鸦胆子雌雄株光合作用日变化特性及影响因子研究*

陈军亮 陈家颖 陈芊芊 许凤玲 李林锋

（广东海洋大学 化学与环境学院， 广东 湛江 524088）

鸦胆子为苦木科鸦胆子属植物鸦胆子Brucea javanica的干燥成熟果实[1]，始载于明清时代的《生草药性备要》，具有清热、燥湿、杀虫、解毒的功效，可治痢疾、久泻、疟疾、痔疮、疗毒，外用可治赘疣、鸡眼等[2]。在临床上对于肺癌、前列腺癌和消化道恶性肿瘤等疾病有显著疗效[3]，鸦胆子有潜在的开发利用价值和市场应用前景。鸦胆子是雌雄异株植物，常绿或落叶小乔木或灌木，广泛分布于我国的广东、广西、福建、台湾、海南和云南等省区。鸦胆子药材资源一直以野生为主，随着南方各地农户大面积开荒种植甘蔗等经济作物以及开辟果园种植龙眼Dimocarpus longan、荔枝Litchi chinensis等南亚热带优质水果，原有的野生鸦胆子被大量砍伐，造成野生资源的濒危。长期以来，鸦胆子的研究大多集中在其有效活性成分鉴定[4]、鸦胆子油提取[5]、抗癌药物的开发[6]、药理药效及临床应用机理[7]等方面，而忽略了对其植物生物学方面的研究。

光合作用是植物重要的生理生态特性之一，是植物生长发育的基础[8]。植物的光合特性主要包括光合速率、光合作用日变化、光饱和点、光补偿点、单位面积最大净光合速率和表观量子效率等[8-10]。植物叶片的光合生理特性体现了植物的生长策略和资源利用方式，除了可以直接反映各种植物之间的内在节律差异外，还能够反映各种植物之间环境适应性的差异，因此能代表各种植物的生理特性和其它环境因素对它们的综合影响[11-13]。雌雄异株植物是指雌花和雄花分别位于不同植株上的单性花植物[14]，其种类数约占被子植物总种数的 4%～10%[15]，是陆地生态系统的重要组成部分。在长期的演化过程中，雌雄异株植物在生长特性、资源分配、生殖格局、生理生化特征和基因表达特性等方面具有一定的性别差异，这些差异是现代雌雄异株植物研究的热点之一[16]。本试验对鸦胆子雌雄株花果期叶片的光合作用日变化特性进行研究，分析光合生理参数与环境影响因子之间的关系，旨在揭示鸦胆子雌雄株光合作用特性差异，为鸦胆子药材资源的人工栽培奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在广东海洋大学北门附近灌木林地（21°07′ 59′ N, 110° 16′59′ E )。年 平 均 气 温23.2 ℃，7 月最高，月均温28.9 ℃， 1 月最低，月均温15.5 ℃。年降水量1 523 mm，年平均日照20 000 h 以上，属亚热带季风气候区，夏长而冬短，终年无霜雪。

1.2 试验材料

2019 年9 月26 日—29 日，在杂灌林边缘随机选择鸦胆子分布比较集中的一块地段作为样地，经逐个清点，共发现鸦胆子植株34 棵，其中雌株11 棵，雄株23 棵。结合前期野外调查观察及室内实验，鸦胆子种子自然状态下萌发率较低。因此，野外很少有大面积集中连片分布的群落，且野外发现的斑块状聚集分布的群落多为通过地下根茎克隆生长的植株组合而成。在样地内选择生长良好、无病虫害的鸦胆子雌雄株各3 株为试验材料。在每株树冠中上部选择3 个健康复叶，以每个羽状复叶的顶端第4 或第5 片小叶为测定对象，每叶片每次重复记录3 个稳定的观测值，取多次测定的平均值。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 光合和生态指标 采用美国生产的Li—6400便携式光合作用测定系统对鸦胆子雌雄株光合生理指标和光响应参数进行测定。从8:00 至18:00 时 ，每隔2 h 测定1 次，考察其日变化。测定的指标包括：叶片净光合速率（Pn，μmol·m-2·s-1）、胞间CO2浓度（Ci，μmol·mol-1）、气孔导度（Gs, mol·m-2·s-1）、蒸腾速率（Tr，mmol·m-2·s-1）、叶面大气蒸汽压亏缺（VPD, kPa）、叶温（Tl, ℃）、大气相对湿度（RH, %）和光合有效辐射（PAR, μmol·m-2·s-1）等。水分利用效率为光合速率与蒸腾速率之比。

1.3.2 光合作用-光响应曲线及其特征参数 利用Li—6400 内置LED 人工光源，在上午9: 00—11: 00时测定光合—光强响应曲线，雌雄株各3 次重复。设定的光强梯度由高到低依次为 2 000、1 600、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50、20、0 μmol ·m-2·s-1，由系统每隔3 min 自动记录每个光强下鸦胆子雌雄株叶片的净光合速率。以光量子通量密度（PPFD）为横轴、Pn为纵轴绘制光合作用光响应曲线（Pn-PPFD 曲线）。依据经典的Farquhar 和 Sharkey[17]模型进行Pn-PPFD 曲线拟合，求算最大净光合速率 （Pmax，μmol·m-2·s-1）、光 补 偿 点（LCP, μmol·m-2·s-1）、 光 饱 和 点（LSP, μmol·m-2·s-1）和 表 观 量 子 效 率（AQY,mol·mol-1）等参数[18-19]。

1.4 数据处理

用Excel 预处理数据，用SPSS 20.0 统计软件进行统计分析，用Sigma plot 10.0 绘图软件绘图。

2 结果与分析

2.1 鸦胆子雌雄株叶片光合作用日变化

晴朗天气下，鸦胆子雌雄株叶片Pn日变化都为单峰曲线（图1）。其峰值均出现在12: 00 时左右，此后Pn随光强的减弱而逐渐降低。虽然雌株叶片Pn日均值大于雄株，但两者差异不显著。雌雄株叶片Gs、Ci、Tr和VPD 的日变化大体与Pn的变化趋势相同，也都为单峰曲线（图1），尽管雌株各指标的日平均值都较雄株大，但除Ci的日均值在雌雄株叶片之间存在显著差异外，VPD、Gs和Tr的日均值都差异不显著。与Pn的日变化趋势相反，雄株的WUE 较雌株高，且两者日均值之间存在显著差异（图1）。

图1 鸦胆子雌雄株叶片净光合速率及其生理生态因子的日变化Fig. 1 Daily courses of net photosynthetic rate and ecological and physiological factors in leaves of male and female Brucea javanica plant

2.2 鸦胆子雌雄株叶片净光合速率与相关生理生态因子的关系

植物叶片净光合速率的变化是植物自身的生理因子和外界环境因子综合作用的结果。通过对鸦胆子雌雄株叶片净光合速率与相关生理生态因子的简单相关分析得知：鸦胆子雌株叶片Pn与Gs、Tr、VPD、Tl和PAR 极显著正相关，与Ci和RH 负相关。鸦胆子雄株叶片Pn与Gs、Tr、Tl和PAR 极显著正相关，与Ci和RH 负相关（表1）。

由于植物的光合作用受多个因子的综合影响，以二元变量计算的简单相关系数，显然不能准确地解释各因子间的相互关系，而逐步多元回归分析方法能有效地从众多影响因素中挑选出对Pn贡献大的因子[20]。本研究中鸦胆子雌雄株叶片Pn与相关生理生态因子的逐步回归方程分别为雌株：Pn（♀）= - 8.273+ 0.026Ci+1.486Tr+0.005 PAR (R=0.968**)，雄株：Pn（♂）=0.948+1.089Tr+0.004PAR(R=0.942**)。由上述方程可以看出，树种性别不同，影响其净光合作用的主要生理生态因子也不同。表2 通径分析结果表明，影响鸦胆子雌株叶片Pn的Ci、Tr和PAR，其直接通径系数大小依次为Tr＞PAR ＞Ci。在3 个因子中，虽然Ci对Pn的直接作用为正值（0.179），但被通过Tr（-0.405）和 PAR（-0.204）等的负间接作用所掩盖而使其与Pn呈不显著负相关（表1）。影响鸦胆子雄株叶片Pn的主要生理生态因子仅为Tr和PAR，其直接通径系数大小为Tr＞PAR。与雌株叶片Ci对Pn的作用情况不同，雄株叶片Tr对Pn的直接作用为正值（0.708），且被通过 PAR（0.198）的正间接作用所增强而使其与Pn呈极显著正相关（表1）。此外，在通径分析中决策系数是其决策指标，用以把各自变量对因变量的综合作用进行排序，最终确定主要决策变量和限制变量。一般而言，决策系数最大的为主要决策变量，而决策系数小且为负值的为主要限制变量[21]。鸦胆子雌株叶片Pn的生理生态因子的决策系数顺序为R2(Tr)＞R2(PAR)＞R2(Ci)，其中，R2(Ci)值小于0。所以，影响鸦胆子雌株叶片Pn日变化的决策因子为Tr和PAR，限制因子为Ci。其中Tr为主要决策因子，Ci为主要限制因子。同理，鸦胆子雄株生理生态因子的决策系数顺序为R2(Tr)＞R2(PAR)。其中，R2(Tr)和R2(PAR)值均大于0，因此都为决策变量，不存在限制变量，且Tr为主要决策因子。鸦胆子雌雄株叶片Pn的主要决策因子都为Tr，这说明鸦胆子植株生长环境的土壤水分状况对其光合作用影响较大。

表1 鸦胆子雌雄株叶片净光合速率与生理生态因子的相关系数Table 1 Correlation coefficients of net photosynthetic rate and ecological and physiological factors in leaves of male and female Brucea javanica plant

表2 鸦胆子雌雄株叶片净光合速率主要影响因子间的通径分析Table 2 Path analysis on the net photosynthetic rate and its affecting factors of male and female Brucea javanica plant

2.3 鸦胆子雌雄株叶片净光合速率对光照强度的响应

由图2 可以看出，在低光强（＜200 μmol·m-2·s-1）光照梯度下，鸦胆子雌雄株叶片的Pn均随光照强度的增强而迅速增加，当超过600 μmol·m-2·s-1光强后，Pn随光强增加逐渐变缓。鸦胆子雌雄株叶片光响应拟合参数结果见表3。从表3 可以看出，鸦胆子雌株的最大净光合速率和光饱和点显著高于雄株。但表观量子效率和暗呼吸速率均小于雄株。虽如此，但两者T 检验差异不显著。雌株的有效光利用范围较大，为459.4 μmol·m-2·s-1，雄株的有效光利用范围较小，仅为268.7 μmol·m-2·s-1。

表3 鸦胆子雌雄株叶片光响应参数比较Table 3 The comparison of light response parameters in leaves of male and female Brucea javanica plant

图2 鸦胆子雌雄株叶片净光合速率对光强的响应Fig. 2 Responses of net photosynthetic rate to photosynthetic photo flux density (PPFD) in leaves of male and female Brucea javanica plant

3 讨论与结论

自然条件下，鸦胆子雌雄株叶片Pn日变化呈单峰曲线，无光合“午休”现象。多元逐步回归分析表明，雌雄株树种不同，影响其叶片光合作用日变化的主要生理生态因子也不同。虽然鸦胆子雌雄株叶片Pn变化与PAR、Gs、Ci、Tr、VPD、RH 和Tl都有关，但Tr是鸦胆子雌雄株叶片Pn变化的主要决策因子，Ci为雌株叶片Pn变化的主要限制因子。Tr的变化虽然与PAR 和Tl有很大关系，但更多的是受制于植物生长环境的水分供应条件。本研究中鸦胆子都为野生植株，生长在向阳的野生杂灌林中，土壤水分条件可能是其生长发育的主要限制因子。

在试验设置的光强下，鸦胆子雌雄株叶片Pn均随光量子通量密度的增强而增加，只是 当 光 强 超 过600 μmol·m-2·s-1后， 其 变 化趋势才稍有不同。雌雄株的最大净光合速率和光饱和点有显著差异（P＜0.01），且雌株高于雄株，而光补偿点、表观量子效率和暗呼吸速率差异不显著。植物叶片LSP 和LCP 是植物光合能力的重要体现，LSP 和LCP 及其两者的差值反映了植物对光照条件的要求及其适应性[22]，有研究认为LCP 值在0～10 μmol· m-2·s-1之 间 为 阴 生 植 物， 在10 μmol· m-2·s-1以上则为阳生植物[23]。本研究中，鸦胆子雌雄株的LCP 大于30 μmol· m-2·s-1，显示了阳生植物的特性。这和野外观察到的鸦胆子多分布于旷野、路边、灌丛中或疏林生境中的实际情况一致。表观量子效率（AQY）能够反应植物叶片对弱光的利用能力。AQY 越大，表明该植物吸收与转换光能的色素蛋白复合体可能越多，利用弱光的能力越强[24-25]。对于长势良好的植物，AQY 值一般在0.040～0.070 之间[26]。本研究中，鸦胆子雌雄株的AQY 值都在上述区间之内，这说明鸦胆子雌雄株叶片的光能利用效率都较大，尤其是雄株对弱光的利用能力更强。

雌雄异株植物不同性别间往往在存活率、形态特征、生理生化特性、物候期和资源分配模式等方面有差异[27]，但鸦胆子雌雄株在营养生长期从形态特征上看不出有任何差异，只有等到开花结果时才能辨别出雌雄。柳跃[28]2013 年跟踪测定了鸦胆子雌雄株叶片4 月到9 月的可溶性糖、可溶性蛋白，叶绿素、丙二醛含量及POD 和CAT 活性的变化，但上述指标6 个月的平均值T 检验结果都表明雌雄株之间差异不显著。本研究结果表明，鸦胆子雌株的日最大同化速率（15.2 μmol· m-2· s-1）大于雄株（10.8 μmol· m-2· s-1），尽管两者Pn日均值差异不显著，但还是雌株大于雄株，这可能与鸦胆子雌株果实的库效应有关。果实的存在可提高光合作用，增加气孔开放度和减少叶片的呼吸消耗[29]，这和本文的研究结果一致。鸦胆子雄株的水分利用效率较雌株高，且两者日均值之间存在显著差异（P＜0.05）。这和文献报道的在相同的田间条件下，酒神菊树Baccharis dracunculifolia雌株受到的水分胁迫较轻，但在干旱条件下雄株的水分利用效率更高[30]的情况相似。

综上所述，鸦胆子雌雄株叶片光合作用日变化趋势基本一致，都为单峰曲线，没有光合“午休”现象。作为喜光阳性树种，鸦胆子对水分胁迫比较敏感，且雄株较雌株的水分和光能利用效率较高。有关水分、养分胁迫条件下鸦胆子雌雄株的适应性差异今后将做进一步的研究。