王盼， 王孝源， 周鈺鴻， 潘德月， 陳子林， 康華靖

(1.磐安縣中藥創(chuàng)新發(fā)展研究院，浙江 磐安 322300； 2.浙江師范大學(xué) 植物學(xué)實驗室，浙江 金華 321004；3.浙江大盤山國家級自然保護區(qū)管理局，浙江 磐安 322300； 4.溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江 溫州 325006)

光合作用作為植物生命的維系，是決定植物生長、發(fā)育和繁殖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。光是植物光合作用最基本的決定因子，不同光強下植物光合生理特性的變化由光響應(yīng)曲線來體現(xiàn)，通過光響應(yīng)曲線分析，可計算表觀量子效率、光補償點、最大凈光合速率(Pnmax)、光飽和點和暗呼吸速率等重要光合生理參數(shù)[2]，有助于了解植物光合作用中光化學(xué)效率，指示植物的生長情況及抗逆性大小[3]。光響應(yīng)曲線能有效地評價植物葉片利用光能的能力和植物對生長環(huán)境的適應(yīng)性，準確分析光響應(yīng)曲線及其參數(shù)是研究光合生理生態(tài)過程對環(huán)境變化響應(yīng)的重要途徑[4]。

歪頭菜(Viciaunijuga)是豆科野豌豆屬的多年生草本植物[5]，是青藏高原優(yōu)良牧草，在草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用，是該地區(qū)家畜飼料中蛋白質(zhì)的重要來源[6]；同時，歪頭菜幼苗又是營養(yǎng)豐富的蔬菜，經(jīng)濟價值明顯[7]。鴨兒芹(Cryptotaeniajaponica)屬傘形科多年生草本植物，具有抗氧化清除自由基、保護肝臟、抗癌癥、抑制組織增生等作用[8]，有較高的保健價值及藥用價值；同時，鴨兒芹嫩莖葉可清炒、涼拌，翠綠軟糯，唇齒留香，極為爽口，為日本料理的常用菜，產(chǎn)業(yè)化潛力較大。為此，本文探討不同生境對歪頭菜和鴨兒芹光合生理的影響，以此明確其最佳生長環(huán)境，為推進歪頭菜和鴨兒芹近野生栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及設(shè)計

2020年4月在浙江省磐安縣祠下村杉木林林下(生境Ⅰ)和林緣(生境Ⅱ)生境下分別種植鴨兒芹和歪頭菜。2020年8月赴試驗基地，在每個生境選擇5株植物，每株植物選擇一片發(fā)育成熟的葉子測定相關(guān)的光合生理指標參數(shù)。

1.2 指標測定

利用便攜式光合儀(LI-6400-40, LI-COR INC.，USA)于晴天9:00—16:30進行數(shù)據(jù)測量。在自然光下誘導(dǎo)1.5～2 h后，采用開放式氣路，流速為400 μmol·s-1。根據(jù)預(yù)測量儀器中葉室溫度的動態(tài)變化，設(shè)定葉室溫度約為29.47 ℃，空氣相對濕度控制在45%～70%，光合有效輻射強度(PAR)梯度設(shè)為1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50和0 μmol·m-2·s-1，應(yīng)用CO2注入系統(tǒng)提供400 μmol·mol-1穩(wěn)定的CO2。在此條件下同時測定葉片的Pn-Ca曲線和其他數(shù)據(jù)。應(yīng)用自動測量程序(FlrPn-Cacurve)進行數(shù)據(jù)測量，數(shù)據(jù)記錄前儀器均自動進行參比室和樣品室之間的匹配。全面測量不同生境下的鴨兒芹和歪頭菜葉片光合熒光參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010作圖；根據(jù)光合計算軟件4.1，應(yīng)用光響應(yīng)機理模型，擬合電子傳遞速率(ETR)和凈光合速率(Pn)對光強的響應(yīng)曲線；運用SPSS 19.0版本軟件進行計算和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生境對葉片ETR的影響

ETR表示被植物吸收的光能沿光合電子傳遞鏈被利用情況[9]。從圖1可知，PAR<200 μmol·m-2·s-1時，歪頭菜和鴨兒芹葉片的ETR均隨光強的增加呈直線上升；之后則隨PAR的增加而緩慢增長；除生境Ⅰ下的鴨兒芹外，其余ETR均在達到最大值后發(fā)生較為明顯的光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)動力學(xué)下調(diào)現(xiàn)象。比較不同生境下的ETR可見，弱光下兩種生境的歪頭菜和鴨兒芹葉片的ETR均極為接近，當光強大于400 μmol·m-2·s-1時，生境Ⅰ下歪頭菜和鴨兒芹葉片的ETR顯著高于生境Ⅱ。

圖1 不同生境下葉片的ETR對PAR的響應(yīng)曲線

利用光響應(yīng)機理模型擬合ETR對光強的響應(yīng)曲線。由表1可知，R2均大于0.90，說明光響應(yīng)模型擬合效果較好。生境Ⅰ下歪頭菜和鴨兒芹葉片的最大電子傳遞速率(ETRmax)及其對應(yīng)的飽和光強均顯著高于生境Ⅱ。

表1 不同生境下葉片光合ETR對PAR的響應(yīng)曲線結(jié)果

2.2 不同生境對葉片Pn的影響

從圖2可以看出，歪頭菜和鴨兒芹葉片Pn均隨PAR的增加而增加，當大于800 μmol·m-2·s-1后，趨于穩(wěn)定或略有下降趨勢。從不同生境來看，生境Ⅰ下的歪頭菜和鴨兒芹的Pn整體較高。

圖2 不同生境下葉片的Pn對PAR的響應(yīng)曲線

利用光響應(yīng)機理模型擬合不同條件下光合作用對光的響應(yīng)曲線，得到Pnmax、Pn及其對應(yīng)的飽和光強(Isat)、光補償點(Ic)和暗呼吸速率(Rn)等光合參數(shù)。由表2可知，擬合曲線所得到的擬合值與其所對應(yīng)的實測值高度符合，R2均大于0.90。同ETR對光強響應(yīng)的擬合結(jié)果類似，生境Ⅰ下歪頭菜和鴨兒芹葉的Pnmax和Isat均顯著高于生境Ⅱ。不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片的Ic均較低，說明歪頭菜和鴨兒芹利用弱光的能力較強，能很好地適應(yīng)弱光環(huán)境。

表2 不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片Pn對光的響應(yīng)曲線擬合結(jié)果

2.3 不同生境對葉片蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度的影響

由圖3可知，除生境Ⅱ下歪頭菜葉片蒸騰速率(Tr)隨著光強的增加而先上升后下降外，其余生境下的歪頭菜和鴨兒芹葉片Tr均隨著光強的增加而呈上升趨勢。生境Ⅱ下歪頭菜葉片的Tr較高，生境Ⅰ下鴨兒芹葉片的Tr較高。

圖3 不同生境下葉片的Tr對PAR的響應(yīng)曲線

由圖4可知，不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片氣孔導(dǎo)度(gs)均隨著光強的增加而先上升后緩慢下降。生境Ⅰ下歪頭菜葉片的gs整體高于生境Ⅱ；鴨兒芹葉片的gs除在較高光強(600和800 μmol·m-2·s-1下)有差異外，整體上均較為接近。

圖4 不同生境下葉片的gs對PAR的響應(yīng)曲線

2.4 不同生境對葉片PSⅡ的實際光化學(xué)效率的影響

實際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)為PSⅡ的實際光化學(xué)效率，是研究植物光抑制的一種快速、非損傷性的指標。不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片ΦPSⅡ均隨著光強的增加而降低。由圖5可知，生境Ⅰ下歪頭菜葉片ΦPSⅡ值整體較高，而鴨兒芹則整體較低，且在光強大于200 μmol·m-2·s-1時，兩種生境下歪頭菜和鴨兒芹ΦPSⅡ值的差異均達到顯著水平。

圖5 不同生境下葉片的ΦPSⅡ?qū)AR的響應(yīng)曲線

2.5 不同生境對葉片光化學(xué)猝滅系數(shù)及非光化學(xué)效率的影響

光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)反映PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學(xué)電子傳遞的份額，并進一步反映PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度和電子傳遞活性的大小。由圖6可知，不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片qP均隨著光強的增加而整體呈直線下降。生境Ⅰ下歪頭菜和鴨兒芹葉片qP值整體較高，且在光強大于200 μmol·m-2·s-1時，兩種生境下歪頭菜和鴨兒芹qP值的差異均達到顯著水平。

圖6 不同生境下葉片的qP對PAR的響應(yīng)曲線

植物吸收的光能除一部分用于光合作用外，還有一部分可通過非光化學(xué)猝滅(qN)過程來調(diào)整過量能量的耗散，保護PSⅡ反應(yīng)中心免受因吸收過多光能而引起的光氧化和光抑制傷害。由圖7可知，不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片qN均隨著光強的增加呈下降趨勢，兩種生境下，歪頭菜葉片的qN值在較高光強(大于150 μmol·m-2·s-1)下存在顯著差異，而鴨兒芹葉片的qN值整體無顯著差異。

圖7 不同生境下葉片的qN對PAR的響應(yīng)曲線

2.6 不同生境下葉片F(xiàn)′v/F′m值的比較

F′v/F′m為PSⅡ反應(yīng)中心的有效光化學(xué)量子產(chǎn)量，其值的降低是光抑制或光破壞最基本的特征。由圖8可知，不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片F(xiàn)′v/F′m均隨著光強的增加而下降。兩種生境下，歪頭菜葉片的F′v/F′m值在較高光強(大于150 μmol·m-2·s-1)下存在顯著差異，而鴨兒芹葉片的F′v/F′m值整體無顯著差異。

圖8 不同生境下葉片的F′v/F′m對PAR的響應(yīng)曲線

3 小結(jié)與討論

光合作用是植物最為重要的代謝活動[10]，是作物將光能轉(zhuǎn)為化學(xué)能的過程。植物的光響應(yīng)曲線反映的是光合速率隨著光合有效輻射變化特性，是判定植物光合能力的重要指標[11]，其擬合出的相關(guān)參數(shù)還可以反映植物在不同光照條件下生存能力，以及對環(huán)境條件的適應(yīng)能力[12]。

試驗結(jié)果表明，弱光下兩種生境的歪頭菜和鴨兒芹葉片的ETR均較高，其中生境Ⅰ下歪頭菜和鴨兒芹葉的ETRmax及其對應(yīng)的飽和光強均顯著較高。從葉片凈光合作用來看，生境Ⅰ下的歪頭菜和鴨兒芹光合速率同樣整體較高，且歪頭菜和鴨兒芹的最適宜光強分別約為700和900 μmol·m-2·s-1。氣孔是由保衛(wèi)細胞構(gòu)成的直接影響植物葉片光合作用的細胞器[13]，環(huán)境條件會介導(dǎo)氣孔的關(guān)閉張開，從而引起氣孔導(dǎo)度的變化，進一步影響植物的蒸騰速率和凈光合速率[14]。不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片氣孔導(dǎo)度均隨著光強的增加而先上升，而后緩慢下降，這與王海珍等[15]研究結(jié)果一致。此外，歪頭菜和鴨兒芹葉片的蒸騰速率均以生境Ⅱ下較高。由此可見，歪頭菜和鴨兒芹均為半陽生植物。從光補償點來看，不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片的光飽和點均低，說明歪頭菜和鴨兒芹利用弱光的能力較強，能很好地適應(yīng)弱光環(huán)境。

PSⅡ光化學(xué)被認為是光合作用中對脅迫最敏感的部分，光合過程中PSⅡ所吸收的光能會有少部分以葉綠素熒光的形式被重新釋放出來[16]。葉綠素熒光與光合有緊密的聯(lián)系，通過葉綠素熒光可以反映光合作用的活性和行為，因此，葉綠素熒光技術(shù)被視為是研究植物光合作用與環(huán)境關(guān)系的內(nèi)在探針[17]。葉綠素熒光參數(shù)能夠確定環(huán)境變化條件下PSⅡ反應(yīng)中心的作用效率，反映光合作用中PSⅡ的電子捕獲能力；F′v/F′m表示植物的潛在最大光合能力，不僅是顯示植株是否受到脅迫的指示器，也可表示植物生理的健康狀態(tài)，F(xiàn)′v/F′m降低代表作物受到脅迫。ΦPSⅡ與F′v/F′m二者都是反映植物光合性能和健康狀況的重要參數(shù)[18]。不同生境下歪頭菜和鴨兒芹葉片的qN與ΦPSII均隨著光強的增加而整體呈下降趨勢，兩種生境下歪頭菜與鴨兒芹葉片的qN值整體均無顯著差異。生境Ⅰ下歪頭菜葉片ΦPSⅡ值與qP值整體較高，而生境Ⅰ下鴨兒芹葉片的ΦPSⅡ值與qP值則整體較低，且在光強大于200 μmol·m-2·s-1時，兩種生境下歪頭菜和鴨兒芹ΦPSⅡ值與qP值的差異均達到顯著水平。不同環(huán)境下歪頭菜和鴨兒芹葉片F(xiàn)′v/F′m均隨著光強的增加而下降，兩種生境下，歪頭菜葉片的F′v/F′m值在較高光強下存在顯著差異；而鴨兒芹葉片的F′v/F′m值整體無顯著差異。由此可見，歪頭菜和鴨兒芹兩種植物在不同生境下的光合參數(shù)整體上表現(xiàn)出較大差異，尤其是歪頭菜。

植物的生理特性是由遺傳因素決定的，但外部環(huán)境條件也對其內(nèi)部的生理生化響應(yīng)產(chǎn)生重要影響。通過對歪頭菜和鴨兒芹在不同生境條件下的栽種試驗發(fā)現(xiàn)，不同光強環(huán)境對歪頭菜和鴨兒芹的生長影響較大，且二者能很好地適應(yīng)弱光環(huán)境。因此，建議歪頭菜和鴨兒芹在種植時，選擇半遮陽環(huán)境，更有利于種子發(fā)芽和幼苗生長，進而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。