山莨菪属四种植物光合作用光响应及CO2响应研究

陈珠庆， 杨杰

(云南师范大学 生命科学学院，云南省生物质能与环境生物技术重点实验室， 云南 昆明 650500)

光合作用为植物提供生长发育所必需的有机物质和能量，在植物的生活史中具有重要意义.光和CO2是植物光合作用必不可少的原料，决定着植物的生长发育，也与植物的分布密切相关，对植物而言，是极其重要的两个生态因子.植物光合作用过程中净光合速率对光强或CO2的响应，是获得许多重要光合参数的途径，也是判断植物生态适应性、光能利用能力、潜在光合能力等的重要依据[1].

山莨菪属为多年生草本或亚灌木，广泛分布于喜马拉雅地区.该属共有4个物种，其中山莨菪(Anisodustanguticus)、铃铛子(Anisodusluridus)、三分三(Anisodusacutangulus)向西北干旱地区推移，赛莨菪(Anisoduscarniolicoides)则主要生长于云南西北部和四川西南部横断山脉地区[2].山莨菪具有较好的药用价值，是优质藏药和中药的资源.目前对该属的研究主要在药学、传粉生物学及其遗传多样性方面[3-5]，特别是研究其植物体所含莨菪碱及相应衍生物的功效，而对山莨菪属不同物种间生理学光合特性的比较研究则少见报道.本研究在模拟有效光辐射条件下比较山莨菪属不同物种间光合特性的差异，通过测定净光合速率—光响应和CO2响应曲线，并结合相应参数，揭示该属不同物种适应不同光强和CO2浓度的能力，阐明该属植物光合特性对环境的适应，为该属种质资源的评价、保护及引种栽培奠定科学基础.

1 材料和方法

1.1 实验样地

实验在云南省昆明市呈贡区云南师范大学生命科学学院温室进行，该地区位于云贵高原中部，日照长、霜期短、年平均气温15 ℃，年均日照2 200 h左右，年降水量1 035 mm,7月份(试验期间)日间光照充足.

1.2 实验材料

实验材料为从野外采集移栽至温室的山莨菪属的4个物种：山莨菪、铃铛子、三分三和赛莨菪.

1.3 测定方法及数据处理

参照杨杰[6]测定光响应和CO2响应参数的方法，使用LI-6400(LI-Cor Inc.，Lincoln NE，USA)，选取移栽个体(山莨菪4株，三分三6株，铃铛子和赛莨菪各5株)自顶部向下第3片完全张开的、接受光照条件一致的叶片为测定材料，测定光响应和CO2响应参数，测定时间为2013年7月中旬到2013年8月中旬，晴朗天气上午10∶00-12∶00和下午14∶00-16∶00[7].测定时叶室环境条件除特殊备注外均为：叶片温度25 ℃，CO2浓度390 μmol CO2•mol-1，栽种土壤水分条件保持田间最大持水量50%.

叶片表观量子效率(AQY)的计算以光响应曲线中0～ 200 μmol photons·m-2·s-1Pn对PFD做直线回归[8]，得回归方程:

Pn= -Rd+AQY×PFD

Pn= 0时，PFD即为光合作用的光补偿点(Φi),Rd为暗呼吸速率.

叶片羧化效率以Pn对胞间CO2浓度(Ci)曲线中0～ 200 μmol CO2·mol-1的点做直线回归[9]，得回归方程:

Pn= -Rp+CE×Ci

Pn= 0时，Ci即为光合作用的CO2补偿点(Γ).Rp为光下呼吸速率，CE为羧化效率.由于光下暗呼吸很小，可以近似将光下呼吸看作光呼吸速率[10].

瞬时水分利用效率(Wi)计算采用最大净光合速率(Pmax)与瞬时蒸腾速率(E)之比来表示[11].

数据采用SPSS 21.0做方差分析，sigma plot 12.5作图.

2 结 果

2.1 光合作用的光响应比较

山莨菪属的4个物种光响应曲线类似，可大致分为三个阶段：第一阶段PHD较小，随PHD的增加净光合速率近直线上升，第二阶段随着PHD的增加，净光合速率曲线曲度迅速减缓，第三阶段随PHD的增加净光合速率增长更缓慢，达到饱和光强.其中赛莨菪、山莨菪及三分三饱和光强均在1 400 μmol photons·m-2·s-1左右，铃铛子饱和光强在1 500 μmol photons·m-2·s-1左右，铃铛子饱和光强稍高于其他3个物种，随PFD 的继续增强，4个物种的Pn无明显变化(图1).

图1四种植物叶片净光合速率对光量子通量密度的响应

Fig.1 Response of net photosynthesis rate to photon flux density in the four species leaves

选取0～200 μmol photons·m-2·s-1弱光强下Pn对PFD做直线回归进行数据分析，所得结果见表1.山莨菪属4个物种的AQY值无显著差异.山莨菪叶片光合作用的Φi显著低于三分三和铃铛子(P<0.05)，三分三、铃铛子和赛莨菪间差异不明显.铃铛子叶片的Pmax显著高于其他3个物种(P<0.05)，剩余3个物种之间Pmax差异不显著.Rd山莨菪<赛莨菪<三分三和铃铛子，其中山莨菪与三分三、铃铛子之间差异显著(P<0.05)，与赛莨菪差异不显著，赛莨菪、三分三和铃铛子间差异不显著.最高光强1 500 μmol photons ·m-2·s-1下，其他环境因素相同时Wi在4个物种之间无显著差异.

2.2 光合作用的CO2响应比较

CO2响应数据使用LI-6400自带红蓝光源在1 500 μmol photons·m-2·s-1光强，CO2浓度390 μmol CO2·mol-1诱导至稳定后进行CO2响应参数测定(每个物种都做3次重复).随着CO2浓度升高4个物种叶片Pn呈现近指数增长，CO2浓度超过600 μmol CO2·mol-1之后增长缓慢，变化不大(图2).在胞间CO2浓度相同的情况下，Pn由小到大依次是山莨菪、三分三、赛莨菪和铃铛子.

4个物种的叶片光合作用的CE差异不显著，但铃铛子CE略高于其他3个物种(表2).由于光下暗呼吸很小，所以将光下叶片向无CO2空气中释放CO2的速率近似看作Rp，Rp数据分析显示铃铛子显著高于其他3个物种(P<0.05)，其他3个物种之间差异不显著，三分三略高于山莨菪和赛莨菪.从Γ上来看4个物种之间无显著差异.

表1 光合作用光响应参数比较

每一列若具有相同字母，则表示该列的值在0.05水平上无显著差异

图2 四种植物叶片净光合速率对胞间CO2 浓度的响应

植物名称羧化效率/(mmol·mmol-1)光呼吸速率/(mmol CO2·m-2·s-1)CO2补偿点/(mmol CO2·mol-1)赛莨菪0.073 0±0.004 0a3.754 3±0.123 0a51.76±3.32a铃铛子0.085 7±0.004 3a4.243 0±0.130 6b49.87±3.64a山莨菪0.080 3±0.005 8a3.686 0±0.165 7a46.10±1.73a三分三0.078 0±0.007 0a4.390 0±0.466 2a56.14±1.06a

每一列若具有相同字母，则表示该列的值在0.05水平上无显著差异

3 结论和讨论

植物光合作用的光响应曲线反映净光合速率随光强变化的特性[7]，Pmax可反映在一定条件下植物最大的光合能力[12]；山莨菪属4个物种的Pmax在相同光强下无显著差异，铃铛子稍高于其他3个物种，表明这4个物种在相同条件下的最大光合能力相近，推测铃铛子潜在光合能力可能稍强.AQY 是光合速率与相应的光量子通量密度之比，可反映植物光能利用效率，尤其是对弱光的利用效率[13]；山莨菪属4个物种AQY无显著差异，表明在实验条件下这4个物种对弱光的利用效率相近.Φi体现植物对弱光的适应能力，一般认为典型阳生植物Φi的范围在9～27 μmol photons·m-2·s-1之间[14]；根据所得Φi可知，山莨菪属4个物种均为阳生植物，Φi由大到小为三分三、铃铛子、赛莨菪和山莨菪，其中，山莨菪的Φi显著低于三分三和铃铛子(P<0.05)，比赛莨菪的Φi小但无显著差异，推测相对其他3个物种，山莨菪在较低光强下便可以满足生长.Rd是指完全无光照环境中植物的呼吸速率，植物的新陈代谢速率一般用Rd来表示[15]；数据分析显示三分三和铃铛子的Rd显著高于山莨菪(P<0.05)，而赛莨菪与其他3个物种的Rd无显著差异，这在一定程度上表明山莨菪新陈代谢速率较低，赛莨菪次之，三分三和铃铛子代谢速率最高，说明在实验条件下三分三和铃铛子具有较高的活力和消耗，而山莨菪活力较低.Wi常用来说明植物对环境因子的适应[16]，4个物种之间Wi无显著差异，山莨菪Wi略高，在一定程度上表明山莨菪的抗旱性可能较其他3个物种强，这或许是影响山莨菪向干旱地区推移分布的因素之一.

植物CO2响应曲线显示了在环境光强恒定的情况下，净光合速率随CO2浓度的变化而改变的特性.图2显示在Ci超过600 μmol CO2·mol-1之后增长缓慢，可能是由于CO2浓度过高引起细胞中pH值的改变，叶片保卫细胞膨压下降，气孔开度受到影响，进而抑制了叶片净光合速率的增长[17].一般认为CO2响应曲线中CE与核酮糖1，5-二磷酸羧化酶(RuBPCase)的活性呈正相关[18].而山莨菪属4个物种CE无显著差异，铃铛子略高，推测铃铛子RuBPCase的酶活性较高，对光合速率有一定增强作用.蔡时青等[10]指出光呼吸是影响Γ的重要因素，Γ与Rp和CE比值成正相关关系，Γ值较低的作物通常具有较高的净光合速率和产量[19]，山莨菪属4个物种Γ无显著差异，表明其净光合速率和产量相近，这也与4个物种Pmax无显著差异一致.

综合光合作用光响应和CO2响应数据分析，山莨菪属4个物种都对光强和CO2浓度有较大的适应范围，光照强度和CO2浓度在一定范围内的增加可促进光合作用，增加叶片净光合速率，但超过一定数值后可能会抑制光合作用，在引种栽培时应注意维持合适的光照强度和CO2浓度.在山莨菪属4个物种中，与其他3个物种相比，铃铛子具有更强的光合能力，在相同的无胁迫条件下，铃铛子可能积累更多有机物质，植物体生长更快；而山莨菪对弱光适应较强，较低光强便可满足生长，耐旱能力也可能比其他3个物种强，可能适应相对干旱少光的环境，但这些推测还需进一步实验研究加以验证.

致谢：感谢中科院昆明植物研究所段元文研究员对实验采样提供的帮助.