七種黃精屬植物的光合特性

劉 熙，宋 榮，馬英姿，周詩(shī)雨，劉 智

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

黃精為百合科Liliaceae 黃精屬Polygonatum[1]。多年生草本植物的總稱(chēng)，中國(guó)約有31 種，在國(guó)內(nèi)分布較廣泛，該屬植物有肉質(zhì)根狀莖，形似于圓柱形、結(jié)節(jié)處有時(shí)不規(guī)則，一般生長(zhǎng)在灌叢、林下和陰涼處，具有保健、營(yíng)養(yǎng)、滋補(bǔ)、治療腎虛、精血不足、肺虛、干咳等藥用功效，同時(shí)在抗衰老、調(diào)節(jié)自身免疫、降低機(jī)體血脂、增強(qiáng)機(jī)體記憶反應(yīng)能力、抗惡性腫瘤、抗菌等方面也具有潛在的生物醫(yī)學(xué)價(jià)值[2-3]。目前，黃精種苗資源在很大程度上依賴(lài)于野生黃精種質(zhì)資源，隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)黃精的需求日益增加，我國(guó)黃精野生資源面臨枯竭和生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞的風(fēng)險(xiǎn)，林下栽培黃精可以減少黃精野生資源的消耗，并滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)黃精的需求，同時(shí)，選育出優(yōu)良的黃精種質(zhì)資源已成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題[4]。

農(nóng)作物的產(chǎn)量取決于光合作用過(guò)程中光合產(chǎn)物的積累和分布，如何高效地利用太陽(yáng)能增強(qiáng)植物的光合作用，目前仍然是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中的一個(gè)根本性問(wèn)題。選育高光效種質(zhì)就是一種提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的有效方法，選擇高光效種質(zhì)的重要指標(biāo)是其光合特性[5-6]。植物的光合特性主要包括光合作用日變化、光合速率、光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)[7]。光合作用的日變化曲線(xiàn)可以直接反映各種植物之間的內(nèi)在節(jié)律差異，還能夠反映各種植物之間環(huán)境適應(yīng)性的差異，因此可以代表各種植物的生理特性和其它環(huán)境因素對(duì)它們的綜合影響[8-9]。本研究對(duì)湖南省內(nèi)主要種植的多花黃精P.cyrtonema、黃精P.sibiricum、滇黃精P.kingianum、點(diǎn)花黃精P.punctatum、湖北黃精P.zanlanscianense、卷葉黃精P.cirrhifolium、長(zhǎng)梗黃精P.filipes的光合特性進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)定，旨在對(duì)黃精屬植物的生理生態(tài)習(xí)性有更為精準(zhǔn)的掌握，探討其對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力的差異，為選擇黃精屬植物的優(yōu)良種質(zhì)和科學(xué)高效地栽培利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地位于湖南省長(zhǎng)沙市農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所基地。屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫為17.5 ℃，年平均最高氣溫為21 ℃，年平均最低氣溫為14 ℃[10]。

本試驗(yàn)材料均采自湖南省安化縣及湖南省農(nóng)科院的長(zhǎng)沙縣高橋基地3年生黃精屬植物栽培種，于2019年4月黃精出苗期整株采集移植。7 種黃精屬植物植株均經(jīng)過(guò)湖南中醫(yī)藥大學(xué)王智老師鑒定，分別為點(diǎn)花黃精、多花黃精、滇黃精、湖北黃精、黃精、卷葉黃精和長(zhǎng)梗黃精，栽培于林下環(huán)境中。

1.2 方法

光合指標(biāo)測(cè)定時(shí)間為2020年7月中旬。測(cè)定時(shí)黃精屬植物均為4年生植株結(jié)實(shí)期，連續(xù)數(shù)日選擇晴朗天氣測(cè)定其光響應(yīng)曲線(xiàn)、CO2響應(yīng)曲線(xiàn)和日變化，每種黃精屬植物測(cè)定3 株，每株測(cè)定3片葉，選擇中上部位同一水平、成熟無(wú)病蟲(chóng)害的葉片進(jìn)行測(cè)定。

1.2.1 葉片葉綠素含量的測(cè)定

葉綠素含量用丙酮-乙醇混合法測(cè)定，丙酮∶乙醇(無(wú)水)=5∶5。取新鮮葉片0.1 g，切碎，放入試管中，加入25 mL 溶液，密封，在暗處放置6～8 h，然后在470、663、645 nm 進(jìn)行比色，得到A值，根據(jù)Arnon法公式計(jì)算各提取物中葉綠素含量，重復(fù)測(cè)定3 次，計(jì)算其平均值[11-12]。

1.2.2 光合速率相關(guān)指標(biāo)測(cè)定

以便攜式光合作用測(cè)試儀Li-6400 為測(cè)量?jī)x器，于晴天測(cè)定日變化，共測(cè)量7 次，時(shí)間段分別 為7：00、9：00、11：00、13：00、15：00、17:00、18：00。每個(gè)種隨機(jī)選取3 株植物，每株選取3 片中上部位同一水平、成熟無(wú)病蟲(chóng)害的葉片進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定7 種黃精屬植物葉片的凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、光合有效輻射(PAR)、相對(duì)濕度(RH)和大氣溫度(Tair)，水分利用效率(WUE)=Pn/Tr，對(duì)每片葉測(cè)定3 次，測(cè)定數(shù)據(jù)取平均值。

1.2.3 光響應(yīng)曲線(xiàn)的測(cè)定

選取7 種黃精屬植物中間部位生長(zhǎng)狀況較好的成熟葉片，在晴天用Li-6400 測(cè)定其光響應(yīng)曲線(xiàn)。儀器葉片室采用紅、藍(lán)光光源，光響應(yīng)曲線(xiàn)測(cè)量參數(shù)設(shè)定如下：參比室內(nèi)CO2濃度約為400 μmol·mol-1，葉室溫度范圍控制在(30±0.5) ℃，相對(duì)濕度范圍控制在(40±5)%，光響應(yīng)曲線(xiàn)的光合有效輻射強(qiáng)度設(shè)定在2 000、1 800、1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50、0 μmol·m-2·s-1共12 個(gè)光照強(qiáng)度梯度。儀器開(kāi)機(jī)時(shí)，預(yù)先設(shè)定估計(jì)的飽和光強(qiáng)和最佳CO2濃度，光誘導(dǎo)黃精葉片30 min，等到儀器測(cè)得的凈光合速率（Pn）參數(shù)穩(wěn)定在小數(shù)點(diǎn)后1 位數(shù)時(shí)記錄數(shù)據(jù)。7 種黃精屬植物均隨機(jī)選定3 株生長(zhǎng)良好的植株，每株選擇3 片中上部位同一水平、成熟無(wú)病蟲(chóng)害的葉片，盡量保持葉片在植株上同一位置測(cè)量。后續(xù)采取葉子飄直角雙曲線(xiàn)修正模型擬合光響應(yīng)曲線(xiàn)，得到飽和光強(qiáng)（Isat）、初始斜率（α）、最大凈光合速率（Pnmax）、暗呼吸速率（Rd）和光補(bǔ)償點(diǎn)（Ic）等光合參數(shù)[13-14]。

1.2.4 CO2 響應(yīng)曲線(xiàn)的測(cè)定

選取7 種黃精屬植物中部生長(zhǎng)條件較好的成熟葉片，在晴天用Li-6400 測(cè)定其CO2響應(yīng)曲線(xiàn)。該儀器配有CO2注射器，可為葉片室提供穩(wěn)定可調(diào)的CO2氣源，測(cè)定中使用CO2小鋼瓶提供測(cè)定所需要輸出的穩(wěn)定CO2濃度。在測(cè)定過(guò)程中，葉室內(nèi)的光合有效輻射強(qiáng)度控制在1 000 μmol·m-2·s-1，參比室內(nèi)的CO2濃度分別設(shè)定在0、50、100、200、400、600、800、1 000、1 200、1 500、1 800、2 000 μmol·m-2·s-1，共有12 個(gè)CO2的濃度梯度，重復(fù)測(cè)定3 次。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)整理采用Excel 2020 軟件，數(shù)據(jù)分析采用SPSS 20.0 軟件，多重比較采用Duncan 方法，顯著性水平P≤0.05，極顯著水平P≤0.01。利用光合計(jì)算軟件對(duì)實(shí)測(cè)的光合數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到各項(xiàng)目的光合計(jì)算參數(shù)，進(jìn)而對(duì)7 個(gè)黃精種間的光合參數(shù)進(jìn)行分析[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 7 種黃精屬植物的凈光合速率日變化

7 種黃精屬植物均不存在午休現(xiàn)象，總體走勢(shì)相近，7 種黃精屬植物中點(diǎn)花黃精與黃精的凈光合速率高于其余5 種，其凈光合速率日變化呈明顯的單峰曲線(xiàn)。上午隨著外界光照輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)黃精屬植物的凈光合速率迅速增加，下午隨著外界光照輻射強(qiáng)度的減弱而隨之降低。

圖1 7 種黃精屬植物的凈光合速率日變化Fig.1 Daily changes of net photosynthetic rate of seven Polygonatum plants

2.2 7 種黃精屬植物的葉片葉綠素含量差異

由表1可以看出，7 個(gè)黃精屬植物種間的葉片葉綠素含量差異極顯著（F=23.3，P＜0.01）。多重比較發(fā)現(xiàn)，黃精的葉片葉綠素含量最高，為1.83 mg·g-1，顯著高于其它種，卷葉黃精的葉片葉綠素含量最低，為1.07 mg·g-1，顯著低于其它種，其余黃精屬植物葉片的葉綠素含量在1.25～1.54 mg·g-1之間。

2.3 7 種黃精屬植物的水分利用率差異

表1所示7 個(gè)黃精屬植物種間的水分利用效率差異極顯著（F=11.33，P＜0.01），其中點(diǎn)花黃精（5.13 μmol·mol-1）和長(zhǎng)梗黃精（5.05 μmol·mol-1）的水分利用效率顯著高于其它種，具有更好的抗旱性能，黃精（3.47 μmol·mol-1）、卷葉黃精（3.42 μmol·mol-1）和多花黃精（2.50 μmol·mol-1）亦顯著高于湖北黃精（1.94 μmol·mol-1）和滇黃精（1.83 μmol·mol-1），其中滇黃精的水分利用率最低，其抗旱性較差。

2.4 7 種黃精屬植物種間的氣孔導(dǎo)度差異

表1顯示7 種黃精屬植物種間的氣孔導(dǎo)度間差異不顯著（F=0.925，P＞0.05），在7 種黃精屬植物中滇黃精的氣孔導(dǎo)度最高，為0.122 mmol·m-2·s-1，湖北黃精的氣孔導(dǎo)度最低，為0.737 mmol·m-2·s-1，所有種均分布于0.737～0.122 mmol·m-2·s-1之間，種間均不存在顯著性差異。

表1 7 種黃精屬植物光合指標(biāo)參數(shù)的比較?Table 1 Comparison of photosynthetic index parameters of seven Polygonatum plants

2.5 7 種黃精屬植物種間的胞間CO2 濃度差異

表1中7 種黃精屬植物種間的胞間CO2濃度不存在顯著差異（F=0.638，P＞0.05），其中點(diǎn)花黃精的胞間CO2濃度最高（352.6 μmol·mol-1)，長(zhǎng)梗黃精的胞間CO2濃度最低，為312.6 μmol·mol-1，種間不存在顯著差異。

2.6 7 種黃精屬植物種間的蒸騰速率差異

表1所示為7 種黃精屬植物種間的葉片蒸騰速率差異顯著（F=21.0，P＜0.01），其中湖北黃精和滇黃精的葉片蒸騰速率最高，分別為2.92和2.43 mol·m-2·s-1，顯著高于其它種，兩者水分利用率最低；長(zhǎng)梗黃精的葉片蒸騰速率最低，為0.62 mol·m-2·s-1，顯著低于其它種，其水分利用率最高，試驗(yàn)結(jié)果表明黃精的水分利用率與葉片蒸騰速率存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.7 7 種黃精屬植物的光響應(yīng)曲線(xiàn)及其相關(guān)參數(shù)

從圖2可以看出，7 種黃精屬植物的葉片Pn值對(duì)光合有效輻射的響應(yīng)曲線(xiàn)存在差異。7 種黃精屬植物的Pn值在光照強(qiáng)度為0～500 μmol·m-2·s-1范圍內(nèi)會(huì)隨著PAR 的增強(qiáng)，Pn也隨之迅速增加。PAR 在500～1 000 μmol·m-2·s-1范圍內(nèi)，Pn上升趨勢(shì)緩慢。在PAR 在1 000～2 000 μmol·m-2·s-1范圍內(nèi)，7 種黃精屬植物的Pn的變化趨勢(shì)相近，均呈下降趨勢(shì)，點(diǎn)花黃精和卷葉黃精比較穩(wěn)定，下降速度較慢，其余5 種黃精屬植物保持持續(xù)下降趨勢(shì)，下降速度較快，表明點(diǎn)花黃精和卷葉黃精對(duì)光照的利用區(qū)間較廣。

圖2 7 種黃精屬植物的光響應(yīng)曲線(xiàn)Fig.2 Light response curves of seven species of Polygonatum

根據(jù)表2的多重比較發(fā)現(xiàn)多花黃精的暗呼吸速率最高，卷葉黃精的光補(bǔ)償點(diǎn)最高。7 種黃精屬植物最大凈光合速率在4.03～7.15 μmol·m-2·s-1之間，黃精的最高為7.15 μmol·m-2·s-1，卷葉黃精的最低為7.99 μmol·m-2·s-1；光飽和點(diǎn)在709.44～861.85 μmol·m-2·s-1之間，其中卷葉黃精最高，表明其利用強(qiáng)光的能力最強(qiáng)，湖北黃精的最低。光補(bǔ)償點(diǎn)在3.66～13.72 μmol·m-2·s-1之間，其中卷葉黃精的光補(bǔ)償點(diǎn)最高為13.72 μmol·m-2·s-1，滇黃精的最低為3.66 μmol·m-2·s-1，表明滇黃精更適應(yīng)弱光環(huán)境。

表2 光響應(yīng)曲線(xiàn)相關(guān)參數(shù)Table 2 Related parameters of light response curve

2.8 7 種黃精屬植物CO2 響應(yīng)曲線(xiàn)

從圖3可以看出，7 種黃精屬植物的葉片Pn值對(duì)CO2的響應(yīng)曲線(xiàn)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，不同種間表現(xiàn)略有差異。

圖3 7 種黃精屬植物CO2 光響應(yīng)曲線(xiàn)Fig.3 CO2 light response curves of seven species of Polygonatum

2.9 光合作用參數(shù)間的相關(guān)性

通過(guò)對(duì)7 種黃精屬植物的光合參數(shù)的平均值間做相關(guān)性分析可以看出（表3），黃精屬植物葉片凈光合速率分別與葉片的胞間CO2濃度和水分利用率存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.691 和0.905（P＜0.05）；葉片的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率間也存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.712（P＜0.05）；胞間CO2濃度與葉片蒸騰速率間存在顯著正相關(guān)關(guān)系（R2=0.64，P＜0.05）。

表3 光合作用參數(shù)間的相關(guān)性?Table 3 Correlation among photosynthesis parameters

2.10 7 種黃精屬植物的光合特性評(píng)價(jià)

光合速率的大小受內(nèi)外多種因素的影響，試驗(yàn)選取了7 種黃精屬植物光合特性的5 個(gè)主要指標(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，選擇相似矩陣和最遠(yuǎn)鄰元素聚類(lèi)方法，聚類(lèi)成3 類(lèi)[16-17]。由聚類(lèi)結(jié)果結(jié)合表1～2 中7種黃精屬植物光合速率的大小可以得出，7 種黃精可分為3 類(lèi)：多花黃精、黃精和滇黃精分為一類(lèi)，其綜合光合能力最好；湖北黃精、卷葉黃精和點(diǎn)花黃精同屬一類(lèi)，綜合光合能力次之；長(zhǎng)梗黃精是其中綜合光合能力最差的一類(lèi)。

3 結(jié)論與討論

1）7 種黃精屬植物的葉片凈光合速率與胞間CO2濃度和葉片的水分利用率呈顯著性正相關(guān)。7 種黃精屬植物葉片葉綠素含量存在顯著性差異，但其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[18]。植物葉片的凈光合速率是評(píng)價(jià)植物光合作用強(qiáng)弱的一個(gè)重要指標(biāo)，影響葉片凈光合速率的因素有兩個(gè)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[19-20]。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)[21-22]。

2）7 種黃精屬植物中，點(diǎn)花黃精和長(zhǎng)梗黃精的水分利用效率相對(duì)較高，葉片蒸騰速率相對(duì)較低。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[23]，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，干旱脅迫下的小紫珠、日本莢蒾幼苗的光合速率都受到顯著的影響[24-25]。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)的黃精屬植物[26]。本試驗(yàn)條件下，7種黃精屬植物的WUE 種間差異顯著，表明不同種間水分利用能力差別較大，點(diǎn)花黃精和長(zhǎng)梗黃精的水分利用效率較高，與其對(duì)應(yīng)的葉片蒸騰速率較低，表明這兩個(gè)種的耐旱性相對(duì)更強(qiáng)。

3）7 種黃精屬植物的光飽和點(diǎn)接近陽(yáng)生植物，光補(bǔ)償點(diǎn)接近陰生植物，CO2飽和點(diǎn)高于正常外界濃度。7 種黃精屬植物雖然喜陰，但是對(duì)于有效光合輻射有著比一般陰生植物更高的需求，種植中在提供陰涼環(huán)境的同時(shí)也應(yīng)盡量滿(mǎn)足其光照需求[27]。從7 種黃精屬植物的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，如果在其它條件滿(mǎn)足的條件下，將更有利用黃精的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高。

圖4 光合特性聚類(lèi)分析圖Fig.4 Cluster analysis of photosynthetic characteristics

光合指標(biāo)的聚類(lèi)分析顯示，7 種黃精屬植物可聚成3 類(lèi)，其中多花黃精、黃精和滇黃精歸為光合性能最優(yōu)類(lèi)。

多花黃精、黃精和滇黃精是《中國(guó)藥典》認(rèn)定的藥用黃精正品，其種植歷史悠久，結(jié)合本研究結(jié)果，可以加大推廣多花黃精、黃精與滇黃精的種植面積，并加強(qiáng)保護(hù)多花黃精、黃精與滇黃精的野生種質(zhì)資源。點(diǎn)花黃精、湖北黃精和卷葉黃精的光合性能次之，應(yīng)結(jié)合產(chǎn)量、品質(zhì)等綜合特性合理進(jìn)行種植。長(zhǎng)梗黃精的光合特性較差，應(yīng)結(jié)合其它性狀綜合考慮是否適宜栽培。