黃國(guó)偉 陳慧玲 包一鳴 劉少鋒 張新葉

(湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，武漢，430079) (湖北省林科院石首楊樹(shù)研究所) (湖北省林業(yè)科學(xué)研究院)

楸樹(shù)(Catalpa bungei C.A.MeY.)是紫葳科(Bignoniaceae)梓樹(shù)屬(Catalpa Scop.)落葉喬木，為我國(guó)著名的優(yōu)質(zhì)珍貴用材樹(shù)種和園林觀賞樹(shù)種，分布范圍位于北緯 22°～42°，東經(jīng) 88°～123°之間，豫西地區(qū)為中心分布區(qū)［1］。由于過(guò)度砍伐，目前存在的楸樹(shù)天然片林極少。為了更好的保護(hù)和利用這一珍貴資源，國(guó)內(nèi)很多適種地區(qū)進(jìn)行了引種試驗(yàn)，并開(kāi)展了多方面相關(guān)研究，其中不乏光合特征方面的研究。麻文俊等［2］研究表明，楸樹(shù)受到低N脅迫時(shí)，凈光合速率比正常水平下降50%以上;王改萍等［3］采用盆栽控水和PEG(聚乙二醇)人工模擬干早脅迫的方法，證明隨著干早脅迫程度的逐漸增加，楸樹(shù)凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、水分利用效率均明顯下降，胞間CO2濃度逐漸上升;孫嘏等［4］的研究結(jié)果表明，楸樹(shù)光飽和點(diǎn)為 1 200 μmol·m－2·s－1，光補(bǔ)償點(diǎn)50～90 μmol·m－2·s－1;趙曦陽(yáng)等［5］發(fā)現(xiàn)，楸樹(shù)的光合日變化為雙峰曲線，氣孔限制是光合“午休”的主要調(diào)節(jié)因素;王力朋等［6］測(cè)量分析表明，8月份的楸樹(shù)凈光合速率和水分利用效率分別為12～17 μmol·m－2·s－1、3.5～4.6 mmol·mol－1。這些研究從不同角度闡述了楸樹(shù)光合特征變化及對(duì)外界影響因子的響應(yīng)，但涉及楸樹(shù)苗期在自然條件下，遭遇嚴(yán)重干旱脅迫時(shí)，對(duì)光合特征的變化規(guī)律的研究鮮有報(bào)道。

從2009年開(kāi)始，湖北省林業(yè)科學(xué)研究院先后引進(jìn)了楸樹(shù)(Catalpa bungei)、灰楸(Catalpa fargesii Bur)、滇楸(Catalpa duclouxii)以及雜交子代等豐富的楸樹(shù)遺傳資源，在江漢平原進(jìn)行引種試驗(yàn)，并開(kāi)展適宜本地區(qū)生長(zhǎng)的楸樹(shù)優(yōu)良品種選育研究。2013年江漢平原遭遇罕見(jiàn)的伏天大旱，室外30℃以上高溫和晴天持續(xù)30 d以上，楸樹(shù)幼苗生長(zhǎng)緩慢近乎停滯。鑒于尚未對(duì)江漢平原引種的楸樹(shù)遺傳資源做過(guò)光合特征方面的研究與評(píng)價(jià)。因此，本研究以江漢平原引種且生長(zhǎng)良好的滇楸無(wú)性系作為試驗(yàn)材料，以?xún)蓚€(gè)楸樹(shù)無(wú)性系為對(duì)照，對(duì)其苗期遭受干旱高溫脅迫下的光合響應(yīng)進(jìn)行研究。旨在評(píng)價(jià)江漢平原引種的滇楸無(wú)性系的光合能力和適應(yīng)性，為江漢平原選育抗性強(qiáng)、生長(zhǎng)迅速的優(yōu)良新品種提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料由“國(guó)家林木種質(zhì)資源平臺(tái)——云杉種質(zhì)資源保存庫(kù)”提供。從引種的滇楸無(wú)性系中選出苗期表現(xiàn)較好的5個(gè)無(wú)性系，編號(hào)分別為:Y－023－2，Y－011－4，Y－011－1，YN－014－5，Y－020－6。2012年在江漢平原(湖北石首)嫁接繁育，2013年挑選生長(zhǎng)良好一致的單株，按4株小區(qū)3次重復(fù)隨機(jī)區(qū)組排列，截干后大田栽植，株行距為4 m×2 m。以中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院選育的優(yōu)良無(wú)性系8402和008－1作為對(duì)照，常規(guī)田間管理。8月上旬進(jìn)行光合和生長(zhǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量，12月份落葉后再次進(jìn)行生長(zhǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量，光合特征測(cè)量葉片為樹(shù)干中部南面由上至下的3片葉子。

1.2 測(cè)量指標(biāo)與方法

苗高和基徑:苗高是指從嫁接口到頂稍的高度，基徑是指留下的萌芽形成主干的基部直徑，6次重復(fù)。

光合有效輻射(PAR)、凈光合速率(Pn):采用美國(guó)里格公司生產(chǎn)的LI－6400XT光合測(cè)定系統(tǒng)，選擇晴朗無(wú)風(fēng)的天氣，在8:30—11:30和14:30—16:30，測(cè)定光合有效輻射值，PAR值在 0～2 000 μmol·m－2·s－1范圍內(nèi)，設(shè)定 13 個(gè)梯度，即:2 000、1 500、1 000、800、600、400、200、120、80、60、40、20、0 μmol·m－2·s－1。從 7:00—17:00，每隔 2 h測(cè)量 Pn1次。采用透明葉室，儀器同時(shí)記錄的有PAR、葉片溫度、空氣相對(duì)濕度、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)等，通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量程序測(cè)定相應(yīng)的Pn，3 次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和多重比較(采用Duncan新復(fù)極差法)及相關(guān)性分析。

瞬時(shí)水分利用效率(WUE)計(jì)算公式為:

WUE=Pn/Tr。

式中:WUE為瞬時(shí)水分利用效率;Pn為凈光合速率;Tr為葉片蒸騰速率。

單位葉面積光合特征日總量:

式中:Pn×i指一天中i時(shí)的凈光合速率;Y為單位面積凈光合日總量(7:00～17:00)，i=7，9，11，13，15;Pn換為Gs時(shí)，Y為氣孔導(dǎo)度單位面積日總量(7:00～17:00)［7］。

選用的光響應(yīng)曲線擬合方程為［8－9］:

Pn=(PΦPAR/［1+(PΦPAR/Pnmax)P］1/P)+Rd。

式中:Pn為凈光合速率;Pnmax為最大凈光合速率;PΦ為葉片在低光下的光合速率，對(duì)于碳3植物為0.05［10］;PAR為光合有效輻射;P 為曲角，它描述了光響應(yīng)曲線的彎曲程度，即表觀量子光合效率(AQY);Rd為暗呼吸速率。PAR在 0～200 μmol·m－2·s－1的Pn測(cè)量值近似一條直線，利用直線擬合可求出光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)和光飽和點(diǎn)(LSP)［11－13］。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同無(wú)性系生長(zhǎng)性狀比較

對(duì)各無(wú)性系8月份和12月份的苗高和基徑進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)表1):8月份苗高范圍在69.33～125.33 cm，8402值最小，且與除 Y－011－1外的無(wú)性系差異顯著，5個(gè)滇楸無(wú)性系之間無(wú)顯著差異;12月份008－1與其余無(wú)性系苗高差異均顯著，5個(gè)滇楸無(wú)性系之間無(wú)顯著差異;8月到12月苗高生長(zhǎng)量范圍為88.5～298 cm。8月份和12月份各無(wú)性系的基徑多重比較發(fā)現(xiàn)，均無(wú)顯著性差異，4個(gè)月的生長(zhǎng)量范圍為8.84～12.19 mm，基徑生長(zhǎng)緩慢。各無(wú)性系苗高和基徑基本都明顯小于楸樹(shù)在非干旱脅迫下的生長(zhǎng)速度。

2.2 不同無(wú)性系氣體交換特征日變化比較

從圖1可以看出，早上7:00時(shí)，葉片溫度即達(dá)到了34℃左右，從9:00到17:00，葉片溫度更是持續(xù)高達(dá)38℃以上;空氣相對(duì)濕度從早上7:00的65.73%一路下滑至15:00的43.08%，之后17:00微升至 50.29%;全天 PAR也基本維持在 1 200 μmol·m－2·s－1以上，可以看出，幼苗受到了高溫、干旱和強(qiáng)光照的長(zhǎng)時(shí)間脅迫。

表1 各無(wú)性系苗高和基徑比較

圖1 外界環(huán)境因子日變化規(guī)律

圖2 各無(wú)性系光合特征日變化規(guī)律

各無(wú)性系 Pn、Gs、WUE日變化規(guī)律幾乎一致，可見(jiàn)Pn的變化主要是因?yàn)闅饪滓蛩匾鸬?見(jiàn)圖2)。所有無(wú)性系的 Pn早上 7:00 在 8～14 μmol·m－2·s－1，之后直線下滑，從9:00—17:00全部維持在2～6 μmol·m－2·s－1的低位，表現(xiàn)出嚴(yán)重的脅迫現(xiàn)象;所有無(wú)性系Gs均是 7:00時(shí)最大，范圍在 0.06～0.13 mol·m－2·s－1，隨溫度和光照強(qiáng)度升高，9:00 時(shí)氣孔已大量關(guān)閉，從9:00—17:00 Gs均在0.05 mol·m－2·s－1以下;WUE同樣在 7:00 時(shí)最大，范圍為 8～14 μmol·mmol－1，9:00 后下降至 3.2 μmol·mmol－1以下。各無(wú)性系光合特征的日變化規(guī)律與楸樹(shù)苗期正常條件下的日變化規(guī)律表現(xiàn)出明顯的差異。

由于Pn日變化差異較大，而單位面積凈光合日總量則反映了一天中單位面積葉片利用光能生產(chǎn)有機(jī)物的總量，是光合能力的重要指標(biāo)。對(duì)Pn、Gs進(jìn)行日積累計(jì)算，WUE則用一天的平均值表示(見(jiàn)表2)，比較發(fā)現(xiàn)，各無(wú)性系Pn日總量由大到小的順序?yàn)?008－1、Y011－1、Y023－2、Y020－6、8402、Y011－4、YN014－5;WUE日均值由大到小的順序?yàn)?008－1、Y011－4、YN014－5、Y020－6、Y011－1、Y023－2、8402。

2.3 不同無(wú)性系光合—光響應(yīng)曲線分析

總體趨勢(shì)上符合光合—光響應(yīng)曲線變化規(guī)律，當(dāng) PAR從 0～200 μmol·m－2·s－1時(shí)，各無(wú)性系 Pn呈線性增加，PAR在 200～600 μmol·m－2·s－1時(shí)，Pn增加速度明顯放緩，超過(guò) 600 μmol·m－2·s－1后，部分無(wú)性系既表現(xiàn)出明顯的光抑制現(xiàn)象，所有無(wú)性系Pn趨于平緩甚至減小，光抑制現(xiàn)象比正常環(huán)境下生長(zhǎng)的楸樹(shù)有所提前。相對(duì)來(lái)說(shuō)，008－1和Y020－6表現(xiàn)出更好的光合能力和光強(qiáng)適應(yīng)性，而Y023－2和8402則表現(xiàn)出較差的光合能力和光強(qiáng)適應(yīng)性。

對(duì)各無(wú)性系光合—光響應(yīng)曲線擬合特征值比較發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)表3):不同系號(hào)各特征值變化范圍較大，LSP在 324 ～796 μmol·m－2·s－1，大大低于楸樹(shù)苗期正常條件下 LSP(1 200 μmol·m－2·s－1);LCP在 16～80 μmol·m－2·s－1，對(duì)照 008－1 對(duì)弱光的利用能力較強(qiáng);AQY反映了光能轉(zhuǎn)化效率，不同無(wú)性系間由大到小的順序?yàn)?008－1、8402、Y023－2、Y011－4、Y020－6、Y011－1、YN014－5;所有系號(hào)中 Y011－1 暗呼吸速率最小(Rd=0.93 μmol·m－2·s－1)，僅為暗呼吸速率最高系號(hào) Y023－2(Rd=2.04 μmol·m－2·s－1)的46%;Pnmax作為反映光合潛力的重要指標(biāo)，各系號(hào)間由大到小的順序表現(xiàn)為:008－1、Y020－6、Y011－4、Y011－1、YN014－5、8402、Y023－2。

表2 各無(wú)性系Pn日總量、Gs日總量、WUE日均值的比較

2.4 生長(zhǎng)性狀與光合特征相關(guān)性分析

進(jìn)一步對(duì)生長(zhǎng)性狀和光合特征進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn):苗高與基徑、WUE日均值呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，與 LSP、Pnmax呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與 Gs日積累顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05);基徑與WUE日均值呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，與 LSP、Pnmax呈顯著正相關(guān)(P＜0.05);Gs日積累與WUE日均值呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，與 LSP呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01);WUE日均值與LSP和Pnmax呈顯著和極顯著正相關(guān)(P＜0.05)。從結(jié)果可以看出，各無(wú)性系生長(zhǎng)性狀和光合特征均與WUE密切相關(guān)，當(dāng)受到干旱脅迫時(shí)，WUE高低變得尤為重要。

表3 各無(wú)性系光合—光響應(yīng)曲線擬合特征值比較

圖3 不同無(wú)性系光合—光響應(yīng)曲線規(guī)律

表4 生長(zhǎng)性狀和光合特征相關(guān)分析

3 結(jié)論與討論

從各無(wú)性系的生長(zhǎng)性狀上看，由于受到嚴(yán)重的干旱脅迫，苗高和基徑生長(zhǎng)緩慢，特別是不同系號(hào)基徑均值都較小，沒(méi)有表現(xiàn)出顯著差異，8—12月的生長(zhǎng)量 8.84～12.19 mm，遠(yuǎn)小于江漢平原正常情況下20 mm以上的生長(zhǎng)量。不同系號(hào)顯著差異只在苗高上有所表現(xiàn)，但苗高也明顯小于正常值。5個(gè)滇楸無(wú)性系生長(zhǎng)性狀間均無(wú)顯著差異，表現(xiàn)較穩(wěn)定。干旱嚴(yán)重制約了楸樹(shù)苗期的生長(zhǎng)量，這與他人的人工模擬干旱試驗(yàn)結(jié)果一致［3］。

持續(xù)的高溫天氣(38℃)和強(qiáng)烈的光強(qiáng)輻射(1 400 μmol·m－2·s－1)，空氣濕度大大降低，從光合日變化規(guī)律可以看出，Pn、Gs和WUE變化規(guī)律一致，均沒(méi)有表現(xiàn)出單峰或者雙峰型曲線，僅在早晨短時(shí)間內(nèi)，空氣溫度較低，濕度較大時(shí)，可以正常的進(jìn)行光合作用，隨溫度和光強(qiáng)的快速升高，葉片氣孔大量關(guān)閉，Pn快速下降，主要是受氣孔因素限制［14］，通過(guò)關(guān)閉氣孔減少蒸騰散失，保留水分以維持生命需要。通過(guò)Pn日積累以及WUE日均值化作用極為顯著;無(wú)機(jī)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)與培養(yǎng)條件對(duì)花芽分化率影響顯著，適宜的無(wú)機(jī)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)與適宜的培養(yǎng)條件可有效提高花芽分化率，但并非誘導(dǎo)春石斛(Dendrobium nobile‘Huoniao’)由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)的充要條件。培養(yǎng)基成分中還有其他種類(lèi)外源激素、不同碳源、蔗糖濃度、瓊脂濃度等因素也有可能影響春石斛(Dendrobium nobile‘Huoniao’)花芽分化，在后續(xù)的試驗(yàn)中，可以進(jìn)一步探索其他因素對(duì)其試管開(kāi)花的影響。

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