刘晓涛， 张泰劼， 李芸瑛, 彭长连*

(1. 华南师范大学生命科学学院，广州 510631； 2. 肇庆学院生命科学学院，肇庆 526061)

3年生观光木夏季的光合生理特性初探

刘晓涛1， 张泰劼1， 李芸瑛2, 彭长连1*

(1. 华南师范大学生命科学学院，广州 510631； 2. 肇庆学院生命科学学院，肇庆 526061)

以盆栽3年生观光木为试材，利用便携式光合作用测量系统、叶绿素荧光仪及叶圆片氧电极等在夏季对其气体交换特性、叶绿素荧光参数及离体叶片的光合放氧等进行了测定. 结果表明，3年生观光木幼树叶片的光补偿点为10.1 μmoL/(m2·s)，光饱和点约为为800 μmol/(m2·s)，CO2补偿点为50.72 μmol/mol，CO2饱和点为1 200 μmol/mol. 夏季晴好天气下，观光木净光合速率(Pn)的日变化曲线呈双峰型，第1个峰出现在08：00，Pn为9.0 μmol/(m2·s)，第2个峰出现在16：00，Pn为4.6 μmol/(m2·s), 12：00有明显的光合午休现象. 在光合有效辐射较高的时段(10：00至14：00)，观光木的Fv/Fm(PSⅡ photochemical efficiency)和PSⅡ实际光化学效率(ΦPSⅡ)均处于低水平，表明PSⅡ活性明显下降.

观光木；光合特性；Fv/Fm；光合作用

观光木(TsoongiodendronodorumChun)又名香花木、宿轴木兰，属木兰科观光木属，本属仅此一种，我国独有[1]. 观光木树干挺直，树形优美，分枝整齐，枝叶稠密，花多美观，具芳香味，是优良庭园观赏树种和行道树种. 其木材结构细微，纹理通直，轻软，易加工，是家具、建筑、细木工等的优良用材[2]. 观光木分布于我国云南、贵州、广西、湖南、福建和广东等南亚热带至中亚热带南部地区，地理分布虽较广，但大部分呈单株散生. 观光木开花多，但座果率极低，其种子易丧失发芽力，天然更新能力极弱[1]. 随着森林的破坏及过度砍伐，观光木野生种群数量及种群大小不断减少[3]，被列为国家珍稀濒危二级保护植物[4]. 开展观光木的迁地保护和引种驯化研究是加强该物种保护的重要措施之一[5]. 目前对其繁殖育苗技术和遗传结构分析研究较多[6-10]，而对其生理生态适应性及光合特性方面的研究报道甚少. 本文研究了夏季高光条件下观光木的光合特性及叶绿素荧光参数的变化，以期为观光木的引种保护及合理制定的栽培技术提供科学依据.

1 材料和方法

1.1 材料

实验材料：观光木(TsoongiodendronodorumChun)取自中国科学院华南植物园木兰科植物种质基因库——木兰园，3年生，一般田间水肥管理. 选自枝条顶端的第3～4片成熟叶进行测定，各项测定于7—8月间晴朗无云时进行.

实验仪器：LI-6400便携式光合作用测定系统(LI-COR, USA)；叶绿素荧光成像系统Maxi-Imaging-Pam (Walz, Germany)；叶圆片氧电极(Leaf-disc oxygen electrode, Hasatech, King’s Lynn, UK)

1.2 光合速率光强响应曲线的测定

利用红蓝光源调节光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation, PAR)为：0、25、50、100、200、300、400、500、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600 μmol/(m2·s)， CO2摩尔分数为360 μmol/mol，叶室温度(30±0.5) ℃，测定不同光强下叶片相应的净光合速率(Pn). 根据BASSMAN和ZWIER的方法[11]，拟合光响应曲线方程.

根据测得数据求最大净光合速率(Pmax)、光饱和点(Light saturation point，LSP)、表观量子产额(Apparent Photosynthetic Quantum Yield，AQY)、光补偿点(Light Compensation Point，LCP).

1.3 光合速率CO2响应曲线测定

调节光强为光饱合点，温度为(30±0.5) ℃，CO2摩尔分数为20、50、100、150、200、300、400、600、800、1 200、1 400、1 600 μmol/mol，分别测定净光合速率(Pn)，得到CO2响应曲线.

1.4 光合速率日变化的测定

选择晴朗的天气，开放式测定，从06：00～18：00，每隔2 h测定一次净光合速率(Pn)，每次测定4片叶子，实验重复3次，取平均值. 同时记录大气温度(Atmospheric Temperature，Ta)、叶片温度(Leaf Temperature，Tl)、大气CO2浓度(Atmospheric Concentration of CO2，Ca)、PAR、气孔导度(Stomatal Conductance，Gs)、蒸腾速率(Transpiration Rate，Tr)、细胞间隙CO2摩尔分数(Intercellular CO2Mole fraction，Ci)等光合参数.

计算水分利用效率(Water Use Efficiency，WUE)， WUE=Pn/Tr.

1.5 叶绿素荧光日变化及相关指标测定

从06：00～18：00，每隔2 h测定一次，与光合日变化参数测定同步. 测定初始荧光F0，最大荧光Fm. 光合系统Ⅱ(Photosynthetic System II，PSⅡ)原初光能转化效率(Fv/Fm)和PSⅡ实际量子产量(ΦPSⅡ)由仪器读出.

1.6 不同温度对离体叶片光合放氧速率影响的测定

根据DELIEN和WALKER的方法[12]，测定叶片的光合放氧速率. 叶室内温度梯度设定25、30、35、40、45、50 ℃，叶片切打成叶圆片，面积为10 cm2，向叶室内呼气使CO2体积分数达3%～5%，设定光强为800 μmol/(m2·s)，通过仪器显示放氧速率，实验重复3次.

2 结果与分析

2.1 观光木的光合作用的光响应曲线

当光强在0～200 μmol/(m2·s)时，随PAR提高，Pn呈线性增加(图1)；当PAR在200～800 μmol/(m2·s)时，随着光强的增加，Pn提高的速率减慢；当PAR达800 μmol/(m2·s)时，Pn达到最高值，此后随着PAR的增加，Pn略有下降. 因此，观光木的光饱和点约为800 μmol/(m2·s). 对光强-光合响应曲线的线性部分进行直线回归，回归方程为y=0.037 5x-0.378 1 (R2=0.982). 由线性回归方程求得到光补偿点为10.1 μmol/(m2·s)，表观量子效率为0.037 5.

图1 观光木叶片光响应曲线

2.2 光合作用的CO2响应曲线

CO2摩尔分数低于600 μmol/mol 时，Pn随CO2摩尔分数的升高呈线性增加(图2)，线性回归方程为y=0.022 9x-1.161 4(R2=0.994)，由方程得出CO2补偿点为50.72 μmol/mol；CO2摩尔分数在600～1 200 μmol/mol时，随着CO2摩尔分数的升高，Pn增加的速度减慢；当CO2摩尔分数高于1 200 μmol/mol时，随着CO2摩尔分数的升高，Pn接近恒定. 因此观光木CO2饱和点为1 200 μmol/mol.

2.3 观光木生境环境因子日变化

PAR的日变化为单峰曲线(图3A)，06：00～12：00逐渐增强，12：00达最大值，为1 474 μmol/(m2·s). 图3B为大气中CO2摩尔分数日变化，空气中的CO2摩尔分数在06：00～12：00逐渐下降，在12：00达到最低，12：00～18：00逐渐增加. 图3C为大气温度和叶片温度日变化，大气温度和叶片温度日变化相似，06：00～12：00逐渐增强，12：00达最大值，之后又缓慢下降. 图3D为大气中湿度日变化，在06：00～14：00逐渐下降在14：00达到最低，14：00～18：00又逐渐增加.

图2 观光木叶片CO2摩尔分数的响应曲线

Figure 2 Response curve ofTsoongiodendronodorumto CO2mole fraction

图3 观光木光合有效辐射(PAR,A)、大气CO2摩尔分数(Ca,B)、温度(T,C)、相对湿度(RH,D)的日变化

Figure 3 Diurnal variation of environmental factors ofTsoongiodendronodorumgrowth: photosynthetically active radiation (PAR,A); atmospheric mole fraction of CO2(Ca, B); temperature (T,C); relative humidity (RH, D)

2.4 Pn、 Gs、Ci、 WUE日变化

在夏季晴好天气下，观光木Pn的日变化呈典型的双峰曲线(图4A)，第1个峰值出现在08：00，Pn为9.0 μmol/(m2·s)，第2个峰值则出现在16：00，Pn为4.6 μmol/(m2·s)，显著低于第1峰值；Pn在中午12：00出现低谷值,为2.9 μmol/(m2·s)，有明显的光合“午休”现象.

气孔导度(Gs)的日变化与Pn的日变化趋势基本一致(图4B)，呈双峰曲线.

观光木叶片胞间CO2摩尔分数(Ci)在06：00较高(图4C)，06：00～10：00呈线性下降，10：00至16：00点变化不大，基本保持平稳， 16：00降至最低值后回升.

水分利用效率(WUE,每摩水中含有CO2的纳摩尔数)在06：00至8：00间较高(图4D)，随后大幅度下降，中午12：00降至最低值，随后又逐渐升高.

2.5 观光木叶绿素荧光参数日变化

观光木叶片的PSⅡ光化学效率(Fv/Fm)呈现“V”形(图5)，与光强的日变化有对应的关系，早上06：00时Fv/Fm值最高，为0.802；08：00以后，随着时间推移，Fv/Fm迅速下降，12：00下降至最低点(0.276)；14：00以后，Fv/Fm逐渐回升，到18：00时，Fv/Fm为0.713. 观光木叶片的ΦPSⅡ日变化规律与Pn相似，呈双峰型，图5B显示，第1个峰值出现在08：00，第2个峰值则出现在16：00，谷底出现在12：00，此时ΦPSⅡ的值为0.113 2.

图4 观光木叶片Pn(A)、Gs(B)、Ci(C)和WUE(D)日变化

图5 观光木叶片Fv/Fm(A)和ΦPSⅡ(B)的日变化

2.6 观光木叶片光合放氧速率对温度的响应

在饱和光强下，25～35 ℃ 之间，随着温度的升高，观光木叶片的光合放氧速率增加(图6)；当温度升至35 ℃ 时，放氧速率达最大值；温度继续升高，观光木的放氧速率急剧下降，当50 ℃时，放氧速率接近零.

图6 观光木叶片光合放氧速率对温度的响应

Figure 6 Response of oxygen evolution rate to temperatures in leaves ofTsoongiodendronodorum

3 讨论

植物的光补偿点和光饱和点反映了植物对光照条件的要求，大体上耐阴的中生性植物的光补偿点小于20 μmol/(m2·s)，光饱和点为500～1 000 μmol/(m2·s)或更低[14]. 本实验结果显示，观光木光补偿点为10.08 μmol/(m2·s)，光饱和点约为800 μmol/(m2·s)，说明观光木幼树利用弱光能力较强，具有较强的耐荫性，与观光木幼树生长在浓荫郁闭的自然条件相吻合. 根据对观光木自然生态条件及其在不同生态环境下的迁地栽培观察，观光木具有喜温湿气候，耐荫，不耐强光照等特点. 特别在幼龄期，需要一定荫蔽[1].

CO2饱和点与补偿点是判断植物是否具有高光合效率遗传特性的一个重要指标[15]. 在一定的范围内提高环境中CO2的摩尔分数，可以增加Rubisco羧化活性，降低其加氧活性，抑制光呼吸，提高光合速率[16]. 观光木的CO2补偿点为 50.72 μmol/mol，饱和点为 1 200 μmol/mol，说明观光木具有高光合效率.能有效的利用空气中的CO2，可通过CO2加富等方法促进观光木的生长.

观光木Pn的日变化显示观光木对强光较为敏感. 10：00至14：00时，观光木的Pn值较低，气孔导度降低，Ci升高，表明此阶段Pn降低主要原因不是气孔关闭所致[17]，是叶肉细胞光合活性的下降造成. 在10：00至14：00时，光合有效辐射在1 200 μmol/(m2·s)以上，远超过观光木的光饱和点，且叶温达37.1～39.6 ℃,湿度为48.8%～40.3%，高温低湿，光合作用相关酶的活性降低，Pn值降低，出现光合午休现象.

叶绿素荧光动力学技术在测定叶片光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等方面具有独特的作用，与“表观性”的气体交换指标相比，叶绿素荧光参数更具有反映“内在性”特点[13,18].ΦPSⅡ是PSⅡ反应中心部分关闭情况下的实际PSⅡ光能捕获的效率，反映叶片用于光合电子传递的能量占所吸收光能的比例[13]. PSⅡ光化学效率(Fv/Fm)和实际光化学效率(ΦPSⅡ)的下降为植物遭受光抑制的重要表征[19-21]. 本实验在测定观光木叶片Pn日变化时，同步测定了其Fv/Fm和ΦPSⅡ的日变化. 在10：00至14：00，光强在1 200 μmol/(m2·s)以上时，观光木的Fv/Fm,和ΦPSⅡ均处于极低水平，特别是在12：00时Fv/Fm和ΦPSⅡ与最高点比下降幅度超过50%，反应PSⅡ活性明显受高光抑制. 强光下，观光木叶片吸收的光能只有极少量用于光化学电子传递和参与CO2固定，观光木的PSⅡ对强光的敏感性可能是其不耐强光的主要原因之一. 因此，观光木的栽培应适当遮荫，以降低叶片温度和蒸腾速率，减轻光抑制，并要适时进行喷灌，降低局部大气温度，增加湿度，从而提高净光合速率，促进植株生长.

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Photosynthetic Physiological Characteristics of 3-Year-Old Tsoongiodendron odorum Seedlings in Summer

LIU Xiaotao1, ZHANG Taijie1, LI Yunying2, PENG Changlian1*

(1. School of Life Science, South China Normal University, Guangzhou 510631, China; 2. School of Life Science, Zhaoqing University, Zhaoqing 526061, China)

The gas exchange characteristics, chlorophyll fluorescence and photosynthetic oxygen release of 3-year-oldTsoongiodendronodorum(pot-cultured) were measured in summer using a portable photosynthesis system, a PAM chlorophyll fluorometer and a leaf discs oxygen electrode, respectively. The results showed that the carbondioxide compensation point was 10.1 μmol/(m2·s), the light saturation point was 800 μmol/(m2·s), the carbon dioxide compensation point was 50.72 μmol/mol, and the carbon dioxide saturation point was 1 200 μmol/mol. The diurnal variations of net photosynthetic rate (Pn) presented as a bimodal shape. The first peak was 9.0 μmol/(m2·s)which appeared at 08：00. The second peak was 4.6 μmol/(m2·s) appearing at 16：00. There was a distinct “noon break” phenomenon at 12：00. Both PSⅡphotochemical efficiency (Fv/Fm) and actual photochemical efficiency (ΦPSⅡ) were low during 10：00 to 14：00 when photosynthetic active radiation were high, which indicated that the activity of PSⅡ decreased.

Tsoongiodendronodorum; photosynthetic characteristics; chlorophyll fluorescence; photosynthesis

2016-06-21 《华南师范大学学报(自然科学版)》网址：http://journal.scnu.edu.cn/n

国家自然科学基金项目(3157020131)

*通讯作者:彭长连，研究员，Email:pengchl@scbi.ac.cn.

Q945.3

A

1000-5463(2017)06-0065-06

【中文责编：成文；助理编辑：冷佳奕 英文审校：李海航】