不同种源山桐子叶绿素荧光特征差异分析

蔡齐飞，王 帅，徐自恒，宋 雨，刘 震

（1.河南农业大学林学院，郑州 450000；2.中原地区森林资源培育国家林业局重点实验室，郑州 450000）

山桐子（Idesia polycarpaMaxim.）为大风子科山桐子属落叶乔木，横跨亚热带与暖温带广泛分布，为东亚特有种.山桐子是重要的木本油料树种，其果实含油率高达30%以上，不饱和脂肪酸含量高达80%～90%；其树冠呈分层型，果实成熟后颜色鲜红，果序串状悬垂，木材硬度适中，适应性强，可以作为园林绿化观赏树种和生态用材树种［1-2］.广泛分布的山桐子适应不同的气候和立地条件，发生了丰富的地理变异，不同种源的山桐子生长特性和果实发育差异明显［1，3-5］，为山桐子良种选育提供了丰富的变异资源.光合作用不仅为植物生长发育提供能量，还为一系列代谢过程提供物质基础，因此选择光能利用率高的品种对植物育种有着十分重要的意义.叶绿素荧光参数主要表达植物光合作用过程中能量的传递和转化，反映植物在光合作用过程中对光能的吸收、耗散和分配等方面的内在联系和变化，不仅可以反映植物的光合能力，还可反映植物叶片中光化学反应活性与自身的保护能力［6］.因此研究树木的叶绿素荧光特性，可以为早期的高光效选择育种提供参考［7］.刘炳妤等［8］研究柚木无性系光合生理特征得出印度柚木资源可作为今后高光效育种选择的重点；黄浩等［9］研究了不同地理种源黄粱木夏季光合日变化过程的差异，为选择优良种源提供了依据；周丽等［10］研究云南松不同种群4年生苗木的光合特性，发现两个种群对当地环境具有很强的适应性，光合效率高；李艳艳等［11］研究了不同种源油用牡丹光合特性，得出南阳种源光补偿点低于、光饱和点高于其他种源的结果.研究不同种源［12-13］、无性系［8，14］、品种［15-17］的光合特性差异的研究报道层出不穷.叶绿素荧光不仅反映了植物的光能传递和转换效率，还是评估植物叶片光合潜能高低的指标［18］，作为PSII光化学反应的指示器，对分析植物光合作用功能有重要作用.研究不同种源、品种的叶绿素荧光在高光效育种中的地位越来越重要，在华山松（Pinus armandiFranch.）［19］、杉木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.）［20-22］、核桃（Juglans regiaL.）［23］、香樟（Cinnamomum camphora（L.）Presl）［24］、木油桐（Vcmicia MontanaLour.）［25］、油茶（Camellia oleiferaAbel.）［26］、闽楠（Phoebe bournei（Hemsl.）Yang）［27-28］、美国山核桃（Carya illinoinensis（Wangenheim）K.Koch）［29］、枸杞（Lycium barbarumL.）［30］、西南桦（Betula alnoidesBuch.-Ham.ex D.Don）［31］、加勒比松（Pinus caribaeaMorelet）、湿地松（Pinus elliottiiEngelmann）［32］、杨树（Populus spp.）［33］、马尾松（Pinus massonianaLamb.）［34］、元宝枫（Acer truncatumBunge）［13］、欧洲冷杉（Abies albaMill.）［35］等树种报道了大量的研究成果.

光合生理特性是良种选育的重要指标之一，张磊等［36］研究了山桐子的光合生理特性，得出山桐子为阳性树种，光能利用范围相对较广，对光照的适应性较强.选育高光效种源是山桐子良种选育的重要途径之一.为此，本文分析了11个种源山桐子的叶绿素荧光特征的差异，以期为山桐子良种选育提供参考.

1 材料与方法

1.1 材料

2012年10月—11月从以下不同种源地采集山桐子种子（如表1），2013年育苗，2014年移栽于河南农业大学林业试验站（E113°40′～113°47′，N34°50′～34°57′），2017年7月每个种源选取3棵健康植株，每株采集同一轮的二年生枝条上的2片叶子，重复3次，进行叶绿素荧光参数的测定与分析.

表1 山桐子种子种源地及其主要气候条件Tab.1 The provenances and main climatic conditions of Idesia polycarpa Maxim.

1.2 方法

叶绿素荧光参数的测定采用FluorCam封闭式叶绿素荧光成像系统.先将山桐子叶片进行暗适应20 min后测定最小荧光（Fo）、最大荧光（Fm）、最大光化学效率（Fv/Fm）、PSII潜在活性（Fv/Fo）、稳态光化学淬灭系数（qP_Lss）、稳态非光化学淬灭系数（NPQ_Lss）6个参数.

将测得的试验数据在Microsoft Excel 2010中统计记录，采用SPSS24.0软件对各种源的叶绿素荧光参数进行方差分析、Duncan多重比较.

2 结果与分析

2.1 不同种源山桐子荧光参数Fo与Fm的差异

Fo和Fm分别表示PSII反应中心处于完全开放和完全关闭时的最小荧光和最大荧光产量.由图1可知，11个山桐子种源中，九江、济源的Fo值较高，其光能利用率低；而成都、东京种源的较低，其光能利用率高；Fm值则是赣州、九江的较高，表明其叶片吸收和传递光能的能力强，PSII的电子传递状况好，对环境有较强的适应能力；成都、东京的较低，对环境的适应能力较弱.通过多重比较表明，成都、东京种源与其他9个种源Fo、Fm值的差异均达到了显著水平（P＜0.05）.

图1 不同种源荧光产量的比较Fig.1 Comparison of fluorescence yields of different provenances

2.2 不同种源山桐子荧光参数Fv/Fm与Fv/Fo的差异

在测定的叶绿素荧光参数中，Fv/Fm为PSII最大光合效率（PSII原初光能转换效率），Fv/Fo代表PSII的潜在活性.从图2测定的叶绿素荧光参数可以看出，赣州、遵义种源的Fv/Fm、Fv/Fo均较高，说明赣州、遵义种源具有相对较高的光能利用率和光合潜能.通过多重比较表明，赣州和洛阳、成都、东京3个种源Fv/Fm、Fv/Fo值的差异均达到了显著水平（P＜0.05）.

2.3 不同种源山桐子荧光参数qP与NPQ的差异

淬灭系数包括非光化学淬灭系数（NPQ）和光化学淬灭系数（qP），前者反映植物遭遇强光时对自身的光保护能力，而后者反映了PSII激发能的捕获效率.由图3可知，广元、济源的NPQ值较高，表明其热耗散能力较强，对自身的保护能力较强，通过热耗散的部分较多，用于光合作用较少，因此光能利用率较低；而张家界、东京的较低，说明其热耗散能力较低，具有较好的光合能力；张家界、洛阳种源的qP值较高，说明其电子传递能力强，PSII激发能的捕获效率高，致使光合效率增强；而赣州的较低，其光合效率降低.通过多重比较表明，东京和广元、济源NPQ值的差异达到了显著水平，赣州与张家界、洛阳qP值的差异达到了显著水平（P＜0.05）.

3 结论与讨论

图2 不同种源光能转换效率的比较Fig.2 Comparison of light energy conversion efficiency of different provenances

3.1 结论

本文研究了不同种源山桐子的叶绿素荧光特征的差异，结果表明，在11个不同种源山桐子中，东京种源的光能利用率高，热耗散能力低，光合能力强；赣州种源的光能利用率相对较高，光合潜能大，对环境的适应能力强；张家界种源的电子传递能力强，光合效率高；整体而言，东京、赣州、张家界种源的山桐子各项荧光参数数据较其他种源突出，显示其具有较高的光能利用率和PSII潜在活性.综上，可以考虑将它们作为山桐子高光效育种的优良种质资源，在发展经济林建设时更适合采用东京、张家界种源山桐子；在困难立地条件造林时，更适合采用赣州种源山桐子.

图3 不同种源淬灭系数的比较Fig.3 Comparison of quenching coefficients of different provenances

3.2 讨论

Fv/Fm是在暗适应的情况下测定的数值，反映PSII反应中心的最大光能转换效率［37］，而Fv/Fo代表PSII的潜在活性.Fv/Fo和Fv/Fm二者的数值越高，所捕获的光能可更有效地转化为植物所需的化学能，其光能利用率较高.本研究中赣州、遵义种源的Fv/Fm、Fv/Fo值较大，说明这两个种源可以高效捕获光能，具有相对较高的光能利用率和光合潜能，其PSII的潜在光化学活性较大.在林达定等［38］对芳樟不同无性系和林晗等［25］对不同种源千年桐的叶绿素荧光特性研究中，在不同芳樟无性系和不同种源千年桐中也出现类似于本文的结果，通过PSII的差异来选育更优良的无性系或种源.

NPQ为非光化学淬灭值，没有用其获取到的光能来进行光合电子传递，而是通过热的形式耗散，是植物为避免遭受强光破坏的一种自身保护机制［39］.从本文测定的NPQ值来看，广元种源最大，表明其热耗散能力较强，具有较强的自身保护能力，通过热耗散的部分较多，用于光合作用较少，因此光能利用率较低；而东京种源的NPQ最小，说明其叶片对光照的利用能力较强，光合作用的效率也比较高；凌骅等［29］对美国山核桃的研究中得出NPQ值较低的品种具有较高的光合效率；刘洁等［40］通过对不同花色檵木株系的光合生理特性进行了研究，得出NPQ值最小的株系的叶片对光照的利用能力较强，光合作用的效率也比较高.qP反映光合活性的高低，qP值越高则PSII电子传递活性越大.本文中张家界种源的qP值较高，其电子传递能力强，PSII激发能的捕获效率高，可以提高光合效率；而赣州种源的较低，致使其光合效率降低.

关于淬灭系数与植物光合能力二者之间关系的研究表明，NPQ越大qP越小，植物不能很好地利用所捕获的光能，从而降低了它们光合作用中利用光能的能力［15，41-42］；qP越大NPQ越小，则说明叶片对光能利用力较高，具有较高的光合作用效率［43］.