花龟竹与龟甲竹的光合荧光特性比较

朱志勇，陈晓东，张韫，吴昌明，郭起荣,2

(1．国际竹藤中心 国家林业局竹藤科学与技术重点开放实验室，北京 100102；2．南京林业大学南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037)

奇异观赏竹一直备受育种栽培者的关注，像竹秆布满褐色的紫斑或者枣红色花斑的斑竹(Phyllostachysbambusoidesf.lacrima-deae)[1]，秆短小畸形状如佛肚的佛肚竹(Bambusaventricosa)[2]，竹秆紫黑色的紫竹(Phyllostachysnigra)[3]和植株矮小竹叶宽大的阔叶箬竹(Indocalamuslatifolius)[4]等，在园林绿化或庭院景观应用中深受人们喜欢.近年来，对于奇异观赏竹光合荧光特性的研究多有报道，例如，通过对龟甲竹光合日变化、光响应的测定，探究主要生理生态因子对光合作用的影响[5]；测定5种地被竹叶绿素荧光鉴定地被竹不同种光合活性、耐光抑制能力来指导生产实践中植物的配置、栽培[6]；利用叶绿素荧光测定4个紫竹栽培类型来选育优良高效竹种[7]以及通过对叶绿素荧光参数Fv/Fm年变化规律探讨3种观赏竹在北京地区的适应性[8]等.深入了解奇异观赏竹类植物光合作用的运转和调节机理、光合作用与其他生命活动的协调及其对环境变动的响应和适应，不仅为竹类的生理生态学研究积累了基础资料，且在生产上为奇异观赏竹种的栽培、管理和利用提供了科学依据.

花龟竹(Phyllostachysedulis‘Mira’)是毛竹种中新近发掘的一份优特种质，是由人工栽培龟甲竹(Phyllostachysedulis‘Kikko-chiku’)的变异植株经进一步分离、移栽克隆培育而成的新品种.2004年在竹林中发现，后经十几年移栽栽培，性状表现稳定，2015年10月通过新品种认定(品种权号：20150085).花龟竹的重要形态特征是秆下部节交互歪斜如龟甲状，另一侧节间偏肿，秆和枝条具有宽窄不同的黄绿纵条纹，分枝下的纵沟槽为绿色，部分叶也有淡黄色细纵条纹，地下茎在土壤中呈黄色，出土见阳光后有绿色纵条纹，原产于浙江安吉县灵峰街道大竹园村[9]，是良好的园林观秆观叶的奇异观赏竹类.目前(2018年)市场上胸径3～10 cm龟甲竹活竹的价格在300～1 200元/株，龟甲竹带芽竹根8～45元/根，花龟竹秆色比龟甲竹更加鲜艳亮丽，价格因此也多倍翻转，据培育农户介绍目前因规模有限未投入市场，但已有众多商家预定.花龟竹极高的观赏价值，良好的市场前景，但其培育的数量有限(不足千余棵)，亟待研究花龟竹的光合生理特性为生产实践做指导.测定自然状态下叶片对光作出反应的光合生理数据，能够反映植物光合作用的机理和光合生理的状态[10]，从而可以有效地评价植物对光环境的适应性及自身的生理特性.本研究对花龟竹自然状态下光合作用-光/CO2响应曲线及叶绿素荧光生理特性进行测定，同时与龟甲竹之间的差异做比较分析，旨在为其栽培、遗传变异研究积累数据.

图1 花龟竹Figure 1 Phyllostachys edulis‘Mira’

1 材料与方法

1.1 试验材料

研究地点位于浙江湖州市安吉县灵峰街道大竹园村，属于安吉递铺野龙林场，地理坐标为N 30°59′，E 119°62′，海拔高度60 m，地带性土壤类型为黄壤.年平均气温16.6 ℃，年平均降水量1 344.1 mm，降水140 d，属亚热带季风气候，适合大部分植物生长.供试材料为随机选择林场内的正常生长花龟竹、龟甲竹各3株，于2017年9月下旬上午(8∶00～11∶00)，从每株中部向阳枝条上选取3～5片当年生成熟健康叶片，试验选择晴朗无风的天气.

1.2 试验方法

1.2.1 光合-光响应的测定 采用美国Li-Cor公司生产的Li-6400XT便携式光合测定系统，红蓝光源可控制光合有效辐射强度(PAR).仪器设定：根据外界环境，叶室温度控制在(25±1)℃，流速500 μmol/s，CO2浓度为大气浓度.光合有效辐射(PAR)设置梯度为：2 000、1 600、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50、0 μmol/(m2·s)，每个辐射强度设定时间间隔120 s，每次测量前将叶室光合有效辐射(PAR)设为1 200 μmol/(m2·s)，先对叶片预处理10 min，再测定其光合参数：净光合速率Pn、气孔导度Cd、胞间CO2浓度Ci、蒸腾速率Tr、叶片温度Tleaf、空气相对湿度RH等.光响应曲线拟合采用模型：直角双曲线修正模型[11-12].模型参数的初始值设定为：α=0.05，β=0.000 1，γ=0.01，Rd=1.0，可根据公式直接得出最大净光合速率(Pnmax)、初始表观量子效率(α)、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)和暗呼吸速率(Rd)等参数数值.

1.2.2 CO2响应曲线的测定 利用Li-6400XT自带ACI-curve曲线测定功能，使用液化CO2小钢瓶提供样本室CO2浓度，设置饱和光强1 200 μmol/(m2·s)，叶室温度为25 ℃、空气相对湿度为60%.测定时用CO2注入系统控制其浓度(CO2浓度值分别设为：400、200、100、50、100、150、200、400、600、800、1 000、1 200、1 500、1 800、2 200 μmol/mol)，采用自动程序测量.利用直角双曲线修正模型[11-12]拟合CO2响应曲线，得出初始羧化效率(CE)、光合能力(Amax)、饱和胞间CO2浓度(Cisat)、CO2补偿点(Γ)和光呼吸速率(Rp)等参数数值.

1.2.3 叶绿素荧光参数和快速光响应曲线的测定 采用IMAGINGPAM便携式叶绿素荧光仪，选择南向枝条受光均匀3～5片成熟叶片，结果取其平均值.每次测量前叶片进行暗处理20 min，打开测量光，在每叶片叶肉部分选择荧光点10个，测量得到的是暗适应叶片的最小荧光(F0)，再打开饱和脉冲测定得到叶片的最大荧光(Fm).暗适应叶片PSⅡ光化学猝灭系数(qP)、非光化学猝灭系数(NPQ)、PSⅡ光化学效率(ΦPSⅡ)、表现光合电子传递速率(ETR)均由仪器测定.叶绿素荧光参数可变荧光Fv=Fm-F0，其他参数值均由仪器直接测定取其平均值.然后进行快速光响应曲线(RLC)的测定.对自然光诱导叶片1～1.5 h后，进行连续光化光梯度(0、21、41、76、134、205、249、298、371、456、581、726 μmol/(m2·s)，淬灭分析，各梯度光强照射10 s后仪器发射饱和脉冲，直到726 μmol/(m2·s)结束，从而得到各项叶绿素荧光动力学参数.应用直角双曲线修正模型[11-12]拟合ETR-PAR响应曲线，得出植物快速光响应曲线的初始斜率(θ)、最大电子传递速率(ETRmax) 及对应的饱和光强(PARsat).

1.3 数据处理

应用Excel 2010、SPSS 20.0统计软件对光合数据进行统计分析及方差分析并作图.

2 结果与分析

2.1 花龟竹的光响应曲线特征

光合作用-光响应曲线(Pn-PAR)可以直接反映植物对光的利用能力.从图2-A可以看出，花龟竹的Pn对PAR的响应与龟甲竹相同.在PAR<150 μmol/(m2·s)时，Pn近似直线增加.随着PAR的增强Pn值增大，随后缓慢增长，达到一定数值(即饱和光强)，出现平缓或开始下降趋势.但花龟竹与龟甲竹一样，在较高光照下仍能保持Pn数值，表明花龟竹和龟甲竹叶片光系统受光抑制程度较轻，强光下保持较高的光合活性与光能利用率.

采用直角双曲线修正模型能客观描述其光合-光响应曲线，计算出两份竹种质的光响应特征参数(表1).花龟竹的Pnmax为9.19 μmol/(m2·s)，后者是花龟竹的1.19倍，表明花龟竹光合能力略低.花龟竹LSP为1 213.25 μmol/(m2·s)，与龟甲竹没有显著差异，表明对强光的适应能力基本相同.花龟竹的LCP和Rd分别为7.54 μmol/(m2·s)和0.354 μmol/(m2·s)，比龟甲竹略大但不显著且数值皆较小，说明对弱光的利用能力较高及在无光条件下具有较低的呼吸速率.

由图2-B～图2-D可以看出，花龟竹的Cd、Ci、Tr的变化趋势与龟甲竹基本保持一致，且数值都略小于龟甲竹.花龟竹的Cd、Tr值随着PAR的增大而增强，随后缓慢增长或出现平缓.PAR在0～400 μmol/(m2·s)时，Cd快速增长.当PAR>400 μmol/(m2·s)，气孔已经慢慢全部开放，逐渐缓增直到平稳.Ci在PAR≤200 μmol/(m2·s)时，快速减小，这个过程是叶片光合作用初期急速增加阶段，快速消耗细胞内CO2，之后叶片消耗与外界扩散达到一定平衡，Ci基本维持稳定.Tr反应的是叶片水分代谢的强弱，花龟竹的蒸腾速率和龟甲竹基本保持一致变化.随着PAR增加，叶片对光的吸收能力增大，气孔逐渐开放，Cd增加，叶片蒸腾加速，Tr增大，Ci急速下降后趋于稳定，之后增幅逐渐减小.

2.2 花龟竹的光合作用-胞间CO2响应曲线特征

利用直角双曲线修正模型拟合花龟竹叶片光合作用-胞间CO2响应曲线并计算出相应的特征参数(图3；表2).从图3可见，花龟竹的Pn对胞间CO2响应趋势与龟甲竹相似，随着Ci的增加而上升.在Ci<400 μmol/mol时，Pn接近呈直线上升，之后，Pn随Ci增加而减缓.当Ci到达2 200 μmol/mol时，开始接近饱和CO2浓度，慢慢才出现CO2饱和现象.相同CO2浓度下，叶片的Pn为花龟竹明显小于龟甲竹，表明花龟竹的碳同化能力弱于龟甲竹，这与光响应曲线中两者净光合速率也表现一致.

◆■：实测值；◇□：预测值. ◆■：Measured value；◇□：Fitted value，Same as below.图2 2份种质光合生理参数对不同光合有效辐射的响应Figure 2 Responses of Pn，Cd，Ci，Tr to light of two germplasm

表1 光响应特征参数(直角双曲线修正模型)(平均值±标准误)

Pn max、LCP、LSP、Rd单位均为μmol/(m2·s)；同列中不同的小写字母表示差异显著(P<0.05).

The unit ofPn max,LCP,LSPandRdare all μmol/(m2·s)；Different small letters in the same column indicate the significant difference(P<0.05).

由表2可知，在饱和光强1 200 μmol/(m2·s)条件下，花龟竹的CE、Cisat、Rp均最低且显著差异，比龟甲竹分别低37.27%、22.03%和29.27%，Amax也低23.52%但不显著，Γ高18.26%.张彦敏等[13]认为CE与Rubisco(酶)的活性大小和含量多少有关，花龟竹的羧化效率小于龟甲竹，所以龟甲竹较花龟竹具有较高的Rubisco(酶)活性，在较低的CO2浓度下也能具有较高的光合效率.花龟竹在饱和CO2浓度下Amax较饱和光下Pnmax高，反映了在饱和

光强下光合速率很大程度上受CO2浓度的限制.花龟竹的Cisat比龟甲竹低，反而Γ高，表明花龟竹对CO2利用幅度较龟甲竹窄.

图3 光合作用-胞间CO2响应曲线Figure 3 Intercellular CO2 response cures of photosynthesis in the heteromorphic leaves of bamboo

表2 叶片光合作用-胞间CO2响应曲线参数估算(直角双曲线修正模型) (平均值±标准误)

2.3 叶绿素荧光生理

2.3.1 叶绿素荧光参数特征 叶绿素荧光是研究植物光合作用有效的非损伤探针[14]，叶绿素荧光参数能表征植物叶片内部光合原件的运转情况.如表5所示，花龟竹与龟甲竹的F0、Fm、Fv/Fm、Fv/F0、NPQ、qP、ФPSⅡ和ETR两两之间的差异均不显著.Fv/Fm可表征PSⅡ反应中心光能的转化效率，花龟竹的Fv/Fm比龟甲竹低2.76%，表明花龟竹发生光抑制略高些.Fv/F0值反映PSⅡ潜在的光化学能力，与龟甲竹相比花龟竹的潜在活性更低.NPQ值常用来表示植物的热耗散能力，花龟竹比龟甲竹低11.88%，反映出花龟竹的耗散反应中心吸收过量光能的能力低于龟甲竹.qP可以表示PSⅡ的开放程度和原初电子受体QA的还原状态，qP越高，PSⅡ反应中心电子传递活性越大.花龟竹的qP比龟甲竹低3.58%，表明两者的PSⅡ的开放程度和PSⅡ反应中心电子传递活性相似.花龟竹ФPSⅡ比龟甲竹低2.99%，表明花龟竹实际光化学效率或光能转化效率略低于龟甲竹.ETR是反映实际光强条件下的表观电子传递速率，值大小与ФPSⅡ基本一致，越高越有利于提高光能的转化效率.花龟竹的ETR比龟甲竹低1.77%，总体上两者叶绿素荧光参数数值基本相同，反映出叶片内部光合元件运转情况相似，这可能是导致两者光合速率差异不显著的重要原因.

表3 叶绿素荧光参数比较(平均值±标准误)

2.3.2 叶绿素荧光光响应曲线特征 光合系统PSⅡ主要通过对叶片的光响应能力来反应对环境的适应性.ФPSⅡ是PSⅡ反应中心在有部分关闭情况下的实际原初光能捕获效率，反映叶片用于光合电子传递的能量占所吸收光能的比例[15].从图4-A叶绿素荧光响应曲线(ΦPSⅡ-PAR)可见，ФPSⅡ随着PAR增加而下降.低光强(PAR<205 μmol/(m2·s))下，ФPSⅡ下降快速，光强继续增加，ΦPSⅡ下降更缓慢直至最低.花龟竹在PAR<298 μmol/(m2·s)时ФPSⅡ下降快于龟甲竹，随后和龟甲竹下降速率近乎相同.ФPSⅡ略小龟甲竹，表明两者ФPSⅡ受强光的影响相同，具有很好的光能捕获效率和转化效率，有利于光合产物的积累.

ETR反映了实际光强下的表观电子传递效率和潜在的最大光合能力.从图4-B快速光响应曲线(ETR-PCR)可知，在PAR<134 μmol/(m2·s)时ETR增长迅速，随后增长逐渐放缓.至PAR为1 000 μmol/(m2·s)左右时，均达到最高值，两者的ETR变化趋势基本一致，表明花龟竹和龟甲竹受光抑制程度相同，光合活性也相同.θ表示光化学反应的启动效率；一般ETRmax越高，其耐光抑制能力就越强[16].从表4可知，花龟竹的θ最小，启动速率最慢，而龟甲竹启动速率快且两者显著差异.ETRmax花龟竹高(49.79 μmol/(m2·s))，龟甲竹低(48.81 μmol/(m2·s))，但两者不显著，表明两者耐光抑制能力相同，从侧面验证了花龟竹与龟甲竹光响应曲线在高光强下光合速率变化趋势基本一致的原因.

3 讨论

光合作用是影响植物生长发育的重要因素，植物的光合生理参数，如LCP、LSP、Pnmax等，已经成为科学制定栽培措施的重要依据[17].本研究对比龟甲竹，花龟竹的LCP为7.54 μmol/(m2·s)，LSP为1 213.25 μmol/(m2·s)，反映花龟竹对弱光适应性好，对光合的最适光强要求不高，具有一定耐阴性；对比龟甲竹，两竹种的光饱和点和光补偿点相近，表明两种质光合作用的光强利用范围相当.花龟竹Pnmax为9.19 μmol/(m2·s)，小于龟甲竹但不显著，与倪霞等[18]研究的相同地域(浙江)下Ⅱ度(3 a生)毛竹Pnmax(8.782 μmol/(m2·s)，相比略高，反映出花龟竹的叶片光合能力一般.一般阴性植物LCP<20 μmol/(m2·s)，本研究中两份竹种质的LCP在5.79～7.54 μmol/(m2·s)，LSP在1 224 μmol/(m2·s)左右时达到光饱和，一定程度上说明两份竹种质在弱光下能很好地利用光能且对强光具有一定的耐受性.这可能是因为竹子在适应光环境时受两个关键基因PePsbS1和PePsbS2的控制[19]，可以避免光抑制和增强光保护作用.

ΦPSⅡ：光系统Ⅱ实际光化学效率；ETR：电子传递速率；PAR：光合有效辐射.ΦPSⅡ：actual photochemical efficiency of photosystem Ⅱ;ETR：electron transport rate；PAR：photosynthetically active radiation.图4 叶绿素荧光响应曲线(ΦPSⅡ-PAR)和快速光响应曲线(ETR-PAR)(直角双曲线模型)Figure 4 The chlorophyll fluorescence response curves in the heteromorphic leaves of bamboo (ΦPSⅡ-PAR) and rapid light curves in the heteromorphic leaves of bamboo (ETR-PAR) (modified rectangular hyperbolic model).

表4 叶片快速光响应曲线参数估算(ETR-PAR)(直角双曲线修正模型) (平均值±标准误)

叶绿素荧光动力学参数主要表征植物叶片内部光合原件的运转情况[5].花龟竹与龟甲竹各叶绿素荧光参数无显著差异，表明花龟竹光系统PSⅡ反应中心的状态在同一环境下表现相似，导致花龟竹与龟甲竹的光合速率差异不显著，且龟甲竹的Fv/Fm、ФPSⅡ与ETR等皆略高于花龟竹，相应的光合响应测定的光合速率也略高.测定快速光响应曲线可反映花龟竹叶ФPSⅡ、ETR随PAR的强度变化而做出反应及评估PSⅡ的状态.ФPSⅡ可反映光抑制的程度，ФPSⅡ的下降可被认为是PSⅡ功能的下调.花龟竹用于光合电子传递的能量占所吸收光能的比例(ФPSⅡ)随PAR增加而下降，表明光抑制程度不断加重，强光使得光能转化效率和PSⅡ开放中心开放部分的比例明显下降，碳同化的光能减少.花龟竹相比较龟甲竹ФPSⅡ对PAR反应基本表现一致，ETR亦是两者相同，变化趋势的数值大小相近，表明两者的耐光抑制能力相同，在不同的PAR下PSⅡ反应中心的状态基本相同，这与光合-光响应曲线两者变化趋势及数值大小相近表现一致，从而解释了花龟竹与龟甲竹光合效率相同的原因.叶绿素荧光参数与光合作用中各反应过程密切相关，所有环境因子对光合作用的影响都能通过叶绿素荧光动力学反映出来[20].叶绿素荧光参数能很好地反映PSⅡ系统的状态，植物不受胁迫Fv/Fm为0.75～0.85，本试验Fv/Fm小于0.75，明显此时叶片已经受到胁迫，可能因测定时间(10月)有关，亦可能与竹林有移栽扩种的历史有关(伤根)，试验环境阻碍或抑制了竹的生长.高培军等[21]研究认为施氮素肥可提高毛竹的光合能力及薛磊等[22]研究发现施肥鼓节竹可提高竹子的光合效率及出笋量，可以考虑探索合理的施肥措施增加花龟竹光合能力和光化学活性及发笋量，以利于扩增花龟竹的规模.

花龟竹的光响应曲线(Pn-PAR)、胞间CO2响应曲线、叶绿素荧光响应曲线(ΦPSⅡ-PAR)和快速光响应曲线(ETR-PAR)与龟甲竹的变化趋势基本一致，关键性光合生理参数(Pnmax、Amax、ΦPSⅡ、ETRmax等)之间无显著差异，可能是因为花龟竹是龟甲竹的栽培变种，亲缘关系接近，叶片光合能力也接近.

4 结论

花龟竹与龟甲竹的光合荧光特性无明显差异，根据本研究花龟竹与龟甲竹光合荧光特性基本相同，可据孙章节[23]研究的龟甲竹栽培技术对花龟竹进行扩大增殖、抚育和管理等，并且花龟竹与龟甲竹都具有较强的弱光利用能力，在竹林栽培时，可以考虑在一定光照的山坡阴面适当种植或城市美化景观配植时，可适度进行密植，增加竹林的整齐度观赏价值，发挥竹林最大的生态价值.