西番莲不同冠层叶片叶绿素荧光特性比较*

赖瑞云，林建忠，张雪芹，林丽霞，钟赞华，谢志南

（福建省亚热带植物研究所，福建省亚热带植物生理生化重点公共实验室，厦门 361006）

西番莲（Passiflora edulis）是西番莲科（Passifloraceae）西番莲属（PassifloraL.）的多年生常绿藤本攀援果树。西番莲果实含有丰富的蛋白质、脂肪、还原糖、有机酸、多种维生素和人体需要的氨基酸，以及钙、铁等多种矿质元素，富含多种挥发性芳香物质，具有医疗保健作用。西番莲叶形奇特、四季常青，同时花果大、花形优美、色泽艳丽、挂果期长等极具观赏性，是当今庭院与园林建设的一种新潮园艺植物[1-3]。

我国不少地区已将西番莲种植业列为“短、平、快”的精准扶贫项目，但总体呈现产量不稳定等突出问题。西番莲传统搭架模式为十字形棚架、T 字形棚架、A 字形棚架和篱架等[4-5]，生长后期其枝条间相互缠绕，枝叶互相遮挡，生长面积和采光效率都低，通风透光差，容易发生病害，高空操作不利于整形修剪、除虫喷药、人工辅助授粉及果实采收。赖瑞云等[6]采用西番莲柱状式栽培模式，有效地避免了传统栽培模式的缺陷，可有效提高西番莲的生长面积和采光效率。西番莲柱状栽培枝条下垂重叠形成不同冠层。冠层是果树最先接触外界环境与光照的部位，是果树光合作用的直接通道，果树冠层内光照等环境因子的分布不同决定了其生理生态状况及产量。苹果[7]、核桃[8]、枇杷[9]等果树有关冠层光合特性研究较多，而对西番莲的研究主要集中在引种及栽培技术、病虫害防治、产品研制以及保鲜加工技术等方面[10-12]，有关西番莲叶绿素荧光动力学特性的研究相对较少，特别是西番莲不同冠层光合荧光特性的研究未见报道。本试验在黄金西番莲柱状栽培模式下，测定其不同冠层叶绿素荧光参数并对其进行分析研究，探究柱状栽培模式下西番莲不同冠层有效辐射积累，旨在为优化西番莲光能利用和枝条留取修剪技术方面提供理论依据和科技支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020 年1 月在福建省亚热带植物研究所西番莲设施栽培园进行，供试品种为2 年生黄金西番莲，种植搭架模式采用柱状栽培新模式[6]，圆柱形定植容器高50 cm，圆柱形攀援架高120 cm，直径为60 cm。栽植土基本养分为有机质含量57.9 g/kg，pH 值7.18，速效钾含量272 mg/kg，有效磷含量620 mg/kg，水解氮含量319 mg/kg。

1.2 试验设计

选取5 株柱状栽培模式代表性西番莲植株为试验株，植株高度取中部，按东西南北4 个方向，每个方向取外、中、内3 点，设为外层、中层、里层3 个冠层，3 个冠层分别选取叶色、叶形、叶位相近的健康成熟叶片，于7：00—17：00 采用Mini-PAM型便携式脉冲调制式叶绿素荧光分析仪（德国WALZ 公司），实时测定PSII 有效光化学量子产量（Yield）、光合电子传递速率（ETR）、光化学荧光猝灭系数（qP）、非光化学荧光猝灭系数（qN），每2 h 测定1 次，5 株西番莲不同冠层重复取样3次，每片叶片数值均记录3 次。于20：00 测定Yield和qP，并运用叶绿素荧光诱导曲线的测定程序Light-curve 测定叶片的光响应曲线，即选用Light-curve 测定程序，按SET 键激活，先打开一个饱和脉冲测量Fo、Fm 和Fv/Fm，延迟一段时间后打开已设定强度的光化学来诱导荧光动力学，间隔一定时间连续打开饱和脉冲进行猝灭分析。总测定时间设定3 min，每隔22.5 s 测定1 次，1 个程序共测定完成9 个点。于结果期统计结果量。

待试验植株果实成熟后依外层、中层、里层分别采果，统计并分析结果植株不同冠层结果总量。

1.3 统计分析

采用Microsoft Excel 2010 进行数据处理和作图，用SPSS 20.0 统计分析软件进行Duncan’s 方差分析。

2 结果与分析

2.1 西番莲不同冠层叶片荧光参数变化

2.1.1 实时Yield 和ETR 的日变化

从图1 可以看出，西番莲3 个冠层叶片的Yield值均呈先下降后上升的日变化趋势，至13：00 时降至最低点，至17：00 时外层Yield 值最高，达0.807，此时三者间差异显著。各测定时间西番莲叶片的Yield 值均为外层＞中层＞里层，从外层至里层呈降低趋势，除13：00 外层与里层差异不显著外，在其余测定时间，外层与里层均差异显著。

图1 西番莲不同冠层叶片光化学量子产量日变化

由图2 可知，西番莲各冠层的ETR 值均呈现先上升再下降的变化趋势，与Yield 值变化趋势相反，至11：00 三者ETR 值均达到峰值，外层高达68.47、中层为21.60、里层为2.57，外层ETR 值为中层的3.17 倍，为里层的26.64 倍，三者间差异显著。在整个测试过程中，各测定时间西番莲叶片的ETR 值均为外层＞中层＞里层，外层与中层、里层二者差异均达显著水平。

图2 西番莲不同冠层叶片光合电子传递速率变化

2.1.2 实时qP 和qN 的日变化

由图3 可知，西番莲不同冠层叶片外层qP 值始终保持相对较高的数值，各测定时间qP 值均为外层＞中层＞里层，外层与里层差异达显著水平。日变化趋势qP 值与Yield 值一样先降低再升高，外层与中层于13：00 降到一天中的最低值，里层于11：00 达到最低，然后再逐渐恢复。

图3 西番莲不同冠层叶片光化学荧光猝灭系数日变化

从图4 可知，西番莲不同冠层的qN 值日变化趋势为先上升后下降，与qP 值日变化趋势相反。从7：00 开始，随光照、温度的升高，叶片将吸收的光较多地分配到热耗散，至11：00 时qN 值达到最高，外层qN 值高达0.615；各测定时间均为外层qN 值最高，与中层、里层的差异均达显著水平。

图4 西番莲不同冠层叶片非光化学荧光猝灭系数日变化

2.2 暗适应后不同冠层西番莲叶片Yield 和qP 的变化

从图5 可以看出，不同冠层叶片的Yield 值变化范围为0.728～0.810，暗适应后外层的叶片Yield值最高，达0.810，里层最低，为0.728，外层、中层间差异不显著，二者与里层均差异显著。暗适应后不同冠层的qP 值变化范围为1.020～1.183，外层的qP 值最高，达1.183，和中层差异不显著，外层、中层二者均与里层差异显著。

图5 暗适应后西番莲不同冠层叶片Yield 和qP 的变化

2.3 不同冠层西番莲叶片光响应曲线

从图 6 可知，在光照强度增强至 200 μmol·m-2·s-1之前，3 个冠层ETR 值都呈上升趋势，外层上升速度明显快于中层和里层，外层叶片光响应曲线各时间段ETR 值皆比其他2 个冠层高，随着光照强度的进一步上升而略微增加，逐渐趋于饱和。而中层、里层随光照强度增强至 200 μmol·m-2·s-1，达到最高值，后随着光照强度的进一步上升而逐渐下降，二者光合响应曲线在强光下表现为抑制型。

图6 西番莲不同冠层叶片光响应曲线

2.4 西番莲不同冠层结果数比较

柱状栽培西番莲不同冠层的结果性状统计分析见图7，外层结果数最多，平均为160 个/株，不同冠层结果量为外层＞中层＞里层，且三者差异显著，可见有效结果枝基本在外层。

图7 西番莲不同冠层结果数

3 讨论与结论

果树产量形成与成花坐果关系密切，而光合作用是影响果实产量和品质的重要因素，冠层内光照强度是影响果实产量和品质等的重要因子[7]。叶绿素荧光技术是以叶绿素荧光为探针快速、灵敏检测植物对光能的吸收、传递、耗散、分配等光合作用状态，无损伤研究植物光合生理特性，评价植株光合能力强弱的技术[13]。本研究表明，在日变化过程中，3 个冠层叶片Yield 和qP 值均呈早晚高、中午低的变化趋势，qN 值趋势相反，说明中午发生了光抑制。实际光能转化效率Yield 表示植物叶片光合电子传递的量子产额，可作为叶片光合电子传递速率快慢的相对指标。叶绿素荧光光化学猝灭系数（qP）代表PSII 反应中心开放的比例，反映了PSII光合色素捕获的光能转化为化学能的效率[14]。早晨及傍晚光强较低，叶片吸收的光能最大限度地用在光化学反应上，Yield 和qP 值较高，随着光强及温度的升高，叶片开始将吸收的光能较多地分配到热耗散，11：00 时3 个冠层光强达到峰值，此时外层叶片qN 值达到峰值，13：00 时中层、里层达到峰值，时间基本吻合。qN 为非光化学猝灭系数，反映了PSII 将过剩光能转化为热能的能力[15]，为PSII天线色素吸收的光能以热的形式耗散而非用于光合电子传递的部分[16]，是植物在高光强环境下的自我保护机制，较高的qN 值有利于植物对过剩光能的热耗散。植物叶片出现非光化学猝灭是一种对其光合机构保护的机制。

西番莲柱状式立体栽培，提高了采光效率，产量增加明显[6]，试验结果表明，不同冠层结果量差异显著，外层显著大于中层和里层。本研究表明，柱状栽培模式西番莲不同冠层叶片荧光参数存在明显差异，同一个测定时间，西番莲不同冠层的Yield、ETR、qP 和qN 值从里层到外层逐渐增大，说明外层能吸收更多的光能，具有较高的光能转化效率，光合活性也较强；在适应强光、抵御光抑制破坏能力方面外层优于中层和里层，说明外层的光保护能力及反抗逆性比中层、里层强。外层的Yield、ETR、qP 和qN 值全天始终保持相对较高的水平，外层的电子传递速率和光合热耗散能力比中层、里层高，说明外层受到的光抑制较轻，受胁迫后恢复能力强，能维持较高的光合活性。进一步表明外层叶片利用热耗散保护其光合器官免受光氧化破坏的能力比中层、里层叶片强。光化学猝灭与PSII 的光化学反应密切相关，能反映PSII 稳定原初电子受体QA 的还氧状态，是由QA 的重新氧化所引起，qP 越大，QA 重新氧化的量就越多[17]。本研究通过比较不同冠层叶片暗适应后的Yield 和qP 值发现，外层值最高，里层最低，说明外层光合能力比里层强，里层光合能力弱。

ETR 为电子传递速率，可反映出PSII 反应中心捕获电子的效率[18]。不同光强变化过程中，外层、中层和里层叶片对于光强变化的光响应曲线也不同，随着光强的增加，外层叶片光响应曲线ETR 值稳定且高于中层和里层，当光照强度超过1 000 μmol·m-2·s-1时，上升幅度减小，光饱和度为1 000 μmol·m-2·s-1。西番莲作为起源于热带的草质藤本，叶片对强光的适应性最强。中层和里层光响应曲线ETR 值呈下降趋势，说明中层、里层的光响应曲线反应中心关闭程度均增加，在较低光强下就已经达到较高关闭程度。研究表明，在同等光强条件下，植物的ETR 越高表明植株叶片可以形成的ATP 和NADPH 等活跃化学能越多，从而为暗反应进行光合碳同化提供充足能力，可加快有机物的积累和碳同化运转效率[19]。可能中层、里层叶片电子传递速率降低时，产生ATP 较少，所以暗反应速率较慢，而外层叶片能较快地启动卡尔文循环，消耗光反应产生的ATP 及NADPH[20]，使光合作用中心很快打开，ETR 能够很快增加。

柱状栽培西番莲外冠层在适应强光、抵御光抑制破坏能力方面明显优于中层和里层，因此，可适当增强里层修剪枝条力度，降低叶片密度，保持通风透气，有利于产量的提高。