:00 时测定第4 片无病虫害和机械损伤的功能叶的光合参数。测定参数主要包括净光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）、气孔导度（Stomatal conductance，Gs）、胞间CO2浓度（Intercellular CO2concentration，Ci）、蒸腾速率（Transpiration rate，Tr）和水分利用效率（Water use efficiency，WUE）。

水分利用效率（WUE）=光合速率（Pn）/蒸腾速率（Tr）。

1.3.2 叶绿素相对含量的测定

用SPAD 值表示叶绿素相对含量，采用日本Minolta 公司生产的美能达牌SPAD-502 手持便携式叶绿素仪，按照李文杨等[17]的方法，于晴天的10:00 时，每个种质各选长势良好的植株3 株，选取无病虫害、生长发育正常的结果枝上的中部叶片进行测定。

1.4 数据处理

采用Excel 2010 软件进行数据统计和作图，采用SPSS 22.0 软件进行数据分析、方差分析（ANOVA）和相关性分析，采用Duncan 法（检验水平α=0.05）进行多重比较。

1.5 不同欧李种质的综合评价

采用隶属函数分析法对供试的11 个欧李种质资源叶片的SPAD、Pn、Gs、Ci、Tr和WUE 这6 个指标进行综合评价。

隶属函数的计算公式为：

反隶属函数的计算公式为：

式中，Xi为各光合参数的测定值，Xmax与Xmin分别为所有参试材料某一参数的最大值和最小值。当某一光合参数与欧李的生长适应性呈正相关时，使用式（1）计算其隶属函数值；当某一光合参数与欧李的生长适应性呈负相关时，则用式（2）计算其隶属函数值。

2 结果与分析

2.1 叶片叶绿素相对含量的差异分析

叶片叶绿素含量是反映植物光合同化能力与生长情况的重要指标，叶绿素相对含量SPAD 值越高，叶绿素含量越高，表明植物的生长能力越好[18-19]。不同种质欧李叶片的SPAD 值如图1所示。由图1可知，不同种质欧李叶片SPAD 值的差异显著，其SPAD 值从大到小依次为：农大7 号＞农大6 号＞农大3 号＞农大4 号＞京欧1 号＞农大9 号＞农大5 号＞京欧2 号＞燕山1 号＞CK＞哈波1 号。欧李叶片的SPAD 值，农大7 号显著高于京欧2 号、燕山1 号、CK 和哈波1 号（P＜0.05），哈波1 号显著低于京欧1号、农大4 号、农大3 号、农大6 号和农大7 号（P＜0.05）。

图1 不同种质欧李叶片的SPAD 值Fig.1 Leaves SPAD value of different C.humilis germplasm

2.2 叶片光合参数的差异分析

2.2.1 净光合速率的变化规律

不同种质欧李叶片的净光合速率（Pn）如图2所示。由图2可知，11 个种质欧李叶片的Pn为0.92～7.94 μmol·m-2·s-1，其Pn值从大到小依次为：京欧2 号＞京欧1 号＞农大5 号＞农大4 号＞农大7 号＞农大6 号＞燕山1 号＞农大3 号＞哈波1 号＞农大9 号＞CK。其中，京欧2 号的Pn值是CK 的8.6 倍；京欧2 号显著高于除京欧1 号以外的9 个品种（P＜0.05）；CK 显著低于农大4 号、农大5 号、京欧1 号和京欧2 号（P＜0.05）。

图2 不同种质欧李叶片的净光合速率Fig.2 Net photosynthetic rate of different C.humilis germplasm

2.2.2 气孔导度的变化规律

不同种质欧李叶片的气孔导度（Gs）如图3所示。由图3可知，11 个种质欧李叶片的Gs值为15.28～127.55 μmol·m-2s-1，其Gs值从大到小依次为：京欧2 号＞京欧1 号＞农大9 号＞燕山1 号＞农大5 号＞农大6 号＞农大4 号＞农大7号＞农大3 号＞哈波1 号＞CK。其中，京欧2 号的Gs值是CK 的8.3 倍；京欧2 号和京欧1 号均显著高于其他9 个种质（P＜0.05），但京欧2 号和京欧1 号间的差异不显著（P＞0.05）；CK 显著低于燕山1 号、农大9 号、京欧1 号和京欧2 号（P＜0.05）。

图3 不同种质欧李叶片的气孔导度Fig.3 Stomatal conductance of different C.humilis germplasm

2.2.3 胞间CO2 浓度的变化规律

细胞间CO2浓度（Ci）在一定程度上反映了叶片的光合作用和呼吸作用，且其与气孔的开放程度密切相关[20]。不同种质欧李叶片细胞间CO2浓度（Ci）如图4所示。由图4可知，不同种质欧李叶片的Ci值为246.30～317.67 μmol·mol-1，其Ci值从大到小依次为：农大9 号＞京欧1 号＞京欧2 号＞燕山1 号＞CK＞农大6 号＞哈波1 号＞农大5 号＞农大3 号＞农大7 号＞农大4 号。其中，农大9 号是农大4 号的1.3 倍；农大9 号显著高于哈波1 号、农大5 号、农大3 号、农大7 号和农大4 号（P＜0.05）；农大4 号显著低于燕山1 号、京欧2 号、京欧1 号和农大9 号（P＜0.05）。

图4 不同种质欧李叶片的胞间CO2 浓度Fig.4 Intercellular CO2 concentration of different C.humilis

2.2.4 蒸腾速率的变化规律

不同种质欧李叶片的蒸腾速率（Tr）如图5所示。由图5可知，不同种质欧李叶片的Tr值为0.61～3.50 mmol·m-2s-1，其Tr值从大到小依次为：京欧2 号＞京欧1 号＞燕山1 号＞农大5 号＞农大9 号＞农大4 号＞农大6 号＞农大3 号＞哈波1 号＞农大7 号＞CK。其中，京欧2 号的Tr值是CK 的5.7 倍；京欧2 号显著高于除京欧1 号和燕山1 号外的其他8 个种质（P＜0.05）；CK 显著低于燕山1 号、京欧1 号和京欧2 号（P＜0.05）。

图5 不同种质欧李叶片的蒸腾速率Fig.5 Transpiration rate of different C.humilis

2.2.5 水分利用效率的变化规律

水分利用效率是耦合植物光合与水分生理过程的重要指标。不同种质欧李叶片的水分利用效率（WUE）如图6所示。由图6可知，不同种质欧李叶片的WUE 值为1.65～3.22 μmol·mmol-1，其WUE 值从大到小依次为：农大7 号＞农大4 号＞农大5 号＞农大3 号＞农大6 号＞哈波1 号＞京欧2 号＞京欧1 号＞燕山1 号＞农大9 号＞CK。其中，农大7 号的WUE 值是CK 的2 倍；农大7 号和农大4 号均显著高于京欧2 号、京欧1 号、燕山1 号、农大9 号和CK（P＜0.05），而农大7 号和农大4 号之间的差异不显著（P＞0.05）；CK 显著低于农大3 号、农大5 号、农大4 号和农大7 号（P＜0.05）。

图6 不同种质欧李叶片的水分利用效率Fig.6 Water use efficiency of different C.humilis

2.3 叶绿素含量及光合参数的相关性分析

不同种质欧李叶片各光合参数间的相关性分析结果见表2。由表2可知，欧李叶片的Tr与Gs值之间呈极显著正相关（P＜0.01），其相关系数是0.978；Tr与Pn值之间也呈极显著正相关（P＜0.01），其相关系数是0.898。其Pn值不仅与Tr值之间呈极显著正相关，与Gs值之间也呈极显著正相关（R= 0.907）。但是，Ci与WUE 值之间却呈极显著负相关（R=-0.841）。

表2 各光合参数间的相关性分析结果†Table 2 Correlation analysis of each index

2.4 综合评价

为了综合评价11 个欧李种质资源生长适应性的优劣，避免以单一指标进行评价的片面性，选取叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）、水分利用效率（WUE）、叶绿素相对含量（SPAD）共6 个指标，采用隶属函数分析方法进行了综合评价。其中，Pn、Gs、Tr、WUE、SPAD 值与欧李的生长适应性均呈正相关，故采用隶属函数计算公式（1）计算其函数值；而Ci值与欧李的生长适应性均呈负相关，故采用反隶属函数计算公式（2）计算其函数值；最后对11 个欧李种质资源的平均隶属函数值进行了排序，结果见表3。由表3可知，平均隶属函数值最高的是京欧2 号，其平均隶属函数值为0.769；CK 的最低，其平均隶属函数值为0.121。这一计算结果说明，在11 个欧李种质中，京欧2 号的生长适应性最强，而CK 的表现较差，其余各个种质资源的平均隶属函数值从高到低依次为：京欧1 号＞农大4 号＞农大7 号＞农大5 号＞农大3 号＞农大6 号＞燕山1 号＞哈波1 号＞农大9 号。

表3 各指标的隶属函数值Table 3 Membership function values between indicators

3 讨论

光合作用是植物最重要的生理过程之一，光合作用参数是植物生长和抗逆性的重要评价指标，能够反映植物对环境的适应能力。叶绿素是光合作用的主要载体，其含量的高低可以直接反映植株光合能力的强弱。不同植物、不同品种间其光合能力存在较大差异，光照、温度、水、气等生态因子对植物光合作用都有一定的影响[21]。有关林木种质资源光合作用方面的研究报道较多。陈乾等[22]对福建柏优树子代容器苗生长特性及光合能力的研究结果表明，各优树家系的生长特性及光合能力均存在较大的变异，他们采用聚类分析法从11 个优树家系中筛选出了2 个光合性能较强的家系。研究不同欧李种质资源在某一特定引种地区生态环境下的光合特性，对于品种资源的筛选具有重要意义。近年来，随着人们保健意识的不断增强及对新型水果需求的增加，欧李在“三北”（西北、华北、东北）地区被广泛引种栽植。然而，有关欧李种质资源的引种评价和适应性研究仍处于起步阶段，对其生长适应性和光合能力等方面的研究报道较少。张世军等[23]研究了山西农业大学园艺研究所最早从山西太行山野生毛叶欧李种群中筛选出的，目前在全国推广种植面积最大的农大4 号、农大5 号等农大系列5 个欧李种质资源的光合特性的差异情况，结果表明，供试的5 个欧李种质资源的光合性能参数之间均存在差异，农大3 号、农大4 号、农大5 号、农大6 号的光合作用性能均优于野生毛叶欧李，农大5 号和农大3 号都具有较为明显的光合作用优势。刘瑞等[24]研究认为，从具体的欧李和毛叶欧李这2 个种源来看，叶绿素含量和净光合速率，欧李均高于毛叶欧李。姚泽等[25]对甘肃省民勤治沙综合试验站引种的农大4 号、农大5 号、农大6 号和自主筛选的1 个生态早熟品系（共计4 个种质）的光合特性月变化、日变化规律进行了观测和比较分析，结果发现，不同月份测定的日均净光合速率，农大7 号的均最高，但农大7 号和农大5 号之间均无显著性差异，却均显著高于农大6 号，且这几个晚熟资源的净光合速率均高于生态早熟型种质的，说明农大7 号和农大5 号的光合作用性能均较好，均能充分地适应和利用民勤的光照条件。刘星劼等[26]研究了山东人工栽培的2 个优选的欧李品种（华东1 号和华东2 号）1年生苗定植后的光合特性，结果表明，华东2 号的光合速率、吸收和转化利用光能的效率均高于华东1 号的。研究中发现，11 个欧李种质叶片的Pn、Gs、Ci、Tr、WUE、SPAD 值均存在一定差异，这与前人研究的结果基本一致。不同欧李种质资源中农大系列品种之间其Pn、Tr等参数的差异均不显著，农大7 号的SPAD 值最高，而其Pn值却不是最高的，农大5 号的Pn值最高，农大4 号的Pn值次之，这与前人研究的结果有所不同，这可能与引种栽培区域的气候因子有关。本研究结果表明，农大系列品种欧李的光合性能参数均低于京欧1 号和京欧2 号的，从目前检索的文献来看，还未见到有关京欧系列品种欧李的光合特性方面的研究报道。采用隶属函数分析方法综合比较11 个欧李种质的各光合特性参数和叶绿素含量后发现，京欧2 号的Pn、Gs和Tr值都是最高的，其次是京欧1 号的，CK 的Pn、Gs和Tr和WUE 值均最低，说明在银川植物园同一环境条件下京欧2 号的生长适应性最强，而CK 的表现较差。叶片是植物进行光合同化作用的主要场所，植物主要功能叶片Pn值的高低直接反映了其生长势的强弱。气孔是气体进出的主要通道，光合作用所需的CO2和蒸腾释放的H2O 都需要通过孔隙进入和离开植物，而Gs受环境因素的影响很大，适宜的光照强度有利于气孔开放，不同植物品种通过不同方式协调自身的光合作用，利用Gs及其对水和无机离子的吸收、运输以适应自身生长的环境。京欧1 号和京欧2 号的Pn、Gs值均高于其他9 个欧李种质的，说明京欧1 号和京欧2 号均能更好地适应银川植物园的光照环境。从5 个光合参数来看，农大系列欧李种质的各个参数均处于中等水平，且均优于CK，说明供试的10 个欧李种质在一定程度上均能适应银川植物园引种试验地的气候条件。这一研究结果可以为银川及类似地区欧李种质的引种和筛选提供参考依据。

光合作用在不同欧李种质资源间存在差异，光合作用与蒸腾、水分利用特性等相关指标间均有一定的相关性。张世军等[27]研究报道，农大3 号叶片的Pn与Tr间呈极显著正相关关系，其相关系数为0.639。哈小丽等[28]研究了从山西引进到新疆的9 个欧李品系各光合参数之间的相关性，结果表明，其Pn与Gs、Tr之间均呈极显著正相关关系，而其Ci与WUE 值之间却呈极显著负相关，他们的研究结果与本研究结果一致。本研究结果与前人对其他植物的研究结果既有相似之处，但也有不同之处[29-30]。生长环境的改变会直接影响植物的光合特性，各光合参数之间的相关性并不是绝对的，与供试植物品种的差异及栽培环境的不同都有密切的关系，本研究只针对尚处于苗期营养生长的欧李植株进行了阶段性的研究，所研究的指标还不能全面反映欧李种质资源开花结实等经济性状，今后应结合环境因子及欧李的农艺习性进行更加深入的研究。