云南松不同种源苗木光合特性比较

周 丽 陈 诗 徐 杨 蔡年辉 李 悦 段安安 许玉兰

(1.西南林业大学云南省高校林木遗传改良与繁育重点实验室, 云南 昆明 650224;2.北京林业大学生物科学与技术学院，北京 100083)



云南松不同种源苗木光合特性比较

周 丽1陈 诗1徐 杨1蔡年辉1李 悦2段安安1许玉兰1

(1.西南林业大学云南省高校林木遗传改良与繁育重点实验室, 云南 昆明 650224;2.北京林业大学生物科学与技术学院，北京 100083)

以5个云南松种源2年生苗为研究对象，采用Li-6400型便携式光合测定仪测定其光合特性，揭示云南松种源间光合特性的差异。结果表明：除光能利用率(LUE)外，其他光合参数在云南松种源间均存在极显著差异；对不同种源的光响应曲线进行拟合，当光照强度刚开始增强时，各种源间净光合速率(Pn)的差异较小，但随着光照强度的继续增加，不同种源间出现很大的差异；大部分光合参数之间存在显著或极显著的相关性，Pn、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)两两之间呈极显著正相关关系，Pn与光合有效辐射(PAR)和Gs的相关系数均较大，是影响光合能力的主导因子。综合比较发现，保山(BS)种源的最大净光合速率(Pmax)、光饱和点(LSP)和水分利用率(WUE)较高，Tr、Gs和光补偿点(LCP)较低，该种源具有较高的潜在光合能力，抗旱能力也较强，表明保山种源具有较强的适应光环境的潜力。

云南松；种源；光合特性；光响应曲线；净光合速率

云南松(Pinusyunnanensis)是我国西南地区的特有树种之一和云南省的主要森林建群种[1]，分布于海拔600～3 200 m的云南省大部分地区、四川西南部、广西和贵州西部[2]，面积约占云南省森林面积的19.63%[3]，是云贵高原荒山造林的先锋树种[4]，不仅具有速生的优点，还具有较强的水土保持、水源涵养、改善环境的能力，同时还能提供大量的建筑用材和林副产品，在生态经济建设中发挥了重大作用[5]。然而，近年来云南松林分中扭曲、弯曲和低矮等不良个体以及地盘松(Pinusyunnanensisvar.pygmaea)、扭松等的比例逐渐增加，林木材质降低，病虫害日益加重，表现出衰退现象[6]。云南松作为西南地区的重要树种，相关研究起步较早、成果较多，对云南松树脂、松花粉、松尖、球果等方面的研究和利用得到了深入发展，进一步体现了云南松的非木材资源价值[7-8]。光合作用、呼吸作用和蒸腾作用是绿色植物生存和生长的重要生理过程，其中光合作用又是植物体内最重要的化学反应[9-10]和对环境条件变化比较敏感的生理过程，是植物对环境适应性研究的重要方面。有关云南松林分的形态特征[11]、分子遗传[12-13]、遗传多样性[14-15]、良种选育[16]、抗逆性[17-18]、切梢小蠹虫[19]、木材利用[20-21]等多方面的研究已取得了显著的成果，但关于正常苗期生长的不同种源云南松苗木的光合特性方面的研究较少。本研究以不同分布区域5个种源的2年生苗为研究对象，在10月份对其光合生理指标进行比较，揭示苗期不同种源云南松光合特性的差异，为云南松优良资源的选择利用及育苗、林分的抚育管理、森林生态系统生产力的提高等奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验地自然概况

试验地设在西南林业大学苗圃，海拔1 945 m，位于北纬25°04′00″，东经102°45′41″，属北亚热带半湿润高原季风气候；年均温14.7 ℃、绝对最低温-7.8 ℃、绝对最高温31.2 ℃；年均降水量700～1 100 mm，年均相对湿度68.2%，在时间分布上，明显地分为干、湿两季，雨季的降水量占全年的85%左右，旱季降水量仅占全年的15%左右。近年的全年无霜期均超过240 d，全年以晴天居多，日照率56%，日照数约2 445.6 h，年均总辐射量达129.78 kcal/cm2。

1.2 材料来源与试验设计

试验以5个云南松种源的实生苗为材料，云南松种子来源见表1。试验按完全随机区组排列，每个种源为1个小区，60株/小区，株行距5 cm×10 cm，5次重复。本试验以2年生苗为研究对象，对其当年生针叶的光合作用各项指标进行测定。

表1 云南松采样种源的地理分布Tab.1 Geographic location of sample provenance of Pinus yunnanensis

1.3 试验方法

1.3.1 光合参数的测定 每个种源随机选择3株长势中等、具有代表性的植株挂牌，测定健康成熟的功能型叶片，每株重复测定5次。试验于10月25、27日和28日8:30—11:30晴朗无云[22](平均气温18.6 ℃，平均光照强度1 470.33 μmol/(m2·s))的天气下进行，采用美国LI-COR公司生产的Li-6400光合测定系统，测定植株健康成熟的当年生中部功能针叶的净光合速率(Pn, μmol/(m2·s))、蒸腾速率(Tr,mmol/(m2·s))、胞间CO2浓度(Ci, μmol/mol)、气孔导度(Gs, mmol/(m2·s))、光合有效辐射(PAR, μmol/(m2·s))等光合参数。并根据所测的光合参数计算水分利用率(WUE, mmol/mol)和光能利用率(LUE, gC/MJ)：WUE=Pn/Tr；LUE=Pn/PAR。

1.3.2 光响应曲线的测定 测定时针叶的选择方法与1.3.1相同，利用Li-6400自带的6400-02B LED红蓝光源和自动“light-curve”曲线测定功能，测定5个云南松种源在不同梯度下Pn的变化情况，设定光合测定仪的样品室流速(Flow)、CO2浓度和叶室温度(Tl)分别为300 μmol/s、400 μmol/mol和20 ℃，光合有效辐射通量密度(PPFD)梯度为2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50、20、0 μmol/(m2·s)。

以PPFD≤200 μmol/(m2·s)时的Pn进行Pn-PPFD线性拟合，可以得出Pn与PPFD符合线性回归，方程的拟合效果较好，R2均在0.958 1以上。直线回归方程为Pn=a×PPFD-b(a，b均为常数，且a>0，b>0)，根据该方程设Pn=0时，可以求得函数图像与横轴的交点即为光补偿点(LCP, μmol/(m2·s))。此外，计算暗呼吸速率(Rd)、表观量子效率(Q)等光响应曲线特征参数[23](表4)。

根据非直角双曲线[23-25]进行光响应曲线的拟合(图1)，其模型的理论公式为：

(1)

式中：Pn为净光合速率(μmol/(m2·s))；Q为表观量子效率；PAR为光合有效辐射(μmol/(m2·s))；Pmax为最大净光合速率(μmol/(m2·s))；k为光响应曲线曲角；Rd为暗呼吸速率(μmol/(m2·s))。

1.4 数据处理

使用统计软件Excel 2007和SPSS 17.0进行数据分析、处理和图形绘制。

2 结果与分析

2.1 光合参数的比较

对5个云南松种源的Pn、Ci、Gs、Tr、WUE、LUE和PAR指标进行方差分析，结果见表2。

表2 云南松不同种源的光合参数比较Tab.2 The comparision of photosynthetic parameters among provenances of Pinus yunnanensis

注：表中数值为平均值±标准差，大写字母表示不同油松种源在0.01水平下差异极显著(P<0.01)，没有字母则表示差异不显著(P>0.05)。

由表2可知，云南松不同种源间光合参数Pn、Ci、Gs、Tr、WUE和PAR在99%置信度水平下差异有统计学意义；LUE的差异无统计学意义。LUE的变异系数(CV=0.59)最大；最小的是Ci，为0.10；其余参数的变异系数均≥0.27；变异范围较广，说明云南松不同种源间的光合参数具有较大的变异。

2.2 光合指标的相关性分析

由表3可知，Pn与Gs、Tr和PAR呈极显著正相关，与Ci呈显著负相关，说明Gs、Tr、PAR和Ci都是影响Pn的主导因子。WUE与Gs、Ci和Tr呈极显著负相关。气孔张开的程度越大，蒸腾作用越强，气孔吸收的CO2越多，气孔内外的浓度差越小，直接影响细胞的生理活性。

2.3 不同种源光响应曲线的拟合

根据式(1)进行光响应曲线的拟合，拟合效果较好，除LJ种源外(R2=0.899)，其余种源的R2均在0.960以上。

由图1可知，当光合有效辐射PAR≤200 μmol/(m2·s)时，随着光照强度的增加，5个云南松种源的Pn均呈快速上升趋势，种源间差异较小；当PAR在400～800 μmol/(m2·s)时，其Pn上升趋势变缓，不同种源出现较大的差异；当PAR>800 μmol/(m2·s)时，5个种源的Pn明显趋于饱和，逐渐接近于光饱和点(LSP, μmol/(m2·s))，其中BS种源的净光合速率最高，KM种源最低。

为进一步说明不同种源间光合特征的差异，对光响应特征参数进行拟合，结果见表4。Pn没有一个明显的饱和点，从不饱和到饱和是一个渐变的过程，因此对于LSP不能有确定的值，只能呈现出一个大致的范围[26]。

表3 光合指标间的相关性分析Tab.3 The correlation analysis of photosynthetic indexes

注：**表示差异较显著，*表示差异显著。

表4 云南松不同种源光响应曲线参数Tab.4 Light response curve parameters among provenances of P. yunnanensis (μmol·m-2·s-1)

由表4可知，不同种源的最大净光合速率(Pmax)表现出较大的差异，Pmax由大到小的顺序为BS>LJ>ZD>YX>KM。KM种源的Pmax最低，为5.3 μmol/(m2·s)，而BS种源则要高出其近1倍。LCP以ZD种源最高，达33.03 μmol/(m2·s)，BS种源最低，为4.43 μmol/(m2·s)，BS种源的LSP最高，大于2 000 μmol/(m2·s)。Rd参数显示各种源差异较小，BS种源的Rd为0.289 μmol/(m2·s)最小，呼吸作用消耗的能量低，利于干物质的积累。综上所述，BS种源具有较高的潜在光合能力，低LCP和高LSP对光的利用能力最强。

3 结论与讨论

云南松不同种源间的Pn、Ci、Gs、Tr、WUE和PAR等具有极显著的差异，而LUE差异不显著。功能型叶片性状体现了叶片的生长代谢，随着时空的改变而变化，主要包括Pn、Tr、Gs、WUE等参数[27]。Pn[28]、Tr、Gs[29]、WUE[30-31]综合反映了植物光合能力及其对逆境适应能力的强弱，光是植物进行光合作用的能量来源，光照强度直接影响着植物光合速率的大小。云南松不同种源采集地的地理地貌特征与试验地相似，海拔较高，辐射较强，均处于高强辐射的环境，这些相似的条件可能是导致云南松种源间LUE差异不显著的主要原因。本研究中保山(BS)种源的Tr、Gs均最小，说明其蒸腾作用最小，抗旱能力最强；WUE最大，具有最强的水分利用能力，该种源能够利用极少量的水分来满足其生长过程中对水分的需求。项目组对5个种源2年生长数据的调查分析显示，BS种源生长速度最快，但其Pn测定值最低，可能与测量时的光照强度有关系，刘娟等[32]的研究表明，PAR是影响Pn最直接的环境因子，测量时PAR的平均值为1 470.33 μmol/(m2·s)，BS种源的PAR低于平均值28.51%，导致Pn的测定值最低。LJ种源的Gs和Tr均最大，而WUE最小，说明LJ种源的蒸腾作用最大，抗旱能力最弱，对水分的利用能力也最低，生理基础较弱，对试验地的适应能力较低。

气孔导度(Gs)与Pn、Ci和Tr呈极显著正相关关系，与WUE呈极显著负相关关系，其大小直接影响植物生理活性的强弱；PAR与Pn存在极显著的正相关关系。植物体通过气孔进行气体的交换，通过调节气孔孔径的大小控制植物光合作用中CO2吸收和蒸腾过程中水分的散失，Gs的大小与光合作用和蒸腾作用密切相关。光合指标间的相关性分析表明，除WUE外，所有光合指标均与Pn存在极显著或显著的相关关系；Pn、Gs和Tr两两之间呈极显著正相关关系，Gs、Ci和Tr分别与WUE呈极显著的负相关关系，其中，Tr与Gs的正相关系数最大，Pn与Gs的相关系数次之，Gs与WUE的相关系数为-0.296**，该结果与徐佳佳等[29]、郑淑霞等[33]的研究结果相似。Pn和PAR也具有较大的相关系数，其直接影响Pn的大小，与表2的研究结果一致，PAR可能是导致BS种源Pn最小的环境因素，该结果与刘娟等[32]的研究结果相似。

光响应曲线是表现植物Pn与PAR关系的反应曲线，根据非直角双曲线模型可以较好地模拟光合速率随光强的变化，其拟合效果更符合生理意义，测定光响应曲线可以直观比较植物光合能力的强弱[34]。LSP和LCP是植物对光照条件需求的反映，其大小决定了植物对强光和弱光的利用能力。LCP越小，表明其利用弱光的能力越强，LSP越高，表明植物利用强光的能力越强；低LCP和高LSP的植物对光环境的适应性较强，反之则较弱。对5个云南松种源进行光响应曲线的拟合，结果表明：BS种源具有最大的Pmax，最小的LCP和最大的LSP，不仅具有最强的利用弱光的能力，对强光的利用能力也最强，说明了该种源对试验地光环境的适应能力最强，可能是由于保山与试验地的气候条件相似的原因；YX种源则具有最小的LSP和较高的LCP，对强、弱光的利用能力均较弱，说明该种源对光环境的适应能力最弱。ZD种源的LCP最大，对弱光的利用能力最弱，LSP较大，具有较强的利用强光的能力。综合说明BS种源对光的利用范围较宽，而YX和ZD种源对光的利用范围较窄。

林木光合作用的测定一般选在速生期进行，如地处干旱、少雨条件[35]下，或者控制光强[23,25-26,30]受自然光照影响较小的情况下，在速生期测定较多。根据云南松的生长节律来看，幼苗的生长节律有2个速生期，第1个速生期为6—7月，第2个速生期为9—10月[36]，本试验地处昆明，6—7月常出现下雨或多云天气，对试验的实施具有很大的影响。因此，选择10月份开展光合特性的测定，一方面苗木还处于生长期，且不易受天气状况的影响，这在其他松树中也有类似的报道，如油松(Pinustabuliformis)不同种源苗木光合特性的测定也选择在10月份进行[37]。本研究所得结论是基于10月份的2年生苗木，不同季节、不同时期、不同年龄阶段的变异规律是否与10月份的一致，还有待进行深入研究。

致谢:本研究得到国家自然科学基金项目(31070591和31260191)的资助，特此感谢！

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(责任编辑 张 坤)

Compare on Photosynthetic Characteristics Among Provenances ofPinusyunnanensis

Zhou Li1, Chen Shi1, Xu Yang1, Cai Nianhui1, Li Yue2, Duan Anan1, Xu Yulan1

(1.Key Laboratory for Forest Genetic and Tree Improvement & Propagation in Universities of Yunnan Province, Southwest Forestry University,Kunming Yunnan 650224, China; 2. College of Biological Science and Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

The photosynthetic characteristics were compared for two-year-old seedlings ofPinusyunnanensissampled five provenances by using the Li-6400 to reveal the difference of photosynthetic characteristics among provenances.The results indicated that all photosynthetic parameters studied were significant difference (p<0.01) among provenances ofP.yunnanensisexcept the light use efficiency (LUE).There were light differences in the net photosynthetic rate (Pn) among provenances when the illumination intensity increased initially based on light response curve fitting,but significant differences came to light when the illumination intensity increased progressively. There were significant (p<0.05) and extremely significant (p<0.01) correlations most of pair-wise photosynthetic indexes.The extremely positive correlations existed in pair-wisePn,stomatal conductance (Gs) and transpiration (Tr).The correlations were relatively heavy betweenPnandGsas well as photosynthetically active radiation (PAR), which indicated thatPnwas a main photosynthetic capacity factor.There were the highest maximum net photosynthetic rate (Pmax),light saturation point (LSP) and water use efficiency (WUE),and the minimumTr,Gsand light compensation point (LCP) in Baoshan (BS) provenance.The provenance has the high potential photosynthetic capacity and the strong drought resistance ability,which further illustrated Baoshan provenance has the strong potential to adaptable to the light environment.

Pinusyunnanensis; provenance; photosynthetic characteristics; light response curve; net photosynthetic rate

2015-06-09

西南林业大学科技创新基金(1453)资助。

许玉兰(1979—)，女，副教授，硕士生导师。研究方向：林木遗传育种。Email: xvyulan@163.com。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.05.002

S718.43

A

2095-1914(2015)05-0008-06

第1作者：周丽(1990—)，女，硕士生。研究方向：林木遗传育种。Email: zhouli901009@163.com。