4種咖啡葉片葉綠素熒光參數日變化研究

武瑞瑞，黃家雄，楊 陽，李亞男，張曉芳，呂玉蘭，何紅艷，李貴平

（云南省農科院熱帶亞熱帶經濟作物研究所，云南 保山 678000）

【研究意義】影響植物正常生長的環境因素有很多，如光照、溫度及CO2濃度等。環境脅迫對植物光合作用的影響是多方面的。而葉綠素熒光是光合的探針，能更加真實的反應植物的光合作用。植物葉片葉綠素熒光特性已被廣泛應用到植物光合機理和逆境生理等研究領域［1-2］。光合日變化是維持植物光合機構內不同組分響應和適應環境條件的一種平衡能力的反應，葉綠素熒光參數則反映光合機構內一系列重要的適應調節過程［3］。開展咖啡葉綠素熒光日變化的研究有助于了解環境對咖啡光合作用的影響及咖啡對環境的適應方式?！厩叭搜芯窟M展】朱弘等［4］對不同竹齡毛竹冠層葉片葉綠素熒光參數日變化的研究發現，適當提高4年生毛竹在竹林中的比重，通過優化毛竹立竹結構和林肥管理可提高毛竹林經營綜合效益。習玉森等［5］研究了不同生長型觀賞桃葉的葉綠素熒光日變化，發現生長季內8月上旬PSII中心出現可逆失活，不同生長型葉綠素熒光有一定差異。王直亮等［6］通過研究不同菜心品種葉綠素熒光參數日變化規律，發現隨著光強和溫度的變化，在一定范圍內，PSII可逆性功能失活，且耐熱性強的菜心品種恢復速率較高。喬梅梅等［7］研究了不同種植處理與不同環境下黑果枸杞葉綠素熒光參數的日變化，發現壟栽各熒光參數變化幅度小，且熒光參數與光強和溫度等環境因子的相關性低，所以黑果枸杞高效種植采取壟栽。韋陽連等［8］研究了龍船花屬3種植物葉綠素熒光參數的日變化，發現3種龍船花的光合性能及耐陰性為龍船花＞大王龍船花＞大葉黃龍船花。【本研究切入點】對大粒種、中粒種以及小粒種咖啡卡蒂姆2和卡蒂姆3的葉綠素熒光日變化進行比較，了解它們熒光特性的差異及與氣象因子的相關性?！緮M解決的關鍵問題】測定5月份咖啡葉片葉綠素熒光參數Fo的日變化規律及其與溫度、濕度、太陽光照強度等影響因子間的關系，有助于了解咖啡對環境的適應性，為選育適宜本地氣候特點的咖啡提供研究基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

云南省農業科學院熱帶亞熱帶經濟作物研究所潞江壩基地（98°53′E，21°59′N），海拔720 m，具有典型的干熱河谷氣候，干濕季節非常分明，雨熱同期，冬無嚴寒，夏無酷暑；11月至次年5月為干季，6～10月為濕季，7、8、9月雨量最多，占全年80%。

1.2 試驗材料

大粒種咖啡（Coffea liberica）：咖啡三大原生種之一，原產地為西非的利比里亞，環境適應力強，亦耐病蟲害，卻是咖啡原生種中品質最差?？辔稄娏沂瞧涮卣?。

中粒種咖啡（Coffea robusta）：非洲剛果原產的原生種，較阿拉比卡種（Arabica）耐病蟲害（特別是葉銹病），環境適應力亦強，具有特別的“羅布味”（類似燒焦麥子的味道）。

小粒種咖啡（Coffea arabica）：原產地非洲埃塞俄比亞，為三大原生種中質量最佳者，其香味和質量是3種之中最好?？ǖ倌肥切×？Х戎械牟ㄅ苑N系分支卡杜拉與中粒種的混種，種植這個品種的原因是由于卡蒂姆擁有中粒種基因，在抗病性方面比單一老品種強，且產量也好。選取了卡蒂姆系列的2個品種，分別為卡蒂姆系列品種2（以下簡稱卡蒂姆2）、卡蒂姆系列品種3（以下簡稱卡蒂姆3）。

大粒種咖啡、中粒種咖啡、小粒種咖啡的卡蒂姆系列品種試材均采自云南省農業科學院熱帶亞熱帶經濟作物研究所潞江壩基地。

1.3 試驗方法

1.3.1 葉綠素熒光參數和葉綠素相對含量的測定取中上部枝條，每個枝條從頂端數第4對葉子為測定對象，每個品種測定5片葉。（1）手持葉綠素測定儀（浙江托普TYS-B）測定SPAD值，于早上9：00進行，每個葉片重復測10次。（2）葉綠素熒光參數用調制葉綠素熒光儀（英國漢莎FMS-2）測定，于9：00開始每隔2 h測定1次，19：00結束。測定時暗適應15 min，測量熒光參數Fo與Fv/Fm從儀器FMS-2中直接導出。

1.3.2 氣象資料的搜集 太陽輻射強度、溫度和相對濕度由保山潞江壩氣象站提供。

試驗數據利用Excel2003進行處理，用SPSS19.0軟件進行分析，采用Origin8.0作圖。

2 結果與分析

2.1 太陽輻射強度和溫度的日變化

太陽輻射強度的變化呈單峰曲線（圖1），在14：00時達到峰值，9：00—10：00和16：00—17：00分別為光照強度快速上升和快速下降的兩個階段；溫度的變化呈“M”型曲線，在14：00和16：00超過42 ℃，9：00—14：00為溫度上升階段，其中9：00—10：00為溫度快速上升階段，溫度快速上升階段和光照強度快速上升階段相同，在15：00溫度稍稍下降，16：00后為溫度下降階段。從表1相對濕度日變化呈現先降低后升高的趨勢，最低值出現在14：00，之后逐漸上升。相對濕度變化規律與太陽輻射強度變化規律相同。

圖1 溫度和太陽輻射強度的日變化（5月10日）Fig.1 Diurnal variation of temperature and the intensity of the solar radiation on May 10

表1 不同時間點空氣濕度Table 1 Relatively humidity in different time points

2.2 4個咖啡品種葉綠素相對含量的比較

葉綠素是綠色植物參與光合作用的重要色素，其含量高低反映了植株的光合能力和生長狀況［9］。葉綠素含量較高時，有利于植物對光能的吸收利用和轉化。SPAD值是一項表征葉片光合活性的指標，與單位葉面積的葉綠素含量顯著正相關［10-11］，因此常用其大小來衡量葉片中葉綠素的含量［12］。

從4個咖啡品種在5月份的葉片SPAD測定值（圖2）可以看出，中粒種咖啡葉片的SPAD值最高為66.04，大粒種咖啡葉片的SPAD值最低為52.84，卡蒂姆2和卡蒂姆3分別為64.70和64.54，相差不大。鄧肯差異性分析表明，中粒種、卡蒂姆2、卡蒂姆3的SPAD值無顯著差異，大粒種與這個3個品種均差異顯著。

圖2 不同咖啡品種SPAD值的比較Fig.2 SPAD in leaves of the various types of coffee

2.3 4個咖啡品種葉綠素熒光參數日變化

2.3.1 初始熒光Fo的日變化 Fo為初始熒光，代表不參與光系統II（PSII)光化學反應的光能輻射部分，其數值與葉綠素濃度和激發光強度有關，而與光合作用光化學反應無關［13］。一般Fo越大，能量利用越低。從圖3可以看出，大粒種和卡蒂姆2的Fo日變化趨勢呈“M”型，都于11：00達到第1個峰值，分別為330.20和192.20，較9：00分別上升55.35%和12.89%，之后呈下降趨勢，其中大粒種于15：00降至波谷183.20，17：00上升，之后又開始下降；卡蒂姆2第2個峰值163.21出現在15：00，但上升幅度小，之后下降。中粒種和卡蒂姆3的Fo日變化呈倒“V”型，但各自的變化規律又不完全一致，這兩個品種達到峰值的時間各不相同，分別在15：00和17：00達到最高值，分別為262.60和199.44，較9：00分別上升36.14%和63.27%。

除了卡蒂姆2外，其他3個品種的Fo在19：00均高于早晨水平，說明卡蒂姆2葉片色素吸收的能量用于光化學反應較多。卡蒂姆2在11：00以后Fo低于其他品種，且峰值較低，說明該品種葉片色素吸收的能量用于光化學反應較多，對強光脅迫具有較強的耐受性。在9：00，大粒種的Fo值最大，說明此刻葉片色素吸收的能量用于光化學反應較其他3個品種少。由表2可知，在全天時段中，各品種的Fo差異性不同：11：00，4個品種的Fo品種間存在顯著差異；15：00，中粒種與其他3個品種存在顯著差異；17：00，中粒種和卡蒂姆3與其他兩個品種間存在顯著差異（P＜0.05）。

圖3 不同咖啡品種葉綠素熒光參數Fo的日變化Fig.3 Diurnal variation of Fo in leaves of the various types of coffee

表2 不同咖啡品種同一時刻Fo的差異性Table 2 Difference of Fo in the different varieties of coffee at the same time

2.3.2 PSⅡ最大光化學效率Fv/Fm的日變化 由圖4可知，4種咖啡的Fv/Fm變化趨勢相同，均呈倒“V”型變化，但具體的變化情況不同。在9：00，4個品種的Fv/Fm值均在0.70以上；大粒種的Fv/Fm值在13：00前為0.72，降幅最小，較9：00的0.74降低2.73%，在15：00急劇下降，下降為0.60，降幅為18.63%，之后先快速上升然后緩慢上升；中粒種的Fv/Fm值在13：00達到最低（0.65），較9：00的0.77下降15.43%，之后緩慢上升，15：00的Fv/Fm值（0.67）是4個品種中最高的；卡蒂姆2和卡蒂姆3的Fv/Fm值在15：00降到最低值，分別為0.66和0.65，較9：00分別下降11.45%和14.85%，15：00后Fv/Fm值開始上升，卡蒂姆2先快速上升后上升減緩，而卡蒂姆3先緩慢上升再快速上升，卡蒂姆2和卡蒂姆3的Fv/Fm值在19：00 高于 9：00。

從表3可以看出，4個咖啡品種的Fv/Fm值在9：00和17：00均無顯著性差異；11：00和19：00，大粒種的Fv/Fm值與卡蒂姆3差異顯著；13：00，大粒種的Fv/Fm值與其他3個品種差異顯著；15：00，大粒種的Fv/Fm值與中粒種差異顯著?？v觀全天不同時刻，中粒種的Fv/Fm值與卡蒂姆2和卡蒂姆3無顯著差異。

圖4 不同咖啡品種葉綠素熒光參數Fv/Fm的日變化Fig.4 Diurnal variation of Fv/Fm in leaves of the various types of coffee

表3 不同咖啡品種同一時刻 Fv/Fm 的差異性Table 3 Difference of Fv/Fm in the different varieties of coffee at the same time

2.4 氣象因子與4個咖啡品種咖啡葉綠素熒光參數的相關性分析

從表4可以看出，大粒種的Fo與相對濕度呈顯著負相關；中粒種的Fo與溫度、太陽輻射強度呈極顯著正相關，與相對濕度呈顯著負相關；卡蒂姆2的Fo與相對濕度呈顯著正相關；卡蒂姆3的Fo與溫度呈極顯著正相關，與太陽輻射強度呈顯著正相關，與相對濕度呈極顯著負相關。各品種的Fo與SPAD值存在一定的相關性，但未達到統計學上的顯著相關關系。

表4 4個咖啡品種葉綠素熒光參數Fo及其環境因子的相關性Table 4 The correlation of chlorophyll fluorescence parameters and envionmental factors of four varieties of coffee

從表5可以看出，4個咖啡品種的Fv/Fm均與溫度和太陽輻射強度呈極顯著負相關，大粒種和卡蒂姆2的Fv/Fm與相對濕度均呈顯著正相關，中粒種和卡蒂姆3的Fv/Fm與相對濕度均呈極顯著正相關。SPAD只與卡蒂姆3呈顯著負相關，與其他3個品種均未達到統計學上的顯著相關關系?？梢姡@4個咖啡品種均對高溫、強光敏感，但是采取光保護措施不同，因此對環境的耐受性不同。

表5 4個咖啡品種葉綠素熒光參數Fv/Fm及其環境因子的相關性Table 5 The correlation of chlorophyll fluorescence parameters and envionmental factors of four varieties of coffee

2.5 不同時刻間咖啡葉綠素熒光參數的差異性

從表6可以看出，Fo在一天不同時刻的差異性，大粒種在9：00、15：00與11：00、13：00、17：00和19：00有顯著差異，中粒種在15：00與9：00、17：00、19：00有顯著差異，卡蒂姆2在11：00 與 13：00、15：00、17：00、19：00 有 顯著差異，卡蒂姆3在17：00與9：00、11：00、19：00有顯著差異，且這4個品種的Fo差異性均無相同之處。

從表7可以看出，大粒種咖啡在9：00、11：00、13：00、17：00、19：00 的 Fo/Fm 無顯著差異，但均與15：00有顯著差異；中粒種在9：00與13：00、15：00、17：00有顯著差異；卡蒂姆 2在9：00、11：00、17：00、19：00與13：00、15：00均有顯著差異；卡蒂姆3在9：00、11：00、19：00 與 13：00、15：00、17：00均有顯著差異。

表6 同一咖啡品種不同時刻間Fo的差異性Table 6 Difference of Fo in the same variety at different times

表7 同一咖啡品種不同時刻間Fv/Fm的差異性Table 7 Difference of Fv/Fm in the same variety at different times

3 討論

葉綠素熒光儀能夠快速靈敏、非破壞性的反映植物生理狀態及其與環境的關系，是一種理想的光系統探針，可以直接或間接地了解光合作用過程［11］，提供許多有關植物光合生理變化的信息。正常情況下，葉綠素吸收的光能主要通過光合電子傳遞、葉綠素熒光發射和熱耗散3種途徑來耗散，這3 種途徑之間存在著此消彼長的關系［14］。

導致Fo變化的因素有PSII反應中心的可逆失活和破壞，導致Fo上升，Fo升高越多，表明植物受損傷程度越重；PSII天線的熱耗散增加，導致Fo降低，Fo降低說明在葉黃素的循環過程中非輻射能量的耗散有所增強，是植物的保護機制之一［15］。因此Fo值變化可推測反應中心的狀況和可能的光保護機制［16-17］。Fv/Fm對環境脅迫較為敏感［17-18］，常用Fv/Fm的降低來表示植物葉片的光抑制，其大小可反映植物PSII受傷害的程度［19-20］。一般來說，在非脅迫條件下，大多數植物健康葉片的Fv/Fm在0.7以上，遭受脅迫的葉片Fv/Fm值下降［21-22］。本研究發現，9：00—11：00，4個咖啡品種的Fo均上升，較9：00上升幅度分別為55.34%、19.01%、12.89%和21.89%，此時大粒種受到的損壞程度較大，對溫度較敏感，其保護機制可能主要是光系統II反應中心可逆失活或損傷；在15：00，大粒種的Fo急劇下降到最低值，且在這段時間大粒種的Fv/Fm也下降，說明大粒種發生了光抑制，這可能是增加熱耗散增加的原因，15：00后開始上升說明隨著光強的減弱，光化學部分的能量減少，導致Fo開始回升。卡蒂姆2的Fo在11：00—15：00先降低在升高，說明植物在溫度和太陽輻射強度達到最高值的過程中，主動采取措施降低對自身的傷害；在15：00—17：00降低，說明在此時段內，熱耗散增加；17：00以后有所上升，說明光照強度減弱，光反應降低，從而使Fo小范圍上升；而Fv/Fm在15：00達到最低值，下降幅度為11.45%?？ǖ倌?的Fo在9：00—13：00上升，說明其光系統II反應中心可逆失活或損傷，而在13：00—15：00基本沒變，這是由于13：00和15：00的溫度、相對濕度、太陽輻射強度相差不大；15：00 —17：00急速上升，只是由于17：00的相對濕度更低，而溫度又有增加，而卡蒂姆3的Fo與溫度顯著正相關，與相對濕度顯著負相關。4個品種的Fv/Fm全天變化趨勢是先降低再升高，說明高溫和強光下，它們的光合活性受到了抑制，隨著溫度和光強的降低，其光合機制得到恢復，說明之前受到的傷害是可逆的，是光合機構的保護性反應。

中粒種和卡蒂姆3的Fo與環境因子溫度、相對濕度、太陽幅度強度相關性基本相同，卡蒂姆2的Fo只與環境因子相對濕度達到統計學的顯著正相關，其余均未達到顯著水平。這與中粒種和卡蒂姆3與環境因子的相關性不同，其原因需要進一步探討。大粒種的Fo只與環境因子相對濕度達到統計學的顯著負相關，其余均未達到顯著水平。而4個咖啡品種的Fv/Fm均與溫度和太陽輻射強度呈極顯著正相關，大粒種和卡蒂姆2呈顯著正相關，而中粒種和卡蒂姆3呈極顯著正相關，且卡蒂姆3的Fv/Fm還與SPAD值呈顯著負相關。

SPAD植物營養測定儀是通過測量葉片在兩種波長范圍內的透光系數來確定葉片當前葉綠素的相對數量，具有實時、快速和無損等特點。本試驗結果表明，4個咖啡品種的葉片SPAD值依次為中粒種＞卡蒂姆2＞卡蒂姆3＞大粒種，而一天中大部分時刻的Fo依次為大粒種＞中粒種＞卡蒂姆3＞卡蒂姆2，這與SPAD值高低不一致，且相關性分析顯示Fo與SPAD含量的相關性并未達到顯著水平。因此熒光參數和光合色素之間的關系需進一步探討。

4 結論

本試驗通過對4種咖啡品種的葉片Fo和Fv/Fm在5月份日變化的研究發現，大粒種主要通過增加熱耗散，保護光合機構；其他3種主要是通過PSII反應中心的可逆失活。卡蒂姆2的葉片Fo全天最低，且Fv/Fm降低幅度最小，表明卡蒂姆2的光合效率較高，且卡蒂姆2對溫度、太陽輻射強度不敏感，因此更適應潞江壩氣候。