不同生境对歪头菜和鸭儿芹光合生理的影响

王盼， 王孝源， 周钰鸿， 潘德月， 陈子林， 康华靖

(1.磐安县中药创新发展研究院，浙江 磐安 322300； 2.浙江师范大学 植物学实验室，浙江 金华 321004；3.浙江大盘山国家级自然保护区管理局，浙江 磐安 322300； 4.温州市农业科学研究院，浙江 温州 325006)

光合作用作为植物生命的维系，是决定植物生长、发育和繁殖的关键环节[1]。光是植物光合作用最基本的决定因子，不同光强下植物光合生理特性的变化由光响应曲线来体现，通过光响应曲线分析，可计算表观量子效率、光补偿点、最大净光合速率(Pnmax)、光饱和点和暗呼吸速率等重要光合生理参数[2]，有助于了解植物光合作用中光化学效率，指示植物的生长情况及抗逆性大小[3]。光响应曲线能有效地评价植物叶片利用光能的能力和植物对生长环境的适应性，准确分析光响应曲线及其参数是研究光合生理生态过程对环境变化响应的重要途径[4]。

歪头菜(Viciaunijuga)是豆科野豌豆属的多年生草本植物[5]，是青藏高原优良牧草，在草地农业系统中发挥重要的作用，是该地区家畜饲料中蛋白质的重要来源[6]；同时，歪头菜幼苗又是营养丰富的蔬菜，经济价值明显[7]。鸭儿芹(Cryptotaeniajaponica)属伞形科多年生草本植物，具有抗氧化清除自由基、保护肝脏、抗癌症、抑制组织增生等作用[8]，有较高的保健价值及药用价值；同时，鸭儿芹嫩茎叶可清炒、凉拌，翠绿软糯，唇齿留香，极为爽口，为日本料理的常用菜，产业化潜力较大。为此，本文探讨不同生境对歪头菜和鸭儿芹光合生理的影响，以此明确其最佳生长环境，为推进歪头菜和鸭儿芹近野生栽培提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料及设计

2020年4月在浙江省磐安县祠下村杉木林林下(生境Ⅰ)和林缘(生境Ⅱ)生境下分别种植鸭儿芹和歪头菜。2020年8月赴试验基地，在每个生境选择5株植物，每株植物选择一片发育成熟的叶子测定相关的光合生理指标参数。

1.2 指标测定

利用便携式光合仪(LI-6400-40, LI-COR INC.，USA)于晴天9:00—16:30进行数据测量。在自然光下诱导1.5～2 h后，采用开放式气路，流速为400 μmol·s-1。根据预测量仪器中叶室温度的动态变化，设定叶室温度约为29.47 ℃，空气相对湿度控制在45%～70%，光合有效辐射强度(PAR)梯度设为1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50和0 μmol·m-2·s-1，应用CO2注入系统提供400 μmol·mol-1稳定的CO2。在此条件下同时测定叶片的Pn-Ca曲线和其他数据。应用自动测量程序(FlrPn-Cacurve)进行数据测量，数据记录前仪器均自动进行参比室和样品室之间的匹配。全面测量不同生境下的鸭儿芹和歪头菜叶片光合荧光参数。

1.3 数据处理

采用Excel 2010作图；根据光合计算软件4.1，应用光响应机理模型，拟合电子传递速率(ETR)和净光合速率(Pn)对光强的响应曲线；运用SPSS 19.0版本软件进行计算和方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同生境对叶片ETR的影响

ETR表示被植物吸收的光能沿光合电子传递链被利用情况[9]。从图1可知，PAR<200 μmol·m-2·s-1时，歪头菜和鸭儿芹叶片的ETR均随光强的增加呈直线上升；之后则随PAR的增加而缓慢增长；除生境Ⅰ下的鸭儿芹外，其余ETR均在达到最大值后发生较为明显的光系统Ⅱ(PSⅡ)动力学下调现象。比较不同生境下的ETR可见，弱光下两种生境的歪头菜和鸭儿芹叶片的ETR均极为接近，当光强大于400 μmol·m-2·s-1时，生境Ⅰ下歪头菜和鸭儿芹叶片的ETR显著高于生境Ⅱ。

图1 不同生境下叶片的ETR对PAR的响应曲线

利用光响应机理模型拟合ETR对光强的响应曲线。由表1可知，R2均大于0.90，说明光响应模型拟合效果较好。生境Ⅰ下歪头菜和鸭儿芹叶片的最大电子传递速率(ETRmax)及其对应的饱和光强均显著高于生境Ⅱ。

表1 不同生境下叶片光合ETR对PAR的响应曲线结果

2.2 不同生境对叶片Pn的影响

从图2可以看出，歪头菜和鸭儿芹叶片Pn均随PAR的增加而增加，当大于800 μmol·m-2·s-1后，趋于稳定或略有下降趋势。从不同生境来看，生境Ⅰ下的歪头菜和鸭儿芹的Pn整体较高。

图2 不同生境下叶片的Pn对PAR的响应曲线

利用光响应机理模型拟合不同条件下光合作用对光的响应曲线，得到Pnmax、Pn及其对应的饱和光强(Isat)、光补偿点(Ic)和暗呼吸速率(Rn)等光合参数。由表2可知，拟合曲线所得到的拟合值与其所对应的实测值高度符合，R2均大于0.90。同ETR对光强响应的拟合结果类似，生境Ⅰ下歪头菜和鸭儿芹叶的Pnmax和Isat均显著高于生境Ⅱ。不同生境下歪头菜和鸭儿芹叶片的Ic均较低，说明歪头菜和鸭儿芹利用弱光的能力较强，能很好地适应弱光环境。

表2 不同生境下歪头菜和鸭儿芹叶片Pn对光的响应曲线拟合结果

2.3 不同生境对叶片蒸腾速率及气孔导度的影响

由图3可知，除生境Ⅱ下歪头菜叶片蒸腾速率(Tr)随着光强的增加而先上升后下降外，其余生境下的歪头菜和鸭儿芹叶片Tr均随着光强的增加而呈上升趋势。生境Ⅱ下歪头菜叶片的Tr较高，生境Ⅰ下鸭儿芹叶片的Tr较高。

图3 不同生境下叶片的Tr对PAR的响应曲线

由图4可知，不同生境下歪头菜和鸭儿芹叶片气孔导度(gs)均随着光强的增加而先上升后缓慢下降。生境Ⅰ下歪头菜叶片的gs整体高于生境Ⅱ；鸭儿芹叶片的gs除在较高光强(600和800 μmol·m-2·s-1下)有差异外，整体上均较为接近。

图4 不同生境下叶片的gs对PAR的响应曲线

2.4 不同生境对叶片PSⅡ的实际光化学效率的影响

实际光化学效率(ΦPSⅡ)为PSⅡ的实际光化学效率，是研究植物光抑制的一种快速、非损伤性的指标。不同生境下歪头菜和鸭儿芹叶片ΦPSⅡ均随着光强的增加而降低。由图5可知，生境Ⅰ下歪头菜叶片ΦPSⅡ值整体较高，而鸭儿芹则整体较低，且在光强大于200 μmol·m-2·s-1时，两种生境下歪头菜和鸭儿芹ΦPSⅡ值的差异均达到显著水平。

图5 不同生境下叶片的ΦPSⅡ对PAR的响应曲线

2.5 不同生境对叶片光化学猝灭系数及非光化学效率的影响

光化学猝灭系数(qP)反映PSⅡ天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额，并进一步反映PSⅡ反应中心的开放程度和电子传递活性的大小。由图6可知，不同生境下歪头菜和鸭儿芹叶片qP均随着光强的增加而整体呈直线下降。生境Ⅰ下歪头菜和鸭儿芹叶片qP值整体较高，且在光强大于200 μmol·m-2·s-1时，两种生境下歪头菜和鸭儿芹qP值的差异均达到显著水平。

图6 不同生境下叶片的qP对PAR的响应曲线

植物吸收的光能除一部分用于光合作用外，还有一部分可通过非光化学猝灭(qN)过程来调整过量能量的耗散，保护PSⅡ反应中心免受因吸收过多光能而引起的光氧化和光抑制伤害。由图7可知，不同生境下歪头菜和鸭儿芹叶片qN均随着光强的增加呈下降趋势，两种生境下，歪头菜叶片的qN值在较高光强(大于150 μmol·m-2·s-1)下存在显著差异，而鸭儿芹叶片的qN值整体无显著差异。

图7 不同生境下叶片的qN对PAR的响应曲线

2.6 不同生境下叶片F′v/F′m值的比较

F′v/F′m为PSⅡ反应中心的有效光化学量子产量，其值的降低是光抑制或光破坏最基本的特征。由图8可知，不同生境下歪头菜和鸭儿芹叶片F′v/F′m均随着光强的增加而下降。两种生境下，歪头菜叶片的F′v/F′m值在较高光强(大于150 μmol·m-2·s-1)下存在显著差异，而鸭儿芹叶片的F′v/F′m值整体无显著差异。

图8 不同生境下叶片的F′v/F′m对PAR的响应曲线

3 小结与讨论

光合作用是植物最为重要的代谢活动[10]，是作物将光能转为化学能的过程。植物的光响应曲线反映的是光合速率随着光合有效辐射变化特性，是判定植物光合能力的重要指标[11]，其拟合出的相关参数还可以反映植物在不同光照条件下生存能力，以及对环境条件的适应能力[12]。

试验结果表明，弱光下两种生境的歪头菜和鸭儿芹叶片的ETR均较高，其中生境Ⅰ下歪头菜和鸭儿芹叶的ETRmax及其对应的饱和光强均显著较高。从叶片净光合作用来看，生境Ⅰ下的歪头菜和鸭儿芹光合速率同样整体较高，且歪头菜和鸭儿芹的最适宜光强分别约为700和900 μmol·m-2·s-1。气孔是由保卫细胞构成的直接影响植物叶片光合作用的细胞器[13]，环境条件会介导气孔的关闭张开，从而引起气孔导度的变化，进一步影响植物的蒸腾速率和净光合速率[14]。不同生境下歪头菜和鸭儿芹叶片气孔导度均随着光强的增加而先上升，而后缓慢下降，这与王海珍等[15]研究结果一致。此外，歪头菜和鸭儿芹叶片的蒸腾速率均以生境Ⅱ下较高。由此可见，歪头菜和鸭儿芹均为半阳生植物。从光补偿点来看，不同生境下歪头菜和鸭儿芹叶片的光饱和点均低，说明歪头菜和鸭儿芹利用弱光的能力较强，能很好地适应弱光环境。

PSⅡ光化学被认为是光合作用中对胁迫最敏感的部分，光合过程中PSⅡ所吸收的光能会有少部分以叶绿素荧光的形式被重新释放出来[16]。叶绿素荧光与光合有紧密的联系，通过叶绿素荧光可以反映光合作用的活性和行为，因此，叶绿素荧光技术被视为是研究植物光合作用与环境关系的内在探针[17]。叶绿素荧光参数能够确定环境变化条件下PSⅡ反应中心的作用效率，反映光合作用中PSⅡ的电子捕获能力；F′v/F′m表示植物的潜在最大光合能力，不仅是显示植株是否受到胁迫的指示器，也可表示植物生理的健康状态，F′v/F′m降低代表作物受到胁迫。ΦPSⅡ与F′v/F′m二者都是反映植物光合性能和健康状况的重要参数[18]。不同生境下歪头菜和鸭儿芹叶片的qN与ΦPSII均随着光强的增加而整体呈下降趋势，两种生境下歪头菜与鸭儿芹叶片的qN值整体均无显著差异。生境Ⅰ下歪头菜叶片ΦPSⅡ值与qP值整体较高，而生境Ⅰ下鸭儿芹叶片的ΦPSⅡ值与qP值则整体较低，且在光强大于200 μmol·m-2·s-1时，两种生境下歪头菜和鸭儿芹ΦPSⅡ值与qP值的差异均达到显著水平。不同环境下歪头菜和鸭儿芹叶片F′v/F′m均随着光强的增加而下降，两种生境下，歪头菜叶片的F′v/F′m值在较高光强下存在显著差异；而鸭儿芹叶片的F′v/F′m值整体无显著差异。由此可见，歪头菜和鸭儿芹两种植物在不同生境下的光合参数整体上表现出较大差异，尤其是歪头菜。

植物的生理特性是由遗传因素决定的，但外部环境条件也对其内部的生理生化响应产生重要影响。通过对歪头菜和鸭儿芹在不同生境条件下的栽种试验发现，不同光强环境对歪头菜和鸭儿芹的生长影响较大，且二者能很好地适应弱光环境。因此，建议歪头菜和鸭儿芹在种植时，选择半遮阳环境，更有利于种子发芽和幼苗生长，进而提高农业生产。