松嫩平原鹽堿地4種植物的光合熒光特性

蔡粟唯，姚聳峰，山昌林，陳士剛，陶晶*

(1.吉林農業大學 園藝學院，長春 130118；2.吉林省林業技術推廣站，長春 130022；3.吉林省林業科學研究院，長春 130031)

0 引言

松嫩平原西部鹽堿化土壤是世界上三大蘇打鹽漬土集中分布區之一，也是我國北方生態環境最脆弱的地區之一[1]。吉林省大安市鹽堿地土壤面積占當地總面積的59%[1]。鹽堿地治理關乎我國的鹽堿地生態修復和經濟發展。而沙棗(ElaeagnusangustifoliaL.)、枸杞(LyciumbarbarumL.)、蒙桑(MorusmongolicaBur.)和檸條錦雞兒(CaraganakorshinskiiKom.)等4種植物是耐鹽堿的優質樹種，且具有較高的經濟價值。4種植物的枝、葉、果含有豐富的營養成分，是優良的飼料作物[2-6]，值得引種栽植。關于鹽堿地環境下沙棗、枸杞、蒙桑和檸條4種不同科、屬植物的對比性研究較少，且對這4種植物光反應活性的研究也鮮見報道。

植物的光合作用受光反應和暗反應的綜合影響，有機物積累與暗反應直接關聯，而傳統的通過氣體交換測定植物的光合速率并不能反映植物光反應的活性。隨著科技的發展，葉綠素熒光已成為測定正常、脅迫條件下(包括鹽堿脅迫)植物光合性能和健康狀況的有效工具[7-9]。快相熒光動力學技術具有簡單、快速、靈敏和信息量大等優點，測定時間極短且精確，已受到廣泛應用[9-11]。本文對上述4種植物的光合參數和葉綠素熒光進行研究，以探究植物的光合熒光特性。為耐鹽堿飼用植物的光合生理機制奠定理論基礎，為松嫩平原鹽堿地抗性經濟樹種的選育和鹽堿地綠化造林提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地和實驗材料

試驗位于吉林省西部大安市鹽堿地(123°31′E，45°12′N)。大安市屬于中溫帶季風氣候，年平均日照3 012.8 h，年平均氣溫4.3 ℃，年平均積溫2 921.3 ℃，年降水量413.7 mm。試驗地的土壤導電率(EC)為0.35±0.10，pH=8.30±0.20，為輕度鹽堿地。

試驗材料：1年生的沙棗、枸杞、蒙桑和檸條錦雞兒實生苗，由吉林省林科院生物技術研究所提供，并于當年4月末移栽于試驗地。

1.2 試驗方法

選擇中等長勢的苗木用于光合參數和葉綠素熒光參數測定，選取植株的中上部分的葉片作為試驗材料。并于8月中旬使用Li-6800光合儀(美國)，測定光合參數和快速熒光誘導動力學曲線。針對相應的光合參數和熒光參數進行差異顯著性和相關性分析，探究4種植物光合熒光特征和光合生理的差異，篩選出適宜的光合性能評價指標。

1.3 生理指標測定

1.3.1 葉綠素相對含量(SPAD)值測定

葉綠素相對含量(SPAD)值是反映單位葉面積葉綠素含量的指標。葉綠素儀測定葉綠素的SPAD值，其原理是通過測定2個波長透過葉片后的吸收率，用來評估當前葉片的葉綠素含量。為確保數據準確性，每株測定中上部葉片的SPAD值，每個葉片測定3次。

1.3.2 光合參數測定

選擇晴朗、無風的天氣，上午9：30至下午3：00，溫度設置為25 ℃，CO2摩爾分數為500 μmol/mol，光合有效輻射為1 200 μmol/(m2·s)，葉室內相對濕度(RH)設置為50%。測定的光合參數有：凈光合速率(Pn)、胞間CO2摩爾分數(Ci)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導度(Gs)，以及計算水分利用效率(WUE)和氣孔限制值(Ls)。每個植株選擇中上部位的葉片，每個樣地選擇長勢平均的植株進行光合測定。

1.3.3 葉綠素熒光參數測定

選擇晴朗無風的上午9：30—12：00，使植物充分暗適應20 min后，使用Li-6800儀器的熒光葉室6800-01A測定沙棗、枸杞、蒙桑和檸條錦雞兒4種植物的OJIP(熒光誘導動力學)曲線和基本葉綠素熒光參數：初始熒光(Fo)、飽和熒光(Fm)、潛在熒光(Fv)。光合有效輻射控制為1 200 μmol/(m2·s)、CO2摩爾分數為500 μmol/mol，該條件下使植物葉片充分適應，測定植物光適應下的穩定熒光(Fs)、潛在熒光(Fv′)、 最大熒光(Fm′)。葉片充分暗適應后，測定植物的OJIP曲線和JIP-測定(根據OJIP原理以遮光與同期不遮光作對比)，計算J相、I相的相對可變熒光速率Vj、Vi；最大光化學效率φPo=Fv/Fm；光化學淬滅qP；非光化學淬滅NPQ；實際量子產率ФPSII等熒光參數[10]。最終，利用JIP-測定反映4種植物葉片對光合能量的吸收、轉化和消耗情況，揭示光系統Ⅱ(PSⅡ)光能的吸收、反應中心電子傳遞和供體側、受體側氧化還原狀態的差異[9-10]。

1.4 數據分析處理

數據統計分析采用EXCEL 2010、SPSS 26.0、RStudio 1.4軟件，并對結果進行皮爾遜(Pearson)相關性和單因素(ANOVA)差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 鹽堿環境下4種植物光合參數的差異性比較

2.1.1 4種植物葉綠素SPAD值的比較

葉綠素(Chl)是植物中最豐富的天然色素之一，起到光能收集和將光能轉移到反應中心的作用[12]，且葉綠素SPAD值與葉綠素熒光有密切關系[13]。測定植株葉片葉綠素SPAD值，結果表明見表1，4種植物的葉綠素含量均有顯著差異，枸杞和沙棗葉片葉綠素含量顯著高于檸條和蒙桑，其中檸條的葉片葉綠素含量最低。枸杞葉的葉綠素SPAD值為44.95，檸條的葉綠素SPAD值33.30，差異極顯著。

表1 4種植物SPAD值和光合參數比較Tab.1 Comparison of SPAD values and photosynthetic parameters of 4 kinds of plants

2.1.2 4種植物光合參數的比較

對4種植物的光合參數測定結果見表1，由表1可知，枸杞葉片的平均凈光合速率(Pn)高達29.63 μmol/(m2·s)，顯著大于其他3種植物。枸杞的凈光合速率超過檸條的60%，因而枸杞葉片單位面積CO2同化量明顯多于檸條，有機物積累迅速。4種植物的凈光合速率由大到小依次為：枸杞、蒙桑、沙棗、檸條。沙棗葉的蒸騰速率(Tr)顯著小于其他3種植物葉片，而枸杞、蒙桑、檸條3個樹種葉器官的Tr無明顯差異。同時，檸條的胞間CO2摩爾分數(Ci)大于其他樹種，并無顯著差異。但沙棗、枸杞、蒙桑的水分利用效率(WUE)顯著高于檸條。4種植物的氣孔導度(Gs)由大到小依次為：枸杞、蒙桑、檸條、沙棗，且枸杞和沙棗的Gs有極顯著差異。綜上，初步推測在輕度鹽堿地環境下，枸杞與蒙桑的光合性能較強，沙棗和檸條的則較弱。

2.2 鹽堿環境下4種植物葉綠素熒光特性的差異性

2.2.1 4種植物快速熒光誘導動力學曲線比較

通過高速連續式激發熒光獲得4種植物的OJIP曲線，從而反映PSⅡ光反應全過程、熒光量子產率、光合機構比活性和光系統Ⅰ(PSⅠ)相對活性狀況[10-11]。OJIP曲線如圖1(a)和圖1(b)所示，4種植物的OJIP曲線走向有差異和相似處，但均符合典型的OJIP曲線特征。圖1中枸杞的熒光曲線的J、I、P相處于相對高位，檸條的O、J、I、P相都低于其他3種植物。從OJIP曲線反映出4種植物的熒光信號由強到弱為：枸杞、蒙桑、沙棗、檸條。4種耐鹽堿植物的Fm由大到小分別為：枸杞、蒙桑、沙棗、檸條；Fo由大到小分別為：蒙桑、沙棗、枸杞、檸條；Fv由大到小分別為：枸杞、蒙桑、沙棗、檸條。枸杞植物達到J相熒光強度(Fj)的時間(tj)大于3個樹種，而枸杞O到J相的相對可變熒光(Vt=(Ft-Fo)/(Fm-Fo))值小于其他樹種。因此，可推測出枸杞植物葉片單位數量PSⅡ反應中心(RC)捕獲的光量子較多，初級醌受體(QA、QB)電子傳遞概率較大，PSⅡ反應中心開放程度高。由圖1(b)可知，枸杞Vt處于較低狀態，而同時間的檸條Vt大于其他植物。且枸杞到達P相的時間tp最大，并結合快速熒光強度曲線圖，說明枸杞反應中心捕獲的光能用于電子傳遞的概率最高，檸條最低，蒙桑和沙棗介于兩者間。

1.沙棗；2.枸杞；3.桑樹；4.檸條。

植物的OJIP曲線包含了許多原初反應的信息，可通過JIP-測定分析植物光合機構的動態。為了進一步分析4種植物PSⅡ供體側、受體側及反應中心(RC)的能量流動、電子傳遞的關聯和差異，需要依據OJIP曲線進行數學解析，具體可參考Strasser等[14]的相關研究。

2.2.2 4種植物葉綠素熒光參數的分析

為了解4種植物的熒光參數，本研究利用檸條錦雞兒作為對照，將其他3個樹種葉綠素熒光參數與檸條葉綠素熒光參數的比值做數據雷達圖，如圖2所示，從而分析不同植物光合機構之間的關系及差異性。葉綠素熒光參數主要包括基礎參數(Fo、Fm、Fv等)；光化學產率(ФPo表示最大光化學效率、ФEo表示反應中心吸收的光能用于電子傳遞的量子產額、Ψo表示電子越過質體醌A的能量占反應中心捕獲能量的比例等)；光合機構比活性(ABS/(RCx或CSx)表示活躍的單位反應中心(RC)或單位受光面積(CS)的吸收光量(x=t，下同)、ETx/(RCx或CSx)表示單位RC或CS用于電子傳遞的能量、DIx/(RCx或CSx)表示單位RC或CS的熱耗散能量)；性能指數(PIABSx、PICSx和PItotal(綜合性能指數))4個方面，以及實際光化學效率(ФPSII)、光化學淬滅系數(qP)、非光化學淬滅系數(NPQ)和電子傳遞速率(ETR)等參數[9-10,15-17]，JIP-測定中使用的術語推導和計算參照Strasser等[9]和Stirbet等[15]的研究，本研究選取具有生理意義的葉綠素熒光參數共計47個進行比較分析。

由于沙棗、枸杞、蒙桑和檸條是不同科屬的植物，因而4個樹種半數以上的葉綠素熒光參數具有極顯著的差異，如圖2所示。沙棗、枸杞、蒙桑和檸條的最大光化學效率(ФPo=Fv/Fm)分別為0.795、0.842、0.791、0.802，表明輕度鹽堿環境下4種植物能保持正常生長，受非生物脅迫影響較小。而枸杞的ФPo顯著大于其他樹種，即枸杞在充分暗適應條件下PSⅡ光能轉化效率最大，這可能是由于其本身的葉綠素含量高于其他植物，光能吸收、轉化效率高。4種耐鹽堿植物的有效光化學量子產率(Fv′/Fm′)由高到低為：檸條(0.71)、枸杞(0.70)、沙棗(0.65)、蒙桑(0.62)，表明在光適應條件下檸條和枸杞開放的PSⅡ反應中心(RC)捕獲原初光能的效率顯著高于沙棗和蒙桑。枸杞的實際光化學效率(ФPSII)最高，為0.56，顯著大于蒙桑(0.40)，因此在PSⅡ反應中心部分關閉時， 4種植物的實際原初光能捕獲效率為枸杞最高，沙棗和檸條次之，蒙桑最小。熒光參數qP、NPQ分別表示光化學淬滅系數和非光化學淬滅系數，qP反映光適應下的PSⅡ反應中心開放的比例，NPQ反映光能的熱耗散情況[10, 18]。蒙桑的qP最小、NPQ最大，因此蒙桑光適應下RC的開放程度小以及光能轉化率低，光能用于熱耗散的概率大。枸杞的qP和NPQ均較大，而檸條和沙棗相對較低。光合電子傳遞速率(ETR)反映了光合器官單位時間電子傳遞的速度，與PSⅠ和PSⅡ的氧化還原反應密切相關[15]。4種植物的ETR由大到小依次為：枸杞、檸條、蒙桑、沙棗。

Mo為反應質體醌A(QA)被還原的最大速率；Sm為表示質體醌大??；Ss為反映單詞周轉QA減少次數；N為達到Fm時QA被還原的次數；ФDo為t=0時量子產率的能量耗散；Фpav為從t=0至t=tFm的平均量子產率；PICSototal表示以Fo為基礎的綜合性能指數。

在量子產率方面枸杞的ФPo、Ψo、ФEo均為最高，因此枸杞光能利用率顯著大于其他3個樹種，光合機構捕獲的光能將電子傳遞到電子傳輸鏈中的概率最大，檸條相應的概率最低(t=0時)。ΨRE1o(PSⅠ受體的量子產額)、ФRE1o(PSⅡ捕獲的電子轉移到PSⅠ受體的概率)、δRE1o(電子從質體醌B轉移到PSⅠ受體的概率)是有關PSⅠ和PSⅡ電子傳遞的相關參數[15]，據4個樹種的JIP-測定表明枸杞的ΨRE1o、ФRE1o、δRE1o參數值最大，蒙桑的參數值最小，即枸杞葉片在暗適應條件下從PSⅡ捕獲的電子轉移到PSⅠ的概率最大，蒙桑轉移電子到PSⅠ的概率最小。因此，從光合熒光產率的角度評估4種植物的光合特征，枸杞的熒光量子產率最大，光反應活性強。

比活性參數可以更精準地描述植物葉片對光能的吸收、轉化和熱耗散等狀況[9-10]。檸條錦雞兒的ETo/RC(單位反應中心RC的電子傳遞)、ETo/CSo(單位受光面積中心CS的電子傳遞)值顯著小于其他3種植物，因而檸條光合器官通過反應中心(RC)傳遞電子的效率或者單位橫截面積傳遞電子效率較低，PSⅡ放氧活性以及電子在光合鏈中通過PQ庫傳遞到PSⅠ的效率顯著低于其他3個樹種，從而影響了植物碳固定的速率。而枸杞的比活性參數值最大，光能吸收、轉化效率高，熱耗散比率低。圖2顯示枸杞的性能指數(PI total、PI ABS和PI CS等)和推動力(DFABS為量子吸收推動力、DFCS為單位受光面積CS推動力)等顯著高于沙棗、蒙桑和檸條，枸杞的性能指數PIABS、PI CSo、PICSm分別是檸條的1.79、2.18、2.28倍。

由4種植物的熒光參數雷達圖(圖2)可知，枸杞有半數以上的熒光參數顯著高于其他植物，這些參數主要集中在性能指數、量子產率和推動力等方面。檸條的基礎熒光參數和性能指數方面顯著低于其他樹種。綜上，推測枸杞的光合系統(PSⅠ和PSⅡ)活性最高，光系統的電子傳遞與光合磷酸化速率更快，促進水的光解放氧與碳同化。而檸條錦雞兒的光系統活性最低，沙棗和蒙桑介于兩者之間。

2.3 4種植物光合、葉綠素熒光參數相關性分析

2.3.1 光合速率與光合、葉綠素熒光參數相關性分析

針對4種植物的凈光合速率(Pn)與其他光合參數、部分葉綠素熒光參數分別進行相關性分析，發現沙棗、枸杞、蒙桑、檸條的Pn與葉片的氣孔導度(Gs)均呈顯著正相關，其中枸杞Pn與Gs呈極顯著正相關。同時，鹽堿環境下4種植物的光合速率(Pn)與有效光化學量子產率(Fv′/Fm′)、實際光化學效率(ФPSⅡ)和光化學淬滅系數(qP)，以及光合電子傳遞速率(ETR)等參數有顯著相關性。其中沙棗和檸條的Pn與qP相關性極顯著；枸杞Pn與ETR呈極顯著相關；蒙桑Pn與Fv′/Fm′呈極顯著相關。檸條的Pn與胞間CO2摩爾分數(Ci)呈顯著負相關，與水分利用率(WUE)、氣孔限制(Ls)以及最大可變熒光(Fv)呈極顯著相關，見表2。

表2 4種植物Pn與光合、葉綠素熒光參數相關性分析Tab.2 Correlation analysis of Pn and photosynthetic and fluorescence parameters 4 kinds of plant

根據沙棗、枸杞、蒙桑和檸條錦雞兒的Pn與葉綠素熒光參數的相關性分析表明，4種植物的光合速率受Gs影響較大，同時Pn與Fv′/Fm′、ФPSⅡ、qP、ETR等葉綠素熒光狀態密切相關。4種植物植株的氣孔開合以及光合系統的電子傳遞和光能的轉化影響葉片的Pn，進而改變光合生理活性。

2.3.2 光合速率與光合機構比活性和性能指數的相關性分析

由于光合機構比活性和性能指數更能反映植株光反應的狀態，對植物的光合性能具有重要的意義[9-10]。根據4種植物的比活性、性能指數與凈光合速率的相關性分析(圖3)，結果顯示，4種植物的Pn與 ABS/CSm、PIABS、PICSm呈相關性顯著；Pn與PI CSm的相關性系數為0.944，因此，Pn與PICSo具有強相關性。4種植物的PIABS、PICSo、PICSm性能指數之間呈現顯著性差異，且PIABS與PICSo、PICSm，PICSo與PICSm均具有極顯著相關性，而4種植物的比活性參數之間無顯著的相關性。因此，本研究測定4種植物的Pn與比活性和性能指數之間的相關性，結果表明，性能指數(PI)可以比原初光化學反應活性、光化學量子產率和比活性等參數更全面、更靈敏地反映植物的光反應活性。

*表示相關性顯著；**表示相關性極顯著。

3 討論

樹木的光合熒光特性是植物生長特征的重要表征，不同植物之間光合熒光特性差距較大。本文研究吉林省西部松嫩平原4種具有經濟價值的植物其光合生理主要差異為：枸杞的凈光合速率可達到平均值29.63 μmol/(m2·s)，蒙桑和沙棗的平均凈光合速率分別為25.45、20.69 μmol/(m2·s)，檸條錦雞兒的Pn最小為18.20 μmol/(m2·s)。葉綠素(Chl)是植物的重要組成，負責在光合天線系統中收集太陽能，以及在反應中心內進行電荷分離和電子傳輸[19]。通過葉片葉綠素SPAD值測定，枸杞的葉綠素SPAD值為44.95，顯著高于檸條錦雞兒的SPAD值(33.30)，沙棗和蒙桑SPAD值介于之間。已有實驗證明，植物葉片氣孔的開合度受到光合器官的同化速率和水分蒸騰共同調節，與植物的光合速率和葉片保水密切關聯[20]。本研究所試驗植物的凈光合速率與氣孔導度(Gs)顯著相關，所以Gs是影響試驗植物光合作用的重要參數之一。

植物的光合作用可分為原初反應、電子傳遞和光合磷酸化，以及碳同化3個過程，光合速率是光合作用全過程的綜合體現，所以光反應為暗反應提供所需的活躍化學能是植物光合速率的關鍵因素[21-23]。天線色素吸收光能傳遞到2個光系統(PSⅠ和PSⅡ)，從而驅動光合作用能量轉換的初級光化學反應[24]。研究結果顯示，沙棗、枸杞、蒙桑和檸條錦雞兒4種植物的葉綠素含量差異顯著，但光合速率與葉綠素含量呈弱相關。通過快速葉綠素熒光誘導動力學OJIP曲線和JIP-測定探測4種植物的光反應過程，結果表明，4種植物光合機構存在差異，其中原初光化學反應活性(Fv/Fm、Fo/Fm)無顯著性差異，而光化學量子產率(ФPo、ФEo、ФDo)、光合機構比活性(ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC)和性能指數(PItotal、PIABS和PICS)等部分參數，光化學淬滅系數(qP)和非光化學淬滅系數(NPQ)，以及電子傳遞速率(ETR)都存在顯著性差異。另外，在OJIP曲線中，J和I相可分別對應質體醌QA和QB的電子傳遞效率和氧化還原狀態。QA、QB在光合鏈電子傳遞中起著關鍵作用，是PSⅡ電子傳遞效率的決定性因素[9-11]。同時根據4種植物OJIP曲線和JIP-測定的分析發現，枸杞的J相和I相的相對可變熒光速率Vj和Vi最低，枸杞的質體醌(PQ)電子傳遞速率最快。枸杞的光合機構反應中心(RC)的電子傳遞最快，RC受體側質體醌庫(Sm)的最大，光反應的活性最強，為暗反應提供更多的能量，因而其光合速率相應最高。相反，檸條錦雞兒的相對可變熒光Vj和Vi最高，PQ電子傳遞效率低，光反應亦受到天線色素(Chl)對能量(ABS)的吸收及反應中心能量捕獲(TR)和電子傳遞的限制，光合速率也相應最低。沙棗和蒙桑光反應活性和光合速率介于兩者之間。

本研究發現，4種植物的性能指數(PIABS、PICSo和PICSm)差異顯著，并與4種植物的光合速率呈顯著相關性。有關研究表明，PI可以作為評價植物葉綠素熒光狀態的重要參數，更能反映植物所受的環境脅迫[9-11]。因而，4種植物的性能指數(PIABS、PICSo和PICSm)比葉綠素熒光的其他參數更適合作為評價植物光反應活性的指數。其中，枸杞的性能指數(PI)和Pn最高，植株的光合性能最強，對其在鹽堿地的生長具有積極的作用。蒙桑和沙棗的光合性能僅次于枸杞，檸條的光合性能最弱。植物的耐鹽堿性是多種性狀互作的表現[25-26]，而光合作用是植物重要的部分，是植株對鹽堿環境適應的表現。在本試驗的輕度鹽堿環境下，枸杞的光合性能最強，對該環境的適應性強。

4 結論

通過對松嫩平原輕度鹽堿地環境中沙棗、枸杞、蒙桑和檸條錦雞兒4種植物的光合熒光特性研究顯示：枸杞的凈光合速率和光反應活性最高，隨后依次為蒙桑、沙棗、檸條錦雞兒。沙棗、枸杞、蒙桑和檸條錦雞兒的凈光合速率(Pn)與氣孔導度(Gs)都呈顯著相關性；根據4種植物的熒光參數相關性分析篩選出部分與Pn相關性最高的性能指數(PIABS、PICSo和PICSm)，且PI適合作為4種耐鹽堿植物光合熒光特性的評價指標。從PⅠ和Pn兩類參數分析結果表明，4種植物中枸杞的PI和Pn最高，因而推測枸杞的光合生理活性最強。所研究植物的光合性能由高到低依次為：枸杞、蒙桑、沙棗、檸條錦雞兒。光合性能是植物耐鹽堿的關鍵，與植株在鹽堿環境下的生長極為相關。本試驗研究表明，4種植物對輕度鹽堿地均表現出較強的適應性，從4種植物光合生理活性的角度，評價4種植物的耐鹽性由大到小排序為：枸杞、蒙桑、沙棗、檸條錦雞兒。