2种淫羊藿的光合日变化比较

潘俊倩，谷小红，郭宝林

（中国医学科学院北京协和医学院药用植物研究所/中草药物质基础与资源利用教育部重点实验室，北京100193）

2种淫羊藿的光合日变化比较

潘俊倩，谷小红，郭宝林

（中国医学科学院北京协和医学院药用植物研究所/中草药物质基础与资源利用教育部重点实验室，北京100193）

拟巫山淫羊藿是首个实现人工栽培的淫羊藿属植物，箭叶淫羊藿的种植生产技术仍很不成熟。为了进一步研究2种淫羊藿需光特性，为实际生产提供理论依据。本研究用CI-340型光合测定系统原位测定自然生长条件下的拟巫山淫羊藿和箭叶淫羊藿光合作用的日变化，测定光合速率(Pn)、气孔导度(C)、胞间CO2浓度(Ci)、光合有效辐射(PAR)、相对湿度(RH)、气温(Ta)、表观叶肉导度(ALMC)、蒸腾速率(E)、叶温(Tl)、水分利用效率(WUE)等光合生理因子和环境因子，且采用相关分析、通径分析和多元逐步回归分析探讨净光合速率和生理因子的关系。结果表明：（1）拟巫山淫羊藿叶片净光合速率、表观叶肉导度和气孔导度均呈现“双峰型”变化，其净光合速率的日变化存在典型的“光合午休”现象；（2）箭叶淫羊藿的净光合速率和表观叶肉导度均高于拟巫山淫羊藿；（3）相关分析、通径分析和多元逐步回归分析表明，表观叶肉导度和胞间CO2浓度是影响2种淫羊藿光合速率的主要因子，其中表观叶肉导度是最主要的影响因素。在实际生产中，应对2种淫羊藿采用不同的栽培策略。

拟巫山淫羊藿；箭叶淫羊藿；净光合速率；光合日变化

0 引言

拟巫山淫羊藿(Epimedium pseudowushannense)为小檗科淫羊藿属多年生草本植物，主要分布在贵州省贵阳市、黔东南、黔南以及广西等地，是在2007年已经在植物分类学报上发表的新物种[1]，药效成分以黄酮类化合物淫羊藿苷、朝藿定A、朝藿定B和朝藿定C等为主，且朝藿定C含量大大高于淫羊藿苷、朝藿定A、朝藿定B等成分，朝藿定C的含量约为2.69%～3.63%[2-3]。因为其叶片形态和化学成分构成类似于巫山淫羊藿，常被错误认为是巫山淫羊藿（Epimedium wushanense，该物种主要分布于湖北西部、重庆东部和陕西安康地区）。贵州省黔东南州雷山县的拟巫山淫羊藿经10多年的引种驯化至今已发展到几百亩的种植规模[4]。拟巫山淫羊藿为阴生植物，在种植的过程中，用50%～90%的遮荫网或者直接种植在相似遮荫度的山地、平地或林下。箭叶淫羊藿(Epimedium sagittatum)是中华人民共和国药典中淫羊藿药材的来源植物，同时还是淫羊藿属分布最广的种，在湖南、湖北、江西等都有分布。箭叶淫羊藿药效成分同样以淫羊藿苷、朝藿定A、朝藿定B和朝藿定C等为主，是属于整个淫羊藿药材的来源植物中含量较高的物种，但是迄今为止其栽培种植技术仍然在摸索阶段。

现代药理研究表明淫羊藿中的黄酮类化合物具有抗肺癌、肝癌和白血病的作用，新的药理作用的证实进一步催生淫羊藿用量的增加[5-7]。近年来市场上对淫羊藿的需求逐年上升，有限的资源使得淫羊藿的价格不断上升，致使野生淫羊藿资源不断减少，给淫羊藿的资源保护带来了挑战。目前，付荣华[8]、何理[9]、李金玲[10]和张永刚[11]分别对巫山淫羊藿、柔毛淫羊藿、粗毛淫羊藿和朝鲜淫羊藿的光合特性进行了研究，不同种光合日变化特性不尽一致。本课题组前期对不同年龄拟巫山淫羊藿的光合日变化进行了研究，发现其净光合作用具有“午休”的现象且表观叶肉导度、胞间CO2及空气温度均影响其光合速率，影响程度依次递减，上述研究对指导栽培基地的生产有一定的意义[12]。但是对于箭叶淫羊藿的栽培技术依然在探索阶段，前期对拟巫山淫羊藿的光合日变化的研究已经为其生产种植过程中的光照等调控因素奠定了基础，笔者对巫山淫羊藿和箭叶淫羊藿的光合日变化特征进行比较，以期为进一步实现箭叶淫羊藿的规模化栽培提供光照调控的依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于贵州省黔东南州雷山县，东经107° 55′—108°22′，北纬26°02′—26°34′，中亚热带季风湿润气候，年平均气温14～15℃，最高35.6℃，最低-8.9℃，年均降水量1375 mm，年均日照1225 h。

1.2 试验样品

经种子繁殖的二年生拟巫山淫羊藿植株以及经种子繁殖的二年生箭叶淫羊藿植株。

1.3 测定方法

2015年5—6月，在拟巫山淫羊藿、箭叶淫羊藿种植地，选择10株健壮植株的成熟叶为测定对象。这些植株于2014年2月下旬种子萌发，次年5月中旬叶片成熟，到6月下旬为旺盛生长期。每天从早上08:00到下午17:00，每隔1 h测定1次，每个测定3次重复。

测定采用便携式光合作用测定系统CI-340仪器，自动记录光合速率(Pn)、气孔导度(C)、蒸腾速率(E)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、大气相对湿度(RH)、空气温度(Ta)等光合生理参数。按照Fischer的方法通过Pn/Ci计算获得叶表观叶肉导度(ALMC)，通过Pn/E计算获得叶片的瞬时水分利用效率(WUE)。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 19.0以及R语言软件(version 3.1.1)进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 2 种淫羊藿光合日变化

2.1.1 净光合速率(Pn)日变化 2种淫羊藿的光合速率日变化呈现出类似的变化趋势，属于典型的“双峰型”曲线，具有明显的光合午休现象（图1）。8:00—17:00箭叶淫羊藿的净光合速率均比拟巫山淫羊藿高。箭叶淫羊藿一天中以11:00的净光合速率最高，为3.652µmol/(m2·s)，以13:00的净光合速率最低，为1.502µmol/(m2·s)。拟巫山淫羊藿一天中也以11:00的净光合速率最高，为2.326µmol/(m2·s)，以13:00的净光合速率最低为0.931µmol/(m2·s)。

2.1.2 胞间CO2浓度(Ci)日变化 植物进行光合作用的主要原料之一是CO2，胞间CO2浓度侧面反映植物进行光合作用过程中的气体交换能力，同时胞间CO2浓度过低会限制光合作用的正常进行。2种植物胞间二氧化碳浓度(Ci)日变化基本呈现“W”型，早晚高、中午低（图2）。Ci的最低点均出现在14:00，分别为箭叶淫羊藿176.9µmol/(m2·s)，拟巫山淫羊藿197.69µmol/(m2·s)。两者胞间二氧化碳浓度在上午8:00时基本相等，一天之中在8:00—11:00以箭叶淫羊藿为高，自12:00—14:00以拟巫山淫羊藿为高，而后在15:00以后又以箭叶淫羊藿为高。

图1 2种淫羊藿净光合速率(Pn)日变化

图2 2种淫羊藿胞间二氧化碳浓度(Ci)日变化

2.1.3 气孔导度(C)日变化 气孔导度的大小直接反映了植物叶片的气体交换能力，同时也与植物的蒸腾作用强弱、胞间CO2浓度有直接联系。因此气孔导度的大小直接影响到植物的光合能力，受到环境因子如光强、温度等的调节作用。2种淫羊藿气孔导度(C)日变化与其净光合速率(Pn)的日变化趋势类似，呈现“双峰型”的趋势（图3）。在11:00和15:00出现2个峰值，且均以11:00的气孔导度值为大，箭叶淫羊藿为6.217µmol/(m2·s)，拟巫山淫羊藿为9.653µmol/(m2·s)。整体上除11:00外，其他时间点箭叶淫羊藿的气孔导度均比拟巫山淫羊藿大。

图3 2种淫羊藿气孔导度(C)日变化

2.1.4 蒸腾速率(E)日变化 植物叶片的蒸腾作用是植物保持叶片温度的重要方式，同时蒸腾作用还与植物气孔的开合密切相关，进而影响植物的光合进程。2种淫羊藿的蒸腾速率日变化情况差别较大（图4），拟巫山淫羊藿在 11:00出现一天中的最大值为0.99 mmol/(m2·s)，而箭叶淫羊藿在15:00出现一天中的最大值为1.031 mmol/(m2·s)。总体上蒸腾速率的变化趋势与气孔导度和净光合速率的变化趋势类似。拟巫山淫羊藿在11:00前蒸腾速率高，而12:00以后箭叶淫羊藿的蒸腾速率高。

图4 2种淫羊藿蒸腾速率(E)日变化

2.1.5 表观叶肉导度(ALMC)日变化 CO2从气孔下腔传输到羧化位点的阻力称为叶肉阻力，其倒数即为叶肉导度。图5中箭叶淫羊藿的表观叶肉导度在一天之中均比拟巫山淫羊藿高。两者的表观叶肉导度最低点均出现在13:00，这与净光合速率日变化最低点的时间和变化趋势类似。有研究表明，表观叶肉导度的大小与净光合速率的大小密切相关，超过气孔导度对光合速率的影响。

图5 2种淫羊藿表观叶肉导度(ALMC)日变化

2.2 2 种淫羊藿环境因子日变化

2.2.1 光合有效辐射(PAR)日变化 拟巫山淫羊藿和箭叶淫羊藿8:00—11:00的光合有效辐射值相差较小，在12:00以后拟巫山淫羊藿的光合有效辐射大于箭叶淫羊藿（图6）。光合有效辐射是植物能够有效利用的那部分太阳能，与其光合作用的大小直接相关，同时也与植物利用光的效率有关，虽然拟巫山淫羊藿的光合有效辐射大，但是其净光合速率低，这与其利用光能进行光合作用的能力相关。

图6 2种淫羊藿光合有效辐射(PAR)日变化

2.2.2 空气相对湿度(RH)、大气温度(Ta)以及叶片(Tl)温度日变化 2种淫羊藿生长环境中的空气相对湿度变化趋势不同，拟巫山淫羊藿的空气湿度变化相对平缓，而箭叶淫羊藿的空气相对湿度变化呈现先降低后升高的趋势（图7），以上午11:00的空气相对湿度最低至34.35%，8:00的空气相对湿度最高为68.33%。

图7 2种淫羊藿空气相对湿度(RH)日变化

箭叶淫羊藿所处环境中大气温度呈现先升高后降低的变化趋势，以上午11:00出现一天中的最高峰（图8）；拟巫山淫羊藿所处环境中大气温度呈现缓慢上升的趋势，以上午8:00时的气温最低为22.99℃。2种淫羊藿叶片温度的变化趋势与环境中气温的变化趋势相似（图9）。

图8 2种淫羊藿空气大气温度(Ta)日变化

2.3 净光合速率与生理生态因子的相关性分析

拟巫山淫羊藿和箭叶淫羊藿净光合速率与生理因子通径分析和相关性分析结果见表1～6。如表1、4所示，Ci和ALMC对2种淫羊藿的Pn直接作用最大(P＜0.001)。在2种淫羊藿中，ALMC和Ci与净光合速率Pn通径系数较大，且它们的直接作用远高于对蒸腾速率(E)、气孔导度(C)、胞间CO2浓度(Ci)、叶温(Tl)、水分利用效率(WUE)的作用，ALMC与净光合速率Pn是极显著正相关，Tl、C、WUE与Pn的作用也均呈正相关关系，E呈负相关关系。

如表2所示，对于箭叶淫羊藿而言，生态因子中，Ta对其影响最大，为正相关关系。RH的直接作用也呈正相关作用；而PAR的直接作用为负值，与Pn呈负相关作用，可见光合有效辐射对箭叶淫羊藿的光合作用影响不是主导因素。同理可得，从表5可以看出，对于二年生拟巫山淫羊藿，生态因子中RH对其影响最大，为正相关，而Ta对其影响与箭叶淫羊藿刚好相反，可见拟巫山淫羊藿对温度的变化更为敏感，高温不利于其光合作用的进行。

采用多元逐步回归方法分析上述因子与Pn的关系，二年生拟巫山淫羊藿的回归方程如式(1)，二年生箭叶淫羊藿的回归方程如式(2)。可见环境中影响2种淫羊藿叶片光合最重要因子是ALMC，其次是Ci。

图9 2种淫羊藿叶片温度(Tl)日变化

表1 二年生箭叶淫羊藿净光合速率和生理因子通径系数

表2 二年生箭叶淫羊藿净光合速率和生态因子通径系数

表3 二年生箭叶淫羊藿净光合速率和生理生态因子相关系数

3 结论

（1）箭叶淫羊藿的净光合速率和表观叶肉导度均高于拟巫山淫羊藿。

（2）ALMC是影响2种淫羊藿净光合速率的最主要因素。在2种淫羊藿中，ALMC、Ci与净光合速率Pn通径系数较大，且它们的直接作用远高于对蒸腾速率(E)、气孔导度(C)、胞间CO2浓度(Ci)、叶温(Tl)、水分利用效率(WUE)的作用。Tl、C、WUE等与Pn的作用也均呈正相关关系；E呈负相关关系。

（3）对于箭叶淫羊藿而言，生态因子中，Ta对其影响最大，为正相关。RH的直接作用也呈正相关作用；而PAR的直接作用为负值，与Pn呈负相关作用，可见光合有效辐射对箭叶淫羊藿的光合作用影响不是主导因素，在生产当中可以采取遮阴和增加空气湿度的方法提高箭叶淫羊藿的净光合速率，从而提高其产量。

（4）对于拟巫山淫羊藿而言，生态因子中，RH对其影响最大，为正相关，而Ta对其影响与箭叶淫羊藿刚好相反，可见拟巫山淫羊藿对温度的变化更为敏感，高温不利于其光合作用的进行。在生产当中可以采取增加空气湿度、降低环境温度的方法提高其净光合速率，从而提高产量。

表4 二年生拟巫山淫羊藿净光合速率和生理因子通径系数

表5 二年生拟巫山淫羊藿净光合速率和生态因子通径系数

表6 二年生拟巫山淫羊藿净光合速率和生理生态因子相关系数

4 讨论

拟巫山淫羊藿和箭叶淫羊藿的光合日变化均呈现“双峰型”曲线，这与前人在黄芩[13]和柔毛淫羊藿[9]等植物上的研究结果类似。两者均出现了“光合午休”现象，“光合午休”是植物对强光照、干旱等某些特定环境的一种调节适应方式，研究表明它有利于植物在逆境条件下生存[14]。例如，光合午休时植物的气孔关闭，可以避免植物叶片水分散失和光合器官的破坏。植物的光合作用能力主要受到植物自身因素以及外界生态、生理因子等的影响。研究发现在不同的外界环境下植物发生“光合午休”原因不同[15-16]。光可以通过调节光合机构发育、活化光合作用关键酶、提高同化力形成所需能量及调节气孔开放来影响植物的生长发育[17-18]。

总之，拟巫山淫羊藿和箭叶淫羊藿的光合日变化不尽相同，箭叶淫羊藿的净光合速率较拟巫山淫羊藿高，两者的净光合速率和人参、西洋参[19-21]的净光合速率接近，这是由植物自身的特性决定的。姚渝丽[22]对北五味子的研究结果表明，ALMC与Pn极显著正相关，这与笔者的结果相吻合。两者的表观叶肉导度不同，以箭叶淫羊藿的为大，由于表观叶肉导度是影响两者净光合速率的主要因素，因此也使得箭叶淫羊藿的净光合速率较大。2种淫羊藿对环境因子的响应不尽相同，因此在实际生产中，应当采取不同的栽培策略相同，因此在实际生产中，应当采取不同的栽培策略。光合作用与植物的初生代谢密切相关，作为药用植物，还应考虑其有效成分的含量，这涉及到植物的次生代谢，也受到光等环境因子的影响[23-26]，在实际生产中应根据栽培目的合理调整栽培策略。

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Two Epimedium Species:Diurnal Variation of Photosynthesis

Pan Junqian,Gu Xiaohong,Guo Baolin
(Institute of Medicinal Plant Development,Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College/ Key Laboratory of Substance Base and Resource Utilization of Chinese Herbal Medicine,Ministry of Education, Beijing 100193,China)

Epimedium pseudowushannenseis the first cultivated species ofEpimedium,but the cultivation technology ofEpimediumsagittatum is not mature yet.To further study the two kinds ofEpimedium,and provide basis for actual production,the diurnal variation of photosynthetic and eco-physiological characteristics of these two species was studied by the CI-340 Portable Photosynthesis System under natural conditions.The net photosynthetic rate(Pn),stomatal conductance(C),intercellular CO2concentration(Ci), photosynthetically active radiation(PAR),relative humidity(RH),air temperature(Ta),apparent mesophyll conductance(ALMC),transpiration rate(E),leaf temperature(Tl),water use efficiency(WUE)and other photosynthetic physiological factors and environmental factors were measured.The obtained data were analyzed by correlation analysis,path analysis and stepwise multiple-regression analysis to explore the relationship between the net photosynthetic rate and physiological factors.The results showed that:(1)the daily variation ofPn,E,ALMC,CofE.pseudowushanensehad a‘two peak type’,Pnhad an obviously midday depression phenomenon;(2)PnandALMCofE.sagittatumwere significantly higher than those ofE. pseudowushanense;(3)the correlation analysis,path analysis and stepwise regression analysis showed thatALMC,Ciplayed an important role inPnand ranked asALMC＞Ciin two species.In actual production,the two kinds ofEpimediumshould adopt different cultivation strategies.

Epimedium pseudowushannense;Epimediumsagittatum;Net Photosynthetic Rate;Diurnal Variation of Photosynthesis

Q94

A论文编号：cjas16100019

国家自然科学基金项目“光影响巫山淫羊藿黄酮类化合物代谢的机理及小RNA的调控作用”(81473302)。

潘俊倩，女，1989年出生，山西阳泉人，博士研究生，研究方向为药用植物生理生态以及次生代谢。通信地址：100193北京市海淀区马连洼北路151号药用植物研究所科研楼323室，Tel：010-57833134，E-mail：panjunqian123@163.com。

郭宝林，女，1966年出生，山西人，研究员，博士，主要从事药用植物资源学研究。通信地址：100193北京市海淀区马连洼北路151号药用植物研究所科研楼404，Tel：010-57833172，E-mail：guobaolin010@163.com。

2016-10-18，

2016-12-02。