3种观赏性石斛的光合特性比较研究*

秦惠珍，邹 蓉，邓丽丽，杨一山，柴胜丰，蒋 强，罗亚进**

(1.广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所，广西喀斯特植物保育与恢复生态学重点实验室，广西桂林 541006；2.广西雅长兰科植物国家级自然保护区管理中心，广西百色 533209)

石斛属DendrobiumSw.是兰科植物中仅次于石豆兰属的第二大属，为多年生草本植物。石斛属植物野生资源主要分布在云南、广西和贵州[1]，广西野生石斛资源非常丰富，其中以兰科命名的广西雅长兰科植物国家级自然保护区石斛属植物有9种，呈局部集中、整体零星分布的特点；石斛对生存环境要求严格，大多分布在海拔450-900 m的温凉高湿地带，受温度、光照、土壤等环境因子影响较大[2]。野生石斛大都存在不同程度的生境破碎、人为采挖严重等现象，野生石斛资源急剧减少。石斛属植物多兼具药用、食用与观赏价值，市场需求量大。由于石斛属植物生境特殊，生长发育缓慢，野生资源远远无法满足市场的需求。石斛属研究领域广，目前关于石斛属植物的研究有化学成分[3,4]、亲缘关系及分子鉴定[5-7]、代谢途径[8,9]、内生真菌及菌根真菌[10,11]和光合生理特性研究[12-14]。针对石斛属植物，虽然从生理生化方面进行了较多的研究，但关于其可再生资源研究较少，且主要集中在组织培养方面。迄今已有部分石斛属植物在组织培养上取得试管苗，如铁皮石斛、姬美石斛、兜唇石斛和细茎石斛等[15-19]，但大多数石斛属植物的组培苗存在移栽成活率低，难以在生产中大规模使用等问题。因此，摸清石斛野外生长所需要的环境条件及其生理特性，对攻克石斛属植物的规模化栽培具有重要意义。光合作用是植物进行生长的必要条件，对石斛属植物的产量和品质具有重要影响[20]。影响光合作用的温度、光照、水分、环境中CO2浓度等环境因素均会影响石斛属植物的生长，米斛、铁皮石斛和铜皮等3种霍山石斛的最佳生长环境条件为湿度80%左右，高光强、高温和低湿度均会抑制其生长；低温会对报春石斛造成一定程度的胁迫，导致其光合作用效率降低[21]；增大CO2浓度有利于促进霍山石斛的生长[22]。

叠鞘石斛DendrobiumdenneanumKerr.、流苏石斛D.fimbriatumHook.和束花石斛D.chrysanthumWall.ex Lindl.在广西乐业县繁育效果良好，花朵艳丽、开花周期长，观赏价值高，具有广阔的市场前景，因此本研究选用这3种石斛作为研究对象。通过研究不同光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation，PAR)和不同CO2浓度对叠鞘石斛、流苏石斛和束花石斛等3种观赏性石斛光合特性的影响，旨在摸清3种石斛对光照强度和CO2浓度的需求规律，找出其生长的适宜光照范围和CO2浓度，为其栽培驯化、良种繁育及规模化种植等提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2021年4月，在广西雅长兰科植物国家级自然保护区兰花繁育实验中心进行试验，地理位置为24°51′ N，106°22′ E，海拔为940 m。试验地年平均气温16.3℃，年平均降水量为1 051.7 mm，年平均日照1 467.0 h，属亚热带季风气候。

1.2 材料

选取广西雅长兰科植物国家级自然保护区兰花繁育实验中心3年生叠鞘石斛、流苏石斛和束花石斛的栽培植株，株高均为80-100 cm，每个物种选取5株作为待测植株，选取3-5片中上部位成熟叶片进行测定。

1.3 方法

1.3.1 光响应曲线测定

于晴天上午9：00-11:30使用Li-6400 XT便携式光合仪(Li-XT，USA)进行测定，采用LED红蓝光源叶室，将PAR设定为1 600 μmol·m-2·s-1、1 400 μmol·m-2·s-1、1 200 μmol·m-2·s-1、1 000 μmol·m-2·s-1、800 μmol·m-2·s-1、600 μmol·m-2·s-1、400 μmol·m-2·s-1、200 μmol·m-2·s-1、150 μmol·m-2·s-1、100 μmol·m-2·s-1、80 μmol·m-2·s-1、60 μmol·m-2·s-1、40 μmol·m-2·s-1、20 μmol·m-2·s-1、0 μmol·m-2·s-115个梯度，CO2浓度控制在400 μmol·mol-1。采用自动测量系统Auto Prog，设定最大等待时间300 s、最小等待时间120 s。每个物种测量3株植物，每株植物测量一个叶片，测定对应的净光合速率(Pn)、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)、表观量子效率(AQY)和暗呼吸速率(Rd)等光合特性指标。

1.3.2 CO2响应曲线测定

使用Li-6400 XT便携式光合仪中的CO2自动测量系统测定3种石斛属植物的CO2响应曲线，每种植物测量3个重复，光照强度设定为600 μmol·m-2·s-1，CO2浓度梯度设为50 μmol·mol-1、100 μmol·mol-1、150 μmol·mol-1、200 μmol·mol-1、300 μmol·mol-1、400 μmol·mol-1、600 μmol·mol-1、800 μmol·mol-1、1 000 μmol·mol-1、1 200 μmol·mol-1、1 600 μmol·mol-1、2 000 μmol·mol-1，设定最大等待时间300 s、最小等待时间120 s，测定对应的Pn。

1.3.3 叶绿素相对含量测定

选取3种石斛属植物中上部位的健康成熟叶片，用SPAD-502 Plus叶绿素计(MINOLTA，Japan)对3种石斛属植物叶片进行SPAD值测量，每张叶片测量6个位置，每种植物测5株。

1.4 数据处理

利用WPS 2019的Excel软件进行数据整理及初步分析，采用Origin 9.1作图，采用IBM SPSS Statistics 23软件进行多重比较分析，用直角双曲线修正模型[23]拟合3种石斛属植物的光响应曲线及CO2响应曲线，利用光合计算4.1.1软件计算光响应曲线及CO2响应曲线拟合值及光合参数。

2 结果与分析

2.1 光响应曲线

叠鞘石斛、流苏石斛和束花石斛光响应曲线拟合的决定系数(R2)均达到0.95以上，拟合效果较好。3种石斛的光响应曲线随PAR的变化趋势存在一定差异(图1)。其中束花石斛的Pn随PAR的变化最明显，在PAR为0-200 μmol·m-2·s-1时，Pn随PAR的增加呈现直线上升的趋势；在PAR为200-400 μmol·m-2·s-1时，Pn随PAR的增加呈现缓慢上升的趋势；随后Pn随PAR的增加呈现下降的趋势。可见，强光照会导致束花石斛光合作用受到限制，光合作用能力下降。流苏石斛和叠鞘石斛的光响应曲线呈现相似的变化趋势，在PAR为0-200 μmol·m-2·s-1时，Pn随PAR的增加呈现直线上升的趋势，随后Pn随PAR的增加缓慢上升最后趋于稳定。叠鞘石斛、流苏石斛和束花石斛3种石斛的最大净光合速率(Pmax)分别为3.54 μmol·m-2·s-1、3.86 μmol·m-2·s-1、4.03 μmol·m-2·s-1，无显著性差异(表1)。

表1 3种石斛属植物光响应曲线特征参数

图1 3种石斛属植物的光响应曲线

植物光合作用光饱和点(LSP)和光补偿点(LCP)的差值越大，表明植物利用的光照强度范围越大，光合作用能力越强[24]。3种石斛的LCP具有显著性差异(P<0.05)，其中束花石斛的LCP最低，表明其对弱光的利用能力最强。3种石斛的LSP具有显著性差异(P<0.05)，其中，叠鞘石斛LSP最高，其对强光的利用能力最强，其次为束花石斛，流苏石斛对强光的利用能力最弱，强光容易导致流苏石斛发生光抑制现象。叠鞘石斛、流苏石斛和束花石斛的LSP与其LCP的差值分别为992.94 μmol·m-2·s-1、675.70 μmol·m-2·s-1、711.49 μmol·m-2·s-1，可见叠鞘石斛利用光照强度的范围最广，在生产中可根据光照特点扩大其栽培范围。3种石斛的表观量子效率(AQY)差异较大，叠鞘石斛和流苏石斛对弱光的利用能力显著低于束花石斛(P<0.05)。3种石斛间的暗呼吸速率(Rd)具有显著性差异(P<0.05)，其中流苏石斛的Rd显著高于叠鞘石斛和束花石斛，流苏石斛进行暗呼吸作用消耗有机物的能力显著高于其他两种石斛。

2.2 CO2响应曲线

叠鞘石斛、流苏石斛和束花石斛的CO2响应曲线拟合的决定系数(R2)均在0.94以上，曲线的拟合效果较好。3种石斛的Pn变化趋势随CO2浓度(50-2 000 μmol·mol-1)的增加存在明显差异。叠鞘石斛的Pn随CO2浓度(50-2 000 μmol·mol-1)的增加呈现直线上升的趋势，但CO2浓度并未达到饱和状态。流苏石斛的Pn在CO2浓度为0-400 μmol·mol-1时缓慢上升；之后随着CO2浓度增加，呈现直线上升趋势，但CO2浓度并未达到饱和状态。束花石斛的Pn在CO2浓度为0-400 μmol·mol-1时缓慢上升，同流苏石斛的Pn变化趋势一致；在CO2浓度为400-500 μmol·mol-1时，呈现直线上升趋势；之后随着CO2浓度的增加，呈现缓慢上升趋势，但CO2浓度未达到饱和状态(图2)。可见，3种石斛中叠鞘石斛Pn增长最快，且CO2浓度高或低时，Pn增长没有显著变化；流苏石斛的Pn增长趋势居中，但其利用低浓度CO2的能力较弱；束花石斛的Pn增长趋势最缓慢，且其利用低浓度和高浓度CO2的能力均较弱。

图2 3种石斛属植物光合作用CO2响应曲线

表2反映了3种石斛属植物的光合作用对CO2胞间浓度响应的特征参数。3种石斛的初始羧化效率(β)的大小依次为叠鞘石斛>流苏石斛>束花石斛，但叠鞘石斛和流苏石斛的β没有显著性差异。最大净光合速率(Amax)反映了植物利用CO2进行光合作用的能力，3种石斛的Amax大小依次为叠鞘石斛>流苏石斛>束花石斛，且叠鞘石斛和流苏石斛的Amax分别为束花石斛的2.29和2.52倍。CO2补偿点(CCP)和CO2饱和点(CSP)是判断植物是否具有高光合速率的一个指标[25]。一般来说，具有高光合效率的植物具有较低的CCP和较高的CSP。3种石斛的CSP没有显著性差异，且均在2 400 μmol·m-2·s-1以上。3种石斛的CCP具有显著性差异，叠鞘石斛的CCP最小(100.12 μmol·m-2·s-1)，流苏石斛的CCP最大(158.02 μmol·m-2·s-1)。叠鞘石斛、流苏石斛和束花石斛的CSP与其CCP的差值分别为2 575.40 μmol·m-2·s-1、2 257.69 μmol·m-2·s-1、2 697.45 μmol·m-2·s-1，综合分析CCP和CSP可知，3种石斛的光合效率相近。流苏石斛的光呼吸速率(Rp=1.57 μmol·m-2·s-1)显著大于叠鞘石斛和束花石斛，但远不及耐强光植物的光呼吸速率[26]，3种石斛的光呼吸速率均较低，可能与其耐阴性有关。

表2 3种石斛属植物CO2响应曲线特征参数

2.3 叶绿素相对含量

由图3可知，3种石斛属植物叶片的SPAD值表现为束花石斛与流苏石斛无显著性差异，与叠鞘石斛具有显著性差异；其中束花石斛的SPAD值(58.06)最大，叠鞘石斛的SPAD值(51.09)最小。3种石斛的SPAD值变化趋势与光响应曲线中的净光合速率变化趋势一致。

图3 3种石斛属植物的SPAD值

3 讨论

光质作为能源对植物生长至关重要，植物利用光能进行光合作用，为包括人在内的所有生命提供能量[27]。但不同植物对光量子的吸收能力不一样，当植物吸收的光能大于其化学反应所需要的能量时，由于有部分光能未能被消耗，就会产生光抑制现象，光抑制的程度取决于光系统Ⅱ反应中心与光合机构保护机制的运转破坏两方面的平衡状态[28]。阳生植物具有较强的光合作用能力，一方面是因为在强光下其仍能提高光合效率，利用更多的光能;另一方面是其能增加热耗散，消灭过剩光能，维持光系统平衡[29]。阴生植物光合能力较弱，主要是因为其对强光的利用能力较弱，对强光特别敏感，具有强光不耐受性，在强光下光系统结构受到破坏[30]。阴生植物一般对弱光具有较强的耐受能力，典型的阴生植物其光饱和点、光补偿点均较低[31]。本研究中，叠鞘石斛、流苏石斛和束花石斛的光饱和点均低于1 000 μmol·m-2·s-1，光补偿点均小于5 μmol·m-2·s-1，3种石斛的光饱和点和光补偿点均较低，为典型的阴生植物[32]，具有较强的耐阴性，可能与其长期生长在阴湿的树干、有苔藓覆盖的岩石壁上有关，是长期与环境相互作用的结果，且强光下表现出一定的不适应性。AQY是度量植物对弱光利用能力的指标，AQY值越大，表明植物吸收与转换光能的色素蛋白复合体越多，利用弱光能力越强[33]。本研究中束花石斛的AQY显著高于其他两种石斛，表明束花石斛对弱光的利用能力最强。暗呼吸速率(Rd)是指植物在光照强度为0时，单位时间内通过呼吸消耗氧气和有机物生成二氧化碳的量[34]。暗呼吸速率反映植物在黑暗条件下消耗有机物的程度[35]，本研究中3种石斛的暗呼吸速率(Rd)具有一定的显著性差异，表现在流苏石斛与叠鞘石斛、束花石斛差异显著，而叠鞘石斛与束花石斛之间差异不显著，但3种石斛的Rd较低，均小于0.5 μmol·m-2·s-1，可能与石斛属植物的耐阴性和整体光合能力较弱有关。

植物碳同化受Rubisco活性和RuBP再生速率的限制，初始羧化效率(β)反映植物胞间CO2浓度为50 μmol·mol-1时植物Rubisco的量及酶活性，β越高，植物光合作用对低浓度CO2的利用能力越强[36,37]。本研究中叠鞘石斛和流苏石斛的β显著高于束花石斛，表明叠鞘石斛和流苏石斛对CO2的利用能力比束花石斛高，束花石斛在CO2浓度低的环境中生长容易受到限制，因此在生长实践活动中可以采取CO2加富等措施增加其CO2浓度，以提高束花石斛产量。CSP和CCP是光合作用中植物对CO2利用能力的表现[38]，CSP反映了植物利用CO2进行光合作用能力的强弱，其值越高，利用的能力越强；CCP是反映植物利用CO2能力的重要指标，CCP越低表明植物利用低浓度CO2进行光合作用时，其干物质积累能力越强。本研究中，3种石斛的CSP没有显著性差异，均处于较高值，可见，3种石斛利用CO2的能力较强。叠鞘石斛的CCP最低，表明其利用低浓度CO2进行光合作用时，其干物质积累能力较强。

植物的光合能力还与叶片的叶绿素含量密切相关[39]，而叶片的叶绿素含量与其绿色度值(SPAD值)具有显著相关性[39]，高叶绿素含量的植物具有竞争优势[40]，利用SPAD-叶绿素检测仪测定兰科植物叶片的叶绿素含量，是较为便捷且不损伤叶片的方法[41]。在本研究的3种石斛中，叠鞘石斛的SPAD值最小，其在光响应曲线中的Pmax也最小；束花石斛的SPAD值最大，其在光响应曲线中的Pmax也最大，说明3种石斛的净光合速率与SPAD值存在一定的正相关性。

4 结论

本研究中，3种石斛属植物的最大净光合速率无显著性差异，且叶片SPAD值与其净光合速率有一定程度的相关性。3种石斛属植物均具有较强的耐阴性。3种石斛的净光合速率均随着CO2浓度的增加呈现上升的趋势，且在测定的范围内均没有达到饱和点，因此在种植这3种石斛时，可以采用CO2加富来促进其生长。除此之外，叠鞘石斛的光照强度适应范围最广，对强光的利用能力最强，栽植时可扩大其栽培范围；束花石斛在弱光下其光合作用能力最强，耐阴性最强，在栽培时可将其栽植在林间较阴的树下、石缝等地。流苏石斛的光合作用能力处于中等水平，光补偿点高、光饱和点低，对光照的适应范围较狭窄，栽植时可根据其特性选择光照环境条件以提高产量。