萘乙酸对太子参光合特性的影响

时 蕾，袁婷婷，许中秋，谢寅峰

（南京林业大学南方现代林业协同创新中心∕生物与环境学院，江苏南京 210037）

【研究意义】太子参（Pseudostellaria heterophylla）为石竹科草本植物，以干燥块根入药，是我国传统的名贵中药材[1]。近年来，随着太子参药用成分的开发利用，太子参需求量急剧增加，但在实际生产过程中，由于种植技术的不规范、连作障碍[2]、病虫害侵染等原因导致人工栽培产量下降，效益不高。高效栽培技术的研究有助于解决太子参生产中的实际问题。光合作用是植物物质生产与产量的基础。研究表明，高海拔环境可以促进太子参的光合作用，进而促进太子参块根的膨胀，最终导致太子参产量的提高[3]；叶面喷施多效唑可提高太子参叶片的净光合速率，进而提高产量[4]。因此，探讨提高太子参光合性能的方法及其机制的研究具有重要的理论和现实意义。【前人研究进展】萘乙酸（NAA）为生长素类植物生长调节剂，具有提高植株光合速率、加速叶绿素合成、促进植株生长、增强抗逆性等特性[5-6]。因其生产成本低、价格低廉，已被广泛应用于农林业生产。研究表明，萘乙酸叶面喷施处理可以调控茄子叶片形态建成，增加栅栏组织和海绵组织细胞体积和叶面积，提高茄子单株生物量和果实产量[7]；萘乙酸处理山药能够促进淀粉向还原糖的转化，进而加快光合同化物的积累[8]；在组织培养条件下，外施萘乙酸处理可以提高布氏萼凤梨叶片PSⅡ的活性，促进试管苗的生长[9]。【本研究切入点】自然生长条件下，有关生长素对光合作用调控作用及其机制的研究尚少。本课题组前期研究表明，适当浓度萘乙酸叶面喷施处理能够有效提高太子参块根产量、改善块根品质[10]，但对其增产的机制有待进一步探讨。【拟解决的关键问题】本研究通过对太子参叶片光合气体交换参数和荧光参数的测定分析，从光合特性的角度探讨萘乙酸增产的生理机制，为其高产栽培应用提供理论依据和技术途径。

1 材料与方法

1.1 试验地及材料

试验地位于江苏省镇江市下蜀镇南京林业大学下蜀林场，年平均气温15.2 ℃，年均降雨量1 104 mm，年均日照时数2 018 h，年均无霜期229 d；土壤为黄棕壤，耕层（0～20 cm）土壤全氮含量0.704 g∕kg、全磷0.146 g∕kg、有效磷12.5 mg∕kg、速效钾103.7 mg∕kg、有机质7.39 g∕kg、pH 4.5～5.5[10]。实验试剂为α-萘乙酸（分子式:C12H10O2），供试太子参（Pseudostellaria heterophylla）种子由福建省柘荣县种苗站提供。

1.2 试验设计

试验于2014年11月至2015年6月在南京林业大学下蜀林场进行。太子参种植、田间管理及萘乙酸处理方法同文献[10]。NAA处理浓度分别为0，10，20，50 mg∕L，以0 mg∕L为对照。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 叶绿素以及光合日变化参数 选取5月下旬晴天，采用便携式光合测定仪（Li-6400R，美国）进行光合日变化的测定，测定参数包括气体交换参数（Pn、Gs、Ci、Tr）和环境因子参数（Ta、φ、Ca、PAR）等。测定时间为08:00—18:00，每隔2 h测1次。每个处理随机选取6片成熟的太子参叶片，每处理组3株重复。叶绿素含量测定采用分光光度法[11]，每次测定间隔15 d，共进行4次测定。

1.3.2 叶绿素荧光参数 4—6月采用Technologica公司（英国）的叶绿素荧光快速成像系统Chlorophyll fluorescence Imager（CFImager）测定其各荧光动力学参数。每个处理随机选取6片成熟叶片，充分暗适应30 min后获取暗处理参数，测定完成后在800 mmol∕（m2·s）光强下对植株进行充分活化后获取光适应处理数据。每个处理3次重复。每次测定间隔15 d，共进行4次测定。测定的指标包括:暗适应下PSⅡ潜在光化学效率（Fv∕Fm），光适应下PSⅡ最大光化学效率（Fv′∕Fm′）和实际光化学效率（ηΦPSⅡ），电子传递速率（CETR），光化学淬灭系数（CPQC）和非光化学淬灭系数（CNPQ）。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2010和Origin 8.5分析软件进行数据处理、统计和相关分析。灰色关联分析参考文献[12]。

2 结果与分析

2.1 NAA对太子参光合日变化参数的影响

由环境因子日变化参数（图1）可知，测定当日天气晴朗，光合有效辐射（PAR）日变化曲线呈现典型的单峰型变化趋势，在14:00左右达到峰值，为1 600µmol∕（m2·s），平均为933.33µmol∕（m2·s）。大气温度（Ta）日变化与PAR类似，峰值也在14:00左右，平均为29.06 ℃。大气二氧化碳浓度（Ca）和相对湿度（φ）则与PAR和Ta相反，呈先下降后上升的变化趋势，在中午时刻出现低值。

图1 光合有效辐射、大气CO2浓度、大气温度和大气湿度日变化Fig.1 Diurnal variations of photosynthetic effective radiation（PAR），atmospheric CO2concentration（Ca），atmospheric temperature（Ta）and atmospheric humidity（φ）

图2A表明，各处理组太子参净光合速率（Pn）日变化曲线均呈典型的双峰型变化趋势，峰值分别出现在10:00和14:00，前峰高于后峰，中午时刻（12:00）出现明显的“午休”现象。与对照相比，不同浓度的萘乙酸处理虽未改变双峰型变化趋势，但均不同程度地提高了净光合速率日均值、峰值和谷值，有效缓解了“午休”现象，其中以10 mg∕L萘乙酸处理效果最佳，Pn日均值及12:00时谷值分别比对照增加41.57%和22.52%，均差异显著（P＜0.05）。

各处理组的气孔导度（Gs）日变化曲线与Pn变化趋势基本一致，呈双峰型变化，前峰高于后峰（图2B）。不同浓度的萘乙酸处理对Gs仅有不同程度的促进作用，以10 mg∕L效果最佳，Gs日均值比对照增加17.04%。随着处理浓度的增加，促进效果减弱。

由图2C可知，各处理胞间CO2浓度（Ci）日变化曲线总体均呈“W”型变化趋势，与Pn日变化相反，“午休”时胞间CO2浓度呈现相对高点。不同浓度的萘乙酸处理总体上均不同程度地降低了日变化进程中的Ci，包括“午休”时的峰值，以10 mg∕L处理影响最大，日均值比对照下降24.88%。

各处理Tr日变化曲线均呈现单峰型，在14:00左右达到峰值（图2D）。与对照相比，不同浓度的萘乙酸处理均不同程度地提高了太子参叶片的Tr，10，20，50 mg∕L质量浓度处理组Tr日均值分别增加了27.18%、13.85%、11.28%，均与对照呈显著差异（P＜0.05）。

图2 萘乙酸对太子参净光合速率（A）、气孔导度（B）、胞间CO2浓度（C）、蒸腾速率（D）的日变化影响Fig.2 Effects of naphthylacetic acid on diurnal changes of net photosynthetic rate（A），stomatal conductance（B），intercellular carbon dioxide concentration（C）and transpiration rate（D）of P.heterophylla seedlings

2.2 NAA对太子参叶绿素含量的影响

图3表明，不同质量浓度的外源NAA叶面喷施处理对太子参叶片叶绿素含量均有不同程度的提升作用，其中以10 mg∕L处理促进效果最佳，处理15，30，45，60 d后，分别比对照增加9.90%、12.92%、18.36%、17.64%，并且各时间点均与对照呈显著差异（P＜0.05）。随着处理浓度的增加，促进效应减弱，呈明显的浓度效应，以50 mg∕L处理促进效果最差。

图3 NAA对太子参叶片叶绿素含量的影响Fig.3 Effect of naphthyl acetic acid on chlorophyll content in leaves of P.heterophylla seedlings

2.3 NAA对太子参叶绿素荧光参数的影响

由图4A可知，试验期间各处理组Fv∕Fm均呈先升后降的趋势，与对照相比，不同浓度的萘乙酸处理均不同程度地提高了Fv∕Fm，以10 mg∕L处理促进效应最强，处理15，30，45，60 d后，分别比对照增加3.44%、3.47%、4.64%、3.83%，均达显著差异（P＜0.05）。随着萘乙酸处理浓度的增加，其促进作用减弱，呈现明显的浓度效应。

由图4F可知，各处理组叶片的CNPQ变化趋势与上述参数相反，随着处理浓度的增加呈先降后升的趋势。与对照相比，不同浓度的萘乙酸处理均降低了太子参叶片CNPQ，以10 mg∕L处理组最低，处理15，30，45，60 d后，分别比对照降低14.29%、17.60%、23.36%、12.28%，均达差异显著（P＜0.05）。

2.4 净光合速率与相关生理生态因子的灰色关联分析

为了进一步探讨内外环境因素对太子参光合作用的影响程度，将对照与最适浓度（10 mg∕L）处理下净光合速率与生理生态因子之间的关系分别进行了灰色关联分析。如表1所示，两者Pn与生理因子的关联度由大到小依次为Gs、Ci和Tr；与环境因子的灰色关联度由大到小依次为Ta、Ca、φ和PAR。影响Pn的主要环境因子均为Ta，而生理因子均为Gs。与对照相比，萘乙酸处理能够降低太子参叶片净光合速率与外界环境、生理因子的关联度。可见，适宜质量浓度萘乙酸处理能够降低内外环境因素变化对太子参Pn的影响。

表1 净光合速率与生理、生态因子的灰色关联度Tab.1 Gray relational degree between net photosynthetic rate and physiological，ecological factors

2.5 太子参各生理指标的相关性分析

通过分析太子参光合及荧光参数之间的相关性（表2），发现Pn与叶绿素含量、Gs、Tr、Fv∕Fm、CPQC、ηΦPSⅡ呈显著正相关（P＜0.05），而与Ci、CNPQ呈显著负相关，其中Pn与Ci的相关性最强，进一步表明萘乙酸处理下Pn的提升与气孔因素和非气孔因素的改善均有关，而非气孔因素的改善又与PSⅡ光化学活性的增强密切相关。

表2 太子参各生理指标之间的相关性Tab.2 Correlation of physiological indexes of radix pseudostellariae

3 讨论与结论

叶绿素是光合作用的重要色素，不仅参与光能的吸收，同时在光电转换过程中发挥关键作用[13]。本研究表明，适宜质量浓度萘乙酸叶面喷施处理显著提高了太子参叶片的叶绿素含量，这可能与萘乙酸刺激太子参根系的生长、促进Fe、Mg等矿质的吸收[10]，从而有利于叶绿素的合成有关。萘乙酸也可能直接参与叶绿素的合成代谢，近来研究表明[14]，生长素信号转导及其响应因子SlARF10直接参与了番茄果实发育过程中叶片叶绿素的代谢调控，高表达有利于促进叶绿素的合成活性和含量积累。叶绿素含量的提高有利于太子参光合性能的提升，本研究的相关分析结果也进一步表明萘乙酸处理下太子参叶片叶绿素含量与净光合速率成显著正相关，说明叶绿素含量的增加是萘乙酸提高太子参净光合能力的重要因素之一。

光合日变化分析是探讨环境因子影响植物生长和代谢的重要手段，日变化参数特征反映了植物一天中进行物质积累及生理代谢的持续能力[15-16]。晴朗天气下植物的光合作用日变化模式一般分为2种曲线类型，单峰型和双峰型，大多数植物在炎热季节表现为双峰型变化，即存在“午休”现象，本研究中太子参均存在明显“午休”现象，这与太子参自然生长条件下适应于阴凉环境而不耐高温和强光的特性相吻合。“午休”期间随着太子参Pn和Gs的下降，Ci则呈现上升趋势，根据光合作用气孔与非气孔限制的理论可以推断其净光合能力的下降主要是由非气孔限制引起[17-18]，可能与高温强光导致光合作用关键酶活性降低、过剩激发能产生光抑制等因素有关[19-20]。本研究中萘乙酸处理使太子参光合日变化过程中日均值和峰值均不同程度得到提高，并使光合“午休”期间Pn和Gs升高、Ci下降，表明萘乙酸处理主要通过改善非气孔限制因素来缓解“午休”现象。此外，从整个日变化过程中Pn与Gs成显著正相关的结果可以发现，萘乙酸处理促进太子参光合能力的增强也与气孔限制因素的改善有关。邢兴华等[21]研究也表明萘乙酸处理可以改善干旱胁迫下植物叶片的气孔导度，从而提高植物光合同化物的形成能力。因此，适宜质量浓度的萘乙酸处理可以通过改善非气孔和气孔因素来提高太子参的光合性能，但“午休”期间主要改善了非气孔因素的限制。

叶绿素荧光作为光合作用的内探针，能直接或间接反应光合作用的原初反应、电子传递以及CO2同化过程，用于快速分析植物光合系统对光能的吸收、转化、传递和利用等情况[22-23]。本研究显示，适宜质量浓度的萘乙酸处理能够显著提高太子参叶片的、ηΦPSⅡ、CETR、CPQC，同时降低叶片的CNPQ，表明萘乙酸能够提高太子参PSⅡ反应中心原初光能的捕捉效率，PSⅡ反应中心的开放程度增加，使有效光量子产量提高、电子传递速率增强，从而促进ATP和NADPH的生成，有利于碳的固定和还原，最终导致Pn的提高。CNPQ反映了叶片吸收光能以热能形式的耗散程度，是植物在强光高温等逆境环境下防御光抑制和光破坏的重要自我保护机制[24-25]。适当浓度的萘乙酸处理降低了过剩激发能所致的热耗散程度，是太子参叶片光抑制得到缓解的体现。Pn与、ηΦPSⅡ、CPQC呈显著正相关，而与CNPQ呈显著负相关的结果进一步证明萘乙酸通过促进太子参叶片对激发能的吸收和光化学利用来提升净光合能力，从而缓解光抑制，增强热耗散不是萘乙酸缓解光抑制的机制。至于萘乙酸对太子参光合性能的改善是否与促进CO2的利用效率有关尚待进一步探讨。此外，尽管本研究中10 mg∕L NAA处理显著提升了太子参的光合能力，但在更低浓度范围内的效应及其最适浓度仍需进一步研究。

灰色关联度侧重于对不同因素变化趋势的分析，因此可以用来探讨Pn与环境因素之间动态变化趋势的一致性的关联程度。本研究表明，对照处理的太子参叶片净光合速率与外界环境因素的关联程度较高，表明外界环境的变化对太子参Pn影响较大，其中大气温度和光照是制约太子参光合能力的主要环境因素，这与太子参喜阴、不耐高温强光的生长特性相一致。因此，在人工栽培条件下，可通过采取林下种植或适当遮荫的栽培方式、同时加强灌溉等措施，有利于缓解高温强光对太子参光合作用的抑制作用。适宜浓度的萘乙酸处理，太子参Pn与环境因素的关联程度明显下降，即外界环境因素的变化对太子参Pn的影响减弱，表明萘乙酸处理能够增强太子参对外界环境的适应能力，当环境因素（高温强光）出现不利于太子参生长的变化趋势时，其仍能保持较高的净光合能力，从而提高产量。