施用氮肥對(duì)橡膠林下套種的謝君蘑芋光合系統(tǒng)重要特征及相關(guān)生化指標(biāo)的影響

劉石山, 梁艷麗, 張廣輝, 吳詩(shī)斌, 謝世清, 陳軍文,①

(1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué): a. 云南省優(yōu)勢(shì)中藥材規(guī)范化種植工程研究中心, b. 農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院, 云南 昆明 650201； 2. 西雙版納州種子管理站, 云南 景洪 666100)

施用氮肥對(duì)橡膠林下套種的謝君蘑芋光合系統(tǒng)重要特征及相關(guān)生化指標(biāo)的影響

劉石山1a,1b, 梁艷麗1a,1b, 張廣輝1a, 吳詩(shī)斌2, 謝世清1a, 陳軍文1a,1b,①

(1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué): a. 云南省優(yōu)勢(shì)中藥材規(guī)范化種植工程研究中心, b. 農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院, 云南 昆明 650201； 2. 西雙版納州種子管理站, 云南 景洪 666100)

以橡膠林下套種的謝君蘑芋(AmorphophallusxieiH. Li et Z. L. Dao)為研究對(duì)象，對(duì)施用150 kg·hm-2氮肥后其葉綠素?zé)晒鈪?shù)、光響應(yīng)和CO2響應(yīng)曲線及相關(guān)光合參數(shù)、光合誘導(dǎo)曲線及相關(guān)參數(shù)、PSⅡ能量分配的變化進(jìn)行了研究，并對(duì)葉片的全氮含量、抗氧化系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)、葉綠素和葉黃素含量及相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明：與對(duì)照組(不施氮肥)相比，處理組(施氮肥)謝君蘑芋的最小葉綠素?zé)晒庵?F0)極顯著降低、最大葉綠素?zé)晒庵?Fm)極顯著升高，最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)也有一定程度的提高；處理組和對(duì)照組間的光響應(yīng)曲線、CO2響應(yīng)曲線及光合參數(shù)均差異明顯，其中，處理組的凈光合速率(Pn)高于對(duì)照組，其最大凈光合速率(Pmax)、光飽和點(diǎn)(LSP)和羧化效率(CE)均極顯著高于對(duì)照組，而暗呼吸速率(Rd)、表觀量子產(chǎn)量(AQY)和光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)與對(duì)照組無(wú)顯著差異；完成50%和80%光合誘導(dǎo)所需的時(shí)間均低于對(duì)照組，但差異不顯著。與對(duì)照組相比，在光響應(yīng)過(guò)程中處理組PSⅡ中用于光合碳同化的能量(ΦPSⅡ)明顯增大、用于非光化學(xué)淬滅的能量(ΦNPQ)明顯減小、用于熒光耗散的能量(Φf.d)變化不明顯，而在光合誘導(dǎo)過(guò)程中則表現(xiàn)為ΦPSⅡ略減小、ΦNPQ減小、Φf.d增大。與對(duì)照組相比，處理組葉片的全氮含量以及超氧化物歧化酶和過(guò)氧化物酶活性均極顯著升高，氧自由基含量極顯著降低，谷胱甘肽含量顯著升高，而丙二醛和抗壞血酸含量以及過(guò)氧化氫酶、抗壞血酸過(guò)氧化物酶、單脫氫抗壞血酸還原酶和脫氫抗壞血酸還原酶活性變化不顯著；葉片中的葉綠素和β-胡蘿卜素含量均顯著高于對(duì)照組，新黃質(zhì)、葉黃質(zhì)、紫黃質(zhì)和花藥黃質(zhì)含量以及紫黃質(zhì)、花藥黃質(zhì)和玉米黃質(zhì)的總含量均極顯著高于對(duì)照組，而玉米黃質(zhì)含量和葉黃素轉(zhuǎn)化率則極顯著低于對(duì)照組。綜合分析結(jié)果顯示：施用氮肥能夠增強(qiáng)橡膠林下套種的謝君蘑芋的光合作用能力、減少過(guò)剩光能、降低活性氧傷害，并減輕光脅迫的危害程度。

謝君蘑芋； 套種； 光合系統(tǒng)； 抗氧化系統(tǒng)； 葉黃素循環(huán)； 氮肥

氮素(N)是植物生長(zhǎng)發(fā)育不可或缺的大量元素之一，與植物的生長(zhǎng)和生命活動(dòng)息息相關(guān)；氮肥缺乏可導(dǎo)致植株生長(zhǎng)受阻、發(fā)育緩慢、葉片失綠和產(chǎn)量降低[1-2]等一系列危害，而氮肥施用過(guò)量則造成資源浪費(fèi)且不利于植物的生長(zhǎng)，可導(dǎo)致植物徒長(zhǎng)、發(fā)生嚴(yán)重病蟲害以及果實(shí)品質(zhì)下降[3]等問(wèn)題。光是自然界中最重要的生態(tài)因子，是植物進(jìn)行光合作用的主導(dǎo)因素和直接能量來(lái)源，但是，不適宜的光照會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生不利影響，在抑制植物光合作用的同時(shí)還可能會(huì)對(duì)植株造成過(guò)氧化傷害[4-5]；CO2是植物進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)植物的光合作用過(guò)程至關(guān)重要[6]，因此，光和CO2是探究植物光合作用的重要媒介。植物在由暗處或弱光環(huán)境轉(zhuǎn)入強(qiáng)光環(huán)境的過(guò)程中需要經(jīng)歷光合誘導(dǎo)過(guò)程，通常光合誘導(dǎo)是指植物的光合作用強(qiáng)度由弱逐漸變強(qiáng)、葉片氣孔逐步開(kāi)放、光合作用的相關(guān)酶類逐漸活化、光合速率最終穩(wěn)定在一定水平(數(shù)值一般較大)的過(guò)程[7]。氮素營(yíng)養(yǎng)水平與植物的光合作用緊密相關(guān)，缺氮可導(dǎo)致植物光合同化能力降低[2]、對(duì)光環(huán)境的適應(yīng)能力下降[3]、抵御強(qiáng)光的能力減弱[8]。

蘑芋(Amorphophallusspp.)又稱魔芋，俗稱茹芋、藥頭、蛇頭草、花桿蓮等，為天南星科(Araceae)蘑芋屬(AmorphophallusBlume)多年生草本植物，起源于中南半島的林下，是一種典型的喜陰植物[9]，食用歷史悠久，并且在食品加工、醫(yī)藥和化工等領(lǐng)域具有較為廣泛的開(kāi)發(fā)和利用價(jià)值。蘑芋在國(guó)內(nèi)多個(gè)省份均有分布，云南是國(guó)內(nèi)的蘑芋種植大省，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)蘑芋種質(zhì)資源非常豐富的地區(qū)之一。謝君蘑芋(AmorphophallusxieiH. Li et Z. L. Dao)是近年來(lái)在云南省西南部地區(qū)發(fā)現(xiàn)的蘑芋新種[10]，極具生產(chǎn)和應(yīng)用潛力。

云南省多山并擁有得天獨(dú)厚的氣候資源，非常適合發(fā)展蘑芋種植產(chǎn)業(yè)；該省西南部地區(qū)雨水充沛、熱量充足，是中國(guó)重要的橡膠(Heveaspp.)產(chǎn)地，同時(shí)也是謝君蘑芋的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)區(qū)。橡膠為高大喬木，經(jīng)濟(jì)利用周期較長(zhǎng)，且其單一種植模式對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，因此，發(fā)展橡膠林下經(jīng)濟(jì)已成為人們的共識(shí)，目前西雙版納地區(qū)正在逐步推廣橡膠林下套種蘑芋的種植模式。

然而，迄今為止關(guān)于謝君蘑芋的生理生態(tài)適應(yīng)性和需肥性還不甚清楚。為此，作者以4年生三葉橡膠〔Heveabrasiliensis(Willd. ex A. Juss.) Müll. Arg.〕林下種植的謝君蘑芋為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究施用150 kg·hm-2氮肥對(duì)林下種植的謝君蘑芋光合系統(tǒng)重要特征以及相關(guān)生化指標(biāo)的影響，以期了解謝君蘑芋的需肥習(xí)性和光合生理特征，并為謝君蘑芋種植過(guò)程中合理施用氮肥提供參考依據(jù)。

1 研究地自然概況和研究方法

1.1 研究地自然概況

研究地位于云南省西雙版納州景洪市嘎灑鎮(zhèn)南聯(lián)門村，距離景洪市區(qū)25 km；屬北熱帶季雨林氣候，年平均降水量1 557 mm，年平均氣溫約21 ℃；分雨季和旱季，雨季為每年的5月份至10月份，旱季為當(dāng)年11月份至翌年4月份。

選擇地勢(shì)平坦的4 年生三葉橡膠林為試驗(yàn)地，林內(nèi)橡膠樹(shù)的樹(shù)高3.5～4.0 m、莖粗10～15 cm、冠幅1.0～1.5 m，橡膠樹(shù)植株間行距3 m、株距1.0 m。行間整地、開(kāi)溝、做廂，共10個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)8.5 m、寬3.5 m。土壤酸堿度為pH (5.45±0.02)，有機(jī)質(zhì)含量(35.92±1.67) g·kg-1、 全氮含量(1.89±0.15) g·kg-1、全磷含量(0.41±0.03) g·kg-1、全鉀含量(15.21±1.26) g·kg-1。

1.2 處理方法

在播種時(shí)1次性施入120 kg·hm-2磷肥(P2O5)和100 kg·hm-2鉀肥(K2O)作為基肥。出苗后隨機(jī)選擇其中5個(gè)小區(qū)，按照150 kg·hm-2氮肥總量施入氮肥，其中，苗期的氮肥施用量為氮肥總量的30%，7月初的氮肥施用量為氮肥總量的70%，將此處理組作為施氮肥處理組；不施氮肥的5個(gè)小區(qū)作為對(duì)照組。

選擇健康完整且大小一致〔(150±10) g〕的謝君蘑芋作為種芋，用農(nóng)用鏈霉素以質(zhì)量比1∶10的比例兌水后浸種30 min，曬種后于2013年4月25日播種，行距0.8 m、株距0.5 m；同年8月中旬，在每個(gè)小區(qū)選取3株典型植株，選擇羽狀復(fù)葉的頂端小葉進(jìn)行氣體交換參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定，每個(gè)處理組各測(cè)定15株；測(cè)定完成后，取葉片用于相關(guān)生化指標(biāo)的測(cè)定。每個(gè)小區(qū)視為1次重復(fù)。

1.3 指標(biāo)測(cè)定方法

1.3.1 葉綠素?zé)晒鈪?shù)及相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定 采用LI-6400XT便攜式光合儀(美國(guó)LI-COR公司)測(cè)量待測(cè)頂端小葉的氣體交換參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)。葉室采用6400-40熒光葉室，并在測(cè)定前對(duì)所選植株的待測(cè)葉片進(jìn)行掛牌。

1.3.1.1 初始葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定 將待測(cè)葉片用暗適應(yīng)夾子暗適應(yīng)1 h，然后測(cè)定并記錄葉片初始最大葉綠素?zé)晒庵?Fm)、最小葉綠素?zé)晒庵?F0)和最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)，其中，F(xiàn)v=Fm-F0。

1.3.1.2 光響應(yīng)過(guò)程中凈光合速率和葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定 在無(wú)風(fēng)晴天的8：30至11：30測(cè)定光響應(yīng)曲線。測(cè)定時(shí)，葉室溫度設(shè)為25 ℃，用CO2注入系統(tǒng)控制參比室的相對(duì)CO2濃度為400 μmol·mol-1；預(yù)熱20 min后夾住葉片，并在光照強(qiáng)度600 μmol·m-2·s-1下誘導(dǎo)3～5 min；待穩(wěn)定后啟動(dòng)光響應(yīng)曲線自動(dòng)測(cè)量程序。利用內(nèi)置的紅藍(lán)光源設(shè)定光照強(qiáng)度梯度(即光合有效輻射，PAR)為1 500、1 200、800、600、400、200、150、100、80、60、40、20和0 μmol·m-2·s-1，在每個(gè)光照強(qiáng)度下均平衡5 min，同時(shí)記錄各光照強(qiáng)度下葉片的凈光合速率和葉綠素?zé)晒鈪?shù)(Fs和Fm′)。其中，F(xiàn)s為光下穩(wěn)定葉綠素?zé)晒庵?，F(xiàn)m′為光下最大葉綠素?zé)晒庵怠?/p>

1.3.1.3 CO2響應(yīng)過(guò)程中凈光合速率和胞間CO2濃度測(cè)定 在無(wú)風(fēng)晴天的8：30至11：30測(cè)定CO2響應(yīng)曲線。測(cè)定時(shí)，葉室溫度設(shè)為25 ℃，光照強(qiáng)度設(shè)為800 μmol·m-2·s-1；運(yùn)用CO2注入系統(tǒng)控制參比室的相對(duì)CO2濃度分別為1 500、1 200、800、600、400、350、300、250、200、150、100和50 μmol·mol-1，采用CO2響應(yīng)曲線自動(dòng)測(cè)量程序進(jìn)行測(cè)定；在每個(gè)相對(duì)CO2濃度下均平衡5 min，并在穩(wěn)定后同時(shí)記錄葉片凈光合速率和胞間CO2濃度。

1.3.1.4 光合誘導(dǎo)過(guò)程中凈光合速率和葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定 在無(wú)風(fēng)晴天的8：30至11：30測(cè)定光合誘導(dǎo)曲線。測(cè)定前一天傍晚用暗適應(yīng)夾子使葉片處于暗適應(yīng)狀態(tài)。測(cè)定時(shí)，葉室溫度設(shè)為25 ℃，初始內(nèi)置光照強(qiáng)度設(shè)為20 μmol·m-2·s-1，運(yùn)用CO2注入系統(tǒng)控制參比室的相對(duì)CO2濃度為400 μmol·mol-1；在穩(wěn)定后調(diào)用Time-Lamp程序，設(shè)定弱光環(huán)境的光照強(qiáng)度為20 μmol·m-2·s-1，記錄間隔時(shí)間為30 s，記錄總時(shí)長(zhǎng)為2.5 min；設(shè)定強(qiáng)光環(huán)境的光照強(qiáng)度為1 500 μmol·m-2·s-1，記錄間隔時(shí)間為30 s，記錄總時(shí)長(zhǎng)為5.5 min，同時(shí)記錄葉片凈光合速率和葉綠素?zé)晒鈪?shù)(Fs和Fm′)。

1.3.2 葉片全氮含量的測(cè)定 采用口徑1 cm的取樣器打取葉圓片，置于108 ℃條件下殺青30 min，然后置于80 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量；粉碎后交由云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源研究所采用凱氏定氮法完成葉片全氮含量測(cè)定。按單株分別進(jìn)行采樣和測(cè)定，每處理共15株。

1.3.3 抗氧化系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定 分別采用口徑2 cm的取樣器打取葉圓片，立即用紗布袋裝好并置于液氮中保存，用于抗氧化系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。其中，參照Kn?rzer等[11]的方法測(cè)定過(guò)氧化氫酶(CAT)活性；采用愈創(chuàng)木酚法[12]測(cè)定過(guò)氧化物酶(POD)活性；采用氮藍(lán)四唑(NBT)比色法[13]測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)活性；參照Nakano等[14]的方法測(cè)定抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)活性；參照Hossain等[15]的方法測(cè)定單脫氫抗壞血酸還原酶(MDHAR)活性；參照Hossain等[16]的方法測(cè)定脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)活性；參照Mastubara等[17]的方法測(cè)定氧自由基(ROS)含量；參照Madhava Rao等[18]的方法測(cè)定丙二醛(MDA)含量；參照Hossain等[16]的方法測(cè)定抗壞血酸(VC)含量；參照Guri[19]的方法測(cè)定谷胱甘肽(GSH)含量。按單株分別進(jìn)行采樣和測(cè)定，每處理共15株。

1.3.4 葉綠素及葉黃素含量的測(cè)定 參照趙世杰等[20]的方法測(cè)定葉片的葉綠素及葉黃素含量，并略加調(diào)整。稱取新鮮葉片0.5 g，在黑暗中用丙酮研磨至勻漿，裝入預(yù)先用錫箔紙包好的容量瓶中，避光條件下用丙酮定容至10 mL， 搖勻后靜置10 min； 于4 ℃、15 000g離心3 min，將上清液置于4 ℃且避光條件下保存、待用。按單株分別進(jìn)行采樣和測(cè)定，每處理共15株。

采用Agilent 1260型高效液相色譜儀(美國(guó)Agilent公司)進(jìn)行分析。色譜柱為島津Inertsil ODS-3(4.6 mm×250 mm, 5 μm)，使用Agilent 1260雙波長(zhǎng)檢測(cè)器(美國(guó)Agilent公司)進(jìn)行檢測(cè)；檢測(cè)波長(zhǎng)445 nm，洗脫溫度25 ℃，流速1.0 mL·min-1；流動(dòng)相A為V(乙腈)∶V(甲醇)∶V(0.05 mol·L-1Tris-HCl緩沖液)=70∶10∶3， 流動(dòng)相B為V(甲醇)∶V(正己烷)= 5∶1。采用梯度洗脫法，0～10 min，洗脫液為100%流動(dòng)相A；10～45 min，洗脫液為100%流動(dòng)相B。樣品溶液上機(jī)前用孔徑0.1 μm濾膜過(guò)濾，進(jìn)樣量5 μL。各色素的標(biāo)準(zhǔn)品均購(gòu)自美國(guó)Sigma公司，按照前述條件分別重復(fù)測(cè)定5次，以每個(gè)色素標(biāo)準(zhǔn)品測(cè)定值的平均值制作各自的標(biāo)準(zhǔn)曲線。根據(jù)各色素的標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算葉綠素、新黃質(zhì)、葉黃質(zhì)、β-胡蘿卜素、紫黃質(zhì)、花藥黃質(zhì)和玉米黃質(zhì)的含量，并計(jì)算紫黃質(zhì)、花藥黃質(zhì)和玉米黃質(zhì)的總含量；按照公式“葉黃素轉(zhuǎn)化率=〔(花藥黃質(zhì)含量+玉米黃質(zhì)含量)/(紫黃質(zhì)含量+花藥黃質(zhì)含量+玉米黃質(zhì)含量)〕×100%”計(jì)算葉黃素轉(zhuǎn)化率。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析

根據(jù)方程y=a-c·e-bx擬合光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線并計(jì)算相關(guān)參數(shù)[21]，根據(jù)光響應(yīng)曲線的擬合結(jié)果計(jì)算出最大凈光合速率(Pmax，為參數(shù)a)、光補(bǔ)償點(diǎn)〔LCP，為ln(a/c)·(-1/b)〕、光飽和點(diǎn)〔LSP，為ln(0.1a/c)·(-1/b)〕、暗呼吸速率(Rd，為a-c)以及表觀量子產(chǎn)量〔AQY，為b·c·eb·(-CP)〕，并根據(jù)CO2響應(yīng)曲線的擬合結(jié)果計(jì)算出羧化效率〔CE，為b·c·eb·(-CP)〕。

通過(guò)方程y=Ashade+(Amax-Ashade)(1-e-x/t1)擬合光合誘導(dǎo)曲線并計(jì)算誘導(dǎo)過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)[21]。其中，Ashade為低光(20 μmol·m-2·s-1)下的凈光合速率；Amax為強(qiáng)光(1 500 μmol·m-2·s-1)誘導(dǎo)穩(wěn)定后的最大凈光合速率；t1為特征時(shí)間常數(shù)。通過(guò)此方程計(jì)算完成50%和80%光合誘導(dǎo)所需的時(shí)間(t0.5 Pmax和t0.8 Pmax)。

植物PSⅡ的光合能量耗散主要有3條途徑，分別為用于光合碳同化的能量(ΦPSⅡ)、用于熒光耗散的能量(Φf.d)和用于非光化學(xué)淬滅的能量(ΦNPQ)，且ΦPSⅡ+Φf.d+ΦNPQ=1。參照Hendrickson等[22]的方法計(jì)算光響應(yīng)和光合誘導(dǎo)過(guò)程中PSⅡ的能量分配情況，計(jì)算公式分別為：ΦPSⅡ=1-Fs/Fm′；Φf.d=Fs/Fm；ΦNPQ=Fs/Fm′-Fs/Fm。

采用SPSS 14.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，并采用Sigmaplot 10.0軟件作圖。采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)法對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析(P≤0.05)。

2 結(jié)果和分析

2.1 施用氮肥對(duì)橡膠林下套種的謝君蘑芋葉片光合系統(tǒng)的影響

2.1.1 對(duì)葉片初始葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響 施用氮肥對(duì)橡膠林下套種的謝君蘑芋葉片的最小葉綠素?zé)晒庵?F0)、最大葉綠素?zé)晒庵?Fm)和最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)的影響見(jiàn)表1。

結(jié)果顯示：與不施氮肥組(對(duì)照組)相比，施用氮肥后謝君蘑芋葉片的F0值降低，F(xiàn)m和Fv/Fm值升高，并且其F0和Fm值與對(duì)照組間的差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)。

2.1.2 對(duì)葉片光合作用的影響 施用氮肥后橡膠林下套種的謝君蘑芋葉片的光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線見(jiàn)圖1，根據(jù)光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線擬合方程計(jì)算獲得的相關(guān)光合參數(shù)見(jiàn)表2。

由圖1可見(jiàn)：處理組(施氮肥)和對(duì)照組(不施氮肥)的葉片凈光合速率均隨著光合有效輻射(PAR)和胞間CO2濃度(Ci)升高表現(xiàn)為在低水平時(shí)急劇升高、高水平時(shí)趨于平緩，并且處理組的葉片凈光合速率均高于對(duì)照組。

組GroupF0FmFv/FmT262.35±6.311403.20±38.620.81±0.01CK282.66±13.781350.12±52.160.79±0.01t-value0.0000.0060.075

1)T: 處理組(施氮肥) Treatment group (applying nitrogen fertilizer); CK: 對(duì)照組(不施氮肥) The control group (not applying nitrogen fertilizer);F0: 最小葉綠素?zé)晒庵?The minimum chlorophyll fluorescence;Fm: 最大葉綠素?zé)晒庵?The maximum chlorophyll fluorescence；Fv/Fm: 最大光化學(xué)效率 The maximum photochemical efficiency.

—●—: 處理組(施氮肥) Treatment group (applying nitrogen fertilizer); —〇—: 對(duì)照組(不施氮肥) The control group (not applying nitrogen fertilizer).

圖1 施用氮肥后橡膠林下套種的謝君蘑芋葉片的光響應(yīng)曲線(A)和CO2響應(yīng)曲線(B)(n=5)

Fig. 1 Light response curve (A) and CO2response curve (B) of leaf ofAmorphophallusxieiH. Li et Z. L. Dao interplanted under rubber plantation after applying nitrogen fertilizer (n=5)

組GroupPmax/μmol·m-2·s-1Rd/μmol·m-2·s-1AQYLCP/μmol·m-2·s-1LSP/μmol·m-2·s-1CE/mol·mol-1T16.79±1.890.56±0.290.06±0.008.49±4.45608.11±68.690.09±0.01CK9.02±2.370.51±0.080.07±0.007.26±1.38310.27±77.820.05±0.02t-value0.0010.7560.1190.6150.0000.002

1)T: 處理組(施氮肥) Treatment group (applying nitrogen fertilizer); CK: 對(duì)照組(不施氮肥) The control group (not applying nitrogen fertilizer); Pmax: 最大凈光合速率 The maximum net photosynthetic rate； Rd: 暗呼吸速率 Dark respiration rate； AQY: 表觀量子產(chǎn)量 Apparent quantum yield； LCP: 光補(bǔ)償點(diǎn) Light compensation point； LSP: 光飽和點(diǎn) Light saturation point； CE: 羧化效率 Carboxylation efficiency.

由表2可見(jiàn)：處理組葉片的最大凈光合速率(Pmax)、光飽和點(diǎn)(LSP)和羧化效率(CE)均高于對(duì)照組，且差異極顯著(P<0.01)，而其暗呼吸速率(Rd)、表觀量子產(chǎn)量(AQY)和光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)則較對(duì)照組無(wú)顯著變化。

2.1.3 對(duì)葉片光合誘導(dǎo)的影響 施用氮肥后橡膠林下套種的謝君蘑芋葉片的光合誘導(dǎo)曲線見(jiàn)圖2；根據(jù)光合誘導(dǎo)曲線擬合方程計(jì)算獲得的光合誘導(dǎo)參數(shù)見(jiàn)表3。

—●—: 處理組(施氮肥) Treatment group (applying nitrogen fertilizer);

—〇—: 對(duì)照組(不施氮肥) The control group (not applying nitrogen fertilizer).

灰色和白色部分分別表示在光照強(qiáng)度20和1 500 μmol·m-2·s-1條件下的光合誘導(dǎo)曲線 The gray and white parts represent photosynthetic induction curves under light intensity of 20 and 1 500 μmol·m-2·s-1, respectively.

圖2 施用氮肥后橡膠林下套種的謝君蘑芋葉片的光合誘導(dǎo)曲線(n=5)

Fig. 2 Photosynthetic induction curve of leaf ofAmorphophallusxieiH. Li et Z. L. Dao interplanted under rubber plantation after applying nitrogen fertilizer (n=5)

組Groupt0.5Pmax/st0.8Pmax/sT96.80±17.18193.20±14.17CK102.70±10.88200.20±12.84t-value0.3490.271

1)T: 處理組(施氮肥) Treatment group (applying nitrogen fertilizer); CK: 對(duì)照組(不施氮肥) The control group (not applying nitrogen fertilizer);t0.5 Pmax: 完成50%光合誘導(dǎo)所需的時(shí)間 Required time for completing 50% light induction；t0.8 Pmax: 完成80%光合誘導(dǎo)所需的時(shí)間 Required time for completing 80% light induction.

由圖2可見(jiàn)：在弱光條件下處理組和對(duì)照組謝君蘑芋葉片的凈光合速率均較小，且兩個(gè)組間差異不明顯；而在強(qiáng)光條件下處理組和對(duì)照組謝君蘑芋葉片的凈光合速率均隨誘導(dǎo)時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸升高，并且處理組幾乎均高于對(duì)照組，二者間差異隨誘導(dǎo)時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增大。

由表3可見(jiàn)：處理組謝君蘑芋的葉片完成50%和80%光合誘導(dǎo)所需的時(shí)間(t0.5 Pmax和t0.8 Pmax)分別為96.80和193.20 s，且二者均短于對(duì)照組，但在統(tǒng)計(jì)意義上差異不顯著。

2.1.4 對(duì)葉片PSⅡ能量分配的影響 施用氮肥對(duì)橡膠林下套種的謝君蘑芋葉片PSⅡ中能量分配的影響見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出：與對(duì)照組相比，在光響應(yīng)過(guò)程中，處理組謝君蘑芋葉片PSⅡ中用于光合碳同化的能量(ΦPSⅡ)明顯升高，用于非光化學(xué)淬滅的能量(ΦNPQ)明顯降低，而用于熒光耗散的能量(Φf.d)則變化不明顯；在光合誘導(dǎo)過(guò)程中，處理組謝君蘑芋葉片PSⅡ中的ΦPSⅡ略有降低，ΦNPQ也在一定程度上下降，而Φf.d則升高。

2.2 施用氮肥對(duì)橡膠林下套種的謝君蘑芋葉片相關(guān)生化指標(biāo)的影響

2.2.1 對(duì)葉片中全氮含量的影響 施用氮肥后橡膠林下套種的謝君蘑芋葉片全氮含量的測(cè)定結(jié)果顯示：處理組葉片的全氮含量〔(4.20±0.28)%〕高于對(duì)照組〔(3.24±0.15)%〕，且差異極顯著(t=0.000,P<0.01)。

2.2.2 對(duì)葉片中抗氧化系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)的影響 施用氮肥對(duì)橡膠林下套種的謝君蘑芋葉片抗氧化系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)的影響見(jiàn)表4。

結(jié)果顯示：處理組謝君蘑芋葉片抗氧化系統(tǒng)的10項(xiàng)指標(biāo)均與對(duì)照組有一定差異。其中,處理組葉片的氧自由基(ROS)含量較對(duì)照組降低且差異極顯著(P<0.01)；處理組葉片的超氧化物歧化酶(SOD)和過(guò)氧化物酶(POD)活性較對(duì)照組升高且差異極顯著；處理組葉片的谷胱甘肽(GSH)含量較對(duì)照組升高且差異顯著(P<0.05)；處理組葉片的過(guò)氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)和單脫氫抗壞血酸還原酶(MDHAR)活性以及抗壞血酸(VC)含量較對(duì)照組略升高但差異不顯著；處理組葉片的丙二醛(MDA)含量和脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)活性較對(duì)照組略降低但差異不顯著。

ΦPSⅡ: 用于光合碳同化的能量Energy used for photosynthetic carbon assimilation;ΦNPQ: 用于非光化學(xué)淬滅的能量Energy used for non photochemical quenching;Φf.d: 用于熒光耗散的能量Energy used for fluorescence dissipation.

A，C： 處理組(施氮肥) Treatment group (applying nitrogen fertilizer)； B，D: 對(duì)照組(不施氮肥) The control group (not applying nitrogen fertilizer).

圖3 施用氮肥對(duì)橡膠林下套種的謝君蘑芋葉片在光響應(yīng)(A和B)和光合誘導(dǎo)(C和D)過(guò)程中PSⅡ能量分配的影響

Fig. 3 Effect of applying nitrogen fertilizer on energy allocation of PSⅡ ofAmorphophallusxieiH. Li et Z. L. Dao interplanted under rubber plantation during light response (A and B) and photosynthetic induction (C and D) processes

組GroupROS/μmol·g-1MDA/μmol·g-1VC/mg·g-1CAT/μmol·min-1·g-1APX/μmol·min-1·g-1T62.16±9.388.13±1.020.19±0.11310.40±87.871.70±0.26CK101.43±15.059.03±1.180.11±0.05291.60±57.101.53±0.43t-value0.0000.0850.0520.5760.308

組Group SOD/U·g-1GSH/μmol·g-1POD/μmol·min-1·g-1 DHAR/μmol·min-1·g-1MDHAR/μmol·min-1·g-1T 4.60±1.7436.30±11.74288.60±39.41 1.39±0.330.31±0.26CK1.72±1.0225.30±9.58156.90±94.301.77±0.540.22±0.10t-value0.0000.0330.0010.0740.325

1)T: 處理組(施氮肥) Treatment group (applying nitrogen fertilizer); CK: 對(duì)照組(不施氮肥) The control group (not applying nitrogen fertilizer); ROS:氧自由基含量 Content of oxygen free radical； MDA: 丙二醛含量 Content of malondialdehyde; VC: 抗壞血酸含量 Content of ascorbic acid； CAT: 過(guò)氧化氫酶活性 Activity of catalase； APX: 抗壞血酸過(guò)氧化物酶活性 Activity of ascorbate peroxidase； SOD: 超氧化物歧化酶活性 Activity of superoxide dismutase; GSH: 谷胱甘肽含量 Content of glutathione； POD: 過(guò)氧化物酶活性 Activity of peroxidase； DHAR: 脫氫抗壞血酸還原酶活性 Activity of dehydrogenation ascorbate reductase； MDHAR: 單脫氫抗壞血酸還原酶活性 Activity of monodehydrogenation ascorbate reductase.

2.2.3 對(duì)葉片中葉綠素和葉黃素含量及相關(guān)指標(biāo)的影響 施用氮肥對(duì)橡膠林下套種的謝君蘑芋葉片中葉綠素和葉黃素含量以及相關(guān)指標(biāo)的影響見(jiàn)表5。

結(jié)果表明：處理組謝君蘑芋葉片中的葉綠素和β-胡蘿卜素含量均較對(duì)照組升高且差異顯著(P<0.05)；處理組葉片中的新黃質(zhì)、葉黃質(zhì)、紫黃質(zhì)和花藥黃質(zhì)含量極顯著高于對(duì)照組(P<0.01)，并且紫黃質(zhì)、花藥黃質(zhì)和玉米黃質(zhì)的總含量也極顯著高于對(duì)照組；而處理組葉片中的玉米黃質(zhì)含量和葉黃素轉(zhuǎn)化率則極顯著低于對(duì)照組。

組Group含量/μg·cm-2 ContentChl(a+b)NLβ-CarVAZV+A+ZPx/%T9.97±1.060.23±0.030.95±0.110.66±0.110.36±0.050.19±0.020.04±0.010.60±0.0539.41±4.43CK8.98±0.670.20±0.010.82±0.060.55±0.060.25±0.040.13±0.010.11±0.020.48±0.0549.52±4.65t-value0.0230.0050.0060.0120.0000.0000.0000.0000.000

1)T: 處理組(施氮肥) Treatment group (applying nitrogen fertilizer); CK: 對(duì)照組(不施氮肥) The control group (not applying nitrogen fertilizer); Chl(a+b): 葉綠素含量 Content of chlorophyll； N： 新黃質(zhì)含量 Content of neoxanthin； L： 葉黃質(zhì)含量 Content of lutein；β-Car：β-胡蘿卜素含量 Content ofβ-carotene； V： 紫黃質(zhì)含量 Content of violaxanthin； A： 花藥黃質(zhì)含量 Content of antheraxanthin； Z： 玉米黃質(zhì)含量 Content of zeaxanthin; Px: 葉黃素轉(zhuǎn)化率Xanthophyll conversion percentage.

3 討論和結(jié)論

上述研究結(jié)果顯示：施用氮肥后橡膠林下套種的謝君蘑芋葉片的F0低于對(duì)照組(不施氮肥)，而其Fm和Fv/Fm較對(duì)照組升高。依據(jù)葉綠素?zé)晒鈪?shù)意義(F0與環(huán)境脅迫程度正相關(guān)，F(xiàn)m與葉綠素濃度正相關(guān)，F(xiàn)v/Fm與光合作用潛能正相關(guān))可以推斷：施用氮肥后謝君蘑芋植株受環(huán)境脅迫的可能性低于對(duì)照組，而其葉綠素濃度和光合作用潛能均高于對(duì)照組。

在光響應(yīng)和CO2響應(yīng)過(guò)程中，施用氮肥后橡膠林下套種的謝君蘑芋的凈光合速率和最大凈光合速率均明顯高于對(duì)照組，說(shuō)明施用氮肥能夠促使謝君蘑芋的光合作用能力顯著提高，這與Huber等[23]的研究結(jié)果一致。植物從土壤中吸收的氮素絕大部分被運(yùn)送到葉片中，參與光合色素、光合酶以及光合電子傳遞鏈的合成和構(gòu)建等光合作用過(guò)程，因此，對(duì)大部分植物來(lái)說(shuō)，缺氮將導(dǎo)致其光合作用能力減弱、光合作用水平降低[24-26]。蘑芋是需肥量較大的作物，雖然套種在橡膠林下能夠?yàn)槠錉I(yíng)造適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，但是同時(shí)也不可避免為其帶來(lái)種間競(jìng)爭(zhēng)壓力，缺肥可導(dǎo)致橡膠林下套種的謝君蘑芋光合作用水平降低[27]，因此，合理、精準(zhǔn)施肥尤為重要。關(guān)于橡膠林下套種謝君蘑芋的合理施肥措施尚待進(jìn)一步的深入研究。

光合誘導(dǎo)時(shí)間決定了植物利用太陽(yáng)光的能力，尤其是其利用波動(dòng)形式光的能力[7]。本研究中，施用氮肥后謝君蘑芋完成50%和80%光合誘導(dǎo)所需的時(shí)間均較對(duì)照組縮短，但差異不顯著，這與前人[28-29]對(duì)不同環(huán)境和植物種類的相關(guān)研究結(jié)果一致，說(shuō)明植物的光合誘導(dǎo)能力與生長(zhǎng)環(huán)境沒(méi)有明顯相關(guān)性，據(jù)此認(rèn)為這可能是植物在進(jìn)化過(guò)程中形成的固有特征。

抗氧化酶是植物體內(nèi)重要的抵御氧化傷害的屏障，SOD通過(guò)歧化反應(yīng)將超氧自由基還原為毒性較低的H2O2和O2，CAT和POD可進(jìn)一步將H2O2還原為H2O和O2[30]，抗壞血酸―谷胱甘肽循環(huán)也能將H2O2還原，而APX、MDHAR和DHAR則在該循環(huán)中起關(guān)鍵的催化作用。比較而言，施用氮肥后謝君蘑芋的SOD和POD極顯著高于不施氮肥的對(duì)照組，說(shuō)明施用氮肥后謝君蘑芋葉片內(nèi)這2種酶對(duì)活性氧的清除作用明顯增強(qiáng)。

葉黃素循環(huán)光保護(hù)機(jī)制被認(rèn)為是植物抵御強(qiáng)光傷害的重要防線[31]。強(qiáng)光條件下，植物體內(nèi)的紫黃質(zhì)在去環(huán)氧化酶的作用下通過(guò)中間產(chǎn)物花藥黃質(zhì)形成玉米黃質(zhì)，以消耗過(guò)剩的光能，實(shí)現(xiàn)植物的自我保護(hù)。相關(guān)的研究結(jié)果[32-33]表明：紫黃質(zhì)、花藥黃質(zhì)和玉米黃質(zhì)的總含量以及葉黃素轉(zhuǎn)化率分別代表潛在非光化學(xué)淬滅能力和非光化學(xué)淬滅發(fā)生水平。與對(duì)照組相比，施用氮肥后謝君蘑芋葉片中紫黃質(zhì)、花藥黃質(zhì)和玉米黃質(zhì)的總含量較高，但其葉黃素轉(zhuǎn)化率卻較低，說(shuō)明在本研究的施氮水平下，在橡膠林下套種的謝君蘑芋具備較好的非光化學(xué)淬滅的物質(zhì)基礎(chǔ)、非光化學(xué)淬滅潛力較大、抵御強(qiáng)光傷害的能力較高，實(shí)際遭受光脅迫的程度低；而未施氮肥的謝君蘑芋則通過(guò)提高葉黃素轉(zhuǎn)化率來(lái)降低強(qiáng)光傷害，這一現(xiàn)象也存在于其他植物中[34-36]。

光能過(guò)剩是自然界普遍存在的一種現(xiàn)象[4]，植物體內(nèi)的過(guò)剩光能若不及時(shí)耗散，將對(duì)機(jī)體產(chǎn)生不同程度的光合抑制作用甚至光氧化傷害[37]。Hendrickson等[22]認(rèn)為：用于光合碳同化的能量(ΦPSⅡ)與植物的光合作用水平呈正相關(guān)、用于非光化學(xué)淬滅的能量(ΦNPQ)與葉黃素轉(zhuǎn)化率呈正相關(guān)、用于熒光耗散的能量(Φf.d)與光脅迫程度呈負(fù)相關(guān)，本研究結(jié)果也印證了這一觀點(diǎn)。施用氮肥后橡膠林下套種的謝君蘑芋的光合作用水平較高，相應(yīng)的ΦPSⅡ也較高；其葉黃素轉(zhuǎn)化率低，相應(yīng)的ΦNPQ也較低；而在光合誘導(dǎo)過(guò)程中，未施氮肥的謝君蘑芋葉片的Φf.d較低，說(shuō)明在橡膠林下未施氮肥的植株受到的光脅迫程度更高。

總體來(lái)看，施用氮肥能夠提高橡膠林下套種的謝君蘑芋的光合作用水平，增強(qiáng)其抵御光氧化傷害的能力，但對(duì)其光合誘導(dǎo)能力的影響并不顯著。

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(責(zé)任編輯： 佟金鳳)

Effects of applying nitrogen fertilizer on important characteristics of photosynthetic system and related biochemical indexes ofAmorphophallusxieiinterplanted under rubber plantation

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(1. Yunnan Agricultural University: a. Yunnan Research Center on Good Agricultural Practice for Dominant Chinese Medicinal Materials, b. College of Agronomy and Biotechnology, Kunming 650201, China; 2. Seed Management Station of Xishuangbanna State, Jinghong 666100, China),

J.PlantResour. &Environ., 2015, 24(4): 18-27

TakingAmorphophallusxieiH. Li et Z. L. Dao interplanted under rubber plantation as research objects, changes of its chlorophyll fluorescence parameters, light response and CO2response curves and related photosynthetic parameters, photosynthetic induction curve and related indexes, energy allocation of PSⅡ were investigated after applying 150 kg·hm-2nitrogen fertilizer, and total nitrogen content, related indexes of antioxidant system, chlorophyll and xanthophyll contents and related indexes in leaf were comparatively analyzed. The results show that compared with the control group (not applying nitrogen fertilizer), the minimum chlorophyll fluorescence (F0) ofA.xieiof treatment group (applying nitrogen fertilizer) decreases extremely significantly, the maximum chlorophyll fluorescence (Fm) increases extremely significantly, the maximum photochemical efficiency (Fv/Fm) also increases at a certain degree. There are obvious differences in light response curve, CO2response curve and photosynthetic parameters between treatment group and the control group, in which, net photosynthetic rate (Pn) of treatment group is higher than that of the control group, its the maximum net photosynthetic rate (Pmax), light saturation point (LSP) and carboxylation efficiency (CE) all are extremely significantly higher than those of the control group, while its dark respiration rate (Rd), apparent quantum yield (AQY) and light compensation point (LCP) have no significant difference from those of the control group. Required times for completing 50% and 80% light induction of treatment group are lower than those of the control group, but the difference is not significant. Compared with the control group, during light response process, energy used for photosynthetic carbon assimilation (ΦPSⅡ) in PSⅡ of treatment group increases obviously, energy used for non photochemical quenching (ΦNPQ) decreases obviously and change of energy used for fluorescence dissipation (Φf.d) is not obvious, while during photosynthetic induction process,ΦPSⅡdecreases slightly,ΦNPQdecreases andΦf.dincreases. Compared with the control group, total nitrogen content and activities of superoxide dismutase and peroxidase in leaf of treatment group all increase extremely significantly, oxygen free radical content decreases extremely significantly, glutathione content increases significantly, while changes in contents of malondialdehyde and ascorbic acid, and activities of catalase, ascorbate peroxidase, monodehydrogenation ascorbate reductaseanddehydrogenationascorbatereductasearenotsignificant. Contentsofchlorophyllandβ-carotene in leaf both are significantly higher than those of the control group, contents of neoxanthin, lutein, violaxanthin and antheraxanthin and total content of violaxanthin, antheraxanthin and zeaxanthin all are extremely significantly higher than those of the control group, while zeaxanthin content and xanthophyll conversion percentage are extremely significantly lower than those of the control group. The comprehensive analysis result indicates that applying nitrogen fertilizer can enhance photosynthetic capacity ofA.xieiinterplanted under rubber plantation, decrease excess light energy, reduce damage of reactive oxygen, and alleviate injury of light stress.

AmorphophallusxieiH. Li et Z. L. Dao； interplanting； photosynthetic system； antioxidant system； xanthophyll cycle； nitrogen fertilizer

2015-02-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31160392)

劉石山(1988—)，男，湖南邵陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)槭眍惿砩鷳B(tài)。

①通信作者 E-mail： cjw31412@163.com

Q945.11； S567.23+9.062

A

1674-7895(2015)04-0018-10

10.3969/j.issn.1674-7895.2015.04.03