两种叶型五指毛桃的光合特性比较研究*

秦惠珍，邓丽丽，邹 蓉，唐健民，韦 霄，覃 芳，史艳财

(广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所，广西喀斯特植物保育与恢复生态学重点实验室，广西桂林 541006)

0 引言

五指毛桃为桑科(Moraceae)榕属(Ficus)植物粗叶榕(FicushirtaVahl.)的俗名，因其干燥根形似五指而得名。五指毛桃是华南地区常见的药用植物，药用价值高，具有“广东人参”美誉，为岭南十大名药之一[1]。其具有健脾补肺、行气利湿、舒筋活络、止咳平喘、滋阴养颜等功效，是药食同源佳品[2,3]。五指毛桃的主要化学成分包括黄酮类、有机酸类、酯类、萜类、甾醇类等物质，香豆素类成分可能为其主要药效成分[4]，临床上常和多种药物配伍，用于治疗支气管炎、哮喘、肝硬化、关节炎等[5]。五指毛桃的提取工艺主要以补骨脂素和多糖的提取为主[6-9]。目前，五指毛桃以野生来源为主，因其具有药食同源的功效，市场需求大，滥采滥挖现象严重，野生资源日趋枯竭[10]。对五指毛桃的鉴别研究主要集中于五指毛桃根部性状、显微特征、薄层色谱、光谱及DNA条形码鉴别等方面[10-14]，近年来五指毛桃栽培成为研究热点。五指毛桃的繁殖方式有种子繁殖、扦插繁殖和组织培养3种[15]。种子繁殖为五指毛桃最主要的繁殖方式，但成活率较低，仅有50%左右，完全成熟的种子发芽率高于未完全成熟的种子[16-18]。扦插繁殖的土壤应选择疏松肥沃、排水保水能力良好的砂质壤土，插穗长度以15-20 cm为宜，扦插繁殖的成活率和出苗率可达100%[16]。利用组织培养技术获得再生植株已经成为植物繁殖的有效方法。组织培养繁殖速度快、再生率高，可为栽培五指毛桃提供大量种苗[19，20]。研究五指毛桃不同叶型的光合特性，摸清其生长特性，是将其进行引种栽培和繁育的关键。五指毛桃具有较高的遗传多样性，不同叶型五指毛桃的遗传特性差异较大，导致其在形态指标和光合生理指标方面存在较大的差异[21]。五指毛桃种内变异较大，根据叶片分裂的程度可划分为圆叶型和缺叶型，进一步可细分为全缘型、浅裂型、三指深裂型、五指深裂型4种[22]。目前对于不同叶型五指毛桃的研究较少，仅对其形态和生理指标进行研究，关于不同叶型五指毛桃的光合特性研究尚未有报道[5]。本研究以圆叶五指毛桃和缺叶五指毛桃为试验材料，对其光合生理特性进行测定，并分析其净光合速率与主要环境因素间的关系，以便于在生产栽培时根据其特性进行技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选择生长在桂林植物园种质资源圃(110°18′03″E，25°05′27″N)的圆叶和缺叶两种叶型的五指毛桃开展试验，每个类型选择生长健壮的10株，树龄为5年。该地属中亚热带季风性气候区，年均气温19.2℃，月平均气温高于20℃的有6-7个月，年相对湿度78.0%，具有明显的干湿两季。

1.2 光合日变化测定

2020年8月上旬，在晴朗天气时，采用LI-6400便携式光合仪的透明叶室测量两种叶型的五指毛桃光合日变化，每个植株测定同一部位的3片叶片。日变化测量在完全自然光下完成，当日环境中最大光照强度可达2 000 μmol·m-2·s-1，空气中二氧化碳浓度约400 μmol·m-2·s-1，最高温度约34℃，最大湿度为40%。测定时间为8:30-18:30，每2 h测量1次光合日变化，日变化测量的环境因子包括光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation，PAR)、大气中二氧化碳浓度(Concentration of carbon dioxide in the atmosphere，Ca)、空气温度(Air temperature，Ta)、大气相对湿度(Relative air Humidity，RH)，光合指标包括净光合速率(Net Photosythetic rate，Pn)、胞间二氧化碳浓度(Intercellular carbon dioxide concentration，Ci)、气孔导度(Stomatal conductance，Gs)、蒸腾速率(Transpiration rate，Tr)，环境因子和光合指标均可从光合仪中导出，根据这些指标计算水分利用效率(Water Use Efficiency，WUE，mmol·mol-1)和气孔限制值(Limiting value of stomata，Ls)等，计算公式[21]如下：

WUE=Pn/Tr，

Ls=1-Ci/Ca。

1.3 光响应曲线测定

光响应曲线采用LI-6400便携式光合仪LED红蓝光源叶室测定，测定时间为09:00-12:00，选择每株中段成熟、无病虫害的叶片。PAR依次设置为0，20，50，100，200，400，800，1 000，1 200，1 400，1 500 μmol·m-2·s-1，3个重复结果取平均值。使用二氧化碳钢瓶控制二氧化碳浓度为400 μmol·m-2·s-1，测量前将叶片置于1 500 μmol·m-2·s-1光强下进行诱导20 min。

1.4 数据处理

采用Excel 2016对光合速率日变化和光响应曲线进行初步分析，采用SPSS 23.0进行t检验分析显著性,同时对环境因子进行相关性分析。采用光合计算软件中的直角双曲线修正模型对光响应曲线进行拟合[23]，采用Origin 8.5进行相关图表制作。

2 结果与分析

2.1 净光合速率对光强的响应

如图1所示，光照强度为0-300 μmol·m-2·s-1时，两种不同叶型五指毛桃的净光合速率(Y)与光合有效辐射(X)呈线性相关，超过该PAR范围后，Pn随PAR的增大呈逐步上升趋势，圆叶五指毛桃PAR为1 000 μmol·m-2·s-1左右时，净光合速率达到最大值，此后再增大PAR，Pn有下降的趋势；缺叶五指毛桃PAR为1 400 μmol·m-2·s-1左右时，净光合速率达到峰值，此后再增大PAR，Pn基本没有发生变化。

图1 两种叶型五指毛桃Pn对PAR的响应

利用弱光(0-300 μmol·m-2·s-1)下的净光合速率做线性方程，从线性方程可知圆叶五指毛桃的表观量子效率AQY为0.045 μmol·m-2·s-1，缺叶五指毛桃的AQY为0.036 μmol·m-2·s-1。利用双曲线修正模型对净光合速率进行拟合，从拟合后的光合作用-光响应曲线可知，圆叶五指毛桃的最大净光合速率Pmax、光饱和点LSP和光补偿点LCP分别为4.89，1 046.89和25.12 μmol·m-2·s-1；缺叶五指毛桃的分别为4.29，1 400.70和17.37 μmol·m-2·s-1。

2.2 主要环境因子日变化

由图2可知，一天中光合有效辐射PAR和空气温度Ta均呈“单峰型”曲线，PAR最高峰出现在13:00，峰值达1 009.82 μmol·m-2·s-1。空气中CO2浓度Ca在9:00-13:00明显降低，13:00之后逐渐回升(图2a)。空气温度Ta最高峰出现在15:00，峰值为38.83℃。空气中相对湿度RH随空气温度的升高而降低，清晨达到最高，此后逐步减低，15:00达到谷值，基本呈“V型”变化趋势(图2b)。

2.3 光合特征参数日变化

2.3.1 净光合速率和蒸腾速率

由图3a可知，圆叶五指和缺叶五指毛桃净光合速率Pn日变化均呈现“双峰型”曲线，均分别在11:00和15:00出现峰值，11:00的净光合速率达到最大；两种不同叶型五指毛桃的净光合速率均在13:00出现最小值，可见两种不同叶型五指毛桃均在13:00出现短暂的光合“午休”现象。圆叶五指毛桃净光合速率日变化均值较缺叶五指毛桃显著提高(P<0.05)，高出36.70%，由此可见圆叶五指毛桃的光合作用能力强于缺叶五指毛桃。圆叶五指毛桃和缺叶五指毛桃的蒸腾速率Tr呈现相同的变化趋势(图3b)，均为先增加后降低，11:00前呈现上升趋势，之后急速降低；圆叶五指毛桃蒸腾速率日变化均值较缺叶五指毛桃提高了36.93%(P<0.05)，两者的蒸腾速率均在11:00达到最大值。

图2 环境因子日变化过程

图3 两种叶型五指毛桃的Pn、Tr日变化

2.3.2 胞间二氧化碳浓度和气孔导度

由图4可知，两种叶型的五指毛桃胞间CO2浓度Ci日变化呈现相同的变化趋势，呈现“降-升-降-升”的变化趋势，均在15:00时达到最低值，分别为298.07和271.60 μmol·mol-1。两种叶型五指毛桃的气孔导度Gs日变化趋势相同，与净光合速率变化相似，约在13:00达到一个较小值，分别为0.110和0.032 mol·m-2·s-1。圆叶五指毛桃Ci日变化和Gs日变化均值分别显著高于缺叶五指毛桃7.36%和39.33%(P<0.05)。

图4 两种叶型五指毛桃五指毛桃的Ci、Gs日变化

2.3.3 水分利用效率和气孔限制值

由图5a可知，圆叶五指毛桃和缺叶五指毛桃的水分利用效率WUE的日变化趋势基本一致，均呈现“升高-降低-升高-降低”的变化趋势，但两种不同叶型五指毛桃在不同时间段的水分利用效率存在明显的差异。13:00前利用效率变化趋势不一致，13：00后圆叶五指毛桃对水分的利用效率明显低于缺叶五指毛桃，总体上圆叶五指毛桃WUE日变化均值为0.99 μmol·mol-1，稍低于缺叶五指毛桃(1.00 μmol·mol-1)。由图5b可知，圆叶五指毛桃和缺叶五指毛桃的气孔限制值Ls日变化均呈现先升后降的趋势，15:00前圆叶五指毛桃Ls低于缺叶五指毛桃Ls，15:00后圆叶五指毛桃Ls高于缺叶五指毛桃Ls，总体上圆叶五指毛桃Ls日变化均值为0.18,稍低于缺叶五指毛桃Ls日变化均值(0.19)。

图5 两种叶型五指毛桃的WUE、Ls日变化

2.4 净光合速率与主要环境因子的相关性

由表1可知，两种五指毛桃叶片的净光合速率与光合有效辐射均呈现显著正相关(r=0.791，n=7；r=0.639，n=7)。空气相对湿度与空气温度呈极显著负相关(r=-0.893，n=7；r=-0.992，n=7)。

表1 净光合速率与主要环境因子的相关性

3 讨论

植物最基本的功能是进行光合作用，光合作用对五指毛桃的生长具有重要意义。光照是影响植物光合作用的最直接因素，光饱和点及光补偿点的高低能反映植物对强光照的适应能力[24,25]。一般常见的灌木阳叶的最大净光合速率、光饱和点、光补偿点分别为5-20 ，400-1 500，20-50 μmol·m-2·s-1[26,27]。本研究中圆叶五指毛桃的最大净光合速率、光饱和点、光补偿点分别为4.89，1 046.89，25.12 μmol·m-2·s-1，缺叶五指毛桃的最大净光合速率、光饱和点、光补偿点分别为4.29，1 400.70，17.37 μmol·m-2·s-1。由此可见，对一般灌木的阳叶而言，两种叶型五指毛桃均具有较低的净光合速率、较高的光饱和点及光补偿点，属于典型的阳生植物。

对两种叶型五指毛桃的光合特性进行比较发现，圆叶五指毛桃具有较低的饱和点和较高的光补偿点，缺叶五指毛桃具有较高的光饱和点和较低的光补偿点。缺叶五指毛桃在1 400 μmol·m-2·s-1PAR下仍能进行光合作用，可以考虑在林下、相对较裸露的路边或山坡等地种植，其较圆叶五指毛桃可种植的范围更广。

植物对光能的利用情况反映了其将光能转变成有机物的能力，而植物叶片光合日变化能够反映一天中植物生理代谢与物质积累的变化过程，同时也反映了植物生长过程受不同环境因素(如土壤和光照等)的影响程度[28,29]。本研究的测定结果显示，两种叶型五指毛桃均出现了光合午休现象，与小叶榕在秋季测量的时间(13:00)基本一致[30]。此外，Ci降低和Ls升高，一般为气孔因素引起的光合速率下降。在本研究中,9:00-13:00时Ci降低，Ls升高，说明两种叶型五指毛桃的光合午休现象是由气孔限制因素引起的，这与同属植物小叶榕的研究结果一致。

主要环境因子的相关性表明，圆叶五指毛桃、缺叶五指毛桃的光合有效辐射与净光合速率均呈现显著的正相关。且在本研究中光合有效辐射为影响两种叶型净光合速率最大的环境因子，对其净光合速率产生至关重要的影响，由此可知，在进行栽培或生产时可对两种五指毛桃多进行修剪，以增强其光合有效辐射，促进产量提升。

4 结论

两种叶型五指毛桃的光合特性存在较大差异，圆叶五指毛桃的光合作用能力强于缺叶五指毛桃。两种叶型五指毛桃均出现了光合午休现象，主要是由气孔因素引起的。影响两种叶型五指毛桃净光合速率最大的环境因子是光合有效辐射，两种叶型五指毛桃均具有明显的阳生植物特点，在生产实践中要多进行修剪，以提供充足的光照。