不同基因型斑蘭葉光合日變化及環(huán)境因子的相關(guān)性分析

郭培培,吉訓(xùn)志，秦曉威，黃志，郝朝運，魚歡，陳思平

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，四川 成都 611130；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所，海南 萬寧 571533；3.農(nóng)業(yè)部香辛飲料作物遺傳資源利用重點實驗室，海南 萬寧 571533；4.海南省熱帶香辛飲料作物遺傳改良與品質(zhì)調(diào)控重點實驗室，海南 萬寧 571533)

斑蘭葉，學(xué)名香露兜(PandanusamaryllifoliusRoxb.)，又名斑斕葉、香蘭葉，為露兜樹科(Pandanaceae)露兜樹屬(Pandanus)[1-2].葉片富含角鯊烯、亞油酸、草蒿腦和甾醇等活性成分，主要香氣成分2-乙酰-1-吡咯啉，能散發(fā)出一種特殊香氣—粽香，具有增強細(xì)胞活力、加快新陳代謝、提高人體免疫力的作用，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品、花卉等行業(yè)，市場潛力巨大[3-4].據(jù)史料記載，斑蘭葉原產(chǎn)印度尼西亞馬魯古群島，主要分布于斯里蘭卡、馬來西亞、泰國、印度、菲律賓等國家，年產(chǎn)鮮葉約400萬t，其中，東南亞占80%以上[5].我國20世紀(jì)50年代從印度尼西亞引入海南興隆試種成功，現(xiàn)主栽于海南、云南等地區(qū)，廣東、臺灣等省區(qū)亦有零星分布.目前，我國斑蘭葉銷售市場多以南洋文化為載體，以民間綜合利用模式為主，在特色餐飲、觀賞園藝、休閑旅游等行業(yè)利用傳播，正逐漸成為百姓的消費新潮和休閑旅游的特色品牌，它對于熱帶地區(qū)脫貧攻堅戰(zhàn)和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)均具有重要意義.

我國斑蘭葉為境外引進作物，是一種園藝作物不育種[6].斑蘭葉植物因其特殊香氣被廣泛用于食品、飲料等行業(yè)，以改良食物和飲品的風(fēng)味[7-8].目前，國內(nèi)外對斑蘭葉的研究主要集中在香氣成分的鑒定和特征香氣成分2-AP的提取與開發(fā)利用等方面，而在斑蘭葉生理特性方面的研究鮮見報道.Tanaka等[9]的研究表明，對植物生理特性的研究有助于深入了解栽培措施對植物生長的影響.在對不同品種植物的光合日變化及環(huán)境因子的相關(guān)研究中，主要集中在櫻花[10]、香槐[11]與楊樹[12]等植物上，以探討基因型與環(huán)境因子對其光合特性變化的影響，而本研究也主要探討不同基因型斑蘭葉光合日變化及環(huán)境因子的相關(guān)性分析.斑蘭葉具有喜濕、耐高溫、耐蔭蔽等特性，強光照易造成植株萎蔫，影響植株健康生長.然而，國內(nèi)外對于斑蘭葉生理特性的研究卻未見報道，因此，了解斑蘭葉的光合作用、抗氧化酶等生理特性，將有助于斑蘭葉的推廣種植，同時，也可為班蘭葉香氣成分、抗氧化性與葉片產(chǎn)量等品質(zhì)的提升提供技術(shù)的支撐.

1 材料與方法

1.1 實驗地概況試驗在海南省萬寧市興隆熱帶植物園(18°15′, 10°13′)進行，該地區(qū)屬于熱帶季風(fēng)氣候，日照充足、濕度大、雨量充沛而均勻、長夏無冬，海拔21～532 m，平均年溫度24.5 ℃，年降雨量2 201 mm.

1.2 試驗材料及方法本研究材料選用育種年限和生長環(huán)境相同的、長勢健康的根蘗苗大葉斑蘭(Pandanussp)，即地上莖分枝高達2～4.5 m，直徑15 cm，葉片長150～220 cm，寬7～9 cm，在葉中脈兩側(cè)有小皮刺和根蘗苗斑蘭葉與地上莖無分枝，高達1.6 m，直徑2～2.5 cm，葉片長25～75 cm，寬2～5 cm，葉緣偶見微刺，葉尖刺稍密，葉背面前端有微刺，葉鞘有窄白膜(花果未見)的根蘗苗斑蘭葉各3株，試材育種年限均為3年以上.隨機選取植株中部外層生長成熟、健康的全展葉進行各項光合特性指標(biāo)測定.

1.2 指標(biāo)測定 于2018年9月中旬進行，用美國LI-COR公司生產(chǎn)的LI-6400XT便攜式光合作用測量系統(tǒng)，選擇3晴天連續(xù)測定，每天選取7: 00、9: 00、11: 00、13: 00、15: 00、17: 00、19: 00這7個時間點對相關(guān)指標(biāo)進行測定，取其平均值.為保證測定結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性，嚴(yán)格控制光合測定的環(huán)境條件：光照強度600 μmol·m-2·s-1(紅藍光源)、葉室溫度為24 ℃、氣體流速為500 μmol·m-2·s-1、CO2濃度為400 μmol·m-2·s-1.測定時選擇紅藍光源模式，CO2濃度是根據(jù)自然條件用緩沖瓶來控制，光合有效輻射則是根據(jù)外界自然光來設(shè)定.主要測定的光合特性因子參數(shù)為：凈光合速率(Pn, μmol·m-2·s-1)、蒸騰速率(Tr, μmol·m-2·s-1)、氣孔導(dǎo)度(Gs, μmol·m-2·s-1)、胞間CO2濃度(Ci, μmol·m-2·s-1)；光合有效輻射(PAR, μmol·m-2·s-1)、氣溫(Ta, ℃)、空氣相對濕度(RH, %)和空氣CO2濃度(Ca, μmol·m-2·s-1)等環(huán)境因子，試驗數(shù)據(jù)由系統(tǒng)同步自動記錄.瞬時水分利用效率(WUE)以WUE = Pn/ Tr計算(其中Pn以CO2的微摩爾數(shù)計，Tr以H2O的毫摩爾數(shù)計).

1.3 數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)結(jié)果均采用Origin 2017與IBM SPSS Statistics 25.0軟件進行處理，然后生成圖表，并進行數(shù)據(jù)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子日變化由圖1可知，隨著時光推移，光合有效輻射(PAR)變化呈先上升后下降的趨勢，于11: 00時與13: 00時期間由數(shù)值1 000 μmol·m-2· s-1開始上升，在17: 00時達到最高值1 001 μmol·m-2·s-1，隨后下降為999 μmol·m-2·s-1，基本變化不大；空氣溫度(Ta)同光合有效輻射(PAR)的變化趨勢相似，由7: 00時的31.6 ℃上升到15: 00時的最高值，35.4 ℃后下降；空氣相對濕度(RH)也呈先上升后下降趨勢，不過其最高值75.09%出現(xiàn)在13: 00時；大氣CO2濃度呈先下降后上升的變化趨勢，由7: 00時的394.85 μmol·m-2· s-1下降到13: 00時的最低點382.75 μmol·m-2· s-1，后上升到19: 00時的399.49 μmol·m-2· s-1.

2.2 凈光合速率(Pn)日變化凈光合速率是表示光合作用強弱變化的核心指標(biāo)之一[13].由圖2可見，不同斑蘭葉凈光合速率(Pn)的日變化都呈先上升后下降的趨勢.大葉斑蘭的Pn值在19: 00時前要高于斑蘭葉的Pn值，并在13：00時達到最高值12.98 μmol·m-2· s-1，而斑蘭葉則在11：00時達到最高值5.55 μmol·m-2· s-1，隨后在19：00時都低至最低值0.27 μmol·m-2· s-1左右，接近于0 μmol·m-2· s-1.

2.3 蒸騰速率(Tr)日變化蒸騰速率是指植物在一定時間內(nèi)單位葉面積蒸騰的水量.植物從根部吸收礦物質(zhì)并向葉片運輸，它不僅受外界環(huán)境條件的影響，而且還受植物本身的調(diào)節(jié)和控制[14].由圖3可見，不同斑蘭葉蒸騰速率(Tr)的日變化都呈先上升后下降的趨勢.大葉斑蘭的Tr值在19: 00時前都要高于斑蘭葉的Tr值，并在13：00時兩者都達到最高值，大葉斑蘭呈3.37 μmol·m-2· s-1，斑蘭葉呈1.47 μmol·m-2· s-1.兩者在19：00時都低至最低值0.17 μmol·m-2· s-1左右，接近于0 μmol·m-2· s-1.

2.4 氣孔導(dǎo)度(Gs)的日變化氣孔是植物葉片與外界環(huán)境進行氣體交換的通道，氣孔導(dǎo)度表示氣孔張開的程度，氣孔導(dǎo)度的變化不僅影響CO2進入葉片細(xì)胞，而且還影響葉片水分的散失等[15].由圖4可見，不同斑蘭葉氣孔導(dǎo)度(Gs)的日變化都呈先上升后下降的趨勢.兩者由7：00時相似的Gs值0.04 μmol·m-2· s-1開始上升，但大葉斑蘭的上升幅度要大于斑蘭葉，大葉斑蘭在13：00時達到最高值0.41 μmol·m-2· s-1，而斑蘭葉在11：00時達到最高值0.11 μmol·m-2· s-1，最后在19：00時大葉斑蘭的Gs值下降至與斑蘭葉的Gs值相似.

2.5 水分利用率(WUE)的日變化水分利用效率(WUE)是植物在生理活動過程中消耗水而形成有機物質(zhì)的基本效率，它成為確認(rèn)植物體生長發(fā)育所需最佳水分供應(yīng)量的重要指標(biāo)之一[16].由圖5可見，大葉斑蘭的水分利用率(WUE)日變化呈不斷下降的趨勢，斑蘭葉呈先上升后下降的趨勢.大葉斑蘭的WUE值由7：00時的最高值6.13 μmol·m-2· s-1開始下降，而斑蘭葉從7：00開始上升，到11：00時兩者的WUE值相似，隨后斑蘭葉的WUE值繼續(xù)上升，在15：00時達到最高值4.96 μmol·m-2· s-1，并高于大葉斑蘭的WUE值，而在19：00時斑蘭葉的WUE值又下降至低于大葉斑蘭的WUE值.

2.6 胞間CO2濃度(Ci)的日變化胞間CO2濃度是外界CO2進入葉片細(xì)胞的濃度，是植物光合速率的主要影響因子[17].由圖6可見, 大葉斑蘭的胞間隙CO2含量(Ci)日變化呈不斷上升的趨勢，斑蘭葉呈先上升后下降然后再上升的趨勢.在7：00～9：00時期間大葉斑蘭的Ci值要高于斑蘭葉，隨后斑蘭葉的Ci值升高，在11：00時高于大葉斑蘭的Ci值，而后斑蘭葉Ci值再下降，于15：00時低至最低值248.44 μmol·m-2· s-1，在17：00時斑蘭葉和大葉斑蘭的Ci值相似，最后在19：00時兩者都上升到最高值，斑蘭葉呈561.04 μmol·m-2· s-1，大葉斑蘭378.15 μmol·m-2· s-1.

2.7 氣孔阻止值(SLR)的日變化由圖7可見，大葉斑蘭的氣孔阻止值(SLR)日變化呈不斷下降的趨勢，斑蘭葉呈先下降后上升然后再下降的趨勢.兩者由7：00時相似的SLR值0.31 μmol·m-2· s-1開始下降，但大葉斑蘭的下降幅度要大于斑蘭葉的下降幅度，在11：00時兩者的SLR值又相似，隨后斑蘭葉的SLR值開始上升，至15：00時達最高值0.37 μmol·m-2· s-1，13：00～17：00時期間斑蘭葉的SLR值都高于大葉斑蘭的SLR值，在19：00時兩者都下降至最低值，都接近于0 μmol·m-2· s-1.

2.8 光合特性的相關(guān)性分析對不同供試植物大葉斑蘭、斑蘭葉光合特征參數(shù)的平均值進行相關(guān)性分析.由表1可知，大葉斑蘭的凈光合速率(Pn)與蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)以及空氣相對濕度(RH-H)均有極顯著正相關(guān)性(r= 0.931**，r= 0.934**，r= 0.952**)，與大氣CO2濃度(Ca)有極顯著負(fù)相關(guān)性(r=-0.993**)；蒸騰速率(Tr)與氣孔導(dǎo)度(Gs)、空氣相對濕度(RH-H)均有極顯著正相關(guān)性(r= 0.986**，r= 0.894**)，與大氣CO2濃度(Ca)有極顯著負(fù)相關(guān)性(r=-0.960**)；氣孔導(dǎo)度(Gs)與空氣相對濕度(RH-H)有極顯著正相關(guān)性(r= 0.939**)，與大氣CO2濃度(Ca)有極顯著負(fù)相關(guān)性(r=-0.951**)；胞間CO2濃度(Ci)與水分利用率(WUE)、氣孔阻止值(SLR)均有顯著負(fù)相關(guān)(r= -0.858*，r= -0.865*)；水分利用率(WUE)與氣孔阻止值(SLR)有極顯著正相關(guān)性(r= 0.939**).斑蘭葉的凈光合速率(Pn)與蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)以及空氣相對濕度(RH-H)均有極顯著正相關(guān)性(r= 0.931**，r= 0.924**，r= 0.934**)，與大氣CO2濃度(Ca)有極顯著負(fù)相關(guān)性(r=-0.959**)，與水分利用率(WUE)有顯著正相關(guān)性(r= 0.788*)；蒸騰速率(Tr)與氣孔導(dǎo)度(Gs)、空氣相對濕度(RH-H)均有極顯著正相關(guān)性(r= 0.883**，r= 0.928**)，與大氣CO2濃度(Ca)有極顯著負(fù)相關(guān)性(r=-0.945**)；氣孔導(dǎo)度(Gs)與空氣相對濕度(RH-H)有顯著正相關(guān)性(r= 0.847*)，與大氣CO2濃度(Ca)有顯著負(fù)相關(guān)性(r=-0.833*)；胞間CO2濃度(Ci)與水分利用率(WUE)、氣孔阻止值(SLR)均有顯著負(fù)相關(guān)(r= -0.937*，r= -0.937*)；水分利用率(WUE)與氣孔阻止值(SLR)有極顯著正相關(guān)性rr= 0.876**).由相關(guān)系數(shù)分析得知，蒸騰速率(Tr)、空氣相對濕度(RH-H)以及大氣CO2濃度(Ca)對不同斑蘭葉的凈光合速率(Pn)影響較大.

表1 大葉斑蘭和班蘭葉的光合特性相關(guān)性分析

注：“**”0.01水平上極顯著差異；“*”0.05水平上顯著差異.

3 討論與結(jié)論

植物的光合特性日變化反映了植物的生理特性及對不同環(huán)境因子的適應(yīng)性[18].其中，凈光合速率是植物對環(huán)境因子適應(yīng)的生理特性綜合體現(xiàn).在本研究中，在相同的環(huán)境因子變化下，不同斑蘭葉的凈光合速率(Pn)變化趨勢相似，但大葉斑蘭的Pn值整體比斑蘭葉的Pn值要高，表明大葉斑蘭比斑蘭葉具有更強的光合能力.這與匡經(jīng)舸等[10]對不同櫻花植物的研究結(jié)果一致，反映出大葉斑蘭和斑蘭葉二者的自身遺傳性質(zhì)存在差異.而大葉斑蘭比斑蘭葉具有更強的光合作用，表明了不同斑蘭葉的香氣成分與濃度可能存在差異.

在對環(huán)境因子與光合特性的相關(guān)性分析中，發(fā)現(xiàn)空氣相對濕度(RH-H)和大氣CO2濃度(Ca)對不同斑蘭葉的Pn影響較大，而光合有效輻射(PAR)與空氣溫度(Ta)對其Pn影響不大.這與前人關(guān)于“櫻花[10]、香槐[11]與楊樹[12]等的光合有效輻射對Pn影響較大”的研究結(jié)果不一致，但與苜蓿[19]一文中，“只有田間CO2濃度是主要影響因子”的研究結(jié)果一致.從本研究結(jié)果來看，不同斑蘭葉對光照的需求和溫度要求不高，這可能是由于海南省萬寧市興隆地區(qū)的大氣溫度與光照強度比較適合斑蘭葉生長需求的緣故，因此只需要將其種植在陰暗濕潤的環(huán)境下即可.另外，從不同斑蘭葉的Pn、Tr與Gs的日變化曲線可看出，斑蘭葉不存在明顯“光合午休”現(xiàn)象，這與其他許多植物存在“光合午休”現(xiàn)象[19]不同，究其原因可能是環(huán)境因子造成了斑蘭葉不需要“光合午休”的緣故，同時也說明興隆地區(qū)適合于斑蘭葉的生長.

植物的光合作用既受到外界生態(tài)環(huán)境因子的影響，又受到其內(nèi)在生理因子的調(diào)節(jié)，而關(guān)于植物光合作用與各因子之間的關(guān)系，目前尚無統(tǒng)一的觀點[20].前人研究表明，苜蓿[21]、祁連圓柏[22]與花櫚木[23]等的光合速率與氣孔導(dǎo)度呈正相關(guān)，與胞間CO2濃度呈負(fù)相關(guān).在本研究中，不同斑蘭葉的凈光合速率與蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)極顯著正相關(guān)，而Tr與Gs也呈極顯著正相關(guān)，表明氣孔導(dǎo)度是影響斑蘭葉光合特性的主要自身特性因子.同時，斑蘭葉的水分利用率(WUE)與Pn具有顯著正相關(guān)性，而大葉斑蘭的WUE與Pn相關(guān)性不大.水分利用率反映了植物適應(yīng)干旱環(huán)境的能力和生長潛力[24]，從本研究結(jié)果可以看出，斑蘭葉可能比大葉斑蘭具有更強的抗旱性，但這還有待進一步的研究.

綜上所述，大葉斑蘭和斑蘭葉均適宜種植在陰暗濕潤的環(huán)境下，雖然大葉斑蘭具有比斑蘭葉更強的光合能力，但斑蘭葉對于水分的利用強于大葉斑蘭對水分的利用，且具有更強的生長潛力.