劉壯壯 駱敏 彭方仁 楊標(biāo) 陳濤 李永榮

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037) (南京綠宙薄殼山核桃科技有限公司)

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不同品種薄殼山核桃光合及快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)特性1)

劉壯壯 駱敏 彭方仁 楊標(biāo) 陳濤 李永榮

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037) (南京綠宙薄殼山核桃科技有限公司)

以‘Pawnee’、‘Mahan’、‘Stuart’、‘Kanza’和‘Jinhua’5個(gè)薄殼山核桃品種結(jié)果樹為研究對象，對其光合特性及快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)特性差異進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，不同品種薄殼山核桃的光合特征參數(shù)存在一定差異，‘Stuart’光合能力最弱，‘Mahan’和‘Pawnee’的光合能力及對光環(huán)境的適應(yīng)能力均大于其它品種，但‘Mahan’對弱光的利用能力較弱；‘Mahan’暗呼吸速率最低，有利于光合產(chǎn)物的積累，‘Stuart’暗呼吸速率最高，消耗較多光合產(chǎn)物；對光合基本指標(biāo)及其光響應(yīng)特性的分析結(jié)果表明，氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率及瞬時(shí)羧化效率是影響凈光合速率的重要因素，其中瞬時(shí)羧化效率對凈光合速率有更直接顯著的影響；相較于其它品種，‘Pawnee’抗旱能力較差，而‘Jinhua’抗旱能力較強(qiáng)；JIP-測定結(jié)果中，‘Stuart’質(zhì)體醌容量(Sm)及電子傳遞活性較大，其各相熒光信號(hào)較弱，熱耗散的能量較少，導(dǎo)致用于電子傳遞的能量較多，‘Kanza’的這些特性與‘Stuart’相反；品種間性能指數(shù)存在顯著差異，‘Stuart’光合機(jī)構(gòu)性能最優(yōu)，‘Kanza’則較差；綜合光合能力及光反應(yīng)階段的指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)5個(gè)薄殼山核桃品種中‘Stuart’光反應(yīng)活性最大，但其光合能力最弱，可能和氣孔限制因素、暗呼吸作用較強(qiáng)及光合機(jī)構(gòu)形成的同化力較多地用于氮、硫同化等其它的代謝有關(guān)。

薄殼山核桃；光合特性；葉綠素?zé)晒?/p>

薄殼山核桃(CaryaillinoensisKoch)，又名美國山核桃或長山核桃，是胡桃科山核桃屬植物，原產(chǎn)美國和墨西哥北部，是世界著名干果、木本油料、景觀綠化及材用樹種，集顯著的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)效益于一身。中國引種栽培薄殼山核桃已有100多年的歷史，從美國引進(jìn)及國內(nèi)選育的薄殼山核桃品種有100多個(gè)，但至今仍未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[1-2]。近年來，薄殼山核桃作為重要的經(jīng)濟(jì)林木，發(fā)展迅速，但在多數(shù)地區(qū)尚未完成區(qū)域化栽培試驗(yàn)及形成一套切實(shí)可行的栽培管理技術(shù)體系。光合作用是植物生長發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，是決定薄殼山核桃果樹生長及果實(shí)發(fā)育的重要生理過程。因此，探究薄殼山核桃的光合作用的反應(yīng)過程及其特性對于薄殼山核桃的引種、栽培和育種具有重要的指導(dǎo)意義。

目前，國內(nèi)外對薄殼山核桃光合特性的研究以氣體交換及光合碳同化效率的研究為主，而對其光反應(yīng)階段的研究較少。早期的研究發(fā)現(xiàn)光合原初反應(yīng)和葉綠素?zé)晒獯嬖谥芮嘘P(guān)系[3]，隨著研究的深入，人們逐步認(rèn)識(shí)到熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線中蘊(yùn)藏著豐富的信息。葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線的測定，可采用調(diào)制脈沖式和連續(xù)激發(fā)式(JIP-測定)2種不同的熒光儀，調(diào)制脈沖式探測的是光合作用碳同化等反應(yīng)啟動(dòng)后的光能捕獲、轉(zhuǎn)化及利用的情況，連續(xù)激發(fā)式熒光儀主要是通過短時(shí)間照光后，熒光信號(hào)的瞬時(shí)變化反映暗反應(yīng)活化前PSII的光化學(xué)變化，與調(diào)制式熒光儀相比，連續(xù)激發(fā)式熒光儀有獲得信息量大、操作簡便快捷、測定易于多次重復(fù)、儀器便于攜帶、存儲(chǔ)量大、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[4]。目前，以JIP-測定為基礎(chǔ)的快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)分析，被廣泛應(yīng)用于植物光合作用研究中，但是僅國外學(xué)者Henriques和Lombardini等人[5-8]在薄殼山核桃的研究中運(yùn)用了這一技術(shù)，而且僅簡單分析了最小熒光強(qiáng)度(Fo)、最大熒光強(qiáng)度(Fm)、可變熒光(Fv=(Fm-Fo))、最大量子產(chǎn)額(Fv/Fm)等基本參數(shù)，沒有對測得的豐富信息進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。而且，現(xiàn)在國內(nèi)關(guān)于薄殼山核桃品種光合特性的比較研究中，早期的研究對象主要集中在薄殼山核桃品種的實(shí)生樹和無性系嫁接苗上[9-12]，近2 a開始有關(guān)于薄殼山核桃優(yōu)良品種光合特性的報(bào)道，研究重點(diǎn)在苗期的光合特性[13-14]，而對薄殼山核桃主推品種結(jié)果樹光合特性的研究還未見報(bào)道。因此，本試驗(yàn)以‘Pawnee’、‘Mahan’、‘Stuart’、‘Kanza’和‘Jinhua’ 5個(gè)薄殼山核桃優(yōu)良品種的結(jié)果樹為研究對象，利用快速葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)分析(JIP—測定)結(jié)合光合作用參數(shù)分析，比較不同薄殼山核桃品種光合熒光特性的差異，以期為葉綠素快相熒光動(dòng)力學(xué)技術(shù)在薄殼山核桃光合作用研究中的廣泛應(yīng)用和薄殼山核桃品種的科學(xué)選育與栽培管理提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年5月17日在南京市六合區(qū)山北村,南京綠宙薄殼山核桃科技有限公司果園內(nèi)進(jìn)行，地理坐標(biāo)為北緯32°19′17.896″～32°19′29.136″、東經(jīng)118°53′34.924″～118°53′45.159″；屬亞熱帶濕潤氣候，年平均氣溫15.3 ℃，年平均降水量1 013 mm，年平均日照時(shí)間為2 122 h，≥10 ℃年積溫4 889 ℃，無霜期224 d；土壤中性偏酸。5月份平均氣溫20.4 ℃，日照時(shí)間207.0 h，平均降水量84.7 m[15]。

2 材料與方法

供試品種為從美國引進(jìn)的4個(gè)優(yōu)良品種及國內(nèi)選育的1個(gè)優(yōu)良品種，均為6年生果樹(5 a砧木的嫁接樹)，均已掛果。品種分別為‘Pawnee’(‘波尼’)、‘Mahan’(‘馬罕’)、‘Stuart’(‘斯圖爾特’)、‘Kanza’(‘堪薩’)和‘Jinhua’(‘金華’)，其中品種‘Jinhua’于1980年由浙江省科學(xué)院亞熱帶作物研究所選育。每個(gè)品種選取立地條件相同、無遮擋、生長較一致的3棵健康果樹進(jìn)行試驗(yàn)，以南向樹枝上復(fù)葉的第4對健康向陽葉片為各指標(biāo)測定對象。

2.1 光合特性測定

每株目標(biāo)樹選1個(gè)葉片用于光合特性的測定，每個(gè)葉片重復(fù)測定3次。測定于2016年5月17日天氣晴朗的上午08:30—11:30進(jìn)行。采用CIRAS-2便攜式光合系統(tǒng)測定光合參數(shù)，使用CO2鋼瓶供氣，細(xì)胞間隙CO2摩爾分?jǐn)?shù)設(shè)定為380 μmol/mol，控制葉溫25 ℃，于2 000、1 500、1 000、600、300、200、100、80、50、0 μmol/(m2·s)的10個(gè)光強(qiáng)下進(jìn)行活體測定。測定的參數(shù)包括凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、細(xì)胞間隙CO2濃度(Ci)、水分利用效率(Pn/Tr)和瞬時(shí)羧化效率(Pn/Ci)。

2.2 熒光動(dòng)力學(xué)特性測定

每品種相同的3株果樹用來測定葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)特性，每株測3個(gè)葉片。葉綠素快相熒光動(dòng)力學(xué)曲線(OJIP曲線)，及其參數(shù)采用連續(xù)激發(fā)式熒光儀進(jìn)行測定，同光響應(yīng)曲線測定同時(shí)進(jìn)行。葉片暗適應(yīng)30 min后，在3 000 μmol/(m2·s)飽和紅閃光照射2 s下，以10 μs的間隔記錄熒光信號(hào)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

凈光合速率—光響應(yīng)曲線通過SPSS利用直角雙曲線修正模型[16]進(jìn)行擬合，并估算光飽和點(diǎn)(LSP)、最大凈光合速率(Amax)和暗呼吸速率(Rd)等光響應(yīng)特征參數(shù)；通過SPSS線性回歸方程擬合光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)和表觀量子效率(AQY)。熒光參數(shù)及隨時(shí)間變化記錄的熒光信號(hào)強(qiáng)度通過軟件PEA Plus 1.10導(dǎo)出。利用Excel 2010和SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理和相關(guān)分析，采用SigmaPlot 12.5軟件繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同品種薄殼山核桃光合指標(biāo)的光響應(yīng)曲線

從凈光合速率—光響應(yīng)曲線(圖1A)可知，5個(gè)品種的薄殼山核桃凈光合速率起初隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)逐漸增大，且增幅較大而后逐漸變緩，其中‘Kanza’和‘Jinhua’出現(xiàn)光抑制的現(xiàn)象。5個(gè)品種中‘Pawnee’的光響應(yīng)曲線基本保持在最高的水平，‘Mahan’起初光合速率較低，在1 000 μmol·m-2·s-1后僅次于‘Pawnee’，‘Stuart’最低。說明‘Pawnee’的光合能力較強(qiáng)，‘Stuart’較弱，‘Mahan’利用弱光的能力較弱，利用強(qiáng)光的能力較強(qiáng)。

由圖1B可知，5個(gè)品種的氣孔導(dǎo)度隨光強(qiáng)的變化幅度不大，各光強(qiáng)下‘Kanza’氣孔導(dǎo)度最大，‘Stuart’最小。相對來說，‘Kanza’、‘Jinhua’和‘Pawnee’的氣孔導(dǎo)度波動(dòng)較大并在1 000 μmol·m-2·s-1光強(qiáng)后‘Kanza’和‘Jinhua’出現(xiàn)下降趨勢。說明其氣孔會(huì)在較強(qiáng)光照下減小開放程度，抑制外界CO2向葉細(xì)胞內(nèi)的擴(kuò)散，從而減緩凈光合速率。

如圖1C所示，‘Pawnee’、‘Mahan’、‘Jinhua’和‘Stuart’的蒸騰速率先是迅速升高而后逐漸減緩；而‘Kanza’起初急速增加，然后在200 μmol·m-2·s-1時(shí)突然下降，而后繼續(xù)維持下降趨勢，可能因?yàn)槠涔膺m應(yīng)范圍較小，對光環(huán)境較為敏感所導(dǎo)致。整體上‘Pawnee’的蒸騰速率最大，‘Stuart’和‘Jinhua’較小，‘Kanza’蒸騰速率雖有下降趨勢，仍然比‘Stuart’和‘Jinhua’大。

不同品種細(xì)胞間隙CO2摩爾分?jǐn)?shù)隨光強(qiáng)的變化趨勢相似(圖1D)，在0～600 μmol·m-2·s-1光強(qiáng)時(shí)，細(xì)胞間隙CO2摩爾分?jǐn)?shù)急劇地減小，說明隨著光強(qiáng)的增加，光合作用在顯著加強(qiáng)，光合反應(yīng)所需的CO2的量就越多；600 μmol·m-2·s-1后各品種的下降趨勢逐漸趨于平緩?？偟目?，‘Kanza’各光強(qiáng)下的細(xì)胞間隙CO2摩爾分?jǐn)?shù)最大，‘Stuart’和‘Mahan’的較小。

因‘Kanza’蒸騰速率的減弱導(dǎo)致其水分散失較少，在較大光強(qiáng)下水分利用率仍有增大的趨勢，而其它品種在各光強(qiáng)下均呈先升后降的趨勢(圖1E)。較弱光強(qiáng)下各品種的水分利用率增加較快，但差異不大；其后品種間水分利用率差異逐漸增大，1 000 μmol·m-2·s-1光強(qiáng)后各品種水分利用率變動(dòng)幅度較小，整體上‘Jinhua’的水分利用率最大，而‘Pawnee’的最小。

5個(gè)品種的瞬時(shí)羧化效率均是一直增大并最終達(dá)到飽和狀態(tài)，變化趨勢和凈光合速率—光響應(yīng)曲線相一致(圖1F)。起初各品種瞬時(shí)羧化效率迅速增大，品種間差異也逐漸增大；而后逐漸減緩并在1 000 μmol·m-2·s-1后逐漸達(dá)到飽和?？偟膩碚f，各光強(qiáng)下‘Pawnee’的瞬時(shí)羧化效率最大，‘Stuart’的最小，‘Mahan’在300～1 000 μmol·m-2·s-1光強(qiáng)時(shí)的增幅最大，在1 000 μmol·m-2·s-1之后和‘Pawnee’的瞬時(shí)羧化效率非常接近，并大于其它品種。

對2 000 μmol·m-2·s-1光強(qiáng)(飽和光強(qiáng))下測得的光合基本參數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析(表1)，結(jié)果表明，凈光合速率和蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度及瞬時(shí)羧化效率均呈極顯著正相關(guān)；蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度呈顯著正相關(guān)，與水分利用率及瞬時(shí)羧化效率分別呈極顯著負(fù)相關(guān)和極顯著正相關(guān)；與氣孔導(dǎo)度呈極顯著正相關(guān)。

3.2 不同品種薄殼山核桃光合特征參數(shù)

通過凈光合速率—光響應(yīng)模型可估算出最大凈光合速率、表觀量子效率、光飽和點(diǎn)、光補(bǔ)償點(diǎn)和暗呼吸速率等光合特征參數(shù)。方差分析及Welch檢驗(yàn)結(jié)果表明，5個(gè)薄殼山核桃品種間的光合特征參數(shù)在P<0.05水平上無顯著差異，但品種間最大凈光合速率和光飽和點(diǎn)在P<0.15水平差異顯著。由表2可知，‘Pawnee’的最大凈光合速率最大，‘Mahan’次之，分別是‘Stuart’最大凈光合速率(最小)的1.5和1.4倍?！甅ahan’的光飽和點(diǎn)最大，‘Pawnee’次之，‘Kanza’最小，‘Mahan’是‘Kanza’光飽和點(diǎn)的1.3倍；‘Stuart’和‘Jinhua’的光補(bǔ)償點(diǎn)較大，依次是‘Kanza’‘Pawnee’和‘Mahan’，從光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)可看出，‘Mahan’和‘Pawnee’的光適應(yīng)范圍較廣。但是‘Mahan’的表觀量子效率最小，其利用弱光的能力較弱，‘Jinhua’利用弱光的能力則較強(qiáng)。‘Stuart’暗呼吸速率最大，是‘Mahan’(最小)的2.3倍，說明‘Stuart’暗呼吸作用較強(qiáng)，在黑暗條件下消耗有機(jī)物過多，而‘Mahan’消耗較少，有利于有機(jī)物的儲(chǔ)備。

表1 不同品種薄殼山核桃光合參數(shù)的相關(guān)性分析

注：*表示在0.05水平差異顯著；** 表示在0.01水平差異極顯著。

表2 不同品種薄殼山核桃光響應(yīng)曲線特征參數(shù)

注：方差同質(zhì)性檢驗(yàn)結(jié)果表明，在P<0.05水平品種間光飽和點(diǎn)、最大凈光合速率和表觀量子效率具有方差齊性，光補(bǔ)償點(diǎn)和暗呼吸速率方差不齊。5個(gè)品種光飽和點(diǎn)、最大凈光合速率和表觀量子效率的方差分析結(jié)果表明，薄殼山核桃5個(gè)品種的光飽和點(diǎn)、最大凈光合速率和表觀量子效率在P<0.05水平上無顯著差異，但最大凈光合速率(P=0.104)，光飽和點(diǎn)(P=0.123)差異顯著；品種間光補(bǔ)償點(diǎn)和暗呼吸速率的Welch檢驗(yàn)結(jié)果表明，5個(gè)品種的光補(bǔ)償點(diǎn)和暗呼吸速率在P<0.05水平亦無顯著差異。表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

3.3 不同品種薄殼山核桃快速葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)特性分析

根據(jù)公式(Ft-Fo)/(Fm-Fo)將不同時(shí)間的熒光強(qiáng)度(Ft)標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化后的熒光信號(hào)用Vt表示，以Vt繪制成OJIP標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖2A)。由圖2A可以看出，5個(gè)薄殼山核桃品種均為典型的葉綠素快相熒光動(dòng)力學(xué)曲線，具有O、J、I、P等相點(diǎn)。5個(gè)品種的曲線形狀相似，而且到達(dá)P相點(diǎn)的時(shí)間均保持一致。為了能更清晰比較品種間熒光信號(hào)強(qiáng)度的差異，將‘Pawnee’作為對照，用其它4個(gè)品種與‘Pawnee’的標(biāo)準(zhǔn)化熒光差值(ΔVt)重新作圖(圖2B)。結(jié)果顯示，品種間熒光的差異主要集中在K相(300 μs)和I相(30 ms)之間，在J相附近的差異最大。從圖2中可明顯地發(fā)現(xiàn)，從O相到P相的過程中，大部分時(shí)間點(diǎn)‘Kanza’的熒光信號(hào)最強(qiáng)，‘Stuart’的最小。

O、L、K、J、I、P為OJIP曲線不同的相，分別位于0.05、0.10、0.30、2.00、30.00 ms時(shí)達(dá)到最大熒光強(qiáng)度的時(shí)間。

從快相熒光動(dòng)力學(xué)曲線可以得出多個(gè)熒光參數(shù)，本文選取了具有重要生理意義的基礎(chǔ)參數(shù)，以‘Pawnee’作為參照，用其它品種的熒光參數(shù)與‘Pawnee’的比值繪制成雷達(dá)圖(圖3)。5個(gè)薄殼山核桃品種暗適應(yīng)后最小熒光強(qiáng)度(Fo)、I相熒光強(qiáng)度(F5)、最大熒光強(qiáng)度(Fm)及到達(dá)最大熒光所需的時(shí)間t(Fm)差異不大，但‘Kanza’O、L、K、J相(F1～F4)的熒光強(qiáng)度均高于其它品種，同時(shí)其在100 μs(L相)和300 μs(K相)時(shí)光反應(yīng)中心關(guān)閉凈速率及照光2 ms(J相)時(shí)有活性的反應(yīng)中心的關(guān)閉程度(Vj)最大，‘Stuart’的則最小?！甂anza’初級(jí)醌受體(QA)被還原的最大速率(Mo)最大，其QA被還原的次數(shù)(N)卻最小，PSII反應(yīng)中心受體側(cè)質(zhì)體醌庫(QP)的大小(Sm)和質(zhì)體醌庫還原速率(Sm/t(Fm))也均最小，‘Stuart’最大速率最小，QA被還原的次數(shù)、Sm及Sm/t(Fm)均最大。

比活性參數(shù)可以更確切地反映植物的光合器官對光能的吸收、轉(zhuǎn)化和耗散等狀況[4]。在相同光照下薄殼山核桃5個(gè)品種間單位激發(fā)態(tài)面積吸收的光能和單位激發(fā)態(tài)面積捕獲的光能差異不大，但‘Stuart’單位激發(fā)態(tài)面積有活性反應(yīng)中心數(shù)目較多，反應(yīng)中心密度大，使得相同光照下的每個(gè)有活性反應(yīng)中心吸收與捕獲的光能較少。但‘Stuart’單位有活性反應(yīng)中心及單位激發(fā)態(tài)面積熱耗散也較少，因而有利于用于電子傳遞能量的分配，體現(xiàn)在其單位有活性反應(yīng)中心和單位激發(fā)態(tài)面積用于電子傳遞的能量較多。5個(gè)品種中，‘Kanza’光合器官對光能的吸收、轉(zhuǎn)化和耗散狀況與‘Stuart’相反。在能量分配比率中，品種間PSII反應(yīng)中心捕獲的最大量子產(chǎn)額最大量子產(chǎn)額差異不大。但熱耗散的量子比率Fo/Fm、用于推動(dòng)電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA的其它電子受體的激子占用于推動(dòng)QA還原激子的比率(ψo(hù))、用于電子傳遞的量子比率(φEo)以及PSI受體側(cè)末端電子受體的量子產(chǎn)額(φro)均有一定的差異。其中‘Stuart’Fo/Fm最小，‘Kanza’最大，而‘Stuart’ψo(hù)、φEo及φro均最大，‘Kanza’最小。

從雷達(dá)圖(圖3)中可看出，5個(gè)薄殼山核桃品種間性能指數(shù)有著很大的差異。對性能指數(shù)進(jìn)行Kruskal-Wallis非參數(shù)檢驗(yàn)及逐步降低多重比較的結(jié)果表明(表3)，5個(gè)品種的性能指數(shù)存在顯著差異，其中‘Stuart’的3個(gè)指數(shù)均最大，依次是‘Jinhua’、‘Pawnee’、‘Mahan’，‘Kanza’最小，‘Stuart’性能指數(shù)極顯著大于‘Kanza’。說明‘Stuart’光反應(yīng)活性較強(qiáng)，‘Kanza’則較弱。

t(Fm)為葉片暗適應(yīng)后從照光到達(dá)最大熒光所需的時(shí)間；Fo為葉片暗適應(yīng)后的最小熒光強(qiáng)度；F1、F2、F3、F4、F5為0.05 ms(O相)、0.1 ms(L相)、0.3 ms(K相)、2 ms(J相)、30 ms(I相)的熒光強(qiáng)度；Fm為葉片暗適應(yīng)后的最大熒光強(qiáng)度；Vj為J相時(shí)的相對可變熒光強(qiáng)度，反映了照光2 ms時(shí)有活性的反應(yīng)中心的關(guān)閉程度；Vi為I相時(shí)的相對可變熒光強(qiáng)度；dv,g/dto為100 μs時(shí)光反應(yīng)中心關(guān)閉凈速率；dv/dto為300 μs時(shí)光反應(yīng)中心關(guān)閉凈速率；Mo為OJIP熒光誘導(dǎo)曲線的初始斜率，反映QA被還原的最大速率；Sm為PSII反應(yīng)中心受體側(cè)質(zhì)體醌庫QP的大小；N為從開始照光至到達(dá)Fm的時(shí)間段內(nèi)QA被還原的次數(shù)；Sm/t(Fm)為質(zhì)體醌庫還原速率；Fv/Fm為PSII反應(yīng)中心捕獲的最大量子產(chǎn)額；Fo/Fm為熱耗散的量子比率；ψo(hù)為用于推動(dòng)電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA的其它電子受體的激子占用于推動(dòng)QA還原激子的比率；φEo為用于電子傳遞的量子比率；φro為PSI受體側(cè)末端電子受體的量子產(chǎn)額；Sa,b/Rc為單位活性反應(yīng)中心吸收的光量；Tro/Rc：單位活性反應(yīng)中心捕獲的光量；Dio/Rc：單位活性反應(yīng)中心熱耗散的能量；Eto/Rc為單位活性反應(yīng)中心用于電子傳遞的能量；Rc/Cso為單位激發(fā)態(tài)面積反應(yīng)中心數(shù)目；Sa,b/Cso為單位激發(fā)態(tài)面積吸收的光量；TRo/CSo為單位激發(fā)態(tài)面積被反應(yīng)中心捕獲的光量；Dio/Cso為單位激發(fā)態(tài)面積熱耗散的能量；Eto/Cso為單位激發(fā)態(tài)面積用于電子傳遞的能量；Ip,abs為以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù)；Ip,cso為以吸收基礎(chǔ)熒光(Fo)為基礎(chǔ)的性能指數(shù)；Ip,csm為以吸收最大熒光(Fm)為基礎(chǔ)的性能指數(shù)。

圖3 不同品種薄殼山核桃葉綠素?zé)晒鈪?shù)比較雷達(dá)圖

注：3個(gè)性能指數(shù)均進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)(Kruskal-Wallis檢驗(yàn))，采用逐步降低方法進(jìn)行比較。同一列不同大小寫字母分別表示不同品種間在P<0.01與P<0.05水平差異顯著。表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。Ip,abs為以吸收光能為基礎(chǔ)的性能指數(shù)；Ip,cso為以吸收基礎(chǔ)熒光(Fo)為基礎(chǔ)的性能指數(shù)；Ip,csm為以吸收最大熒光(Fm)為基礎(chǔ)的性能指數(shù)。

4 結(jié)論與討論

不同品種薄殼山核桃的光合特征參數(shù)存在一定差異，其中品種間最大凈光合速率和光飽和點(diǎn)存在較顯著的差異。最大凈光合速率可以很大程度衡量植物的光合能力，由凈光合速率—光響應(yīng)模型擬合的結(jié)果看，‘Stuart’最大凈光合速率最小，‘Pawnee’和‘Mahan’最大凈光合速率是‘Stuart’的1.5和1.4倍，光合能力較強(qiáng)。光是影響光合作用的重要環(huán)境因子，對光的廣幅適應(yīng)是植物對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的重要表現(xiàn)[17]，光補(bǔ)償點(diǎn)低、光飽和點(diǎn)高的植物對光環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，而光補(bǔ)償點(diǎn)高、光飽和點(diǎn)低的植物對光強(qiáng)的適應(yīng)范圍窄[18]。本研究中，‘Mahan’和‘Pawnee’的光飽和點(diǎn)較高，光補(bǔ)償點(diǎn)較小，在一定程度上說明‘Mahan’和‘Pawnee’對光環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)于其它品種。何海洋等[13]對不同品種薄殼山核桃1年生嫁接苗光合特性的研究結(jié)果表明，‘Mahan’和‘Pawnee’的光合能力較突出，‘Mahan’的光適應(yīng)范圍大，這和本研究結(jié)果相一致。表觀量子效率是反映植物在弱光下吸收、轉(zhuǎn)換和利用光能能力的指標(biāo)[19]，‘Mahan’在5個(gè)品種中表觀量子效率最小，因此其對弱光的利用效率及能力較小。暗呼吸速率反映的是植物在沒有光照條件下的呼吸速率[20]，暗呼吸速率越大，說明在黑暗條件下的呼吸作用越強(qiáng)，消耗的光合產(chǎn)物就越多。本研究中，‘Stuart’暗呼吸作用最強(qiáng)，在黑暗條件下消耗光合營養(yǎng)過多，而‘Mahan’消耗最少，有利于光合營養(yǎng)的儲(chǔ)備與利用。

植物能針對外界環(huán)境條件變異與植株自身狀況，通過調(diào)節(jié)氣孔的開閉程度，在保持植株正常生理活動(dòng)前提下，達(dá)到最大CO2固定量與最小水分散失量[21]。本研究中隨著光強(qiáng)的增加，5個(gè)薄殼山核桃品種氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率的變化趨勢略有差異，氣孔導(dǎo)度的波動(dòng)較大，說明其對光環(huán)境及自身狀況的響應(yīng)較為敏感，通過與蒸騰速率、細(xì)胞間隙CO2摩爾分?jǐn)?shù)、水分利用率及瞬時(shí)羧化效率的聯(lián)系進(jìn)而影響凈光合速率。其中，各品種瞬時(shí)羧化效率隨光強(qiáng)的變化趨勢與凈光合速率非常相似，光合指標(biāo)的相關(guān)性分析同樣表明，瞬時(shí)羧化效率和凈光合速率呈極限著正相關(guān)(P=0.949)，說明瞬時(shí)羧化效率對凈光合速率具有直接顯著的影響。相關(guān)性分析同時(shí)表明，氣孔導(dǎo)度和E與凈光合速率具有極顯著正相關(guān)關(guān)系，是影響光合速率的重要指標(biāo)。5個(gè)品種中，‘Stuart’各光強(qiáng)下氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、細(xì)胞間隙CO2濃度及凈光合速率均最低，說明可能是因?yàn)闅饪椎脑驅(qū)е逻M(jìn)入細(xì)胞的CO2較少，從而限制其凈光合速率，因此其光合能力很可能受到氣孔因素的制約。研究表明，相同的環(huán)境條件下，蒸騰速率越小，植物的抗旱能力越強(qiáng)。水分利用效率由植物的凈光合速率和蒸騰速率兩方面決定，通常將其作為評(píng)價(jià)植物生長適宜程度的綜合指標(biāo)被廣泛應(yīng)用[22]。本試驗(yàn)中，各光強(qiáng)下‘Pawnee’光合速率雖然較大，但整體上蒸騰速率較大，水分利用率較小，‘Jinhua’蒸騰速率較小，水分利用率較大，說明‘Pawnee’抗旱能力較差，在少雨季節(jié)應(yīng)增加灌溉次數(shù)，‘Jinhua’抗旱能力較強(qiáng)，更易保持樹體水分。薄殼山核桃作為一種喜濕樹種，抗旱能力僅是品種間的相對比較而言，至于適不適合在少雨或干旱地區(qū)生長還有待探究。

植物捕獲的光能除用于電子傳遞外，還以熱和熒光的形式耗散掉，這三者之間是相互競爭的關(guān)系。本研究中，‘Kanza’熱耗散量子比率Fo/Fm、熱耗散的能量(Dio/Rc和Dio/Cso)較多，熒光信號(hào)最強(qiáng)，其用于電子傳遞的能量(Eto/Rc和Eto/Cso)較少；‘Stuart’Fo/Fm、Dio/Rc和Dio/Cso較小，熒光信號(hào)最弱，用于電子傳遞的能量(Eto/Rc和Eto/Cso)較多。因此可以看出，熱耗散能量和熒光顯著地減少用于電子傳遞的能量分配。有相關(guān)研究指出，植物在受到光脅迫時(shí)，會(huì)加劇D1蛋白的降解，導(dǎo)致電子傳遞體，特別是QB容易從蛋白復(fù)合體上脫落下來，造成受體庫的減少；同時(shí)，一些PSII反應(yīng)中心失去活性可以耗散掉多余的能量，從而使其他PSII反應(yīng)中心免受到光損害，而這些損害光合機(jī)構(gòu)功能的行為都會(huì)降低光能轉(zhuǎn)化效率[23]。5個(gè)品種中‘Kanza’的光飽和點(diǎn)最小，容易受到光脅迫，因此在熒光動(dòng)力學(xué)測定中受到飽和紅閃光照射時(shí)，其受體庫較小可能跟D1蛋白的降解有關(guān)；而‘Kanza’熱耗散的能量及比率較大可能跟反應(yīng)中心的失活有關(guān)，表現(xiàn)在其單位有活性反應(yīng)中心較少，反應(yīng)中心密度小，使單位有活性反應(yīng)中心吸收及捕獲的光能增大，單位反應(yīng)中心間能量流動(dòng)進(jìn)而增加，熱耗散的能量就越多[24]，‘Kanza’在較強(qiáng)光下有可能通過這種機(jī)制來保護(hù)其光反應(yīng)中心免受損害。

5個(gè)品種間最大量子產(chǎn)額差異不大，有研究指出，F(xiàn)o/Fm這一參數(shù)只有在植物處于不良環(huán)境時(shí)才會(huì)發(fā)生變化，反應(yīng)并不靈敏[25]。性能指數(shù)包含了3個(gè)相互獨(dú)立參數(shù)[Rc/Sa,b(或Rc/Cs)、φpo和ψo(hù)]，可以更準(zhǔn)確地反映植物光合機(jī)構(gòu)的狀態(tài)[10]。本研究中，‘Stuart’性能指數(shù)最大，極顯著大于‘Kanza’，這和前述對其它參數(shù)的分析結(jié)果相一致，說明5個(gè)薄殼山核桃品種的光反應(yīng)階段中，‘Stuart’和‘Kanza’表現(xiàn)出最大的差異，且‘Stuart’的光合機(jī)構(gòu)性能較突出，‘Kanza’較弱。在光合作用中，光反應(yīng)通過電子傳遞及質(zhì)子梯度的建立可為暗反應(yīng)提供所需的同化力。不少研究結(jié)果表明，光反應(yīng)活性越大，光合能力則越強(qiáng)[25-28]，而綜合光合能力及光反應(yīng)階段的指標(biāo)發(fā)現(xiàn)本研究5個(gè)品種中‘Stuart’光反應(yīng)活性最大，但其光合能力最弱，可能是因?yàn)闅饪滓蛩刂萍s及其暗呼吸作用較強(qiáng)的影響。有學(xué)者指出，當(dāng)光合機(jī)構(gòu)形成的同化力完全用于光合碳同化而不用于氮、硫同化等其它代謝時(shí)，光合碳同化的量子效率與PSⅡ的光化學(xué)效率之間有很好的直線關(guān)系[29]，因此推測‘Stuart’光合機(jī)構(gòu)所形成的較強(qiáng)同化力并未體現(xiàn)在光合能力上也可能因?yàn)椴糠滞Ρ挥糜诘?、硫同化等其它的代謝。這也體現(xiàn)了光合作用過程的復(fù)雜性。

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Characteristics of Photosynthesis and Fast Chlorophyll Fluorescence Induction Dynamics in Different Pecan Cultivars//

Liu Zhuangzhuang, Luo Min, Peng Fangren, Yang Biao, Chen Tao(Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, P. R. China); Li Yongrong(Nanjing Green Universe Pecan Science & Technology Co., Ltd)//

Journal of Northeast Forestry University，2017,45(4)：36-42.

With the fruiting trees of five pecan cultivars, ‘Pawnee’, ‘Mahan’, ‘Stuart’ ‘Kanza’ and ‘Jinhua’, we examined the difference in photosynthetic characteristics and fast chlorophyll fluorescence induction dynamics characteristics within the cultivars. There was some difference in photosynthetic characteristic parameters among the five cultivars. The weakest photosynthetic capacity was found in ‘Stuart’, and the photosynthetic capacity and adaptability to the environment of ‘Mahan’ and ‘Pawnee’ were stronger than those of other cultivars, but the ability to use low light in ‘Mahan’ was relatively small. The Rd of ‘Mahan’ was smallest, which was good for accumulating the photosynthetic product, while ‘Stuart’ appeared the biggest ability inRd, which would consume more photosynthetic product. Through analyzing photosynthetic basic indexes and optical response,Gs,Trand CUE were the important factors in influencingPn, and CUE had a more direct and significant impact onPn. Among all the cultivars, the weaker and stronger ability in drought resistance were found in ‘Pawnee’ and ‘Jinhua’ respectively. JIP-test results showed that ‘Stuart’ had biggerSmand electron transport activity, and weaker fluorescence signal of different phases as well as heat dissipation, resulting in more energy provided for electron transport, while ‘Kanza’ showed the opposite tendency in those characteristics. There were significant differences in performance indexes of different cultivars. ‘Stuart’ showed optimal photosynthetic apparatus performance and ‘Kanza’ showed relatively poor performance. By comprehensively analyzing photosynthetic capacity and the indexes of photoreaction stage, it was found that photo reactivity of ‘Stuart’ was the biggest, but appeared the weakest photosynthetic capacity. This may be explained by stomatal limitation, strong dark respiration and the reason that more assimilatory power formed by photosynthetic apparatus was used for N, S assimilation and other metabolisms.

Pecan； Photosynthetic characteristics； Chlorophyll fluorescence

1)江蘇省林業(yè)三新工程項(xiàng)目[LYSX[2016]44]；國家林業(yè)局“948”項(xiàng)目(2015-4-16)；林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201304711)。

劉壯壯，男，1991年11月生，南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，博士研究生。E-mail:zzliu91@163.com。

彭方仁，南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，教授。E-mail:frpeng@njfu.edu.cn。

2016年12月20日。

S792.99

責(zé)任編輯：潘 華。