彩色马铃薯光合光响应曲线模拟及其特征参数分析

许国春，罗文彬，李华伟，许泳清，纪荣昌，李国良，林赵淼，邱思鑫，汤 浩

（福建省农业科学院作物研究所/农业农村部南方薯类科学观测实验站/福建省特色旱作物品种选育工程技术研究中心，福建 福州 350013）

0 引言

【研究意义】彩色马铃薯是指块茎的皮和（或）肉为紫、红、蓝或橙色的马铃薯[1]，其具有丰富的营养价值[2]，富含花青素、多酚与维生素C 等多种功能成分[2-3]。研究表明，花青素提取物具有抗氧化[4]、抗癌[5]、降血糖[6]等多种保健功能，而且花青素提取物稳定性较好，色素产量也较高[7-9]。目前我国对彩色马铃薯的研究主要围绕品种选育和品质分析展开[1-2]，对与植株生长发育密切相关的生理研究较少。叶片光合作用是作物产量形成的基础，马铃薯块茎中95%以上的干物质来源于光合作用积累[10]，在光合生理研究领域，光合-光响应及其模拟是重要方向及手段[11-12]，通过光响应曲线的拟合可估算植物最大净光合速率、光饱和点、光补偿点、暗呼吸速率和表观量子效率等重要的光合参数，揭示叶片光化学效率[13]。因此，研究光合光响应曲线及其特征参数有助于理解彩色马铃薯产量与品质的形成，对于其引种、育种及栽培管理也有重要意义。

【前人研究进展】针对马铃薯叶片光合光响应曲线及其特征参数，黄美杰等[14]研究了正常灌溉和干旱胁迫下大西洋和克新1 号的光合光响应特征，发现干旱胁迫下2 个品种的最大净光合速率和光饱和点均发生下降，且克新1 号在干旱条件下对光的适应性更强；张贵合等[15]通过测定光响应曲线发现，马铃薯Y 病毒和S 病毒复合侵染会导致马铃薯最大净光合速率显著降低，进而影响叶片光合作用的正常进行；另有研究发现CO2浓度升高与大气增温提高了马铃薯在弱光条件下的光合能力，以及最大净光合速率[16]。【本研究切入点】总体而言，马铃薯光响应研究数量依然较少，且少有涉及光响应模型的选择，也未见以彩色马铃薯为对象的相关报道。

【拟解决的关键问题】本研究以普通和彩色马铃薯为材料，采用目前国际上较常用的直角双曲线模型[17]、非直角双曲线模型[18]、直角双曲线修正模型[19]和指数模型[20]对马铃薯光响应曲线进行拟合，并结合叶片气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）的光响应规律，比较分析不同品种间光合特征参数差异，以期确定马铃薯光响应曲线的最适拟合模型，揭示彩色马铃薯光响应特征，最终为彩色马铃薯新品种选育和栽培管理提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本研究在宁德市周宁县的福建省农业科学院作物研究所马铃薯高山科研基地（N27°12'，E119°28'）进行。以紫肉和红肉马铃薯为研究对象，普通黄肉马铃薯为对照，每种类型选取2 个品种，黄肉品种为费乌瑞它和闽薯1 号，紫肉品种为黑金刚和闽彩薯3 号，红肉品种为红美和闽彩薯4 号，共6 个品种，基本信息见表1。参试马铃薯采用盆栽种植，于2019 年3 月28 日播种，3 次重复，每个重复6盆，每盆1 株。材料种植过程中水肥、病害等管理一致。

1.2 气体交换参数测定

净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）等叶片气体交换参数采用便携式光合仪（Li-6400XT, Li-Cor Inc., USA）测定，于马铃薯盛花期晴天进行，具体时间为2019 年5 月20 日、23 日和24 日，共测定3 次（最后取均值）。选取生长正常、长势一致的植株进行测定，每个品种3 株，3 次重复，测定对象为主茎倒数第4 片完全展开叶的顶小叶。测量时，采用红蓝光源叶室，使用外置小钢瓶-CO2注入系统将CO2浓度控制为400 μmol·mol-1，光辐射强度（PAR）由高到低设置为2 000、1 500、1 200、1 000、750、500、250、150、100、60、20、0 μmol·m-2·s-1，由Li-6400XT 内 置程序自动测定不同PAR 下的气体交换参数。

表1 6 个参试品种基本信息Table 1 Information on 6 potato varieties under study

1.3 模型拟合与评价

1.3.1 Pn-光响应曲线模拟 通过光合计算软件（光合4.1.1）应用直角双曲线模型（RH）、非直角双曲线模型（NRH）、直角双曲线修正模型（MRH）和指数模型（EM）对Pn-光响应数据进行模拟，表2为4 种模型的数学表达式。通过最适模型拟合光响应曲线获得初始量子效率（α）、最大净光合速率（Pn-max）、光饱和点（LSP）、光补偿点（LCP）、暗呼吸速率（Rd）等光合参数。采用直线方程拟合弱光条件下（≤200 μmol·m-2·s-1）的光响应数据，得到表观量子效率（AQY，μmol·m-2·s-1）[16]。

表2 4 种光响应模型及其数学表达式Table 2 Light response models

1.3.2 模型评价 选用决定系数（R2）、均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）评价4 种模型的拟合优度，R2越大、RMSE 和MAE 越小则说明拟合优度越好。R2由光合软件4.1.1 计算得出，RMSE 和MAE 计算公式如下[21]：

式中，Yo,i和Ym,i分别代表净光合速率的观测值与模型拟合值；n 为观测值个数。

1.4 数据分析

采 用Microsoft Office Excel 2013 和SPSS 19.0 进行数据统计和方差分析，Duncan’s 新复极差法进行差异显著性检验（P＜0.05），运用Origin 2016 软件进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 Pn-光响应曲线拟合

从图1 可见，在弱光阶段，RH、NRH、MRH 和EM 4 种模型的拟合值与实测值均较接近，拟合效果较好；当PAR 大于250 μmol·m-2·s-1，不同模型的拟合效果出现差异，其中RH、NRH 和EM 模型无法对黑金刚、闽彩薯3 号和闽彩薯4 号在PAR≥500 μmol·m-2·s-1后的光响应部分进行准确拟合，而MRH模型拟合的Pn与实测值最为接近，拟合效果最好。

当PAR 为0～250 μmol·m-2·s-1，6 个马铃薯品种的Pn均随PAR 的增加呈快速上升趋势，品种间无明显差异，而在PAR 超过250 μmol·m-2·s-1后，各品种Pn对光的响应表现不一：随PAR 增大，费乌瑞它和闽薯1 号Pn上升较彩色品种明显，在PAR 为1 500 μmol·m-2·s-1左右达最高，此后出现不同程度的光抑制现象；红美Pn在PAR 为1 200 μmol·m-2·s-1后趋于平稳，无明显光抑制；黑金刚、闽彩薯3 号和闽彩薯4 号等彩色品种在PAR 为750～1 000 μmol·m-2·s-1区间内Pn即达最高点，随后均出现明显光抑制。

图1 4 种光响应模型拟合的彩色马铃薯光响应曲线Fig.1 Light response of colored potato fitted on 4 models

2.2 光响应模型的拟合优度

为定量检验4 种模型的拟合效果，本研究引入决定系数（R2）、均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）来评估模型的拟合精度。从表3 可知，除红美外，MRH 模型拟合的其他5 个品种光响应曲线的R2最大，而RMSE 和MAE 最小，说明其拟合精度高；EM 模型对红美光响应曲线的拟合精度也较高，其R2、RMSE 和MAE 与MRH 模型相差不大。综合分析，4 种模型中对马铃薯光响应曲线拟合优度最佳的为MRH 模型。因此，本研究各品种光响应特征参数均采用MRH 模型拟合值进行分析。

表3 4 种光响应模型的拟合优度Table 3 Goodness-of-fit on 4 light response models

2.3 Pn-光响应曲线特征参数

2.3.1 最大净光合速率和光饱和点 不同马铃薯品种间的Pn-max和LSP 差异明显（表4）。彩色品种黑金刚、闽彩薯3 号和闽彩薯4 号的Pn-max和LSP 均低于普通品种，与闽薯1 号相比则下降显著，Pn-max降幅分别为25.2%、22.5%和40.0%，LSP 降幅分别为45.2%、53.7%和61.5%。说明3 个彩色品种的光合潜能较低，且在强光条件下更易受到抑制。在彩色品种中，红美的Pn-max及其LSP 最高，其Pn-max显著高于闽彩薯4 号，且与费乌瑞它无显著差异，而LSP 仅次于闽薯1 号，说明红美对强光的利用能力较高。

2.3.2 光补偿点、暗呼吸速率和表观量子效率LCP、Rd和AQY 是反映植物利用弱光能力的重要参数。测定结果表明，LCP 和Rd最低的为闽彩薯3 号（表4），其LCP 比最高的闽薯1 号显著低26.3%，Rd则显著低于闽薯1 号、黑金刚和红美；费乌瑞它的Rd也相对较低，比最高的红美明显低32.4%。对AQY 而言，不同品种间的差异也比较明显（表4），闽薯1 号的AQY 最高，相比红美和闽彩薯4 号分别高21.7%和12.3%，且均达显著水平。以上结果说明，闽彩薯3 号对弱光有较强的适应能力。

2.4 Gs、Ci 和Tr 的光响应

2.4.1 Gs-光响应 Gs-光响应过程与Pn相似，在PAR为0～150 μmol·m-2·s-1范 围 内，6 个 马 铃 薯 品 种 的Gs均快速上升，随后除费乌瑞它、闽薯1 号和红美还有明显上升趋势外，其他3 个彩色品种均在PAR为250～500 μmol·m-2·s-1便达到最高点，后呈缓慢下降趋势。由图2-A 可知，闽薯1 号Gs在不同光强下均最高，且随PAR 增加而增加，费乌瑞它和红美则在PAR 约为1 200 μmol·m-2·s-1时达到最高点后出现下降，尤其是费乌瑞它下降显著。

2.4.2 Ci-光响应 随着PAR 增加，6 个马铃薯品种的Ci总体呈现先迅速下降后趋于平缓的变化趋势（图2-B）。与Pn和Gs在弱光阶段的响应特征相反，Ci在PAR 为0～250 μmol·m-2·s-1范围内随光强增 加 而 明 显 下 降。在PAR 大 于750 μmol·m-2·s-1阶段，闽薯1 号Ci存在缓步上升趋势，且明显高于其他品种，在该光强范围，费乌瑞它和红美的Ci也保持较高水平，但费乌瑞它Ci在PAR 为2 000 μmol·m-2·s-1时出现明显下滑。

2.4.3 Tr-光响应 Tr-光响应过程呈现先快速上升再平稳后下降的总体趋势，与Pn和Gs-光响应相似（图2-C）。费乌瑞它、闽薯1 号和红美3 个品种的Tr在PAR 为1 200 μmol·m-2·s-1之前，上升趋势都较明显，而黑金刚、闽彩薯3 号和闽彩薯4 号3 个彩色品种在PAR 为500 μmol·m-2·s-1之后的变化则相对平缓。随着光强增大，不同品种间的Tr差异逐渐变大，在PAR 为500～1 500 μmol·m-2·s-1，闽薯1 号＞费乌瑞它＞红美＞闽彩薯3 号＞黑金刚＞闽彩薯4 号，而此后费乌瑞它Tr出现明显下降，且低于红美。

表4 直角双曲线修正模型拟合的彩色马铃薯Pn-光响应曲线特征参数Table 4 Photosynthetic parameters of colored potato on Pn-PAR curves fitted in MRH model

图2 彩色马铃薯Gs（A）、Ci（B）和Tr（C）的光响应过程Fig.2 Light response process of Gs （A）, Ci （B）, and Tr （C） of potato plants bearing colored tubers

3 讨论与结论

3.1 不同光响应模型对马铃薯光响应曲线的拟合效果

利用光响应模型对光响应曲线进行拟合是估算植物Pn-max、LSP、LCP、Rd等光合参数的主要方法，因此选择拟合优度高的模型十分重要[21]。本研究比较了RH、NRH、MRH 和EM 等4 种光响应模型在马铃薯中的应用效果，结果发现，在弱光阶段4 种模型的拟合精度均较高，但是随着光强增加，各模型曲线的斜率出现明显差异。RH、NRH 和EM 模型无法准确模拟LSP 较低的品种在强光条件下的Pn，拟合值与观测值相差较大（图1-C、D、F），这是因为RH、NRH 和EM 模型的数学表达式均是一条没有极点的渐近线，无法用它们拟合Pn随光强增加而下降的响应阶段[13]，即无法对光抑制过程进行拟合。但对于LSP 较高、无明显光抑制的品种，EM 模型也表现出较高的拟合精度（图1-B、E）。MRH 模型通过引入光抑制项β 和光饱和项γ 解决了其他3 种模型无法拟合光抑制过程的缺陷[22]，所以对本研究6 个马铃薯品种光合响应曲线的拟合效果均较好，R2均在0.99 以上，RMSE 和MAE 也最低。因此，MRH模型是本研究中马铃薯光响应曲线的最适拟合模型，在其他植物中也发现这一模型的拟合优度最佳[23-24]。

3.2 彩色与普通马铃薯光响应参数的差异

Pn-max反映了植物叶片的最大光合能力，是表征植物光合作用潜能的重要参数[13]。分析发现，不同马铃薯品种间的Pn-max差异显著，彩色品种均低于普通品种（，说明彩色马铃薯叶片的光合潜能小于普通品种。产生这一现象的原因可能与两类马铃薯叶片的气孔运动差异有关。气孔作为光合作用底物CO2进入叶片的通道，其开闭直接影响光合效率[25]。本研究从Gs对光的响应中发现，随着光强的增加，彩色品种Gs普遍低于普通品种，说明大气CO2进入彩色马铃薯叶片的阻力可能更大，限制了CO2的供应，进而使光合潜能降低。Ci对光的响应过程也证明，彩色马铃薯较低的Gs使胞间CO2浓度下降。另外，本研究彩色马铃薯材料的茎秆颜色均为绿带褐色，叶绿素含量较低，这也可能是导致彩色马铃薯Pn-max低于普通品种的原因。

LSP 表征了植物对强光的适应能力，除红美外，其余彩色品种的LSP 都未超过1 000 μmol·m-2·s-1，远低于普通品种，说明彩色马铃薯对强光的适应性普遍较差，黑金刚、闽彩薯3 号和闽彩薯4 号都存在明显的光抑制现象。因此，今后可借助遗传改良手段来提高彩色马铃薯的LSP，增加其对强光的利用能力，最终提高光合生产力。红美对强光的适应性要好 于 其 他 彩 色 品 种，在 光 强 大 于750 μmol·m-2·s-1后Pn还处于上升趋势，且未出现明显光抑制，所以其Pn-max也较高。从Gs、Ci和Tr的光响应曲线可见，在不同光强下，红美这3 项气体交换参数基本都高于其他彩色品种。

LCP、Rd和AQY 是描述植物对弱光利用能力的3 个参数[26-27]，其中LCP 越低反映弱光利用能力越强[13]，Rd低说明无光条件下呼吸强度小、生理活性弱[25]，AQY 越高则表示叶片光能转化效率越高[28]。本研究结果表明，两类马铃薯的弱光利用能力没有表现明显区别，但品种间存在一定差异。在6 个品种中，彩色品种闽彩薯3 号的LCP 和Rd均最低，AQY 也处于较低水平，说明该品种对弱光的利用能力较其他品种强；而闽薯1 号虽然在弱光下的光转化能力强（AQY 最高），但是暗呼吸速率也较高，生理活性活跃，其LCP 也高于其他5 个品种，总体表现为对弱光的利用能力差。

总之，本研究中只有直角双曲线修正模型可准确拟合彩色和普通马铃薯的整个光响应过程，应用该模型拟合不同品种（系）光响应曲线发现，彩色品种（系）最大净光合速率均低于普通品种，光饱和点也普遍小于普通品种，说明彩色马铃薯光合潜力较低。但彩色和普通马铃薯对弱光的利用能力没有明显区别。在4 个彩色品种中，红美的最大净光合速率最高，但对弱光的利用能力最低，与之相反，闽彩薯3 号的弱光利用能力最强。