智永祺 郑玉红 张鹏翀

摘要：为了解温度对石蒜光合作用的影响，研究了阶跃温度条件下石蒜光合作用动态变化。结果表明，阶跃温差越大，对石蒜光合作用影响越大。其中，5～20 ℃温度阶跃处理影响最大，处理中期净光合速率（Pn）小于0，蒸腾速率（E）上升。另外，阶跃温差越大，中期Pn的恢复时间越长。除5～10 ℃温度阶跃处理外，其他处理Pn在不同阶段之间变化不连续。阶跃处理中期，5～10 ℃处理Pn最不稳定，5～20 ℃处理最稳定。5～15 ℃和5～20 ℃处理的MDA含量变化趋势一致，呈“W”形，而5～10 ℃处理呈“M”形。不同处理POD活性总体呈上升趋势，处理30 min内，阶跃温差越大，POD活性越高。不同处理间SOD活性的变化差异较大，5～10 ℃处理SOD活性逐渐下降，5～15、5～20 ℃处理分别为先升后降和先降后升变化趋势，处理30 min后，阶跃温差越大，SOD活性越高。5～10 ℃和5～20 ℃处理的可溶性蛋白含量是先升后降变化趋势，5～15 ℃处理则为峰谷交替变化趋势。该结果从光合生理角度阐明了温度阶跃影响石蒜光合作用和新陈代谢，可为石蒜冬春季栽培中温度控制提供参考依据。

关键词：温度阶跃;石蒜;光合作用;新陈代谢

中图分类号： S682.2+90.1  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）22-0148-04

石蒜（Lycoris radiata）是石蒜属（Lycoris Herb.）植物中自然分布最广的种类。不同于一般落叶植物，石蒜秋季出叶，春季落叶。从石蒜叶片衰老的时间看，环境温度的改变是导致其夏眠的主要原因。同属春出叶长筒石蒜（L. longituba）的研究也发现，叶片衰老与温度密切相关[1]。恒温处理能使忽地笑（L. aurea）叶片营养生长呈现出常绿状态[2]。可见，温度对石蒜属植物的营养生长具有重要影响。

温度对石蒜生长发育影响的研究，主要集中在对开花的影响[3-5]，而对营养生长的研究较少。已有的研究发现，石蒜具有较强的抗寒性，0 ℃条件下也能正常生长[6-7]。温度还影响石蒜的分布，最冷季度平均温度对石蒜分布影响最大，最佳适生区对应的最冷季平均温度在-2～8 ℃之间[8]。不同温度下石蒜光响应曲线的研究发现，石蒜的光合最适温度为10～15 ℃[9]。

通过分析温度对石蒜光合作用的影响是理解石蒜独特生物学特性的基础，可以了解低温环境下植物生活的活动。近年来，在温室效应的作用下，出现“一天中温度快速变化”的现象越来越多。石蒜营养生长期（光合作用）主要是在晚秋—冬季—早春时期，这个阶段最容易产生环境温度快速变化。因此，本研究将石蒜作为研究植物适应温度快速变化的代表植物，研究温度阶跃条件下石蒜光合作用的动态响应过程。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料为石蒜，直径约3 cm，取自于南京林业大学石蒜苗圃，盆栽于草炭基质中，室温20 ℃培养，每3 d浇水1次。4周后，转入5 ℃、相对湿度恒定为60%的人工气候箱（宁波赛福，PRX-450B）培养1周。

1.2 试验方法

试验于2016年1月份进行。仪器为GFS-3000型高级光合作用测量系统（Heinz Walz GmbH，Effeltrich，Germany），叶室光照为红蓝光源（3040-L）提供。选取35 cm左右长势一致、健康叶片测定。

1.2.1 阶跃温度对石蒜光合参数的影响 设置人工气候箱温度分别为5、10、15、20 ℃，设定光照强度为80%。

选取健康石蒜叶片，设定叶室温度为5 ℃，测定样品叶的光合参数为背景值;然后将石蒜分别转入10 ℃（T1：温度阶差5 ℃）、15 ℃（T2：温度阶差10 ℃）、20 ℃（T3：溫度阶差15 ℃）人工气候箱，同时调整叶室温度与人工气候箱温度相同，测定叶片光合参数作为石蒜对阶跃温度的响应值，直到达到稳定状态。试验重复3次。5 ℃起始阶段，数据为手动记录，此时记录3个测量点;转入温度不同的人工气候箱后，数据为程序自动记录，测量点时间间隔为5～45 s的循环。测量的光合参数包括净光合速率（Pn）、蒸腾速率（E）、胞间二氧化碳浓度（Ci）和气孔导度（Gs）等。

1.2.2 阶跃温度对石蒜叶片新陈代谢的影响 取材时间同“1.2.1”节。每个阶跃温度处理于第3次重复测量时取样。5 ℃取样1次，转入阶跃温度处理5 min取第2次样，随后每 5 min 取1次样，处理30 min取最后1次样。每次取3张长势一致叶片，迅速转入-80 ℃冰箱保存。

取石蒜叶片，擦净组织表面污物，去中脉剪碎，混匀。称取剪碎样品0.5 g，磷酸缓冲液（PBS）冰浴研磨呈匀浆，测定可溶性蛋白质含量[10]、POD活性[11]、SOD活性[10]以及MDA含量[12]。

1.3 数据处理

运用Excel 2010对数据进行汇总、计算，并进行相关性分析，R软件绘图。

2 结果与分析

2.1 阶跃温度处理对石蒜叶片净光合速率（Pn）和蒸腾速率（E）的影响

从图1可以看出，3个不同温度阶跃处理在从5 ℃人工气候箱转出时，净光合速率Pn明显下降，在上升一段时间后，最终达到稳定状态。因此，可依据Pn的变化，把温度阶跃处理过程分为3个时期，即前期、中期和后期。前期，石蒜在 5 ℃ 人工气候箱中培养，以转入不同温度的人工气候箱后叶片Pn变化阶段为中期，后续Pn的波动阶段为后期。

不同阶跃温度处理中期时间长度不同;温度阶差越高，中期时间越长。从前期到中期，阶差温度为15 ℃（T3）时叶片Pn降幅最大，约下降2.90 μmol/（m2·s），但之后稳步上升;阶差温度为5 ℃（T1）时Pn降幅最小，约为0.35 μmol/（m2·s）;阶差温度为10 ℃（T2）时Pn降幅中等，约为0.98 μmol/（m2·s）。中期稳定程度则随阶点温度下降而降低，T3处理最稳定，T2处理在中后期逐渐上升，而T1处理在从中期起始连续上升，但不稳定。观察中后期衔接处发现，T1处理连续性较好，后期Pn稳定程度与中期相近（图1）。

不同处理蒸腾速率（E）变化不同（图1）。从前期到中期，T1、T2处理E值下降，而T3处理为升高。在中期，T1处理的E值第50个测量点达到最小值;T2处理先降后升，而T3处理的E值在波动中上升。研究发现，尽管在T3处理中期E值最高，达到0.359 6 mmol/（m2·s），但是Pn却为负值，表明其呼吸作用强于光合作用。后期，T3处理最稳定，T2处理波动幅度小，而T1处理最不稳定，呈“升—降—升”的变化趋势。

2.2 阶跃温度对胞间CO2浓度（Ci）和气孔导度（Gs）的影响

3种阶跃温度处理中，温度阶差5 ℃时胞间CO2浓度（Ci）值在中后期出现异常。根据Ci计算公式和实际意义，去除异常值后再比较。由图2可知，Ci值随温度阶差的升高而上升，温度阶差15 ℃时值最高，中期均值约为476.93 μmol/mol;温度阶差5 ℃时最低，中期均值约288.18 μmol/mol。中期的Ci值总体都表现为下降，温度阶差5 ℃和15 ℃时Ci值连续下降，而温度阶差为10 ℃时表现为先升后降变化趋势。

在各阶跃温度处理的中期和后期，气孔导度（Gs）对温度阶跃的响应与E值变化趋势相似;不同的是，从前期到中期，温度阶差为5 ℃时Gs呈上升趋势，而E值则呈下降的趋势;Gs最大值出现在第19个测量点，为5.01 mmol/（m2·s），距测量开始约9 min;从中期到后期，Gs呈连续变化，变化趋势由下降转为上升，后期Gs先升后降，最后逐渐稳定。T2处理中，中后期的变化幅度不大，总体趋势为先降后升，Gs最大值出现在倒数第3个测量点，为5.63 mmol/（m2·s）。T3处理中，中期Gs值变化呈“M”形，从中期到后期，Gs值断裂式下降，后期的Gs值呈逐渐上升的趋势，Gs最大值出现在中期，在第124个测量点处，为18.99 mmol/（m2·s）。

2.3 阶跃温度处理期间石蒜叶片各光合参数的相关性分析

由表1可知，除T1处理Pn与E、Ci、Gs的相关关系不显著外，其余指标都呈极显著相关关系;但是相关性不同。T2处理中Pn与E呈极显著正相关，相关系数为0.71，T3处理时却呈极显著负相关，表明不同阶跃温度处理期间，E值对净光合速率Pn的影响不同。T2处理中Pn与Gs呈极显著正相关，相关系数为0.65;T3处理中二者则呈极显著负相关，相关系数为-0.40。T1、T2处理中，E与Ci均呈极显著为负相关，相关系数分别为-0.38和-0.44;T3处理中二者呈极显著正相关关系，相关系数为0.27。但所有处理中，Gs和E之间呈极显著正相关关系，且均为为强相关。

2.4 阶跃温度对石蒜叶片新陈代谢的影响

图3-A所示为不同阶跃温度对石蒜叶片丙二醛（MDA）含量的影响。总体上，T1处理石蒜叶片的MDA含量均值最高，为344.42 μmol/g;随时间延长呈“M”形的变化趋势：在处理 5 min 后上升，10 min后下降，15 min后趋于稳定，约为 302.82 μmol/g。T2、T3处理的MDA含量变化趋势一致，呈“W”形，2次谷值出现的时间分别为处理5、10 min，而15 min后MDA含量均上升;T2处理后期MDA含量低于前期，T3为高于前期。

不同处理POD活性总体变化趋势是先升高、后降低、再升高（图3-B）。不同的是，各处理之间第2次升高的时间点不同，T1和T3处理15 min处升高，T2处理在20 min处升高。但T3处理POD活性整体较高，平均值为 225.63 U/（g·min），高于其他处理。10 min以后活性最高值是251.23 U/（g·min），其他2个处理平均值分别为 211.33、218.16 U/（g·min）。

不同于POD活性的变化，不同处理SOD活性的变化差异较大（图3-C）。T1处理的石蒜叶片SOD活性在前中期迅速下降，中期下降逐漸平缓，至后期已基本不再变化;T2处理石蒜叶片的SOD活性在0～5 min上升，5 min以后下降，20 min 以后逐渐稳定;T3处理石蒜叶片的SOD活性在10 min前比较平稳，10～15 min呈下降趋势，15 min后则迅速上升。30 min处T3处理SOD活性最高，为559.34 U/g。总体来看，T2处理的活性维持在较高水平，平均值594.92 U/g。

图中3-D所示为不同阶跃温度处理对石蒜叶片可溶性蛋白含量的影响，不同处理间可溶性蛋白含量差异不大，T1和T3处理趋势相似，0～5 min均为上升，5 min以后上下波动;T1处理含量最高，均值为1.84 mg/g。T2处理在0～5 min呈上升趋势，5 min后则为下降，均值为1.65 mg/g。

3 讨论与结论

3.1 石蒜光合作用对温度阶跃的响应

迄今为止，对于植物光合作用的研究，大多是在稳态下进行，植物光合作用的瞬态响应极少被研究。Laisk等首先进行了尝试[14]，因附属硬件较多，只能在室内进行测定;国内仅对春玉米（Zea mays）和番茄（Lycopersicon esculentum）进行过相关研究[15-16]。本研究通过人工气候箱精准控温，对阶跃温度条件下石蒜光合作用动态变化进行了研究。阶跃温度的设定依据是自然条件下，石蒜营养生长期间月平均最高温为 9.4～17.4 ℃、月平均最低温为2.1～8.2 ℃（<9 ℃）。

虽然阶跃起点均为5 ℃，但由于温度阶差不同，净光合速率的响应也不同。王婷认为10～15 ℃是石蒜的最适光合温度，其中10 ℃比15 ℃更适合石蒜光合作用进行[9]。本研究中，温度阶差为10 ℃时Pn降幅最小，说明5～15 ℃温度处理对石蒜的光合作用影响最小;处理的温度阶差为15 ℃时，Pn降幅最大，相关性分析表明，Pn与Ci、E呈极显著负相关，Ci高于环境二氧化碳浓度值，说明阶点温度为20 ℃时，超出了石蒜最适光合作用温度范围，也间接证明了当气温升高到 20 ℃ 以上时，石蒜光合能力的下降[17]。温度阶差为15 ℃时Pn在不同阶段之间波动明显，结合此阶段MDA和可溶性蛋白含量变化及POD、SOD活性变化，可知温度大幅升高可能引起石蒜新陈代谢的紊乱从而导致光合速率的明显波动，这可能是石蒜夏眠的重要原因之一。

从前期到中期，3种阶跃温度处理Pn都有不同程度下降。根据Gs和Ci变化可以判断，这种下降都不是由气孔因素主导[18]。温度阶差为15 ℃时，Pn一度出现负值，表明此时光合产物的积累无法满足呼吸作用的需要。对同为夏眠的荒漠植物托里阿魏（Ferula krylovii）的研究表明，适当升高温

度会引起呼吸速率的增加[19]。故推断石蒜在进入20 ℃环境时，呼吸速率增加，但由于呼吸作用释放能量是一个缓慢的过程[20]，提供的能量不足以支持足够的光合作用，也可能是由呼吸作用与光合作用共用物的量不足以及PSⅡ的活性下降导致，所以表现出Pn为负值。温度阶差为5～15 ℃时，从前期到中期，Pn均不连续，表明温度阶差≥5 ℃时，短期内不利于石蒜光合作用。该结论得到小麦高温条件下光合特性研究的支持[21]。在3种不同阶跃温度处理中期，随着呼吸作用产生能量的释放，呼吸作用与光合作用共用物的积累，以及 PSⅡ 活性的逐渐恢复等，Pn缓慢上升。此外，不同处理中期的稳定时间长度也存在差异，T3最长，T1几乎为0。其原因可能为温度阶差越大，呼吸速率越大，对光合作用和呼吸作用的共同物ADP和NAPD+的需求量也越大，这2种物质积累所需的时间也越长;同时，阶点温度越高，PSⅡ活性下降程度越大，活性恢复所需时间越长，推测为多个因素共同造成光合系统适应温度变化时间的增加[18]。而在后期，Pn保持相对稳定，也证明了该推断。T1处理后期，Ci大幅下降至负值，原因是当Gs很低，气孔未完全开放，就会出现Ci测定值为负的情况。当然，这是不真实的，实际情况是Ci很低。T1处理后期的末段出现了Ci>20 000 μmol/（m2·s），也是异常值，具体原因有待进一步研究。

3.2 阶跃温度对石蒜新陈代谢的影响

受到阶跃温度处理的石蒜，抗氧化系统也会发生变化，不同生理指标的活性变化情况不同。丙二醛（MDA）是细胞膜质过氧化产物之一，能加剧膜的损伤，故MDA的含量是反应膜脂过氧化的重要指标[22-23]。比较不同阶跃温度处理发现：温度阶差越小，对细胞膜稳定性影响越大。而T3处理对细胞膜稳定性影响不大，这可能是由于20 ℃对石蒜还未致死，但高温又引起适应膜系统变化的节奏放缓;而T2处理的MDA总体下降，可能是15 ℃的环境条件对石蒜膜系统影响不大。

不同阶跃温度处理抗氧化酶系统中各酶的活性变化有差异，SOD活性的变化差异最大，POD活性变化相对较小，但总体均有不同程度的上升。在不同处理过程中，不同的抗氧化酶在各阶段发挥的作用不一样：T1处理POD活性上升，SOD活性下降，POD在抗氧化过程中起主要作用;T2处理SOD活性在5min时最大，POD活性在20 min时达到最大，说明在5～15 ℃阶跃温度处理中，不同的抗氧化酶在不同时期起着主要作用;T3处理SOD活性变化不大，而POD活性呈明显上升，是POD在抗氧化系统中起着主要作用。

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