不同品系黃連葉片光強(qiáng)和CO2響應(yīng)曲線的研究

曾 燁，薛翔楠，司海倩，盧 超，王學(xué)奎，孫先忠

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.利川市清江黃連開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 利川 445413）

光合作用是植物干物質(zhì)積累和生物量形成的重要物質(zhì)同化過程。植物光合作用的光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線包含了多種重要光合參數(shù)，如光（CO2）補(bǔ)償點(diǎn)、表觀量子（羧化）速率、表觀暗呼吸速率、最大凈光合速率等，能反映出各種環(huán)境及植物自身的生理狀況對(duì)其光合作用效率的影響[1]，因此，在植物生理生態(tài)及作物光合特性研究中受到廣泛重視[2-3]。

黃連的人工栽培種群中存在明顯地表型差異，具體差異表現(xiàn)在葉面顏色、葉片大小、葉面光澤等方面，從表型上初步分為4個(gè)品系（大花葉、小花葉、有光葉、無光葉）[4]，并可作為黃連規(guī)范化種植的種質(zhì)基原。試驗(yàn)在大田條件下測(cè)定了不同品系黃連葉片光合指標(biāo)對(duì)光合有效輻射和CO2濃度的響應(yīng)曲線。旨在了解不同品系的黃連光合指標(biāo)的差異，為選擇適應(yīng)環(huán)境生長(zhǎng)的優(yōu)良品系及黃連GAP基地建設(shè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)中的黃連材料經(jīng)湖北中醫(yī)研究院王克勤研究員鑒定為味連，有大花葉、小花葉、有光葉、無光葉4個(gè)品系。

1.2 方法

測(cè)定時(shí)間為黃連生長(zhǎng)較為旺盛的7月份。采用美國(guó)Li-cor公司生產(chǎn)的LI-6400XT便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)進(jìn)行光合指標(biāo)的測(cè)定。LI-6400XT便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)是一個(gè)開路系統(tǒng)，在試驗(yàn)中可以控制所有相關(guān)的環(huán)境條件。該系統(tǒng)帶有CO2注射器，可對(duì)葉室提供一穩(wěn)定可調(diào)的CO2氣源。試驗(yàn)用液化CO2鋼瓶提供不同CO2濃度；采用LI6400-02B紅藍(lán)光源提供不同的光合有效輻射強(qiáng)度，儀器設(shè)定流速為500 mol/s。在測(cè)定響應(yīng)曲線之前，先將儀器設(shè)定好估測(cè)的飽和光強(qiáng)和最適CO2濃度，對(duì)黃連葉片進(jìn)行光誘導(dǎo)30 min。

光響應(yīng)曲線測(cè)定設(shè)定CO2濃度為400 μmol/mol，分別在 0～1300 μmol/m2·s（內(nèi)置光源）光強(qiáng)范圍內(nèi)測(cè)定光合作用光響應(yīng)動(dòng)態(tài)，待儀器Pn參數(shù)穩(wěn)定在小數(shù)點(diǎn)之后 1 位、△CO2<0.2、00、Tr>0時(shí)開始記錄數(shù)據(jù)，共設(shè)置10個(gè)濃度水平。隨機(jī)選擇生長(zhǎng)良好的健康成熟葉片進(jìn)行4次重復(fù)測(cè)定。

CO2響應(yīng)曲線測(cè)定時(shí)的有效光輻射強(qiáng)度（PAR）控制在 1000 μmol/m2·s，參比室 CO2濃度從 400 μmol/mol降到 0 μmol/mol，然后再?gòu)?0 μmol/mol升至1200 μmol/mol，共設(shè)置10個(gè)濃度水平，同樣進(jìn)行4次重復(fù)測(cè)定。

所測(cè)數(shù)據(jù)均采用Excel和SPSS19軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光強(qiáng)對(duì)不同品系黃連葉片光合指標(biāo)的影響

2.1.1 4個(gè)品系黃連葉片的Pn-光響應(yīng)曲線從圖1、圖2中可以看出，4個(gè)品系的黃連葉片的凈光合速率（Pn）對(duì)光強(qiáng)變化的響應(yīng)趨勢(shì)相同。在適宜的光強(qiáng)范圍內(nèi)，隨著光強(qiáng)的增強(qiáng)，凈光合速率（Pn）逐漸升高，然后趨于穩(wěn)定（即達(dá)到最大光合速率）。當(dāng)光強(qiáng)較低（≤200 μmol/m2·s）時(shí)，凈光合速率（Pn）隨光強(qiáng)的升高而迅速上升；光強(qiáng)在200～800 μmol/m2·s時(shí)，凈光合速率上升趨勢(shì)開始變緩，且逐漸趨于平緩。

圖1 不同品系黃連葉片凈光合速率對(duì)光合有效輻射的響應(yīng)

圖2 不同品系黃連葉片表觀光量子效率

4種品系之間光合指標(biāo)有所不同。其中大花葉的最大凈光合速率最小，約為3.24 μmol/m2·s，無光葉的最大，為 4.60 μmol/m2·s，其余的介于這兩個(gè)品系之間；有光葉的光飽和點(diǎn)最小，約為400 μmol/m2·s，無光葉的最大約為 700 μmol/m2·s，其余的介于兩者之間；供試的4個(gè)品系的光補(bǔ)償點(diǎn)都較低，其中無光葉的最低約為3.71 μmol/m2·s，而大花葉的最高，約為 9.31 μmol/m2·s，其余的介于這兩者之間；供試的4個(gè)黃連品系的表觀光量子效率在0.0142～0.0206 之間，與一般植物的 0.03～0.05[5]相比處于下限，說明黃連利用光能的能力較弱，因而植株生長(zhǎng)緩慢，并且喜陰濕環(huán)境。

2.1.2 4個(gè)品系黃連葉片的Gs-光響應(yīng)曲線從圖3中可以看出，除有光葉外，其余3個(gè)品系黃連葉片的氣孔導(dǎo)度隨光強(qiáng)變化的趨勢(shì)大體一致，隨著光強(qiáng)的增強(qiáng)，Gs呈現(xiàn)緩慢的上升趨勢(shì)。其中大花葉的氣孔導(dǎo)度最小，其次是無光葉、小花葉。而有光葉在光合有效輻射值為200 μmol/m2·s時(shí)，其氣孔導(dǎo)度值最大，為 50 mmol/H2O·m2·s，隨光強(qiáng)的增強(qiáng)，氣孔導(dǎo)度緩慢降低；當(dāng)光強(qiáng)超過 400 μmol/m2·s時(shí)，氣孔導(dǎo)度的變化則趨于平緩。

圖3 不同品系黃連葉片氣孔導(dǎo)度對(duì)光合有效輻射的響應(yīng)

2.1.3 4個(gè)品系黃連葉片的Ci-光響應(yīng)曲線從圖4中可以看出，4品系黃連葉片的胞間CO2濃度（Ci）大小隨光強(qiáng)的變化趨勢(shì)相同。光合有效輻射在1200 μmol/m2·s范圍內(nèi)，隨著光強(qiáng)由弱到強(qiáng)的變化，胞間CO2濃度（Ci）逐漸減小，當(dāng)光強(qiáng)在200 μmol/m2·s以內(nèi)逐漸增強(qiáng)時(shí)，胞間 CO2濃度（Ci）則急劇下降；當(dāng)光強(qiáng)大于 400 μmol/m2·s時(shí)，不同品系黃連葉片胞間CO2濃度（Ci）變化趨于平緩，并維持在相對(duì)穩(wěn)定水平上。

圖4 不同品系黃連葉片胞間CO2濃度對(duì)光合有效輻射的響應(yīng)

當(dāng)光強(qiáng)升高至 400 μmol/m2·s時(shí)，4 個(gè)品系黃連葉片的胞間CO2濃度（Ci）卻表現(xiàn)出明顯差異，其中有光葉的最高，達(dá)到255.00 μmol/mol；其次為小花葉，為234.00 μmol/mol；最低的大花葉的胞間CO2濃度為 193.53 μmol/mol。

2.1.4 4個(gè)品系的黃連葉片的Tr-光響應(yīng)曲線從圖5中可以看出，4個(gè)品系的黃連葉片的蒸騰速率（Tr）隨光強(qiáng)的變化趨勢(shì)大致相同，隨著光強(qiáng)的增強(qiáng)，蒸騰速率（Tr）呈現(xiàn)逐漸升高，然后趨于穩(wěn)定。

圖5 不同品系黃連葉片蒸騰速率對(duì)光合有效輻射的響應(yīng)

但不同品系黃連葉片的蒸騰速率（Tr）存在明顯差異，有光葉在光強(qiáng)為 200 μmol/mm2·s時(shí)，蒸騰速率（Tr）即達(dá)到最大，隨后緩慢趨于平緩；而小花葉等另外3個(gè)品系的蒸騰速率則是隨光強(qiáng)的增強(qiáng)逐漸增加并趨于穩(wěn)定。當(dāng)光強(qiáng)增、強(qiáng)蒸騰速率趨于穩(wěn)定時(shí)，大花葉的蒸騰速率（Tr）最小，為0.74 mmol/m2·s，其次為無光葉，為 0.83 mmol/m2·s，小花葉和有光葉的蒸騰速率相對(duì)最高且非常接近，約為1.05 mmol/m2·s。

2.2 CO2濃度對(duì)不同品系黃連葉片光合指標(biāo)的影響

2.2.1 4個(gè)品系的黃連葉片的Pn-CO2響應(yīng)曲線從圖6中可以看出，凈光合速率（Pn）對(duì)CO2濃度變化的響應(yīng)趨勢(shì)相似，在適宜的光照強(qiáng)度下，隨著外界CO2濃度的升高，凈光合速率（Pn）呈現(xiàn)逐漸升高直至趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，說明增加CO2濃度有助于黃連葉片凈光合速率的提高。

圖6 不同品系黃連葉片凈光合速率對(duì)CO2濃度的響應(yīng)

4個(gè)品系黃連葉片隨著外界CO2濃度的增加而達(dá)到穩(wěn)定之后的最大凈光合速率有所不同，大花葉的最小，為 12.76 μmol/m2·s；其次為無光葉和小花葉；有光葉的最大凈光合速率最大，為21.14 μmol/m2·s；不同品系之間黃連葉片的飽和點(diǎn)大致都在 1000～1200 μmol/mol之間，在達(dá)到 CO2飽和點(diǎn)后，不同品系的黃連葉片的凈光合速率增幅不大。

當(dāng)CO2濃度小于400 μmol/mol時(shí)，大花葉等另外3個(gè)品系的凈光合速率相對(duì)較高且無明顯差異，小花葉的凈光合速率相對(duì)最低，說明黃連不同品系同化利用CO2的效率與環(huán)境CO2濃度高低密切相關(guān)。

2.2.2 4個(gè)品系的黃連葉片的Gs-CO2響應(yīng)曲線從圖7中可以看出，在適宜的光照強(qiáng)度下，大花葉、無光葉和小花葉的氣孔導(dǎo)度（Gs）隨著CO2濃度升高的變化趨勢(shì)大體相似。當(dāng)CO2濃度小于等于400 μmol/mol時(shí)，氣孔導(dǎo)度隨著CO2濃度的增加而呈現(xiàn)緩慢的增加趨勢(shì)；當(dāng)CO2濃度大于400 μmol/mol時(shí)，氣孔導(dǎo)度受CO2濃度的影響較??；CO2濃度達(dá)到600 μmol/mol時(shí)，氣孔導(dǎo)度達(dá)到最大值并且維持穩(wěn)定。而有光葉的氣孔導(dǎo)度（Gs）受CO2濃度變化的影響相對(duì)較小并且低于上述3個(gè)品系，其氣孔導(dǎo)度達(dá)到最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的CO2濃度為400 μmol/mol，當(dāng)CO2濃度大于800 μmol/mol時(shí)則出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖7 不同品系黃連葉片氣孔導(dǎo)度對(duì)CO2濃度的響應(yīng)

隨著外界CO2濃度的增加，4個(gè)品系黃連葉片氣孔導(dǎo)度（Gs）達(dá)到穩(wěn)定之后的值所不同，有光葉的最小，為 34 mmol/m2·s；其次為大花葉，為 43 mmol/m2·s；無光葉和小花葉的大致相同，約為47 mmol/m2·s。

2.2.3 Ci-CO2響應(yīng)曲線從圖8中可以看出，在適宜的光照強(qiáng)度下，隨外界CO2供應(yīng)的增加，供試的4品系黃連葉片的胞間CO2濃度（Ci）的總體變化趨勢(shì)相似。當(dāng)CO2的供應(yīng)在由低到高時(shí)，各品系的胞間CO2濃度（Ci）先逐漸降低，然后逐漸升高。

圖8 不同品系黃連葉片胞間CO2濃度對(duì)CO2濃度的響應(yīng)

在外界CO2濃度達(dá)到400～600 μmol/mol時(shí)，這4個(gè)品系的胞間CO2濃度達(dá)到最低而趨于穩(wěn)定；隨著外界 CO2的降低（≤400 μmol/mol），小花葉的胞間CO2濃度的增加速度較另外3種品系相對(duì)較快；隨著外界 CO2的增加（≥600 μmol/mol），大花葉的胞間CO2濃度在4品系中處于最高，無光葉和小花葉居于中間，而有光葉的最低。以上表明：在較高的外界CO2濃度條件下，大花葉的葉片具有相對(duì)更強(qiáng)的氣體交換能力，其細(xì)胞間隙貯存光合原料（CO2）的能力最強(qiáng)，而有光葉的最弱。

2.2.4 Tr-CO2響應(yīng)曲線從圖9中可以看出，4個(gè)品系黃連葉片的蒸騰速率（Tr）隨著外界CO2濃度的變化趨勢(shì)與氣孔導(dǎo)度-CO2響應(yīng)曲線的趨勢(shì)基本一致。外界CO2濃度的增高導(dǎo)致黃連葉片氣孔導(dǎo)度的降低，從而引起蒸騰速率（Tr）的下降，這也進(jìn)一步表明黃連葉光合作用的各指標(biāo)之間具有緊密的關(guān)聯(lián)性。

圖9 不同品系黃連葉片蒸騰速率對(duì)CO2濃度的響應(yīng)

3 小結(jié)與討論

4個(gè)品系黃連葉片的光飽和點(diǎn)在400～700 mol/m2·s之間；光補(bǔ)償點(diǎn)在 3.71～9.31 μmol/m2·s之間；表觀光量子效率都在0.0142～0.0206之間；CO2飽和點(diǎn)在 1000～1200 μmol/mol之間；其中有光葉的光飽和點(diǎn)最低，約為400 mol/m2·s，無光葉的光飽和點(diǎn)最高，約為700 mol/m2·s；當(dāng)達(dá)到光飽和點(diǎn)之后，大花葉的最大凈光合速率與其它品系相比相對(duì)最低，約為 3.24 μmol/m2·s，無光葉的凈光合速率相對(duì)最高，為 4.60 μmol/m2·s；這與已有的研究結(jié)果即黃連的光飽和點(diǎn)大約在500 μmol/mol、光補(bǔ)償點(diǎn)約為12.04、表觀光量子效率為0.011[6]相吻合。

當(dāng)黃連葉片達(dá)到CO2飽和點(diǎn)之后，各品系均達(dá)到最大凈光合速率，其中有光葉的最大凈光合速率最大，約為 21.14 μmol/m2·s，為自然條件下最大凈光合速率的5倍左右。CO2是光合作用的底物。植物光合作用對(duì)CO2的響應(yīng)表現(xiàn)為在較低CO2濃度水平上最顯著，而在CO2濃度較高的條件下其光合作用很大程度上受到環(huán)境條件，如水分、養(yǎng)分、光照、植物生長(zhǎng)空間等的影響。CO2對(duì)植物光合作用的影響，前人已做了大量工作，CO2濃度增加在短期內(nèi)能促進(jìn)植物的光合作用[7]。以上表明黃連對(duì)光的利用能力較弱，且不同品系在高、低CO2濃度條件下的光合速率也存在差異，因此，栽培過程中應(yīng)根據(jù)不同環(huán)境條件選用不同品系。

通過對(duì)這4個(gè)品系黃連的光合指標(biāo)的比較研究，筆者認(rèn)為可根據(jù)不同的遮蔭條件以及栽培環(huán)境條件的差異來選擇適宜的黃連品系。若遮蔭度較低時(shí)，宜選擇光飽和點(diǎn)最高的無光葉；遮蔭度相對(duì)較高時(shí)，可選擇光飽和點(diǎn)相對(duì)最低的有光葉；利用自然環(huán)境條件栽培黃連時(shí)，因CO2濃度相對(duì)較低，宜首選除小花葉之外的大花葉等其它品系。有條件在溫室或者大棚條件下栽培黃連的，應(yīng)適當(dāng)增加CO2的供應(yīng)，以便更好促進(jìn)黃連光合產(chǎn)物的累積、提高黃連產(chǎn)量和品質(zhì)。

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