花龜竹與龜甲竹的光合熒光特性比較

朱志勇，陳曉東，張韞，吳昌明，郭起榮,2

(1．國際竹藤中心 國家林業(yè)局竹藤科學與技術重點開放實驗室，北京 100102；2．南京林業(yè)大學南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037)

奇異觀賞竹一直備受育種栽培者的關注，像竹稈布滿褐色的紫斑或者棗紅色花斑的斑竹(Phyllostachysbambusoidesf.lacrima-deae)[1]，稈短小畸形狀如佛肚的佛肚竹(Bambusaventricosa)[2]，竹稈紫黑色的紫竹(Phyllostachysnigra)[3]和植株矮小竹葉寬大的闊葉箬竹(Indocalamuslatifolius)[4]等，在園林綠化或庭院景觀應用中深受人們喜歡.近年來，對于奇異觀賞竹光合熒光特性的研究多有報道，例如，通過對龜甲竹光合日變化、光響應的測定，探究主要生理生態(tài)因子對光合作用的影響[5]；測定5種地被竹葉綠素熒光鑒定地被竹不同種光合活性、耐光抑制能力來指導生產(chǎn)實踐中植物的配置、栽培[6]；利用葉綠素熒光測定4個紫竹栽培類型來選育優(yōu)良高效竹種[7]以及通過對葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fm年變化規(guī)律探討3種觀賞竹在北京地區(qū)的適應性[8]等.深入了解奇異觀賞竹類植物光合作用的運轉和調節(jié)機理、光合作用與其他生命活動的協(xié)調及其對環(huán)境變動的響應和適應，不僅為竹類的生理生態(tài)學研究積累了基礎資料，且在生產(chǎn)上為奇異觀賞竹種的栽培、管理和利用提供了科學依據(jù).

花龜竹(Phyllostachysedulis‘Mira’)是毛竹種中新近發(fā)掘的一份優(yōu)特種質，是由人工栽培龜甲竹(Phyllostachysedulis‘Kikko-chiku’)的變異植株經(jīng)進一步分離、移栽克隆培育而成的新品種.2004年在竹林中發(fā)現(xiàn)，后經(jīng)十幾年移栽栽培，性狀表現(xiàn)穩(wěn)定，2015年10月通過新品種認定(品種權號：20150085).花龜竹的重要形態(tài)特征是稈下部節(jié)交互歪斜如龜甲狀，另一側節(jié)間偏腫，稈和枝條具有寬窄不同的黃綠縱條紋，分枝下的縱溝槽為綠色，部分葉也有淡黃色細縱條紋，地下莖在土壤中呈黃色，出土見陽光后有綠色縱條紋，原產(chǎn)于浙江安吉縣靈峰街道大竹園村[9]，是良好的園林觀稈觀葉的奇異觀賞竹類.目前(2018年)市場上胸徑3～10 cm龜甲竹活竹的價格在300～1 200元/株，龜甲竹帶芽竹根8～45元/根，花龜竹稈色比龜甲竹更加鮮艷亮麗，價格因此也多倍翻轉，據(jù)培育農(nóng)戶介紹目前因規(guī)模有限未投入市場，但已有眾多商家預定.花龜竹極高的觀賞價值，良好的市場前景，但其培育的數(shù)量有限(不足千余棵)，亟待研究花龜竹的光合生理特性為生產(chǎn)實踐做指導.測定自然狀態(tài)下葉片對光作出反應的光合生理數(shù)據(jù)，能夠反映植物光合作用的機理和光合生理的狀態(tài)[10]，從而可以有效地評價植物對光環(huán)境的適應性及自身的生理特性.本研究對花龜竹自然狀態(tài)下光合作用-光/CO2響應曲線及葉綠素熒光生理特性進行測定，同時與龜甲竹之間的差異做比較分析，旨在為其栽培、遺傳變異研究積累數(shù)據(jù).

圖1 花龜竹Figure 1 Phyllostachys edulis‘Mira’

1 材料與方法

1.1 試驗材料

研究地點位于浙江湖州市安吉縣靈峰街道大竹園村，屬于安吉遞鋪野龍林場，地理坐標為N 30°59′，E 119°62′，海拔高度60 m，地帶性土壤類型為黃壤.年平均氣溫16.6 ℃，年平均降水量1 344.1 mm，降水140 d，屬亞熱帶季風氣候，適合大部分植物生長.供試材料為隨機選擇林場內(nèi)的正常生長花龜竹、龜甲竹各3株，于2017年9月下旬上午(8∶00～11∶00)，從每株中部向陽枝條上選取3～5片當年生成熟健康葉片，試驗選擇晴朗無風的天氣.

1.2 試驗方法

1.2.1 光合-光響應的測定 采用美國Li-Cor公司生產(chǎn)的Li-6400XT便攜式光合測定系統(tǒng)，紅藍光源可控制光合有效輻射強度(PAR).儀器設定：根據(jù)外界環(huán)境，葉室溫度控制在(25±1)℃，流速500 μmol/s，CO2濃度為大氣濃度.光合有效輻射(PAR)設置梯度為：2 000、1 600、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50、0 μmol/(m2·s)，每個輻射強度設定時間間隔120 s，每次測量前將葉室光合有效輻射(PAR)設為1 200 μmol/(m2·s)，先對葉片預處理10 min，再測定其光合參數(shù)：凈光合速率Pn、氣孔導度Cd、胞間CO2濃度Ci、蒸騰速率Tr、葉片溫度Tleaf、空氣相對濕度RH等.光響應曲線擬合采用模型：直角雙曲線修正模型[11-12].模型參數(shù)的初始值設定為：α=0.05，β=0.000 1，γ=0.01，Rd=1.0，可根據(jù)公式直接得出最大凈光合速率(Pnmax)、初始表觀量子效率(α)、光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)和暗呼吸速率(Rd)等參數(shù)數(shù)值.

1.2.2 CO2響應曲線的測定 利用Li-6400XT自帶ACI-curve曲線測定功能，使用液化CO2小鋼瓶提供樣本室CO2濃度，設置飽和光強1 200 μmol/(m2·s)，葉室溫度為25 ℃、空氣相對濕度為60%.測定時用CO2注入系統(tǒng)控制其濃度(CO2濃度值分別設為：400、200、100、50、100、150、200、400、600、800、1 000、1 200、1 500、1 800、2 200 μmol/mol)，采用自動程序測量.利用直角雙曲線修正模型[11-12]擬合CO2響應曲線，得出初始羧化效率(CE)、光合能力(Amax)、飽和胞間CO2濃度(Cisat)、CO2補償點(Γ)和光呼吸速率(Rp)等參數(shù)數(shù)值.

1.2.3 葉綠素熒光參數(shù)和快速光響應曲線的測定 采用IMAGINGPAM便攜式葉綠素熒光儀，選擇南向枝條受光均勻3～5片成熟葉片，結果取其平均值.每次測量前葉片進行暗處理20 min，打開測量光，在每葉片葉肉部分選擇熒光點10個，測量得到的是暗適應葉片的最小熒光(F0)，再打開飽和脈沖測定得到葉片的最大熒光(Fm).暗適應葉片PSⅡ光化學猝滅系數(shù)(qP)、非光化學猝滅系數(shù)(NPQ)、PSⅡ光化學效率(ΦPSⅡ)、表現(xiàn)光合電子傳遞速率(ETR)均由儀器測定.葉綠素熒光參數(shù)可變熒光Fv=Fm-F0，其他參數(shù)值均由儀器直接測定取其平均值.然后進行快速光響應曲線(RLC)的測定.對自然光誘導葉片1～1.5 h后，進行連續(xù)光化光梯度(0、21、41、76、134、205、249、298、371、456、581、726 μmol/(m2·s)，淬滅分析，各梯度光強照射10 s后儀器發(fā)射飽和脈沖，直到726 μmol/(m2·s)結束，從而得到各項葉綠素熒光動力學參數(shù).應用直角雙曲線修正模型[11-12]擬合ETR-PAR響應曲線，得出植物快速光響應曲線的初始斜率(θ)、最大電子傳遞速率(ETRmax) 及對應的飽和光強(PARsat).

1.3 數(shù)據(jù)處理

應用Excel 2010、SPSS 20.0統(tǒng)計軟件對光合數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析及方差分析并作圖.

2 結果與分析

2.1 花龜竹的光響應曲線特征

光合作用-光響應曲線(Pn-PAR)可以直接反映植物對光的利用能力.從圖2-A可以看出，花龜竹的Pn對PAR的響應與龜甲竹相同.在PAR<150 μmol/(m2·s)時，Pn近似直線增加.隨著PAR的增強Pn值增大，隨后緩慢增長，達到一定數(shù)值(即飽和光強)，出現(xiàn)平緩或開始下降趨勢.但花龜竹與龜甲竹一樣，在較高光照下仍能保持Pn數(shù)值，表明花龜竹和龜甲竹葉片光系統(tǒng)受光抑制程度較輕，強光下保持較高的光合活性與光能利用率.

采用直角雙曲線修正模型能客觀描述其光合-光響應曲線，計算出兩份竹種質的光響應特征參數(shù)(表1).花龜竹的Pnmax為9.19 μmol/(m2·s)，后者是花龜竹的1.19倍，表明花龜竹光合能力略低.花龜竹LSP為1 213.25 μmol/(m2·s)，與龜甲竹沒有顯著差異，表明對強光的適應能力基本相同.花龜竹的LCP和Rd分別為7.54 μmol/(m2·s)和0.354 μmol/(m2·s)，比龜甲竹略大但不顯著且數(shù)值皆較小，說明對弱光的利用能力較高及在無光條件下具有較低的呼吸速率.

由圖2-B～圖2-D可以看出，花龜竹的Cd、Ci、Tr的變化趨勢與龜甲竹基本保持一致，且數(shù)值都略小于龜甲竹.花龜竹的Cd、Tr值隨著PAR的增大而增強，隨后緩慢增長或出現(xiàn)平緩.PAR在0～400 μmol/(m2·s)時，Cd快速增長.當PAR>400 μmol/(m2·s)，氣孔已經(jīng)慢慢全部開放，逐漸緩增直到平穩(wěn).Ci在PAR≤200 μmol/(m2·s)時，快速減小，這個過程是葉片光合作用初期急速增加階段，快速消耗細胞內(nèi)CO2，之后葉片消耗與外界擴散達到一定平衡，Ci基本維持穩(wěn)定.Tr反應的是葉片水分代謝的強弱，花龜竹的蒸騰速率和龜甲竹基本保持一致變化.隨著PAR增加，葉片對光的吸收能力增大，氣孔逐漸開放，Cd增加，葉片蒸騰加速，Tr增大，Ci急速下降后趨于穩(wěn)定，之后增幅逐漸減小.

2.2 花龜竹的光合作用-胞間CO2響應曲線特征

利用直角雙曲線修正模型擬合花龜竹葉片光合作用-胞間CO2響應曲線并計算出相應的特征參數(shù)(圖3；表2).從圖3可見，花龜竹的Pn對胞間CO2響應趨勢與龜甲竹相似，隨著Ci的增加而上升.在Ci<400 μmol/mol時，Pn接近呈直線上升，之后，Pn隨Ci增加而減緩.當Ci到達2 200 μmol/mol時，開始接近飽和CO2濃度，慢慢才出現(xiàn)CO2飽和現(xiàn)象.相同CO2濃度下，葉片的Pn為花龜竹明顯小于龜甲竹，表明花龜竹的碳同化能力弱于龜甲竹，這與光響應曲線中兩者凈光合速率也表現(xiàn)一致.

◆■：實測值；◇□：預測值. ◆■：Measured value；◇□：Fitted value，Same as below.圖2 2份種質光合生理參數(shù)對不同光合有效輻射的響應Figure 2 Responses of Pn，Cd，Ci，Tr to light of two germplasm

表1 光響應特征參數(shù)(直角雙曲線修正模型)(平均值±標準誤)

Pn max、LCP、LSP、Rd單位均為μmol/(m2·s)；同列中不同的小寫字母表示差異顯著(P<0.05).

The unit ofPn max,LCP,LSPandRdare all μmol/(m2·s)；Different small letters in the same column indicate the significant difference(P<0.05).

由表2可知，在飽和光強1 200 μmol/(m2·s)條件下，花龜竹的CE、Cisat、Rp均最低且顯著差異，比龜甲竹分別低37.27%、22.03%和29.27%，Amax也低23.52%但不顯著，Γ高18.26%.張彥敏等[13]認為CE與Rubisco(酶)的活性大小和含量多少有關，花龜竹的羧化效率小于龜甲竹，所以龜甲竹較花龜竹具有較高的Rubisco(酶)活性，在較低的CO2濃度下也能具有較高的光合效率.花龜竹在飽和CO2濃度下Amax較飽和光下Pnmax高，反映了在飽和

光強下光合速率很大程度上受CO2濃度的限制.花龜竹的Cisat比龜甲竹低，反而Γ高，表明花龜竹對CO2利用幅度較龜甲竹窄.

圖3 光合作用-胞間CO2響應曲線Figure 3 Intercellular CO2 response cures of photosynthesis in the heteromorphic leaves of bamboo

表2 葉片光合作用-胞間CO2響應曲線參數(shù)估算(直角雙曲線修正模型) (平均值±標準誤)

2.3 葉綠素熒光生理

2.3.1 葉綠素熒光參數(shù)特征 葉綠素熒光是研究植物光合作用有效的非損傷探針[14]，葉綠素熒光參數(shù)能表征植物葉片內(nèi)部光合原件的運轉情況.如表5所示，花龜竹與龜甲竹的F0、Fm、Fv/Fm、Fv/F0、NPQ、qP、ФPSⅡ和ETR兩兩之間的差異均不顯著.Fv/Fm可表征PSⅡ反應中心光能的轉化效率，花龜竹的Fv/Fm比龜甲竹低2.76%，表明花龜竹發(fā)生光抑制略高些.Fv/F0值反映PSⅡ潛在的光化學能力，與龜甲竹相比花龜竹的潛在活性更低.NPQ值常用來表示植物的熱耗散能力，花龜竹比龜甲竹低11.88%，反映出花龜竹的耗散反應中心吸收過量光能的能力低于龜甲竹.qP可以表示PSⅡ的開放程度和原初電子受體QA的還原狀態(tài)，qP越高，PSⅡ反應中心電子傳遞活性越大.花龜竹的qP比龜甲竹低3.58%，表明兩者的PSⅡ的開放程度和PSⅡ反應中心電子傳遞活性相似.花龜竹ФPSⅡ比龜甲竹低2.99%，表明花龜竹實際光化學效率或光能轉化效率略低于龜甲竹.ETR是反映實際光強條件下的表觀電子傳遞速率，值大小與ФPSⅡ基本一致，越高越有利于提高光能的轉化效率.花龜竹的ETR比龜甲竹低1.77%，總體上兩者葉綠素熒光參數(shù)數(shù)值基本相同，反映出葉片內(nèi)部光合元件運轉情況相似，這可能是導致兩者光合速率差異不顯著的重要原因.

表3 葉綠素熒光參數(shù)比較(平均值±標準誤)

2.3.2 葉綠素熒光光響應曲線特征 光合系統(tǒng)PSⅡ主要通過對葉片的光響應能力來反應對環(huán)境的適應性.ФPSⅡ是PSⅡ反應中心在有部分關閉情況下的實際原初光能捕獲效率，反映葉片用于光合電子傳遞的能量占所吸收光能的比例[15].從圖4-A葉綠素熒光響應曲線(ΦPSⅡ-PAR)可見，ФPSⅡ隨著PAR增加而下降.低光強(PAR<205 μmol/(m2·s))下，ФPSⅡ下降快速，光強繼續(xù)增加，ΦPSⅡ下降更緩慢直至最低.花龜竹在PAR<298 μmol/(m2·s)時ФPSⅡ下降快于龜甲竹，隨后和龜甲竹下降速率近乎相同.ФPSⅡ略小龜甲竹，表明兩者ФPSⅡ受強光的影響相同，具有很好的光能捕獲效率和轉化效率，有利于光合產(chǎn)物的積累.

ETR反映了實際光強下的表觀電子傳遞效率和潛在的最大光合能力.從圖4-B快速光響應曲線(ETR-PCR)可知，在PAR<134 μmol/(m2·s)時ETR增長迅速，隨后增長逐漸放緩.至PAR為1 000 μmol/(m2·s)左右時，均達到最高值，兩者的ETR變化趨勢基本一致，表明花龜竹和龜甲竹受光抑制程度相同，光合活性也相同.θ表示光化學反應的啟動效率；一般ETRmax越高，其耐光抑制能力就越強[16].從表4可知，花龜竹的θ最小，啟動速率最慢，而龜甲竹啟動速率快且兩者顯著差異.ETRmax花龜竹高(49.79 μmol/(m2·s))，龜甲竹低(48.81 μmol/(m2·s))，但兩者不顯著，表明兩者耐光抑制能力相同，從側面驗證了花龜竹與龜甲竹光響應曲線在高光強下光合速率變化趨勢基本一致的原因.

3 討論

光合作用是影響植物生長發(fā)育的重要因素，植物的光合生理參數(shù)，如LCP、LSP、Pnmax等，已經(jīng)成為科學制定栽培措施的重要依據(jù)[17].本研究對比龜甲竹，花龜竹的LCP為7.54 μmol/(m2·s)，LSP為1 213.25 μmol/(m2·s)，反映花龜竹對弱光適應性好，對光合的最適光強要求不高，具有一定耐陰性；對比龜甲竹，兩竹種的光飽和點和光補償點相近，表明兩種質光合作用的光強利用范圍相當.花龜竹Pnmax為9.19 μmol/(m2·s)，小于龜甲竹但不顯著，與倪霞等[18]研究的相同地域(浙江)下Ⅱ度(3 a生)毛竹Pnmax(8.782 μmol/(m2·s)，相比略高，反映出花龜竹的葉片光合能力一般.一般陰性植物LCP<20 μmol/(m2·s)，本研究中兩份竹種質的LCP在5.79～7.54 μmol/(m2·s)，LSP在1 224 μmol/(m2·s)左右時達到光飽和，一定程度上說明兩份竹種質在弱光下能很好地利用光能且對強光具有一定的耐受性.這可能是因為竹子在適應光環(huán)境時受兩個關鍵基因PePsbS1和PePsbS2的控制[19]，可以避免光抑制和增強光保護作用.

ΦPSⅡ：光系統(tǒng)Ⅱ實際光化學效率；ETR：電子傳遞速率；PAR：光合有效輻射.ΦPSⅡ：actual photochemical efficiency of photosystem Ⅱ;ETR：electron transport rate；PAR：photosynthetically active radiation.圖4 葉綠素熒光響應曲線(ΦPSⅡ-PAR)和快速光響應曲線(ETR-PAR)(直角雙曲線模型)Figure 4 The chlorophyll fluorescence response curves in the heteromorphic leaves of bamboo (ΦPSⅡ-PAR) and rapid light curves in the heteromorphic leaves of bamboo (ETR-PAR) (modified rectangular hyperbolic model).

表4 葉片快速光響應曲線參數(shù)估算(ETR-PAR)(直角雙曲線修正模型) (平均值±標準誤)

葉綠素熒光動力學參數(shù)主要表征植物葉片內(nèi)部光合原件的運轉情況[5].花龜竹與龜甲竹各葉綠素熒光參數(shù)無顯著差異，表明花龜竹光系統(tǒng)PSⅡ反應中心的狀態(tài)在同一環(huán)境下表現(xiàn)相似，導致花龜竹與龜甲竹的光合速率差異不顯著，且龜甲竹的Fv/Fm、ФPSⅡ與ETR等皆略高于花龜竹，相應的光合響應測定的光合速率也略高.測定快速光響應曲線可反映花龜竹葉ФPSⅡ、ETR隨PAR的強度變化而做出反應及評估PSⅡ的狀態(tài).ФPSⅡ可反映光抑制的程度，ФPSⅡ的下降可被認為是PSⅡ功能的下調.花龜竹用于光合電子傳遞的能量占所吸收光能的比例(ФPSⅡ)隨PAR增加而下降，表明光抑制程度不斷加重，強光使得光能轉化效率和PSⅡ開放中心開放部分的比例明顯下降，碳同化的光能減少.花龜竹相比較龜甲竹ФPSⅡ對PAR反應基本表現(xiàn)一致，ETR亦是兩者相同，變化趨勢的數(shù)值大小相近，表明兩者的耐光抑制能力相同，在不同的PAR下PSⅡ反應中心的狀態(tài)基本相同，這與光合-光響應曲線兩者變化趨勢及數(shù)值大小相近表現(xiàn)一致，從而解釋了花龜竹與龜甲竹光合效率相同的原因.葉綠素熒光參數(shù)與光合作用中各反應過程密切相關，所有環(huán)境因子對光合作用的影響都能通過葉綠素熒光動力學反映出來[20].葉綠素熒光參數(shù)能很好地反映PSⅡ系統(tǒng)的狀態(tài)，植物不受脅迫Fv/Fm為0.75～0.85，本試驗Fv/Fm小于0.75，明顯此時葉片已經(jīng)受到脅迫，可能因測定時間(10月)有關，亦可能與竹林有移栽擴種的歷史有關(傷根)，試驗環(huán)境阻礙或抑制了竹的生長.高培軍等[21]研究認為施氮素肥可提高毛竹的光合能力及薛磊等[22]研究發(fā)現(xiàn)施肥鼓節(jié)竹可提高竹子的光合效率及出筍量，可以考慮探索合理的施肥措施增加花龜竹光合能力和光化學活性及發(fā)筍量，以利于擴增花龜竹的規(guī)模.

花龜竹的光響應曲線(Pn-PAR)、胞間CO2響應曲線、葉綠素熒光響應曲線(ΦPSⅡ-PAR)和快速光響應曲線(ETR-PAR)與龜甲竹的變化趨勢基本一致，關鍵性光合生理參數(shù)(Pnmax、Amax、ΦPSⅡ、ETRmax等)之間無顯著差異，可能是因為花龜竹是龜甲竹的栽培變種，親緣關系接近，葉片光合能力也接近.

4 結論

花龜竹與龜甲竹的光合熒光特性無明顯差異，根據(jù)本研究花龜竹與龜甲竹光合熒光特性基本相同，可據(jù)孫章節(jié)[23]研究的龜甲竹栽培技術對花龜竹進行擴大增殖、撫育和管理等，并且花龜竹與龜甲竹都具有較強的弱光利用能力，在竹林栽培時，可以考慮在一定光照的山坡陰面適當種植或城市美化景觀配植時，可適度進行密植，增加竹林的整齊度觀賞價值，發(fā)揮竹林最大的生態(tài)價值.