不同地黃品種光合特性的比較研究＊

吳廷娟，田夢(mèng)平，謝小龍

（河南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院 鄭州 450046）

植物的光合速率是影響植物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素[1]，也是評(píng)價(jià)品種優(yōu)劣的重要條件。而植物光合作用的強(qiáng)弱受植物種類、品種特性和各種環(huán)境因子的影響[2-3]。

地黃(Rehmannia glutinosa)為玄參科植物，是我國(guó)著名的4 大懷藥之一，主產(chǎn)于河南溫縣、武陟、沁陽(yáng)等地。由于地黃栽培歷史悠久，造成栽培類型和品種多樣化[4-7]。不同地黃品種的葉片形狀[8]、葉綠素和花青素含量及光合特性均具有顯著差異[9]，而且對(duì)不同栽培管理措施的響應(yīng)也不同[10]。野生地黃葉片的凈光合速率在一天中呈雙峰，具有明顯的午休現(xiàn)象，葉片凈光合速率主要受光照強(qiáng)度和胞間CO2濃度影響，而受空氣相對(duì)濕度、氣溫、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度影響較小[4]。同時(shí)不同地黃品種間的光合色素含量差異顯著，并與葉色的深淺有關(guān)[5]。但現(xiàn)在有關(guān)地黃光合特性，尤其是針對(duì)眾多栽培品種的光合特性的研究甚少。

本研究通過(guò)對(duì)不同地黃栽培品種的光合特性進(jìn)行比較研究分析，有助于了解不同地黃種質(zhì)資源的生產(chǎn)潛能，對(duì)科學(xué)栽培管理以及優(yōu)良地黃品種選育有著重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料

本實(shí)驗(yàn)于河南中醫(yī)藥大學(xué)地黃種質(zhì)資源圃進(jìn)行。共有10 個(gè)地黃品種，分別為沁懷1 號(hào)、紅薯王、懷豐、May-85、金九、小黑英、獅子頭、野生、83 撫育和9302。地黃于2015 年4 月份種植，實(shí)驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)品種重復(fù)3 次，每小區(qū)1 m2。采取條播的方法，行距15 cm，株距10 cm。地黃種栽均來(lái)自河南中醫(yī)藥大學(xué)地黃種質(zhì)資源圃。

1.2 方法

1.2.1 葉片葉綠素含量的測(cè)定

選用便攜式葉綠色測(cè)定儀測(cè)定葉綠素含量。每小區(qū)選擇3株，每株選擇1片具有相同葉齡和長(zhǎng)勢(shì)的葉片進(jìn)行測(cè)定，每片葉重復(fù)測(cè)定5次，計(jì)算平均葉綠素含量。

1.2.2 光合速率相關(guān)指標(biāo)測(cè)定

試驗(yàn)測(cè)定儀器為美國(guó)拉哥公司生產(chǎn)的便攜式光合作用測(cè)定儀Li-6400（Li-Cor6400, Li-Cor Inc.,Lincoln, USA）。選擇晴朗天氣從9:00-11:00，每小區(qū)隨機(jī)選擇3 株，然后分別選擇1 片長(zhǎng)勢(shì)、葉齡和葉向一致的葉片進(jìn)行測(cè)定。系統(tǒng)測(cè)定葉片凈光合速率(Pn)、胞間 CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、葉室內(nèi)的光合有效輻射(PAR)、大氣相對(duì)濕度(RH)和大氣溫度（Tair）等相關(guān)參數(shù)的變化。水分利用效率(WUE) =Pn/Tr。每片葉片重復(fù)測(cè)定3 次，由測(cè)定儀自動(dòng)輸出數(shù)據(jù)，分別取所測(cè)3株共9次數(shù)據(jù)的平均值。

1.2.3 光響應(yīng)曲線的測(cè)定

選取每株生長(zhǎng)良好的健康成熟葉，于晴天用便攜式光合作用測(cè)定儀Li-6400（Li-Cor6400, Li-Cor Inc.,Lincoln,USA）進(jìn)行光響應(yīng)曲線測(cè)定。使用紅藍(lán)光源葉室進(jìn)行測(cè)定，光響應(yīng)曲線測(cè)定設(shè)定參比室中CO2濃度為400 μmol?mol-1，葉室溫度控制在（30±0.5）℃，相對(duì)濕度控制在（40±5）%，光響應(yīng)曲線設(shè)置 2 000、1 500、1 000、800、600、400、200、150、100、50、25、0 μmol·m-2·s-1共12個(gè)光照強(qiáng)度梯度。在測(cè)定光響應(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)地黃葉片進(jìn)行光誘導(dǎo)30 min。待儀器的凈光合速率（Pn）參數(shù)穩(wěn)定在小數(shù)點(diǎn)之后1位時(shí)開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)。每個(gè)品種隨機(jī)選擇3 株生長(zhǎng)良好的植株，每株選擇1 片健康成熟葉片進(jìn)行3 次重復(fù)測(cè)定，盡量保持葉片在植株上原位測(cè)量。然后用葉子飄模型擬合光響應(yīng)曲線，得到光響應(yīng)曲線的初始斜率(α)、飽和光強(qiáng)(Isat)、最大凈光合速率(Pnmax)、光補(bǔ)償點(diǎn)(Ic)和暗呼吸速率(Rd )等指標(biāo)。

1.2.4 CO2響應(yīng)曲線的測(cè)定

選取每株生長(zhǎng)良好的健康成熟葉，于晴天用便攜式光合作用測(cè)定儀Li-6400（Li-Cor6400, Li-Cor Inc.,Lincoln,USA）進(jìn)行CO2響應(yīng)曲線的測(cè)定。該儀器配置有CO2注射器，可對(duì)葉室提供一個(gè)穩(wěn)定可調(diào)節(jié)的CO2氣源，測(cè)定中用CO2鋼瓶提供不同CO2濃度。測(cè)定時(shí)設(shè)定葉室中光合有效輻射為光合有效輻射強(qiáng)度（PAR）控制在 1 000 μmol·m-2·S-1，參比室CO2濃度從400 μmol·mol-1降到 0 μmol·mol-1，然后再?gòu)?0 μmol·mol-1升至 2 000 μmol·mol-1，即 400、300、200、100、50、400、400、600、800、1 000、1 200、1 500、1 800、2 000 μmol·mol-1，共14個(gè)CO2濃度水平，進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

本實(shí)驗(yàn)所有原始數(shù)據(jù)用先Excel 2007 進(jìn)行整理。用軟件SPSS 16.0 進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析，顯著水平取P<0.05，并用Duncon 法進(jìn)行多重比較。進(jìn)行光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線擬合時(shí)，分別用光合計(jì)算軟件對(duì)所測(cè)得光合數(shù)據(jù)根據(jù)葉子飄模型進(jìn)行光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線的擬合，得到各項(xiàng)光合參數(shù)，再分別對(duì)各項(xiàng)光合參數(shù)在10個(gè)地黃品種間做單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地黃品種葉片葉綠素含量和水分利用效率

圖1 10個(gè)地黃品種的葉片葉綠素含量和水分利用效率（WUE）

由圖1a可以看出，10個(gè)地黃品種間的葉片葉綠素含量差異不顯著（F= 1.74，P> 0.5）。但多重比較發(fā)現(xiàn)，沁懷1 號(hào)的葉片葉綠素含量最高（60.7 mg·g-1），顯著高于獅子頭(51.7 mg·g-1)和野生(50.9 mg·g-1)的地黃葉片葉綠素含量，而其它品種間無(wú)顯著差異。

由圖1b 可以看出10 個(gè)地黃品種間的水分利用效率差異顯著（F= 4.86，P< 0.01），其中83 撫育（5.8 μmol·mol-1）和野生（5.6 μmol·mol-1）的水分利用效率顯著高于其它品種，而其它品種間無(wú)顯著差異，均在3.2-3.9 μmol·mol-1之間。

2.2 不同地黃品種的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率

由圖2a可以看出，10個(gè)地黃品種間的葉片凈光合速率間存在顯著差異（F=28.65，P<0.01）。其中金九的凈光合速率最高(14.6 μmol·m-2·s-1)，顯著高于其它品種。其次是May-85、小黑英和獅子頭的葉片凈光合速率分別達(dá) 12.5、12.1 和 11.7 μmol·m-2·s-1，且三個(gè)品種間差異不顯著。品種9302 的凈光合速率最?。?.1 μmol·m-2·s-1），顯著低于其它品種。

由圖2b可以看出，10個(gè)地黃品種間的氣孔導(dǎo)度間存在顯著差異（F=15.38，P<0.01），其中沁懷1號(hào)、May-85、金九和獅子頭的氣孔導(dǎo)度在0.16-0.19 mol·rn-2·s-1之間，均顯著高于其它品種。其次是紅薯王、懷豐和小黑英，其氣孔導(dǎo)度在 0.12-0.13 mol·rn-2·s-1之間。83撫育和 9302 的氣孔導(dǎo)度最小，在 0.7-0.8 mol·rn-2·s-1之間，顯著低于其他品種。

由圖2c 可以看出，10 個(gè)品種間的胞間CO2濃度存在顯著差異（F=10.26，P< 0.01），其中小黑英的胞間CO2濃度最高（268.7 μmol·mol-1)，顯著高于金九、懷豐、9302、野生（依次為 251.7、247.8、243.8、240.2 μmol·mol-1）。83撫育的胞間CO2濃度最低，顯著低于其他品種，僅為213.9 μmol·mol-1。

由圖2d可以看出，10個(gè)地黃品種間的葉片蒸騰速率差異顯著（F= 12.41，P< 0.01），其中金九、沁懷1號(hào)、May-85 和獅子頭的葉片蒸騰速率最高，分別為3.7、3.2、3.3 和 3.4 mol·m-2·s-1；野生、83 撫育和 9302 的葉片蒸騰速率最低，分別為2.1、2.0和1.6 mol·m-2·s-1。

2.3 10個(gè)地黃品種的光響應(yīng)曲線

圖2 10個(gè)地黃品種的光合參數(shù)

從圖3可以看出，10個(gè)地黃品種的葉片Pn 值對(duì)光的響應(yīng)曲線有差異。在相同的光照條件下，10個(gè)地黃品種的Pn值在光照強(qiáng)度為0-500 μmol·m-2·s-1范圍內(nèi)隨著PAR的增強(qiáng)，Pn迅速增加。PAR在500-1 000 μmol·m-2·s-1范圍內(nèi)，Pn上升緩慢。在PAR在1 000-2 000范圍內(nèi)，10 個(gè)地黃品種的Pn 表現(xiàn)出不同變化趨勢(shì)。在1 000-2 000 μmol·m-2·s-1范圍內(nèi)，85-5、金九、獅子頭、83撫育、和9302保持穩(wěn)定或略有下降；小黑英、紅薯王保持緩慢的持續(xù)增加；懷豐和沁懷1 號(hào)保持持續(xù)下降。

由表1 可以看出，10 個(gè)地黃品種最大凈光合速率在 7.99-13.15 μmol·m-2·s-1之間，懷豐的最高為 13.15 μmol·m-2·s-1，83撫育的最低為7.99 μmol·m-2·s-1；光飽和點(diǎn)在770.52-1 109.20 之間，其中May-85 最高，表明其利用強(qiáng)光的能力最強(qiáng)，野生的最低。光補(bǔ)償點(diǎn)在51.09-124.62 μmol·m-2·s-1之間，其中獅子頭的最高為 12.64 μmol·m-2·s-1，85-5 的 最 低 為 51.09 μmol·m-2·s-1。多重比較發(fā)現(xiàn)，獅子頭的暗呼吸速率顯著高于懷豐和85-5 和野生；獅子頭的光補(bǔ)償點(diǎn)顯著高于May-85。

2.4 10個(gè)地黃品種CO2響應(yīng)曲線

從圖4 可以看出，10 個(gè)地黃品種的葉片Pn 值對(duì)CO2的響應(yīng)曲線趨勢(shì)一致。CO2濃度在0-600 μmol·mol-1范圍內(nèi)，隨著CO2濃度的增加，凈光合速率迅速增加。CO2濃度在600-1 000 μmol·mol-1范圍內(nèi)，凈光合速率增加速率變慢。CO2濃度在1 000-2 000 μmol·mol-1范圍內(nèi)，凈光合速率緩慢增加，不同品種間表現(xiàn)略有差異。

圖3 10個(gè)地黃品種的光響應(yīng)曲線

表1 10個(gè)地黃品種的光響應(yīng)曲線相關(guān)參數(shù)

由表2 可以看出，10 個(gè)地黃品種間的光呼吸速率在 3.45-5.68 μmol·mol-1之間，其中小黑英的最高，顯著高于83 撫育的光呼吸速率，其他品種間差異不顯著。10 個(gè)地黃品種的光合能力在27.21-37.86 μmol·mol-1之間，其中May-85 的光合能力顯著高于野生和83-撫育的光合能力，其他品種間的光合能力差異不顯著。10 個(gè)地黃品種的CO2飽和點(diǎn)在1 587.89-2 247.19 μmol·mol-1之 間 ，其 中 野 生 的 為 2 247.19 μmol·mol-1，顯著高于其他品種，而其他品種間的CO2飽和點(diǎn)無(wú)差異。10個(gè)地黃品種在CO2響應(yīng)曲線的初始斜率和CO2補(bǔ)償點(diǎn)間無(wú)差異。

2.5 光合作用參數(shù)間的相關(guān)性

通過(guò)對(duì)10 個(gè)地黃品種的光合參數(shù)的平均值間做相關(guān)分析看出（表3），地黃葉片凈光合速率分別與葉片的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.76和0.81（P<0.05）。葉片的氣孔導(dǎo)度和胞間CO2的濃度間也存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.68（P<0.05）。胞間CO2濃度與葉片蒸騰速率間存在積極正相關(guān)關(guān)系（R2=0.64，P<0.05），但與水分利用效率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=-0.71，P<0.05）。同時(shí)，氣孔導(dǎo)度和葉片蒸騰速率受環(huán)境相對(duì)濕度的積極影響，相關(guān)系數(shù)分別為0.93和0.91（P<0.01）。

2.6 不同地黃品種的光合特性評(píng)價(jià)

圖4 10個(gè)地黃品種CO2光響應(yīng)曲線

表2 10個(gè)地黃品種CO2響應(yīng)曲線相關(guān)參數(shù)

表3 光合作用參數(shù)間的相關(guān)性

圖5 10個(gè)地黃品種光合特性聚類分析圖

光合速率的大小受內(nèi)外多種因素的影響。對(duì)10個(gè)地黃品種的5個(gè)光合特性指標(biāo)：凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間CO2濃度和水分利用效率的平均值，在SPSS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，選擇相似性矩陣和最遠(yuǎn)鄰元素聚類法聚為4類（圖5）。由聚類結(jié)果可以得出：10 個(gè)品種分為4 類：小黑英、野生和83-撫育分為一類；9302 為一類；May-85、獅子頭為一類；紅薯王、懷豐、沁懷1號(hào)和金九聚為一類。

3 討論

植物葉片的凈光合速率是評(píng)價(jià)一個(gè)品種光合作用強(qiáng)弱的一個(gè)重要指標(biāo)。影響葉片凈光合速率的因素分為兩大方面，一方面是葉片本身如葉齡、葉形、氣孔阻力、蒸騰速率、葉綠素含量及葉向等均對(duì)葉片光合速率產(chǎn)生影響；另一方面主要受外界環(huán)境如溫度、光照強(qiáng)度、空氣濕度等的影響[2-3]。對(duì)凈光合速率和光合色素以及其它指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，找出與凈光合速率相關(guān)的指標(biāo)，可以為生產(chǎn)中提高植物的光合能力提供一定的理論依據(jù)。本實(shí)驗(yàn)研究表明10 個(gè)地黃品種的葉片凈光合速率存在極顯著差異（圖2a），而且主要與氣孔導(dǎo)度和葉片的蒸騰速率有關(guān)（表3），但此結(jié)果與薛建平等的報(bào)道結(jié)果不一致。薛建平等人的研究結(jié)果表明野生地黃葉片的凈光合速率日動(dòng)態(tài)變化與葉片的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均無(wú)顯著關(guān)系[4]，這可能與本實(shí)驗(yàn)所選材料和測(cè)定時(shí)間不同所造成的。另一方面，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明葉片的凈光合速率與環(huán)境溫度、相對(duì)濕度和光合有效輻射均無(wú)顯著關(guān)系，但薛建平等的報(bào)道指出地黃葉片的凈光合速率受光照強(qiáng)度的顯著影響，而與空氣溫度和相對(duì)濕度的關(guān)系不大[4]。由于本實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)間為10 月中旬，本實(shí)驗(yàn)認(rèn)為當(dāng)天10:00 左右的外界光合有效輻射不是限制光合速率的主要因子，具體的限制因素還有待一步研究和分析。另外，由于本實(shí)驗(yàn)做相關(guān)分析時(shí)用的是10個(gè)地黃品種光合特性指標(biāo)的平均值，這也可能是造成本研究結(jié)果與他人研究結(jié)果差異的原因。

葉綠素含量的高低能影響葉片的光合特性。研究表明，忍冬、地黃葉片葉綠素含量與光合速率的高低呈正比[11-12]。但本實(shí)驗(yàn)相關(guān)分析結(jié)果表明，地黃葉片的凈光合速率與葉綠素含量之間并無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，這一點(diǎn)在其它作物上也有相似的報(bào)道[13]。本研究表明，10 個(gè)地黃品種葉片葉綠素含量差異不顯著，這與溫學(xué)森等研究結(jié)果不一致，其結(jié)果表明不同地黃品種的葉片光合色素含量差異達(dá)極顯著水平[3]，這可能與測(cè)定方法的不同有關(guān)。

水分利用效率是指單位面積水分消耗所能同化的光合產(chǎn)物量，是一個(gè)較為穩(wěn)定的衡量碳固定和水分消耗比例的指標(biāo)。研究表明，干旱脅迫下小紫珠、日本莢蒾幼苗的光合速率都受到顯著的影響[14-15]。通過(guò)測(cè)定WUE 能夠闡明植物的氣體交換特性以及抗旱性機(jī)理，從而選擇出低耗水、生產(chǎn)效率高、抗性強(qiáng)的地黃品種。地黃在苗期和根系膨大期都需要保持適宜的田間持水量，才能滿足光合作用的需求[16]。本實(shí)驗(yàn)條件下，10 種地黃葉片的WUE 在品種間差異顯著（圖1b），表明不同品種間水分利用能力差別較大。野生和83撫育的水分利用效率較高，較其他品種更適宜在干旱地區(qū)生長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)中，10 個(gè)地黃品種的胞間CO2濃度與WUE 之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表3)，表明胞間CO2濃度與氣孔導(dǎo)度呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)，但與凈合速率均不相關(guān)，這可能與CO2的利用率有關(guān)。相關(guān)研究也表明植物的光合作用受大氣CO2濃度的顯著影響[17-18]，隨著大氣濃度CO2濃度的增加，勢(shì)必會(huì)影響不同地黃品種的光合生理特性。

光飽和點(diǎn)和補(bǔ)償點(diǎn)是評(píng)價(jià)植物需光特性的兩個(gè)重要指標(biāo)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，10個(gè)地黃品種的光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)都較高，屬于陽(yáng)生品種，這與已有報(bào)道一致[3]。從10 個(gè)地黃品種的CO2飽和點(diǎn)來(lái)看，均能適應(yīng)較高濃度的CO2水平。所以，隨著大氣CO2濃度的增加，如果在其他條件滿足的條件下，將更有利用地黃的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高。

通過(guò)選取凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間CO2濃度5 個(gè)光合指標(biāo)進(jìn)行聚類分析把10 個(gè)地黃品種分成4 類，其中金九、沁懷1 號(hào)、懷豐、紅薯王光合性能較優(yōu)。在實(shí)際生產(chǎn)中，金九為當(dāng)家品種，種植面積比較大，產(chǎn)量和品質(zhì)均較好。所以，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，金九應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)，防止其優(yōu)良性狀退化，可推廣種植。獅子頭、May-85的光合特性次之，應(yīng)結(jié)合產(chǎn)量、品質(zhì)等綜合特性合理進(jìn)行推廣種植。9302 的光合特性較差，應(yīng)結(jié)合其他性狀綜合考慮是否適宜繼續(xù)作為栽培品種。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種聚類結(jié)果受選擇的條件和方法影響，所以應(yīng)結(jié)合實(shí)際和其他的品種特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

總之，植物的光合特性對(duì)植物體內(nèi)的生理生化過(guò)程具有重要的影響，也必然影響到藥材的質(zhì)量。雖然本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果與已有的研究結(jié)果有一定差異，但本實(shí)驗(yàn)得到的基礎(chǔ)資料對(duì)于指導(dǎo)地黃的品種選育具有一定的理論指導(dǎo)意義。這也表明在今后的研究中，還需進(jìn)一步采用多種測(cè)定方法進(jìn)行方法學(xué)的比較研究，同時(shí)還應(yīng)與不同地黃品種的質(zhì)量評(píng)價(jià)相結(jié)合，才更能反映光合特性與其質(zhì)量之間的關(guān)系。