圆柏刺叶和鳞叶的光合功能比较

王钰莹 魏梦瑶 焦梦晓 张奕蕾 邱念伟

摘要：  異形叶在植物界普遍存在，其中圆柏的刺叶和鳞叶在园林树种中最为典型。为了分析圆柏刺叶与鳞叶更替的作用和意义，本文系统比较了这两种圆柏异形叶的光合功能。结果显示，两种类型叶片的含水量没有显著差异。刺叶的光合作用光反应活性和净光合速率均高于鳞叶，可溶性糖含量也显著大于鳞叶。刺叶的高光合效率与其较高的蛋白质含量、叶绿素含量以及较大的单位面积反应中心密度（RCs/CSo）及质体醌库（Sm）有关，其较大的气孔导度也有助于光合作用的进行。但与鳞叶相比，刺叶的蒸腾速率较高，水分利用效率相对较低。因此，多年生圆柏仍保留部分幼年期的刺叶对其生长发育是有利的，刺叶与鳞叶更替则有助于圆柏适应干旱环境。

关键词：  圆柏；  刺叶；  鳞叶；  光合作用；  叶绿素荧光；  水分利用效率

中图分类号：   S 718. 43               文献标识码：   A                文章编号：１００1 － 9499（２０23）04 － 0006 － 05

Comparison of Photosynthetic Function between Needle Leavesand Scale Leaves of Sabina chinensis

WANG Yuying WEI Mengyao JIAO Mengxiao ZHANG Yilei QIU Nianwei**

（College of Life Science， Qufu Normal University，  Shandong Qufu 273165）

Abstract Heteromorphic leaves are ubiquitous in the plant kingdom， among which the needle leaves and scale leaves of Sabina chinensis are the most typical. In order to analyze the role and significance of the replacement of needle leaves and scale leaves on S. chinensis trees， the photosynthetic functions of two heteromorphic leaves of S. chinensis were systematically compared. The results showed that there was no significant difference in water content between the two types of leaves. The photoreaction activity and net photosynthetic rate of needle leaves were higher than that of scale leaves， and the soluble sugar content was also significantly higher than that of scale leaves. The high photosynthetic efficiency of needle leaves was related to its higher protein content and chlorophyll content， larger reaction centers density per cross section （RCs/CSo） and plastid quinone pool （Sm）. Larger stomatal conductance also contributed to photosynthesis of needle leaves. But the transpiration rate of needle leaves was higher than scale leaves and their water use efficiency was relatively lower than scale leaves. Therefore， it is beneficial for the growth and development of perennial S. chinensis trees to retain some needle leaves and the replacement of needle leaves and scale leaves is helpful for S. chinensis to adapt to drought environment.

Key words Sabina chinensis; needle leaves; scale leaves; photosynthesis; chlorophyll fluorescence; water use efficiency

在同一个植物体中往往存在两种或多种形态不同的叶片，称为异形叶[ 1 - 2 ]。如光叶藤蕨（Stenoch-laena palustris）的营养叶较宽，主要进行光合作用，制造有机物；生殖叶狭线形，用于产生孢子，繁殖后代。水毛茛（Batrachium bungei）浮在水面上的叶子是宽阔的五边形或者手掌形，可获得更多光照，有利于光合作用的进行，而沉在水中的叶子则变成了开裂的细丝状叶，以减小对水的阻力，防止被水流冲走。树种中也存在异形叶，幼态蓝桉（Eucalyptus globulus）的叶片无柄，卵形，基部心形；成年蓝桉的叶片有柄革质，披针形，镰刀状。蓝桉幼态叶与成年叶的转变既与树龄有关，也受环境影响[ 3 ]。沙漠胡杨（Populus

euphratica）有条形、卵形、锯形三种异形叶，其通过多变的叶型来适应荒漠区高温、强光、干旱的逆境[ 4 - 5 ]。异叶性在生理和生态功能方面具有明显的区别，使植物在应对环境变化时能最大限度地提高其光合性能，在植物适应环境中发挥着重要的作用[ 6 ]。

柏科植物的许多成员也有明显不同异形叶，它们的异形叶与上述植物不同，幼树全部为刺叶，老龄树全部为鳞叶，壮龄树则兼有刺叶与鳞叶[ 7 ]。具有异形叶的壮龄柏树，其刺叶分布在下端老枝上；随着树龄的增长和老枝的凋落，不再产生新的刺叶，上部新生枝条全部为鳞叶[ 8 ]。关于柏科植物刺叶和鳞叶光合功能的差异研究极少。有人曾报道臭柏（Sabina vulgaris）的鳞叶单位叶面积的光合速率和水分利用效率更高，对强光引起的光抑制具有更好的耐性[ 9 ]；但刺叶单位鲜重的光合速率高于鳞叶，且刺叶光补偿点更低。叉子圆柏（Juniperus sabina）两种异形叶的光合速率与臭柏相反，其刺叶单位叶面积的光合速率和合水分利用效率更高；而鳞叶中的类胡萝卜素含量高于刺叶，非光化学猝灭系数更高，抗光抑制的能力更强[ 10 - 11 ]。因此，关于柏属刺叶和鳞叶的光合能力方面的差异尚存在争议。前人主要从实际光能利用效率方面比较两种叶片的光合能力，研究内容也不够全面。

圆柏是重要的园林绿化树种，有乔木、灌木等多个变种[ 8 ]。其灌木变种较矮，异形叶现象较为普遍，取材比较方便。本文利用叶绿素快相荧光动力学以及光合測定系统比较了其刺叶和鳞叶的光反应活性、暗反应活性以及水分状况，并结合光合产物、光合色素及蛋白含量等生理指标进行佐证，以期为全面了解两种叶片光合功能、生物学意义及其演替规律提供数据支撑。

1 材料和方法

1. 1 植物材料

2022年9月，以10株生长状态良好球柏（圆柏变种，俗名小龙柏（Sabina chinensis L. Ant. var. chinensiscv. Kaizuca）的刺叶和鳞叶为实验材料。两种异形叶见光状况和生长高度一致，取材后立即测定光合参数，或者用湿纱布覆盖尽快带回实验室测定其他生理指标。

1. 2 实验方法

1. 2. 1 含水量的测定

快速称取球柏的新鲜刺叶和鳞叶，每份2 g左右（FW），放入信封内，于105℃烘箱中杀青10 min，然后70℃烘48 h至恒重，用分析天平称量干重（DW）。含水量=（FW-DW）/FW，每种叶片做10个重复。

1. 2. 2 光合色素含量的测定

取新鲜叶片100 mg，切成1 mm长的小段，浸泡于盛有2 ml二甲基亚砜的试管中，65 ℃恒温箱中避光提取2 h，冷却后用8 ml 80%丙酮稀释混匀，于663.6、646.6 nm和470 nm处分别测定吸光度[ 12 ]。提取液中叶绿素和类胡萝卜素的浓度计算公式如下，每种叶片做6个重复。

叶绿素a浓度（mg/L）=12.27A663.6-2.52A646.6

叶绿素b浓度（mg/L）=20.10A646.6-4.92A663.6

总叶绿素浓度（mg/L）=Ca+Cb=7.35A663.6+17.58A646.6

类胡萝卜素浓度（mg/L）=（1 000A470-3.27Ca-104Cb）/229

1. 2. 3 蛋白质含量的测定

称量新鲜叶片0.5 g，用50 mM磷酸缓冲液（pH值7.0） 10 ml研磨提取，再用考马斯亮蓝G250溶液染色5 min后，于595 nm处的测定吸光度。以牛血清蛋白为标准蛋白制作标准曲线，计算叶片蛋白质含量[ 13 ]，每种叶片做6个重复。

1. 2. 4 光合参数和水分利用效率的测定

取见光良好，充分光适应的刺叶和鳞叶小枝，尽快置于小型开放式群体同化室中，用便携式光合作用测定系统（TARGAS-1，美国PP systems）测定两种叶片的光合速率、气孔导度、蒸腾速率、水分利用效率等指标，测定结束后立即测定样品鲜重。测定温度28℃，光照强度1 000 μmol/m2·s，CO2浓度430 μmol/mol，大气湿度30%。根据Qiu等的方法计算单位鲜重叶片的光合速率、气孔导度、蒸腾速率[ 14 ]，每种叶片做10个重复。

1. 2. 5 叶绿素荧光的测定

剪取刺叶和鳞叶小枝后，立即用湿纱布覆盖，置于暗室中暗适应30 min。用植物效率分析仪（Handy PEA， Hansatech Instrument Ltd， UK）测定两种叶片的叶绿素a荧光动力学曲线，用专业软件计算叶绿素快相荧光动力学参数。测定时，叶片平行排列在荧光夹中，完全覆盖 4 mm2 的测试孔，测量光为红光，光强为2 500 μmol/m2·s，每种叶片做10个重复。

1. 2. 6 可溶性糖含量的测定

可溶性糖含量的测定采用蒽酮比色法，称取0.5 g新鲜叶片，用10 ml蒸馏水研磨，转移到离心管，置于沸水浴30 min。离心取上清，上清液用蒸馏水稀释20倍。取1 ml稀释液于试管中，加5 ml蒽酮试剂混匀，沸水浴10 min，试管置于冷水中冷却至室温，于620 nm处比色。以葡萄糖为标样制作标准曲线，计算两种叶片的总可溶性糖含量，每种叶片做6个重复。

1. 2. 7 统计分析

两种叶片生理参数的比较用成组数据t检验进行差异显著性检验，“ns”表示差异不显著，“*”和“**”分别表示显著（P<0.05）和极显著水平（P<0.01）。

2 结果与分析

2. 1 刺叶与鳞叶的形态特征

球柏刺叶为嫩绿色，三叶交互轮生，披针形，先端坚硬较尖，生长发育缓慢。鳞叶为深绿色，交互对生，圆柱形，先端微钝。7～9月份新生刺叶与鳞叶都较绿，叶片光合功能稳定；进入冬季，刺叶逐渐枯黄，鳞叶仍保持绿色，说明鳞叶具有更好的抗冻性。

2. 2 刺叶与鳞叶含水量的比较

含水量是反映植物生长状况的重要指标，一般植物含水量越高，代谢活性越强。植物组织含水量的大小还会直接影响到植物叶片的气孔开放状态和光合作用等生理活动的进行。图1结果显示，刺叶和鳞叶的含水量差异并不显著，这可能是因为同一株圆柏相同部位的刺叶和鳞叶的水势相同所致，二者的水分状况差别不大。

2. 3 刺叶与鳞叶光合色素含量的比较

光合色素是判断生长状态和光合功能最常用的生理参数。在一定范围内，叶绿素含量越高，光合作用越强。由图2可见，刺叶的叶绿素含量和类胡萝卜素含量均显著高于鳞叶，分别是鳞叶的1.72倍和1.53倍，说明刺叶比鳞叶具有更强的光能吸收能力。刺叶的叶绿素a/b显著高于鳞叶，是鳞叶的1.09倍。由于叶绿素b是由叶绿素a转化而来的，推测刺叶中叶绿素a的合成能力可能高于鳞叶。

2. 4 刺叶与鳞叶蛋白质含量的比较

参与光合作用的酶均为蛋白质，其中 RuBP羧化酶占叶片可溶性蛋白的 40% 以上。因此叶片蛋白质含量的高低，也能反应叶片的光合功能强弱。图3结果显示，刺叶的蛋白质含量显著高于鳞叶，是鳞叶的1.31倍，说明刺叶中包括光合作用在内的代谢活动更为活跃。

2. 5 刺叶与鳞叶光合参数和水分利用效率的比较

图4中的结果直接证明刺叶的净光合速率极显著高于鳞叶，约为鳞叶的1.17倍。这与其气孔导度和蒸腾速率较大有一定关系，二者分别是鳞叶的1.33倍和1.50倍，有利于CO2的供应。水分利用效率是光合速率与蒸腾速率的比值，针叶的水分利用效率显著低于鳞叶，仅为鳞叶的78%，说明鳞叶具有较好的抗旱功能。

2. 6 刺叶和鳞叶光合作用光反应活性的比较

叶绿素快相荧光动力学参数可以系统地反映刺叶和鳞叶的光合作用光反应的过程、结构及效率。由表1可见，刺叶和鳞叶的光系统II最大光化学效率（Fv /Fm）均在0.843左右，说明二者的光系统反应中心均处于正常状态。但刺叶叶绿素荧光强度到达P相所需要的时间（Tfm）长于鳞叶，这是由于刺叶具有较大的质体醌库所致（Sm）。刺叶单位激发态面积的电子传递体质体醌和反应中心数目（RCs/ CSo）更多，因此刺叶单位激发态面积吸收的光能（ABS/CSo）、被反应中心捕获的光能（TRo /CSo）、用于电子传递的能量（ETo /CSo）以及耗散的能量（DIo /CSo）大于鳞叶，从而提高了刺叶的光能利用效率。表现为刺叶的光合性能指数（PI）显著高于鳞叶，约为鳞叶的1.27倍。以上结果表明，刺叶的光反应活性也高于鳞叶，与图4所示的刺叶净光合速率高于鳞叶的结果一致。

2. 7 刺叶和鳞叶可溶性糖含量的比较

可溶性糖是光合作用的最初产物，可为植物的生长发育提供能量和代谢中间产物，也可以合成淀粉储存起来。由图5可知，刺叶的可溶性糖含量显著高于鳞叶，是鳞叶的1.64倍，进一步证明刺叶的光合能力更强，可合成更多的有机物，有利于球柏的生长发育。

3 讨论与结论

异形叶是植物适应环境变化的一种进化表型，不同形态的叶片生理功能存在较大差异，在植物适应环境中发挥着重要作用[ 15 ]。本文结果显示，圆柏刺叶的光合功能显著好于鳞叶，表现为刺叶的叶绿素含量和蛋白质含量显著高于鳞叶，质体醌库（Sm）和单位面积反应中心的数量（RC/CSo）显著大于鳞叶（表1），使得刺叶能够吸收更多的光能，光能利用效率提高，为碳同化提供更多的化学能[ 16 ]。因此，刺叶的叶片光合性能指数（PI）和净光合速率（Pn）均大于鳞叶，叶片中光合产物可溶性糖的含量也显著高于鳞叶（图5）。刺叶的光合速率较高与其具有较高的气孔导度也有密切关系，较大的气孔导度有助于叶片的CO2供应[ 17 ]。球柏的幼年期全部為刺叶，可以合成更多的营养物质，促进幼树的快速生长。另外刺叶尖硬，可以保护刺柏幼苗不受食草动物的侵害。

成年球柏的叶片以鳞叶为主，仅下部枝条残存少量刺叶，主要是因为刺叶与鳞叶相比有两方面的缺点。一是刺叶的蒸腾速率较大，耗水量大，水分利用效率相对低于鳞叶（图4），用鳞叶取代刺叶有助于提高球柏的抗旱性[ 18 ]。刺叶的第二个缺点是抗冻性弱，进入冬季，刺叶会发黄干枯，而鳞叶却能保持绿色，寿命更长，可以减少因叶片更替带来的营养消耗，光合时间也更长。圆柏的异形叶策略与沙漠胡杨不同，幼年期的沙漠胡杨全部为披针形叶，披针形叶叶面积小，蒸腾速率低，光合效率低，抗旱性差，主要以维持幼苗生长为主。随着沙漠胡杨的生长，披针形叶片逐渐被光合作用和抗旱性更强的卵形叶和锯齿卵形叶代替[ 19 - 20 ]。沙漠胡杨的卵形和齿状宽卵形叶的光合能力强得益于其中叶绿素和蛋白质含量高于披针形叶[ 5 ]，这一规律与球柏及臭柏中刺叶光合能力高于鳞叶的原因类似[ 9 ]。但沙漠胡杨的成年卵形叶光合能力和抗逆性都强于幼年的披针形叶。

球柏等异形叶树种幼年期植物个体小，叶片数量少，总体蒸腾耗水量不大，此时叶片以刺叶为主，可加快光合作用，促进幼体尽快生长。随着植株的长大，耗水量升高，水分运输的距离延长，叶片水分供应的阻力变大，此时发育出鳞叶，可减少水分散失，提高水分利用效率。球柏为矮灌木，植株矮小，水分需求相对较少，刺叶和鳞叶共存的现象比较普遍。这种异形叶共存现象是植物对外界环境的一种适应，能提高植物对干旱环境的适应能力和竞争能力[ 21 ]。

综上所述，球柏刺叶的光合效率大于鳞叶，有助于球柏幼树的生长发育，但其水分利用效率低。随着球柏的发育成熟，鳞叶逐渐代替刺叶。鳞叶虽然光合速率低，但水分利用率高，抗逆性强，更有助于球柏适应干旱和寒冷的环境。壮年球柏保留一定的刺叶则有助于自我保护和有机物合成。

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