劉曉濤， 張?zhí)﹦拢?李蕓瑛, 彭長連*

(1. 華南師范大學生命科學學院，廣州 510631； 2. 肇慶學院生命科學學院，肇慶 526061)

3年生觀光木夏季的光合生理特性初探

劉曉濤1， 張?zhí)﹦?， 李蕓瑛2, 彭長連1*

(1. 華南師范大學生命科學學院，廣州 510631； 2. 肇慶學院生命科學學院，肇慶 526061)

以盆栽3年生觀光木為試材，利用便攜式光合作用測量系統(tǒng)、葉綠素熒光儀及葉圓片氧電極等在夏季對其氣體交換特性、葉綠素熒光參數(shù)及離體葉片的光合放氧等進行了測定. 結(jié)果表明，3年生觀光木幼樹葉片的光補償點為10.1 μmoL/(m2·s)，光飽和點約為為800 μmol/(m2·s)，CO2補償點為50.72 μmol/mol，CO2飽和點為1 200 μmol/mol. 夏季晴好天氣下，觀光木凈光合速率(Pn)的日變化曲線呈雙峰型，第1個峰出現(xiàn)在08：00，Pn為9.0 μmol/(m2·s)，第2個峰出現(xiàn)在16：00，Pn為4.6 μmol/(m2·s), 12：00有明顯的光合午休現(xiàn)象. 在光合有效輻射較高的時段(10：00至14：00)，觀光木的Fv/Fm(PSⅡ photochemical efficiency)和PSⅡ?qū)嶋H光化學效率(ΦPSⅡ)均處于低水平，表明PSⅡ活性明顯下降.

觀光木；光合特性；Fv/Fm；光合作用

觀光木(TsoongiodendronodorumChun)又名香花木、宿軸木蘭，屬木蘭科觀光木屬，本屬僅此一種，我國獨有[1]. 觀光木樹干挺直，樹形優(yōu)美，分枝整齊，枝葉稠密，花多美觀，具芳香味，是優(yōu)良庭園觀賞樹種和行道樹種. 其木材結(jié)構(gòu)細微，紋理通直，輕軟，易加工，是家具、建筑、細木工等的優(yōu)良用材[2]. 觀光木分布于我國云南、貴州、廣西、湖南、福建和廣東等南亞熱帶至中亞熱帶南部地區(qū)，地理分布雖較廣，但大部分呈單株散生. 觀光木開花多，但座果率極低，其種子易喪失發(fā)芽力，天然更新能力極弱[1]. 隨著森林的破壞及過度砍伐，觀光木野生種群數(shù)量及種群大小不斷減少[3]，被列為國家珍稀瀕危二級保護植物[4]. 開展觀光木的遷地保護和引種馴化研究是加強該物種保護的重要措施之一[5]. 目前對其繁殖育苗技術(shù)和遺傳結(jié)構(gòu)分析研究較多[6-10]，而對其生理生態(tài)適應性及光合特性方面的研究報道甚少. 本文研究了夏季高光條件下觀光木的光合特性及葉綠素熒光參數(shù)的變化，以期為觀光木的引種保護及合理制定的栽培技術(shù)提供科學依據(jù).

1 材料和方法

1.1 材料

實驗材料：觀光木(TsoongiodendronodorumChun)取自中國科學院華南植物園木蘭科植物種質(zhì)基因庫——木蘭園，3年生，一般田間水肥管理. 選自枝條頂端的第3～4片成熟葉進行測定，各項測定于7—8月間晴朗無云時進行.

實驗儀器：LI-6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)(LI-COR, USA)；葉綠素熒光成像系統(tǒng)Maxi-Imaging-Pam (Walz, Germany)；葉圓片氧電極(Leaf-disc oxygen electrode, Hasatech, King’s Lynn, UK)

1.2 光合速率光強響應曲線的測定

利用紅藍光源調(diào)節(jié)光合有效輻射(Photosynthetically Active Radiation, PAR)為：0、25、50、100、200、300、400、500、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600 μmol/(m2·s)， CO2摩爾分數(shù)為360 μmol/mol，葉室溫度(30±0.5) ℃，測定不同光強下葉片相應的凈光合速率(Pn). 根據(jù)BASSMAN和ZWIER的方法[11]，擬合光響應曲線方程.

根據(jù)測得數(shù)據(jù)求最大凈光合速率(Pmax)、光飽和點(Light saturation point，LSP)、表觀量子產(chǎn)額(Apparent Photosynthetic Quantum Yield，AQY)、光補償點(Light Compensation Point，LCP).

1.3 光合速率CO2響應曲線測定

調(diào)節(jié)光強為光飽合點，溫度為(30±0.5) ℃，CO2摩爾分數(shù)為20、50、100、150、200、300、400、600、800、1 200、1 400、1 600 μmol/mol，分別測定凈光合速率(Pn)，得到CO2響應曲線.

1.4 光合速率日變化的測定

選擇晴朗的天氣，開放式測定，從06：00～18：00，每隔2 h測定一次凈光合速率(Pn)，每次測定4片葉子，實驗重復3次，取平均值. 同時記錄大氣溫度(Atmospheric Temperature，Ta)、葉片溫度(Leaf Temperature，Tl)、大氣CO2濃度(Atmospheric Concentration of CO2，Ca)、PAR、氣孔導度(Stomatal Conductance，Gs)、蒸騰速率(Transpiration Rate，Tr)、細胞間隙CO2摩爾分數(shù)(Intercellular CO2Mole fraction，Ci)等光合參數(shù).

計算水分利用效率(Water Use Efficiency，WUE)， WUE=Pn/Tr.

1.5 葉綠素熒光日變化及相關(guān)指標測定

從06：00～18：00，每隔2 h測定一次，與光合日變化參數(shù)測定同步. 測定初始熒光F0，最大熒光Fm. 光合系統(tǒng)Ⅱ(Photosynthetic System II，PSⅡ)原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)和PSⅡ?qū)嶋H量子產(chǎn)量(ΦPSⅡ)由儀器讀出.

1.6 不同溫度對離體葉片光合放氧速率影響的測定

根據(jù)DELIEN和WALKER的方法[12]，測定葉片的光合放氧速率. 葉室內(nèi)溫度梯度設定25、30、35、40、45、50 ℃，葉片切打成葉圓片，面積為10 cm2，向葉室內(nèi)呼氣使CO2體積分數(shù)達3%～5%，設定光強為800 μmol/(m2·s)，通過儀器顯示放氧速率，實驗重復3次.

2 結(jié)果與分析

2.1 觀光木的光合作用的光響應曲線

當光強在0～200 μmol/(m2·s)時，隨PAR提高，Pn呈線性增加(圖1)；當PAR在200～800 μmol/(m2·s)時，隨著光強的增加，Pn提高的速率減慢；當PAR達800 μmol/(m2·s)時，Pn達到最高值，此后隨著PAR的增加，Pn略有下降. 因此，觀光木的光飽和點約為800 μmol/(m2·s). 對光強-光合響應曲線的線性部分進行直線回歸，回歸方程為y=0.037 5x-0.378 1 (R2=0.982). 由線性回歸方程求得到光補償點為10.1 μmol/(m2·s)，表觀量子效率為0.037 5.

圖1 觀光木葉片光響應曲線

2.2 光合作用的CO2響應曲線

CO2摩爾分數(shù)低于600 μmol/mol 時，Pn隨CO2摩爾分數(shù)的升高呈線性增加(圖2)，線性回歸方程為y=0.022 9x-1.161 4(R2=0.994)，由方程得出CO2補償點為50.72 μmol/mol；CO2摩爾分數(shù)在600～1 200 μmol/mol時，隨著CO2摩爾分數(shù)的升高，Pn增加的速度減慢；當CO2摩爾分數(shù)高于1 200 μmol/mol時，隨著CO2摩爾分數(shù)的升高，Pn接近恒定. 因此觀光木CO2飽和點為1 200 μmol/mol.

2.3 觀光木生境環(huán)境因子日變化

PAR的日變化為單峰曲線(圖3A)，06：00～12：00逐漸增強，12：00達最大值，為1 474 μmol/(m2·s). 圖3B為大氣中CO2摩爾分數(shù)日變化，空氣中的CO2摩爾分數(shù)在06：00～12：00逐漸下降，在12：00達到最低，12：00～18：00逐漸增加. 圖3C為大氣溫度和葉片溫度日變化，大氣溫度和葉片溫度日變化相似，06：00～12：00逐漸增強，12：00達最大值，之后又緩慢下降. 圖3D為大氣中濕度日變化，在06：00～14：00逐漸下降在14：00達到最低，14：00～18：00又逐漸增加.

圖2 觀光木葉片CO2摩爾分數(shù)的響應曲線

Figure 2 Response curve ofTsoongiodendronodorumto CO2mole fraction

圖3 觀光木光合有效輻射(PAR,A)、大氣CO2摩爾分數(shù)(Ca,B)、溫度(T,C)、相對濕度(RH,D)的日變化

Figure 3 Diurnal variation of environmental factors ofTsoongiodendronodorumgrowth: photosynthetically active radiation (PAR,A); atmospheric mole fraction of CO2(Ca, B); temperature (T,C); relative humidity (RH, D)

2.4 Pn、 Gs、Ci、 WUE日變化

在夏季晴好天氣下，觀光木Pn的日變化呈典型的雙峰曲線(圖4A)，第1個峰值出現(xiàn)在08：00，Pn為9.0 μmol/(m2·s)，第2個峰值則出現(xiàn)在16：00，Pn為4.6 μmol/(m2·s)，顯著低于第1峰值；Pn在中午12：00出現(xiàn)低谷值,為2.9 μmol/(m2·s)，有明顯的光合“午休”現(xiàn)象.

氣孔導度(Gs)的日變化與Pn的日變化趨勢基本一致(圖4B)，呈雙峰曲線.

觀光木葉片胞間CO2摩爾分數(shù)(Ci)在06：00較高(圖4C)，06：00～10：00呈線性下降，10：00至16：00點變化不大，基本保持平穩(wěn)， 16：00降至最低值后回升.

水分利用效率(WUE,每摩水中含有CO2的納摩爾數(shù))在06：00至8：00間較高(圖4D)，隨后大幅度下降，中午12：00降至最低值，隨后又逐漸升高.

2.5 觀光木葉綠素熒光參數(shù)日變化

觀光木葉片的PSⅡ光化學效率(Fv/Fm)呈現(xiàn)“V”形(圖5)，與光強的日變化有對應的關(guān)系，早上06：00時Fv/Fm值最高，為0.802；08：00以后，隨著時間推移，F(xiàn)v/Fm迅速下降，12：00下降至最低點(0.276)；14：00以后，F(xiàn)v/Fm逐漸回升，到18：00時，F(xiàn)v/Fm為0.713. 觀光木葉片的ΦPSⅡ日變化規(guī)律與Pn相似，呈雙峰型，圖5B顯示，第1個峰值出現(xiàn)在08：00，第2個峰值則出現(xiàn)在16：00，谷底出現(xiàn)在12：00，此時ΦPSⅡ的值為0.113 2.

圖4 觀光木葉片Pn(A)、Gs(B)、Ci(C)和WUE(D)日變化

圖5 觀光木葉片F(xiàn)v/Fm(A)和ΦPSⅡ(B)的日變化

2.6 觀光木葉片光合放氧速率對溫度的響應

在飽和光強下，25～35 ℃ 之間，隨著溫度的升高，觀光木葉片的光合放氧速率增加(圖6)；當溫度升至35 ℃ 時，放氧速率達最大值；溫度繼續(xù)升高，觀光木的放氧速率急劇下降，當50 ℃時，放氧速率接近零.

圖6 觀光木葉片光合放氧速率對溫度的響應

Figure 6 Response of oxygen evolution rate to temperatures in leaves ofTsoongiodendronodorum

3 討論

植物的光補償點和光飽和點反映了植物對光照條件的要求，大體上耐陰的中生性植物的光補償點小于20 μmol/(m2·s)，光飽和點為500～1 000 μmol/(m2·s)或更低[14]. 本實驗結(jié)果顯示，觀光木光補償點為10.08 μmol/(m2·s)，光飽和點約為800 μmol/(m2·s)，說明觀光木幼樹利用弱光能力較強，具有較強的耐蔭性，與觀光木幼樹生長在濃蔭郁閉的自然條件相吻合. 根據(jù)對觀光木自然生態(tài)條件及其在不同生態(tài)環(huán)境下的遷地栽培觀察，觀光木具有喜溫濕氣候，耐蔭，不耐強光照等特點. 特別在幼齡期，需要一定蔭蔽[1].

CO2飽和點與補償點是判斷植物是否具有高光合效率遺傳特性的一個重要指標[15]. 在一定的范圍內(nèi)提高環(huán)境中CO2的摩爾分數(shù)，可以增加Rubisco羧化活性，降低其加氧活性，抑制光呼吸，提高光合速率[16]. 觀光木的CO2補償點為 50.72 μmol/mol，飽和點為 1 200 μmol/mol，說明觀光木具有高光合效率.能有效的利用空氣中的CO2，可通過CO2加富等方法促進觀光木的生長.

觀光木Pn的日變化顯示觀光木對強光較為敏感. 10：00至14：00時，觀光木的Pn值較低，氣孔導度降低，Ci升高，表明此階段Pn降低主要原因不是氣孔關(guān)閉所致[17]，是葉肉細胞光合活性的下降造成. 在10：00至14：00時，光合有效輻射在1 200 μmol/(m2·s)以上，遠超過觀光木的光飽和點，且葉溫達37.1～39.6 ℃,濕度為48.8%～40.3%，高溫低濕，光合作用相關(guān)酶的活性降低，Pn值降低，出現(xiàn)光合午休現(xiàn)象.

葉綠素熒光動力學技術(shù)在測定葉片光合作用過程中光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨特的作用，與“表觀性”的氣體交換指標相比，葉綠素熒光參數(shù)更具有反映“內(nèi)在性”特點[13,18].ΦPSⅡ是PSⅡ反應中心部分關(guān)閉情況下的實際PSⅡ光能捕獲的效率，反映葉片用于光合電子傳遞的能量占所吸收光能的比例[13]. PSⅡ光化學效率(Fv/Fm)和實際光化學效率(ΦPSⅡ)的下降為植物遭受光抑制的重要表征[19-21]. 本實驗在測定觀光木葉片Pn日變化時，同步測定了其Fv/Fm和ΦPSⅡ的日變化. 在10：00至14：00，光強在1 200 μmol/(m2·s)以上時，觀光木的Fv/Fm,和ΦPSⅡ均處于極低水平，特別是在12：00時Fv/Fm和ΦPSⅡ與最高點比下降幅度超過50%，反應PSⅡ活性明顯受高光抑制. 強光下，觀光木葉片吸收的光能只有極少量用于光化學電子傳遞和參與CO2固定，觀光木的PSⅡ?qū)姽獾拿舾行钥赡苁瞧洳荒蛷姽獾闹饕蛑? 因此，觀光木的栽培應適當遮蔭，以降低葉片溫度和蒸騰速率，減輕光抑制，并要適時進行噴灌，降低局部大氣溫度，增加濕度，從而提高凈光合速率，促進植株生長.

[1] 張茂欽. 云南珍稀瀕危樹種生態(tài)生物學研究[M]. 昆明： 云南大學出版社,1998:179-215.

[2] 繆林海. 觀光木高齡植株扦插繁殖技術(shù)的初步研究[J]. 福建林業(yè)科技,2002,19(1)： 47-49.

MIU L H. The preliminary study on the cutting propagation techniques ofTsoongiodendronodorumold plants[J]. Journal of Fujian Forestry Science and Technology,2002,19(1)： 47-49.

[3] 王霞，王靜，蔣敬虎，等. 觀光木片斷化居群的遺傳多樣性和交配系統(tǒng)[J]. 生物多樣性，2012,20(6)：676-684.

WANG X,WANG J,JIANG J H,et al. Genetic diversity and the mating system in a fragmented population ofTsoongiodendronodorum[J]. Biodiversity Science，2012,20(6)：676-684.

[4] 傅立國,金鑒明. 中國植物紅皮書-稀有瀕危植物(第一冊)[M]. 北京： 科學出版社,1992:454-455.

[5] 吳雪琴，徐剛標，梁艷，等. 南嶺地區(qū)觀光木自然和人工遷地保護種群的遺傳多樣性[J]. 生物多樣性，2013,21(1)：71-79.

WU X Q,XU G B,LIANG Y,et al. Genetic diversity of natural and planted population ofTsoongiodendronodorumfrom the Nanling Mountains[J]. Biodiversity Science,2013,21(1):71-79.

[6] 付琳,曾慶文,徐鳳霞,等. 觀光木的花器官發(fā)生[J]. 熱帶亞熱帶植物學報,2007，15(1)：30-34.

FU L，ZENG W Q，XU F X，et al. Floral organogenesis ofTsoongiodendronodorumChun[J]. Journal of Tropical and Subtropical Botany,2007,15(1)： 30-34.

[7] 池毓章. 觀光木播種苗生長規(guī)律及育苗技術(shù)研究[J]. 福建林業(yè)科技,2007，34(1)：122-125.

CHI Y Z. The study on growth regularity and the technology of grow seedlings ofTsoongiodendronodorumChun[J]. Journal of Fujian Forestry Science and Technology,2007，34(1)：122-125.

[8] 李松海，謝安德，黃麗云，等. 珍貴樹種觀光木研究現(xiàn)狀及展望[J]. 南方農(nóng)業(yè)學報，2011,42(8)：968-971.

LI S H,XIE A D,HUANG L Y,et al. Research status of precious tree speciesTsoongiodendronodorumand its prospect[J]. Journal of Southern Agriculture,2011,42(8)：968-971.

[9] 黃松殿，覃靜，秦武明，等. 珍稀樹種觀光木生物學特性及綜合利用研究進展[J]. 南方農(nóng)業(yè)學報，2011,42(10)：1251-1254.

HUANG S D,QIN J,QIN W M,et al. Research advances on biological characteristics and comprehensive utilization ofTsoongiodendronodorum[J]. Journal of Southern Agriculture,2011,42(10)：1251-1254.

[10] 徐剛標，吳雪琴，蔣桂雄，等. 瀕危植物觀光木遺傳多樣性及遺傳結(jié)構(gòu)分析[J]. 植物遺傳資源學報，2014,15(2)：255-261.

XU G B,WU X Q,JIANG G X,et al. Genetic diversity and population structure of an endangered species：TsoongiodendronodorumChun[J]. Journal of Plant Genetic Resources,2014,15(2)：255-261.

[11] BASSMAN J H,ZWIER J C. Gas exchange characteristics ofPopulustrichocarpa,PopulusdeltoidsandPopulustrichocarpa×P.deltoidsclone[J]. Tree Physiology,1991,8： 145-149.

[12] DELIEU T J,WALKER D A. Simultaneous measurement of oxygen evolution and chlorophyll fluorescence from leaf pieces[J]. Plant Physiology,1983,73： 534-541.

[13] 張守仁. 葉綠素熒光動力學參數(shù)的意義及討論[J]. 植物學通報,1999,16(4)：444-448.

ZHANG S R. A discussion onchlorophyll fluorescence kinetics parameters and their significance[J]. Chinese Bulletin of Botany,1999,16(4)：444-448.

[14] 蔣高明. 植物生理生態(tài)學[M]. 北京： 高等教育出版社,2004:168-169.

[15] 李延菊,李憲利,張序,等. 3個扁桃品種的光合特性[J]. 林業(yè)科學,2006,42(11)：23-28.

LI Y J,LI X L,ZHANG X,et al. Photosynthetic characteristics of three cultivars of Almond(Amygdaluscommunis) [J]. Scientia Silvae Sinicae,2006,42(11)：23-28.

[16] MARY M P, STEVEN C H,DAVID T P. Acclimation to high CO2inmonoecious cucumber Ⅱ carbon exchange rate,enzyme activity and starch and nutrient concentrations [J] . Plant Physiology,1986,80(1)：63-67.

[17] FARQUHAR G D ,SHARKEY T D. Stmatal comductance and photosymthesis[J]. Annual Reviews of Plant Physiology,1982,33：317-345.

[18] 陳貽竹,李曉萍,夏麗,等. 葉綠素熒光技術(shù)在植物環(huán)境脅迫研究中的應用[J]. 熱帶亞熱帶植物學報,1995,3(4)：79-86.

CHEN Y Z,LI X P,XIA L,et al. The application of ehlorophyll fluoreseence technique in the study of responses of plant to environmental stresses[J]. Journal of Tropical and Subtropical Botany,1995,3(4)：79-86.

[19] DEMMIG B,BJORKMAN O. Comparison of the effect of excessive light on chlorophyll fluorescence(77K) and photon yield of O2evolution in leaves of higher plants[J]. Planta,1987,171：171-184.

[20] SCHANSKER G,RENSEN J S V,VAN R. Performance of active photosystem Ⅱ centers in photoinhibited pea leaves[J]. Photosynthesis Research,1999,62：175-184.

[21] 趙會杰,鄒琦,于振文. 葉綠素熒光分析技術(shù)及其在植物光合機理研究中的應用[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學學報,2000,34(3)：248-251.

ZHAO H J,ZOU Q,YU Z W. Chlorophyllfluorescence analysis technique and its application to photosynthesis of plant[J]. Journal of Henan Agricultural University,2000,34(3)：248-251.

Photosynthetic Physiological Characteristics of 3-Year-Old Tsoongiodendron odorum Seedlings in Summer

LIU Xiaotao1, ZHANG Taijie1, LI Yunying2, PENG Changlian1*

(1. School of Life Science, South China Normal University, Guangzhou 510631, China; 2. School of Life Science, Zhaoqing University, Zhaoqing 526061, China)

The gas exchange characteristics, chlorophyll fluorescence and photosynthetic oxygen release of 3-year-oldTsoongiodendronodorum(pot-cultured) were measured in summer using a portable photosynthesis system, a PAM chlorophyll fluorometer and a leaf discs oxygen electrode, respectively. The results showed that the carbondioxide compensation point was 10.1 μmol/(m2·s), the light saturation point was 800 μmol/(m2·s), the carbon dioxide compensation point was 50.72 μmol/mol, and the carbon dioxide saturation point was 1 200 μmol/mol. The diurnal variations of net photosynthetic rate (Pn) presented as a bimodal shape. The first peak was 9.0 μmol/(m2·s)which appeared at 08：00. The second peak was 4.6 μmol/(m2·s) appearing at 16：00. There was a distinct “noon break” phenomenon at 12：00. Both PSⅡphotochemical efficiency (Fv/Fm) and actual photochemical efficiency (ΦPSⅡ) were low during 10：00 to 14：00 when photosynthetic active radiation were high, which indicated that the activity of PSⅡ decreased.

Tsoongiodendronodorum; photosynthetic characteristics; chlorophyll fluorescence; photosynthesis

2016-06-21 《華南師范大學學報(自然科學版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n

國家自然科學基金項目(3157020131)

*通訊作者:彭長連，研究員，Email:pengchl@scbi.ac.cn.

Q945.3

A

1000-5463(2017)06-0065-06

【中文責編：成文；助理編輯：冷佳奕 英文審校：李海航】