中度錳脅迫對降香黃檀幼苗光合特性的影響

楊紅蘭 黃秋嬋 韋玉淼 馮守富

（1.廣西民族師范學院化學與生物工程學院 廣西崇左 532200；2.宜州區山谷高級中學 廣西河池 546300）

錳（Mn）是植物體生長發育過程中所必需的微量元素，在植物的光合作用中，其在維持細胞器的正常結構與活化酶活性等方面有著不可替代的作用[1]。然而，土壤中有效錳含量過高時會對植物產生毒害作用，導致植物自身結構及功能的改變，也會影響植物的形態、生理特性和超微結構，還會降低光合色素含量，削弱光合作用，破壞細胞膜結構，引發滲透相關指標的變化，從而抑制植物的生長發育，對植物的生長造成不利影響[2-4]。錳在植物光合作用過程中所發揮的作用是錳在植物體內最重要的生理功能。葉綠體中分布著較多的錳，錳不僅在維持葉綠體結構上是必需的，而且能夠直接參與植物光合作用過程中的光合放氧階段[5-6]。

降香黃檀（Dalbergia odoriferaT.Chen），又叫作黃花梨、花梨木，屬于豆科蝶形花亞科黃檀屬半落葉常綠喬木，被列為國家二級保護植物[7]。其因材質堅硬、結構致密，耐濕耐腐蝕且伴有芳香等特性，常用來制造上等家具和工藝品[8]。此外，降香黃檀還具有止血止痛、行血活血等功效，有較高的經濟價值和藥用價值[9]。近些年來，隨著人們生活水平的不斷提高，降香黃檀產品越來越受到人們追捧和青睞，市場常常供不應求。目前我國對降香黃檀的研究主要集中在栽培技術和藥用功能等方面。本研究以降香黃檀幼苗為實驗材料，測定在中度錳脅迫下降香黃檀幼苗的光合參數，以了解降香黃檀在錳脅迫下的光合作用情況，為引種栽培和合理管理提供一定的理論依據。

1 材料和方法

1.1 實驗材料及處理

降香黃檀成熟種子浸泡24 h，洗凈瀝干插播在沙基中。培養至幼苗長出兩片羽葉時，選取各方面長勢類似的幼苗植株移栽到口徑為15 cm的塑料盆中，每盆5棵，各種植盆中的混合土壤質量相同且配比為營養土∶黑土∶紅土∶沙土=5∶2∶2∶1。待幼苗長大到5片羽葉時，選取6盆各方面長勢相近的降香黃檀幼苗植株，平均分為2組進行實驗。實驗組以臨近根部填埋的方式一次埋入Mn含量為10 mg/kg的MnSO4進行脅迫處理，空白對照組以自來水澆灌。

1.2 光合參數的測定

脅迫后每隔14 d于晴朗天氣采用便捷式光合測定儀測量光合參數，共測3期（以下稱為早期、中期、后期）。每期測定時間從8：00到15：00，每1 h測1次。測量時，每盆選取長勢相同朝向一致的3片成熟葉進行測量，每葉記錄5組數據。測定的光合環境指標包括大氣CO2濃度（air CO2concentration, Ca）、大氣相對濕度（relative air humidity, RH）、大氣溫度（air tamperature, Ta）、光合有效輻射（photosynthetically active radiation, PAR），生理指標包括幼苗的凈光合速率（net photosynthetic rate, Pn）、蒸騰速率（transpiration rate, Tr）、胞間 CO2濃度（intercellular CO2concentration, Ci）、氣孔導度（stomatal conductance, Gs）等。

1.3 數據處理

實驗數據使用Excel 2016和SPSS軟件進行作圖和處理。光合利用率（LUE）和水分利用率（WUE）計算公式如下：

光能利用率（light use efficiency, LUE）=凈光合速率（Pn）/光合有效輻射（PAR）×100%；

水分利用率（water use efficieney, WUE）=凈光合速率（Pn）/蒸騰速率（Tr）×100%[10]。

2 結果與分析

2.1 環境因子日變化

環境因子日變化曲線如圖1所示。大氣CO2濃度（Ca）在8：00—10：00緩慢下降，11：00后趨于穩定；大氣溫度（Ta）保持在30 ℃～40 ℃，波動不大。二者在3個時期的變化不大。早期大氣相對濕度（RH）在10：00時有明顯下降，之后迅速回升，然后逐漸趨于穩定；中期和后期大氣相對濕度（RH）在8：00—10：00緩慢下降，之后趨于穩定。脅迫早期的光合有效輻射（PAR）變化曲線呈雙峰型，從8：00開始逐漸下降，9：00—10：00明顯上升，達到第一個峰值，第二個峰值出現在12：00。脅迫中期與脅迫后期的光合有效輻射日變化趨勢相似，曲線呈單峰型。脅迫中期的光合有效輻射峰值出現在10：00，脅迫后期光合有效輻射的峰值出現在11：00。

圖1 降香黃檀幼苗脅迫早、中、后期環境因子日變化

2.2 中度錳離子脅迫下降香黃檀幼苗生理因子日變化

2.2.1 降香黃檀幼苗葉片凈光合速率（Pn）日變化

降香黃檀幼苗葉片的凈光合速率日變化曲線如圖2所示。降香黃檀實驗組前期和中期的凈光合速率變化趨勢相似，在8：00—9：00急劇下降，9：00—10：00有明顯的上升趨勢，而后從11：00開始下降，至12：00 Pn降到最低。12：00—13：00及14：00—15：00 Pn均呈上升趨勢，此時Pn變化主要受光強影響。在后期，實驗組Pn變化趨勢和空白組相似，呈“W”形，出現光合“午休”現象。這三個時期中，每一個時期的凈光合速率在多個時間點上都表現出實驗組低于空白組。

圖2 降香黃檀幼苗凈光合速率日變化曲線

2.2.2 降香黃檀幼苗葉片蒸騰速率（Tr）日變化

降香黃檀幼苗葉片的蒸騰速率日變化曲線如圖3所示。脅迫早期，實驗組Tr日變化曲線呈雙峰型，峰值出現在10：00和13：00；空白組Tr日變化曲線為單峰型，峰值出現在12：00，此時正好為當天光合有效輻射的最高點，12：00后Tr開始下降，直至15：00達到最低點。脅迫中期空白組Tr日變化規律不明顯，實驗組Tr的日變化曲線呈單峰型，峰值出現在9：00。脅迫后期實驗組Tr日變化曲線呈不明顯的“W”形。綜合三個時期Tr的變化規律可以看出，降香黃檀幼苗的蒸騰速率在多個時間點上都表現出實驗組低于空白組。蒸騰速率能夠反映出植物根系吸收水分能力的強弱，如蒸騰速率增大則表示植物根系吸收的水分增多，反之則減少[12]。由此可以看出，中度錳離子脅迫可以使降香黃檀幼苗根系吸收水分的能力減弱從而降低了降香黃檀幼苗的蒸騰速率。

圖3 降香黃檀幼苗蒸騰速率日變化曲線

2.2.3 降香黃檀幼苗葉片胞間CO2濃度（Ci）日變化

降香黃檀幼苗葉片胞間CO2濃度日變化曲線如圖4所示。脅迫早期，空白組的Ci從早上8：00開始明顯下降，在9：00達到當日最低值，9：00后開始上升并于10：00達到峰值，之后Ci的變化不明顯；而實驗組降香黃檀幼苗Ci日變化曲線呈雙峰型，Ci最高值出現在13：00，最低值出現在8：00。脅迫中期，實驗組和空白組的Ci日變化規律均不明顯。脅迫后期空白組和實驗組的Ci日變化曲線相對平緩，其中空白組呈雙峰型，Ci最高值出現在9：00；實驗組呈單峰型，Ci最高值出現在11：00。此外，錳脅迫后降香黃檀幼苗Ci的日平均值均明顯高于空白組，在脅迫早期，實驗組較空白組增加了56.4434 μmol/mol，脅迫中期實驗組比空白組增加了44.1449 μmol/mol，脅迫后期實驗組比空白組增加了24.2767 μmol/mol。由此可得，中度錳離子脅迫能提高降香黃檀的胞間CO2濃度。但是，脅迫時間越久，提高程度越低。

圖4 降香黃檀幼苗胞間CO2濃度日變化曲線

2.2.4 降香黃檀幼苗葉片氣孔導度（Gs）日變化

降香黃檀幼苗葉片氣孔導度日變化曲線如圖5所示。脅迫早期，在光合有效輻射達到最大值時（12：00），實驗組降香黃檀幼苗葉片Gs明顯低于空白組。且在光合有效輻射達到最大值前2 h，空白組Gs呈上升趨勢，而實驗組則呈下降趨勢。脅迫中期，空白組和實驗組的Gs總體上呈下降趨勢。脅迫后期，兩組的Gs在總體上呈平緩上升趨勢。在多個時間點上，實驗組的氣孔導度都低于空白組，說明，錳脅迫會降低降香黃檀幼苗葉片的氣孔導度。

圖5 降香黃檀幼苗氣孔導度日變化曲線

2.2.5 降香黃檀幼苗葉片光能利用率（LUE）日變化

由圖6可知，三個時期空白組和實驗組的LUE日變化曲線存在明顯差異。與空白組相比，實驗組脅迫早期平均光能利用率降低了0.0282%，脅迫中期降低了0.02%，脅迫后期降低了0.0547%，說明錳脅迫會降低降香黃檀幼苗對光能的利用率。此外，三個時期的LUE日變化波動較大，這與當天的PAR變化有關。

圖6 降香黃檀幼苗光能利用率日變化曲線

2.2.6 降香黃檀幼苗葉片水分利用率（WUE）日變化

如圖7所示，降香黃檀幼苗葉片的WUE日變化趨勢與LUE相似。在PAR達到峰值時降香黃檀幼苗的WUE有明顯的下降趨勢。脅迫早期和中期，兩組WUE變化規律均不明顯。脅迫后期，實驗組的日變化曲線呈“W”形，第一個低谷出現在11：00，第二個低谷出現在14：00。從日均值上看，與空白組相比，實驗組脅迫早期WUE降低了0.04%,脅迫中期降低了0.15%，脅迫后期降低了0.85%。由此可以得出錳離子脅迫降低了降香黃檀幼苗葉片的水分利用率。

圖7 降香黃檀幼苗水分利用率日變化曲線

3 討論與結論

鎂（Mg2+）是葉綠素的重要組成成分，但過量的錳離子會抑制鎂離子的吸收和活性，導致葉綠素的合成受阻，致使植物的光合速率降低[11]。在錳離子的脅迫下，與空白組相比，降香黃檀幼苗葉片的凈光合速率均值在脅迫早期降低了48.17%，而脅迫中期和后期實驗組的Pn均值均為負值；蒸騰速率均值在脅迫早期降低了18.30%，中期降低了15.09%，后期降低了2.01%；氣孔導度均值在脅迫早期降低了25.73%，中期降低了28.73%，后期則升高了6.35%；胞間CO2濃度均值在脅迫早期升高了13.78%，中期升高了8.22%，后期升高了5.48%。這說明隨著錳脅迫的持續作用，降香黃檀幼苗的光合作用能力不斷減弱。

光合作用為植物進行物質代謝和能量轉換提供物質源，是植物賴以生存的基礎，而凈光合速率體現了植物有機物的積累[12-13]。引起凈光合速率降低的因素有很多，其中主要有氣孔限制因素和非氣孔限制因素。氣孔限制因素是由于植物氣孔導度降低使得CO2進入葉肉細胞受到阻礙，從而引起光合速率的下降，非氣孔因素則是因為植物葉肉細胞本身的光合活性受到了限制，進一步影響植物進行光合作用[14]。也就是說，當凈光合速率下降時，細胞間隙CO2濃度和氣孔導度同時下降，那么就說明引起植物凈光合速率下降的主要因素是氣孔限制因素；相反，如果凈光合速率下降時，細胞間隙的CO2濃度升高而氣孔導度卻降低了，那就說明導致植物凈光合速率降低的主要因素是非氣孔限制因素。結合上文的數據分析可知，當用Mn含量為10 mg/kg的MnSO4進行脅迫處理時，在降香黃檀幼苗的凈光合速率以及氣孔導度降低時，細胞間隙的CO2濃度升高，因此可得，中度錳脅迫下引起降香黃檀幼苗光合作用速率降低的主要因素是非氣孔限制因素。