陈兰英，肖 娟

(1.西华师范大学 生命科学学院，南充 637000；2.西华师范大学 环境科学与工程学院，南充 637000)

密蒙花为马钱科醉鱼草属植物密蒙花(BuddlejaofficinalisMaxim.)的干燥花蕾及花序，主要分布于我国西南及中南等地区，作为传统中药，具有清热养肝、明目退翳之功效并于2015年载入《中国药典》[1-2]。目前对密蒙花的研究多集中于对药用部位的化学成分、药理活性和临床应用上的研究，而对密蒙花的生存环境，特别是生境异质性对密蒙花植物的影响及光合生理特性相关方面的研究还鲜有报道[3-7]。密蒙花目前的市场供应源主要来自野生种群，部分产地的密蒙花成年树种数量小，株幼苗成活率低，种群发展趋于衰退[8]。因此，保存现有密蒙花较大植株，开发种植密蒙花是今后发展的重要方向。进行密蒙花的栽培种植，了解其光合生理特性是基础，而选择适用于密蒙花光合-光响应曲线的模型是取得密蒙花光合生理特性的关键。根据密蒙花植物在野外生境中主要分布在疏林、路旁灌丛中的生长特征，以及前期对密蒙花黄酮类化合物进行研究发现：不同生境、不同的花期对密蒙花的主要黄酮类化合物(蒙花苷、木犀草素和芹菜素)的影响具有显著差异，在盛花期密蒙花的次生代谢产物最高。基于此推测密蒙花植物对光照强度的适应能力具有一定的差异，不同的生境条件对其生长和生理特性可能产生不同的影响[9]。在植物的光合-光响应曲线拟合中，运用不同模型拟合得到的光合参数不同，进行拟合时应选择适合植物的光响应曲线拟合模型，并根据曲线计算才能得到符合植物光合作用的光合生理参数[10]。迄今为止，还未见有不同生境下密蒙花的光合生理过程的相关研究。因此，在密蒙花的盛花期，利用直角双曲线修正模型、改进指数函数模型、指数函数模型、非直角双曲线模型及直角双曲线模型等5种常用模型对不同生境密蒙花的光合-光响应曲线进行拟合，筛选适用于密蒙花的光合响应曲线拟合模型，根据模型计算出密蒙花的光合生理参数并比较不同生境密蒙花植物光合特性的差异，探讨生境异质性对密蒙花的光合生理特性、次生代谢产物及叶片叶绿素含量的影响，为今后深入研究密蒙花精细化栽培技术、提高密蒙花的生态适应性提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究在川东北丘陵地区南充市与广安市交界地金城山森林公园(N30°45′，E106°28′)进行，该地海拔最高为1 128 m，属亚热带湿润性季风气候，全年温暖湿润，1月均温5.4 ℃，7月均温21.7 ℃，年均温17.5 ℃，全年降雨量约1 063 mm，该地植物的生长期较长[10]。密蒙花不同生境的环境因子见表1，3个生境中相对光强、相对湿度均具有显著差异(P<0.05)。其中，相对光强为林缘>林窗>林内，相对湿度为林内>林缘和林窗。

表1 密蒙花不同生境主要环境因子概况

1.2.1 植物生长情况及黄酮类化合物含量测定

于2018年5月选择不同生境的密蒙花各10株进行植株的高度、基径、花序长度和中部成熟叶叶面积测量，用卷尺测定株高，直尺测定植株基部直径及花序长度，叶面积用LI-3000C便携式叶面积仪测定。采摘不同生境中密蒙花的花序鲜重各2 kg，带回实验室烘干备用。使用美国Agilen公司1100型高相液相色谱仪，参照许龙等[11]、陈兰英等[9]的方法对花序中蒙花苷、木犀草素和芹菜素进行提取和含量测定。

1.2.2 叶片叶绿素含量的测定

于2018年5月随机选取不同生境中密蒙花各5株，并选取各植株中部完全展开的叶片(100 g)放入冰盒带回实验室备用，采用丙酮乙醇浸提法进行叶绿素含量的测定[12]。

1.2.3 光响应曲线的测定

于2018年5月下旬晴天的8：30—11：30使用便携式光合测定系统LI-6400(LI-COR Inc., Lincoln, USA)进行光响应曲线测定。光强梯度设定为：1 800、1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、80、50、30、10和0 μmol/(m2·s)。测定前对被测叶片进行800 μmol/(m2·s)光诱导30 min，每个不同光强值设定数据采集时间 3 min，不同生境的密蒙花选择生长良好的5株，每株选取植株的中上部选取3片健康、完整的向阳叶片进行测定，记录净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)和气孔导度(Gs)等主要光合参数。

1.2.4 密蒙花光响应曲线拟合模型应用

5个拟合模型的表达式见表2，为验证5个模型拟合的精确度，采用拟合值均方误差：

表2 5种拟合模型及表达式

和拟合值平均绝对误差：

1.2.5 密蒙花叶片光合日变化测定

于2018年5月下旬，晴天7:00—19:00选择不同生境各5株植株中上部3片完整展开叶进行光合日变化测定，每隔 1 h 测定 1 次，测定时保持叶片原有方位，记录净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间 CO2浓度(Ci)和气孔导度(Gs)，每片叶片重复测定4次取平均值。

1.3 数据处理

采用单因素方差分析和 LSD(P<0.05)比较不同生境间各指标的差异性，数据以平均值±标准差表示，统计及模型分析使用SPSS 22.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 不同生境对植物生长及黄酮类化合物的影响

根据单因素方差分析(表3)，不同生境对植株高度、基径、花序长和叶面积均具有显著影响(P<0.05)，均为生境Ⅱ显著大于生境Ⅰ和生境Ⅲ(P<0.05)，生境Ⅰ和生境Ⅲ无显著差异。3个生境的黄酮类化合物含量在不同生境条件下具有显著差异(P<0.05)。在不同生境条件下，密蒙花干燥花序蒙花苷含量差异显著(P<0.05)，生境Ⅱ>生境Ⅲ>生境Ⅰ；木犀草素含量生境Ⅱ显著大于生境Ⅲ和生境Ⅰ；芹菜素含量差异显著(P<0.05)，生境Ⅱ>生境Ⅲ>生境Ⅰ。

表3 不同生境条件密蒙花生长情况及黄酮类化合物含量比较

2.2 不同生境对叶片色素含量的影响

叶绿素 a(Chl-a)、叶绿素 b(Chl-b)和总叶绿素(Total-Chl)在3个不同生境中具有显著差异(P<0.05)。Chl-a中，生境Ⅱ显著大于生境Ⅰ和生境Ⅲ，生境Ⅰ和生境Ⅲ无显著差异；在Total-Chl和Chl-b中，生境Ⅱ>生境Ⅲ>生境Ⅰ(P<0.05)；Chl-a/Chl-b值生境Ⅱ显著小于生境Ⅰ和生境Ⅲ(P<0.05)，Chl-a/Chl-b的值反映植物对光能利用能力，值越小说明植物利用弱光能力强(表4)。

表4 不同生境条件密蒙花叶片叶绿素含量比较

2.3 不同生境的密蒙花叶片光响应曲线

3个生境的密蒙花叶片光响应实测值及5个模型的拟合曲线见图1。在3个生境中，实测值均与直角双曲线修正模型的拟合值最为接近。不同生境的密蒙花叶片实测值曲线变化大致相同：在低光强[0～400 μmol/(m2·s)]下，Pn均随PAR的增大呈线性增大；在400～800 μmol/(m2·s)，Pn上升幅度变缓；当PAR在800～1 400 μmol/(m2·s)时，随着PAR的增加，Pn逐渐呈平缓趋势；而PAR在 1 600～1 800 μmol/(m2·s)时，生境Ⅱ和生境Ⅲ的Pn开始下降，呈现出光抑制现象。

图1 不同生境密蒙花光响应实测值及拟合曲线

2.4 密蒙花叶片光响应曲线拟合模型及光合生理参数

决定系数R2值的大小可以判定方程拟合度的高低，结合MAE和MSE进行检验，R2越大，MAE及MSE越小，说明拟合效果越好。由表5可知：R2中除直角双曲线模型和非直角双曲线模型的值均小于0.990，其余模型的决定系数均大于0.990；MAE与MSE在3个生境中均为直角双曲线修正模型最小，其拟合得到的密蒙花叶片最大净光合速率也最接近实测值。指数函数模型、非直角双曲线模型、直角双曲线函数模型拟合的最大净光合速率比测量值低；且暗呼吸速率为正数，不符合实际情况的植物暗呼吸速率应该表现为负值，指数模型和改进指数模型得到的饱和点均小于实测值，但Pmax大于实测值，采用这些模型分析密蒙花叶片的光响应曲线不符合植物的光合生理特征。因此，在5个模型中，直角双曲线修正模型最适用于密蒙花的光响应曲线的拟合。根据表5，直角双曲线修正模型计算出的Isat生境Ⅰ为1 424.698 μmol/(m2·s)，生境Ⅱ为1 725.755 μmol/(m2·s)，生境Ⅲ为1 608.846 μmol/(m2·s)，Ic分别为20.589、19.078、30.891 μmol/(m2·s)，初始量子效率分别为0.045、0.063、0.043，在0.04～0.07之间。生境Ⅱ的叶片表观量子效率均高于其他生境，且生境Ⅱ光补偿点显著低于其他两个生境。

表5 5个模型各项光合参数的比较及模型拟合精确度

2.5 密蒙花叶片光合日变化

密蒙花叶片净光合速率日变化曲线生境Ⅱ和生境Ⅰ都是单峰型，而生境Ⅲ为双峰型具“午休”现象(图2)。生境Ⅱ和生境Ⅰ净光合速率峰值(Pn)分别出现在 11：00[18.639 μmol/(m2·s)]和12：00[13.573 μmol/(m2·s)]，而后Pn开始逐渐下降。生境Ⅲ叶片的Pn峰值出现在11：00和14：00，14：00时段后，生境Ⅲ密蒙花叶片净光合速率均呈下降趋势。3个生境的气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)日变化趋势均为单峰曲线，Gs和Tr在对应的时间段达到峰值，随后降低。同时，蒸腾速率受大气CO2浓度的影响，Ci在早、晚较高，随着光强逐渐升高，气温上升，胞间Ci浓度开始下降。生境Ⅰ和生境Ⅱ的叶片Pn增高，Ci的浓度降低，说明叶片Ci因为Gs的降低而减小。而生境Ⅲ的叶片净光合速率降低时伴随着Ci的增高，出现“午休”，光合速率降低可能是因为叶肉细胞中光合作用相关酶的活性受到高温和高光强破坏所致。通过比较不同生境的净光合速率日均值大小可知(表6)，密蒙花光合日变化的净光合速率有明显的差异，生境Ⅱ>生境Ⅲ>生境Ⅰ，说明生境Ⅱ密蒙花叶片日光合生产力大于生境Ⅲ和生境Ⅰ。

图2 不同生境密蒙花净光合速率Pn、Gs、Tr和Ci的日变化

表6 不同生境下密蒙花的Pn、Gs、Tr和Ci日均值

3 讨论与结论

生境条件对植物起着重要的诱导和胁迫作用，研究异质生境对植物生长的影响机制具有重要意义，可为药用植物栽培环境的选择以及相适应的栽培技术制定提供理论依据[15-17]。密蒙花主要药用部位为花，选择密蒙花次生代谢产物富集的盛花期进行研究更有意义。通过对不同生境的密蒙花的株高、基径、花序长和叶面积的比较后发现，生境Ⅱ的条件更利于密蒙花的生长。研究中林窗(生境Ⅱ)的密蒙花3种黄酮类化合物含量要显著高于弱光区林内(生境Ⅰ)和较高强光区林缘(生境Ⅲ)。同时，林窗生境的密蒙花叶绿素含量要显著高于林内和林缘，说明光照是密蒙花黄酮类成分积累的最重要限制因素，适度的林窗光照可以降低强光对叶绿素的破坏，从而使叶片更加有效地进行光合作用[18-19]。光照过弱或过强均会使叶绿素含量呈下降趋势，林窗生境Ⅱ的光照范围能够使其达到最大值。生境Ⅱ的Chl-a、Chl-b和总Chl的含量最高，同时光合光响应曲线及光合日变化中Pn的均值也最高。

通过5个模型的拟合对比发现：直角双曲线修正模型能够反映密蒙花叶片在光照强度超过饱和点时叶片净光合速率受抑制而下降的过程，符合植物的生理生长规律，这与其他研究者研究植物在自然条件下的植物生理状态的结论一致[20-21]。此外，直角双曲线修正模型R2高于其他模型，均方误差和平均绝对误差则小于其他模型。这与童贯和[22]、徐斌等[23]研究不同模型的适用性，直角双曲线修正模型拟合的光合-光响应效果较好的结果一致。直角双曲线修正模型计算出3个生境的Pmax值为14.07～17.54 μmol/(m2·s)，Isat为1 424.698～1 725.755 μmol/(m2·s)；Ic为19.078～30.891 μmol/(m2·s)，初始量子效率均在0.04～0.07之间。高的初始量子效率说明植物捕获光量子的能力越强，同时，较高的光饱和点和较低的光补偿点说明植物叶片在弱光条件下能对其进行利用，并通过降低呼吸消耗来维持自身正常生长[24]，研究中生境Ⅱ利用弱光的能力更强。由此可见，密蒙花属于半阴性至半阳性植物，生境Ⅱ即林窗下的中等水平光条件有利于密蒙花叶绿素的合成及生长。通过对比不同环境条件下密蒙花的光合特性，生境Ⅱ的Pn值大于其他两个生境，不同生境的叶片净光合速率日变化曲线并不一致。结合Ci变化可知，林内和林窗的Pn降低是气孔限制因素导致的，但林缘生境净Pn的降低可能是非气孔限制因素，即叶肉细胞自身活性下降引起的非气孔限制，具体的机理尚待进一步研究[25-26]。

在引种栽培密蒙花时，应模拟野外生境Ⅱ的生长条件，提供适宜的光照条件：饱和光强接近1 725.755 μmol/(m2·s)，光补偿点接近17.478 μmol/(m2·s)。同时，针对密蒙花3个不同生境的主要环境因子概况，密蒙花林内生境中种植需及时调控乔冠层的透光率，在林缘中种植需要进行遮荫处理。在实际的栽培种林窗光照条件(64.95%±2.90%)和相对湿度条件(50.50%±3.21%)可作为疏林、遮光种植和田间管理的参照。