不同地域连翘的光合特性研究

陈虹宇,任子蓓,黄炳旭,李雪娇,任士福

(1河北农业大学 林学院,河北 保定 071000;2石家庄邮电职业技术学院,河北 石家庄 050020)

连翘(Forsythiasuspensa),为木樨科、连翘属、落叶灌木,是园林中常用的观赏植物,其果实含有连翘苷、连翘酯苷A,具有清热解毒、抗菌消炎等作用,连翘不仅是我国传统的药用植物,更是新冠疫情防治的主要中药材[1-2]。连翘耐寒、耐旱、耐盐碱的能力较强,对土壤条件要求不高,在太行山地区有广泛分布,因其经济效益与生态效益兼顾,成为道地产区未来产业化发展的重要中药材品种。但连翘以野生资源居多,不同类型间表型特征、生理特性各不相同,加之缺乏科学管理,产量、果实品质低下[3]。因此,开展新品种选育和提纯复壮等工作,选育优质高产连翘新品种是现在亟需解决的问题。

植物的光合作用是其生长发育、形态建成的基础,更是经济树种的产量基础,光合作用对植物次生代谢过程及产物积累会产生影响,而连翘等中药植物的次生代谢产物通常是主要药效成分,因此光合作用对连翘的产量和品质具有决定性作用[4-12]。光合作用是植物适应环境变化较为敏感的过程,除外界因素外,植物本身生理特性也会产生影响,其生理特性会因生长环境不同而发生变化[13-15]。因此,研究植物的叶片特征、叶绿素荧光以及光合作用参数等,可以综合分析其光合特性,还能体现植物对环境的适应能力[16]。目前,对连翘的研究主要集中在有效成分作用机理、栽培技术、经济价值开发等方面,对于光合特性方面的研究较少[17-22]。因此,针对太行山地区连翘产业的发展需求,对来自河北石家庄、河南三门峡、山西运城3个产地连翘的光合特性进行研究比较,选择出适应太行山地区,能够最大程度发挥光合作用潜力的连翘类型,以期为太行山地区高光效连翘品种的选育及科学制定连翘高效栽培技术措施提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于河北省石家庄市平山县,地理坐标E 113°58′,N 38°28′,属大陆性季风气候。试验地位于平山县西南部,太行山东麓中段,西与山西省盂县交界,海拔高度1 236.44 m,年均降水量609 mm,年均气温12.9 ℃,无霜期130～190 d。

1.2 试验材料

所用3种连翘分别引自河北省平山县、山西运城、河南三门峡,均利用3年生大苗造林,目前为7年生林木,期间进行统一管理。

1.3 试验方法

试验于2021年6月进行,试验前各选定长势、冠幅、树形相近的健康样株15棵,试验设定5株1小区,3次重复。选择晴朗无云的上午9：00-12：00进行叶绿素荧光参数及光响应曲线的测定,选择生长在树体外围树冠中上部枝条自顶梢向下第5～7片叶子。从4个方向各采10片叶子,各小区叶片混合均匀后带回进行叶片形状特征测量。

1.3.1 叶片形态特征 每个小区随机选取10片叶子,测量比较3种连翘的叶片形状特征。利用电子扫描仪以及ImageJ软件测定叶面积及其他叶片的大小,沿主脉方向从叶柄基部至叶尖的长度为叶长,垂直于主脉到叶缘最长的距离为叶宽。将10片叶片叶脉重叠垂直放置,利用游标卡尺测量靠近叶脉处叶片厚度,数值平均后即为叶厚。

1.3.2 叶绿素含量 将叶片洗净后擦干,去除叶脉,剪成细丝,准确称取0.1 g置于试管中,加入10 mL 95%乙醇后密封,放入暗处反应24 h,用分光光度计测定稀释后的提取液在663、645、440 nm波长下的光密度值,测定完毕后,按公式计算叶绿素a、叶绿素b以及总叶绿素含量。

(1)

式中：C为叶绿素浓度;V为提取液体积;N为稀释倍数;W为样品鲜重或干重。

1.3.3 光响应曲线 利用LI-6400便携式光合分析系统进行测定,将光合有效辐射(PAR)分别依次设置为2 000、1 500、1 000、800、500、200、100、50、20、0 μmol/(m2·s)。分别测定在不同光强下3种连翘的净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)等参数,并计算叶片水分利用效率(WUE=Pn/Tr)。利用叶子飘光合计算软件对光响应曲线进行拟合,在本研究中采用非直角双曲线模型进行拟合,并计算光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)、最大净光合速率(Pmax)、暗呼吸速率(Rd)等参数[23]。

(2)

式中：Pn为净光合速率;φ为表观量子效率;Pmax为最大净光合速率;PPED为光合有效辐射;k为光响应曲线曲角;Rd为暗呼吸速率。

1.3.4 叶绿素荧光参数 使用FP 100便携式叶绿素荧光仪测定叶绿荧光参数。测定前使用暗适应叶夹夹20 min,然后测定叶片叶绿素荧光参数。包括初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ量子效率(Fv/Fo)。

1.3.5 数据处理 通过Excel 2014和 Sigmaplot 14.0 进行作图,用SPSS 22.0对测定数据进行差异性及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 叶片特征

不同地区连翘的叶片特征,见表1。

表1 不同地区连翘的叶片表型特征Table 1 Leaf phenotypic characteristics of F. suspensa in different regions

3种连翘的叶片表型特征有明显的区别,河北连翘叶片锯齿大、小而狭长,颜色为暗绿色;山西连翘叶片锯齿较小,颜色为浅绿色,呈卵形;河南连翘叶片锯齿相对较小,颜色为暗浓绿色,叶片较大,呈椭圆形。

由表1可知,不同地区的连翘,其叶面积、叶长、叶宽均为：山西连翘>河南连翘>河北连翘。叶厚为：河南连翘>山西连翘>河北连翘。植物的叶面积是影响其光合能力的主要表型特征,山西连翘与河北连翘间具有显著差异,山西连翘的叶面积大小为12.456 cm2,河北连翘为9.329 cm2,河南连翘的叶面积与其他2种连翘均无显著差异,大小为11.152 cm2。

2.2 叶绿素含量

不同地区连翘的叶绿素含量,见表2。

表2 不同地区连翘的叶绿素含量Table 2 Chlorophyll content of F. suspensa in different regions

由表2可知,山西连翘的叶绿素a、叶绿素b以及总叶绿素含量均为最高,叶绿素a含量为1.230 mg/g,与其他2种连翘存在显著性差异,其次为河北连翘1.081 mg/g,河南连翘1.031 mg/g,二者间不存在差异。而叶绿素b的含量由大到小为：山西连翘0.294 mg/g,河南连翘0.238 mg/g,河北连翘0.194 mg/g,山西连翘与河北连翘间存在显著差异,二者与河南连翘均没有差异。总叶绿素含量的大小排列与叶绿素a相同,最大值为山西连翘1.524 mg/g,河北连翘的含量为1.275 mg/g,河南连翘为1.269 mg/g。河北连翘叶绿素a/b的值为5.672,显著高于其他2种连翘,河南连翘次之,为4.347,山西连翘的总叶绿素含量虽高,但其叶绿素a/b的值却最低,为4.190。

2.3 叶绿素荧光参数

不同地区连翘的叶绿素荧光参数,见表3。

表3 不同地区连翘的叶绿素荧光参数Table 3 Chlorophyll fluorescence parameters of F. suspensa in different regions

由表3可知,3种连翘的叶绿素荧光参数均无显著差异。初始荧光是PSⅡ反应中心处于完全开放时的荧光产量,与叶片叶绿素浓度有关,3种连翘的初始荧光数值大小排列与所测得的叶绿素a和总叶绿素含量相符,为：山西连翘>河北连翘>河南连翘。Fv/Fm是PSⅡ最大光化学量子产量,代表PSⅡ对光能的转换效率,Fv/Fo表示光反应中心PSⅡ的潜在活性,3种连翘的2项比值均无差异。

2.4 光响应曲线

不同地区连翘的光响应曲线,见图1。

图1 不同地区连翘的光响应曲线Figure 1 Light response curves of Forsythia suspensa in different regions

由图1可知,随着光强的增强,3种连翘的净光合速率均呈现不断升高趋势。河北连翘的净光合速率范围在-0.852～10.713 μmol/(m2·s),河南连翘在-0.998～7.440 μmol/(m2·s),山西连翘在-0.794～6.780 μmol/(m2·s),在光强不断增加的过程中,河北连翘的净光合速率始终显著高于其他2种连翘。在光强为0～1 000 μmol/(m2·s)时,3种连翘的净光合速率为：河北连翘>山西连翘>河南连翘,在光强为1 000～2 000 μmol/(m2·s)时,净光合速率则为：河北连翘>河南连翘>山西连翘。

2.4.1 光响应曲线参数 利用SPSS 22.0软件采用非直角双曲线模型对光响应曲线进行拟合。不同地区连翘的光响应曲线拟合特征参数,见表4。

表4 不同地区连翘光响应曲线拟合特征参数Table 4 Fitting parameters of light response curves of F. suspensa in different regions

由表4可知,3种连翘的最大净光合速率由大到小为：河北连翘>河南连翘>山西连翘,其中河北连翘的最大净光合速率显著高于其他2种连翘,为13.230 μmol/(m2·s),河南连翘为10.541 μmol/(m2·s),山西连翘为7.491 μmol/(m2·s)。3种连翘最大净光合速率的计算值与实测值相近。最大净光合速率可以反映出植物利用光合作用制造有机物的最大潜力,因此河北连翘对于光能的利用能力优于其他2种连翘。

在光强为0～200 μmol/(m2·s)时,对3种连翘的净光合速率进行线性回归,当光强为0 μmol/(m2·s)时,直线与y轴相交的点即为植物的暗呼吸速率。河南连翘的暗呼吸速率最高,为0.596 μmol/(m2·s);山西次之,为0.484 μmol/(m2·s);河北连翘的暗呼吸速率最低,为0.397 μmol/(m2·s)。

3种连翘的表观量子效率具有显著性差异,可以反映植物对弱光的利用能力,河北连翘最高,为0.082;山西连翘次之,为0.050;河南连翘最低,为0.042。

光饱和点是植物随着光强的增加,其净光合速率趋于不变时对应的光照强度,河北连翘与河南连翘的光饱和点均大于1 000 μmol/(m2·s),2种连翘的光饱和点不存在显著差异,分别为1 490.00、1 449.33 μmol/(m2·s)。山西连翘光饱和点最小,与其他2种连翘存在显著性差异,为656.00 μmol/(m2·s)。3种连翘的光饱和点拟合值的比较结果与实测值相符,但河北连翘与山西连翘的拟合光饱和点数值均小于实际观测的光饱和点。在实际测量时,随光强增加到2 000 μmol/(m2·s),河北连翘的净光合速率一直呈现升高的趋势,因此河北连翘的实际光饱和点在2 000 μmol/(m2·s)以上;河南连翘在实际测量中光强大于1 400 μmol/(m2·s)后净光合速率趋于不变,到达光饱和点,与拟合的光饱和点相近;山西连翘在光强达到800 μmol/(m2·s)后净光合速率呈现明显下降趋势,因此其实际光饱和点要大于拟合光饱和点656.00 μmol/(m2·s)。

光补偿点为植物呼吸速率与光合速率相等时的光照度值,光补偿点低说明植物对于弱光的利用能力强。3种连翘的光补偿点存在显著性差异,但均小于50 μmol/(m2·s),河南连翘的光补偿点最高,为32.00 μmol/(m2·s),山西连翘为17.33 μmol/(m2·s),河北连翘最低,为12.00 μmol/(m2·s)。

2.4.2 光合参数随光强变化趋势 3种连翘的各个光合参数随光照强度的变化趋势,见图2。

图2 不同地区连翘光合参数变化Figure 2 Changes of photosynthetic parameters of F. suspensa in different regions

由图2-(a)可知,3种连翘的胞间CO2浓度随着光强的变化呈现先下降后缓慢上升的趋势,在光强为0～500 μmol/(m2·s)时,胞间CO2浓度急速下降,这与植物开始进行光合作用有关,在光强为500～800 μmol/(m2·s)时,浓度到达最低点,后又逐渐升高。在不同光照强度下,3种连翘的胞间CO2浓度均表现为：河南连翘>山西连翘>河北连翘。

由图2-(b)可知,3种连翘的蒸腾速率随着光强的变化一直在升高,河北连翘的蒸腾速率值始终高于其他2种连翘,河南连翘的蒸腾速率在光强大于1 000 μmol/(m2·s)后高于山西连翘。对3种连翘的蒸腾速率变化进行线性回归,得出回归方程：河北连翘为y=0.001 1x+1.417 0(R2=0.986 7);河南连翘为y=0.001 1x+0.891 9(R2=0.988 9);山西连翘为y=0.000 5x+1.115 2(R2=0.920 2)。3种连翘的线性拟合值均大于0.9,河北连翘与河南连翘的增长速率相同,且为山西连翘增长速率的2倍多。

由图2-(c)可知,3种连翘的气孔导度变化为随光强升高而增大,对3种连翘气孔导度变化进行线性回归,得出结果：河北连翘为y=6E-05x+0.088 4(R2=0.990 8);河南连翘为y=8E-05x+0.046(R2=0.978 3);山西连翘为y=3E-05x+0.071 4(R2=0.899 7)。河南连翘的增长速率大于其他2种连翘,在光强大于1 000 μmol/(m2·s)后增长趋势更明显,在光强大于1 500 μmol/(m2·s)后,河南连翘的气孔导度最大,山西连翘的气孔导度变化趋于平缓。

由图2-(d)可知,3种连翘的水分利用效率变化趋势为先升高后降低,均在光强为500 μmol/(m2·s)时达到最大值,分别为山西连翘3.844 μmol/mmol、河北连翘3.809 μmol/mmol、河南连翘3.553 μmol/mmol,河北连翘与山西连翘的水分利用效率相近,河南连翘的水分利用效率最低。

2.4.3 光合参数的相关性分析 各个光合参数间相关性分析,见表5。

表5 光响应曲线特征参数的相关关系Table 5 Correlation of characteristic parameters of light response curves

由表5可知,3种连翘各个光合参数间均达到极显著相关,胞间CO2浓度与其他几项参数呈极显著负相关,净光合速率、蒸腾速率、气孔导度以及水分利用效率间互为正相关。净光合速率与其他光合参数间相关系数均大于0.8,由大到小为：胞间CO2浓度(0.902)>蒸腾速率(0.893)>水分利用效率(0.879)>气孔导度(0.839),此数项参数均是限制净光合速率的主要因素。此外,胞间CO2浓度与水分利用效率、蒸腾速率与气孔导度的相关系数接近于1,分别为0.997和0.980。

3 讨论与结论

3.1 讨论

海拔较高的山地具有低温、低气压和强日照辐射等特点,在此环境下生长的植物会形成特殊的光合生理适应机制,包括形态结构与生理特性,因此植物叶片性状由遗传因素和环境条件共同决定[24-25]。有研究表明,叶面积与厚度相对较小的植物在高温、干旱、高光和低养分的环境下较有优势,3种连翘的叶面积大小为：山西连翘>河南连翘>河北连翘,叶片厚度没有差异,因此河北连翘的叶片特征更适应于试验地环境。

叶绿素含量也是决定光合作用大小的重要指标,山西连翘的总叶绿素含量最高,但在研究中山西连翘的光响应表现最差,其最大净光合速率以及光饱和点均为3种连翘中最低,这与毛行简、陶娟对连翘的研究结果相反[14,26]。这可能是因为,山西连翘的总叶绿素含量最高,叶绿素含量过高容易造成光抑制现象[27]。植物的叶绿素a主要吸收波长较长的红光,阳生叶单位质量内叶绿素a/b值较阴生叶高,山西连翘的叶绿素a/b值最小,与其在高光强下光合作用受到抑制的表现一致,说明山西连翘不适于生长在光照较强的环境,而河北连翘的叶绿素a/b的值最高,是典型的阳生植物,在一定范围内,光强越大,光合作用越强[28]。

叶绿素荧光技术是植物光合作用研究的有效探针,Fv/Fm反映了PSⅡ反应中心内光能转换效率,也代表植物体对环境光照长期适应的结果[29-30]。3种连翘的Fv/Fm值没有显著差异,差值也非常小,与大多数植物相同,比值接近0.8[31]。

光强是影响植物叶片净光合速率的主要因素,对光响应曲线的测定及拟合是植物光合生理领域的重要方向及手段,其拟合参数比某一时刻点的测定参数更适合预测植物的生长[32-34]。首先表观量子效率可以反映植物对弱光的利用能力,其数值一般在0.04～0.07之间,河南连翘与山西连翘的值均在此范围内,河北连翘的表观量子效率最高[35]。光饱和点和光补偿点是植物光合能力的重要体现,代表对不同光强的适应能力,光补偿点与表观量子效率一样,都可以说明植物对弱光的利用能力,3种连翘中河北连翘的光补偿点最低,表观量子效率最高,对弱光的利用能力最强,其次为山西连翘与河南连翘[36]。光饱和点体现植物对强光的适应能力,3种连翘的光饱和点拟合值与实测值有所不同,但由大到小依旧为：河北连翘>河南连翘>山西连翘,河北连翘的实际光饱和点在2 000 μmol/(m2·s)以上,在今后的研究中,还需将光合有效辐射的变化范围设置的更大。3种连翘的光补偿点在10～35 μmol/(m2·s)之间,相对较低,河南连翘与河北连翘的光饱和点接近1 500 μmol/(m2·s),这种高光饱和点、低光补偿点的特征代表2种连翘对不同程度的光照适应性强,具有较高的光合能力,这与王建华的研究结果相近[37]。山西连翘的光饱和点小于1 000 μmol/(m2·s),光饱和点于光补偿点均较低,更适于在弱光环境下生长。河南连翘与河北连翘可利用的光能范围较大,但是河南连翘的最大净光合速率较河北连翘小。暗呼吸速率也是植物利用弱光能力的重要参数,代表无光条件下呼吸强度的大小,河北连翘的暗呼吸速率最小,在不同光强下的净光合速率均大于其他2种连翘[38]。河南连翘的暗呼吸速率大于山西连翘,在光强增强初期,生理活动所消耗的物质能量较高,并且表观量子效率小于山西连翘,光合作用较弱。因此,净光合速率始终小于山西连翘。但随着光强增大,河南连翘的气孔导度、蒸腾速率逐渐增加,光合作用开始增强,净光合速率在光照较强时高于山西连翘。

前人的研究对于净光合速率和胞间CO2浓度的相关关系各有不同,但与蒸腾速率、气孔导度均呈正向关系,3种连翘的净光合速率除与胞间CO2浓度呈负相关外,与其余参数均为正相关,且均达到了极显著水平,胞间CO2浓度是影响净光合速率最显著的因子,气孔导度与蒸腾速率间存在极显著正相关,且均与胞间CO2浓度成极显著负相关,表明3种连翘光合作用容易受到非气孔因素的限制,净光合速率低是因为叶肉细胞光合活性弱[39-44]。蒸腾速率与气孔导度是植物对水分利用情况的主要指标,蒸腾速率与气孔导度的相关系数接近1,气孔导度是影响蒸腾速率的主要因素,与司建华、罗永忠的研究结果一致,拥有高水分利用效率和低的蒸腾速率的植物对干旱环境的适应能力更强,山西连翘表现出高的水分利用效率和低的蒸腾速率,在较为干旱的山地对水分的要求相对较低[45-47]。

3.2 结论

(1)3种连翘的叶片表型特征存在差异,叶面积由大到小排列为：山西连翘(12.456 cm2)>河南连翘(11.152 cm2)>河北连翘(9.329 cm2),山西连翘的叶绿素a、叶绿素b的含量均大于其他2种连翘,分别为1.230、0.294 mg/g。河北连翘的叶绿素a/b的值最大,为5.672,山西连翘叶绿素a/b(4.190)最小,但总叶绿素的含量最高,在强光下光合作用容易受到抑制。3种连翘的叶绿素荧光参数没有显著差异。

(2)河北连翘的光饱和点、最大净光合速率以及表观量子效率均为最高,光补偿点与暗呼吸速率最低,可利用的光合有效辐射范围最广,光合能力显著优于其他2种连翘;河南连翘的光饱和点[1 449.33 μmol/(m2·s)]以及最大净光合速率[10.541 μmol/(m2·s)]仅次于河北连翘,但其光补偿点、暗呼吸速率最高,表观量子效率最低,在弱光下,光合作用容易受到抑制;山西连翘可利用的光合有效辐射范围最小,最大净光合速率最低,为7.491 μmol/(m2·s),但山西连翘的表观量子效率与暗呼吸速率仅次于河北连翘,对弱光的利用能力高于河南连翘。

(3)对光合参数进行相关性分析,只有胞间CO2浓度与其他参数成极显著负相关,其余均为极显著正相关。与净光合速率相关系数最高的是胞间CO2浓度,为0.902,气孔导度与蒸腾速率的相关系数为0.980。因此,净光合速率升高时,胞间CO2浓度降低,气孔导度与蒸腾速率也升高,表明影响3种连翘光合作用的为非气孔因素,即受连翘叶肉细胞的光合活性大小影响,是植物本身的生理特性。

综上所述,河北连翘所能适应的光照范围最广,属阳生植物,光照强度越大,其光合作用越强;河南连翘在弱光下的气孔导度较小,净光合速率较低,适合栽植于光照条件良好的立地;山西连翘表现为阴生植物,对弱光的利用能力较好,适合栽植于林下或山地阴坡等光照较弱的立地。本研究只分析了3种连翘的光合特性,对其综合的生理生态适应性评价还需在后续试验中增加植物表观特征、非生物胁迫抵抗能力、产量及果实品质等多方面内容。