不同種源榿木嫁接幼苗光合和葉綠素熒光特征

白文玉，鐵烈華，馮茂松，賴 娟，戴曉康，高嘉翔

（四川農業(yè)大學林學院/長江上游森林資源保育與生態(tài)安全國家林業(yè)和草原局重點實驗室/長江上游林業(yè)生態(tài)工程四川省重點實驗室，成都 611130）

榿木（Alnus cremastogyne）為樺木科（Betulaceae）榿木屬（Alnus）落葉喬木，是我國西南地區(qū)的速生用材樹種和四川省重要的鄉(xiāng)土樹種，其根系發(fā)達，富含根瘤，具有較強的固氮能力，能有效地改良土壤，已成為我國長江防護林工程及國家造林項目的重要樹種[1]。因其適應性強，木材用途廣泛，被列為優(yōu)質造紙材樹種，具有廣闊的發(fā)展前景[2]。

光合作用是植物生長發(fā)育的物質基礎[3]，是決定植物生產力的重要生理過程[4]。葉綠素熒光在探測植物對光能的利用能力以及對環(huán)境的適應能力等方面具有重要作用，可以反映光合機構對光能的吸收、轉換以及電子傳遞過程，被視為研究植物光合作用與環(huán)境關系的內在探針[5-6]。光合特征參數和葉綠素熒光動力學參數是衡量植物光合作用能力和環(huán)境適應能力的重要指標，在植物的生長發(fā)育[7-9]，逆境生理[10-11]和良種選育[12-14]等研究中均有廣泛的應用。通過對植物光合與葉綠素熒光的研究可以揭示植物對其生存環(huán)境的生態(tài)適應性機制。

不同種源榿木長期處于不同的生境中，由于遺傳變異和自然選擇的結果，其生長情況、光合生理特征和形態(tài)結構等可能發(fā)生變化。由于內在遺傳因素的改變，不同種源或不同無性系之間可能存在許多差異，這些差異可能會體現在生長特征、光合特征和葉綠素熒光特征等方面。因此，本次試驗通過對1年生不同種源榿木嫁接幼苗光合和葉綠素熒光特征的研究，結合嫁接幼苗的生長狀況，選出適宜地區(qū)發(fā)展的優(yōu)良種源，為建立榿木無性系初級種子園和國家級榿木良種基地做準備，對加快長江上游生態(tài)建設具有重要的意義。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

本試驗地位于巴中市平昌縣元山鎮(zhèn)（31°37'18.6''N，107°7'57.4''E），屬于中亞熱帶濕潤季風氣候，海拔為650 m，年降雨量為1 213 mm。四季分明，夏季平均溫度30℃，8月份最高可達40℃，年平均日照時數1 239.3 h。土壤為紫色土，土層深約40 cm。

1.2 試驗材料

本次試驗材料來源于平昌縣元山鎮(zhèn)四川省榿木良種育苗基地?；鼐哂?6個1.2 m×6 m的苗圃小區(qū)，采用1年生長勢基本一致、無病蟲害的當年生榿木實生營養(yǎng)袋苗作為砧木，砧木株行距為20 cm×30 cm。根據前期積累的榿木選優(yōu)、嫁接和田間管理等經驗[15]。2016年1月初，采用隨機區(qū)組設計方法，以15～20年恩陽、金堂、平昌和宣漢種源榿木優(yōu)樹穗條作為接穗進行嫁接，同株優(yōu)樹上采集的穗條分別嫁接于不同小區(qū)。

1.3 試驗方法

2016年8月中旬，首先測定小區(qū)內不同種源所有嫁接幼苗的株高和基徑，根據測定結果的平均值，在每小區(qū)內選出3株嫁接幼苗作為待測植株，測定其光合參數和葉綠素熒光參數。

1.3.1 光合參數的測定

于晴朗天氣，選取待測植株中上部完全成熟的葉片，用便攜式光合作用儀 Li-6800（Li-Cor Inc.，USA）自帶紅藍光源。測定時設置光照強度為1 200 μmol/（m2·s），控制CO2濃度為400μmol/mol、溫度為25℃、相對濕度為45%～65%。測定其凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）和胞間 CO2濃度（Ci）。

快速光響應曲線的測定:對光適應樣品進行連續(xù)光量子能量光照射，光合有效輻射PAR梯度為0、25、50、75、100、200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600和1 800 μmol/（m2·s），從而測得電子傳遞速率（ETR）。測定時設定溫度為25℃，空氣濕度為45%～65%。

1.3.2 葉綠素熒光的測定

葉片選取同1.3.1節(jié)。

葉綠素熒光參數的測定:采用Li-6800自帶熒光葉室測定植株的葉綠素熒光參數。用錫箔紙裹住待測葉片，待葉片暗適應50 min后，首先用一束小于0.1 μmol/（m2·s）的測量光（頻率為50 Hz）照射，得到初始熒光F0；后打開一個飽和脈沖光（8 000 μmol/m2·s），10 Hz，1 000 ms)，得到暗適應下的最大熒光Fm，然后根據環(huán)境光強設定活化光，待F穩(wěn)定后，此時的F即為穩(wěn)態(tài)熒光Fs；然后再打開一個同樣強度的飽和脈沖光，得到Fm'；同樣打開遠紅光（25 μmol/m2·s）得到F0'。根據測定數據，可計算得出PSⅡ潛在活性（Fv/F0）、PSⅡ最大光化學量子產量（Fv/Fm）、PSⅡ實際光化學量子產量（φPSⅡ）、光化學淬滅系數（qP）和非光化學淬滅系數（qN）[16]。

1.4 數據處理

采用直角雙曲線修正模型擬合快速光響應曲線，模型表達式如下[17]:

式中:ETR為電子傳遞速率，a快速光響應曲線的初始斜率，PAR為光合有效輻射，b和c為系數。

用 Excel 2007 和 SPSS 19.0（SPSS Inc，USA）進行數據統計與分析。用采用單因素方差分析方法（oneway ANOVA）比較不同種源榿木嫁接幼苗間光合參數和葉綠素熒光參數的差異。并用皮爾森相關系數（Pearson correlation coefficient）分析光合參數與熒光參數之間的相關性。顯著性水平設定為a=0.05。

2 結果與分析

2.1 不同種源榿木光合特征參數

由表1可知，4個種源的凈光合速率（Pn）和胞間 CO2濃度（Ci）均存在顯著（P＜0.05）差異。其中平昌種源榿木的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）均最大，且顯著（P＜0.05）高于其他種源。金堂種源的凈光合速率（Pn）和氣孔導度（Gs）均顯著（P＜0.05）高于恩陽和宣漢，同時金堂種源的蒸騰速率（Tr）與恩陽差異不顯著（P＞0.05），與宣漢存在顯著差異（P＜0.05）。恩陽、宣漢的氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）均差異不顯著（P＞0.05）。宣漢種源的胞間CO2濃度（Ci）最大，顯著（P＜0.05）高于其他種源，平昌種源的胞間CO2濃度（Ci）最小。

2.2 不同種源榿木快速光響應曲線特征

由快速光響應曲線可以擬合出最大電子傳遞速率。由圖1可知，4個種源的最大電子傳遞速率（ETRmax）表現為平昌＞金堂＞恩陽＞宣漢。其中，平昌種源的最大電子傳遞速率（ETRmax）顯著（P＜0.05）高于其他種源，金堂種源的ETRmax次之，宣漢種源的ETRmax最小，僅為平昌種源的65%。

快速光響應曲線反映了植物葉片的電子傳遞速率（ETR）隨光合有效輻射（PAR）強度改變的變化規(guī)律。由圖2可知，ETR隨PAR呈又快到慢的增長特征，在PAR小于200 μmol/（m2·s）的弱光環(huán)境下，各種源榿木的ETR迅速上升；當400 μmol/（m2·s）＜PAR＜1 600 μmol/（m2·s）時，隨光照強度的增加，榿木的ETR增長速度明顯放緩，不同種源榿木嫁接幼苗的ETR隨PAR的增長速率出現較大差異，其中宣漢種源榿木嫁接幼苗的ETR隨PAR的增長速率最慢，平昌種源榿木嫁接幼苗的ETR隨PAR的增長速率相對較快；當PAR超過1 600 μmol/（m2·s）后，各種源榿木嫁接幼苗快速光響應曲線趨近平穩(wěn)。

圖1 不同種源榿木最大電子傳遞速率Figure 1 The ETRmaxof different provenances for the A.cremastogyne

2.3 不同種源榿木熒光產量特征

由圖3可知，4個種源間的初始熒光產量（F0）存在顯著（P＜0.05）差異。其中，宣漢初始熒光產量（F0）顯著（P＜0.05）高于其他種源。恩陽、金堂初始熒光產量（F0）次之，平昌種源的初始熒光產量（F0）最低。4個種源間的最大熒光（Fm）產量差異不顯著（P＞0.05），表現為平昌＞金堂＞宣漢＞恩陽。平昌種源的可變熒光（Fv）產量最高，且與金堂種源差異不顯著（P＞0.05），與恩陽、宣漢存在顯著（P＜0.05）差異。恩陽、宣漢種源的可變熒光（Fv）產量差異不顯著（P＞0.05）。可見，不同種源間的PSII反應中心活性存在一定的差異。

圖3 不同種源榿木熒光產量特征Figure 3 The fluorescence yield characteristics of different provenances for the A.cremastogyne

2.4 不同種源榿木光能轉換效率特征

由圖4可知，平昌種源的最大光化學效率（Fv/Fm）值最大，與恩陽、宣漢存在顯著（P＜0.05）差異，與金堂種源差異不顯著（P＞0.05）。此外，平昌種源的潛在化學效率（Fv/F0）值也最大，與恩陽、金堂、宣漢均存在顯著（P＜0.05）差異，恩陽和宣漢種源的潛在化學效率（Fv/F0）差異不顯著（P＞0.05）。4個種源間的實際光化學效率（φPSⅡ）均存在顯著差異（P＜0.05），表現為平昌＞金堂＞恩陽＞宣漢。其中，平昌種源的實際光化學效率（φPSⅡ）顯著（P＜0.05）高于其他種源，宣漢種源的實際光化學效率（φPSⅡ）顯著（P＜0.05）低于其他種源，僅為平昌種源的56.7%?？梢姡煌N源間的光能吸收和轉換能力存在一定的差異。

圖4 不同種源榿木光能轉換效率特征Figure 4 The energy conversion efficiency characteristics of different provenances for the A.cremastogyne

2.5 不同種源榿木淬滅系數特征

由圖5可知，4個種源間的光化學淬滅系數（qP）差異顯著（P＜0.05），其中平昌種源的光化學淬滅系數（qP）值最高，金堂、恩陽次之，宣漢種源的光化學淬滅系數（qP）值最低。平昌種源的非光化學淬滅系（qN）值最高，與金堂種源差異不顯著（P＞0.05），均顯著（P＜0.05）高于恩陽、宣漢。恩陽與宣漢種源的非光化學淬滅系（qN）存在顯著（P＜0.05）差異，且宣漢種源的非光化學淬滅系（qN）值最低。

圖5 不同種源榿木淬滅系數特征Figure 5 The quenching coefficient characteristics of different provenances for the A.cremastogyne

2.6 榿木光合特征參數與葉綠素熒光參數的相關關系

由表 2 可知，初始熒光（F0）與凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）呈極顯著（P＜0.01）負相關關系，與胞間 CO2濃度（Ci）極顯著（P＜0.01）正相關關系。最大光化學效率（Fv/Fm）、潛在化學效率（Fv/F0）、實際光化學效率（φPSⅡ）、光化學淬滅系數（qP）以及非光化學淬滅系數（qN）均與凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）呈極顯著（P＜0.01）正相關關系，與胞間 CO2濃度（Ci）極顯著（P＜0.01）負相關關系。最大熒光（Fm）與凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和胞間 CO2濃度（Ci）均不存在顯著（P＞0.05）關系。

表2 榿木光合特征參數與葉綠素熒光參數之間的相關性Table 2 Correlation between photosynthetic characteristics and chlorophyll fluorescence parameters of A.cremastogyne

3 討論

光合速率是植物生長和外界環(huán)境綜合作用的象征[18]。本研究表明，平昌種源榿木嫁接幼苗的凈光合速率（Pn）和蒸騰速率（Tr）最高，氣孔開放程度最大，葉片中CO2的供應充足；而宣漢種源的凈光合速率（Pn）和蒸騰速率（Tr）最低，氣孔開放程度最小?？梢?，平昌種源固定環(huán)境中CO2能力較強，凈光合速率最高，通過光合作用合成有機產物較多；宣漢種源光合作用能力則最弱，合成的有機產物較少。這可能與不同種源的光化學淬滅系數（qP）存在差異有關。光化學淬滅系數（qP）是PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學反應電子傳遞的份額，可以反映出PSⅡ反應中心的開放程度，其值越大，PSⅡ反應中心的電子傳遞活動就越活躍[19]。本研究中，平昌和金堂種源榿木嫁接幼苗的光化學淬滅系數（qP）差異不顯著，且顯著大于恩陽、宣漢種源?？梢?，平昌和金堂種源榿木嫁接幼苗PSⅡ反應中心的開放程度可能較高，植物光合電子傳遞的能力較強，因此凈光合速率較高。而恩陽、宣漢種源榿木嫁接幼苗PSⅡ反應中心的開放程度較低，因此凈光合速率較低。此外，胞間CO2濃度（Ci）的大小與植物葉片氣孔開閉程度和環(huán)境因素（如光照、溫度、CO2濃度等因素）有關。在本研究中4個種源榿木所處環(huán)境相同，因此，胞間CO2濃度的差異可能主要是由氣孔導度（Gs）差異造成。這與劉落魚等研究結果相似[20]。

葉綠素熒光動力學參數可以反映出環(huán)境對植物光合生理作用的影響[21]。初始熒光（F0）表示PSⅡ反應中心處于完全開放時的熒光產量。有研究表明，當環(huán)境脅迫時初始熒光（F0）一般呈現升高趨勢，且伴隨內囊體膜結構變化和PSⅡ反應中心可逆失活，保護PSⅡ反應中心免遭光破壞[22-24]。本研究中各種源初始熒光（F0）值偏高。出現這種現象可能是因為，本次調查在8月中旬，溫度較高、光照較強，高溫和強光等環(huán)境因素可能對榿木嫁接幼苗產生了一定程度的脅迫，榿木嫁接幼苗為了保護PSⅡ反應中心免遭光破壞，從而提高初始熒光（F0）。這與B.T.Nguyen等[25]對越南杉木的研究結果相似。同時，初始熒光（F0）與氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）負相關（見表2）也進一步支持了的榿木嫁接幼苗經受了環(huán)境脅迫的觀點。我們的結果還表明，平昌種源榿木嫁接幼苗初始熒光（F0）顯著低于其他種源，而宣漢種源榿木嫁接幼苗初始熒光（F0）顯著高于其他種源。此外，最大熒光（Fm）可以有效地反映通過PSⅡ反應中心最大的電子傳遞情況[26]。我們發(fā)現，4個種源榿木嫁接幼苗的最大熒光（Fm）差異不顯著。這表明，4個種源榿木嫁接幼苗通過PSⅡ反應中心傳遞電子的最大能力相當。同時，最大電子傳遞速率（ETRmax）對CO2的固定和同化起著重要的作用[27-29]。本研究中，平昌種源榿木嫁接幼苗最大電子傳遞速率（ETRmax）顯著大于其他種源。這表明，雖然4個種源榿木嫁接幼苗通過PSⅡ反應中心傳遞電子的最大能力相當，但是由于平昌種源榿木嫁接幼苗的PSⅠ和PSⅡ反應中心色素分子數量較多，經PSⅠ和PSⅡ光系統的非環(huán)式電子傳遞速率較高，能較快地將光能轉化為電能并傳遞給NADP+生成NADPH，并驅動ADP磷酸化生成ATP，加快碳同化過程。因此，平昌種源榿木嫁接幼苗固定CO2的能力較強，凈光合速率較高。這也可能是因為，平昌種源榿木嫁接幼苗經PSI光系統的環(huán)式電子傳遞速率較高，因此4個種源榿木嫁接幼苗的最大熒光（Fm）差異不顯著，但平昌種源最大電子傳遞速率（ETRmax）顯著大于其他種源，較高的環(huán)式電子傳遞速率可以使光合機構免受光破壞。值得注意的是，葉綠素熒光指標測定期間（8月）的每日最高溫為38～40℃，光照充足。由此可見，平昌種源榿木嫁接幼苗適應當地夏季高溫、高光照的能力較強，而宣漢種源榿木接幼苗受當地夏季高溫、高光照脅迫的影響可能較大。

實際光化學效率（φPSⅡ）反映了PSⅡ反應中心在部分關閉情況下的實際原初光能捕獲效率，表示光合電子傳遞能量與吸收光能的比例[30]。本研究中，平昌種源榿木嫁接幼苗的實際光化學效率（φPSⅡ）顯著高于其余種源。這表明，平昌種源榿木嫁接幼苗實際傳遞電子的能力更強。此外，最大光化學效率（Fv/Fm）則反映光能轉換效率，是衡量植物光抑制程度的重要指標[31]。正常情況下，植物最大光化學效率（Fv/Fm）在 0.75～0.85[32]。本研究表明，平昌和金堂種源榿木嫁接幼苗的最大光化學效率（Fv/Fm）分別為0.78和0.77。因而，平昌和金堂種源榿木嫁接幼苗可能未出現光抑制現象。但是，恩陽和宣漢種源榿木嫁接幼苗的最大光化學效率（Fv/Fm）均為0.73。這表明，恩陽和宣漢種源榿木嫁接幼苗的PSⅡ反應中心可能受損，出現了光抑制現象。這與李志真等[33]對玉簪（Hosta plantaginea）葉片光抑制的研究結果一致。當植物受到環(huán)境脅迫時，植物會啟動自我保護機制，將過多的光能轉化為熱能，并散發(fā)出去，降低對葉綠體等光合機構的損傷[34]。需要指出的是，非光化學淬滅系數（qN）表示植物PSⅡ反應中心將光能轉化為熱能的能力[35]。本研究還發(fā)現，平昌和金堂種源榿木嫁接幼苗的非光化學淬滅系數（qN）差異不顯著，且顯著大于恩陽和宣漢種源。這表明，平昌和金堂種源榿木的光合機構保護能力（抵御強光照和高溫環(huán)境的能力）大于恩陽和宣漢，PSⅡ反應中心活性較高，能夠將過多的光能轉化為熱能，因此不容易出現光抑制現象，光合速率維持在較高水平。相比之下，恩陽和宣漢種源榿木嫁接幼苗將過剩光能轉化為熱能的能力較弱，較難以散熱形式將過多的光能消耗掉，所以其較容易出現光抑制現象，導致其光合作用能力降低。有趣的是，我們結果表明光合效率高的種源，其非光化學淬滅系數（qN）也相對較高。這與之前代大川[36]對楨楠幼苗的研究結果不一致。這一現象可能是因為，本試驗指標測定期間溫度較高，榿木嫁接幼苗通過提高非光化學淬滅系數（qN）盡量加快葉片散熱，同時相應的增加蒸騰速率（qN與蒸騰速率正相關；表2）來加快散熱，增加氣孔導度（Gs），從而維持光合機構正常運行。但這還需要進一步研究。

綜上所述，4個種源榿木嫁接幼苗在光合特征和葉綠素熒光特征存在顯著差異。平昌種源榿木嫁接幼苗光合作用最強，且具有較強的自我保護機制。金堂種源榿木嫁接幼苗光合作用和自我調節(jié)機制次之。恩陽、宣漢種源榿木嫁接幼苗光合作用較弱，自我調節(jié)能力較差。因此，可根據經營目的選擇適合地區(qū)發(fā)展的榿木嫁接幼苗，也可以根據不同種源榿木的光合和葉綠素熒光特征選擇適合其發(fā)展的地區(qū)。