紫斑牡丹不同居群幼苗光合特征研究

羅濤+劉相菊

摘 要：該實驗使用Li-6400xt系統對紫斑牡丹的6個居群種子萌發的幼苗光合日變化和光響應曲線進行了測定，使用了Faquhar模型擬合和光響應200以內直線回歸分析法。結果表明，紫斑牡丹所有居群的光合日變化曲線均為雙峰曲線，保康、天水、臨洮、舟曲、文縣和子午嶺6個居群的Amax分別為13.707、14.771、12.879、13.128、11.035和12.024μmol·m-2·s-1，AQY分別為0.0410588、0.0301654、0.0449802、0.0452524、0.0371226和0.0408724，Rd分別為2.159、0.677、1.443、1.342、0.794和1.025μmol·m-2·s-1。可能是原生境的差異導致其相應的光合機構發生適應性改變，最終形成能穩定遺傳的特征，因此各居群植株即使是栽植于相同的生境而依然保持了不同的最大光合速率和光呼吸速率。

關鍵詞：紫斑牡丹；居群；幼苗；光合特征

中圖分類號 S63 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）23-0026-05

Photosynthetic Characteristics Studies of Paeonia Rockii Subsp. Rockii Seedlings of different populations

Luo Tao1 et al.

（1Colleg of Forestry and Life Science，Chongqing University of Arts and Sciences，Yongchuan 402160，China）

Abstract：Diurnal change of photosynthesis and light response curves were determined with Li - 6400 xt system with seedlings of Paeonia rockii in BaoKang，Tianshui，Lintao，zhouqu，Wenxian county and Ziwuling populations.With Faquhar model fitting and linear regression analysis of light response within 200，the results showed that Paeonia rockii the diurnal change of photosynthetic curve of paeonia rockii of all populations are bimodal curve.For Paeonia rockii seedlings from BaoKang，Tianshui，Lintao，zhouqu，Wenxian county and Ziwuling populations，the Amax were 13.707，14.771，12.879，13.128，11.035，and 12.024 μmol·m-2·s-1，AQY were 0.0410588，0.0301654，0.0449802，0.0452524，0.0371226 and 0.0408724，Rd were 2.159，0.677，1.443，1.342，0.794，and 1.025 μmol·m-2·s-1.Maybe the original habitat leaded to its corresponding adaptive changes in photosynthetic mechanism，which can form stable genetic traits.So even if the seedlings of 6 Paeonia rockii subsp.rockii populations were planted in the same habitat ，they kept the different maximum photosynthetic rate and respiration rate.

Key words：Paeonia rockii subsp. Rockii；Population；Seedling；Photosynthetic characteristics

1 引言

牡丹被稱作花王，是中藥中最重要的生藥之一[1]。洪德元等認為芍藥科牡丹組可以分為8個物種，其中4個種各包含2個亞種，另有2個雜種[2]。本文研究對象為紫斑牡丹（原亞種）[Paeonia rockii subsp.rockii（S.G.Haw & Lauener） T.Hong&J.J.Li]屬芍藥科芍藥屬牡丹組紫斑牡丹種下的一個亞種，主要自然分布于甘肅南部、 陜西秦嶺的南坡、 河南伏牛山以及湖北西部神農架山地，生于海拔1 100～ 2 800m的落葉林中[2-3]。《中國植物紅皮書》將紫斑牡丹列為漸危種，其對紫斑牡丹的產地等的描述是正確的，但對葉的形態的描述以及拉丁文的書寫不正確，現已經被洪德元等糾正[4]。花粉形態特征研究、RAPD分子標記分析和基于ISSR技術的DNA指紋圖譜比較等研究都證明紫斑牡丹是參與中國栽培牡丹品種起源的主要野生種之一[5-8]。因此，紫斑牡丹的野生種無論在育種實踐上還是系統發育的研究中都具有舉足輕重的作用。重慶地區現有大面積栽種的牡丹品種龍景春和太平紅耐高溫高濕環境，皆為分株繁殖，繁殖系數低，不能有性繁殖，不能用于新的耐高溫的品種繁育，不能適應現代南方城市發展的需要。現代城市園林的發展導致對牡丹等傳統名花的需求量大增，培育出能適應南方高溫多濕環境的好品種是每一個牡丹從業者的責任，因此，引進一個花大、抗逆性強、能產生大量種子的牡丹物種是完全有必要的，開展這樣的引種研究工作是非常緊迫的。為了保證引種的成功，有必要對紫斑牡丹的光合特征進行分析，以了解其光合生理特征及其調控機制，為以后大規模引種打下理論基礎。

光是植物光合的能量來源，也是一種影響植物物種生長和分布的主要環境因子[9]。長期生長在不同光環境下的同種物種也會表現出適應生境的形態與生理改變[10]。紫斑牡丹起源于秦巴山區，往北引種已經成功，往南引種是否可行，尚需進行實驗論證。

2 材料及方法

2.1 實驗材料 本實驗的對象全部種植于西南大學校園內，幼苗由種子繁殖所得，種子采摘于甘肅蘭州紫斑牡丹國家種質資源圃各引種的野生紫斑牡丹居群。紫斑牡丹居群包括湖北保康、甘肅天水、臨洮、舟曲、文縣和子午嶺6個居群，所有植株為何麗霞、李嘉玨等從1998年9月—1999年4月自野生居群引種，種子由模擬自然環境的同居群混合花粉套袋實驗得來，保證了花粉全部來自同一居群，保證了遺傳背景的清晰。以往對于牡丹形態的研究主要集中在牡丹組物種的確定上，對于居群水平的形態分化研究，周志欽、洪德元等也進行過[2，11]，但主要是關注物種間關系上，還沒有真正關注到居群水平。

2.2 實驗方法

2.2.1 光合日變化的測定 通過預實驗表明，光合日變化的測定中，如果采用每2h采集一次，有可能會錯過某些居群的重要節點（如日最高凈光合效率點），因此，本試驗采用了約1h采集一次日變化光合數據，實驗時采用自然光源，選一個自然光相對穩定的時期，每個居群測試3個植株，每個植株測定頂小葉的3個小葉片，每個葉片測3次，數據穩定后即測，如果測試葉片過多會因為外界光源變化而導致前后同居群的植株之間缺乏可比性。

2.2.2 光響應曲線（Light Curve）的測定 光響應曲線測試時，先用2000μmol·m-2·s-1光照活化20min，CO2濃度控制為大氣CO2濃度（400μmol·mol-1），光照強度取值為2000，1500，1200，1000，800，600，400，200，100，50，20，0μmol·m-2·s-1，要避開中午11：00—13：00段，因為此時段氣孔可能出現關閉狀態，數據不準。如果是選用陽光直射1h以上的葉片，則直接測定光響應曲線，不需光活化。光響應曲線采用Farquhar模型用SPSS13.0擬合，用sigmaplot12.0作圖。

3 結果與分析

3.1 日變化分析 從紫斑牡丹日變化圖（圖1）可知，所用居群皆為雙峰曲線，早7：00以前、中午12：00左右、下午7：00以后絕大多數受測試植株凈光合皆為負值。但日最高光合效率點除子午嶺居群外都出現在上午，出現的時間點基本在早8：00—11：00最早的舟曲居群早8：00就出現最高光合效率點，保康和天水居群的最高光合效率點出現在早9：00，文縣居群在10：00，臨洮居群最高光合效率點出現在11：00；僅有子午嶺居群最高光合效率點出現在16：00。子午嶺現在保存了最大的野生居群，是否與其光合特征有關，尚待進一步實驗論證。

3.2 光響應曲線與Farquhar模型擬合 各居群所得擬合方程如下：

保康居群：Pn=（PARi×0.091+13.707-sqrt（（0.091×PARi+13.707）×（0.091×PARi+13.707）-4×0.091×13.707×PARi×0.366））/（2×0.366）-2.159

天水居群：Pn=（PARi×0.047+14.771-sqrt（（0.047×PARi+14.771）×（0.047×PARi+14.771）-4×0.047×14.771×PARi×0.001））/（2×0.001）-0.677

臨洮居群：Pn=（PARi×0.078+12.879-sqrt（（0.078×PARi+12.879）×（0.078×PARi+12.879）-4×0.078×12.879×PARi×0.6））/（2×0.6）-1.443

文縣居群：Pn=（PARi×0.064+13.128-sqrt（（0.064×PARi+13.128）×（0.064×PARi+13.128）-4×0.064×13.128×PARi×0.83））/（2×0.83）-1.342

舟曲居群：Pn=（PARi×0.084+11.035-sqrt（（0.084×PARi+11.035）×（0.084×PARi+11.035）-4×0.084×11.035×PARi×0.52））/（2×0.52）-0.794

子午嶺居群：Pn=（PARi×0.072+12.024-sqrt（（0.072×PARi+12.024）×（0.072×PARi+12.024）-4×0.072×12.024×PARi×0.581））/（2×0.581）-1.025

由圖2至圖7可知，所有的擬合曲線R2>0.95，表明這些擬合方程是可以接受的。由Faquhar模型擬合得到的保康、天水、臨洮、舟曲、文縣和子午嶺6個居群的最大光合速率分別為13.707、14.771、12.879、13.128、11.035和12.024μmol·m-2·s-1，其表觀光量子效率分別為0.091、0.047、0.078、0.064、0.084和0.072，6個居群的光呼吸分別為2.159、0.677、1.443、1.342、0.794和1.025μmol·m-2·s-1。一般認為表觀光量子效率越高，居群對低光照的利用率也越高，因此可以認為保康居群和文縣居群對低光照具有較高的利用率，而天水居群的低光照利用率最低，可能是因為長期對當地環境的適應導致了內部的一系列適應性變化而導致光合能力的改變。而表觀光量子效率最低的天水居群卻具有擬合出的最高光合速率，表明其對對低光照響應較慢但卻對高光照具有更好適應。生長期的光強一般不影響光量子效率[12]。一般認為，雖然陽生葉的最高光合速率要比陰生葉髙得多，但二者的光量子效率卻是相似的[13-15]。許大全認為，光量子效率的降低主要是由光抑制引起的[16]。本實驗的光響應曲線數據全部為上午9點至11點測量，測試期間溫度沒有超過35℃，光強也幾乎沒有超過2000μmol·m-2·s-1，VPDL也比較低，發生光抑制的可能性很低。那么就可能是由于擬合模型造成了各居群的表觀光量子效率差異的放大。雖然Faquhar模型是當前最主流的光響應擬合模型，是根據光合原理創立的模型，但由于Faquhar模型只允許對一組數據進行擬合，可能導致較大的偏差，以后的實驗中可以對該模型進行優化，以得到更完美的數據。

3.3 各居群光響應200以內直線回歸分析 由圖8至圖13可知，保康、天水、臨洮、舟曲、文縣和子午嶺6個居群表觀光量子效率分別為0.0410588、0.0301654、0.0449802、0.0452524、0.0371226和0.0408724，仍然是天水居群具有最低的表觀光量子效率，用此方法得到的表觀光量子效率各居群之間的差異最大約為50%，遠遠小于Faquhar模型擬合出的各居群間最大超過90%的差異。依據許大全等的觀點[16]，此方法擬合的表觀光量子效率具有更高的可信度。此方法擬合得到保康、天水、臨洮、舟曲、文縣和子午嶺6個居群的光呼吸分別為0.901829、0.63817、0.473406、0.837484、0.0563418和0.09956μmol·m-2·s-1，特別是后兩個居群出現了小于0.1μmol·m-2·s-1的光呼吸速率，跟Faquhar模型擬合得到的結果相差很大。結合前人的研究成果，本文認為各居群光響應200以內直線回歸分析所得的表觀光量子效率更可信，而Faquhar模型擬合出的光呼吸值更可信。

保康：Pn=-0.901829+0.0410588×PARi

4 討論與結論

4.1 非氣孔因素導致了紫斑牡丹的午睡現象 為研究紫斑牡丹午睡的原因，本實驗在研究了兩個光合速率突變時期（11：00—11：30，14：00—14：30）不同葉片的光合后發現，中午低光合速率總是和低氣孔導度、低蒸騰速率、高胞間二氧化碳濃度相伴隨出現的，而高光合速率下反而出現較低的胞間二氧化碳濃度，表明二氧化碳濃度并不是限制光合速率的主要因素。按照Faquhar和Sharkey的觀點[17]，中午光合速率降低的時候只有胞間二氧化碳（Ci）也降低才可以把氣孔部分關閉看成是光合速率降低的原因；而本實驗剛好得到了相反的數據。對于本實驗來說，導致紫斑牡丹“午睡”的主要環境因子可能是強的光照，主要生理因子是氣孔導度的降低，可能是葉肉細胞光合活性下降導致的，也可能是因為高溫和強光啟動了鈣信號通路，進而導致氣孔的部分關閉，導致了光反應與暗反應聯系的減弱，從而減低了中午的光合速率，尚待后續實驗驗證。

4.2 早晚的較低的光合速率是由溫度決定的 通過對日變化的研究表明，實驗期間早晚溫度僅20℃度，此時主要是溫度限制了相關酶的活性，導致了較低的光合速率。從圖1日變化曲線可知，在上午7：00-11：00點，氣溫從15℃上升到約30℃，光強從100μmol·m-2·s-1左右上升到1000μmol·m-2·s-1左右，相應的光合速率也迅速上升到一日的最高點；上午光合速率的迅速上升是與溫度的迅速上升相匹配的；而下午降溫相對較慢，光合速率的降低也相對較慢。由此可知牡丹早晚較低的光合速率是由較低的溫度決定的。

4.3 通過圖2至圖13的分析可知，Faquhar模型可以擬合出較可信的最大光合速率和光呼吸值；而200以內直線回歸分析可以得到更準確的表觀光量子效率值。綜合兩種方法，本文認為紫斑牡丹保康、天水、臨洮、舟曲、文縣和子午嶺6個居群的最大光合速率分別為13.707、14.771、12.879、13.128、11.035和12.024μmol·m-2·s-1，其光呼吸速率分別為2.159、0.677、1.443、1.342、0.794和1.025μmol·m-2·s-1，其表觀光量子效率分別為0.0410588、0.0301654、0.0449802、0.0452524、0.0371226和0.0408724，可能是原生環境的差異導致其相應的光合機構發生適應性改變，最終形成能穩定遺傳的特征，這種光合潛力在短期內并不會迅速改變；因此各居群植株即使是栽植于相同的生境而保持了不同的最大光合速率和光呼吸速率。

參考文獻

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（責編：張長青）