不同遮陰條件下麥冬光合和葉綠素熒光特性研究

劉麗娟 高輝，2

（1. 西華師范大學環境科學與工程學院，南充 637002；2. 西藏大學農牧學院，林芝 860000）

麥 冬（Ophiopogon japonicus（L.F.）Ker-Gawl）是百合科沿階草屬多年生常綠草本植物，又名沿階草、書帶草、麥門冬，在我國很多地區都有野生分布和栽培種植，這些年常常被用作園林綠化植物，具有養陰生津、潤肺清心等功效，主治肺燥干咳，津傷口渴等癥［1］。目前對于麥冬的研究多集中在繁殖栽培技術和耐陰性的研究［1-2］，對其光合生理特性方面的研究報道較少［3］。植物的光合作用是其能量吸收固定、物質分配轉化、水碳循環等重要的生理生態和復雜的生物化學過程，是所有物質和能量代謝的物質基礎，同化合成作物中90%-95% 的有機物質，與植物的生長密切相關［4］。光合作用除了受植物本身的遺傳特性影響外，還受包括濕度、溫度、光照強度、二氧化碳濃度和礦物質營養等諸多環境因素影響，其中光照強度是調節植物生長發育的一項基本措施，不同的遮陰條件會直接影響植物的光照強度，還會影響植株的生理代謝，使光合作用發生相應的變化，進而影響植物的生長情況［5］。本研究通過對麥冬植株進行不同的遮陰處理，并且采用Li-6400XT便攜式光合分析儀擬探其光合和生理作用，探究最優的種植栽培方案，為其大規模栽培條件的探索提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

西 華 師 范 大 學 實 驗 地（106°03′46.7′′E，30°48′54.1′′N），海拔 288 m。土壤以紫色土為主［6］，供土的基本理化性質具體見表1。屬亞熱帶季風濕潤氣候區，年均溫度15.8℃-17.8℃，年降水量在1 020-1 250 mm，年均相對濕度78%-85%，多年平均日照僅 152.73 h［6-8］。

表1 供試土壤基本理化性狀

試驗材料采集于2016年9月，采集地為四川省南充市西山風景區，采集后移栽至西華師范大學實驗地內。馴化3個月后，2016年12月，選擇生長良好、大小基本一致的麥冬盆栽苗，利用不同層數的遮陽網對其進行遮陰處理：共設5個處理，控制相對光強為全光照的95%、72%、48%、24%和8%。

1.2 方法

每種遮陰處理選擇60株，待遮陰馴化6個月左右，2017年7月取受光方向一致，且發育時期相同的葉片測定各項指標，每一指標重復5次。

1.2.1 葉綠素含量的測定 分光光度法：利用分光光度計測定葉綠素提取液在最大吸收波長下的吸光值，即可用朗伯—比爾定律計算出提取液中各色素的含量。葉綠素a和葉綠素b在645和663 nm處有最大吸收，且兩吸收曲線相交于652 nm處。因此測定提取液在645、663和652 nm波長的吸光值，并根據經驗公式分別計算出葉綠素a和葉綠素b的量。

1.2.2 光響應曲線的測定 用Li-6400XT便攜式光合儀，葉室選取紅藍光源，空氣CO2濃度設定為恒定400 μmol/mol，溫度為25℃，光合有效輻射（Photosynthetically available radiation）從最大值（2 000 μmol/m2s）逐漸降低至最小值（0 μmol/m2s），測定在不同光合有效輻射下的麥冬葉片的凈光合速率，繪制光響應曲線。非直角雙曲線擬合，根據擬合曲線計算光飽和點和光補償點［5］。非直角雙曲線公式為：

其中，Pn為凈光合，x為光強，c為暗呼吸強度，b為最大光合速率，a為直線部分的斜率，θ為曲線形狀參數。重復5次。

1.2.3 CO2響應曲線的測定 采用Li-6400XT CO2響應自動曲線測定，光源設定為1 200 μmol/m2s，溫度為25℃，將CO2濃度從較大濃度（1 000 μmol/mol）逐漸減少（20 μmol/mol），根據非直角雙曲線擬合，計算出CO2補償點、CO2飽和點、最大凈光合效率等重要參數；重復5次。

1.2.4 光合速率日變化的測定 選擇晴天，從8：00到20：00，每隔2 h測定自然狀態下的麥冬葉片光合速率與蒸騰速率，共測定5株。

1.2.5 熒光參數的測定 采用英國Technologica公司的CF Imager葉綠素熒光儀測定各種處理麥冬植株分成的葉綠素熒光參數。并計算PSⅡ最大光能轉換效率（Fv/Fm）作用光下實際的PSⅡ光化學效率ΦPSⅡ；PSⅡ有效光化學量子效率（Fv′/Fm′）、電子傳遞速率（Electron transport rate，ETR）、光化學淬滅系數（Photochemical quenching，qP），非光化學淬滅系數（Non-photochemical quenching，NPQ）。葉綠素熒光參數Fv/Fm、Fv/Fo是研究植物生理生化的重要參數指標，Fv/Fm是指開放的PSⅡ反映中心捕獲激發能的效率，即內稟光化學效率。光反應中心PSⅡ的潛在活性主要用Fv/Fo來表示。遮陰后能夠激發麥冬葉片的光能利用效率，不過當弱光達到一定程度時，會對PSⅡ的功能造成一定的影響，使PSⅡ實際的光能利用效率、原初光能捕獲效率以及光合電子傳遞效率下降。qP反映PSⅡ反應中心中開放程度，1-qP則反映了反應中心關閉程度，反映了 QA 的 還 原 程 度。qP=（Fm′-Fs）/（Fm′-F0′）；NPQ可以用來表示植物熱耗散的能力變化，一般情 況 下 數 值 范 圍 為 0-n（1，2，3，4，5……）。NPQ=（Fm-Fm′）/Fm′=Fm/Fm′-1；qN 與 NPQ 相同，現在使用較少。數值范圍為0-1。qN=（Fm-Fm′）/（Fm-F0′）；ETR =PPFD×ΦPS Ⅱ ×0.84×0.5。

2 結果

2.1 遮陰對麥冬葉綠素含量的影響

由表2可知，麥冬在不同遮陰處理下葉綠素含量不同，表現在先增加后減小的趨勢，48%遮陰處理和72%遮陰處理差異不顯著，當遮陰度達到95%時葉綠素比例差異顯著，表明光照太強或者太弱對麥冬葉綠素含量影響較大。也間接說明麥冬在是當遮陰處理下可以更好的利用光能進行光合作用，更適合在弱光的環境下生長。

表2 不同遮陰下麥冬葉片葉綠素含量及比例

2.2 光強對麥冬光合參數的影響

麥冬飽和點和光補償點都比較低，適當的遮陰處理對暗呼吸速率（Dark respiration rate）、最大凈光合速率（Maximum net photosynthetic rate）、光飽和點（Light saturation point，LSP）和光補償點（Light compensation point，LCP）都有明顯的影響（表3）。

麥冬的LCP在48%光照強度下呈現最大值，在24%光照處理下呈現最小值不同光照處理下差異顯著，整體看來呈現先增大后減小的趨勢；光飽和點在48%光照處理下表現出最大值；但表觀量子效率（Apparent quantum efficiency，AQE）隨著光照強度的增大表現出先升高后降低。暗呼吸速率和最大凈光合速率均呈現出先降低后增高的特點。反映麥冬在相對比較弱的光照強度下，能夠大幅度的提高光飽和點，降低光補償點，從而最大程度利用弱光，降低自身的呼吸消耗，用來保證植株的正常生長，說明麥冬適合在遮陰環境下生長。

為了進一步探討麥冬對弱光的利用能力，對不同處理下的麥冬植株的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率和水分利用效率作了多元相關性分析（表4）。發現凈光合速率隨著光照強度的升高出現先降低后升高的趨勢，胞間CO2濃度在不同處理下基本恒定；蒸騰速率先降低后升高，對水分的利用能力表現出先增大后減小的趨勢。

表3 不同遮蔭處理對麥冬光合參數的影響

表4 不同遮陰處理對麥冬葉片光合參數的影響

2.3 遮陰對麥冬熒光參數的影響

隨相對光強的升高，Fv/Fm逐漸降低，與對照組相比，差異比較明顯；ΦPSⅡ、ETR和qP均在72%遮蔭處理下的值最大，在8%處理下最小；Fv′/Fm′試驗組的值均比對照組全光照條件下大（表5）。隨光強的減弱，相對光強8%-24%時，PS以熱耗散形式消耗的光能增加，而用于光合電子傳遞的光能減少，qP先升高后降低，證明在相對光強為48%-72%時，PSⅡ用于光合電子傳遞的光能增加，而以熱耗散形式消耗的光能減少。

表5 不同遮陰對麥冬葉片熒光參數的影響

2.4 光合速率和蒸騰速率日變化

從8點開始，隨著光照強度的增強，麥冬的凈光合速率迅速增強（圖1）。在陽光充足的條件下，不同遮陰處理下的麥冬凈光合速率（Pn）的日變化呈現明顯的差異。從圖1可以看出麥冬光合速率呈現出明顯的雙峰曲線；隨著時間的增長，麥冬凈光合速率在12：00點附近出現第一個極峰，隨后出現下降趨勢，在14：00附近出現低值（峰谷），根據生態學原理可知麥冬植株應該是出現了植物特有的“午休情況”。在下午15：30左右，麥冬的凈光合速率出現第二次峰值，隨后一直降至1點附近。從圖1可以看出麥冬的凈光合速率在72%的試驗控制條件下可以達到最大值，8%光照條件下凈光合速率值較低，說明適當遮陰理有利于麥冬的光合作用，有利于有機物質的積累和合成。麥冬在全天各個時間的光合速率與光合有效輻射及氣溫變化相關性不大。

圖1 不同遮蔭條件下麥冬凈光合速率（Pn）日變化

3 討論

遮陰條件是麥冬生長的主要限制因子，適當遮陰或者合適的種植密度可以很好地改善麥冬群體結構，可以提高對光能的利用率。而光照不足則會限制麥冬的光合作用，導致碳獲取的減少，使生長受阻。因此植物光合作用的效率決定著其生產力水平，其光合性能可以通過葉綠素含量的比例變化、光合速率得到衡量［7-8］，而葉綠素熒光作為光合作用機理研究的有力探針，可以更直接地反映不同光照條件下麥冬植株光合作用反應中心的開放程度及植物熱耗散等情況，是一種反應靈敏、操作簡便且對植物無傷害的方法。遮陰對光合作用的影響，因作物品種、生育期和遮陰時間的不同，會有很大差異，許多研究表明，遮陰通常可以降低單葉的凈光合速率［9］。

植物的耐陰性一般情況下可以用植物光補償點來衡量。植物的光補償點越低，在弱光條件下光合作用能力就越強，植物的有機物質開始迅速積累；光飽和點越低，植物光合作用速率隨光量子通量的增大就可以很快達到最大效率。麥冬的光補償點在適度遮陰的條件下可以適當降低，說明它對光強輻射強度要求的下限降低，并且通過增加表觀量子效率來適應外界光強的降低，對弱光具有一定的適應能力［10］。也可以直接證明植物在外界環境改變的時候，可以通過自身的調節來使自己盡快的適應下逆境環境。當光強降至自然光的24%以下時，麥冬植株的表觀量子效率開始下降，表明光合體系已經不能夠適應更弱的光照環境，許多試驗表明，遮陰條件可以降低植物單葉的凈光合速率［11-12］。

植物在一定范圍內對光環境有很強的自我適應與調節能力，一些植物在弱光下會通過合成大量的葉綠素，從而去捕獲更多的光能，但不同光反應類型的品種之間也會存在差異［13-14］。本試驗研究結果與梁鎮林等［15］的研究結果一致，即隨著遮陰度的增加，麥冬葉片的葉綠素含量均顯著增加。光是影響葉綠素形成的主要條件，從原葉綠素酸酯轉變為葉綠酸酯需要光，而光過強，葉綠素又會受光氧化而破壞。黑暗中生長的幼苗呈黃白色，遮光或埋在土中的莖葉也呈黃白色，這種因缺乏某些條件而影響葉綠素形成，使葉子發黃的現象。

麥冬葉片的熒光參數Fv /Fm隨光強的減弱而增加，但是 ΦPSⅡ、Fv ′/Fm ′、ETR和 qP在光強為72%光照處理條件下可以達到最大值，反映出在一定的弱光范圍內ΦPSⅡ的光合能力提高，且能夠將吸收的光能更多的分配給光化學途徑。從試驗數據看出當光強小于24%時，ΦPSⅡ等參數開始下降，證明上述引起光合速率降低的次要因素即ΦPSⅡ的光合活性并非未受到影響，這與遲偉等對草莓的研究結果相吻合，也可能與光合色素含量的降低有關［14］。由于在陰生的環境下的麥冬植株，需要對植株中保障能夠正常進行生長的葉綠素熒光參數進行維持，從而會捕獲大量的光量子來支撐植株的光合作用，并且可以大幅的降低呼吸消耗。Fv/Fm也就是所說的內稟光化學效率，主要指開放回路中的PSⅡ反應中心所捕獲激發能進行的效率。Fv/Fo表示光反應中心PSⅡ的潛在活性。一般對于植物來說，最大的光能轉化效率并不代表著最大的光合速率。PSⅡ反應中心可以將天線色素吸收的過量的光能以熱耗散的形式消耗從而避免對光合機構造成失活或破壞。

隨著光照強度的增加，Pn數值顯著增強，但是光照達到一定程度會對植物造成傷害［17］，導致光合作用中氧化副產物增加。這些終產物不是植物生長發育必需的。所以在光合生理上表現為ETR、Y、qP和Pn數值的降低（說明PSⅡ活性降低），而qN值增高［18］，會引起光合作用的光抑制，過剩的能量會形成各種活性氧分子，最終可能導致膜質過氧化，植物體光合色素分解即產生光氧化傷害，這種傷害是不可逆的，此時葉子形態會發生病變。光抑制同時也會降低植物的光合生產力，限制植物在自然界的適應和生長。

4 結論

麥冬為陰生植物，適當的遮陰處理有利于麥冬葉綠素的積累，栽培麥冬植株的過程中應調整種植密度或者進行遮陽網遮陰處理，使相對光強控制在自然光的72%左右為宜。

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