不同地黃品種光合特性的比較研究＊

吳廷娟，田夢平，謝小龍

（河南中醫藥大學藥學院 鄭州 450046）

植物的光合速率是影響植物產量和品質的重要因素[1]，也是評價品種優劣的重要條件。而植物光合作用的強弱受植物種類、品種特性和各種環境因子的影響[2-3]。

地黃(Rehmannia glutinosa)為玄參科植物，是我國著名的4 大懷藥之一，主產于河南溫縣、武陟、沁陽等地。由于地黃栽培歷史悠久，造成栽培類型和品種多樣化[4-7]。不同地黃品種的葉片形狀[8]、葉綠素和花青素含量及光合特性均具有顯著差異[9]，而且對不同栽培管理措施的響應也不同[10]。野生地黃葉片的凈光合速率在一天中呈雙峰，具有明顯的午休現象，葉片凈光合速率主要受光照強度和胞間CO2濃度影響，而受空氣相對濕度、氣溫、蒸騰速率、氣孔導度影響較小[4]。同時不同地黃品種間的光合色素含量差異顯著，并與葉色的深淺有關[5]。但現在有關地黃光合特性，尤其是針對眾多栽培品種的光合特性的研究甚少。

本研究通過對不同地黃栽培品種的光合特性進行比較研究分析，有助于了解不同地黃種質資源的生產潛能，對科學栽培管理以及優良地黃品種選育有著重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料

本實驗于河南中醫藥大學地黃種質資源圃進行。共有10 個地黃品種，分別為沁懷1 號、紅薯王、懷豐、May-85、金九、小黑英、獅子頭、野生、83 撫育和9302。地黃于2015 年4 月份種植，實驗采取隨機區組設計，每個品種重復3 次，每小區1 m2。采取條播的方法，行距15 cm，株距10 cm。地黃種栽均來自河南中醫藥大學地黃種質資源圃。

1.2 方法

1.2.1 葉片葉綠素含量的測定

選用便攜式葉綠色測定儀測定葉綠素含量。每小區選擇3株，每株選擇1片具有相同葉齡和長勢的葉片進行測定，每片葉重復測定5次，計算平均葉綠素含量。

1.2.2 光合速率相關指標測定

試驗測定儀器為美國拉哥公司生產的便攜式光合作用測定儀Li-6400（Li-Cor6400, Li-Cor Inc.,Lincoln, USA）。選擇晴朗天氣從9:00-11:00，每小區隨機選擇3 株，然后分別選擇1 片長勢、葉齡和葉向一致的葉片進行測定。系統測定葉片凈光合速率(Pn)、胞間 CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、葉室內的光合有效輻射(PAR)、大氣相對濕度(RH)和大氣溫度（Tair）等相關參數的變化。水分利用效率(WUE) =Pn/Tr。每片葉片重復測定3 次，由測定儀自動輸出數據，分別取所測3株共9次數據的平均值。

1.2.3 光響應曲線的測定

選取每株生長良好的健康成熟葉，于晴天用便攜式光合作用測定儀Li-6400（Li-Cor6400, Li-Cor Inc.,Lincoln,USA）進行光響應曲線測定。使用紅藍光源葉室進行測定，光響應曲線測定設定參比室中CO2濃度為400 μmol?mol-1，葉室溫度控制在（30±0.5）℃，相對濕度控制在（40±5）%，光響應曲線設置 2 000、1 500、1 000、800、600、400、200、150、100、50、25、0 μmol·m-2·s-1共12個光照強度梯度。在測定光響應曲線之前，先將儀器設定好估測的飽和光強和最適CO2濃度，對地黃葉片進行光誘導30 min。待儀器的凈光合速率（Pn）參數穩定在小數點之后1位時開始記錄數據。每個品種隨機選擇3 株生長良好的植株，每株選擇1 片健康成熟葉片進行3 次重復測定，盡量保持葉片在植株上原位測量。然后用葉子飄模型擬合光響應曲線，得到光響應曲線的初始斜率(α)、飽和光強(Isat)、最大凈光合速率(Pnmax)、光補償點(Ic)和暗呼吸速率(Rd )等指標。

1.2.4 CO2響應曲線的測定

選取每株生長良好的健康成熟葉，于晴天用便攜式光合作用測定儀Li-6400（Li-Cor6400, Li-Cor Inc.,Lincoln,USA）進行CO2響應曲線的測定。該儀器配置有CO2注射器，可對葉室提供一個穩定可調節的CO2氣源，測定中用CO2鋼瓶提供不同CO2濃度。測定時設定葉室中光合有效輻射為光合有效輻射強度（PAR）控制在 1 000 μmol·m-2·S-1，參比室CO2濃度從400 μmol·mol-1降到 0 μmol·mol-1，然后再從 0 μmol·mol-1升至 2 000 μmol·mol-1，即 400、300、200、100、50、400、400、600、800、1 000、1 200、1 500、1 800、2 000 μmol·mol-1，共14個CO2濃度水平，進行3次重復測定。

1.3 數據處理與分析

本實驗所有原始數據用先Excel 2007 進行整理。用軟件SPSS 16.0 進行單因素方差分析和相關性統計分析，顯著水平取P<0.05，并用Duncon 法進行多重比較。進行光響應曲線和CO2響應曲線擬合時，分別用光合計算軟件對所測得光合數據根據葉子飄模型進行光響應曲線和CO2響應曲線的擬合，得到各項光合參數，再分別對各項光合參數在10個地黃品種間做單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同地黃品種葉片葉綠素含量和水分利用效率

圖1 10個地黃品種的葉片葉綠素含量和水分利用效率（WUE）

由圖1a可以看出，10個地黃品種間的葉片葉綠素含量差異不顯著（F= 1.74，P> 0.5）。但多重比較發現，沁懷1 號的葉片葉綠素含量最高（60.7 mg·g-1），顯著高于獅子頭(51.7 mg·g-1)和野生(50.9 mg·g-1)的地黃葉片葉綠素含量，而其它品種間無顯著差異。

由圖1b 可以看出10 個地黃品種間的水分利用效率差異顯著（F= 4.86，P< 0.01），其中83 撫育（5.8 μmol·mol-1）和野生（5.6 μmol·mol-1）的水分利用效率顯著高于其它品種，而其它品種間無顯著差異，均在3.2-3.9 μmol·mol-1之間。

2.2 不同地黃品種的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率

由圖2a可以看出，10個地黃品種間的葉片凈光合速率間存在顯著差異（F=28.65，P<0.01）。其中金九的凈光合速率最高(14.6 μmol·m-2·s-1)，顯著高于其它品種。其次是May-85、小黑英和獅子頭的葉片凈光合速率分別達 12.5、12.1 和 11.7 μmol·m-2·s-1，且三個品種間差異不顯著。品種9302 的凈光合速率最小（6.1 μmol·m-2·s-1），顯著低于其它品種。

由圖2b可以看出，10個地黃品種間的氣孔導度間存在顯著差異（F=15.38，P<0.01），其中沁懷1號、May-85、金九和獅子頭的氣孔導度在0.16-0.19 mol·rn-2·s-1之間，均顯著高于其它品種。其次是紅薯王、懷豐和小黑英，其氣孔導度在 0.12-0.13 mol·rn-2·s-1之間。83撫育和 9302 的氣孔導度最小，在 0.7-0.8 mol·rn-2·s-1之間，顯著低于其他品種。

由圖2c 可以看出，10 個品種間的胞間CO2濃度存在顯著差異（F=10.26，P< 0.01），其中小黑英的胞間CO2濃度最高（268.7 μmol·mol-1)，顯著高于金九、懷豐、9302、野生（依次為 251.7、247.8、243.8、240.2 μmol·mol-1）。83撫育的胞間CO2濃度最低，顯著低于其他品種，僅為213.9 μmol·mol-1。

由圖2d可以看出，10個地黃品種間的葉片蒸騰速率差異顯著（F= 12.41，P< 0.01），其中金九、沁懷1號、May-85 和獅子頭的葉片蒸騰速率最高，分別為3.7、3.2、3.3 和 3.4 mol·m-2·s-1；野生、83 撫育和 9302 的葉片蒸騰速率最低，分別為2.1、2.0和1.6 mol·m-2·s-1。

2.3 10個地黃品種的光響應曲線

圖2 10個地黃品種的光合參數

從圖3可以看出，10個地黃品種的葉片Pn 值對光的響應曲線有差異。在相同的光照條件下，10個地黃品種的Pn值在光照強度為0-500 μmol·m-2·s-1范圍內隨著PAR的增強，Pn迅速增加。PAR在500-1 000 μmol·m-2·s-1范圍內，Pn上升緩慢。在PAR在1 000-2 000范圍內，10 個地黃品種的Pn 表現出不同變化趨勢。在1 000-2 000 μmol·m-2·s-1范圍內，85-5、金九、獅子頭、83撫育、和9302保持穩定或略有下降；小黑英、紅薯王保持緩慢的持續增加；懷豐和沁懷1 號保持持續下降。

由表1 可以看出，10 個地黃品種最大凈光合速率在 7.99-13.15 μmol·m-2·s-1之間，懷豐的最高為 13.15 μmol·m-2·s-1，83撫育的最低為7.99 μmol·m-2·s-1；光飽和點在770.52-1 109.20 之間，其中May-85 最高，表明其利用強光的能力最強，野生的最低。光補償點在51.09-124.62 μmol·m-2·s-1之間，其中獅子頭的最高為 12.64 μmol·m-2·s-1，85-5 的 最 低 為 51.09 μmol·m-2·s-1。多重比較發現，獅子頭的暗呼吸速率顯著高于懷豐和85-5 和野生；獅子頭的光補償點顯著高于May-85。

2.4 10個地黃品種CO2響應曲線

從圖4 可以看出，10 個地黃品種的葉片Pn 值對CO2的響應曲線趨勢一致。CO2濃度在0-600 μmol·mol-1范圍內，隨著CO2濃度的增加，凈光合速率迅速增加。CO2濃度在600-1 000 μmol·mol-1范圍內，凈光合速率增加速率變慢。CO2濃度在1 000-2 000 μmol·mol-1范圍內，凈光合速率緩慢增加，不同品種間表現略有差異。

圖3 10個地黃品種的光響應曲線

表1 10個地黃品種的光響應曲線相關參數

由表2 可以看出，10 個地黃品種間的光呼吸速率在 3.45-5.68 μmol·mol-1之間，其中小黑英的最高，顯著高于83 撫育的光呼吸速率，其他品種間差異不顯著。10 個地黃品種的光合能力在27.21-37.86 μmol·mol-1之間，其中May-85 的光合能力顯著高于野生和83-撫育的光合能力，其他品種間的光合能力差異不顯著。10 個地黃品種的CO2飽和點在1 587.89-2 247.19 μmol·mol-1之 間 ，其 中 野 生 的 為 2 247.19 μmol·mol-1，顯著高于其他品種，而其他品種間的CO2飽和點無差異。10個地黃品種在CO2響應曲線的初始斜率和CO2補償點間無差異。

2.5 光合作用參數間的相關性

通過對10 個地黃品種的光合參數的平均值間做相關分析看出（表3），地黃葉片凈光合速率分別與葉片的氣孔導度和蒸騰速率存在顯著的正相關關系，相關系數分別為0.76和0.81（P<0.05）。葉片的氣孔導度和胞間CO2的濃度間也存在顯著的正相關關系，相關系數為0.68（P<0.05）。胞間CO2濃度與葉片蒸騰速率間存在積極正相關關系（R2=0.64，P<0.05），但與水分利用效率呈顯著負相關關系（R2=-0.71，P<0.05）。同時，氣孔導度和葉片蒸騰速率受環境相對濕度的積極影響，相關系數分別為0.93和0.91（P<0.01）。

2.6 不同地黃品種的光合特性評價

圖4 10個地黃品種CO2光響應曲線

表2 10個地黃品種CO2響應曲線相關參數

表3 光合作用參數間的相關性

圖5 10個地黃品種光合特性聚類分析圖

光合速率的大小受內外多種因素的影響。對10個地黃品種的5個光合特性指標：凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率、胞間CO2濃度和水分利用效率的平均值，在SPSS 數據處理系統中，選擇相似性矩陣和最遠鄰元素聚類法聚為4類（圖5）。由聚類結果可以得出：10 個品種分為4 類：小黑英、野生和83-撫育分為一類；9302 為一類；May-85、獅子頭為一類；紅薯王、懷豐、沁懷1號和金九聚為一類。

3 討論

植物葉片的凈光合速率是評價一個品種光合作用強弱的一個重要指標。影響葉片凈光合速率的因素分為兩大方面，一方面是葉片本身如葉齡、葉形、氣孔阻力、蒸騰速率、葉綠素含量及葉向等均對葉片光合速率產生影響；另一方面主要受外界環境如溫度、光照強度、空氣濕度等的影響[2-3]。對凈光合速率和光合色素以及其它指標進行相關性分析，找出與凈光合速率相關的指標，可以為生產中提高植物的光合能力提供一定的理論依據。本實驗研究表明10 個地黃品種的葉片凈光合速率存在極顯著差異（圖2a），而且主要與氣孔導度和葉片的蒸騰速率有關（表3），但此結果與薛建平等的報道結果不一致。薛建平等人的研究結果表明野生地黃葉片的凈光合速率日動態變化與葉片的氣孔導度和蒸騰速率均無顯著關系[4]，這可能與本實驗所選材料和測定時間不同所造成的。另一方面，本實驗結果表明葉片的凈光合速率與環境溫度、相對濕度和光合有效輻射均無顯著關系，但薛建平等的報道指出地黃葉片的凈光合速率受光照強度的顯著影響，而與空氣溫度和相對濕度的關系不大[4]。由于本實驗測定時間為10 月中旬，本實驗認為當天10:00 左右的外界光合有效輻射不是限制光合速率的主要因子，具體的限制因素還有待一步研究和分析。另外，由于本實驗做相關分析時用的是10個地黃品種光合特性指標的平均值，這也可能是造成本研究結果與他人研究結果差異的原因。

葉綠素含量的高低能影響葉片的光合特性。研究表明，忍冬、地黃葉片葉綠素含量與光合速率的高低呈正比[11-12]。但本實驗相關分析結果表明，地黃葉片的凈光合速率與葉綠素含量之間并無顯著相關關系，這一點在其它作物上也有相似的報道[13]。本研究表明，10 個地黃品種葉片葉綠素含量差異不顯著，這與溫學森等研究結果不一致，其結果表明不同地黃品種的葉片光合色素含量差異達極顯著水平[3]，這可能與測定方法的不同有關。

水分利用效率是指單位面積水分消耗所能同化的光合產物量，是一個較為穩定的衡量碳固定和水分消耗比例的指標。研究表明，干旱脅迫下小紫珠、日本莢蒾幼苗的光合速率都受到顯著的影響[14-15]。通過測定WUE 能夠闡明植物的氣體交換特性以及抗旱性機理，從而選擇出低耗水、生產效率高、抗性強的地黃品種。地黃在苗期和根系膨大期都需要保持適宜的田間持水量，才能滿足光合作用的需求[16]。本實驗條件下，10 種地黃葉片的WUE 在品種間差異顯著（圖1b），表明不同品種間水分利用能力差別較大。野生和83撫育的水分利用效率較高，較其他品種更適宜在干旱地區生長。本實驗中，10 個地黃品種的胞間CO2濃度與WUE 之間呈顯著負相關關系(表3)，表明胞間CO2濃度與氣孔導度呈現極顯著的正相關，但與凈合速率均不相關，這可能與CO2的利用率有關。相關研究也表明植物的光合作用受大氣CO2濃度的顯著影響[17-18]，隨著大氣濃度CO2濃度的增加，勢必會影響不同地黃品種的光合生理特性。

光飽和點和補償點是評價植物需光特性的兩個重要指標。由實驗結果可知，10個地黃品種的光飽和點和光補償點都較高，屬于陽生品種，這與已有報道一致[3]。從10 個地黃品種的CO2飽和點來看，均能適應較高濃度的CO2水平。所以，隨著大氣CO2濃度的增加，如果在其他條件滿足的條件下，將更有利用地黃的生長和產量的提高。

通過選取凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率、胞間CO2濃度5 個光合指標進行聚類分析把10 個地黃品種分成4 類，其中金九、沁懷1 號、懷豐、紅薯王光合性能較優。在實際生產中，金九為當家品種，種植面積比較大，產量和品質均較好。所以，結合本實驗研究結果，金九應加強保護，防止其優良性狀退化，可推廣種植。獅子頭、May-85的光合特性次之，應結合產量、品質等綜合特性合理進行推廣種植。9302 的光合特性較差，應結合其他性狀綜合考慮是否適宜繼續作為栽培品種。本實驗結果表明這種聚類結果受選擇的條件和方法影響，所以應結合實際和其他的品種特性進行綜合評價。

總之，植物的光合特性對植物體內的生理生化過程具有重要的影響，也必然影響到藥材的質量。雖然本實驗的研究結果與已有的研究結果有一定差異，但本實驗得到的基礎資料對于指導地黃的品種選育具有一定的理論指導意義。這也表明在今后的研究中，還需進一步采用多種測定方法進行方法學的比較研究，同時還應與不同地黃品種的質量評價相結合，才更能反映光合特性與其質量之間的關系。