胡楊異形葉光合生理特性及其與葉形態的關系

王海珍 徐雅麗 代雅琦 韓 路

（1塔里木大學植物科學學院，新疆 阿拉爾 843300）

（2塔里木大學生命科學學院，新疆 阿拉爾 843300）

光合作用作為地球上最重要的一個生理生化過程,為植物生長發育提供了大部分物質和能量［1］。葉片是綠色植物吸收光能和形成同化力的光合器官，生長季其光合機構面臨著既需要光能又要避免強光、高溫等脅迫的傷害［2］。為了能夠在荒漠逆境中生存和繁衍，荒漠植物在長期進化和適應過程中完善了多種抵御和減輕各種逆境脅迫的一系列形態和生理生化保護機制［3］，如與葉運動和表皮毛、蠟質減少光能捕獲吸收機制，與類囊體膜能量化和葉黃素循環有關的熱耗散機制［4］，與PSⅡ反應中心的可逆失活及D1蛋白周轉有關的能量耗散機制［5］，與光呼吸、Mehler反應等有關的生化機制［6］，圍繞PSⅠ的電子循環機制［2］，光合能力提高和反應中心功能下調［4］、修復，活性氧清除機制［7］等。這些保護機制的正常運轉可以確保葉片光合作用的有效進行，然而一旦這些機制缺失或受抑制，就會降低光合功能、損傷光合機構［8］。許多研究表明，植物抵抗逆境脅迫依賴于形態結構和生理生化特征的耦合［9］，且各種保護機制究竟哪一種機制貢獻最大，則因物種、生長經歷和環境條件等的不同而異，也可能是多種機制協同作用［4］。因此，研究荒漠植物葉形態與光合生理性狀的耦合及防御保護機制對其葉片生長發育及其樹體的生長、生存均具有重要的意義。

自然界大多數植物在同一植株上成熟葉的葉形一致，但也有一些植物因不同生長階段或環境條件的變化而呈現出不同的形狀，這種同一植株上著生不同類型或多種形狀葉片的現象，稱為異形葉性［10］。塔里木盆地自然生長的胡楊（Populus euphraticaOliv.）具有典型異形葉性特征，隨個體生長發育樹冠上依次出現條形葉，卵狀菱形、卵圓形、鋸齒卵圓形等形狀的葉片，同時隨立地條件而發生變化，披針形葉隨地下水位加深/土壤含水量降低逐漸消失，隨后是卵形葉消失，最后整株樹冠上全部為鋸齒闊卵形葉［11］。這是胡楊在長期進化過程中響應異質環境使樹冠上不同位置葉形態發生改變，差異化地調控葉片生理生態功能以滿足生存需求，實現最佳的資源利用和避免逆境傷害，提高生境適合度和生存能力。近年來，胡楊葉形變化及其適應進化機制受到廣大學者的關注，眾多學者從異形葉的解剖結構［12］、光合與水分生理［11-13］、功能性狀［14］等方面展開了研究，大多研究結果均表明胡楊闊卵形葉光合效率、保水能力與抗逆能力高于條形葉［12-13］，認為胡楊異形葉性是長期適應干旱荒漠環境在結構與功能上形成了獨特的適應機制。也有研究表明，胡楊異形葉性與個體發育階段密切相關［15］。目前對胡楊異形葉形態性狀與光合生理性狀的權衡及耦合關系研究鮮見報道，為此本文以胡楊3種典型異形葉為試驗材料，研究異形葉氣體交換、葉綠素熒光參數與形態性狀的差異及其相互關系，探討異形葉光合功能與形態性狀的權衡適應策略，旨在揭示胡楊逆境生存競爭過程中的葉形分化機理與適應進化機制。

1 材料與方法

1.1 供試材料

在阿拉爾市塔里木大學東門外人工林內選擇生長旺盛、無病蟲害、葉形分化明顯的15株胡楊成年個體，分別選擇樹冠不同位置3種典型異形葉（條形葉、卵形葉、鋸齒闊卵形葉—文中簡稱鋸齒葉）掛牌進行氣體交換與葉綠素熒光參數的測定，測定時將枝條拉至同一高度活體測定。

1.2 凈光合速率的測定

2019年8月中旬選擇晴朗無云的天氣，利用Li-6400便攜式光合儀（LI-COR，USA）測定胡楊3種成熟異形葉單位面積Pn、Gs、Tr等生理指標，同時儀器自動記錄光合有效輻射（PAR）、氣溫（Tair）、大氣相對濕度（RH）等環境因子。測定時間為9:30至13:00，每株測定3～5個葉片。其中，光源為系統提供的紅、藍光源（6400-02B），光強設置為光合有效輻射（PAR）1 500 μmol·m-2·s-1，CO2濃度為 370±10 μmol·mol-1，其由Li-6400液化CO2鋼瓶提供，葉片溫度控制在25±2℃。水分利用效率WUE=Pn/Tr，光能利用率LUE=Pn/PAR，及單位質量葉凈光合速率（Pnmass）［16］。

1.3 葉綠素熒光動力學參數測定

測定前葉片經過一夜充分暗適應，于次日清晨日出前（PAR＜20 μmo1·m-2·s-1）利用 PAM-2 100（Walz,Germany）便攜式脈沖調制式葉綠素熒光儀測定3種異形葉F0（初始熒光）、Fm（最大熒光）、Fv（可變熒光）、Fv/Fm（PSII最大光化學量子效率）。

夏季9:30-13:00與凈光合速率同步測定光適應下葉綠素熒光參數日變化。光適應下葉綠素熒光參數包括：穩態熒光（Ft）、初始熒光（F0′）、最大熒光（Fm′）、PSII實際光化學量子效率（ΦPSII）、光合電子傳遞速率（ETR）、光化學猝滅系數（qP）和非光化學猝滅系數（NPQ）。計算PSII激發能壓力（1-qP）、光合功能相對限制（LPFD）、光系統間激發能分配不平衡偏離系數（β/α-1），其中β為PSII激發能分配系數，α為PSI激發能分配系數。PSII天線色素吸收光能被用于光化學反應能量（P）和天線熱耗散能量（D）及以熒光形式耗散能量（E），D+P+E=1，以上參數計算參考文獻［3,17-18］。

1.4 光合色素含量的測定

剪下每株掛牌標記的異形葉，用濕潤紗布包裹裝入自封袋中并置于冷藏采樣箱帶回實驗室。3種異形葉各10片（每株1片）去除主脈、剪碎混合，用80%丙酮浸泡置于實驗柜黑暗48 h，過濾后用分光光度計測定光合色素含量，3次重復。

1.5 葉形態性狀與養分含量測定

上述采樣葉片使用游標卡尺測量距離葉主脈兩側約3 mm處的厚度，平均值即葉厚度；用直尺測量葉長與葉寬。用掃描儀掃描每個自封袋中的葉片，用Image J軟件計算總葉面積，總葉面積除以葉片數得到單葉面積；隨后使用萬分之一天平稱量葉片鮮重，置于烘箱中105℃殺青15 min，再用80℃烘干48 h，取出稱葉干重，計算比葉面積，葉片干物質含量，葉片含水量，最后將烘干葉片粉碎、消煮，采用凱氏定氮法測定單位質量葉氮含量，鉬銻抗比色法測定單位質量葉磷含量，火焰光度計測定單位質量葉鉀含量，重復3次。計算單位面積葉氮含量（Narea），及光合氮利用率（PNUE）［16,19］。

1.6 數據處理方法

首先對胡楊3種典型異形葉的形態性狀、光合熒光參數求算術平均值和標準偏差，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和Duncan法進行多重比較。利用Pearson相關性分析，明晰葉形態、光合性狀之間的權衡關系，并采用逐步回歸分析建立異形葉光合能力（Y，以凈光合速率表征）與其它功能性狀（X）的關系模型，篩選影響異形葉光合能力的因子。統計過程采用SPSS 19.0完成，用Origin 2018作圖。

2 結果與分析

2.1 胡楊異形葉光合色素含量比較

卵形葉Chla、Chlb、Chl（a+b）比值最高，鋸齒葉Chla/b含量最高，條形葉均最低；卵形葉與鋸齒葉Ch-la、Chl（a+b）、Chla/b無顯著差異，但均與條形葉差異顯著（P＜0.05）（表1）。3種異形葉Car含量差異不顯著（P＞0.05），鋸齒葉Car含量最高，分別高于條形葉、卵形葉7.94%、6.94%；但條形葉Car/Chl（a+b）比值最高，與卵葉形之間差異顯著（P＜0.05）。

2.2 胡楊異形葉光合生理性狀的比較

表2可見，胡楊3種異形葉光合氣體交換參數差異明顯。卵形葉Pn、Tr、Gs、WUE、LUE均最高，條形葉則均最低；鋸齒葉Ci最高。卵形葉Pn、LUE、WUE分別比鋸齒葉、條形葉高23.81%、46.46%，14.43%、27.70%，15.60%、40.40%。卵形葉Pn與鋸齒葉、條形葉差異極顯著（P＜0.01），卵形葉、鋸齒葉Gs、Ci與條形葉差異顯著（P＜0.05），卵形葉Tr、LUE、WUE與條形葉差異顯著（P＜0.05）。

胡楊3種異形葉的光能捕獲與利用、能量分配與耗散能力差異明顯。鋸齒葉Fv/Fm、Fv′/Fm′、ETR、NPQ、D最高，卵形葉ΦPSII、qP與P最高，而條形葉E、1-qP、β/α-1、LPFD均最高，表明夏季強光高溫條件下條形葉光能捕獲、吸收與轉化效率低，光系統受抑最嚴重。方差分析表明，鋸齒葉、卵形葉Fv/Fm、Fv′/Fm′、ΦPSII、qP、P與條形葉差異顯著（P＜0.05），鋸齒葉ETR、NPQ分別與條形葉、卵形葉差異顯著（P＜0.05）。條形葉1-qP、β/α-1與卵形葉差異顯著（P＜0.05），E、LPFD與卵形葉、鋸齒葉差異均顯著（P＜0.05）。

續表2

續表2

2.3 胡楊3種異形葉功能性狀差異及其相互關系

胡楊3種異形葉功能性狀明顯不同（表3），葉長、葉寬與長/寬比均達極顯著差異（P＜0.01）。葉片厚度鋸齒葉最厚，與其它2種葉形差異顯著（P＜0.05）；卵形葉葉面積最大、鋸齒葉居中，均與條形葉差異顯著（P＜0.05）。條形葉SLA最大，分別高于卵形葉、鋸齒葉8.66%、15.41%，其與鋸齒葉差異顯著（P＜0.05）。葉N含量、單位質量葉光合速率、光合氮利用率卵形葉最高，與其它2種葉形差異顯著（P＜0.05）；單位面積葉氮含量、葉P含量以卵形葉最高，其與條形葉差異顯著（P＜0.05）；鋸齒葉K含量最高，與條形葉差異顯著（P＜0.05）。3種異形葉葉片含水量，葉干物質含量均無顯著差異（P＞0.05）。綜上可見，卵形葉LN、LP含量、LA、Pnmass、PNUE、Narea最高，鋸齒葉LW、LD、LK、LDMC含量最高，條形葉LN、LP、LK、LDMC含量、LW、LA、LD、Narea、Pnmass、PNUE均最小且SLA、LL最大。

表3 胡楊3種異形葉功能性狀比較

續表3

由表4可見，胡楊異形葉LL、LW、LL/LW與大部分光合生理性狀呈顯著或極顯著的相關，其中LL與Tr、WUE、LUE、Fv′/Fm′、qP、ΦPSII、Fv/Fm呈極顯著負相關（P＜0.01），與NPQ、LPFD、D+E、β/α-1、1-qP呈極顯著正相關（P＜0.01）；LW與Tr、WUE、LUE、Fv′/Fm′、qP、ΦPSII、Fv/Fm呈極顯著正相關（P＜0.01），與NPQ、LPFD、D+E、β/α-1、1-qP呈顯著負相關（P＜0.05）。LA與WUE、Fv′/Fm′、qP、ΦPSII、Fv/Fm呈顯著正相關（P＜0.05），與LPFD、D+E、β/α-1、1-qP呈顯著負相關（P＜0.05）。LDMC 與WUE、LUE、Fv′/Fm′、Fv/Fm呈顯著正相關（P＜0.05），LN與Pn、Tr呈極顯著正相關（P＜0.01），PNUE與Pn呈極顯著正相關（P＜0.01）。表明胡楊異形葉長寬比的變化直接影響其光合生理功能，二者相互耦合來適應干旱荒漠環境。

表4 胡楊異形葉形態性狀與光合生理性狀的相關性

2.4 影響胡楊異形葉光合能力的因素

采用逐步回歸分析胡楊3種異形葉光合能力與葉功能性狀之間的關系（表5），表明影響胡楊3種異形葉光合能力的主要因素明顯不同。條形葉主要受Gs、PNUE和SLA的影響，鋸齒葉主要受用于光化學電子傳遞的光能份額及轉化成化學能的效率（qP）和LP、LD的影響，而卵形葉主要受Fv′/Fm′和SLA的影響。

表5 胡楊異形葉光合能力與葉功能性狀的回歸分析

3 討論

葉片作為植物體暴露在環境中表面積最大的器官，對異質環境具有較強的感知能力，而異質環境使植株上不同位置葉片可獲得性資源數量發生變化，從而迫使植物需要適時調整其功能性狀。植物通過葉面積、葉厚等功能性狀在形態結構上的可塑性［20］，差異化地調控葉片Pn、Tr、LUE、WUE、ΦPSII、ETR、NPQ等生理生態功能，以提高植物對環境空間異質性的適應能力和生境適合度［21］，使自身能更好地適應異質環境和促進種群繁衍。著生在胡楊樹冠不同高度的3種典型異形葉Pn、Tr、LUE、WUE、Chl（a+b）、Fv′/Fm′、qP、P隨LA增大而增大；Fv/Fm、D與Car含量隨LD增大而增強，熒光輻射耗散能則隨LD增大而減少，且LL、LW與大部分光合生理性狀顯著相關，反映出葉構建模式的改變直接影響異形葉光合生理功能。

荒漠異質環境下胡楊3種異形葉氣體交換參數均存在顯著差異，以卵形葉Pn、Tr、Gs、WUE、LUE 最高，鋸齒葉居中，條形葉最低；同時條形葉qP、ΦPSII、Fv′/Fm′、ETR均低于卵形葉、鋸齒葉，表明條形葉光合碳同化能力的降低與PSII功能降低有關。這與陳志成等［22］報道樹冠上部葉片的Pn、Tr、Gs、WUE、LCP、光合同化力（Fv′/Fm′、ΦPSII）顯著高于樹冠下部葉片相一致。分析原因是由于胡楊樹冠下部為條形葉，葉細長和葉面積小致使其捕光面積不足；同時強光下其光系統發生光抑制程度高（Fv/Fm降低），導致Pn低，但低Pn難以滿足幼齡個體快速生長的需要。隨樹體長高，樹冠下部的條形葉處于弱光環境，光競爭就成為其生長面對的首要問題，條形葉為保證在有限的光環境中獲得最大的碳同化速率，需要加強營養物質投資（LN）、增大LW、LA進行葉內生物量的權衡分配和葉構型塑造的調整，形成薄而高SLA葉片，增加捕光面積，且薄葉片能夠使CO2和水分等從氣孔到達葉綠體的路徑縮短，有利于光透過和光能吸收［23］；同時通過Chla/b和光補償點下降、表觀量子效率增加等生理變化增強對弱光的吸收利用［11］。但條形葉低的光合酶活性、葉肉細胞羧化效率不能有效地將捕獲光能轉化為化學能［11］，增大了吸收光能向以熒光形式的耗散和熱耗散途徑的能量分配，導致PSII過量激發能的積累，產生嚴重的光抑制，因而qP、ETR、ΦPSⅡ最小，1-qP、β/α-1、LPFD均最高，致使條形葉LDMC、光合能力低。

卵形葉生長在樹冠頂端新梢上部，具有明顯的頂端優勢，養分優先供應使葉片N、P、Chl（a+b）含量高，促進細胞分裂、擴展和增大了LW、LA、葉綠體數目；大葉片增加了葉片捕光面積，N、P素更多用于構建光合機構和光合磷酸化、電子傳遞，從而提高了葉片Fv′/Fm′、ETR，使其Pn、PNUE最高；增大 LW、LA會促進葉片與周圍的空氣進行熱量交換，降低葉片溫度，減少高溫環境對葉片的脅迫，通過減少熱耗散能量而更多地分配給光化學反應，因而qP、ΦPSII、P比例最大。卵形葉Pn、WUE、PNUE、LDMC、SLA分別是條形葉的1.46倍、1.27倍、1.19倍、1.06倍、0.92倍，表明胡楊葉形態變化有助于增強其生理功能和適應能力。研究表明，PNUE是一個與葉片生理、形態及適應環境機制有關的重要指標，是種間光合能力變異的最主要因子之一。PNUE高的植株意味著有更多的氮用于構建光合機構，使其葉綠素含量更高，生長更快，生產力更高［24］。SLA能客觀準確地反映植物對水分的利用效率及其獲取資源、適應貧瘠環境的能力和強光下的自我保護能力［16］。因此，卵形葉比條形葉的生產力和應變能力更強，更能適應異質強光環境。但卵形葉LD與Fv/Fm均低于鋸齒葉。

鋸齒葉生長在樹冠中、上部的短枝上，是樹冠上分布最多、占絕對優勢的葉形。胡楊為更好適應嚴酷的荒漠環境，就必須在增加資源獲取能力的同時提高物質能量的轉化及利用效率。因為，鋸齒葉若繼續將有限資源投入到葉面積擴大上不但延緩了葉片的散熱時間，還會加重了植株的蒸騰失水，使其處于不利的競爭態勢。所以鋸齒葉趨向于選擇增加葉厚度和葉柄長度，形成厚、寬且小SLA的葉片，一方面增加葉厚將更多的干物質、N、K素用于構造細胞壁、保衛結構和葉肉細胞密度，增加柵欄組織［12］，增強抗逆性和避免強光對葉片的傷害作用［25］，從而使用于構造光合蛋白質的氮相應減少，導致Pn、PNUE降低；但較高的LP含量直接參與氧化磷酸化和光合磷酸化，一定程度上可維持其較高Pn。同時葉厚增加使水力導度和水汽進出表皮的阻力增大，在細胞出現質壁分離時保持高的含水量，達到減少植株內部水分散失而降低Tr；而且較長的葉柄可使葉片更易搖擺，從而增加葉表面的有效風速而降低葉溫，避免大量蒸騰失水［15］。另一方面小SLA葉片具有較高的熱交換能力和強調控生理代謝能力，提高了非輻射能量（熱）耗散，導致NPQ和D較高，P、qP、ΦPSII降低，實現通過自身調節機制耗散掉過剩的光能達到自我保護的目的，這與低SLA植物能夠更好地適應資源貧瘠和強光、干旱環境的結論一致［26］。可見，鋸齒葉通過改變生物量分配和犧牲部分光合能力而增強抗逆能力，有助于防止葉片過度失水和提高葉片的生境適應能力，體現出鋸齒葉通過異質環境對葉性狀的塑造以更好適應荒漠環境而產生的一種自我保護的生存策略。因此，胡楊同化器官葉形態隨著生樹冠不同高度環境的變化發生了相應的改變，是其適應荒漠環境變化和滿足生長轉變需求在葉形態結構、功能上進化出的生存策略。

4 結論

（1）胡楊異形葉葉長、寬、長/寬、葉面積、干物質含量與光合生理性狀顯著相關，反映出葉構建模式的改變直接影響異形葉光合生理功能。條形葉光合能力主要受SLA、Gs和PNUE的影響，鋸齒闊卵形葉受qP、LD和LP的影響，而卵形葉則Fv′/Fm′和SLA的影響。

（2）卵形葉屬高Pn、Tr、LUE、WUE和光能吸收轉化效率高的葉形，鋸齒闊卵形葉葉厚、耐強光（Fv/Fm）、ETR和Car含量高，以NPQ形式清除過剩激發能保護光合機構的正常運轉，維持較高的Pn和干物質生產；條形葉葉薄、SLA高、Chla/b低，吸收光能主要用于非輻射能量耗散（D+E），光抑制程度重，光合效率低。

（3）胡楊3種異形葉形態性狀與光合生理性狀的權衡策略不同，通過改變葉形態性狀（LW、LD、LA、SLA）差異化調整異形葉的光合生理功能，形成不同的生理生態適應策略。