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四种药用植物在喀斯特生境下的生理特征及适生性

2020-08-19郝俊霄靳文戈李良波黄荣韶唐辉甘凤琼

湖北农业科学 2020年9期
关键词:碳酸酐酶药用植物

郝俊霄 靳文戈 李良波 黄荣韶 唐辉 甘凤琼

摘要:以广西特色药用植物半枫荷(Semiliquidambar cathayensis)、裸花紫珠(Callicarpa nucl iora)、广西地不容(Stephania kwangsiensis)和山豆根(Sophora tonkinensis)为研究对象,利用Li-6400光合测定系统测定光合作用日变化,并结合叶绿素含量、叶片碳酸酐酶活力以及稳定碳同位素组成的测定,综合分析4种植物在广西那坡县喀斯特生境下的适生能力。结果表明,半枫荷和裸花紫珠光照利用能力较好,日均LUE值半枫荷(1.77%)>裸花紫珠(1.65%),且半枫荷和裸花紫珠的光补偿点低;广西地不容叶片的叶绿素含量和碳酸酐酶活力较高,分别为(3.13±0.20)mg/g和(8290.00±41.50)WAU/gFW,广西地不容叶片的碳酸酐酶活力较高,说明其固碳能力较好;7-12月山豆根和裸花紫珠株高分别增加79和36cm,植株生长旺盛;植物叶片的δ13C大小为半枫荷(-26.684±0.781)‰>广西地不容(-27.407±0.078)‰,均高于喀斯特地区C3植物的平均值,表明半枫荷和广西地不容具有较强的抗旱能力。综合分析表明,参试的4种植物对广西西南部喀斯特地区干旱环境均有不同的适应机制,表现出较好的适生性。

关键词:喀斯特生境;药用植物;光合生理特征;碳酸酐酶;稳定碳同位素

中图分类号:S567 文献标识码:A

文章编号:0439-8114(2020)09-0077-06

DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.09.015

喀斯特地貌在中国分布广泛[1],广西喀斯特地区面积占比就超过41%[2]。该地区石山多土地少,土壤保水能力差,石漠化严重,贫困人口居多,是生态建设、环境保护和扶贫攻坚的重中之重。由于喀斯特地区独特的生境以及植物适生能力的不同,给喀斯特地区生态修复和改善带来困难。利用喀斯特适生植物能有效构建可持续利用的固碳增汇体系,改善喀斯特地区脆弱环境[3]。药用植物在喀斯特地区分布较广,药用植物的可持续发展,对充分利用山区土地,有效减少水土流失,保护生态环境、发展现代农业、促进农村经济繁荣与可持续发展[4],推动乡村振兴建设的步伐都具有重要意义。

半枫荷(Semiliquidambar cathayensis)、广西地不容(Stephania kwangsiensis)、裸花紫珠(Callicarpanudifora)和山豆根(Sophora tonkinensis)是喀斯特地区常见的药用植物。其中半枫荷为中国n级保护植物,具有抗风湿、舒筋活血、消肿等作用,适合生长在土壤深厚、排水良好的土壤中[5-7]。裸花紫珠治疗皮肤科疾病、妇产科疾病、产后出血、外科疾病等疗效较好[8]。广西地不容具有健胃止痛、清热解毒等功效[9],对光的适应范围广,但光过强或过弱会影响其生长[10]。山豆根是喀斯特山区典型的药用植物,具有抗肿瘤、抗肝损伤、增强免疫力等疗效[11]。研究表明,碳酸酐酶在植物的光合作用中起到重要作用,能加速CO2和HCO3-的转化[12]。在喀斯特地区,稳定碳同位素与植物的环境相关,并有文献表明δ13C与水分利用率存在正相关[13]。广西喀斯特地区生境独特,药用植物资源丰富,但是由于石漠化和无节制的开采,以及土壤不保水使得许多特有药用植物资源正在逐渐减少甚至丧失,为保护广西喀斯特地区药用植物资源和生物多样性,广西大学农学院药用植物课题组在桂西南建立药用植物保育基地,收集、保存多种药用植物。为了探究这些植物对喀斯特地区的适生性,本研究通过测定光合特征、碳酸酐酶、稳定碳同位素等指标来研究其适应广西西南部喀斯特地区可能的生理学机制,以期为开展广西喀斯特地区特色药用植物野生抚育、回归技术、优异耐旱种质资源筛选等研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验地点位于广西壮族自治区百色市那坡县城厢镇永靖村(105°52′E,23°26′N),属于亚热带季风气候。海拔1100m,年平均温度21℃,最低温度为1月的9℃,最高温度为6月的31℃,年平均降水量为1353.1mm,12月至次年4月雨量极少,降水主要集中在5-10月。以石灰岩构成的喀斯特地貌为主。试验区为耕地,无自然植被,土层薄,土层中混杂大小不一的风化石,土壤厚度<20cm,周围无水源,无地下水。

1.2 植物材料

半枫荷和裸花紫株均为二年生苗,由广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所提供;山豆根、广西地不容均为三年生苗,由广西大学农学院药用植物课题组提供。所有植物均种植于广西壮族自治区百色市那坡县城厢镇永靖村半山坡。

1.3 光合特性日变化测定

于2019年6月4-5日进行,天气晴朗。分别选取健康植株从顶端向下数第一张完整舒展开的成熟叶片,用Li-6400便攜式光合测定系统每隔1.5h测定一次,测定时间8:00-17:00;测定的主要参数包括净光合速率(P2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr),并计算出水分利用效率(WUE)和叶片光能利用率(LUE),式(2)中Par为光合有效辐射。

WUE=Pr(1)

LUE=P

1.4 光响应曲线的测定

于2019年9月17-22日(阴天)进行测定。在光响应曲线测定中光合有效辐射从高到低设定光强梯度为1500、1200、1000、800、600、400、200、150、100、50、20、0μmol/(m2·s)共12个梯度,选择健康叶片测定,采用指数模型[14-16]进行拟合,拟合方程为:

其中,P2·s)]、I为光合有效辐射[μmol/(m2·s)]、α为初始量子效率、P2·s)]、C0為度量弱光下净光合速率趋于0的指标。

1.5 碳酸酐酶活力测定

选择长势一致的植物叶片,每份称取1g,液氮速冻保存,碳酸酐酶活力测定采用pH计法[17]。取1g植物叶片置于预冷的研钵中迅速加入液氮研磨,加入巴比妥钠提取液(20mmol/L,含琉基乙醇39mmol/L,pH8.3)进行充分研磨,最后将其定容至10mL玻璃管中,将玻璃管冰浴20min后,11000r/min离心10min,取上清液,冷藏待测。样品在检测过程中始终保持反应温度在0~2℃,取待测上清液400μL,加入15mL的巴比妥钠反应液中,然后加入10mL的饱和CO2去离子水,用pH计测定反应体系的pH变化,记录pH下降一个单位所需的时间,记为t;同样在酶失活条件下pH下降一个单位的时间记为t0,酶的活力用WA-unit表示(WA=t0/t-1)[18]。

1.6 稳定碳同位素比值(δ13C)的测定

将采回植物叶片经105℃杀青,再于60℃恒温下烘干后粉碎均匀并过200目筛。称取约3mg样品和高温处理的氧化铜丝装人到石英管中,以Pt丝作为催化剂,将样品管于920℃左右媛烧,此时样品中的有机碳全部转化成气态的CO2,于华中农业大学资源与环境学院实验中心的元素分析仪(ElementarVario PYRO cube)一同位素比例质谱仪(Isoprime100,Isoprime Ltd,England)联用系统上测定碳同位素组成δ13C。测量精度小于±0.2‰,分析结果以PDB(Pee Dee Belemnite)表示。即δ13CPDB=[(13C/12C)样本-(13C12C)标准]/(13C/12C)标准×1000‰][18]。

1.7 叶绿素含量测定

植物叶片(液氮保存)叶绿素含量的测定采用分光光度计法[19]。

1.8 生长数据测定

分别在2019年7、9、12月,在研究地点测药用植物的冠幅面积、株高以及茎基粗度,来观察植物生长量的变化。

1.9 数据统计分析

所有数据均通过Excel 2019和SPSS 19.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 4种药用植物的光合特性日变化特征

2.1.1 净光合速率和光能利用率 由图1可见,半枫荷和山豆根的净光合速率变化呈双峰趋势,两种植物均在8:00-9:30呈上升趋势,在9:30达到最高值。半枫荷在9:30-12:30呈下降趋势,在12;30-14:00呈上升趋势并在14:00达到第二个峰值。山豆根在9:30-14:00呈下降趋势,在14:00-15:30呈上升趋势,并在15:30达到第二个峰值。两种植物均在17:00达到全天最低值。裸花紫珠和广西地不容变化趋势呈单峰趋势,裸花紫珠在8:00-9:30呈下降趋势,9:30-11:00呈上升趋势并在11:00达到峰值,在11:00-17:00呈下降趋势,在17:00为最低值。广西地不容变化趋势较平缓,在9:30到达最大值,在17:00为最低值。4种植物的日均P2·s)]>半枫荷[(9.98±1.96)μmol/(m2·s)]>山豆根[(8.96±3.47)μmol/(m2·s)]>广西地不容[(4.68±1.31)μmol/(m2·s)],可见裸花紫珠在4种植物中光合生产力较高。在光能利用率方面,其日均LUE值半枫荷(1.77%)>裸花紫珠(1.65%)>山豆根(1.38%)>广西地不容(1.09%),表明半枫荷和裸花紫珠的光照利用能力较高。

2.1.2 4种药用植物的气孔导度和胞间c02浓度气孔导度与环境因子相关,不同植物的气孔导度变化有差异[20]。因4种植物均在同一环境下同一时间测定,故环境因子影响较小。由图3可知,有两种植物的气孔导度在11:00值最高,半枫荷则在14:00时值最高,广西地不容则在12:30时值最高。其中半枫荷以5.25h为周期波动,裸花紫珠和山豆根变化幅度较大,说明其更容易受环境因子的影响。广西地不容气孔导度变化趋势比较平缓,受外界影响小。

从图4可以看出,半枫荷的Ci值在8:00-11:00呈下降趋势,其中8:00-9:30与其Pn值相反,说明该时段内叶片光合作用增强,在12:30达到峰底;广西地不容8:00-9:30叶片光合作用增强,并在9:30达到峰底:山豆根在8:00-9:30和14:00-15:30光合作用增强,在9:30达到峰底。

2.1.3 4种药用植物的蒸腾速率和水分利用效率的日变化特征由图5可以看出,4种植物的Tr变化幅度较大的是裸花紫珠,变化较为平缓的是山豆根,半枫荷峰值出现在12:30,裸花紫珠峰值出现在14:00,广西地不容峰值出现在12:30,山豆根峰值出现在14:00。由图6可以看出,4种植物的WUE为半枫荷[(5.44±1.77)μmol/mmol]>广西地不容[(4.64±2.30)μmol/mmol]>山豆根[(3.86±1.35)μmol/mmol]>裸花紫珠[(3.62±0.76)μmol/mmol],说明半枫荷瞬间水分利用率较高,裸花紫珠瞬间水分利用率较低。

2.1.4 4种药用植物的叶片P2浓度(Ca)、气温(Ta)显著或极显著相关,说明广西地不容的P2濃度的影响较大,而半枫荷、裸花紫珠、山豆根的Pi显著负相关,而半枫荷和裸花紫珠的Pi相关不显著。

从表2可知,广西地不容的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均显著低于其他3种植物,但其水分利用效率与其他三者差异不显著。4种药用植物中裸花紫珠日均P2浓度和气孔导度也最大。半枫荷水分利用效率最高,但与其他三者差异不显著。

2.2 4种药用植物的光响应曲线特征参数

光饱和点和光补偿点是植物利用光合能力的体现[21]。如表3所示,4种药用植物的光饱和点为山豆根>半枫荷>裸花紫株>广西地不容,说明山豆根和半枫荷适应强光的能力好,广西地不容光饱和点最低,说明广西地不容是喜阴植物,遮阴环境更适合其生长。4种药用植物的光补偿点为山豆根>广西地不容>半枫荷>裸花紫株,说明裸花紫株和半枫荷对弱光的适应能力最好,在弱光下依旧可以进行光照积累。4种药用植物的表观量子效率为裸花紫株>半枫荷>广西地不容>山豆根,半枫荷和裸花紫株表观量子效率高且光补偿点低,说明其喜阳耐阴,对光的适应范围广,其中半枫荷为4种植物中对光适应范围最广的药用植物。

2.3 4种药用植物的叶片叶绿素含量

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素,能在一定程度上反映植物光合能力的强弱。由表4可知,4种植物中叶绿素含量广西地不容>半枫荷>裸花紫珠>山豆根。叶绿素总量广西地不容和山豆根间的差异较大。

2.4 碳酸酐酶活力与δ13C

碳酸酐酶在植物光合作用中起重要的作用。碳酸酐酶通过调节CO2和HCO3-之间的转化来达到固碳的目的[3,22-24]。4种药用植物的碳酸酐酶活力及稳定碳同位素组成δ13C如表5所示,可以看出半枫荷、裸花紫珠、山豆根的碳酸酐酶活力明显低于广西地不容,山豆根的碳酸酐酶活力最小。说明广西地不容的固碳能力较好,对喀斯特生境具有较好的修复能力。

4种药用植物叶片的δ13C大小为半枫荷>广西地不容>山豆根>裸花紫珠,即半枫荷和广西地不容的长期水分利用效率较高。与上述WUE的结果一致。

2.5 4种药用植物在7-12月的生长特性

如图7、图8、图9所示,4种药用植物的冠幅面积、株高、茎基粗在7-9月总体呈增长的趋势(其中山豆根的冠幅面积略微减小是由于管理人员修剪所致,广西地不容处于休眠期导致植物叶片凋零),裸花紫珠和山豆根增长趋势最为明显,总体来说,4种药用植物生长总体呈增长趋势。

3 小结与讨论

本研究在桂西南那坡县海拔1200m的典型喀斯特地区研究了广西特有药用植物裸花紫珠、半枫荷、山豆根和广西地不容的光合作用日变化、碳酸酐酶活力、叶绿素含量和稳定碳同位素组成,结果表明参试药用植物对喀斯特干旱的生态环境具有不同的生理适应性。在光合日变化方面,裸花紫珠的P2·s)、日均WUE为2.43μmol/mmol[25],均低于本研究中裸花紫珠所测值;同时,裸花紫株株高、冠幅面积、茎基粗分别增长36cm、21 133:67cm2和15.38mm,在此期间该植物开花结果,说明裸花紫珠在喀斯特地区具有较强的适应性。广东省河源市种植的半枫荷P2·s)[26],而本研究的半枫荷P2·s),远高于广东省所测值,同时在本研究的干旱环境下半枫荷的株高、冠幅面积和茎基粗分别增加了23.34cm,1304.34cm2和4.54mm。C3植物的δ13C值在-20‰~-35‰之间,且平均值为-27‰左右&?sup>13餋大说明植物适应喀斯特地区干旱的生境[27,28],在本研究中半枫荷和广西地不容的δ13C值均大于平均值,有较好的固碳能力,说明水分利用率较高。而在干旱环境下山豆根在所测定的项目中没有明显的高值,但在所观察的6个月的生长周期中,山豆根株高增长达79cm,也说明了山豆根是适应试验区的生长环境的,但其适应干旱环境的机制尚待进一步研究。由此可见,不同的参试药用植物在喀斯特的干旱环境条件下表现出不同的生理和水分利用特征,显示其可能具有不同的适应喀斯特生态环境的生理生态机制。该研究为喀斯特地区药用植物栽培提供了一定的科学依据。

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收稿日期:2020-04-10

基金项目:广西科技重大专项(桂科AA18118015);国家自然科学基金项目(31760112)

作者简介:郝俊霄(1994-),女,河南焦作人,在读硕士研究生,研究方向为喀斯特石漠化治理,(电话)18878735347(电子信箱)1944662470@qq.com;通信作者,唐辉(1972-),男,广西兴安人,研究员,主要从事喀斯特特色药用植物引种驯化工作,(电话)0771-3237758(电子信箱)913529761@qq.com。

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