刘文东，曹国璠，李金玲，赵 致，王礼科，汪佳维，张猛

（1.贵州大学，贵州 贵阳 550025；2.贵州省药用植物繁育与种植重点（工程）实验室，贵州 贵阳 550025）

2020 版《中华人民共和国药典》中收录的白术为菊科植物白术（Atraactylodes macrocephala kiodz.）的干燥根茎[1]。白术有效成分主要为挥发油、多糖、内酯类和其他成分，多用于抗肿瘤、抗炎、胃肠调节功能和抗抑郁等[2,3]。白术主要分布在我国安徽、浙江、湖南和江西等省份[4]。作为大宗药材之一的白术，需求量较大，具有很大的经济价值。

光合作用是植物生长发育的基础，作为地球上最大的C 固定生物化学物理过程，也受到很多因素的影响，除受自身叶绿素含量、叶片厚度和叶片成熟程度影响外，更受光照强度、气温、空气湿度和土壤等因子左右[5,6]。探究弱光条件下的表观量子效率可以描述光合机构功能运转状态是否正常，测定光合作用饱和点范围可了解植物在饱和光下的光合能力[7]。CO2 作为光合作用的一种基本原料，也是影响光合速率的重要因子，测定光合作用的CO2 响应曲线更是探究植物光合作用的基础。由于不同植物甚至不同部位有不同的光适应特性，研究植物对光的响应有助于探究其光合作用产物积累与环境的关系[8]。当前研究多集中于白术连作和胁迫条件下的光合作用探究，但鲜有人探究常规种植下白术光合作用特性[9-11]。本文通过人工控制温度、CO2 浓度和光照强度等条件测定不同年限白术不同部位叶绿素含量、光响应参数和CO2 响应参数，应用直角双曲线模型拟合曲线，进一步分析白术不同部位光合作用效率和光合作用能力，阐明白术不同部位叶片光合作用差异，为提高白术药材产量阐明生理机理，也为探究白术光合作用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及材料来源

试验种植白术的种子和白术种术栽（1 年生白术地下块茎）选购于安徽省亳州市锐航中药材种苗销售公司。种栽与种子分别于2019 年12 月30 日和2020年4 月1 日种植于贵州省贵阳市花溪区贵州大学教学实验基地（东经106°67'～106°67'，北纬26°11'～26°40'），该地平均海拔1 095 m，年平均气温14.9 ℃，无霜期246 d，年降雨量1 178.3 mm。白术生长期间统一采用中药材生产标准进行田间管理。

对1 年生、2 年生白术的上部、中部和下部功能叶片（部位选择见图1）进行光合作用测定，选择长势较为一致的5 株进行重复测定，每个部位都选择健康且完全展开叶进行测定。

图1 白术不同部位叶片的划分Fig.1 Blade division of different parts of Atiactylodes

1.2 数据测定

采用便携式光合仪（LI-6400XT，LI-COR Inc，USA）在2020 年7 月20 日至7 月26 日的9：00～11：00 对白术进行光响应曲线和CO2 响应曲线的测定。测量光响应曲线时，控制叶室温度为25℃、流速500mol s-1、CO2采用CO2 Mixer注入系统（浓度控制400mol mol-1）、PAR 强度梯度设置为1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50 和0mol m-2s-1。测定CO2 响应曲线时，叶室温度控制为25℃、流速为500mol s-1、PAR为1 000mol m-2s-1、CO2 采用CO2 Mixer 注入系统且浓度梯度控制为400、300、200、100、50、400、600、800、1 000、1 200 和1 500mol mol-1，叶片适应时间为3～5 min，设定好参数后由LI-6400XT 内置自动测量程序完成光响应曲线和CO2 响应曲线。

使用便携式光合仪于2020 年7 月20 日至7 月26 日9：00～11：00 对不同年限白术上部、中部和下部进行净光合速率（Pn）、气孔导度（Cond）、胞间二氧化碳浓度（Ci）和叶片蒸腾速率（Tr）测定。测量时，控制叶室温度为25 ℃、流速500mol s-1、CO2 采用CO2 Mixer 注入系统（浓度控制400mol mol-1）、PAR 强度为1 000mol m2s-1。

将上部、中部和下部对应测定叶片带回贵州省药用植物繁育与种植（工程）实验室进行叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a/b、类胡萝卜素和叶绿素总量的测定。称取0.1 g 不同部位白术叶片（无叶脉），剪成小块，用3mL 95%乙醇研磨成匀浆，转移至10 mL离心管（95%乙醇洗涤用量2 mL），暗处理静置提取12 h，3 000 r/min离心10 min，定容至10 mL，上机测定470、649、665 nm3 个波长处的最大吸光值。

1.3 数据处理

用光合作用对光响应的直角双曲线模型[12]拟合光响应曲线，得出最大净光合速率（maximal photosynthetic rate,Pn-max）、初始量子效率（initial quantum efficiency,）、饱和光强（saturation light intensity,Isat）、光补偿点（light compensation point, Ic）和暗呼吸速率（dark respiration rate, Rd）等参数。CO2 对光响应的直角双曲线模型[13]拟合CO2 响应曲线，得出植株光合能力（photosynthetic capacity, Pmax）、羧化速率（carboxylation efficiency,EC）、饱和CO2 浓度（saturation CO2 concentration，Cisat）、光呼吸速率（photorespiration, Rp）和CO2 补偿点（CO2 compensation point）等参数。利用SPSS 26.0 进行模型拟合和参数之间的差异对比，采用LSD 法进行多重比较。利用Excel 2010 和Power Point2010 进行相关图表绘制。

2 结果

2.1 白术不同部位叶绿素含量差异

白术不同部位叶绿素含量差异，见表1。

表1 白术叶片叶绿素含量差异Table 1 The content of chlorophyll in leaves of Atiactylodes

表1 数据显示，白术不同部位叶片叶绿素含量差异较小。1 年生白术不同部位叶片叶绿素a 含量和叶绿素总量存在差异，表现为中上部叶片中的叶绿素a和叶绿素总量显著高于（P ＜0.05）下部叶片，而叶绿素b、类胡萝卜素和叶绿素a/b 值各个部位叶片之间的含量没有显著差异；2 年生白术不同部位叶片叶绿素a、叶绿素b 和叶绿素总量的值不存在显著差异，而类胡萝卜素含量在不同部位之间差异较大，表现为上部＞中部＞下部；1 年生与2 年生对比可以发现，除类胡萝卜素外，2 年生白术的其他叶绿素相关指标都远大于1 年生。

2.2 白术不同部位叶片净光合速率差异

白术不同部位叶片净光合速率差异，见表2.

表2 白术叶片Pn、Ci、Cond 和Tr 的差异Table 2 Differences of Pn,Ci,Cond and Trmmol in leaves of Atiactylodes

2.3 白术不同部位叶片光合参数的差异

图2 1 年生、2 年生白术不同部位叶片光合作用对光的响应曲线拟合。a：1 年生上部叶片，b：1 年生中部叶片，c：1 年生下部叶片；d：2 年生上部叶片，e：2 年生中部叶片，f：2 年生下部叶片Fig.2 Light response curve fitting of photosynthesis in different parts of annual and biennial atractyloides.a:upper leaves of anaual,b:middle leaves of annual,c:lower leaves of annual；d:Upper leaves of biennial,e:middle leaves of biennial,f:lower leaves of biennial

图3 1 年生、2 年生白术不同部位叶片光合作用对CO2 的响应曲线拟合。A：1 年生上部，B：1 年生中部，C：1 年生下部；D：2 年生上部，E：2 年生中部，F：2 年生下部Flg.3 Light response curve fitting of photosynthesis in different parts of annual and biennial atractyloids.A:Upper leaves of annual,B:middle leaves of annual,C:lower leaves of annual；D:Upper leaves of biennial,E:middle leaves of biennial,F:lower leaves of biennial

从图2 和图3 曲线拟合情况可知，直角双曲线模型可以很好地拟合白术光合作用对光的响应曲线和CO2 对光的响应曲线。1 年生白术的拟合曲线拟合度为R2a=0.996，R2b=0.993，R2c=0.998，R2d=0.998，R2e=0.999，R2f=0.998；2 年生白术的为R2A=0.990，R2B=0.987，R2C=0.985，R2D=0.993，R2E=0.987，R2F=0.987。从图中可知不管是拟合值还是测量值，Pn都随着光强和CO2浓度的增加而增大，当光强达到1 000mol m-2s-1和CO2 浓度为800mol mol-1之后增加幅度变小且逐渐下降。曲线无法精确拟合净光合速率随着光强或饱和二氧化碳浓度增加至饱和之后的点。

表3 白术叶片光响应参数差异Table 3 Differences in light response parameters of Atractylodes leaves

由于直角双曲线无法直接拟合出植物的最大净光合速率和饱和光强，需要通过再次线性拟合光强小于等于200mol m-2s-1时的线性方程（a 为≤200mol m-2s-1拟合直线斜率）算出。通过两次拟合后得出表3 数据，分析可知1 年生白术不同部位叶片各光响应参数存在差异。表现为各部位光补偿点（Ic）没有显著差异，但下部叶片却略高于中上部，2 年生白术与1 年生的一致，说明下部叶片衰老且对光利用能力下降；叶片的Pn-max为上部＞中部＞下部，分别为21.27、16.8 和11.39mo（l CO2）m-2s-1；各个部位叶片的暗呼吸速率（Rd）和表观量子效率（）并没有太大差异，说明1 年生白术对低光强的利用率，各个部位的叶片并没有显著差异；而上部叶片的光饱和点（Isat）显著高于中下部，为680.89mol m-2s-1。2 年生白术叶片的Ic、Rd 和Isat 之间没有显著差异；而Pn-max 却表现为上部＞中部＞下部，最大值为21.57mol（CO2）m-2s-1。

表4 白术叶片CO2 响应参数差异Table 4 Differences of CO2 response parameters in Atractylodes leaves

采用同样的方法对白术叶片CO2 对光的响应曲线进行拟合，进行两次拟合后计算得到表4 参数（线性方程为Pmax=K*Cisat-Rp，K为CO2 浓度≤200mol mol-1时拟合直线斜率）。分析参数可知不同年限白术不同部位叶片CO2 拟合参数值存在差异。1 年生白术的CO2补偿点各部位叶片不存在显著差异，但随叶位下降而升高；上部叶片的光合作用能力（Pmax）远高于中下部叶片，为67.71mol(CO2) m-2s-1，上部相对于下部高出49.60%；而羧化速率（EC）、光呼吸速率（Rp）和CO2饱和点浓度（Cisat）在不同部位叶片之间没有显著差异，说明旺盛生长期的白术中上部叶片是其光合作用的主要部位，下部逐渐衰退。同样2 年生白术不同部位叶片的EC 和Rp 也没有显著差异，CO2 补偿点和1 年生趋势不同，但相同部位较1 年生补偿点浓度高；而Pmax 和Cisat 却随着叶位的下降而降低，最为显著的是Pmax，分别为上部[72.02mo（l CO2）m-2s-1]＞中部[45.00mol (CO2) m-2s-1]＞下部[28.75mol（CO2）m-2s-1]；上部叶片Cisat 显著高于中下部叶片，为1 157.02mol mol-1，说明2 年生白术上部叶片的活力更强，进行光合作用和对CO2 的固定能力也更强，其原因是出蕾后期的白术花蕾具有更强的库强。

3 讨论

植物生理生长和生殖生长以及光合作用产物积累与分配都深受光合作用的影响。由于不同植物甚至不同叶位具有不一致的光合作用特性，因此探究植物光合作用一直是植物生理生态学的研究热点。但是植物光合作用不仅受到自身因素的影响，更受到外界环境因素的影响，导致了光合反应的复杂性[14-17]，探究光合作用对光和CO2 的响应一直是了解植物光合作用特性的基础手段之一。为了了解白术光合作用特性，本文对不同年限白术的不同部位的叶片进行了光合作用相关生理指标测定，发现白术上部叶片具有更高的叶绿素含量，这与陈良秋等[18]人的研究相似，因为同一时期不同叶位的叶片发育程度不一致，下部和中部叶片较上部具有更高的成熟度，成熟度越高导致叶绿素合成代谢缓慢[19]，所以在叶片叶绿素含量上呈现出上部＞中部＞下部的趋势。

通过控制光强、温度和CO2 浓度等参数测定不同年限白术不同部的位叶片光合速率发现，中上部叶片的Pn、Cond、Ci、Tr 与叶绿素含量都显著高于下部，这与切花菊和马铃薯不同叶位光合参数有相似之处，但不同于黄瓜[20-22]，这是由于植物净光合速率受叶位高低的影响，不同叶位的叶片叶绿素含量、叶绿体超微结构、基粒数目和片层等随叶位的上升而增加，光合强度也高于其他叶片[23]。采用直角双曲线模型拟合发现，白术叶片光饱和点在680mol m-2s-1左右且随叶位下降，二氧化碳饱和点在1 200mol mol-1左右且随叶位下降。叶位不同导致叶片成熟度和衰老速度等不一致，相应的叶绿素含量随叶位下降而降低，光合作用能力也随之下降；叶片衰老导致叶片气孔导度、叶片含水量和二氧化碳扩散速率等参数下降，所以白术下部叶片光合作用能力下降主要由气孔因素引起的[24-26]。

此外通过对拟合后的参数分析，得到不同年限白术不同部位叶片的光补偿点、表观量子效率、饱和光强、羧化速率补偿点和饱和点等指标，由于白术发育阶段和叶位不同等原因导致差异不一致，呈现上部＞中部＞下部趋势，这是因为中上部叶片属于白术的功能叶片，能够进行正常的光合作用；虽然中部叶片可能开始衰老，但不明显；而下部叶片已经开始衰老，导致其各光合参数较低，且叶片衰老进一步导致气孔导度下降，叶片含水量减少，CO2 扩散阻力增大[27-29]。另外从拟合参数可以看出，补偿点偏高而饱和点偏低，这是由于该模型无法拟合Pn 随光强或CO2 浓度增加而逐渐下降的阶段，导致出现拟合饱和点较实际饱和点偏低，拟合补偿点较实际补偿点偏高，而且默认光强或CO2 浓度≤200mol mol-1时Pn 呈线性增加，相关学者已经证明[30]，所以本文在进行净光合测定时选择饱和光强为1 000mol m-2s-1。

综上所述，光合作用是白术生长发育的基础，但白术不同叶位叶片的光合作用大小存在差异。在探究白术光合作用生理时发现白术中上部叶片光合作用更强，是白术干物质生产的主要部位。