园林植物地石榴光合-光响应及叶绿素荧光特征探究

(云南大学生态学与地植物学研究所， 昆明 650500)

光合作用是植物最重要的生命活动之一，也是生态系统物质循环、能量传递的重要环节[1]。面对不同光强条件，植物会做出不同的光响应措施，以适应不断变化的外界环境[2]。研究植物的光响应曲线已经成为了解植物生理生态特征的重要方法和手段。另外，自然条件下的光合作用和叶绿素荧光关系密切，研究发现，植物体内发出的叶绿素荧光信号包含着丰富的光合作用信息[3]，叶绿素荧光被称作测定叶片光合功能快速、无损伤的探针[4]，通过对荧光参数的探测来探究植物光合作用和热耗散的情况，可以直接或者间接的反映光合机构内一系列重要的适应调节过程[5]。目前，光响应曲线测定和叶绿素荧光测定技术已比较成熟，在植物光合作用机理、抗逆性生理、作物育种及增产等多方面有不同程度的应用，显示出多方面的应用前景[6-8]。

地石榴(Ficustikoua)，桑科、榕属，多年生常绿匍匐木质藤本，全体具乳液。分布于我国长江流域及亚热带许多省区，常生于海拔500～2 650 m的山坡或岩石缝中。地石榴因耐干旱、耐贫瘠、四季常青、覆盖能力强、覆盖地面效果好而成为很有前景的绿化用地被植物[9]，因此常作为园林绿化植物，繁殖方式多为扦插和分株栽种，国内对地石榴的报道多为栽培管理和绿化优化，余婷等[10]通过对比实验选择出地石榴最优扦插基质为腐殖土。而目前对于地石榴生理生态学方面尚未报道，本试验从光合-光响应、叶绿素荧光特征入手，探讨地石榴光合荧光参数对不同光强的响应机制，为地石榴的优质栽培和开发利用提供理论依据和科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为云南大学呈贡校区自然状态下生长的地石榴，于2017年3月采回后栽培于口径20 cm的中型白色塑料盆中，共10盆，在生长期定期施肥浇水，待植物生长到稳定期时(2017年9—10月)选择长势接近的5盆进行试验。

1.2 光合指标测定

于2017年9月晴朗微风的上午(08：00—12：00时)，利用美国LIC公司生产的LI-6400 XT便携式光合作用测定仪测定地石榴的光合-光响应过程，测定时叶室温度设为25 ℃，CO2浓度为400μmol·mol-1，在试验材料中选择生长状况一致的叶片，每盆测2片叶片，共10片，将待测叶片在500μmol·(m2·s)-1下诱导5 min使其光合系统充分活化，然后设置11个光强梯度(分别为0，10，25，50，100，250，500，750，1 000，1 500，2 000μmol·(m2·s)-1)，测定每片叶片在每种光强下的光合指标参数，结果取平均值，测量指标包括净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)等。

1.3 叶绿素荧光参数及快速光响应曲线测定

用PAM-2100便携式叶绿素荧光分析仪测定叶绿素荧光参数：初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、PSⅡ原初光能转换效率(Fv/Fm)等，测定时间选择08：00—10：00时，测定之前叶片均暗适应20 min。另外，采用PAM-2100自带标准试验Run 9测定地石榴叶片快速光响应曲线(rapid light curves，RLCS)。实验前需使试验材料充分暗适应(15～20 min)，后再进行Run 9试验设置，选择饱和脉冲模式同时打开测量光和光化光，初始光化光强度(2 Int)设为1，饱和脉冲强度(3 Int)设为9，远红光照射时间(8 s)设为0，按Run开始测定[11]，仪器自动设置光合有效辐射(PAR)梯度为0，53，62，101，151，227，340，543，864，1 441μmol·(m2·s)-1，在每个叶片中部避开中脉区域测定，测定指标包括电子传递速率ETR，PSⅡ的实际光量子产量ΦPSⅡ，光化学淬灭系数qP，非光化学淬灭系数qN等，本试验选择5盆生长状况接近的地石榴，每盆测1条曲线。

1.4 数据处理

用Excel 2010软件对所测数据进行整理分析和绘图，结合SPSS 25.0软件进行数据统计分析，运用皮尔逊(Person)相关性分析来检验各光合因子与净光合速率间的相关关系。

2 结果与分析

2.1 叶片光合指标特性

2.1.1净光合速率(Pn)

对地石榴光响应曲线的测定结果表明，在不同PAR条件下，地石榴Pn值变化明显，Pn值随着PAR的增大而增大，当PAR达到750μmol·(m2·s)-1后，Pn值逐渐趋于稳定，当PAR为2 000μmol·(m2·s)-1时，Pn达到最大值，为12.12μmol·(m2·s)-1。从图1可知，光补偿点为2.47μmol·(m2·s)-1，光饱和点为750μmol·(m2·s)-1，光补偿点低于光饱和点1%，表现出强耐荫性[12]，高的光饱和点表现出阳生植物的特征。

2.1.2气孔导度(Gs)

气孔是植物与外界进行气体交换的通道，气孔开放有利于植物叶片光合作用的碳固定，并且在高温的情况下利用蒸腾的降温作用使叶片有效避免热损伤，气孔关闭可减少水分的丧失，降低植物出现过度失水的危险，因此气孔对植物的生长有非常重要的作用[13-14]。如图2所示，在较低的PAR情况下，Gs变化不大，当PAR大于25μmol·(m2·s)-1后，Gs值持续稳定上升，并在PAR达到2 000μmol·(m2·s)-1时，仍有上升趋势。

图2 地石榴叶片的气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)对光强的响应

图1 地石榴叶片的光响应曲线

2.1.3胞间CO2浓度(Ci)

如图2所示，随着PAR的增大，Ci呈下降趋势后趋于稳定，其变化与Pn值随PAR变化的趋势大致相反，这是因为植物胞间CO2是光合作用的主要原料之一，Pn值越大，说明植物光合作用所需要的CO2就越多，因此Ci与Pn呈反比增长[15]。0μmol·(m2·s)-1PAR时地石榴的Ci最高，为398.36μmol·mol-1，然后一直呈下降趋势，到500μmol·(m2·s)-1PAR时，趋于稳定变化。

2.1.4蒸腾速率(Tr)

蒸腾速率反映的是叶片单位叶面积瞬间的耗水量[16]。从图2可知，当PAR值处于较低水平(PAR<50μmol·(m2·s)-1)时，Tr较为稳定，数值变化不大，但随着PAR不断增加，Tr总体呈上升趋势，当PAR为2 000μmol·(m2·s)-1时Tr仍保持上升趋势。

2.2 净光合速率Pn与其影响因素的相关性分析

由表1可知，地石榴叶片的Gs与Pn呈极显著正相关(r=0.873**)；Ci值与Pn值呈负相关，且与Pn的相关性极显著(r= -0.958**)；Tr与Pn呈正相关，且相关性极显著(r=0.902**)。

表1 各光合因子与Pn的相关分析

光合因子PnGs0.873**Ci-0.958**Tr0.902**

注：“**”表示极显著相关(p<0.01)。

2.3 地石榴叶片叶绿素荧光参数的变化

2.3.1暗反应条件下地石榴叶绿素荧光参数的变化

本实验测得地石榴叶片的初始荧光Fo为0.25+0.02，最大荧光Fm为1.20+0.14，这2个值分别代表了PSⅡ反应中心处于完全开放和完全关闭时的荧光产量。Fv/Fm是PSⅡ的最大光化学量子产量，或称最大PSⅡ的光能转换效率，此参数不受物种和生长条件的影响，只有在胁迫条件下才会明显下降，Fv/Fm与植物光合作用光抑制程度密切[17]，正常情况下，该值的波动范围在0.75～0.85之间[18]，而地石榴叶片的Fv/Fm为0.79±0.02，其值在正常范围内，说明在暗反应下地石榴的叶绿素荧光参数变化不显著，表明地石榴是一种适应性较广的植物。

2.3.2快速光响应曲线

快速光响应曲线(RLC)是电子传递速率随光强的变化曲线，测定快速光响应曲线可以确定植物叶片的实际光化学效率。ETR值的高低在一定程度上反映出PSⅡ反应中心的电子捕获效率的高低[19]，地石榴叶片快速光响应曲线如图3所示。叶片PSⅡ相对光合电子传递速率ETR与PAR呈正比增长，在1 441μmol·(m2·s)-1光照强度时仍有增大的趋势，表明其在高光强环境下依旧能保持较高水平的电子传递速率，光合作用没有因强光而受到伤害，并且ETR随着PAR的增加上升较快，表明光化学反应启动快，光能利用效率高，未发生光抑制，这表明地石榴的光合能力较强，能够将吸收的光能更多的用在光合作用上，降低了富余电子量，对光合器官起到一定的保护作用。

图3 地石榴叶片的ETR、ΦPSⅡ、qP、qN对PAR的响应

PSⅡ的实际光量子产量ΦPSⅡ反映吸收的光子供给PSⅡ反映中心的效率[20]，如图3所示，ΦPSⅡ初始值在0.8左右，随PAR的增加ΦPSⅡ值持续降低，直到1 441μmol·(m2·s)-1时ΦPSⅡ仍有下降趋势；光化学淬灭系数(qP)是PSⅡ天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额，在一定程度上反映了PSⅡ反映中心的开放程度，其大小反应了PSⅡ的电子传递活性的强弱[20]，随着PAR的增大，qP值持续下降，在PAR为1 441μmol·(m2·s)-1时仍有下降趋势；非光化学淬灭系数(qN)反映的是天线色素吸收的光能以热的形式耗散掉的部分[21]，即光保护能力，图中qN值的整体趋势是随PAR增加而持续稳定增大，前人研究提出qN随着光强增加而增加是植物对生存环境适应的一种保护机制[22]。

3 讨论与结论

植物的光合光响应曲线最能反映出植物对光强和环境变化的适应能力[23]。通过探究地石榴叶片的Pn，Gs，Ci，Tr对不同PAR的响应，得出结论，随着PAR的增大，地石榴叶片Pn值随之上升，通过提高净光合速率可以提高对光能的利用，这与李雅善[24]等的研究结果一致。当光强达750μmol·(m2·s)-1时，Pn值开始趋于稳定，说明在高光强下光合积累趋于稳定，这与邹伶俐等[25]对芒萁光合作用研究结果一致，在高光强下能够保证自身的光合积累。光补偿点(LCP)为2.47μmol·(m2·s)-1，光饱和点(LSP)为750μmol·(m2·s)-1，一般情况下LCP和LSP均较高的属于阳生植物，反之则属于耐荫性植物[26]，地石榴LSP较高而LCP较低，表示其对光强的适应范围较大，是一种耐荫性很强的阳生植物。另外，随着PAR的增加，Gs和Tr呈上升趋势，Ci呈下降趋势；相关性分析显示，Pn与Gs、Tr具有极显著正相关(p<0.01)关系，与Ci呈极显著负相关(p<0.01)；可见Pn和Gs、Tr，Ci都具有密切联系，三者均处在较高水平，光照强度对地石榴Pn作用明显，表现出显著的阳生植物特征。

研究显示，植物吸收的光能被用于光合作用、叶绿素荧光和热3方面因此认为荧光产量的下降是由于光合作用的增加或热耗散增加而引起的[27]。光合作用每个步骤都可能引起荧光的变化，同理通过探究叶绿素荧光的变化也能探测光合作用过程的变化[28-29]。利用PAM-2100对经过暗反应处理的地石榴进行测定，地石榴叶片的PSⅡ原初光能转换效率Fv/Fm值为0.79±0.02，叶绿素荧光参数维持在较高水平，表明地石榴是一种耐荫性强，适应性广的植物，Patten KD等的研究表明，在一定程度上的遮荫可以提高作物存活率和果实品质[30]，因此在设施栽培方面应尽量选择耐荫的品种。快速光响应实验结果表明，随着光强的增大，相对电子传递速率ETR、非光化学淬灭系数qN呈持续上升趋势，表明地石榴可以通过增强光能利用能力和热耗散水平，消耗富余能量，这样就能够有效避免光合器官光损伤；另外，随光强增加PSⅡ的实际光量子产量ΦPSⅡ、光化学淬灭系数qP呈现下降趋势，表明减弱PSⅡ反应中心对光能的转化吸收，以减少过剩光能的产生可能是地石榴适应高光强的一种对策。在杨佳伟[27]等的研究中，这些参数呈现相同的变化趋势。

综上，地石榴是一种耐荫性很强，适应高光强环境的阳生植物，对外界多变环境有很强的适应能力，因此在地石榴管理栽培中，无需过多关照，只需适当浇水、施肥即可。实验结果可为地石榴优质栽培和开发利用提供参考。