紅顏草莓不同距離分株對光強和CO2濃度的響應特征德

慶措姆++高松

摘要：研究克隆植物不同分株對光強和CO2濃度的響應特征，以紅顏草莓為研究對象，采用Li-6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)，原位測量葉片的凈光合速率（Pn）對光合有效輻射（PAR）與胞間CO2濃度（Ci）的響應曲線。結果表明，草莓的光響應和CO2響應曲線均可用直角雙曲線修正模型方程來擬合。光飽和或CO2飽和時草莓遠端分株的最大凈光合速率（Pmax）和表觀量子效率（AQY）顯著高于近端分株，但光飽和點卻顯著低于近端分株。光補償點（LCP）、暗呼吸速率（Rd）、CO2飽和點（CSP）、CO2補償點（CCP）、光呼吸速率（Rp）和RuBP羧化效率（CE）在草莓的基株和分株間差異顯著。遠端分株保持較高的凈光合速率有助于草莓累積更多的同化產(chǎn)物，占據(jù)更多空間以獲得更多的資源，使得種群規(guī)模迅速擴大。

關鍵詞：克隆植物；草莓；光響應曲線；光強；CO2

中圖分類號： S668.401文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）09-0208-03

克隆植物是指在定居前期通過與基株相連的莖、根狀莖或枝條等繁殖體產(chǎn)生大量基因型相同分株的植物，這些分株在完全獨立之前通過間隔子（匍匐莖或根狀莖）相互連接，同一株克隆植物由于分株之間的聯(lián)系，使得植物內(nèi)的資源在“源”和“匯”之間進行分配，即克隆整合，從而增強克隆植物的生長[1]。研究表明，克隆整合有助于植物抵御水淹[2]、耐受沙埋[3]、耐受鹽脅迫[4]、采食干擾[5]、遮光脅迫[6]和干旱脅迫[7]等，這是因為克隆植物在其棲息地內(nèi)通過匍匐莖或根狀莖等結構，將斑塊內(nèi)資源充足分株內(nèi)的養(yǎng)分供應至低資源的分株，從而表現(xiàn)出對環(huán)境更強的適應能力[8]。

草莓為典型的克隆植物，具有個體小、發(fā)育快、種子產(chǎn)量高、克隆生長等特點，易于開展重復試驗；還具有早春開花、北半球分布的特性，使其更易于受到全球氣候變化的影響，是開展克隆植物研究的良好系統(tǒng)[9]。目前，有關草莓光合作用特征的研究主要集中在環(huán)境脅迫以及施加外源激素對草莓光合作用的影響等方面[10-11]，而關于克隆植物基株與分株在連接的情況下，基株與分株碳同化能力的高低尚未見報道。本研究采用栽培草莓（Fragaria×ananassa Duch.）作為試驗材料，考察基株、近端分株、遠端分株光合作用對光強和CO2濃度的響應特征，為闡明克隆植物的生態(tài)適應機制提供理論支持。

1材料與方法

1.1材料

供試材料為紅顏草莓（Fragaria×ananassa Duch.），于2013年4月購自臨海市江南紅葉草莓合作社。將紅顏草莓幼苗分別種植于臺州學院人工氣候室的花盆內(nèi)，空氣相對濕度控制為（75±10）%，白天設為14 h，溫度為（22±1）℃，光照強度約為500 μmol/（m2·s）；晚上設為10 h，溫度為（15±1）℃。培養(yǎng)至成熟后取長勢良好的植株進行試驗。

1.2方法

選擇紅顏草莓的基株、近端分株、遠端分株上的功能葉片作為測定對象（草莓近端分株距基株52 cm，遠端分株距母株106 cm），重復測定3次。

1.2.1光響應曲線的測定采用Li-6400便攜式光合測量系統(tǒng)（LI-COR，美國），用6400-02B LED紅藍光源葉室進行葉片瞬時光合速率的測定。測定條件為開放式氣路，測定溫度為25 ℃，CO2濃度為400 μmol/mol，空氣相對濕度為50%～70%。將紅藍光源LED設定一系列光強梯度，分別為0、20、50、100、150、200、400、600、800、1 000、l 200、1 500、2 000 μmol/（m2·s），測定葉片凈光合速率（Pn）。光響應曲線采用Ye 等提出的直角雙曲線修正模型進行擬合[12]。

1.2.2CO2響應曲線的測定采用Li-6400紅藍光源葉室進行測定，測定光強固定為1 300 μmol/（m2·s），設定葉室溫度為25 ℃，相對濕度為50%～70%，通過外接鋼瓶供應CO2，其濃度梯度分別設定為60、80、100、150、200、400、600、800、1 000、1 200、1 500 μmol/mol。測定最小等待時間為120 s，最大等待時間為180 s，每次變換CO2濃度后都進行儀器的匹配操作，以保證所得光合速率數(shù)值的準確。CO2響應曲線仍采用直角雙曲線修正模型進行擬合[13]。

1.3數(shù)據(jù)處理

試驗所有數(shù)據(jù)用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件進行Duncan方差分析，在P等于0.05水平下進行多重比較，圖中所表示的數(shù)據(jù)均為“平均值±標準差”。

2結果與分析

2.1草莓凈光合速率對光強的響應

為明確紅顏草莓凈光合速率（Pn）對光合有效輻射（PAR）的響應趨勢，測定了基株、近端分株、遠端分株葉片的光合光響應曲線，采用直角雙曲線修正模型進行擬合，決定系數(shù)R2均大于0.995 8，結果見圖1。當PAR≤200 μmol/（m2·s）時，基株、近端分株、遠端分株Pn幾乎呈直線上升趨勢，此時光強是草莓葉片光合作用的主要限制因子。超過200 μmol/（m2·s）以后，Pn上升的幅度逐漸減小，直至達到最大光合速率，即光飽和光合速率（Pmax）。遠端分株在PAR≥500 μmol/（m2·s）時出現(xiàn)了下降的趨勢，這可能是由于光過飽和現(xiàn)象引起了遠端分株幼嫩草莓葉肉細胞內(nèi)酶促反應的限制，導致其葉片無法充分吸收利用高強度的光。

本研究通過直角雙曲線修正模型擬合得到了草莓光響應曲線的特征參數(shù)（表1）。可以看出，紅顏草莓基株與遠端分株的最大凈光合速率無顯著差異，但卻顯著高于近端分株，表觀量子效率也有類似的結果；而光飽和點則是遠端分株顯著低于近端分株和基株；遠端分株的光補償點和暗呼吸速率最大。表1草莓光合作用光響應特征參數(shù)

分株類型光飽和時最大凈光合速率

[μmol/（m2·s）]光飽和點

[μmol/（m2·s）]光補償點

[μmol/（m2·s）]暗呼吸速率

[μmol/（m2·s）]表觀量子效率基株7.29a1 260.26b7.56b0.52b0.028 2a近端分株5.33b1 543.26a7.79b0.59b0.018 9b遠端分株6.34a585.31c11.31a0.95a0.025 4a注：同列數(shù)據(jù)后標有不同小寫字母表示差異顯著（P<0.05）。表2同。

2.2草莓凈光合速率對胞間CO2濃度的響應

采用直角雙曲線修正模型對草莓基株、近端分株、遠端分株的CO2響應曲線進行了擬合，決定系數(shù)R2均大于0.993 6，結果見圖2。當Ci≤400 μmol/mol時，Pn上升速度較快，此時一般認為，Rubisco對Pn的羧化限制起主要作用。此后，隨著Ci濃度的逐漸升高，草莓葉片的Pn增加的速率逐漸降低，直至接近飽和狀態(tài)，此階段Rubisco的再生速率應是限制Pn的主要原因。

通過直角雙曲線修正模型擬合得到了草莓CO2響應曲線的特征參數(shù)，結果見表2。紅顏草莓近端分株葉片的最大凈光合速率顯著低于基株和遠端分株；近端分株的RuBP羧化效率也顯著低于基株和遠端分株，其他特征參數(shù)則差異不顯著。

3討論

研究表明，花生最大凈光合速率可達39.20 μmol/（m2·s）[14]，水稻最大凈光合速率可達24.78 μmol/（m2·s）[15]。本研究

中草莓光飽和時最大凈光合速率分別為6 μmol/（m2·s）左右，較許多草本作物低，表明其同化能力較弱。同時Rd值不高，說明草莓在光下的暗呼吸作用不強烈，可能與草莓葉片的光合酶活性及其催化效率的強弱相關。

本研究還發(fā)現(xiàn)，遠端分株光飽和時的最大凈光合速率與基株無顯著差異，但卻都顯著高于近端分株。Evans針對多表2草莓光合作用的CO2響應特征參數(shù)

分株類型CO2飽和時最大凈光合速率

[μmol/（m2·s）]CO2飽和點

（μmol/mol）CO2補償點

（μmol/mol）光呼吸速率

[（μmol/（m2·s）]RuBP羧化效率基株12.48a1 260.60a65.39a3.81a0.028 9a近端分株9.44b1 179.58a74.24a3.35a0.021 5b遠端分株10.45a1 179.05a78.89a3.32a0.026 6a

年生根莖克隆植物的研究結果表明，水分、光合產(chǎn)物和氮素都能通過間隔子從高質(zhì)資源斑塊分株向低質(zhì)資源斑塊部分轉移[16]。Zhang等對根莖半灌木羊柴進行同位素示蹤研究表明，光合同化物能通過相連的根莖由子株向母株傳輸[17]，本研究與之有一定的相似之處。遠端分株處于開闊地帶，光照、養(yǎng)分、生態(tài)位比基株和近端分株更充足，雖然比較幼嫩，但遠端分株提高自己的同化效率，對于占領空間領地，擴大自己的種群規(guī)模有著重要意義，這可能也是克隆植物長期適應環(huán)境的一種機制。

一般認為，光補償點和飽和點均較低的植物是典型的耐陰植物，而光補償點低而光飽和點高的植物對環(huán)境適應性很強。陽生植物光補償點在13～36 μmol/（m2·s），飽和點在540 μmol/（m2·s）以上；而陰生植物的光飽和點在90～180 μmol/（m2·s），補償點在10 μmol/（m2·s）以下[18]。本研究中的草莓表現(xiàn)為一種較耐陰的陽性植物，遠端分株的光飽和點僅為基株或近端分株的1/3左右，表明強光容易造成遠端分株的光抑制，對遠端分株適度遮光有利于提高光合效率。表觀量子效率葉片對光能的利用情況，尤其是對弱光的利用能力，其值越大，表明植物吸收與轉換光能的色素蛋白復合體可能越多，利用弱光的能力越強。本研究中草莓遠端分株的表觀量子效率顯著高于近端分株，表明遠端分株利用弱光能力較強，因而適度遮光對于種群規(guī)模的擴大是有利的。

CO2作為植物光合作用的底物，其濃度升高必然對植物的光合作用產(chǎn)生影響，CO2響應曲線反映了植物光合速率隨CO2濃度的變化而變化的規(guī)律。CO2補償點與飽和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[19]。本研究中草莓遠端分株CO2飽和時最大凈光合速率均顯著高于近端分株，表明隨著環(huán)境中CO2排放量增加，遠端分株光合潛能較近端更大。同時野草莓遠端分株CO2飽和點顯著高于基株和近端分株，而遠端分株CO2補償點顯著低于近端分株，表明其對高濃度CO2適應性更好。

參考文獻：

[1]Roiloa S R，Retuerto R. Clonal integration in Fragaria vesca growing in metal-polluted soils： parents face penalties for establishing their offspring in unsuitable environments[J]. Ecological Research， 2012， 27（1）： 95-106.

[2]張想英，樊大勇，謝宗強，等. 克隆整合有助于狗牙根抵御水淹[J]. 植物生態(tài)學報，2010，34（9）：1075-1083.

[3]楊慧玲，曹志平，朱選偉，等. 克隆整合對無芒雀麥（Bromus inermis）忍受沙埋能力的影響[J]. 生態(tài)學報，2007，27（5）：1723-1730.

[4]楊慧玲，薛瑞麗，葉永忠，等. 克隆整合對無芒雀麥在異質(zhì)性鹽分環(huán)境中存活和生長的影響[J]. 生態(tài)學報，2009，29（6）：2827-2834.

[5]魏宇航，周曉波，陳勁松，等. 模擬采食干擾下克隆整合對兩種箭竹分株種群更新的影響[J]. 植物生態(tài)學報，2013，37（8）：699-708.

[6]Wolfer S R，Straile D. To share or not to share： clonal integration in a submerged macrophyte in response to light stress[J]. Hydrobiologia，2012，684（1）：261-269.

[7]Zhang Y C，Zhang Q Y，Sammul M. Physiological integration ameliorates negative effects of drought stress in the clonal herb fragaria orientalis[J]. PLoS One，2012，7（9）：44221.

[8]Hutchings M J，Wijesinghe D K. Performance of a clonal species in patchy environments： effects of environmental context on yield at local and whole-plant scales[J]. Evolutionary Ecology，2008， 22（3）：313-324.

[9]Kaushal K，Nath A K，Kaundal P，et al. Studies on somaclonal variation in strawberry（Fragaria×ananassa Duch.） cultivars[J]. Acta Hort，2004，662：269-275.

[10]Li Y L，Shan S M. Effects of low temperature treatment in nature dormancy on photosynthetic characteristics of strawberry leaf[J]. Journal of Agricultural Sciences，2011，32（1）：39-42.

[11]Duan R Y，Huang M Y，Wang Z G，et al. Effects of shading stress and light recovery on the photosynthesis characteristic and chlorophyll fluorescence characteristic of Fragaria ananassa Duch.cv.Toyonoka[J]. Advance Journal of Food Science & Technology，2013，5（6）：787-792.

[12]Ye Z P，Yu Q. A coupled model of stomatal conductance and photosynthesis for winter wheat[J]. Photosynthetica，2008，46（4）：637-640.

[13]葉子飄. 光合作用對光和CO2響應模型的研究進展[J]. 植物生態(tài)學報，2010，34（6）：727-740.

[14]王麗妍，徐寶慧，楊成林，等. 北方地區(qū)不同花生品種光合生理特性的比較[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學學報，2010，31（4）：12-15.

[15]劉宇鋒，蕭浪濤，童建華，等. 非直線雙曲線模型在光合光響應曲線數(shù)據(jù)分析中的應用[J]. 中國農(nóng)學通報，2005，21（8）：76-79.

[16]Evans J P. The effect of resource integration on fitness related traits in a clonal dune perennial，Hydrocotyle bonariensis[J]. Oecologia，1991，86（2）：268-275.

[17]Zhang C Y，Yang C，Yang X Y，et al. Inter-ramet water translocation in natural clones of the rhizomatous shrub， Hedysarum laeve， in a semi-arid area of China[J]. Trees，2003，17（2）：109-116.

[18]林達，王松杰，許霞玲，等. 欒樹和無患子凈光合速率對光強和CO2濃度的響應[J]. 黑龍江農(nóng)業(yè)科學，2012（10）：89-93.

[19]趙勛，李因剛，柳新紅，等. 白花樹不同種源苗木光合-CO2響應[J]. 江西農(nóng)業(yè)大學學報，2011，33（6）：1128-1133.王芳，王國嚴，路洪運，等. 大花黃牡丹開花物候與生殖特性[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2015，43（9）：211-213.