马缨丹光合色素及叶绿素荧光参数分析

李焰焰， 张紫薇， 黄 薇， 聂传朋

(武夷学院 茶与食品学院， 武夷山354300)

马缨丹(Lantanacamara)是原产美洲热带的马鞭草科植物，1645年从荷兰作为观赏植物被引入我国，并在南方广泛种植[1]。马缨丹属藤蔓或直立灌木，花期5—11月，花色多样，喜欢高温高湿阳光充足的环境，在我国南方地区可常年见花，北方地区也可逐步引种观赏。其茎细长、柔软、密集，可随意修剪和编织，因此可作为花篱种植于街道、花园、庭院、墙壁、路旁等处，也可以树状造形，亦可盆栽应用在花坛和盆钵中，因此观赏价值突出[2]。因其适应性强，栽培观赏时如控制管理不当，会成为入侵植物[3-4]。

目前，国内外对马缨丹的研究主要集中在其化学成分的提取及其生理和化感作用上。康小武等[4]研究了马缨丹叶中挥发物的化感作用，郑淑娜等[5]研究了马缨丹提取液的驱蚊效果，易振等[6]发现马缨丹新鲜叶水提取物对水葫芦的生长有明显的抑制作用。对马缨丹光合生理的研究方面，朱慧等[7]测定了粤东地区马缨丹及其常见主要伴生种的光合生理指标，通过分析马缨丹的最大净光合速率、蒸腾速率等指标，发现其具有较强的CO2固定能力、光能利用能力和水分利用能力。也有研究表明，马缨丹叶片粗糙，可以散射一些入射光，以避免被光和热损坏，其光合能力不是太高，但其利用二氧化碳的能力很强[8]。研究缺乏关于马缨丹叶片结构特征、光合色素含量、叶绿素荧光特性及其相关性的报道。叶绿素荧光参数能够反映光合系统一系列重要的调节过程[9-11]。通过对马缨丹叶片解剖结构、叶绿素含量以及叶绿素荧光参数的测定分析，揭示马缨丹在光强增高时的光合性能表现，为马缨丹的光合生理研究及栽培应用等提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2019年4月中旬在福建省武夷山市武夷学院校区内进行，选取三期教师公寓家属区门前绿化种植带内生长4年的马缨丹植株，选取一年生枝上完全展开的功能叶作为供试材料。

1.2 方法

叶片解剖结构观测。将新鲜的马缨丹叶徒手横切，将材料制成临时装片并置于显微镜下观察。用Motic Image Advanced测量叶片表皮厚度、角质层厚度、栅栏组织厚度和海绵组织厚度等指标，并计算叶片栅栏组织结构紧密度(栅栏组织厚度/叶片厚度)、栅海比(栅栏组织厚度/海绵组织厚度)。每个指标采集5片装片10个视野的数据均值。

光合色素含量测定。取新鲜成熟的马缨丹叶片洗净擦干，采用张宪政[12]的方法，测定OD663、OD645、OD652、OD440的值，并按公式计算马缨丹叶绿素a、b和类胡萝卜素的含量。

叶绿素荧光参数测定。在晴天上午8：00—11：00, 选择受光方向相同、生长一致的枝条，比较枝条顶端向下第4片叶片，选择完好、无病虫害、叶面积相近的马缨丹叶片，对叶片进行20 min的暗适应后，利用德国生产的Junior-PAM叶绿素荧光仪测定光化学猝灭系数qP、非光化学猝灭系数NPQ随时间的变化，同时测定不同光强设置下实际光量子产量Y(Ⅱ)、表观光合量子传递效率ETR、调节性能量耗散的量子产量Y(NPQ)的数值，测量由电脑控制，光化光强度梯度设置为190、285、420、625、820、1150 μmol/m2·s。共选3株，每株选1张叶片，每张叶片重复测定3次，即每个指标测量9次，取平均值。

1.3 数据处理

使用EXCEL 2010、WORD 2010进行数据处理及制图，用SPSS 19.0软件进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 马缨丹叶片解剖结构

显微观测发现马缨丹叶片结构从上到下依次为上角质层、上表皮、栅栏组织、海绵组织、下表皮和下角质层，表皮细胞、栅栏组织、海绵组织细胞均为一层细胞。显微观测项目包括上表皮厚度(TU)、下表皮厚度(TL)、上表皮角质层厚度(CU)、下表皮角质层厚度(CL)、栅栏组织厚度(TP)、海绵组织厚度(TS)等。由表1可见，马缨丹叶片上、下角质层厚度分别为5.95 μm和4.54 μm，分别占上、下表皮厚度的39.1 %和27.8%。光合同化组织厚度占叶片总厚度的85.1%，其中栅栏组织厚88.57 μm，海绵组织厚91.07 μm，栅栏组织结构紧密度达41.9，栅海比为0.99。表明马缨丹具有较强的抗旱能力及光合作能力。

表1 马缨丹叶片解剖结构

2.2 马缨丹叶绿素含量分析

由表2可见，马缨丹的叶绿素a含量达2.81 mg/g，叶绿素b含量为1.31 mg/g，叶绿素a/b为2.182，略小于3∶1，说明马缨丹叶绿素b含量高、光能捕获力强，这是植物对环境适应的结果。很多高等植物叶片中叶绿素总量与类胡萝卜素的比例约为3∶1，马缨丹叶片中叶绿素总量与类胡萝卜素的比例为1.38∶1，小于3∶1，这反映出在高叶绿素含量的同时，其类胡萝卜素相对含量更高，能有效防止叶绿素光氧化，保护光合系统在高光强下的效率。

表2 马缨丹叶片中光合色素含量及比值

2.3 马缨丹叶绿素荧光参数变化特征

2.3.1 快速光响应曲线

ETR反映实际光强下的相对电子传递效率，其值根据光强PAR由仪器系统计算得出。由图1可见，马缨丹ETR在给定范围内随着PAR的增强持续上升，当PAR为625 μmol/m2·s时ETR数值达38.2 μmol/m2·s，当PAR为1150 μmol/m2·s时(仪器提供的最高值)，ETR数值不仅没下降，反而升至44.5 μmol/m2·s，这反映出马缨丹对强光有很强的适应能力。

图1 马缨丹叶片的光响应曲线Figure 1 Light-response curve of L. camara

2.3.2 光化学淬灭和非光化学淬灭系数

qP是光化学淬灭系数，反映PSⅡ天线色素分子捕获的光能用于光化学电子传递的份额[13]，在一定程度上能够反映植物光合活性的高低，非光化学淬灭系数NPQ反映的是植物将过剩的光能耗散为热能的能力[14]。图2可见，马缨丹的qP在8：20—9：20小幅波动，在9：40时qP明显下降，之后又开始上升。其NPQ在8：20—10：00这一时间段内呈现逐渐下降的趋势，说明马缨丹随上午时间的延后，热耗散逐步减少，光能利用率逐步加大。

图2 马缨丹光化学淬灭系数和非光化学淬灭系数变化Figure 2 Variation of qP and NPQ of L. camara

2.3.3 最大光化学效率和实际光化学效率

植物的最大光量子产量Fv/Fm代表植物的光合潜能，是PSII的最大光合量子产量的理论值，从图3可以看出，PAR为190 μmol/m2·s时，马缨丹的最大光量子产量Fv/Fm为0.742，在正常范围内，随着PAR增加到285 μmol/m2·s以上时，Fv/Fm骤降了41.78%。这表明，当PAR大于285 μmol/m2·s时，PSII的实际光能捕获效率降低，直至1 150 μmol/m2·s，一直处于0.377～0.457，和190 μmol/m2·s时的Fv/Fm值差异达极显著水平(P<0.01),表明马缨丹在发生光胁迫时(625～1 150 μmol/m2·s)，Fv/Fm光合潜能理论值严重降低。

Y(Ⅱ)是马缨丹叶片的实际光能转化效率[15]，由图3可见，随着PAR由190增至285 μmol/m2·s时，Y(Ⅱ)随之增高，当PAR继续增加，直至仪器最大值1 150 μmol/m2·s时，Y(Ⅱ)持续下降，数值在0.25～0.32，方差分析显示6组数据无显著差异(P>0.05)，表明马缨丹在强光下叶片的实际光能转化效率能维持在恒定水平，PAR范围在285～420 μmol/m2·s时，Y(Ⅱ)保持较高水平。

图3 马缨丹最大光化学效率和实际光化学效率变化Figure 3 Changes of maximum photochemical efficiency and actual photochemical efficiency of L.camara

2.3.4 非光化学淬灭的量子产量

Y(NPQ)是指PSⅡ处于调节性能量耗散的量子产量。由图4可知，随着光强的增高，马缨丹Y(NPQ)除了PAR在625 μmol/m2·s时略微下降之外，总体随光强而增高，一直维持在较高水平，调节性能量耗散的量子产量高，表明马缨丹接受的光强过剩，同时也反映出马缨丹仍可通过热耗散等调节方式来保护自身。

图4 马缨丹非光化学淬灭的量子产量Figure 4 Quantum yields of non-photochemical quenching in L.Camara

2.4 叶绿素含量与荧光参数的相关性

从表3可见，Chl a含量，Chl b含量和Chl (a+b)含量与ETR呈显著正相关(P<0.05),与NPQ和Fv/Fm两个指标之间存在正相关,但不显著；与Y(NO)、Y(Ⅱ)和qP之间呈现负相关关系，但未达显著水平。从表3中的数据可知，叶绿素含量对6种荧光参数影响大小为ETR>Y(NPQ)>Y(Ⅱ)>NPQ>qP>Fv/Fm，这表明在这6项荧光指标中，叶绿素含量对ETR的影响最大，即随着叶绿素含量的增加，电子传递速率显著增强，而Fv/Fm表示PSⅡ的最大光合量子产量即植物的光合潜能，受叶绿素含量的影响最小。

表3 叶绿素含量与荧光参数的相关性分析

2.5 叶片解剖结构特征与叶绿素荧光参数的相关性

选取6个测定的叶片解剖结构指标上角质层厚度、上表皮厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、下表皮厚度、下角质层厚度，分别用L1、L2、L3、L4、L5、L6代表，与马缨丹荧光参数之间进行相关分析。结果显示，马缨丹叶片的解剖结构与荧光参数之间存在相关关系，但均未达到显著水平。

Y(NPQ)与L1、L2、L3、L5和L6呈负相关，仅与L4呈正相关；Y(Ⅱ)、qP均与L2、L4呈负相关关系，与L1、L3、L5、L6之间呈正相关；ETR与L1、L2、L3和L4之间呈负相关，与L5和L6呈正相关。NPQ、Fv/Fm与L1、L3、L5、L6之间均呈负相关关系，与L2、L4呈正相关关系。

3 讨论与结论

研究表明[16-17]，植物叶片表皮毛和厚角质层有助于植物适应或抵御外界环境的胁迫,并使其维持正常的生理生态机能。角质层的厚度和栅栏组织的厚度可以作为植物耐热性的指标，表皮细胞角质层厚度越大，抗旱性越强，通过增强对太阳辐射的反射，有利于防止水分的散失和高温对薄壁组织的伤害，植株的耐热性也就越强，并能在一定程度上维持植物光合作用效率的稳定[18]。显微观测发现马缨丹叶片角质层较厚，分别占上、下表皮厚度的39.1%和27.8%，且叶片表面被糙毛，这将有助于减少其对太阳辐射能的吸收，间接促进光饱和点的增加，提高光合速率。对高温下的光损伤有较好的抵抗结构基础。同时，叶片微观结构可以部分反映植物对环境的适应性，马缨丹光合同化组织厚度占叶片总厚度的85.1%，栅栏组织结构紧密度达41.9，高度发达的栅栏组织除执行光合同化功能外，也可避免强烈的光线灼烧叶肉，并可防止叶片水分蒸发。如果栅海比大，能够增加植物对光的吸收量，提高光合作用；马缨丹叶片栅海比为0.99。马缨丹叶的解剖结构显示其具有极好的光合结构基础及抗旱能力，具备厚的角质层及栅栏组织表明其具有较强的耐热性及较高的光合能力，这与其适宜温热的南方地区环境相符。

叶绿素在植株体内负责光能的吸收、传递和转化, 类胡萝卜素则行使光能捕获和光破坏防御两大功能, 它们是植物绿色光合器官中光能吸收，传递和转化的基本物质，在光合作用中起着非常重要的作用[19]。色素的含量和构成是多方面协调作用的结果, 包括植物本身的遗传特征、叶龄、光强及光质等影响。较高的叶绿素含量表明光系统Ⅱ中有较高的捕光复合体含量[20]。显微观察发现,马缨丹叶肉细胞中含有大量叶绿体，叶绿体是植物进行光合作用的具体部位，与海绵组织细胞相比，栅栏组织细胞内叶绿体相对小而多，测定马缨丹的叶绿素含量高达4.12 mg/g，表明马缨丹的光能转化力、光能捕获能力和防御能力都很强，这是马缨丹长期适应高热高光环境生长的结果。类胡萝卜素不仅能吸收和传递光能，还能防止生物体内的叶绿素光氧化，马缨丹叶片在高叶绿素含量的同时，其类胡萝卜素相对含量更高，能有效防止叶绿素光氧化，保护光合系统在高光强下的效率。

ETR反映实际光强下的相对电子传递效率，可用于度量光化学反映导致碳固定的电子转移情况。其值可以根据光强度(PAR)，叶片吸收系数(一般为0.84)和有效荧光产量(WinControl-3中默认为0.5)来计算。马缨丹的ETR数值在光强持续升高时(PAR 420～1 150 μmol/m2·s)，不仅没下降，反而持续上升，这种变化趋势表明马缨丹对强光有较强的适应能力，可能与其光合色素含量相关，随后的相关性分析表明ETR与Chl a、Chl b、Chl (a+b)含量显著正相关。

光化学淬灭系数qP反映PSⅡ天线色素分子捕获的光能用于光化学电子传递的份额，在一定程度上能够反映植物光合活性的高低，非光化学淬灭系数NPQ反映的是植物将过剩的光能耗散为热能的能力。在上午8：20—10：00时段，马缨丹的qP、NPQ皆呈现出总体下降的趋势，可能是因为清晨低温导致光抑制，使得马缨丹吸收的光能不能用于光合电子传递，以热能的形式耗散，而随着上午温度升高，低温抑制作用恢复，马缨丹上午的热耗散逐步减少，光能利用率逐步加大。从降幅来看，NPQ下降平稳，qP下降时波动性较大，尤其是9：40测定的数值下降明显，可能和测定时的环境因子变化有关。马缨丹淬灭系数qP和NPQ的一系列变化表明马缨丹对环境有较强的适应性。

植物最大光量子产量Fv/Fm是PSII的最大光合量子产量的理论值，反映PSⅡ将吸收的光能转换为化学能的最大效率，代表植物的光合潜能，有研究表明，高等植物Fv/Fm在非胁迫条件下比较恒定，一般在0.8左右[21]，当叶片吸收过多的光能,导致开放的PSⅡ反应中心的Fv/Fm降低，即发生光抑制现象，严重的光抑制会对反应中心造成不可逆的破坏[22]。在马缨丹Fv/Fm随PAR增强而呈现的变化趋势中，当PAR增强到420 μmol/m2·s时，Fv/Fm开始逐渐下降，表明发生光抑制。马缨丹在发生光胁迫时(625～1 150 μmol/m2·s)，Fv/Fm严重降低，且随着光强增大，数值维持在同一水平，没有出现大幅下降。

植物的实际光量子产量Y(Ⅱ)代表植物叶片的实际光能转化效率。当PAR在190～1 150 μmol/m2·s范围内升高时，马缨丹的Y(Ⅱ)随PAR的增大先升后降，总体增减幅度较小，PAR范围在285～420 μmol/m2·s时，Y(Ⅱ)处于较高水平。反映出马缨丹在强光胁迫下叶片的实际光能转化效率能保持在稳定水平，具备高光环境下的光合能力。Y(NPQ)是指PSⅡ处于调节性能量耗散的量子产量。马缨丹Y(NPQ)总体随光强的加大而增高，一直维持在较高水平。调节性耗散的量子产量高，表明马缨丹以强光下热的形式耗散过多的光能，对叶片的光保护机制极强。

植物光合作用的差异与叶片光合作用器官的解剖学特性密切相关。马缨丹叶片解剖结构与叶绿素荧光参数的相关性分析显示两者之间存在相关关系，但均未达到显著水平，相较之下，马缨丹荧光参数受叶片的角质层厚度和栅栏组织厚度两个指标的影响较大。可能与高热高光条件下，植物水分供应紧张，会导致光合作用效率降低，而角质层位于叶片表面，可以减少细胞水分蒸腾，使叶片在细胞水不足时，不至于立即萎蔫有关。增加有效光合辐射，对马缨丹气孔导度(Gs) 、蒸腾速率(Tr) 影响不明显，但大大提高了其水分利用率(WUE)[7]，这与本文观测到的马缨丹叶片解剖特性相吻合。

综上所述，本文对马缨丹的叶片结构特征、光合色素含量、叶绿素荧光参数的指标分析发现，马缨丹对环境有较强的适应性，其较厚的栅栏组织和较高的叶绿素含量决定了马缨丹具有较强的抗旱能力及较高的光合作用能力。强光胁迫下，马缨丹ETR持续上升、实际光能转化效率Y(Ⅱ)保持在稳定水平、调节性耗散的量子产量Y(NPQ)较高，说明在高光环境下马缨丹具备较强的光合能力，同时对叶片能进行有效的光保护，这与朱慧等[7]研究马缨丹对环境中光强和CO2的变化具有良好适应性的结果一致。相关分析发现，叶绿素荧光参数ETR与叶绿素含量之间显著正相关，但叶片的解剖结构与叶绿素荧光参数之间相关性总体不显著。研究结果有助于解释马缨丹生长迅速、生长力高、竞争性强的生物学特点，将为后续对马缨丹光合性能的深入研究提供参考，并为探索针对入侵植物马缨丹的防控对策提供依据。