三叶青怀玉1号与怀玉2号光合特性和表型比较

张艳， 蔡红， 陈荣华， 洪森荣,3,4，5*

(1.上饶师范学院 生命科学学院，江西 上饶 334001； 2.上饶市红日农业开发有限公司，江西 上饶 334700； 3.上饶市药食同源植物资源保护与利用重点实验室，江西 上饶 334001； 4.上饶市三叶青保育与利用技术创新中心，江西 上饶 334001； 5.上饶农业技术创新研究院，江西 上饶 334001)

三叶青(TetrastigmahemsleyanumDiels et Gilg)是一种草质藤本植物，也是我国独一无二且较为稀少的一种中草药，属于葡萄科崖爬藤属[1]。三叶青全株都可以作为药用植物，尤其是其块根和果实药效最佳，其块根被称为蛇附子，也被称为金线吊葫芦、石猴子、三叶对、雷胆子、阴灵子等[2]，药用价值高，在治疗炎症、镇痛等方面有一定的作用[3]。

植物光合特性与其自身生长发育状态以及形态结构有着密切联系[4]。不同植物在其结构形态、生理生化指标等方面有其自身对自然环境的适应能力，从而表现出不同的形态特征，如植株大小、叶片大小、叶片厚薄程度等，同时也表现出不同的光合参数、叶绿素荧光参数等生理生化指标[5]。测定植株的光合参数和叶绿素荧光参数等指标可以研究评判该植物光合作用的强弱[6]。光合作用作为植物一项重要的生理活动，其研究对于植株本身来说具有重大意义，特别是三叶青作为我国特有的一种珍稀药材，探究其品种间的光合作用差异对其大规模大棚栽培与种植非常有价值。

由于三叶青的药理作用效果较佳，人类对其挖采量逐年增加，致使野生三叶青濒临灭绝[7]。在供不应求的情形下，三叶青的人工种植规模在不断扩大，与三叶青有关的研究也在不断增多，三叶青的相关种植栽培技术也越来越成熟，对它的开发也在不断加大[8]。现阶段与三叶青有关的研究大量集中在炎症[9]、肿瘤[10]等方面的药用价值、栽培繁殖技术[11-13]、生理生化特性分析[14]以及光照[15]、水分[16]等对其生长的影响等。虽然对三叶青的研究颇多，尤其是对其光合特性已有较多研究，但在相同光照条件下，对同一地区大棚种植的2种不同栽培种间各项参数对比分析少见报道。本文测量了怀玉山本地的2个三叶青优质栽培种怀玉1号和怀玉2号的光合参数、叶绿素荧光参数、叶绿素含量、叶长叶宽、叶形指数，并对这些参数进行对比分析，探究2个优质栽培种之间存在的光合作用效率差异，了解2个三叶青栽培种大棚种植的光合作用生理状态，为制定怀玉山2个栽培种三叶青更为科学的栽培措施提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

此次取材测量的三叶青来自于江西省上饶市玉山县的怀玉山三叶青种植基地，怀玉山位于江西省玉山县西北方向60 km处，其平均海拔为1 000 m，年平均气温为12～16 ℃，属于中亚热带湿润季风气候，降水丰富，适合三叶青的种植。此种植基地种植有来自全国各地的68个野生三叶青品种。怀玉山三叶青怀玉1号和怀玉2号为基地选育出的有极高药用价值的栽培种，选择这2个三叶青栽培种当中较为健康的完整植株叶片，进行各项参数的测定和比较分析。

采用LI-6400XT便携式光合仪(美国LI-COR公司生产)测定2个三叶青栽培种怀玉1号和怀玉2号叶片的光合参数、叶绿素荧光参数，采用SPAD-502 plus便携式叶绿素测定仪(日本柯尼卡美能达公司生产)测定三叶青栽培种怀玉1号和怀玉2号的叶绿素含量，采用普通直尺测量2个三叶青栽培种的叶长与叶宽。

1.2 光合参数的测定

2个三叶青栽培种的光合参数于2019年10月25日上午9：00—11：00进行测定，测定时分别在2个三叶青栽培种怀玉1号和怀玉2号当中选择4片长势较好的完整叶片，每片叶片测量2组数据，一共测量8组数据，测量完成之后计算瞬时羧化速率(CUE)、气孔限制值(Ls)和水分利用效率(WUE)[17]。

1.3 叶绿素荧光参数测定

光合参数测定完成后，采用LI-6400XT便携式光合仪测量叶片叶绿素荧光参数。分别从2个三叶青栽培种怀玉1号和怀玉2号当中选取3片长势较好的完整叶片，并在叶柄处用绳子做好标记，再用锡箔纸将每片叶片包盖严实，确保没有漏光，叶片暗处理30 min之后，取下锡箔纸进行叶绿素荧光参数测量，测量完成后将叶片曝光0.5 h再进行一次测量。计算PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ潜在光化学效率(Fv/Fo)、PSⅡ实际光化学效率(ΦPSⅡ)、光化学荧光淬灭系数(qP)、非光化学淬灭系数(NPQ)[18]。

1.4 叶绿素含量测定

采用便携式叶绿素测定仪SPAD-502 plus测定2个三叶青栽培种叶片叶绿素含量，在每个三叶青栽培种当中选择10片长势较好的完整叶片进行测定，测得数据共20组。

1.5 叶长与叶宽的测定

测定2个三叶青栽培种的叶长与叶宽，叶宽为中间叶脉1/2处的宽度，使用的测量工具为普通直尺。选择的三叶青叶片需完整且具有本栽培种的代表性，做好实验记录，计算叶形指数[19]。

1.6 数据处理

统计整理好各项参数数据之后，使用Excel 2010和SPSS 19.0对所测得的各项参数数据进行处理以及单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 怀玉1号和怀玉2号叶片光合参数的比较

植物的净光合速率(Pn)与它的光合能力的大小存在紧密的联系，植株净光合速率越大，则其光合能力越强[20]。从表1可知，怀玉1号叶片Pn的平均值为3.09 μmol·m-2·s-1，怀玉2号叶片Pn平均值为1.54 μmol·m-2·s-1，比怀玉1号叶片Pn的平均值低1.55 μmol·m-2·s-1，怀玉2号Pn平均值大约是怀玉1号的50%。怀玉2号的气孔导度(Gs)、细胞间CO2浓度(Ci)平均值均高于怀玉1号的平均值，2个三叶青栽培种怀玉1号和怀玉2号的Gs平均值分别为0.03 mmol·m-2·s-1、0.031 mmol·m-2·s-1，由此可知怀玉2号叶片Gs平均值比怀玉1号高出0.001 mmol·m-2·s-1；怀玉1号叶片Ci平均值为240.19 μmol·mol-1，怀玉2号叶片Ci平均值为321.64 μmol·mol-1，较怀玉1号高81.45 μmol·mol-1，怀玉1号叶片Ci平均值是怀玉2号的74.6%。对于2个三叶青栽培种的蒸腾速率(Tr)，怀玉1号和怀玉2号平均值分别为0.376 mmol·m-2·s-1、0.380 mmol·m-2·s-1，怀玉1号略高于栽培种怀玉2号，但差别不大。怀玉1号的Ls、WUE、CUE平均值均要高于怀玉2号，且差别较蒸腾速率明显，其中怀玉1号Ls平均值为0.40，怀玉2号Ls平均值为0.20，是怀玉1号Ls平均值的49%，怀玉1号较怀玉2号多0.20；怀玉1号WUE平均值为8.13，怀玉2号WUE平均值为4.39，怀玉1号较怀玉2号多3.74，怀玉1号WUE平均值是怀玉2号的1.85倍；怀玉1号CUE平均值为0.013，怀玉2号CUE平均值为0.005，怀玉2号CUE平均值仅为怀玉1号的38%。2个怀玉山三叶青怀玉1号和怀玉2号的Pn、Ci、Ls、WUE、CUE存在极显著差异，而Gs、Tr差异不显著。

表1 怀玉1号和怀玉2号光合特性比较

2.2 怀玉1号和怀玉2号叶绿素荧光参数的比较

通过对叶绿素荧光参数的测定和分析，可以得出植株光能利用的情况，有研究表明，叶绿素荧光比净光合速率更能反映植物叶片内的光合行为[21-22]。由表2可知，所测得的数据当中，怀玉1号的初始荧光产量(Fo)、最大荧光产量(Fm)、光下最小荧光产量(F′o)、稳态荧光产量(Fs)、NPQ均高于怀玉2号。其中怀玉1号Fo平均值为829，怀玉2号Fo平均值为720，怀玉1号较怀玉2号高109，怀玉1号Fo平均值是怀玉2号的1.15倍；怀玉1号Fm平均值为3 777，怀玉2号Fm平均值为3 515，怀玉1号较怀玉2号高262，怀玉2号Fm平均值为怀玉1号的93%；怀玉1号F′o平均值为736，怀玉2号F′o平均值为723，怀玉1号较怀玉2号高13，怀玉2号F′o平均值为怀玉1号的98.2%；怀玉1号Fs平均值为1 070，怀玉2号Fs平均值为976，怀玉1号较怀玉2号高94，怀玉2号平均值为怀玉1号的91.2%；怀玉1号NPQ平均值为0.67，怀玉2号NPQ平均值为0.57，怀玉1号较怀玉2号多0.10，怀玉2号NPQ平均值是怀玉1号的85%。而所测得的光下最大荧光F′m、Fv/Fm、F′v/F′m、Fv/Fo、qP、ΦPSⅡ，怀玉2号所测得的平均值均高于怀玉1号。其中怀玉1号F′m的平均值为1 824，怀玉2号F′m的平均值为2 142，怀玉2号较怀玉1号高318，怀玉1号F′m的平均值只有怀玉2号的85%；怀玉1号Fv/Fm平均值为0.78，怀玉2号Fv/Fm平均值为0.80，怀玉1号较怀玉2号低0.02；怀玉1号的F′v/F′m平均值为0.60，怀玉2号F′v/F′m平均值为0.66，怀玉1号较怀玉2号低0.06，怀玉1号F′v/F′m平均值是怀玉2号的89%；怀玉1号Fv/Fo平均值为3.55，怀玉2号Fv/Fo平均值为3.88，怀玉1号较怀玉2号低0.33，怀玉1号Fv/Fo平均值是怀玉2号的91%；怀玉1号qP平均值为0.69，怀玉2号qP平均值为0.82，怀玉1号较怀玉2号低0.13，怀玉1号qP平均值是怀玉2号的84%；2个三叶青栽培种怀玉1号与怀玉2号的ΦPSⅡ平均值分别为0.41、0.54，怀玉1号较怀玉2号低0.13，怀玉1号ΦPSⅡ平均值是怀玉2号的75.9%。2个三叶青栽培种怀玉1号与怀玉2号荧光参数差异的显著性情况，其中Fs、qP、ΦPSⅡ在2个栽培种当中有显著差异，而2个三叶青栽培种的Fo、Fm、F′o、F′m、Fv/Fm、F′v/F′m、Fv/Fo、NPQ无明显差异。

表2 怀玉1号与怀玉2号叶绿素荧光参数比较

2.3 怀玉1号和怀玉2号叶绿素含量的比较

20世纪80年代，日本美能达公司开发了一种便携式的SPAD叶绿素仪，它利用叶绿素的光谱吸收峰在蓝色区域(400～500 nm)和红色区域(600～700 nm)的特性，通过发射650 nm的红色光和940 nm的红外光，并根据透射比计算得到的一种与叶片内叶绿素含量相对应的参数SPAD值。由表3可知，怀玉1号叶片叶绿素含量平均值为49.93，怀玉2号叶绿素含量平均值为68.46，2个三叶青栽培种的叶绿素含量存在极显著差异。

表3 怀玉1号与怀玉2号叶绿素含量比较

2.4 怀玉1号和怀玉2号叶长、叶宽和叶形指数的比较

植物叶长、叶宽、叶形指数可以体现它的叶片形态以及生长状态[23]。根据表4数据可知，怀玉1号叶长平均值为7.54 cm，怀玉2号叶长平均值为9.36 cm，怀玉1号叶长平均值较怀玉2号小1.82 cm；怀玉1号叶宽平均值为3.65 cm，怀玉2号叶宽平均值为3.01 cm，怀玉1号叶宽平均值较怀玉2号多0.64 cm；怀玉1号平均叶形指数为2.07，怀玉2号平均叶形指数为3.12，怀玉1号平均叶形指数较怀玉2号低1.05。2个三叶青栽培种怀玉1号和怀玉2号在叶长、叶宽和叶形指数上存在极显著差异。

表4 怀玉1号与怀玉2号叶长、叶宽和 叶形指数比较

3 讨论

本文对怀玉山三叶青怀玉1号和怀玉2号2个栽培种的光合特性、叶绿素荧光参数、叶绿素含量、叶长、叶宽以及叶形指数进行了对比分析，运用单因素方差分析法得出了2个栽培种上述各项参数的差异性结果。净光合速率很大程度上能够反映植株的光合能力，净光合速率会受到蒸腾速率的影响，水分利用效率、净光合速率、瞬时羧化速率均会受到气孔导度的影响[24]。有研究表明，由净光合速率与气孔导度是否有关可以得出净光合速率是否受到气孔因素影响，当叶片细胞间CO2浓度降低，气孔限制值升高时，净光合速率受到气孔导度的影响，即受到气孔因素影响，反之则不受气孔导度的影响，即受到非气孔因素的影响[25]。水分利用效率表现了植株利用水分的能力，与植物的抗旱性有关[26]。净光合速率在2个三叶青栽培种间差异极其明显，除了受到温度、光照、CO2浓度、地域等因素的影响[27-28]，可能还会受到具有遗传效应的地域差异的影响[29]。一般来说，细胞间CO2浓度大小会受到空气中的CO2浓度、叶肉细胞光合活性和气孔导度[30]的影响。三叶青作为一种喜阴的药用植物，大棚种植时遮光处理可减少光照对它的伤害，其蒸腾速率会随着叶片气孔导度的增大而增大[31]。在本试验中，怀玉1号的净光合速率、气孔限制值、蒸腾速率、瞬时羧化速率以及水分利用效率平均值均高于怀玉2号，而怀玉1号的细胞间CO2浓度、气孔导度平均值均小于怀玉2号。由此分析可知，怀玉1号的抗旱性较怀玉2号强，且由净光合速率数据可知怀玉1号光合能力强于怀玉2号。

叶绿素荧光参数Fm反映完全关闭的光系统Ⅱ反应中心的荧光强度，即最大荧光；Fo表示完全开放的叶绿体光系统Ⅱ反应中心的荧光强度，被称为初始荧光；Fv/Fm反映植物光化学反应的最大潜力，即最大光量子产量，会因环境胁迫的出现而减小[32-33]。F′v/F′m表示在开放的条件下，光系统Ⅱ反应中心捕获激发能的效率。Fv/Fo是光系统Ⅱ潜在光化学效率；光化学淬灭系数qP可体现质体醌类QA再氧化的程度，与电子传递及光合氧化等密切相关[34]。NPQ即非光化学淬灭系数，表示捕获的不用于电子传递而以热的形式散失的部分能量；实际光化学效率ΦPSⅡ表示光系统Ⅱ反应中心的实际电离情况。在本试验中，怀玉1号的Fo、Fm、F′o、Fs、NPQ平均值均高于怀玉2号，怀玉1号的F′m、Fv/Fm、F′v/F′m、Fv/Fo，qP、ΦPSⅡ平均值均低于怀玉2号，且2个裁培种的Fs、qP、ΦPSⅡ存在显著差异。由此可分析，怀玉1号电子传递效率较怀玉2号的低，而其光合能力强于怀玉2号，推测怀玉1号可能受到环境胁迫的影响。

植物叶片的叶绿素含量可反映植株的生长状态以及光合能力强弱[35]。不同植物叶绿素含量与其光合指标的相关性不尽相同，有的植物叶绿素含量与它的光合指标相关，例如油菜[36]、水稻[37]的叶绿素含量越多，其净光合速率越高；而有的植物净光合速率与叶绿素含量没有相关性，如甜叶菊[38]、绿茶[39]、甘薯[40]。在本试验中，怀玉1号叶绿素含量平均值显著低于怀玉2号，而怀玉1号光合能力强于怀玉2号，综合对2个三叶青栽培种叶绿素荧光参数的比较分析，表明三叶青的光合作用效率与叶绿素含量没有相关性。

根据叶形指数大小可以将植物的叶形分为披针形、椭圆形、长椭圆形、近圆形[19]。怀玉1号叶形指数平均值是2.07，可以判断其叶形为椭圆形，怀玉2号叶形指数平均值是3.12，可以判断其叶形为披针形。在本试验中，怀玉1号叶形指数平均值低于怀玉2号叶形指数平均值，而怀玉1号光合能力强于怀玉2号，因此，可推测三叶青2个栽培种怀玉1号和怀玉2号的叶形指数可能与其光合作用效率大小呈负相关。