4種苦苣苔科植物光合特性的比較

鄭月萍，沈宗根，姜 波，姜 武，呂洪飛

(1.浙江師范大學化學與生命科學學院，浙江金華 321004;2.常熟理工學院生物與食品工程學院，江蘇常熟 215500)

苦苣苔科(Gesneriaceae)屬雙子葉植物，是玄參目的重要類群，與玄參科的關系比較接近.苦苣苔科植物全世界有150屬3 700余種，分布于亞洲東部和南部、非洲、歐洲南部、大洋洲至墨西哥的熱帶至溫帶地區，中國已知有58屬463種［1-3］，其中27屬375種為中國特有種，半數以上為狹域種.

苦苣苔科植物多數種類具有重要的觀賞價值、藥用價值和科研保護價值［1-2］.國內對苦苣苔科植物的研究基本上側重于其科研價值，如植物區系地理分布、系統進化、植物分類學等.近年來對苦苣苔科植物的研究已逐漸從科研走向實用.該科植物許多種類在我國南方是傳統的民間草藥，為歷代本草所記載，尤其在四川少數民族地區廣泛使用.該科植物主要含黃酮類化合物，多具有清熱、止咳平喘、活血、滋補的功能.另外，苦苣苔科植物因花繁色艷、葉片獨特及株形緊湊而深受花卉愛好者的賞識，如苦苣苔亞科中著名的觀賞植物非洲堇屬Saintpaulia、芒毛苣苔屬Aeschynanthus和大巖桐亞科的大研桐屬Sinningia等.

值得一提的是，苦苣苔科植物具有非常特殊的生境，它們大多喜生于陰濕的山坡石縫中或巖洞附近，也有許多種類生長在條件惡劣的崖壁上，并且絕大多數種類具有極強的耐蔭性，分布于背陰或散射光線處.在如此特殊的生境下生存，苦苣苔科植物肯定有其奇特的適應機制，其極強的耐蔭性機理就是值得研究的內容之一.

另外，特殊的生態環境，極低的自然繁殖率，再加上人類無休止的采挖及自然生境的不斷喪失，野生苦苣苔科植物愈來愈稀少，許多種類正處于瀕危狀態.

基于苦苣苔科植物的上述特征，迫切需要對苦苣苔科植物進行研究，對中國特有的瀕危種類及具有園藝觀賞和藥用價值的種類進行開發和保護.引種栽培就是保護、利用苦苣苔科植物的必由之路.在苦苣苔科植物的栽培過程中，光照條件直接影響植株的生長速率和生長量，并進一步影響其生產周期和商品質量［4］.但是，以苦苣苔科植物為材料，對其生長栽培時所需光照條件的研究尚未見報道.光照條件是影響植物生長的重要因素之一，通過對植物的光合作用和葉綠素熒光特性的研究，可以很好地了解植物對光照條件的需求.本研究通過對4種苦苣苔科植物的光合作用和葉綠素熒光特性的測定，研究了不同苦苣苔科植物對光照條件的需求，從而為研究苦苣苔科植物對特殊生境的適應機理提供借鑒，同時也為苦苣苔科植物的合理栽培和養護管理提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 供試植物

2008年8月從浙江省金華市九峰山采集了4種苦苣苔科植物:半蒴苣苔(Hemiboea henryi Clarke)、溫州長蒴苣苔(Didymocarpus cortusifolius(Hance)W.T.Wang)、牛耳朵(Chirita eburnea Hance)和大花旋蒴苣苔(Boea clarkeana Hemsl.)，并將這4種苦苣苔科植物種植在裝有泥炭、沙土和腐殖土混合物的花盆中，放于浙江師范大學溫室內進行培養和馴化.溫室內的日溫控制在25～30℃.每天18:00進行灌溉，水分浸透土壤即可.

1.2 測定方法

用便捷式葉綠素計測定4種苦苣苔科植物葉片的葉綠素含量，找出最佳功能葉.然后，在晴天從07:00左右開始，采用GFS-3000光合作用儀和MINI-PAM葉綠素熒光儀，測定4種苦苣苔科植物最佳功能葉的光合參數和熒光參數.

1.2.1 光合速率日變化的測定

參見文獻［5］.采用GFS-3000便攜式光合作用儀，對4種苦苣苔科植物的光合速率日變化情況進行測定.選擇晴朗無風、光照充足的一天，在室外自然光強下測定4種苦苣苔科植物的凈光合速率(Pn)在一天中的變化情況.測定從07:00持續到18:00，每隔1 h對同一葉片測定1次，并同步測定光合有效輻射(PAR)、葉片表面溫度(Tleaf)、空氣相對濕度(Hr)、環境CO2濃度(Ca)、葉片與空氣的水汽壓虧缺(VPD)等相關參數.測定時選取充分展開的葉片，且每次測定時均需穩定約3 min后才能開始數據采集.

1.2.2 光響應曲線的測定

參見文獻［6］.將CO2濃度設定為688 mg/m3，用光合系統的可調光源在0～1 400 μmol·m-2·s-1光強度下測定光響應曲線，回歸法求得光飽和點和光補償點.

1.2.3 CO2響應曲線的測定

參見文獻［6］.用內置式可調CO2供氣系統在設定光合有效輻射為600 μmol·m-2·s-1下測定CO2響應曲線，求得CO2飽和點和CO2補償點.以上測定將葉溫控制在28℃.

1.2.4 葉綠素熒光參數的測定

參見文獻［5，7-8］.葉綠素熒光參數用脈沖調制熒光儀MINI-PAM進行測定.測定之前植株需經過30 min以上的暗適應，測定時記錄表觀電子傳遞速率(ETR)、PSⅡ的實際光化學量子產量(Yield)、光化學淬滅(qP)系數和非光化學淬滅(qN)系數.

1.3 數據分析

GFS-3000光合作用儀每次測定時記錄5個數據，各項參數在3個植株上進行重復測定.所得數據首先用EXCEL軟件進行初步處理，然后采用單因子方差分析，以95%可信度水平上的最小顯著性差異為差異顯著，用SPSS軟件進行統計分析.

2 結 果

圖1 4種苦苣苔科植物的凈光合速率日變化曲線

2.1 4種苦苣苔科植物的凈光合速率與生理生態因子的日變化

4種苦苣苔科植物的凈光合速率日變化曲線都顯示為不明顯的雙峰曲線，即具有“午休”現象，但日變化規律不盡相同(見圖1).上午，隨著光照強度增大、氣溫升高和相對濕度降低，植物酶系統充分活化，光合作用加快，半蒴苣苔、大花旋蒴苣苔、牛耳朵和溫州長蒴苣苔分別在12:00，12:00，10:00和10:00出現第1個峰值;在13:00，13:00，11:00和13:00分別出現“午休”現象;之后，凈光合速率又緩慢回升，半蒴苣苔、大花旋蒴苣苔和溫州長蒴苣苔在16:00達到第2個峰值，而牛耳朵在17:00達到第2個峰值;然后，隨著時間的推移，凈光合速率持續下降直至某一值.

凈光合速率與光照強度、溫度、空氣相對濕度和土壤濕度等環境因子密切相關［9］.圖2顯示了4種苦苣苔植物的5個生理生態因子在一天中的變化情況:光合有效輻射在中午12:00達到最大值，隨后又逐漸下降;葉片表面溫度先逐漸增加并在14:00達到最大值44.19℃，后逐漸下降;空氣相對濕度在08:00和18:00具有最大值;葉片與空氣的水汽壓虧缺的變化趨勢和葉片表面溫度的變化趨勢相似;而環境CO2濃度具有和空氣相對濕度相同的變化趨勢.

圖2 4種苦苣苔科植物的生理生態因子日變化情況

對凈光合速率和5個生理生態因子進行皮爾遜相關分析，以進一步分析4種苦苣苔科植物的凈光合速率和生理生態因子之間的相互作用關系.皮爾遜相關分析結果(見表1)顯示，半蒴苣苔和大花旋蒴苣苔的凈光合速率和環境CO2濃度呈負相關.凈光合速率較大時，葉片固定的CO2比較多，引起環境CO2濃度的降低;午間出現光合午休現象時，環境CO2濃度達到最低;之后，隨著光照強度的減弱，4種苦苣苔科植物的光合作用強度降低而使環境CO2濃度逐漸回升.光合作用需要許多酶的參與，而酶的活性大小在一定的溫度范圍內和溫度呈正相關.因此，葉片表面溫度與半蒴苣苔及大花旋蒴苣苔的凈光合速率之間存在極大的正相關性.同時，光合有效輻射與4種苦苣苔科植物的凈光合速率之間沒有顯著相關性，這可能是因為光照強度通過其他的環境因子間接影響了4種苦苣苔科植物的凈光合速率.

表1 4種苦苣苔科植物的凈光合速率與生理生態因子之間的皮爾遜相關性分析結果

2.2 4種苦苣苔科植物的光響應曲線

光響應曲線(見圖3)顯示:4種苦苣苔科植物的凈光合速率隨著光合有效輻射的增加而迅速增加，光合有效輻射超過200 μmol·m-2·s-1后增加緩慢，至光合有效輻射為1 000 μmol·m-2·s-1時達到最大值，之后趨于穩定或略有下降.表2顯示了半蒴苣苔、大花旋蒴苣苔、溫州長蒴苣苔和牛耳朵的光補償點分別為 48.73，13.66，6.64 和 63.47 μmol·m-2·s-1，而它們的光飽和點相近并明顯低于一般植物.

圖3 4種苦苣苔科植物的光響應曲線

表2 4種苦苣苔科植物的光補償點、光飽和點、CO2補償點和CO2飽和點

2.3 4種苦苣苔科植物的CO2響應曲線

CO2響應曲線(見圖4)顯示:4種苦苣苔科植物的凈光合速率從負值開始增加，環境CO2濃度在295～786 mg/m3時增加速度較快，并達到最大值，之后略有下降.如表2所示:4種苦苣苔科植物的CO2補償點均介于118～196 mg/m3;而 CO2飽和點高于1 277 mg/m3，大花旋蒴苣苔的CO2飽和點甚至達到了1 965 mg/m3.

2.4 4種苦苣苔科植物的葉綠素熒光參數

圖4 4種苦苣苔科植物的CO2響應曲線

實際光化學量子產量表示PSⅡ的實際光化學效率，是PSⅡ所吸收的光量子中用于光化學反應的比例.此數值是一個表征植物光合作用能力高低的變量.從圖5(a)可以看出:4種苦苣苔科植物的實際光化學量子產量的平均值大小為溫州長蒴苣苔＞牛耳朵＞半蒴苣苔＞大花旋蒴苣苔，且都隨著光合有效輻射的增加而下降.這說明:吸收相同光能后，溫州長蒴苣苔將更多的光能用于光化學過程;同時，隨著光合有效輻射的增加，4種苦苣苔科植物吸收的光能中用于光化學過程的比例下降.表觀電子傳遞速率是反映實際光強條件下的表觀電子傳遞效率的.表觀電子傳遞速率隨光合有效輻射的增加而變化的曲線如圖5(b)所示，為一單峰曲線:在低光強下，4種苦苣苔科植物的表觀電子傳遞速率無明顯差異;當光強超過100 μmol·m-2·s-1時，隨著光強的增加，4種苦苣苔科植物的表觀電子傳遞速率都增加，且增加速度以溫州長蒴苣苔顯著大于牛耳朵和半蒴苣苔，更大于大花旋蒴苣苔，光飽和表觀電子傳遞速率大小順序是:溫州長蒴苣苔＞牛耳朵＞半蒴苣苔＞大花旋蒴苣苔;當光強超過600～800 μmol·m-2·s-1后，4種苦苣苔科植物的表觀電子傳遞速率隨光強進一步增加而急劇下降.光化學淬滅反映了PSⅡ所捕獲的光量子轉化成化學能的效率，代表PSⅡ反應中心開放部分的比例，其值越高，表明PSⅡ反應中心原初電子受體QA庫越大，PSⅡ反應中心開放的比例也越大，從而使天線色素所捕獲的光能以更高的比例用于推動光合電子的傳遞，促進電子傳遞能力的提高.由圖5(c)可知:4種苦苣苔科植物的光化學淬滅值相差不顯著;且隨著光合有效輻射的增加，4種苦苣苔科植物的光化學淬滅以大致相同的幅度下降.這表明隨著光合有效輻射的增強，PSⅡ反應中心逐漸關閉.非光化學淬滅反映了PSⅡ天線色素吸收的光能以熱的形式耗散的那部分光能，對光合機構起到一定的保護作用.非光化學淬滅值大，表示葉片通過熱耗散的部分較多，從而阻礙植物利用所捕獲的光能充分有效地用于光合作用.從圖5(d)可看出，隨著光合有效輻射從0 μmol·m-2·s-1增大到1 400 μmol·m-2·s-1，4種苦苣苔科植物的非光化學淬滅值也逐漸增加.4種苦苣苔科植物的非光化學淬滅平均值的大小順序為:牛耳朵＞半蒴苣苔＞溫州長蒴苣苔＞大花旋蒴苣苔，表明在強光下牛耳朵能夠將更多的光能以熱的形式耗散掉，從而不易發生光抑制.

圖5 4種苦苣苔科植物的葉綠素熒光參數

3 討論與小結

光合作用是植物生長發育的基礎和生產力高低的決定性因素，同時又是一個對環境條件變化很敏感的生理過程［10］.4種苦苣苔科植物的凈光合速率日變化曲線均為雙峰曲線，具有“午休”現象.分析“午休”現象出現的原因:可能是實驗測定期間金華地區較高的光輻射形成了光抑制;也可能是氣溫升高，空氣相對濕度降低，暗呼吸和光呼吸速率的增加導致光合速率下降［11］;還有可能是由于光照強度的增加，其光合作用強度也增強，使環境CO2被迅速利用，但小環境內的CO2含量是有限的，從而使苦苣苔科植物的光合作用出現低谷，此時CO2成為小環境內苦苣苔科植物葉片進行光合作用的限制性因子.光合作用第2個峰值的出現，可能是隨著光合作用的減弱和苦苣苔科植物的呼吸作用釋放CO2或氣流交換，使小環境內的CO2濃度又升高的緣故.環境CO2濃度的降低導致凈光合速率降低的現象，也可以在一定程度上為設施栽培CO2施肥技術提供理論依據，即設施內增施CO2氣肥可以提高葉片的光合作用速率和果實品質［12］.“午休”現象出現的另一種可能是，隨著光照強度的增加，凈光合速率也逐漸增大，需要較多的水分供應，植物通過關閉氣孔來有效調節其蒸騰作用，減少水分的蒸騰，由于氣孔的關閉使胞間CO2濃度下降，凈光合速率也隨之下降，因而出現“午休”現象.

凈光合速率和5個生理生態因子之間的皮爾遜相關分析表明，各環境因子相互作用并對植物的凈光合速率產生影響.因此，為了有效避免光合午休現象的發生，可以采取適度的遮蔭，以降低葉片表面溫度和葉片與空氣的水汽壓虧缺，增加空氣相對濕度.與此同時，適當增加環境CO2濃度也能夠提高4種苦苣苔科植物的凈光合速率.

光飽和點與光補償點可以作為植物需光特性的主要指標，用來衡量其需光量［13］.4種苦苣苔科植物具有較低的光補償點和光飽和點，說明它們是耐陰植物，其生境中往往具有較低的光照強度.因此，在人工栽培過程中需要進行適度遮蔭，以降低光照強度.

CO2是植物光合作用的主要原料之一，其含量多少直接影響到光合作用的進行［14-15］.CO2飽和點和補償點是判斷植物是否具有高光合效率遺傳特性的一個重要指標［16］.4種苦苣苔科植物均具有較高的CO2飽和點和補償點，說明它們具有較高的光合效率.在大棚栽培時可以適當提高環境中的CO2濃度.

通過葉綠素熒光特征的分析可獲得植物對光能的利用情況［17］.對4種苦苣苔科植物的葉綠素熒光特征的分析可知，PSⅡ潛在活性和光能轉化效率的高低順序為溫州長蒴苣苔＞牛耳朵＞半蒴苣苔＞大花旋蒴苣苔，順序在前者可以形成更多的化學能(腺嘌呤核苷三磷酸和還原型輔酶Ⅱ)，為光合碳同化提供充分的能量和還原力，形成更多的光合產物，表現出更加良好的光合生理性能.高的非光化學熒光猝滅能力有利于光能的耗散，但降低了光化學猝滅能力，阻礙了植物高效地利用所捕獲的光能及更有效地用于光合作用.牛耳朵和半蒴苣苔具有較高的非光化學猝滅值，說明牛耳朵和半蒴苣苔在逆境(如強光)條件下為避免過強光對光系統的損傷，光合系統運轉受抑制.這符合植物光合機構的自我保護機制.因此，從光合生理角度出發，牛耳朵為開發引種的優選品種，不僅因其有特殊的觀賞美感，而且具有較強的光能利用能力與適應能力.

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