劉瑞顯，王曉婧，楊長琴，張國偉，沈 一，劉永惠，沈 悅，陳志德

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所，江蘇 南京 210014)

花生(ArachishypogaeaL.)是我國產(chǎn)量最高的油料作物[1]，種植區(qū)域廣泛，南北跨度超過34個緯度，東西跨越58個經(jīng)度，種植區(qū)內(nèi)耕作制度、種植模式、氣候生態(tài)條件多樣。此外，由于間作套種可充分利用土地資源、光熱資源，在黃淮海、長江流域等花生主產(chǎn)區(qū)，花生與小麥、玉米等作物間套種的面積亦逐年擴大[2]，導(dǎo)致花生生育期內(nèi)冠層光照變化幅度較大。因此，探討花生光合特性對不同光照強度的響應(yīng)機制對花生引種、品種選育以及栽培技術(shù)研究均具有重要的意義。

光合作用是植物將光能轉(zhuǎn)換成可用于生命過程的化學(xué)能并進行有機物合成的生物過程。而凈光合速率(Pn)是研究植物生長狀況的一個重要指標(biāo)[3]。影響Pn的主要因素有CO2濃度、光照強度和溫度，而光照強度是最重要的[4]。為研究Pn和光合有效輻射(I)之間的關(guān)系，研究者通過建立Pn對I響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型(或光響應(yīng)曲線)來解析飽和光強(Isat)、最大凈光合速率(Pnmax)、光補償點(Ic)、暗呼吸速率(Rd)和表觀量子效率(α)等重要光合參數(shù)。前人已建立多個光響應(yīng)曲線的數(shù)學(xué)模型，最常用的模型有直角雙曲線模型[5]、非直角雙曲線模型[6]、直角雙曲線修正模型[7]、指數(shù)模型[8]、指數(shù)改進模型[3]。在直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型和指數(shù)模型這三個模型中，當(dāng)I≥0時，Pn隨I的增加而增大，因此，這三個模型不能直接模擬出Isat、Pnmax[9-10]。為此，有學(xué)者[11]提出利用低光照強度下的混合模型計算Isat，但通過該方法求得的Isat遠遠低于實際觀測值，而Pnmax遠遠大于實測值[10-11]。

因此，這些模型不適合處理高光合有效輻射條件下的光合數(shù)據(jù)，且不能準(zhǔn)確地描述強光下的光抑制和光飽和現(xiàn)象。2007年我國學(xué)者葉子飄[9]在直角雙曲線光響應(yīng)模型的基礎(chǔ)上提出了直角雙曲線修正模型，2012年陳衛(wèi)英等[3]在指數(shù)模型的基礎(chǔ)上提出了指數(shù)改進模型，這兩個模型均能夠較好地克服直角雙曲線、非直角雙曲線和指數(shù)模型的缺陷，準(zhǔn)確地擬合植物光合光響應(yīng)過程及其特征參數(shù)，擬合結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的符合程度較高。

在植物光合—光響應(yīng)特性研究中，首先要選擇合適的數(shù)學(xué)模型來擬合光響應(yīng)曲線。只有采用正確的光合-光響應(yīng)曲線模型才能計算得到準(zhǔn)確的Pnmax、Isat、Ic及α等衡量植物光合能力的重要光合參數(shù)，才可能為后續(xù)的研究提供可靠數(shù)據(jù)[12]。由于不同植物對光照強度變化的敏感度及響應(yīng)方式存在較大差異，因此不同植物的最適光合-光響應(yīng)曲線的模型也不盡相同[13]。

目前，有關(guān)花生光合—光響應(yīng)模型的研究鮮有報道。為此，本研究擬采用不同的模型擬合2個花生品種的光響應(yīng)曲線，以此對比分析不同模型在花生光合特性研究上的擬合度及潛在問題，為進一步推動光合作用光響應(yīng)曲線在花生光合生理生態(tài)研究中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

2017年在江蘇省農(nóng)科院網(wǎng)室內(nèi)進行盆栽試驗。將田間土壤自然風(fēng)干、過篩去雜后與河沙按照體積比1∶1混勻后作為供試花生種植土壤。供試花生品種為泰花5號(Tai-5)與中花16號(Zhong-16)。5月25日，每個品種選擇籽粒大小均勻且健康無病蟲害的花生籽粒播種于盆缽中，每盆播種3粒。試驗所用盆缽直徑30cm，高25cm，每盆裝土約10kg。待花生3葉期時，每盆留健壯植株1株。每個品種重復(fù)15次，每盆為1個重復(fù)。將花生置于網(wǎng)室內(nèi)，所有管理均按高產(chǎn)栽培要求進行。

1.2 光響應(yīng)數(shù)據(jù)的測定

待花生長至8葉期時，選擇晴天9:00-11:00用便攜式光合儀LI-6800(LI-COR， Lincoln，USA)測量凈光合速率(Pn)。CO2濃度控制在380±2 μmol·mol-1，溫度控制在34±2℃，選用光合儀內(nèi)置光源將光合有效輻射(I)設(shè)置為2000、1600、1200、1000、800、600、400、200、100、50、20、0 μmol·m-2·s-1，測定Pn。每個光照強度等待3min。測定部位為主莖倒3葉，每次每個品種測定4次。

1.3 光響應(yīng)模型介紹

1.3.1 直角雙曲線模型

直角雙曲線模型[14]的數(shù)學(xué)表達式為：

其中Pn為凈光合速率，I為光強，α為植物光合作用對光響應(yīng)曲線在I=0時的斜率，即光響應(yīng)曲線的初始斜率，也稱初始量子效率。Pnmax為最大凈光合速率，Rd為暗呼吸速率。式(1)是一個沒有極值的函數(shù)，也即直角雙曲線是一條沒有極點的漸近線。因此，由式(1)無法求得飽和光強(Isat)。為了估算Isat，根據(jù)葉子飄[15]介紹，需用直線方程擬合弱光強條件下(≤200 μmol·m-2·s-1)的表觀量子效率(apparent quantum efficiency, AQE)，利用非線性最小二乘法估算Pnmax，然后求解直線方程式(2)得到Isat。

Pnmax= AQE×I-Rd…… (2)

1.3.2 非直角雙曲線模型

光響應(yīng)曲線的非直角雙曲線模型[16]的表達式為：

公式中Pn、α、I、Pnmax、Rd的定義均與直角雙曲線模型相同。θ為反應(yīng)光響應(yīng)曲線彎曲程度的曲角參數(shù)，取值范圍為0<θ≤1。由此可見公式(3)仍是一個沒有極值的函數(shù)，無法直接求解Isat，其求解方法與直角雙曲線模型相同。

1.3.3 指數(shù)函數(shù)模型

光響應(yīng)曲線的指數(shù)函數(shù)模型比較多。本文采用Bassman和Zwier[17]提出的指數(shù)函數(shù)模型，其表達式為：

Pn=Pnmax(1-e-αI/Pnmax)-Rd…… (4)

公式中Pn、α、I、Pnmax、Rd的定義均與直角雙曲線模型相同，e為自然對數(shù)的底。通過式(4)可求取光補償點(Ic)，但無法求取Isat，要估算Isat，需要假設(shè)光合速率為0.9Pnmax或0.99Pnmax對應(yīng)的光強為飽和光強[18-19]。

1.3.4 直角雙曲線修正模型

中國學(xué)者葉子飄[15]提出了直角雙曲線的修正模型。其表達式為：

式中α、I、Rd的定義均與直角雙曲線模型相同，β為光抑制系數(shù)，γ為光飽和系數(shù)[20]。式(5)是一個具有極值的函數(shù)，因此，由式(5)可直接求出Pnmax、Isat、Ic。同時可擬合具有光抑制的光響應(yīng)曲線。

1.3.5 指數(shù)改進模型

為改進光響應(yīng)曲線指數(shù)模型無法準(zhǔn)確計算出光飽和點和最大凈光合速率的缺陷，陳衛(wèi)英等[3]提出了指數(shù)改進模型。其表達式為：

Pn=be-cI-de-fI…… (6)

其中Pn為凈光合速率，I為光強。對式(6)進行解析Pnmax、Isat、Ic、Rd：

Rd=b-d

α= -bc+df

Pnmax可由求出的Isat代入(6)中求出。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)處理及作圖由Excel 2007 完成，模型分析由SPSS 11.5 軟件分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 光響應(yīng)曲線的擬合及其比較

圖1可見，除直角雙曲線模型的擬合值與實測值差別較大外，其余四個模型的擬合值均與實測值較為接近。因此從直觀看，采用非直角雙曲線模型、指數(shù)模型、直角雙曲線修正模型、指數(shù)改進模型都可較好擬合其實測點。圖1進一步可看出，兩品種的Pn均在1200～1600 μmol·m-2·s-1達到飽和值，而后Pn隨I的增加變化較小。

2.2 不同花生光合—光響應(yīng)曲線模型參數(shù)比較

由表1可見，所有模型擬合的初始量子效率(α)均在0≤α≤0.125 范圍之內(nèi)，直角雙曲線模擬的泰花5號的α最大，為0.114。

不同模型擬合的兩個品種的最大凈光合速率(Pnmax)均比實測值高，但以直角雙曲線修正模型和指數(shù)改進模型的計算值最為接近實測值，指數(shù)改進模型略優(yōu)于直角雙曲線修正模型。泰花5號Pnmax的指數(shù)模型和非直角雙曲線模型的擬合值以及中花16號的Pnmax的直角雙曲線模型的擬合值與實測值相差較大。

對于飽和光強(Isat)，兩個品種由直角雙曲線與非直角雙曲線通過直線方程求解得到的Isat均不到實測值的1/2，遠小于實測值，而由指數(shù)函數(shù)、直角雙曲線修正模型與指數(shù)改進模型求解的Isat與實測值差異較小，并且指數(shù)改進模型和直角雙曲線修正模型可通過模擬直接計算兩品種的Isat。

圖1 不同模型擬合的2個花生品種光響應(yīng)曲線 Fig.1 Light response curves fitted by different models for 2 peanut varieties

品種Varieties模型 ModelαPmaxIsatIcRdr2其他Other 直角雙曲線模型Rectangular hyperbola model0.114031.476742.9931.4803.3100.990 非直角雙曲線模型Nonrectangular hyperbola model0.059033.020739.3127.9701.8250.9990.906(θ)泰花5號指數(shù)模型 Exponential model0.085433.3501556.6533.1702.7150.998 Tai-5直角雙曲線修正模型Modified rectangular hyperbola model0.082030.3001495.3032.0002.5140.9990.001161(γ)0.000179(β)指數(shù)改進模型Modified exponential model0.080730.2661469.3731.0992.4260.996 實測值 Measured value ≈29.7≈160020～50≈2.12 直角雙曲線模型Rectangular hyperbola model0.100034.690716.8431.3102.8720.990 非直角雙曲線模型Nonrectangular hyperbola model0.051927.632624.2128.7481.6470.9990.906(θ)中花16號指數(shù)模型 Exponential model0.074527.8951575.8133.3102.3750.998 Zhong-16直角雙曲線修正模型Modified rectangular hyperbola model0.072625.4001482.5032.2002.2300.9980.001281(γ)0.000173(β)指數(shù)改進模型Modified exponential model0.068625.0801496.3432.6602.1580.996 實測值 Measured value ≈24.87≈160020～50≈1.56

注：α, 初始量子效率(mol CO2mol-1photons);Pnmax, 最大光合速率(molm-2s-1)；Isat, 飽和光強(molm-2s-1);Ic, 光補償點(molm-2s-1)；Rd，暗呼吸速率(molm-2s-1)；r2，決定系數(shù)。

Note: α, initial quantum yield;Pnmax, maximum net photosynthetic rate;Isat, light saturation point;Ic, light compensation point;Rd, rate of dark respiration;r2, determination coefficient.

所有模型擬合的光補償點(Ic)差異較小，均在實測值范圍內(nèi)，但兩品種的Ic以非直角雙曲線的擬合值最低。不同模型擬合的暗呼吸速率(Rd)與實測值接近度不一致。對于泰花5號以直角雙曲線修正模型和指數(shù)改進模型擬合的Rd較接近實測值，而中花16的Rd以非直角雙曲線的擬合值最接近實測值。表1進一步仍可見，5個模型求得的決定系數(shù)r2均高于0.99，說明其擬合程度均非常高。

在直角雙曲線修正模型中，有兩個非常重要的參數(shù)，γ為光飽和項，β為光抑制項，并且可通過模擬計算直接求出。由表可見泰花5號的γ值小于中花16，而β值大于中花16。

2.3 不同花生品種的光合特性

由圖1 和表1進一步分析可見，泰花5號的光合特性優(yōu)于中花16號，表現(xiàn)在同一光強下，泰花5號凈光合速率高于中花16號。

3 討 論

由各模型公式可知，直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型和指數(shù)函數(shù)是3個沒有極值的方程，在定義域范圍內(nèi)，Pn始終隨著I的增加而增加。因此，這3個模型不能擬合植物出現(xiàn)光抑制時的光響應(yīng)曲線，并且由這3個模型不能直接模擬出Isat，必須通過非線性最小二乘法估算Pnmax(直角雙曲線模型與非直角雙曲線模型)或者假定0.9Pnmax對應(yīng)的光合有效輻射，但是通過這種方法求得的Pnmax和Isat均與實測值差異較大。本研究發(fā)現(xiàn)，用直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型和指數(shù)模型擬合的2個花生品種的Pnmax均遠高于實際觀測值，而直角雙曲線與非直角雙曲線模型求得的Isat只有觀測值的1/2。這與前人的研究結(jié)果[10-12]相一致。這說明直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型和指數(shù)函數(shù)不適合用于擬合花生的光響應(yīng)曲線。

直角雙曲線修正模型是一個存在極值的方程，因此可擬合植物存在光抑制時的光響應(yīng)曲線。圖1可見，兩個花生品種的Pn均在1200～1600 μmol·m-2·s-1達到飽和值，而后Pn隨光強的增加而不再增加，直角雙曲線修正模型的擬合曲線與實測曲線符合度非常高。2012年葉子飄與康華靖[20]對直角雙曲線模型參數(shù)的生物學(xué)意義進一步明確。在此模型中，β為光抑制項，γ值一定時，β值越大，光響應(yīng)曲線彎曲程度就變大，表示光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)天線色素分子吸收光量子的截面與PSⅡ天線色素分子處于激發(fā)態(tài)的平均壽命的乘積越大，植物受光抑制就越強。而γ為光飽和項，當(dāng)β一定時，γ值越小，表示光響應(yīng)曲線彎曲程度就越小，植物越不容易發(fā)生光飽和現(xiàn)象，對應(yīng)飽和光強的值越大。

由表1可以看出，泰花5號的β值略大于中花16，而γ值小于中花16，據(jù)此分析，泰花5號較中花16號不易出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象，這與泰花5號的飽和光強(1495 μmol·m-2s-1)高于中花16號(1482 μmol·m-2s-1)是一致的?？梢?，直角雙曲線修正模型可為進一步研究花生逆境脅迫下的光抑制現(xiàn)象，這是其他模型所不具備的。

指數(shù)改進模型是陳衛(wèi)英等[3]在指數(shù)模型的基礎(chǔ)上提出的，本研究中由該模型計算的各個光合參數(shù)與實測值非常接近，這說明該模型同樣可以用于花生光合光響應(yīng)的研究中。雖然指數(shù)改進模型不能通過計算直接求出光飽合項或光抑制項，但該模型可以準(zhǔn)確計算出花生光飽和點與最大凈光合速率，這也為研究高光照強度下的光抑制現(xiàn)象提供了快速準(zhǔn)確的方法[3]。

綜上所述，在花生光合—光響應(yīng)的研究中可以選擇直角雙曲線修正模型和指數(shù)改進模型進行曲線的擬合。這兩個模型均具有很好的擬合性，擬合結(jié)果準(zhǔn)確，尤其是當(dāng)高光強存在時，可以擬合花生存在光抑制時的光響應(yīng)曲線。