階躍溫度對石蒜光合作用和新陳代謝的影響

智永祺 鄭玉紅 張鵬翀

摘要：為了解溫度對石蒜光合作用的影響，研究了階躍溫度條件下石蒜光合作用動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明，階躍溫差越大，對石蒜光合作用影響越大。其中，5～20 ℃溫度階躍處理影響最大，處理中期凈光合速率（Pn）小于0，蒸騰速率（E）上升。另外，階躍溫差越大，中期Pn的恢復(fù)時(shí)間越長。除5～10 ℃溫度階躍處理外，其他處理Pn在不同階段之間變化不連續(xù)。階躍處理中期，5～10 ℃處理Pn最不穩(wěn)定，5～20 ℃處理最穩(wěn)定。5～15 ℃和5～20 ℃處理的MDA含量變化趨勢一致，呈“W”形，而5～10 ℃處理呈“M”形。不同處理POD活性總體呈上升趨勢，處理30 min內(nèi)，階躍溫差越大，POD活性越高。不同處理間SOD活性的變化差異較大，5～10 ℃處理SOD活性逐漸下降，5～15、5～20 ℃處理分別為先升后降和先降后升變化趨勢，處理30 min后，階躍溫差越大，SOD活性越高。5～10 ℃和5～20 ℃處理的可溶性蛋白含量是先升后降變化趨勢，5～15 ℃處理則為峰谷交替變化趨勢。該結(jié)果從光合生理角度闡明了溫度階躍影響石蒜光合作用和新陳代謝，可為石蒜冬春季栽培中溫度控制提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：溫度階躍;石蒜;光合作用;新陳代謝

中圖分類號(hào)： S682.2+90.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）22-0148-04

石蒜（Lycoris radiata）是石蒜屬（Lycoris Herb.）植物中自然分布最廣的種類。不同于一般落葉植物，石蒜秋季出葉，春季落葉。從石蒜葉片衰老的時(shí)間看，環(huán)境溫度的改變是導(dǎo)致其夏眠的主要原因。同屬春出葉長筒石蒜（L. longituba）的研究也發(fā)現(xiàn)，葉片衰老與溫度密切相關(guān)[1]。恒溫處理能使忽地笑（L. aurea）葉片營養(yǎng)生長呈現(xiàn)出常綠狀態(tài)[2]?？梢?，溫度對石蒜屬植物的營養(yǎng)生長具有重要影響。

溫度對石蒜生長發(fā)育影響的研究，主要集中在對開花的影響[3-5]，而對營養(yǎng)生長的研究較少。已有的研究發(fā)現(xiàn)，石蒜具有較強(qiáng)的抗寒性，0 ℃條件下也能正常生長[6-7]。溫度還影響石蒜的分布，最冷季度平均溫度對石蒜分布影響最大，最佳適生區(qū)對應(yīng)的最冷季平均溫度在-2～8 ℃之間[8]。不同溫度下石蒜光響應(yīng)曲線的研究發(fā)現(xiàn)，石蒜的光合最適溫度為10～15 ℃[9]。

通過分析溫度對石蒜光合作用的影響是理解石蒜獨(dú)特生物學(xué)特性的基礎(chǔ)，可以了解低溫環(huán)境下植物生活的活動(dòng)。近年來，在溫室效應(yīng)的作用下，出現(xiàn)“一天中溫度快速變化”的現(xiàn)象越來越多。石蒜營養(yǎng)生長期（光合作用）主要是在晚秋—冬季—早春時(shí)期，這個(gè)階段最容易產(chǎn)生環(huán)境溫度快速變化。因此，本研究將石蒜作為研究植物適應(yīng)溫度快速變化的代表植物，研究溫度階躍條件下石蒜光合作用的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為石蒜，直徑約3 cm，取自于南京林業(yè)大學(xué)石蒜苗圃，盆栽于草炭基質(zhì)中，室溫20 ℃培養(yǎng)，每3 d澆水1次。4周后，轉(zhuǎn)入5 ℃、相對濕度恒定為60%的人工氣候箱（寧波賽福，PRX-450B）培養(yǎng)1周。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2016年1月份進(jìn)行。儀器為GFS-3000型高級(jí)光合作用測量系統(tǒng)（Heinz Walz GmbH，Effeltrich，Germany），葉室光照為紅藍(lán)光源（3040-L）提供。選取35 cm左右長勢一致、健康葉片測定。

1.2.1 階躍溫度對石蒜光合參數(shù)的影響 設(shè)置人工氣候箱溫度分別為5、10、15、20 ℃，設(shè)定光照強(qiáng)度為80%。

選取健康石蒜葉片，設(shè)定葉室溫度為5 ℃，測定樣品葉的光合參數(shù)為背景值;然后將石蒜分別轉(zhuǎn)入10 ℃（T1：溫度階差5 ℃）、15 ℃（T2：溫度階差10 ℃）、20 ℃（T3：溫度階差15 ℃）人工氣候箱，同時(shí)調(diào)整葉室溫度與人工氣候箱溫度相同，測定葉片光合參數(shù)作為石蒜對階躍溫度的響應(yīng)值，直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。試驗(yàn)重復(fù)3次。5 ℃起始階段，數(shù)據(jù)為手動(dòng)記錄，此時(shí)記錄3個(gè)測量點(diǎn);轉(zhuǎn)入溫度不同的人工氣候箱后，數(shù)據(jù)為程序自動(dòng)記錄，測量點(diǎn)時(shí)間間隔為5～45 s的循環(huán)。測量的光合參數(shù)包括凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（E）、胞間二氧化碳濃度（Ci）和氣孔導(dǎo)度（Gs）等。

1.2.2 階躍溫度對石蒜葉片新陳代謝的影響 取材時(shí)間同“1.2.1”節(jié)。每個(gè)階躍溫度處理于第3次重復(fù)測量時(shí)取樣。5 ℃取樣1次，轉(zhuǎn)入階躍溫度處理5 min取第2次樣，隨后每 5 min 取1次樣，處理30 min取最后1次樣。每次取3張長勢一致葉片，迅速轉(zhuǎn)入-80 ℃冰箱保存。

取石蒜葉片，擦凈組織表面污物，去中脈剪碎，混勻。稱取剪碎樣品0.5 g，磷酸緩沖液（PBS）冰浴研磨呈勻漿，測定可溶性蛋白質(zhì)含量[10]、POD活性[11]、SOD活性[10]以及MDA含量[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、計(jì)算，并進(jìn)行相關(guān)性分析，R軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 階躍溫度處理對石蒜葉片凈光合速率（Pn）和蒸騰速率（E）的影響

從圖1可以看出，3個(gè)不同溫度階躍處理在從5 ℃人工氣候箱轉(zhuǎn)出時(shí)，凈光合速率Pn明顯下降，在上升一段時(shí)間后，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，可依據(jù)Pn的變化，把溫度階躍處理過程分為3個(gè)時(shí)期，即前期、中期和后期。前期，石蒜在 5 ℃ 人工氣候箱中培養(yǎng)，以轉(zhuǎn)入不同溫度的人工氣候箱后葉片Pn變化階段為中期，后續(xù)Pn的波動(dòng)階段為后期。

不同階躍溫度處理中期時(shí)間長度不同;溫度階差越高，中期時(shí)間越長。從前期到中期，階差溫度為15 ℃（T3）時(shí)葉片Pn降幅最大，約下降2.90 μmol/（m2·s），但之后穩(wěn)步上升;階差溫度為5 ℃（T1）時(shí)Pn降幅最小，約為0.35 μmol/（m2·s）;階差溫度為10 ℃（T2）時(shí)Pn降幅中等，約為0.98 μmol/（m2·s）。中期穩(wěn)定程度則隨階點(diǎn)溫度下降而降低，T3處理最穩(wěn)定，T2處理在中后期逐漸上升，而T1處理在從中期起始連續(xù)上升，但不穩(wěn)定。觀察中后期銜接處發(fā)現(xiàn)，T1處理連續(xù)性較好，后期Pn穩(wěn)定程度與中期相近（圖1）。

不同處理蒸騰速率（E）變化不同（圖1）。從前期到中期，T1、T2處理E值下降，而T3處理為升高。在中期，T1處理的E值第50個(gè)測量點(diǎn)達(dá)到最小值;T2處理先降后升，而T3處理的E值在波動(dòng)中上升。研究發(fā)現(xiàn)，盡管在T3處理中期E值最高，達(dá)到0.359 6 mmol/（m2·s），但是Pn卻為負(fù)值，表明其呼吸作用強(qiáng)于光合作用。后期，T3處理最穩(wěn)定，T2處理波動(dòng)幅度小，而T1處理最不穩(wěn)定，呈“升—降—升”的變化趨勢。

2.2 階躍溫度對胞間CO2濃度（Ci）和氣孔導(dǎo)度（Gs）的影響

3種階躍溫度處理中，溫度階差5 ℃時(shí)胞間CO2濃度（Ci）值在中后期出現(xiàn)異常。根據(jù)Ci計(jì)算公式和實(shí)際意義，去除異常值后再比較。由圖2可知，Ci值隨溫度階差的升高而上升，溫度階差15 ℃時(shí)值最高，中期均值約為476.93 μmol/mol;溫度階差5 ℃時(shí)最低，中期均值約288.18 μmol/mol。中期的Ci值總體都表現(xiàn)為下降，溫度階差5 ℃和15 ℃時(shí)Ci值連續(xù)下降，而溫度階差為10 ℃時(shí)表現(xiàn)為先升后降變化趨勢。

在各階躍溫度處理的中期和后期，氣孔導(dǎo)度（Gs）對溫度階躍的響應(yīng)與E值變化趨勢相似;不同的是，從前期到中期，溫度階差為5 ℃時(shí)Gs呈上升趨勢，而E值則呈下降的趨勢;Gs最大值出現(xiàn)在第19個(gè)測量點(diǎn)，為5.01 mmol/（m2·s），距測量開始約9 min;從中期到后期，Gs呈連續(xù)變化，變化趨勢由下降轉(zhuǎn)為上升，后期Gs先升后降，最后逐漸穩(wěn)定。T2處理中，中后期的變化幅度不大，總體趨勢為先降后升，Gs最大值出現(xiàn)在倒數(shù)第3個(gè)測量點(diǎn)，為5.63 mmol/（m2·s）。T3處理中，中期Gs值變化呈“M”形，從中期到后期，Gs值斷裂式下降，后期的Gs值呈逐漸上升的趨勢，Gs最大值出現(xiàn)在中期，在第124個(gè)測量點(diǎn)處，為18.99 mmol/（m2·s）。

2.3 階躍溫度處理期間石蒜葉片各光合參數(shù)的相關(guān)性分析

由表1可知，除T1處理Pn與E、Ci、Gs的相關(guān)關(guān)系不顯著外，其余指標(biāo)都呈極顯著相關(guān)關(guān)系;但是相關(guān)性不同。T2處理中Pn與E呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.71，T3處理時(shí)卻呈極顯著負(fù)相關(guān)，表明不同階躍溫度處理期間，E值對凈光合速率Pn的影響不同。T2處理中Pn與Gs呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.65;T3處理中二者則呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.40。T1、T2處理中，E與Ci均呈極顯著為負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.38和-0.44;T3處理中二者呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.27。但所有處理中，Gs和E之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，且均為為強(qiáng)相關(guān)。

2.4 階躍溫度對石蒜葉片新陳代謝的影響

圖3-A所示為不同階躍溫度對石蒜葉片丙二醛（MDA）含量的影響?？傮w上，T1處理石蒜葉片的MDA含量均值最高，為344.42 μmol/g;隨時(shí)間延長呈“M”形的變化趨勢：在處理 5 min 后上升，10 min后下降，15 min后趨于穩(wěn)定，約為 302.82 μmol/g。T2、T3處理的MDA含量變化趨勢一致，呈“W”形，2次谷值出現(xiàn)的時(shí)間分別為處理5、10 min，而15 min后MDA含量均上升;T2處理后期MDA含量低于前期，T3為高于前期。

不同處理POD活性總體變化趨勢是先升高、后降低、再升高（圖3-B）。不同的是，各處理之間第2次升高的時(shí)間點(diǎn)不同，T1和T3處理15 min處升高，T2處理在20 min處升高。但T3處理POD活性整體較高，平均值為 225.63 U/（g·min），高于其他處理。10 min以后活性最高值是251.23 U/（g·min），其他2個(gè)處理平均值分別為 211.33、218.16 U/（g·min）。

不同于POD活性的變化，不同處理SOD活性的變化差異較大（圖3-C）。T1處理的石蒜葉片SOD活性在前中期迅速下降，中期下降逐漸平緩，至后期已基本不再變化;T2處理石蒜葉片的SOD活性在0～5 min上升，5 min以后下降，20 min 以后逐漸穩(wěn)定;T3處理石蒜葉片的SOD活性在10 min前比較平穩(wěn)，10～15 min呈下降趨勢，15 min后則迅速上升。30 min處T3處理SOD活性最高，為559.34 U/g。總體來看，T2處理的活性維持在較高水平，平均值594.92 U/g。

圖中3-D所示為不同階躍溫度處理對石蒜葉片可溶性蛋白含量的影響，不同處理間可溶性蛋白含量差異不大，T1和T3處理趨勢相似，0～5 min均為上升，5 min以后上下波動(dòng);T1處理含量最高，均值為1.84 mg/g。T2處理在0～5 min呈上升趨勢，5 min后則為下降，均值為1.65 mg/g。

3 討論與結(jié)論

3.1 石蒜光合作用對溫度階躍的響應(yīng)

迄今為止，對于植物光合作用的研究，大多是在穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行，植物光合作用的瞬態(tài)響應(yīng)極少被研究。Laisk等首先進(jìn)行了嘗試[14]，因附屬硬件較多，只能在室內(nèi)進(jìn)行測定;國內(nèi)僅對春玉米（Zea mays）和番茄（Lycopersicon esculentum）進(jìn)行過相關(guān)研究[15-16]。本研究通過人工氣候箱精準(zhǔn)控溫，對階躍溫度條件下石蒜光合作用動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了研究。階躍溫度的設(shè)定依據(jù)是自然條件下，石蒜營養(yǎng)生長期間月平均最高溫為 9.4～17.4 ℃、月平均最低溫為2.1～8.2 ℃（<9 ℃）。

雖然階躍起點(diǎn)均為5 ℃，但由于溫度階差不同，凈光合速率的響應(yīng)也不同。王婷認(rèn)為10～15 ℃是石蒜的最適光合溫度，其中10 ℃比15 ℃更適合石蒜光合作用進(jìn)行[9]。本研究中，溫度階差為10 ℃時(shí)Pn降幅最小，說明5～15 ℃溫度處理對石蒜的光合作用影響最小;處理的溫度階差為15 ℃時(shí)，Pn降幅最大，相關(guān)性分析表明，Pn與Ci、E呈極顯著負(fù)相關(guān)，Ci高于環(huán)境二氧化碳濃度值，說明階點(diǎn)溫度為20 ℃時(shí)，超出了石蒜最適光合作用溫度范圍，也間接證明了當(dāng)氣溫升高到 20 ℃ 以上時(shí)，石蒜光合能力的下降[17]。溫度階差為15 ℃時(shí)Pn在不同階段之間波動(dòng)明顯，結(jié)合此階段MDA和可溶性蛋白含量變化及POD、SOD活性變化，可知溫度大幅升高可能引起石蒜新陳代謝的紊亂從而導(dǎo)致光合速率的明顯波動(dòng)，這可能是石蒜夏眠的重要原因之一。

從前期到中期，3種階躍溫度處理Pn都有不同程度下降。根據(jù)Gs和Ci變化可以判斷，這種下降都不是由氣孔因素主導(dǎo)[18]。溫度階差為15 ℃時(shí)，Pn一度出現(xiàn)負(fù)值，表明此時(shí)光合產(chǎn)物的積累無法滿足呼吸作用的需要。對同為夏眠的荒漠植物托里阿魏（Ferula krylovii）的研究表明，適當(dāng)升高溫

度會(huì)引起呼吸速率的增加[19]。故推斷石蒜在進(jìn)入20 ℃環(huán)境時(shí)，呼吸速率增加，但由于呼吸作用釋放能量是一個(gè)緩慢的過程[20]，提供的能量不足以支持足夠的光合作用，也可能是由呼吸作用與光合作用共用物的量不足以及PSⅡ的活性下降導(dǎo)致，所以表現(xiàn)出Pn為負(fù)值。溫度階差為5～15 ℃時(shí)，從前期到中期，Pn均不連續(xù)，表明溫度階差≥5 ℃時(shí)，短期內(nèi)不利于石蒜光合作用。該結(jié)論得到小麥高溫條件下光合特性研究的支持[21]。在3種不同階躍溫度處理中期，隨著呼吸作用產(chǎn)生能量的釋放，呼吸作用與光合作用共用物的積累，以及 PSⅡ 活性的逐漸恢復(fù)等，Pn緩慢上升。此外，不同處理中期的穩(wěn)定時(shí)間長度也存在差異，T3最長，T1幾乎為0。其原因可能為溫度階差越大，呼吸速率越大，對光合作用和呼吸作用的共同物ADP和NAPD+的需求量也越大，這2種物質(zhì)積累所需的時(shí)間也越長;同時(shí)，階點(diǎn)溫度越高，PSⅡ活性下降程度越大，活性恢復(fù)所需時(shí)間越長，推測為多個(gè)因素共同造成光合系統(tǒng)適應(yīng)溫度變化時(shí)間的增加[18]。而在后期，Pn保持相對穩(wěn)定，也證明了該推斷。T1處理后期，Ci大幅下降至負(fù)值，原因是當(dāng)Gs很低，氣孔未完全開放，就會(huì)出現(xiàn)Ci測定值為負(fù)的情況。當(dāng)然，這是不真實(shí)的，實(shí)際情況是Ci很低。T1處理后期的末段出現(xiàn)了Ci>20 000 μmol/（m2·s），也是異常值，具體原因有待進(jìn)一步研究。

3.2 階躍溫度對石蒜新陳代謝的影響

受到階躍溫度處理的石蒜，抗氧化系統(tǒng)也會(huì)發(fā)生變化，不同生理指標(biāo)的活性變化情況不同。丙二醛（MDA）是細(xì)胞膜質(zhì)過氧化產(chǎn)物之一，能加劇膜的損傷，故MDA的含量是反應(yīng)膜脂過氧化的重要指標(biāo)[22-23]。比較不同階躍溫度處理發(fā)現(xiàn)：溫度階差越小，對細(xì)胞膜穩(wěn)定性影響越大。而T3處理對細(xì)胞膜穩(wěn)定性影響不大，這可能是由于20 ℃對石蒜還未致死，但高溫又引起適應(yīng)膜系統(tǒng)變化的節(jié)奏放緩;而T2處理的MDA總體下降，可能是15 ℃的環(huán)境條件對石蒜膜系統(tǒng)影響不大。

不同階躍溫度處理抗氧化酶系統(tǒng)中各酶的活性變化有差異，SOD活性的變化差異最大，POD活性變化相對較小，但總體均有不同程度的上升。在不同處理過程中，不同的抗氧化酶在各階段發(fā)揮的作用不一樣：T1處理POD活性上升，SOD活性下降，POD在抗氧化過程中起主要作用;T2處理SOD活性在5min時(shí)最大，POD活性在20 min時(shí)達(dá)到最大，說明在5～15 ℃階躍溫度處理中，不同的抗氧化酶在不同時(shí)期起著主要作用;T3處理SOD活性變化不大，而POD活性呈明顯上升，是POD在抗氧化系統(tǒng)中起著主要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉曉萍. 長筒石蒜葉片衰老的初步研究[D]. 南京：南京林業(yè)大學(xué)，2007：55.

[2]梁素秋. 金花石蒜花芽分化及體外培養(yǎng)之探討[D]. 臺(tái)北：臺(tái)灣大學(xué)，1992.

[3]Hasegawa A，Kuniyoshi K. The effect of temperature on the flower bud differentiation and development of Lycoris radiata Herb.[J]. Kagawa University，1973，24（2）：157-162.

[4]王 磊. 石蒜屬植物花期調(diào)控技術(shù)及開花生理研究[D]. 南京：南京林業(yè)大學(xué)，2004：24-31.

[5]左雪枝. 不同光照和干濕溫度下紅花石蒜花期的比較[J]. 科技信息（學(xué)術(shù)研究），2006（9）：388-389.

[6]王 燕，張 義，項(xiàng)任科，等. 石蒜科植物的抗寒生理特性研究[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006（6）：792-794.

[7]薛璟祺，只艷玲，王順利，等. 五種石蒜屬植物的低溫耐性研究[J]. 植物生理學(xué)報(bào)，2015，51（5）：721-728.

[8]毛志遠(yuǎn)，張兆金，周 堅(jiān). 基于生態(tài)位模型的石蒜適生區(qū)預(yù)測[J]. 林業(yè)科技開發(fā)，2014，28（6）：50-53.

[9]王 婷. 4種石蒜屬植物光合特性的研究[D]. 南京：南京林業(yè)大學(xué)，2014：17-26.

[10]李合生. 植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社，2000.

[11]陳建勛，王曉峰. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M]. 廣州：華南理工大學(xué)出版社，2002.

[12]趙世杰，史國安，董新純. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，1998.

[13]李曉宇，楊成超，于 雷，等. DPS 軟件在中綏12楊光響應(yīng)曲線擬合中的應(yīng)用[J]. 湖南林業(yè)科技，2015（3）：85-89，100.

[14]Laisk A，Oja V. Dynamics of leaf photosynthesis：rapid-response measurements and their interpretations[J]. Photosynthetica，1999，37（3）：476-476.

[15]史長麗，郭家選，嚴(yán)昌榮，等. 旱作春玉米冠層及葉片瞬態(tài)氣體交換及水分利用效率日變化特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（1）：24-31.

[16]邊 江. 番茄葉片動(dòng)態(tài)光合的光響應(yīng)特性研究[D]. 保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

[17]毛志遠(yuǎn). 紅花石蒜的光合特性及適生區(qū)分布預(yù)測[D]. 南京：南京林業(yè)大學(xué)，2013：10-31.

[18]許大全. 光合作用效率[M]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2002：238.

[19]郝秀英，王 卉，張 萍，等. 溫度對托里阿魏（Ferula krylovii）和駱駝蓬（Peganum harmala）的呼吸及光合作用的影響[J]. 中國沙漠，2015（4）：912-916.

[20]潘瑞熾. 植物生理學(xué)[M]. 6版.北京：高等教育出版社，2008：99-124.

[21]Crafts-Brandner S J，Salvucci M E. Sensitivity of photosynthesis in a C4 plant，maize，to heat stress[J]. Plant Physiology，2002，129（4）：1773-1780.

[22]王 濤，田雪瑤，謝寅峰，等. 植物耐熱性研究進(jìn)展[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，28（5）：719-726.

[23]張會(huì)玲. 高溫脅迫對不同耐熱小麥品種光合作用的影響[D]. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.