能源植物續隨子光合特性研究

孫超超，葛麗萍，任國鵬，元 博

（山西農業大學林學院，山西太谷030801）

續隨子（Euphorbia lathyris L.）又名千金子、菩薩豆、小巴豆等，屬大戟科大戟屬的1年生或2年生草本植物[1-2]。續隨子是一種優良的能源植物，種子含油量較高，其油體是植物種子貯脂的細胞器。續隨子總油脂含量45%～60%，脂肪酸成分以C16，C18脂肪酸為主，主要成分包括棕櫚酸（16∶0）、硬脂酸（18∶0）、油酸（18∶1）、亞油酸（18∶2）、亞麻酸（18∶3）等，其中，油酸（18∶1）含量可高達總油脂的84%以上，與理想柴油替代品C19H36O2的分子組成類似[3]，是一種經濟利用價值較高的生物質能源材料[4]。因此，續隨子被譽為“石油植物”。

續隨子是一種具有很高藥用價值的蛋白質資源[5]，其種子油脂含量較高，工業上用于制肥皂、軟皂及潤滑油等[6]；續隨子種皮可以治療膽囊炎[7]，種子的浸提液制成化妝品，對色斑的形成有一定的抑制作用[8-9]，另外，續隨子種子的浸提液也用作土農藥，用于防治螟蟲、蚜蟲等；其種子、莖、葉及莖中白色乳汁均可入藥，有消腫、殺蟲、導瀉、鎮靜、鎮痛、抗炎、抗菌、抗腫瘤、利尿等作用[10]，在國外也有用于癌癥治療的記載[11]；臨床報道續隨子還可治療晚期血吸蟲病腹水、毒蛇咬傷[12-14]等癥狀。

根據江蘇植物研究所與中科院林業土壤所分析，續隨子種子含有脂肪酸、萜類、甾類、香豆素、黃酮類等化學成分[15]，其中，萜類物質與石油成分相似；王亞輝等[16]用氣相色譜－質譜（GC－MS）聯用儀分析續隨子油脂肪酸的組成和含量，結果表明，續隨子冷榨油含7種脂肪酸，主要為油酸，不飽和脂肪酸占比最大，具有很好的營養價值。在國外，美國卡爾文教授提出續隨子的脂肪酸成分與石油類似，并且1 hm2土地可生產25～125桶石油[17]。歐美部分國家已開始續隨子育種方面的研究，希望通過提高續隨子的產量來實現生物柴油的高產。

植物油脂的可持續生產以及解決當今全球所面臨的糧食安全、能源安全和人類健康等問題極為重要，開發應用非糧食作物專用于生物燃油生產，可解除糧食作物用于生物燃油生產對全球糧食安全的威脅，是當今農業生物技術和生物能源研究領域一個新的熱點。

續隨子種子的油脂含量較高，其油脂的積累是和它的光合作用產物密切相關的。目前，針對續隨子光合特性的相關研究相對較少。因此，本研究通過對續隨子生長期光合指標的測定，旨在探究續隨子凈光合速率的變化規律，以期為續隨子種子油脂合成積累主要時期的確定和后續篩選與油脂合成相關基因的試驗以及續隨子的開發利用提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省晉中市太谷縣山西農業大學林學院苗圃，試驗地為褐土，稍偏堿性，腐殖質含量少，土壤肥力中等。太谷縣位于晉中盆地東北部，屬暖溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為5～10℃，1月份最冷，7月份最熱；在一年中，日照時數隨季節變化較大，5—6月份日照時數最長，平均每天12 h左右；年平均降水量約為458 mm，6—8月降水量最多，12月至次年2月降水較少。

1.2 試驗材料

試驗所用續隨子種子采自晉中榆次栽培植株，播種于山西農業大學林學院苗圃。

1.3 試驗方法

將續隨子成熟果實去皮后，挑選顆粒均勻飽滿且頂端具種阜的種子，在55℃溫水中浸種30 min，再用0.1%的KMnO4溶液浸種1～2 h，最后蒸餾水洗凈備用。選地要求排水良好、陽光充足，播種前澆透水，隔1～2 d深耕20～30 cm，耙碎耙平。播種采用穴播，每穴播種1～2粒種子，按行距30 cm、株距25 cm開穴，覆土 2～3 cm[18]。

2017年4月26日播種，一般15～20 d出苗，在此期間適當澆水，保持土壤濕潤。當株高約20 cm時，間去過密的幼苗，定期除草。夏季出現高溫高濕天氣時，及時排水防澇，防止植株發生立枯病、褐斑病、灰霉病等病害[19]，并做好防護措施。種子在9月下旬至10月上旬成熟，采收種子并晾曬，在干燥環境中保存。

1.4 測定指標及方法

光合作用的一個突出特點是對植物自身生理狀態和外界環境條件的變化高度敏感[20]。大量研究表明，葉片不同葉位、不同葉齡、同一葉片不同部位的光合速率明顯不同[21]，葉片取向和著生角度等也對光合速率有著顯著影響[22-23]。此外，不同的天氣狀況對光合作用測定結果有顯著的影響[21]。因此，在測定光合數據時，須選擇適當的天氣、時間、葉位和正確的測定方法等。

基于閆曉帥等[24]對續隨子栽培周期的研究，在山西太谷地區，6，7，8月是續隨子生長發育較為旺盛的時期，研究這3個月的光合作用對后期研究續隨子油脂積累主要時期的確定和后續相關生物分子試驗具有重要的參考價值。

本研究采用CI-340便攜式光合測定儀，于6，7，8月3個月連續測定了續隨子光合指標的變化。隨機選取3株長勢一致的植株，每株測定3枚葉片，選取植株自生長點往下第2葉位的葉片，每枚葉片測3次重復，并取平均值。從6月10日開始（天氣晴朗），每隔10 d測定一次，測定時間為10：00，測定指標包括凈光合速率（Pn）、光照強度（PAR）、胞間CO2濃度（Ci）、田間CO2濃度（Ca）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、環境溫度（Ta）、相對濕度（RH）以及流速（V）等生理生態指標，流速一般為0.6 L/min。

1.5 數據處理

試驗數據均采用WPS 2016和SPSS軟件進行處理和分析。

2 結果與分析

2.1 續隨子生長發育時期

表1 續隨子生長發育時期 月-日

由表1可知，本試驗種植的續隨子的整個生長發育周期為170 d左右。幼苗期和營養生長期大約40 d；開花期和果期為生殖生長時期，大約110 d。同一植株上，前期開的花已結果時，新花序還在陸續形成，所以續隨子花期和果期的持續時間均較長，并且開花期和果期在時間上有重疊，是相伴隨的。

2.2 續隨子凈光合速率變化特性分析

從圖1可以看出，續隨子凈光合速率呈現單峰曲線，6月份續隨子凈光合速率低于7月份，增長速率較緩；7月10—20日續隨子凈光合速率迅速上升，7月20日左右出現最高峰，達到3個月中的最高值 16.87 μmol/（m2·s），7 月 20 日到 8 月 10 日續隨子凈光合速率逐漸下降，一直到8月下旬都呈現逐漸下降的趨勢，但下降幅度越來越小。

2.3 植物外部環境因素與續隨子凈光合速率的關系

植物外部環境因素對植物的生長發育有著密切的聯系，也對植物的光合作用有直接或間接的影響[25]。本研究主要測定了續隨子在田間自然環境下，光照強度（PAR）、田間CO2濃度（Ca）、環境溫度（Ta）、相對濕度（RH）的變化情況，目的是找出這4項外部環境指標與凈光合速率（Pn）之間的關系。

表2 續隨子凈光合速率和外部環境指標比較

圖 2是 6，7，8月續隨子葉片光照強度（PAR）、田間 CO2濃度（Ca）、環境溫度（Ta）、相對濕度（RH）的變化曲線。結合圖2的變化曲線以及表2各項指標的比較可以看出，在7月20日，4項指標均出現了最大或最小值，續隨子凈光合速率與光照強度和環境溫度均呈正相關，其光照強度與環境溫度相比相關性更加顯著；凈光合速率與田間CO2濃度及相對濕度呈負相關，相關性較顯著；環境溫度和相對濕度呈負相關，相關性也較顯著。從整體來看，光照強度對凈光合速率有主要影響。

2.4 植物內部自身因素與續隨子凈光合速率的關系

植物在生長發育的過程中，不僅與植物所處的外界環境有關，也與植物內部自身因素有很大關系。因此，在研究植物的凈光合速率時，也要充分考慮到植物內部自身因素的影響。本研究通過CI-340便攜式光合測定儀對續隨子的蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）進行了測定，并研究了這3項指標與凈光合速率（Pn）之間的關系。

圖3是6，7，8月續隨子葉片蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）的變化曲線。結合圖3的變化曲線以及表3各項指標的比較可以看出，續隨子凈光合速率與氣孔導度變化趨勢較為一致，呈顯著正相關；蒸騰速率與凈光合速率也呈正相關，和氣孔導度相比相關性較低；但胞間CO2濃度與凈光合速率呈負相關，相關性較顯著。

表3 續隨子凈光合速率和植物內部指標比較

3 結論與討論

續隨子是一種優良的新型油料作物[6]，通過光合作用積累大量的有機物，其種子含油量很高，開發利用前景廣闊。因此，本研究通過對續隨子生長旺盛的6，7，8月3個月的光合指標進行測定。在測定的過程中，綜合考慮了各方面的影響因素，包括續隨子所處的外部環境因素，光照強度（PAR）、田間CO2濃度（Ca）、環境溫度（Ta）、相對濕度（RH）對其光合作用的影響，并分析了這4項指標與凈光合速率之間的相關性；同時，也考慮了續隨子內部自身因素對其光合作用的影響，測定了蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）的變化趨勢，并分析了這3項指標與凈光合速率之間的相關性，可以為續隨子種子油脂合成積累主要時期的確定和后續篩選油脂合成相關基因的相關試驗以及續隨子的開發利用提供重要的參考依據。

研究發現，在7月20日，續隨子的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、光照強度以及環境溫度都是最高的，而田間CO2濃度、胞間CO2濃度、相對濕度均最低，這也符合凈光合速率與蒸騰速率、氣孔導度、光照強度以及環境溫度呈正相關，而與田間CO2濃度、胞間CO2濃度、相對濕度呈負相關。7月份續隨子凈光合速率最高，其原因：一方面，7月份續隨子還沒有完全進入生殖生長時期，營養生長還占據主導地位，光合作用仍然較強；另一方面，7月份續隨子植株整體較為鮮嫩，光合色素含量豐富。6月與7月相比，光照強度較低，其他各項指標也都隨著光照強度的高低發生相應的變化。8月與7月相比，光合作用的各項指標明顯下降，其原因主要是環境的溫度和濕度等指標發生相應變化造成的，一是植株主要進行生殖生長，處于種子油脂積累的主要時期；二是部分植株開始進入衰老期，葉片逐漸泛黃，葉綠素含量明顯下降。這與許大全[26]提出的引起植物葉片凈光合速率下降的植物自身因素的2個方面相一致。

綜上所述，7月份是測定續隨子光合作用各項指標的最佳月份，也是續隨子生長發育最好的月份，而8月是續隨子種子開始積累油脂的主要時期。