加拿大一枝黃花光合參數(shù)對(duì)極端高溫的響應(yīng)

許皓棋++陳露茜++杜樂山++閆明++李鈞

摘要：采用盆栽試驗(yàn)，比較不同種群加拿大一枝黃花幼苗在極端高溫43 ℃及正常溫度25 ℃培養(yǎng)7 d下葉片的光合作用、葉綠素含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)。結(jié)果表明，在極端高溫條件下，加拿大一枝黃花的凈光合速率（Pn）、最大熒光產(chǎn)量（Fm）、初始熒光（F0）、最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、黑暗最大可變熒光（Fv）有明顯下降，而氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間二氧化碳濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）、葉綠素含量明顯升高。方差分析結(jié)果表明，高溫對(duì)光合作用、葉綠素含量的影響極顯著（P<0.01），對(duì)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響顯著（P<0.05），地理來(lái)源僅對(duì)Pn、Fm、F0、Fv的影響顯著（P<0.05），高溫與地理來(lái)源互作對(duì)測(cè)定指標(biāo)的影響不顯著（P>0.05）。

關(guān)鍵詞：極端高溫；加拿大一枝黃花；地理種群；光合作用；葉綠素含量；熒光參數(shù)；響應(yīng)

中圖分類號(hào)： S451；Q945文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）09-0092-03

外來(lái)植物的入侵已對(duì)我國(guó)農(nóng)林漁牧業(yè)產(chǎn)生了驚人的直接經(jīng)濟(jì)損失，其引起的生態(tài)系統(tǒng)平衡改變、生物多樣性喪失而造成的間接損失更是無(wú)法估計(jì)[1]。外來(lái)入侵物種通過(guò)改變?nèi)肭值氐淖匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)、降低入侵地的物種多樣性而對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)甚至人類健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害[2]。

加拿大一枝黃花（Solidago canadensis）為菊科一枝黃花屬，原產(chǎn)于北美，在北美洲分布范圍較廣，主要分布于高緯度地區(qū)[3-4]，高溫可能是限制其入侵與擴(kuò)散的重要因素。加拿大一枝黃花于1935年作為花卉植物引入我國(guó)，后逃逸并成為我國(guó)東南地區(qū)的一種常見外來(lái)雜草[5]，具有表型可塑性高、有性繁殖與無(wú)性繁殖強(qiáng)、遺傳多樣性高、化感作用顯著等特性[6-8]。目前，關(guān)于加拿大一枝黃花對(duì)極端高溫的響應(yīng)還沒有較為深入的研究，而本研究采用盆栽試驗(yàn)，分析不同地理種群加拿大一枝黃花光合生理指標(biāo)、相對(duì)葉綠素含量及葉綠素?zé)晒獾葘?duì)極端高溫的響應(yīng)，以探討加拿大一枝黃花入侵過(guò)程中對(duì)極端高溫的光合適應(yīng)機(jī)制，為深入闡明加拿大一枝黃花的入侵機(jī)制提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1種子采集與預(yù)處理

2012年10—12月，在浙江、江蘇、上海等省（市）分別采集7個(gè)種群的加拿大一枝黃花種子（表1）；2015年3月于臺(tái)州學(xué)院人工氣候室使種子萌發(fā)，萌發(fā)條件為光照 400 μmol/（s·m2）、濕度80%、光周期10 h/14 h（白天/夜晚）、溫度21 ℃/15 ℃（白天/夜晚）；待幼苗萌發(fā)，每個(gè)家系選取生長(zhǎng)一致的6株幼苗移栽入32孔黑色穴盤，每穴1株；穴盤培養(yǎng)1個(gè)月，待用。為避免土壤對(duì)不同地理種群加拿大一枝黃花的干擾，統(tǒng)一采用泥炭土與蛭石的等量混合物作為基質(zhì)[9]。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)極端高溫、正常溫度2個(gè)處理，分別在2個(gè)人工氣候室中完成。極端高溫參照Lafta等的方法[10-11]，設(shè)置升溫速率為白天4 ℃、晚上3 ℃，達(dá)到白天43 ℃、夜晚32 ℃的預(yù)期溫度時(shí)保持恒定；正常溫度為白天25 ℃、夜晚20 ℃。溫室其他條件相同，為光照度400 μmol/（m2·s）、濕度80%、光周期14 h/10 h（白天/夜晚）。每個(gè)種群每處理各63個(gè)植株。

1.3指標(biāo)測(cè)定

在設(shè)定溫度條件下培養(yǎng)7 d，選取加拿大一枝黃花頂端的第3張葉片，采用美國(guó)LI-COR公司產(chǎn)的LI-6400X型便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、胞間CO2濃度（Ci）等光合生理指標(biāo)，控制條件：葉片溫度為25 ℃，CO2濃度為400 μmol/mol，光合有效輻射（PAR）為1 400 μmol/（m2·s）。對(duì)葉面積不足6 cm2的葉片，采用Regent Instruments Inc產(chǎn)FOLIA葉面積分析儀掃描葉片的有效光合作用面積，并輸入光合數(shù)據(jù)重新計(jì)算。選取同一張葉片，采用美國(guó)產(chǎn)的CCM-200手持式葉綠素儀測(cè)定其相對(duì)葉綠素含量；選取同一張葉片，暗適應(yīng)30 min，采用美國(guó)產(chǎn)的OS-30P便攜式葉綠素?zé)晒鈨x在葉片自然生長(zhǎng)角度不變的情況下測(cè)定初始熒光（F0）、最大熒光（Fm）、光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）等葉綠素?zé)晒饣緟?shù)。每個(gè)植株至少測(cè)定3次，取平均值。

1.4數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析，檢驗(yàn)不同溫度對(duì)同一種群加拿大一枝黃花光合指標(biāo)的影響；采用雙因素方差分析，檢驗(yàn)溫度脅迫與地理來(lái)源及其交互作用對(duì)加拿大一枝黃花各項(xiàng)指標(biāo)的影響。數(shù)據(jù)采用Excel 2013、SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Origin 8.5軟件輔助作圖。

2結(jié)果與分析

2.1加拿大一枝黃花光合參數(shù)對(duì)高溫的響應(yīng)

由圖1可見，極端高溫條件下，加拿大一枝黃花的凈光合速率下降，氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率明顯升高；與正常溫度相比，極端溫度條件下HQ、JJ、WH種群的加拿大一枝黃花種群凈光合速率極顯著降低，PD、JJ種群的氣孔導(dǎo)度，PD、HQ、NJ、JJ種群的胞間CO2濃度及PD、JDZ、JJ種群的蒸騰速率極顯著增加，JDZ種群的胞間CO2濃度、NJ種群的蒸騰速率顯著增加。雙因素方差分析結(jié)果表明，極端高溫對(duì)凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度等光合參數(shù)指標(biāo)的影響極顯著（P<0.01），地理來(lái)源僅對(duì)凈光合速率的下降影響顯著（P=0.012），而高溫與地理來(lái)源交互作用對(duì)各指標(biāo)影響不顯著（P>0.05）。

2.2加拿大一枝黃花相對(duì)葉綠素含量對(duì)高溫的響應(yīng)

由圖2可見，極端高溫條件下，不同種群的相對(duì)葉綠素含量有不同程度的升高，其中NJ、PD、JDZ種群的相對(duì)葉綠素含量增加較為明顯。雙因素方差分析表明，極端高溫對(duì)葉綠素含量的影響極顯著（P=0.002），地理來(lái)源、極端高溫與地理來(lái)源交互作用對(duì)葉綠素含量影響不顯著（P>0.05）。

2.3加拿大一枝黃花熒光參數(shù)對(duì)高溫的響應(yīng)

由圖3可見，極端高溫條件下，加拿大一枝黃花的初始熒光值（F0）、最大熒光值（Fm）、光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、黑暗最大可變熒光（Fv）多出現(xiàn)不同程度的下降，其中HQ種群的Fo，JDZ、WH種群的Fv/Fm及JJ種群的Fv與正常溫度處理差異顯著（P<0.05），PD種群的Fm及HQ種群的Fv與正常溫度處理差異極顯著（P<0.01）。雙因素方差分析結(jié)果表明，極端高溫對(duì)熒光參數(shù)各指標(biāo)的影響顯著（P<0.05），地理來(lái)源對(duì)Fm、F0、Fv這3個(gè)指標(biāo)的影響顯著（P<0.05），高溫與地理不存在交互作用。

3結(jié)論與討論

入侵物種常對(duì)環(huán)境具有積極的響應(yīng)機(jī)制，使物種具有更寬的生態(tài)幅和更好的耐受性，可占據(jù)更廣闊的地理范圍和更多樣化的生境，從而成功入侵[10]。43 ℃高溫處理7 d，加拿大一枝黃花的凈光合速率明顯下降，氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度、蒸騰速率明顯上升，說(shuō)明極端高溫對(duì)加拿大一枝黃花的凈光合速率有一定的抑制作用，這與李娜等的研究結(jié)論[12-14]相似，而加拿大一枝黃花的凈光合速率下降由非氣孔因素引起，葉肉細(xì)胞光合能力的減弱致使植株的光能利用率下降，光合中間產(chǎn)物的形成和能量轉(zhuǎn)變減緩，糖類及蛋白質(zhì)的形成受到阻礙，從而加拿大一枝黃花的生長(zhǎng)和生物量積累受到抑制[15]。葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，在光吸收中起核心作用，極端高溫脅迫7 d，不同地理種群的加拿大一枝黃花相對(duì)葉綠素含量明顯提高，這說(shuō)明加拿大一枝黃花可通過(guò)增加葉綠素含量來(lái)增強(qiáng)極端條件下的生存能力。最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）是暗適應(yīng)下PSⅡ的最大光化學(xué)效率，代表光合結(jié)構(gòu)把吸收的光能用于化學(xué)反應(yīng)的最大效率，常被用作表示環(huán)境脅迫程度的探針[16]。在脅迫條件下，F(xiàn)v/Fm值會(huì)顯著下降[17]；非脅迫條件下，F(xiàn)v/Fm值一般在0.8以上[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，43 ℃極端高溫處理下，不同地理種群的加拿大一枝黃花Fv/Fm值明顯下降，說(shuō)明加拿大一枝黃花受到高溫脅迫，光能過(guò)剩，PSⅡ光合系統(tǒng)受到破壞，致使光抑制或光破壞[19]；不同地理種群的加拿大一枝黃花Fv/Fm值大于 0.6，表明43 ℃高溫下，除已死亡的植株外，存活的加拿大一枝黃花所受的脅迫并不是特別嚴(yán)重，對(duì)高溫脅迫具有一定的適應(yīng)能力。

外來(lái)植物的入侵能力與其性狀之間的關(guān)系是入侵生態(tài)學(xué)中的基本問(wèn)題之一[10]。雖然高溫對(duì)加拿大一枝黃花具有明顯的抑制作用，但其可通過(guò)提高葉綠素含量、降低根冠比等策略來(lái)適應(yīng)高溫脅迫，從而實(shí)現(xiàn)成功入侵。未來(lái)可整合分子生態(tài)、生理生態(tài)、種群生態(tài)學(xué)等研究手段，深入探討加拿大一枝黃花對(duì)溫度的適應(yīng)機(jī)制，以進(jìn)一步闡明加拿大一枝黃花的入侵機(jī)制。

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