2種藥用植物在喀斯特生境下的光合特征及適生性

王瑞+吳沿友+邢德科+杭紅濤

摘要： 為篩選喀斯特生態(tài)修復(fù)植物，探討植物配置方案，利用Li-6400便攜式光合測定系統(tǒng)分別測定了莽草、長刺楤木2種藥用植物葉片的光合作用日變化特征，并結(jié)合植物葉片各生理生態(tài)因子對(duì)凈光合速率（Pn）影響的通徑分析、葉綠素含量、碳酸酐酶活力和穩(wěn)定碳δ13C同位素組成對(duì)比了2種植物在喀斯特生境下的適生能力。結(jié)果表明：長刺楤木的大多數(shù)光合作用指標(biāo)（Pn、LUE、Cond、Ci、Tr）均高于莽草，且具有較高的抗脅迫能力和碳酸酐酶活力；2種藥用植物在相同喀斯特生境下表現(xiàn)出不同的適應(yīng)機(jī)制，長刺楤木的喀斯特適生性高于莽草，但莽草的抗干旱能力強(qiáng)于長刺楤木。

關(guān)鍵詞： 喀斯特；莽草；長刺楤木；適生性；光合生理特征

中圖分類號(hào)： S567.901 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）03-0216-04

生態(tài)修復(fù)是治理喀斯特石漠化地區(qū)的有效途徑[1-2]，而合理的植物種群、群落構(gòu)建是該領(lǐng)域的共性關(guān)鍵技術(shù)[3]，因此喀斯特地區(qū)適生植物的選擇就顯得至關(guān)重要。喀斯特地貌因存在石漠化、干旱溶巖、土地瘠薄、高pH值、高鈣、高重碳酸鹽及高鈣鎂濃度等限制因素而被認(rèn)定為一種特殊的脆弱生境，嚴(yán)重影響植物的生長發(fā)育[4]。但有研究表明，部分植物可借助體內(nèi)的碳酸酐酶調(diào)節(jié)控制每一個(gè)與氣孔開閉有關(guān)的保衛(wèi)細(xì)胞，且可在碳酸酐酶作用下利用無機(jī)碳源進(jìn)行光合作用[5]。近年來研究表明，喀斯特適生植物可交替使用大氣中的CO2和土壤中的重碳酸鹽，經(jīng)碳酸酐酶的催化作用進(jìn)行光合作用而正常生長，且碳酸酐酶活力可作為植物喀斯特適生性的有力判據(jù)[6-9]。高適生性喀斯特先鋒植物的合理配置不僅可有效發(fā)揮喀斯特生態(tài)修復(fù)效用，還在低成本固碳增匯方面具有相當(dāng)優(yōu)勢[10]。在選擇、配置喀斯特生態(tài)修復(fù)作物的同時(shí)，若能兼顧經(jīng)濟(jì)價(jià)值和碳匯效應(yīng)，可有效激發(fā)種植者的積極性和環(huán)保效益，對(duì)修復(fù)和改善喀斯特生態(tài)系統(tǒng)具有促進(jìn)意義。

長刺楤木（Aralia spinifolia Merr）、莽草（Illicium lanceolatum A.C.Smith）在貴州喀斯特山區(qū)廣泛分布，且資源豐富[11-12]，具有一定藥用價(jià)值。長刺楤木根、根皮主要含皂苷類化合物，可供藥用，具有駁骨、拔毒之功效，具有治頭昏、頭痛、風(fēng)濕痹痛、跌打損傷、蛇傷，以及強(qiáng)壯、免疫促進(jìn)、抗腫瘤、抗?jié)兒捅８蔚茸饔肹13]。莽草因含有seco-prezizaane類型的倍半菇類化合物而具有殺蟲、抗氧化、抗菌、鎮(zhèn)痛、抗腫瘤等多種藥理活性，有研究者正嘗試從莽草中尋找高效、安全、依賴性小的抗炎、鎮(zhèn)痛新藥先導(dǎo)化合物[12]。

筆者所在課題組在喀斯特生態(tài)修復(fù)植物篩選、配置的野外試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，長刺楤木、莽草在貴州喀斯特山區(qū)長勢良好，資源豐富。本研究考察野生長刺楤木、莽草在喀斯特生境下的光合作用特征參數(shù)，并通過穩(wěn)定性碳同位素技術(shù)、碳酸酐酶活力對(duì)這2種藥用植物的喀斯特適生性進(jìn)行比較，以期為喀斯特生態(tài)修復(fù)的適生植物篩選和配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況、材料與處理

研究區(qū)域?yàn)橘F州省六盤水市玉舍國家森林公園（喀斯特原始森林），地理位置為104°47′813″～104°50′385″E、26°27′508″～26°27′881″N，總面積為3 342.27 hm2，海拔 1 700～2 503 m，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，立體氣候較為明顯。土壤類型主要為由玄武巖、石灰?guī)r等發(fā)育的山地黃壤土，相關(guān)指標(biāo)為銨態(tài)氮含量（11.01±2.2） mg/L，有效鉀含量（29.67±5.64） mg/L，速效鉀含量（31.53±5.64） mg/L，pH值5.24±0.19，含鹽量（0.03±0.26）%，有機(jī)質(zhì)含量（6.43±2.41）%。年平均溫度為12 ℃左右，最低溫度為1月份的 3 ℃，最高溫度為7月份的22 ℃，年平均降水量為 1 380 mm；雨熱同季，濕度大，降水主要集中在4—10月；植被豐富，具有近700種藥用種子植物，是目前六盤水市保護(hù)較好的原始喀斯特天然森林植被[14-15]。本試驗(yàn)測定該區(qū)域內(nèi)具有代表性的植株葉片光合作用日變化特征參數(shù)；采集相應(yīng)葉片封存于液氮中，帶回實(shí)驗(yàn)室測定相應(yīng)植物葉片的碳酸酐酶活力、葉綠素含量和穩(wěn)定碳同位素δ13C值。

1.2 光合作用日變化特征參數(shù)測定

光合作用日變化特征參數(shù)于2012年5月13日（晴朗）測定，分別從試驗(yàn)植株的第4張葉（從展開心葉向下數(shù)）開始，選取健康、完全展開葉進(jìn)行測定（測定時(shí)用緩沖瓶使CO2濃度相對(duì)穩(wěn)定，每張葉測3次，取平均值）。每隔2 h用Li-6400光合儀連續(xù)測定光合作用日變化特征參數(shù)，具體包括凈光合速率[Pn，μmol/（m2·s）]、蒸騰速率[Tr，mmol /（m2·s）]、氣孔導(dǎo)度[Cond，mmol/（m2·s）]、胞間CO2濃度（Ci，μmol/mol）、大氣CO2濃度（Ca，μmol/mol）、光合有效輻射[Par，μmol/（m2·s）]、大氣溫度（Ta， ℃）、大氣相對(duì)濕度（RH，%）等特征參數(shù)，并計(jì)算出葉片光能利用率（LUE，即Pn/Par，%）、瞬時(shí)水分利用效率（WUE，即Pn/Tr，以CO2計(jì)，μmol/mmol）。

1.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定

當(dāng)日光合有效輻射達(dá)到并保持0 μmol/（m2·s） 1 h后，用美國Li-6400-40便攜式熒光儀及配套的Li-6400-40熒光葉室進(jìn)行葉綠素?zé)晒鉁y定。按van Kooten等方法[16]測定相應(yīng)熒光參數(shù)指標(biāo)：初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm），并計(jì)算出PSⅡ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）=（Fm-Fo）/Fm及PSⅡ潛在活性（Fm-Fo）/Fo。

1.4 碳酸酐酶活力測定

碳酸酐酶活力采用銻微電極法進(jìn)行測定[17-18]，選擇長勢一致用于光合作用日變化特征參數(shù)測定的葉片，立即封存于液氮中帶回試驗(yàn)室。取0.3～1.0 g植物葉片，放入預(yù)冷的研缽中，迅速加入液氮，再加入3mL巴比妥緩沖液（10 mmol/L，含巰基乙醇50 mmol/L，pH值8.3）進(jìn)行研磨，取研磨液倒入5 mL離心管中，將離心管冰浴20 min后，在 13 000 r/min 下離心5 min，取上清液，冷藏待測。樣品檢測過程中保持反應(yīng)系統(tǒng)溫度在0～2 ℃，取待測上清液50～1 000 μL，加入15 mL 巴比妥緩沖液中，然后迅速加入10 mL預(yù)冷的（0～2 ℃）的飽和CO2蒸餾水，用pH電極監(jiān)測反應(yīng)體系pH值變化，記下pH值下降1個(gè)單位（如pH值從8.2～7.2）所需的時(shí)間，記為t；同時(shí)記錄在酶失活條件下pH值下降1個(gè)單位所需的時(shí)間，記為t0；酶的活力用WA-unit表示（WA=t/t0-1）。

1.5 葉綠素含量的測定

植物葉片（液氮保存）葉綠素含量采用分光光度法測定[19]。

1.6 穩(wěn)定碳同位素比值（δ13C）的測定

將采回的植物葉片經(jīng)108 ℃殺青，再于80 ℃下烘48 h，粉碎均勻并過篩，稱取3～5 mg樣品裝入石英管中，再裝入經(jīng)高溫處理的氧化銅絲、鉑絲（催化劑），將石英管在高溫下煅燒（850 ℃保溫3～4 h），確保樣品中的碳全部轉(zhuǎn)化成氣態(tài)的CO2。稱取一定量轉(zhuǎn)化成供質(zhì)譜儀分析的二氧化碳?xì)怏w，在MAT-252質(zhì)譜儀上進(jìn)行測定（中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所），測量精度范圍為±0.1%，分析結(jié)果以PDB（Pee Dee Belemnite）表示，即δ13CPDB=[（13C/12C）樣本-（13C/12C）標(biāo)準(zhǔn)]/（13C/12C）標(biāo)準(zhǔn)×1 000‰。

1.7 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007和SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種植物的光合參數(shù)日變化

2.1.1 凈光合速率和光能利用率日變化特征 由圖1可見，莽草、長刺楤木葉片的凈光合速率變化趨勢大致相似，呈單峰趨勢。2種植物葉片的Pn值都是從08：00至10：00呈下降趨勢，而10：00后開始上升，14：00達(dá)到峰值[莽草：7.48 μmol/（m2·s）、長刺楤木：14.71 μmol/（m2·s）]；2種植物的Pn值均在18：00達(dá)到最低值，分別為-1.65、0.03 μmol/（m2·s）。莽草、長刺楤木的日均Pn值表現(xiàn)為長刺楤木[（9.21±1.21） μmol/（m2·s）]>莽草[（4.31±0.69） μmol/（m2·s）]，可見莽草的光合生產(chǎn)力高于長刺楤木。在光能利用效率方面，2種植物均表現(xiàn)出早晚高、中午低的變化趨勢，2種藥用植物光能利用效率峰值均在08：00達(dá)到最高值，10：00達(dá)到最低值；由2種植物葉片的日均LUE值[長刺楤木（6.15%）、莽草（3.19%）]可以推斷出長刺楤木對(duì)于光照的利用能力高于莽草。

2.1.2 氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度的日變化特征 葉面上的氣孔在控制CO2吸收和水分損失的平衡中起著關(guān)鍵作用[20]。由圖2可見，08：00時(shí)2種植物葉片Cond值最高[長刺楤木：0.28 mmol/（m2·s），莽草：0.07 mmol/（m2·s）]；為適應(yīng)光照度增強(qiáng)和溫度升高，2種植物的氣孔導(dǎo)度發(fā)生不同的變化：莽草呈現(xiàn)以4 h為周期的波動(dòng)，且受外界影響較小，而長刺楤木沒有表現(xiàn)出明顯規(guī)律；另外，長刺楤木變化曲線的波動(dòng)明顯強(qiáng)于莽草，說明長刺楤木的氣孔導(dǎo)度更易受環(huán)境因子影響。2種植物葉片Ci值均表現(xiàn)出早晚高、中午低的變化趨勢。08：00—14：00，Ci值呈現(xiàn)出與凈光合速率相反的變化趨勢，說明該時(shí)間段內(nèi)隨著2種植物葉片光合作用的增強(qiáng)，CO2消耗量逐漸增大，Ci降低，14：00達(dá)到峰底（長刺楤木：220.19 μmol/mol，莽草：126.91 μmol/mol），而后隨著Pn的下降而回升。

2.1.3 蒸騰速率和瞬時(shí)水分利用效率的日變化特征 由圖3可見，莽草與長刺楤木的Tr日變化大致呈先上升后下降的趨勢（與Pn變化趨勢一致）， 測定時(shí)間內(nèi)2種植物Tr峰值均出現(xiàn)在16：00[莽草：1.19 mmol/（m2·s），長刺楤木：4.27 mmol/（m2·s）]；從圖3還可看出，莽草的Tr日變化較為平緩。2種植物的WUE平均值大小為莽草[（7.80±2.28） μmol/mmol]>長刺楤木[（5.21±0.86）μmol/mmol]，說明莽草的瞬時(shí)水分利用效率高于長刺楤木。

2.1.4 2種植物葉片Pn與各項(xiàng)生理生態(tài)因子的關(guān)系 由表1、表2莽草、長刺楤木2種植物葉片的凈光合速率與生理生態(tài)因子的通徑分析和相關(guān)分析可以看出，在生態(tài)因子中，莽草、長刺楤木的Ca、Ta與Pn均無顯著相關(guān)，其中Ca與Pn呈負(fù)相關(guān)；在2種植物的各生理因子中，莽草葉片的Ci與Pn呈極顯著負(fù)相關(guān)。通徑分析結(jié)果（總效應(yīng)絕對(duì)值）表明，各生態(tài)因子對(duì)Pn直接作用大小為Par>RH>Ca>Ta。Par對(duì)莽草葉片Pn的最大直接效應(yīng)除源于自身作用外，主要通過Ci的間接作用影響Pn，且對(duì)Pn呈最大總效應(yīng)。在生理因子中，對(duì)莽草葉片Pn影響大小為Ci>Cond>Tr。對(duì)于長刺楤木而言，各生態(tài)因子對(duì)其Pn影響大小為Par>RH>Ca>Ta，而各生理因子對(duì)其Pn影響排序?yàn)門r>Cond>Ci。

通過分析可見，對(duì)莽草Pn生態(tài)因子的決策系數(shù)（R2）大小為Par>Ta>RH>Ca，而對(duì)長刺楤木的大小也為Par>RH>Ca>Ta。不同的是對(duì)莽草Pn日變化規(guī)律的決定生態(tài)因子為Par，而長刺楤木為Par、RH，其余為限制因子。在生理因子方面，對(duì)莽草Pn生態(tài)因子的決策系數(shù)（R2）大小為Ci>Cond>Tr，而對(duì)長刺楤木大小為Tr>Ci>Cond。由表1可見，影響莽草Pn日變化規(guī)律的決定生理因子為Ci、Cond，限制因子為Tr；而對(duì)長刺楤木的決定生理因子為Tr，限制因子為Cond、Ci。

2.2 植物葉片葉綠素含量與葉綠素?zé)晒鈪?shù)

研究表明，葉綠素含量的高低能在一定程度上反映葉片的光合能力，直接影響植物的生長；而葉綠素?zé)晒饪膳c光合特性、水分代謝特性互補(bǔ)，用于揭示植物對(duì)環(huán)境生態(tài)適應(yīng)性機(jī)制[21]。本研究根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道方法[19]，測得莽草、長刺楤木2種植物葉片的葉綠素含量。由表3可見，2種植物葉片葉綠素含量大小為長刺楤木>莽草，結(jié)合上述Pn、LUE檢測結(jié)果可說明，長刺楤木對(duì)光能利用的能力高于莽草。

葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)作為一種無損光合作用研究的探針，幾乎可以反映植物葉片所有的光合作用過程。近年來，該技術(shù)在光合作用、植物脅迫生理學(xué)、水生生物學(xué)、海洋學(xué)和遙感等方面得到了廣泛的應(yīng)用[22]。由表3可見，長刺楤木的PSⅡ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）大于莽草，結(jié)合PSⅡ潛在活性（Fv/Fo）說明，長刺楤木相對(duì)于莽草表現(xiàn)出較高的潛在光合能力，由此可推測，在喀斯特生境下長刺楤木相對(duì)莽草具有較高的抗脅迫能力。

2.3 植物葉片的碳酸酐酶活力與δ13C 值

研究證明，具有高碳酸酐酶活力的喀斯特適生植物在遭受脅迫時(shí)，可利用碳酸酐酶的催化作用將細(xì)胞內(nèi)的碳酸氫根離子轉(zhuǎn)化成CO2、H2O，以彌補(bǔ)水分、CO2 的不足；可交替使用大氣中的CO2和土壤中的無機(jī)碳進(jìn)行光合作用而起到固碳增匯的目的[6，10]；此外，植物根系分泌的高濃度碳酸酐酶可催化土壤中CO2、H2O轉(zhuǎn)換成HCO3-、H+，以加速石灰?guī)r溶解、提高成土速率[23]。根據(jù)文獻(xiàn)[17]報(bào)道方法測得2種植物葉片的碳酸酐酶活力，兩者大小為長刺楤木[（11 161.51±1 159.2） WAU/g]>莽草[（876.58±62.87） WAU/g]。由此可推斷，在喀斯特生境下，長刺楤木的固碳增匯能力高于莽草，且具有更好的喀斯特生態(tài)修復(fù)效用。

基于穩(wěn)定碳同位素的強(qiáng)烈分餾特征，穩(wěn)定碳同位素技術(shù)被作為一種衡量植物長期水分利用效率的有效工具，即植物的δ13C值與其長期水分利用效率呈正相關(guān)[24]。研究表明，2種植物葉片的δ13C大小為莽草的（-26.931±0.015）‰>長刺楤木的（-28.82±0.004）‰，即莽草的長期水分利用效率高于長刺楤木，與上述WUE結(jié)果一致。通過對(duì)上述各指標(biāo)的綜合分析，可以將長刺楤木的低水分利用效率歸屬于該植物葉片的高Pn、Tr、Cond。因此，莽草較長刺楤木更能適應(yīng)干旱環(huán)境。

3 討論與結(jié)論

本研究通過光合作用日變化特征參數(shù)、碳酸酐酶活力和穩(wěn)定性碳同位素組成的分析對(duì)莽草、長刺楤木的喀斯特適生性進(jìn)行比較和討論。在光合日變化特性方面，長刺楤木葉片的Pn、LUE、葉綠素含量均高于莽草，說明長刺楤木的作物生產(chǎn)力較高。經(jīng)通徑分析和相關(guān)分析可以看出，對(duì)莽草Pn日變化規(guī)律的決定生態(tài)因子為Par，而長刺楤木為Par、RH；莽草Pn日變化規(guī)律的決定生理因子為Ci、Cond，而長刺楤木決定生理因子為Tr。這說明不同植物即使在相同的環(huán)境條件下，也會(huì)表現(xiàn)出不同的適應(yīng)機(jī)制。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，長刺楤木葉綠素含量、葉綠素?zé)晒夂蚉SⅡ最大光化學(xué)效率均高于莽草，結(jié)合碳酸酐酶活力比較，長刺楤木[（11 161.51±1 159.2） WAU/g]>莽草[（876.58±62.87） WAU/g]可以推測，長刺楤木的喀斯特適生性高于莽草，且固碳增匯能力高于莽草，具有更好的喀斯特生態(tài)修復(fù)效用。但是莽草具有高于長刺楤木的WUE，結(jié)合穩(wěn)定碳同位素分析結(jié)果可知，莽草較長刺楤木更能適應(yīng)干旱環(huán)境。

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