芍药组4个不同种群光合特性比较

芍药组4个不同种群光合特性比较

牡丹是牡丹科的一个只有三个属的科。芍药组是多年生草本,现在约有22种,我国有8种6变种(中国科学院中国植物志编辑委员会,1979),其中大多数种的根在当地被用作赤芍。我国药典(2005版)规定赤芍为芍药科植物芍药(Paeonialactiflora)或川赤芍(又名赤芍)(P.veitchii)的干燥根(国家药典委员会,2005)。赤芍是常用的中药材,具有清热凉血、散瘀止痛的功效(国家药典委员会,2005)。实际上赤芍用的是野生资源,药用栽培的芍药和毛果芍药(P.lactifloravar.trichocarpa)用来加工成白芍。用作赤芍的野生芍药和毛果芍药与川赤芍在形态上有明显区别(中国科学院中国植物志编辑委员会,1979),分布也不一致,它们已经形成了对各自生态环境的适应。美丽芍药(P.mairei)的分布与川赤芍分布相近,但植株形态区别较大(中国科学院中国植物志编辑委员会,1979)。分布在新疆北部的窄叶芍药(P.anomala)和块根芍药(P.anomalaermedia)(窄叶芍药的变种)地上部分与川赤芍形态相近,但根区别明显(中国科学院中国植物志编辑委员会,1979)。为了明确这些分布相差较远的同组不同类群在光合荧光特性方面如何与不同的生长环境相适应,不同类群之间光合生理有多大差异,以及哪些类群具有优良的光合特性并更适应环境,我们调查测定了芍药组不同类群的光合荧光特性,旨在明白同组不同类群之间光合生理的差异,为有限的野生赤芍资源保护和可持续利用提供参考,也为引种栽培和良种选育提出依据。1材料和方法1.1叶绿素荧光检测使用LI-6400便携式光合作用仪(LI-CORInc.,Lincoln,USA),OS5-FL调制叶绿素荧光仪(Opti-Sciences,Tyngsboro,USA)。1.2药、块根中药试验材料为芍药组的芍药、毛果芍药、川赤芍、美丽芍药、窄叶芍药、块根芍药,由北京中医药大学王文全教授鉴定。试验材料2008年9月从当地带土移植到北京中医药大学药用植物园,每种移植成年开花植株15株以上。每种产地及移植地地理环境信息见表1。1.3测试方法1.3.1植株生长状况的测定2009年6月12日在所有类群生长旺盛时用LI-6400便携式光合作用仪测定植株上部第3–4片完整展开叶的光强、叶片温度、净光合速率和蒸腾速率。9:00–19:00每小时测一次,测定时保持叶片原有方位。每次每类群测6株。1.3.2co响应曲线2009年6月13–14日的9:00–11:00和14:00–17:00用已设定程序的LI-6400便携式光合作用仪测定植株上部第3–4片完整展开叶的光强、叶片温度、净光合速率和蒸腾速率。其中光响应曲线的CO2浓度为400µmol·mol–1,光强分别设定为2000、1800、1500、1200、1000、800、600、400、200、150、70和20µmol·m–2·s–1;CO2响应曲线的光强为1400µmol·m–2·s–1,CO2浓度分别设定为400、200、150、100、70、40、20、400、600、800、1000、1200、1500、1800和2000µmol·mol–1。每个类群的光响应曲线和CO2响应曲线分别测3次。1.2.3叶绿素荧光特性参数的测定2009年6月15日9:00–11:00用OS5-FL调制叶绿素荧光仪测定叶绿素荧光特征参数。测定前用叶片暗适应夹遮光20min,然后用0.1µmol·m–2·s–1的弱光照射,测定初始荧光(F0),再照射饱和脉冲光(3000µmol·m–2·s–1)0.8s,测定暗适应最大荧光(Fm)。在叶片充分光适应(30min)后测定稳态荧光(Fs),最后照射饱和脉冲光(3000µmol·m–2·s–1)0.8s,测出光适应最大荧光(Fms)和表观光合电子传递速率(ETR)。选取上部第3–4片完整展开叶进行检测,每个类群测6株。通过计算得到(也可直接读出)PSII最大光化学效率Fv/Fm=(Fm–F0)/Fm,光合效率潜能Fv/F0=(Fm–F0)/F0,PSII光合量子产额Y=(Fms–Fs)/Fms,表观电子传递速率ETR=0.58Y×PAR/2,非光化学猝灭系数NPQ=(Fm–Fms)/Fms。1.4双曲线模型的改进模型测定数据采用SPSS做方差差异显著性分析。光响应曲线和CO2响应曲线都分别用非直角双曲线模型(靳甜甜等,2008)和直角双曲线模型的改进模型拟合(叶子飘,2007)。非直角双曲线模型(模型1):式中,Pn为净光合速率,PAR为光强,Φ为表观量子效率,Amax为最大光合速率,K为曲角,Rd为光下呼吸速率。直角双曲线模型的改进模型(模型2):式中,LCP为光补偿点,E、M和N为参数。暗呼吸速率为E与LCP的乘积,光饱和点为:2结果和分析2.1不同藻类间的光合日变化芍药组内5个不同类群的光合日变化观测结果见表2(观测块根芍药的光合日变化时环境有干扰数据未用),各光合特征指标之间的相关性见表3。从芍药组不同类群之间的净光合速率在不同时间的测定结果看(表2),不同类群之间的光合特性有明显差异。毛果芍药的光合速率最高,其次是芍药,美丽芍药的光合速率最低,表明毛果芍药和芍药的光合能力最强。从不同类群间的光合日变化看(图1),毛果芍药没有明显的“午休”显现11:00–14:00的净光合速率只是稍微有些下降。其他4个类群都有明显的“午休”显现,净光合速率在12:00时最低,其中川赤芍、窄叶芍药和美丽芍药的“午休”十分明显。图1显示光强在11:00–13:00时最大,之后明显下降,而气温变化较缓。此外,“午休”现象不明显的毛果芍药净光合速率与光强有极显著的相关性,虽然“午休”现象明显的川赤芍、窄叶芍药和美丽芍药的净光合速率与光强表面上没有显著的相关性,但这是由于“午休”现象造成的假象,使得高光强时光合速率下降,因此影响光合速率的主要因素是光强,其次是气温。相关分析结果表明,除了窄叶芍药的蒸腾速率与光强显著相关而与气温相关性不明显,芍药组中其他4个类群的蒸腾速率与光强和气温都显著相关。只有芍药和毛果芍药的净光合速率与蒸腾速率显著相关,因此光强不仅直接影响光合速率,而且还通过蒸腾速率和气温等间接影响光合速率。2.2光响应曲线模型的拟合值比较两个模型拟合的芍药组6个不同类群的光响应曲线结果见表3。实际观测到的6个类群光响应曲线的最大净光合速率相差较大(表3),最高的是块根芍药和芍药,其次是川赤芍和毛果芍药,美丽芍药和窄叶芍药的最大净光合速率较低。这些类群最大净光合速率对应的光强也有差异,块根芍药的最高,达到1800µmol·m–2·s–1,芍药、川赤芍和毛果芍药的在1500µmol·m–2·s–1左右,美丽芍药和窄叶芍药的较低,为1000µmol·m–2·s–1。虽然两个模型对所有类群拟合光响应曲线的r值都在0.98以上,但两个模型每个种光响应曲线的拟合值之间都不一致,比较符合实际的是模型2拟合的光响应曲线(表3)。模型1对川赤芍、美丽芍药和窄叶芍药光响应曲线的拟合值一般低于观测值;模型2的拟合值与观测值的相关性高于模型1的拟合值与观测值的相关性,且对所有类群光响应曲线的拟合值都比较符合观测值。光响应曲线中都有强光抑制现象,但模型1反映不出这种现象,因此也反映不出光饱和点,而模型2能反映出来。两种光响应曲线模型都能反映出芍药组不同类群之间光合特征值之间的差异,而且比较一致(表3)。块根芍药和窄叶芍药的光下呼吸速率最高,其次是芍药,川赤芍的光下呼吸速率最低。块根芍药的光补偿点最高,芍药和毛果芍药的接近,川赤芍和美丽芍药的稍低,最低的是窄叶芍药。光饱和点最高的也是块根芍药,约1700µmol·m–2·s–1,而窄叶芍药的最低,其余类群一般在1000–1200µmol·m–2·s–1范围。块根芍药的饱和净光合速率最高,在18µmol·m–2·s–1以上,美丽芍药和窄叶芍药的较低,其余的都在10µmol·m–2·s–1以上。2.3川赤瞳、美丽麻黄和窄叶麻黄co响应曲线的比较两个模型拟合的芍药组6个不同类群的CO2响应曲线结果见表3。芍药组6个种或变种对CO2响应曲线的观测结果中,最大净光合速率相差明显(表3),毛果芍药和块根芍药的最大净光合速率较高,美丽芍药的较低,它们的最大净光合速率对应的CO2浓度也不一致,美丽芍药的最高,而川赤芍、毛果芍药和块根芍药的较低。两个模型对这几个类群拟合CO2响应曲线的r值一般在0.99以上,只有模型1对川赤芍CO2响应曲线拟合的r值为0.96(表3)。两个模型对每个类群CO2响应曲线的拟合值之间不一致,模型1对川赤芍、美丽芍药和窄叶芍药CO2响应曲线的拟合值多数低于观测值;模型2的拟合值与观测值的相关性高于模型1的拟合值与观测值的相关性,模型2的拟合值更接近观测值。高浓度的CO2对这几个种的光合速率都有抑制现象,但模型1拟合的结果中无论CO2多高,净光合速率都没有下降趋势,模型2拟合的结果反映出了高浓度CO2对光合速率的抑制现象。两个模型的拟合结果都能反映出不同类群之间CO2响应曲线特征值之间的差异,结果也比较一致(表3)。美丽芍药的CO2补偿点最高,块根芍药的最低,其余的一般在30–40µmol·mol–1之间。CO2响应曲线中川赤芍和块根芍药的CO2饱和点较低,约1000µmol·mol–1,美丽芍药的较高,在1860µmol·mol–1左右。毛果芍药和块根芍药CO2饱和点对应净光合速率较高,美丽芍药的最低,其他的在17–20µmol·m–2·s–1之间。2.4psiii表观光合性状与叶绿素荧光特征的关系芍药组6个不同类群的叶绿素光合荧光特征测定结果见表4。芍药组中6个类群的暗适应初始荧光差异不显著,较高的是块根芍药(表4)。可变荧光和PSII最大光化学效率在不同类群之间差异也不大,其中块根芍药的稍低。毛果芍药和窄叶芍药的活性PSII中心非环式电子传递量子产额明显高于其他4个类群的相应值。而川赤芍和块根芍药的表观光合电子传递速率显著偏大,较低的是毛果芍药和美丽芍药的相应值。窄叶芍药、美丽芍药和毛果芍药的非光化学猝灭系数明显比块根芍药、芍药和川赤芍的相应值高。美丽芍药的Fv/F0值比其他类群的对应值稍高,但所有类群之间Fv/Fm值差异不显著。叶绿素荧光特征能够反映植株叶片的光合效率和潜在能力。分析结果表明,PSII最大光化学效率和PSII潜在量子效率与CO2都有显著的正相关。此外,光补偿点、光饱和点和光合饱和速率之间显著正相关,CO2饱和点与CO2饱和点光合速率显著正相关。2.5树状聚类分析根据芍药组各个类群的光合生理数据和叶绿素荧光特性数据进行聚类分析,得到树状聚类分析图(图2)。聚类分析结果显示,川赤芍和窄叶芍药的光合生理及叶绿素荧光特性比较相近,美丽芍药与它们的相似距离比芍药与它们的相似距离要远,毛果芍药与它们的相似距离最远。3讨论3.1川赤瞳和窄叶浸提液叶片的性质和种类芍药组中不同类群之间光合速率存在明显差异。毛果芍药和芍药的光合速率明显大于其他种类的光合速率。我们调查发现,芍药和毛果芍药叶片椭圆形或长椭圆形,较厚,呈革质,上表面光亮,因而能减少水分过度蒸发,并能反射部分光照从而减少强光抑制现象。川赤芍和窄叶芍药叶片深裂,较薄而柔软,反射光照的能力差些,使得它们“午休”现象比较明显。芍药和毛果芍药叶片颜色深绿,而川赤芍、美丽芍药和窄叶芍药叶片叶色较浅,这也使得芍药和毛果芍药有较高的光合速率。我国野生芍药和毛果芍药多生长在中、北部,特别是内蒙古草原是我国赤芍的主要产区,那里环境开阔,光照充足,但无霜期短;川赤芍和美丽芍药多分布在中南部山区林下,雨水多且气温高。这些芍药组不同类群形态特征和光合生理特性之间的差异也是它们对不同生长环境的适应结果。3.2光补偿点和光合饱和速率的比较芍药组内不同类群的光合生理特征值有差异,反映出不同类群由于长期对不同光照环境的适应而形成不同的光合特性。同一产地的块根芍药比窄叶芍药有较高的呼吸速率,因此块根芍药的光补偿点比窄叶芍药的高;芍药和毛果芍药的呼吸速率比川赤芍的高,它们的光补偿点也比川赤芍的高。窄叶芍药呼吸速率高而光补偿点低,说明它能利用较低强度的光照,部分原因也可由其较高的活性PSII中心非环式电子传递量子产额得到解释。川赤芍的呼吸速率低,因而光补偿点也低;美丽芍药的呼吸速率与毛果芍药的呼吸速率相近,但美丽芍药的光补偿点远低于毛果芍药的呼吸速率,说明美丽芍药更能利用弱光。分析显示,这几个类群植物的光补偿点、光饱和点和光合饱和速率之间存在着显著的正相关关系,如块根芍药的光饱和点高因而光合饱和速率也高,窄叶芍药的光饱和点低因而光合饱和速率也低。美丽芍药和毛果芍药的CO2补偿点较高,说明它们利用低浓度CO2的能力不如其他种类。芍药组内这6个类群的CO2饱和点都远高于实际空气中CO2的正常浓度,其中美丽芍药的CO2饱和点最高,说明该种类需要并能耐受较高浓度的CO2。一般在饱和点以下的高浓度CO2都能明显提高这些类群的净光合速率,因此它们有很大的生产潜能。但在芍药组各个类群的CO2的响应曲线中,多数类群也表现出光合速率受更高浓度(饱和点以上)的CO2抑制,CO2响应曲线有末端下降趋势。我们推测高浓度CO2抑制光合作用是由于CO2导致气孔关闭和抑制植物呼吸作用从而间接抑制光合作用。两种模型对光响应曲线和CO2响应曲线拟合的结果不同,模型2拟合的结果更切合实际观测的数据,模型1(非直角双曲线模型)是连续上升的曲线,不能反映强光抑制现象(“午休”现象)。叶子飘和于强(2008)曾比较了直角双曲线模型、非直角双曲线模型、Prado-Moraes模型和改进的直角双曲线模型(本文中模型2)拟合冬小麦(Triticumaestivum)光曲线的结果,也发现改进的直角双曲线模型拟合的结果与实测数据符合程度最高。目前拟合光响应曲线和CO2响应曲线运用较多的还是非直角双曲线模型,拟合的曲线都是连续上升的曲线,反映不出光抑制现象(陈建等,2008;靳甜甜等,2008;吴统贵等,2008)。3.3光化学和叶绿素荧光特性与政治采用的聚类分析叶绿素荧光可以作为光合作用的有效探针,能够反映一些光合生理的重要指标(罗青红等,2006;张艳丽等,2008),如PSII最大光化学效率(Fv/Fm)就与CO2饱和点显著正相关,反映原初光能转化效率及PSII潜在量子效率的Fv/F0也与CO2饱和点显著正相关。叶绿素荧光特征也可用来解释光合生理中的一些现象(孟令曾等,2005)。如窄叶芍药的实际光化学效率(Y)和光饱和点虽然高,但它的非光化学猝灭系数(NPQ)也高,即它吸收的光能有较大比例用于热耗散,因此光合饱和速率不高,而且它的表观电子传递速率较大,说明有较高的光呼吸。芍药和毛果芍药的实际光化学效率都相对偏高,而且芍药有较高的表观光合电子传递速率(ETR)和较低的非光化学猝灭系数,因此它们的光合速率较高。川赤芍的PSII最大光化学效率和实际光化学效率都较低,它的光合速率较低。美丽芍药的实际光化学效率偏低且非光化学猝灭系数也高,从而使