雌雄株香榧生育期光合特性與氮分配關系研究

歐明燭, 任啟飛, 馬菁華, 劉 芳, 鄭 聽, 陳云飛, 任少華, 楊 朔, 周 艷

(貴州省植物園, 貴陽 550004)

香榧(Torreyagrandis)隸屬紅豆杉科(Taxaceae)榧屬,常綠喬木、雌雄異株,是榧樹(Torreyagrandis)經過人工選種繁育嫁接的中國特有珍稀干果樹種,同時也是集藥用、油用和觀賞于一體的經濟樹種。大多數果樹和經濟林木的產量與植物性別性狀有密切聯系,不同性別植物具有不同的經濟價值,原因在于雄性器官和雌性器官的區別,其中雄性植株在綠化林木中具有較大的經濟價值,雌性植株則在種子和果實類植物中具有較大的經濟價值[1]。因此,探究香榧雌雄性植株葉片在生育期生理生化指標之間的關系,對栽培優質香榧并提高產量具有重要意義。目前對香榧雌雄異株植物的葉片研究集中在光合特性變化、氮分配及氮利用效率等方面。當年生春梢葉片及結果枝葉片是果實發育的重要同化物供應源,二者對果實發育都具有重要作用[2-3]。由于雌雄異株植物對雄性和雌性生殖有不同需求,這類植物的資源分配模式可能因性別而產生差異[4]。光合有效輻射是影響早實核桃和晚實核桃凈光合速率的主要環境因素,在生產中需注意株行距、適當修剪等[5]。植物的光合作用影響植物的生長發育,葉片氮含量影響葉片中光合色素含量,與光合作用關系密切。葉片氮分配是指氮在植物葉片各細胞結構及游離化合物中的分配比例,葉片氮分配方式對葉片光合能力的強弱起決定性作用[6]。光合氮利用效率(PNUE)是描述植物葉片生理特性、營養成分利用及生存策略的重要指標,在生產中提高光合氮利用效率能提高作物的氮素利用率和產量[7-8]。劉璉等[9]研究表明,無論樹齡大小,從5月到8月,葉片氮含量減少,干物質積累使葉片發育成熟,8月到11月氮分配比例發生變化導致葉片PNUE相對較高。黃增冠等[10]從香榧不同葉齡的葉片,比較其光合能力及氮分配之間的關系,不同葉齡的光合特性有差異,葉齡增加使葉片對光適應性減弱,葉齡相同不同葉位香榧葉片的光合特性無顯著差異。陳佳妮等[11]對香榧和榧樹進行葉片光合特性比較,并研究兩者之間的光保護機制,與榧樹相比,香榧葉片雖具有較高的氮含量,但光合氮素利用效率低。宋洋等[12]研究表明,適當遮蔭處理能提高香榧苗對弱光的利用率,促進香榧苗的生長發育,而過度遮蔭可能導致光合能力下降。近些年來針對香榧的研究主要集中在藥用、化學成分、香榧種子和假種皮等方面[13-15],缺乏對雌雄香榧的花、葉等部位之間關系的研究,尤其對雌雄香榧葉片光合特性及氮分配之間的比較研究相對較少。本研究通過對雌雄香榧營養生長階段(無花、無果)與生殖生長階段(開花、結果)葉片光合特性及葉片氮含量、氮分配等測定,初步探討香榧不同生長階段葉片光合特性的差異及氮分配調節機制,對改善香榧葉片光合性能,為進一步提高香榧果實產量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地位于貴州省植物園香榧良種采穗圃,地理位置(106°42′E,26°34′N),海拔1 210～1 410 m,年均氣溫15.3 ℃,相對濕度約為74%,年平均總降水量為1 174.7 mm,日照率低,氣候溫暖濕潤,熱量充足,雨量充沛,屬于典型的北亞熱帶高原季風濕潤氣候區,具有典型高原山地喀斯特地貌特征[16]。供試材料為長勢良好且一致的香榧幼樹嫁接苗(2014年2+5嫁接苗,砧木為二年生榧樹,穗條為五年生香榧),所有植株樹高、胸徑和冠幅基本一致。選擇雌雄植株側枝冠層陽面的健康成熟一年生無果(無花)(N+1)-WG(WH)葉片及一年生結果(開花)(N+1)-GG(KH)葉片作為測試葉,分別掛牌標記,測定時保持葉片自然生長角度不變,每株植物重復測定3次,測定時間為2020年10月中旬。

1.2 測定項目及方法

1.2.1光合-光響應曲線

采用Li-6800便攜式光合儀(美國LI-COR公司)于晴天的09:00—12:00時,14:00—17:00時自然環境條件下測定香榧幼樹結果(開花)和無果(無花)葉片的光響應曲線。測定時,設定葉室溫度25 ℃,葉室相對濕度50%,氣體流速為500 μmol/s,根據外界環境的實際光強設置人工光源2100RGB適應20 min,CO2濃度為400 μmol/mol,由CO2小鋼瓶控制CO2濃度,光合有效輻射強度(PAR)梯度為2 100,1 800,1 500,1 200,900,700,500,400,300,200,100,50,20,10,0 μmol/(m2·s)。在每個梯度的光強下穩定4 min記錄各項數據,重復3～4次,取測定結果的平均值。測定的主要參數包括:胞間CO2濃度(Ci),蒸騰速率(Tr),最大葉片凈光合速率(Pmax),氣孔導度(Gs)等。

根據SPSS軟件計算出光響應曲線光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)、最大凈光合速率(Pmax)、暗呼吸速率(Rd)。

表1 香榧幼樹生長環境因子Table 1 The growth environmental factors of Torreya grandis young trees

1.2.2CO2響應曲線

測定條件與測定光響應曲線的條件相同,對選擇光響應曲線測定的葉片進行充分足夠的光合誘導,控制光強為1 800 μmol/(m2·s),CO2濃度為400 μmol/mol誘導20 min,CO2濃度設置為400、300、200、100、50、5、400、400、600、800、1 000、1 200、1 500、1 800 μmol/mol,測定參數:葉片凈光合速率Pn[μmol/(m2·s)],根據CO2響應曲線求得[17],最大羧化速率Vcmax[μmol/(m2·s)]和最大光合電子傳遞速率Jmax[μmol/(m2·s)]。

1.2.3光合色素含量

稱取0.02 g香榧幼樹結果(開花)和無果(無花)鮮葉片,把葉片放入盛有8 mL提取液(95%乙醇)的離心管中密封遮光浸提約24 h。用紫外分光光度計(UV 754 PC,上海佑科)檢測波長在664、649、470 nm下的吸光度,計算葉綠素含量用單位面積表示與光合速率一致,計算方法參考文獻[18]進行。

1.2.4比葉重

全面提升基層黨員干部的統戰工作能力和水平，必須實現黨員干部教育培訓機制與統戰教育培訓體系的無縫對接，構建系統完善、科學管用的領導干部統戰教育培訓體系。系統的教育培訓，既解決思想認識不到位的問題，又解決工作方法不專業的問題。

測定氣體交換參數后,取下測定的葉片用植物圖像分析儀(LA-S,杭州萬深)測定葉面積,即用透明膠帶將測定枝條上的葉片全部剪下粘貼于白紙上進行掃描,用軟件計算測定葉面積。將葉片于85 ℃烘干至恒質量,稱量干質量。

比葉質量(g/m2)=干質量/葉面積。

1.2.5葉片氮素含量及葉片光合器官中氮分配的計算

葉氮含量測定參考擴散法,擴散皿內圈盛硼酸溶液,外圈放待測液后加入氫氧化鈉溶液,密封,產生的氨擴散在皿內,由硼酸溶液吸收,直接用標準酸測定。以飽和最大光合速率(Pmax)與葉氮含量(NA)的比值表示光合氮利用效率(PNUE)[19]。

PUNE=Pmax/NA。

參與葉片光合的氮分配階段分為羧化系統(參與暗反應,主要為Rubisco)、類囊體(參與暗反應),其中類囊體細分為生物力能學組分與捕光系統(即①PSⅠ、②PSⅡ和③LHCⅡ),各組分氮素分配比例計算公式[20]如下:

(1)

(2)

(3)

PT=PC+PB+PL

(4)

式中,PC為分配到羧化系統中的氮素的比例;PB為分配到生物力能學組分氮素的比例;PL為分配到捕光系統氮素的比例;Vcr為Rubisco的比活度(單位Rubisco蛋白的CO2固定活性值[μmol/(g·s)]);NA為單位面積葉氮含量;Jmc為單位Cyt f的最大電子傳遞速率[μmol/(m2·s)];Cc為葉片葉綠素濃度(mmol/g);CB為捕光系統(PSI、PSII、LHCII)葉綠素與氮的比值(mmol/g);6.25為氮素轉換成Rubisco蛋白的系數;8.06為氮素與單位Cyt f之間的轉換系數。

2 結果與分析

2.1 光合特性指標及光合光響應曲線

如圖1所示,無論是香榧雌樹一年生無果葉片(C-N+1)-WG或雄樹一年生無花葉片(X-N+1)-WH,雌樹一年生掛果葉片(C-N+1)-GG或雄樹一年生開花葉片(X-N+1)-KH對PAR的光響應曲線基本一致。當PAR<416[μmol/(m2·s)]時,Pn隨PAR的增強迅速增大,此時PAR是香榧幼樹葉片光合能力強弱的主要限制因素;當PAR>416[μmol/(m2·s)]時,Pn隨PAR的增強,其上升速度開始減小并趨于平緩,最后達到光飽和狀態。采用非直角雙曲線模型對光合光響應曲線進行擬合,得到主要光合特性參數指標,結果見表2。雄樹一年生無花葉片Pmax,Rd顯著小于雌樹一年生無果葉片(p<0.05),雌雄一年生無果、無花葉片與一年生掛果、開花葉片LSP無明顯差異(p<0.05),雌雄一年生無果、無花葉片LCP無明顯差異(p<0.05),雄樹一年生開花葉片LCP顯著小于雌樹一年生掛果葉片(p<0.05)。雌雄一年生掛果、開花葉片Pmax,Rd,LSP,LCP均高于雌雄一年生無果、無花葉片。

表2 雌雄香榧幼樹結果(開花)與無果(無花)葉片光響應曲線特征參數Table 2 Characteristic parameters of light response curves of leaves of female and male Torreya grandis young tree with fruit (blossom) and fruitless (no blossom)

注:(C-N+1)-WG為雌樹一年生無果葉片;(C-N+1)-GG為雌樹一年生掛果葉片;(X-N+1)-WH為雄樹一年生無花葉片;(X-N+1)-KH為雄樹一年生開花葉片。圖1 雌雄香榧幼樹結果(開花)與無果(無花)葉片光響應曲線Fig.1 Photosynthetic response curves of leaves in female and male Torreya grandis young tree with fruit (blossom) and fruitless (no blossom)

2.2 光合CO2響應曲線

由表3可知,雌雄一年生無果、無花葉片與一年生掛果、開花葉片的Vcmax呈上升趨勢,分別上升3.15%和15.79%。雌雄一年生無果、無花葉片與一年生掛果、開花葉片的Jmax呈上升趨勢,分別上升28.19%和9.45%。雌雄葉片之間的Vcmax、Jmax無明顯差異(p<0.05),除了雌樹一年生掛果葉片的Jmax顯著高于雄樹一年生開花葉片之外;雌樹一年生無果葉片的Jmax顯著低于一年生掛果葉片,雄樹一年生無花葉片與一年生開花葉片無明顯差異(p<0.05)。

表3 雌雄香榧幼樹結果(開花)與無果(無花)葉片CO2響應曲線模擬的光合參數Table 3 The modeled photosynthetic parameters in response to intercellular CO2 concentration in leaves of female and male Torreya grandis young tree with fruit (blossom) and fruitless (no blossom)

2.3 光合色素含量與最大凈光合速率的關系

由表4可知,雌雄一年生無果、無花葉片與一年生掛果、開花葉片的Car含量相比呈上升趨勢,分別上升3.70%和11.11%,雌雄一年生無果、無花葉片與一年生掛果、開花葉片的Chl(a+b)含量相比呈上升趨勢,分別上升8.00%和12.24%。雌樹一年生無果葉片與一年生掛果葉片的Car及Chl(a+b)含量之間無明顯差異(p<0.05),雄樹一年生無花葉片的Car及Chl(a+b)含量顯著小于一年生開花葉片(p<0.05),雌雄一年生無果、無花葉片的Chl(a/b)顯著小于一年生掛果、開花葉片(p<0.05),雌樹Chl(a/b)顯著高于雄樹(p<0.05)。雌雄香榧葉片的最大光合凈速率與總葉綠素含量之間呈顯著性正相關(圖2)。

表4 雌雄香榧幼樹結果(開花)與無果(無花)葉片光合色素含量Table 4 The photosynthetic pigment contents in leaves of female and male Torreya grandis young tree with fruit (blossom) and fruitless (no blossom)

圖2 香榧葉片總葉綠素(Chl(a+b))與最大凈光合速率(Pmax)之間的相關性Fig.2 The relationship of total chlorophyll content(Chl(a+b)) and the maximum net photosynthetic rate(Pmax) in Torreya grandis

2.4 比葉質量

如圖3,雌樹葉片的SLW顯著高于雄樹葉片(p<0.05),而雌樹一年生無果與一年生掛果葉片的SLW之間無顯著差異,雄樹一年生無花葉片的SLW顯著高于一年生開花葉片(p<0.05)。

圖3 雌雄香榧幼樹結果(開花)與無果(無花)葉片SLW的變化Fig.3 SLW changes of female and male Torreya grandis young tree with fruit (blossom) and fruitless (no blossom)

2.5 葉氮含量及分配的關系

由表5可知,雌雄一年生無果、無花葉片與一年生掛果、開花葉片的葉氮含量NA呈上升趨勢,分別上升30.45%和27.80%。雌雄一年生無果、無花葉片的NA,PC,PB,PL,PT都顯著低于一年生掛果、開花葉片(p<0.05),除了雄樹一年生無花葉片與一年生開花葉片的PC之間無顯著差異之外(p<0.05);各葉片類型的NA,PB,PL之間無顯著差異(p<0.05),雄樹葉片的PC,PT都顯著高于雌樹葉片(p<0.05)。

2.6 光合氮素利用效率

如圖4,雌樹一年生掛果葉片的PNUE顯著高于雄樹一年生無花葉片及一年生開花葉片,雄樹一年生無花葉片的PNUE顯著高于雌樹一年生無果葉片(p<0.05)。

圖4 雌雄香榧幼樹結果(開花)與無果(無花)葉片PNUEFig.4 PNUE of female and male Torreya grandis young tree with fruit (blossom) and fruitless (no blossom)

3 討論與結論

葉片是植物進行光合作用的重要器官,葉片性狀特征能直接影響植物的生長發育水平及果實的產量和品質。最大凈光合速率(Pmax)是衡量葉片光合能力的重要指標[21]。提高地石榴葉片的凈光合速率可以增強對光能的利用率[22]。柴仲平等[23]研究表明,不同生長期香梨光合特性有明顯差異,膨果期香梨葉片凈光合速率、葉綠素含量、葉面積指數、蒸騰速率、氣孔限制值和氣孔導度都比坐果期高。本研究發現,雌雄香榧幼樹一年生掛果、開花葉片的最大凈光合速率(Pmax)高于一年生無果、無花葉片,表明光合作用與果實的形成呈正相關。

葉片的光飽和點和光補償點反映了植物對光照條件的要求,是判斷植物耐陰性的重要指標。一般陰性植物的LSP為500～1 000[μmol/(m2·s)]或者更低,而LCP小于20[μmol/(m2·s)],一般陽性植物的LSP在1 500～2 000[(μmol/(m2·s)]之間或者更高,而LCP在50～100[μmol/(m2·s)]之間。本研究結果顯示,香榧葉片的LSP為563.60～391.34[μmol/(m2·s)],LCP為60.71～35.90[μmol/(m2·s)],符合陰生植物光飽和點與光補償點的范圍,雌雄香榧幼樹一年生掛果、開花葉片的LSP值較高,表明生殖生長階段光合能力強,同時也對強光的適應能力強(表2)。

植物葉片中最大羧化速率與葉氮含量、Rubisco含量有顯著相關性[24]。最大羧化速率與葉氮分配給羧化系統的比例對光合速率起著決定性作用[25-26]。隨著葉齡增加,光合速率降低是由于其葉氮含量和Rubisco/Chl比值低造成的[27]。本研究結果表明,雌雄香榧幼樹一年生掛果、開花葉片的Vcmax、Jmax高于一年生無果、無花葉片,可能是由于無果枝和無花枝的葉片會優先將各類營養元素提供給結果枝和開花枝的葉片,比如氮素等元素,通過光合作用更有利于干物質的積累,所以導致一年生掛果、開花葉片的Vcmax、Jmax高于一年生無果、無花葉片。

葉片光合能力與光合色素含量、酶活性等有關。不同葉位的葉綠素Chl(a+b)含量與凈光合速率之間均呈顯著正相關[28]。本研究結果與其一致,一年生掛果、開花葉片的光合色素含量及Pmax均高于一年生無果、無花葉片,即光合色素與Pmax呈正相關。

比葉重(SLW)能反映植物對資源的利用方式[29],大多數研究認為葉片光合作用能力和葉氮含量都與SLW有關[24]。若植物葉片細胞壁的氮素分配增加,那么分配到葉綠體的氮素就會減少[30]。本研究結果顯示,雌雄香榧幼樹一年生無果、無花葉片的SLW高于一年生掛果、開花葉片(圖3),這可能是結果枝和開花枝中的葉片氮素分配到光合機構大于分配到葉片細胞壁所導致一年生無果、無花葉片的SLW較高,也可能是導致香榧不同類型葉片的PNUE產生差異的主要原因。有研究表明,植物增加CO2擴散的阻力和分配到非光合組分的氮比率以及減少葉片透射光的比率,使PNUE降低,導致PNUE較低的植物通常會具有較高的SLW[31,8]。本研究結果顯示,雌雄香榧幼樹一年生無果、無花葉片的PNUE顯著低于一年生掛果、開花葉片(圖4),與SLW呈負相關。

許多研究表明,光合能力與植物葉片氮含量呈顯著正相關[32-33],因為通常葉氮含量中大約有一半氮素會分配到光合機構中,比如Calvin循環和類囊體相關的酶[34-37]。研究發現,成熟后的葉片氮含量和光合速率逐漸降低[38]。本研究結果顯示,雌雄香榧幼樹一年生無果、無花葉片的葉氮含量(NA)及PC,PB,PT顯著低于一年生掛果、開花葉片(表3),說明分配到結果枝和開花枝葉片的光合機構中氮含量較高,可能是氮元素含量高低直接影響光合作用強弱。

本研究中,雌雄香榧幼樹在生育期(已開花結果枝)的葉片最大凈光合速率(Pmax)、LSP、Vcmax、Jmax、Pmax、PNUE及葉氮含量值均高于未生育期(未開花結果枝),說明了光合作用與果實的形成呈正相關關系,光合色素與Pmax也呈正相關關系,所以在生殖生長階段光合能力及對強光的適應能力強,而無果枝和無花枝的葉片會優先將各類營養元素提供給結果枝和開花枝的葉片,比如氮素等元素,而分配到結果枝和開花枝葉片的光合機構中氮含量較高,可能是氮元素含量高低直接影響光合作用強弱,通過光合作用更有利于干物質的積累。因此,在香榧生產過程中不僅要注意種植地中雌雄株的性配比,還應適當增加株行距及修剪,保持透光通風,合理利用有效光輻射,也要注意氮肥的施用。