沈立明 戴中武 鐘惠 代曉雨 翟俊文 吳沙沙

摘 ?要：為探明獨蒜蘭屬植物在光合生理方面的差異，本研究以云南獨蒜蘭（Pleione yunnanensis）、美麗獨蒜蘭（P. pleionoides）和流蘇獨蒜蘭（Pleione barbarae）為材料，測定其葉片的光響應曲線、CO2響應曲線和葉綠素含量（SPAD），探究其光合特性。結果表明：3種獨蒜蘭屬植物均具有較強的耐陰性，且植株葉片SPAD值的高低與其光合速率有相關性。3種獨蒜蘭屬植物之間的光補償點（LCP）、光飽和點（LSP）、暗呼吸速率（Rd）、初始量子效率（a）、光呼吸速率（Rp）和CO2飽和點（CSP）均無顯著差異。云南獨蒜蘭光合作用對較低濃度的CO2利用率高，更能適應低CO2濃度的環(huán)境;美麗獨蒜蘭表現出對光的適應范圍較廣，但在光合速率增加時所需的CO2濃度較高;而流蘇獨蒜蘭對強光較敏感，易出現光抑制現象。此外，CO2的供應可能是影響其光合速率的主要因素之一，在生產栽培中注意遮蔭，適當增加CO2濃度對3種獨蒜蘭屬植物的光合作用有利。

關鍵詞：獨蒜蘭屬;光合特性;葉綠素含量;耐陰性;光抑制

中圖分類號：S682.31 ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： The light response curve， CO2 response curve， and chlorophyll content of Pleione yunnanensis， P. pleionoides， and Pleione barbarae were measured， to study the photosynthetic characteristics and provide a certain theoretical basis for Pleione cultivation. Results showed that all the three species had shade resistance， and the SPAD value of plant leaves was related to its photosynthetic rate. The light compensation point （LCP）， light saturation point （LSP）， dark respiration rate （Rd）， initial quantum efficiency （a）， rate of photorespiration （Rp） and CO2 saturation point （CSP） among the three species were not significantly different. Photosynthesis of P. yunnanensis had a high utilization rate of lower CO2 and was more suitable for the environment of low CO2 concentration. P. pleionoides showed a wide range of light adaptation， but it required a higher concentration of CO2 to increase photosynthetic rate. Pleione barbarae was more sensitive to strong light and easy to occur light suppression phenomenon. Furthermore， the supply of CO2 may be one of the main factors affecting the increase in photosynthetic rate of plant leaves. To increase yield， shading is needed in cultivation， and appropriately increase the CO2 concentration will be beneficial to the photosynthesis of these three species.

Keywords： Pleione; photosynthetic characteristics; chlorophyll fluorescence parameters; shade-endurance; photoinhibition

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.05.022

獨蒜蘭屬（Pleione D. Don）隸屬于蘭科（Orchidaceae）樹蘭族（Trib. Epidendreae Humb.， Bonpl. et Kunth），分布于海拔500～4 200 m的亞熱帶高山地區(qū)，地生或附生于樹干、巖石表面的苔蘚中，處于弱光的生長條件下[1]。該屬植物不但極具觀賞價值，且具有很高的藥用價值，其中獨蒜蘭（P. bulbocodioides）和云南獨蒜蘭（P. yunnanensis）為藥典中山慈菇的基原植物[2]。全球約有獨蒜蘭屬植物27種和9個天然雜交種，主要分布在中國秦嶺以南[3]。然而，目前獨蒜蘭屬僅在歐美、日本及中國臺灣有較廣泛的栽培應用，英國已培育出445個品種，中國僅見中國科學院昆明植物研究所培育出17個新品種[4-5]。

獨蒜蘭屬因其特殊的生長環(huán)境，使得目前中國大陸地區(qū)對它的栽培和育種技術無法滿足其資源保護及市場需求[6]。光合作用作為一個易受環(huán)境影響的重要生理過程，決定了不同生境的植物具有不同的光合特性[7]。因此，可通過研究植物的光合特性來探究植物在引種栽培時環(huán)境變化中的光合生理[8-9]。此外，植物葉片葉綠素含量的高低是植物的生理指標之一，作為參與光合作用的重要色素及光反應中心，植株的生長狀況和光合能力很大程度反映在植物葉片的葉綠素含量上[10]。但目前對獨蒜蘭屬光合特性的研究還較少，僅見對獨蒜蘭（P. bulbocodioides）、陳氏獨蒜蘭（P. chunii）、黃花獨蒜蘭（P. forrestii）和臺灣獨蒜蘭（P. formosana）光合特性的研究，而對于具有極高藥用價值的云南獨蒜蘭還未見報道[11]。鑒于此，本研究通過測定云南獨蒜蘭、流蘇獨蒜蘭（Pleione barbarae）、美麗獨蒜蘭（P. pleion-oides）葉片光合作用及SPAD值的相關參數，來探究其光合特性，旨在為云南獨蒜蘭的生產栽培提供一定的理論依據，同時通過進一步探明獨蒜蘭屬植物在光合生理方面的差異，為該屬植物的引種栽培及良種培育提供一定參考。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

1.1.1 ?試驗材料 ?試驗材料為2017年3月初從中國云南省引種的云南獨蒜蘭、美麗獨蒜蘭和流蘇獨蒜蘭，測定所用植株生長健壯，長勢一致，且均處于開花完成，葉片完全成熟的狀態(tài)。

1.1.2 ?試驗區(qū)概況 ?于2017年7月上旬，在福建省泉州市永春縣呈祥鄉(xiāng)（海拔1200 m，2527 N、11807 E）蘭花高山催花基地內進行實驗。當地年平均氣溫為16.4 ℃，年平均相對濕度78%，年平均降雨量1670 mm，屬中亞熱帶季風氣候，晝夜溫差較大，夏季白天氣溫最高可達30 ℃，夜晚最低溫15 ℃。

1.2 ?方法

1.2.1 ?光響應曲線測定 ?于晴天上午9：00～11：00進行，使用Li-6400便攜式光合儀（Li-Cor， USA）進行測定，以LED紅藍光源，將光照強度（PAR，Photosynthetically Active Radiation）設定為600、550、500、450、400、350、300、250、200、150、100、50、0 μmol/（m2s） 13個梯度，其中CO2濃度統(tǒng)一設定為400 μmol/mol。采用自動測量系統(tǒng)Auto Prog，設定最大等待時間300 s、最小等待時間120 s，進行測量。每種測量進行3個有效重復，即每一種至少測定3株以確保收集3組有效數據，每株測定1片葉子（進行試驗的3種獨蒜蘭屬植物單株均只有1片葉片）。

1.2.2 ?CO2響應曲線測定 ?使用Li-6400便攜式光合儀自動CO2響應曲線測定功能測定3種獨蒜蘭屬植物的CO2響應曲線，每種測量進行3個重復，設定光強為400 μmol/（m2·s），設定CO2濃度梯度為50、100、150、200、300、400、600、800、1000、1200 μmol/mol，設定的最小及最大等待時間與測定光響應曲線的設定一致，測定對應的Pn值。

1.2.3 ?葉綠素相對含量分析測定 ?植物葉片葉綠素含量與其綠色度（SPAD值）具有顯著相關性[12]，利用SPAD-葉綠素檢測儀測定植物葉片的葉綠素含量，是較為便捷且不損傷葉片的方法[13]。本研究采用SPAD-502 PLUS葉綠素計（MINOLTA，Japan）對此3種獨蒜蘭屬植物葉片進行SPAD值測定，每片葉測定6個位置，每個種測定5株。

1.3 ?數據處理

利用WPS Office 2018軟件整理原始數據及作圖，SPSS Statistics 19軟件的Duncans方法對數據進行多重比較分析，并利用直角雙曲線修正模型[14]擬合此3種獨蒜蘭屬植物的光響應曲線及CO2響應曲線，使用光合計算4.1.1軟件計算光響應曲線和CO2響應曲線擬合值及光合參數。

2 ?結果與分析

2.1 ?光響應曲線

流蘇獨蒜蘭、美麗獨蒜蘭、云南獨蒜蘭的光響應曲線擬合方程系數（R2）分別為0.990、0.916和0.994。擬合結果由圖1可知，3種獨蒜蘭屬植物的Pn在PAR由0 μmol/（m2·s）至100 μmol/（m2·s） 時都隨著PAR的增強而基本呈線性上升趨勢;當PAR繼續(xù)增強，Pn的增長速率持續(xù)減慢，直至達到光飽和。

3種獨蒜蘭屬植物的光響應曲線變化趨勢存在差異，其中流蘇獨蒜蘭和云南獨蒜蘭的光響應曲線變化趨勢較為接近，且均在PAR增強到一定值時Pn開始下降，可能因為光照過強發(fā)生了光抑制;而美麗獨蒜蘭在PAR由0 μmol/（m2·s）增強至600 μmol/（m2·s）時，Pn逐漸趨于穩(wěn)定，未出現下降趨勢。當PAR為0 μmol/（m2·s）時，流蘇獨蒜蘭、美麗獨蒜蘭和云南獨蒜的呼吸作用強度基本一致。

由表1可知，當CO2濃度為400 μmol/mol時，3種獨蒜蘭屬植物的光補償點、光飽和點、暗呼吸速率和初始量子效率均無顯著差異。此外，最大凈光合速率（Amax）表現最小的為美麗獨蒜蘭，而流蘇獨蒜蘭和云南獨蒜蘭無顯著差異。

2.2 ?CO2響應曲線

流蘇獨蒜蘭、美麗獨蒜蘭和云南獨蒜蘭CO2響應曲線的擬合方程系數（R2）分別為0.992、0.993和0.999，曲線的擬合效果較好。由圖2可知，3種獨蒜蘭屬植物的Pn增長趨勢在CO2濃度為50～1200 μmol/mol時，基本都呈線性上升趨勢，且3種植物都未達到CO2飽和狀態(tài)。其中云南獨蒜蘭的Pn增長趨勢最快;流蘇獨蒜蘭的Pn增長趨勢居中;美麗獨蒜蘭的Pn增長趨勢最慢，且在CO2濃度為50～1200 μmol/mol時，其增長趨勢未出現減弱。

表2反映光合作用對胞間CO2濃度響應的特征參數，可以看出3種獨蒜蘭屬植物間的最大凈光合速率（Amax）、光呼吸速率（Rp）和CO2飽和點（CSP）均無顯著差異。美麗獨蒜蘭的初始羧化效率（CE）最小，為0.010 μmol/（m2·s）;流蘇獨蒜蘭居中，為0.016 μmol/（m2·s）;云南獨蒜蘭最大，是美麗獨蒜蘭的2.2倍。此外，云南獨蒜蘭的CO2補償點（CCP）最小，僅為74.977 μmol/mol，與流蘇獨蒜蘭及美麗獨蒜蘭差異顯著，而美麗獨蒜蘭的CO2補償點與流蘇獨蒜蘭無顯著差異。

2.3 ?葉綠素含量

由圖3可知，3種獨蒜蘭屬植物的葉片SPAD值表現為云南獨蒜蘭與美麗獨蒜蘭差異顯著，其中云南獨蒜蘭（45.207）最大，美麗獨蒜蘭（38.333）最小。流蘇獨蒜蘭則表現居中（42.207），與云南獨蒜蘭及美麗獨蒜蘭差異不顯著。

3 ?討論

光合作用通過光系統(tǒng)I和II將太陽能轉化為化學能，為生命提供能量[15]。植物在進行光合作用的過程中，當光能吸收量大于其光化學反應所需的利用量，且這些過剩的光能未能耗散時，就會出現光抑制現象，而光抑制的程度取決于光系統(tǒng)Ⅱ反應中心與光合機構保護機制的運轉破壞兩方面的平衡狀態(tài)[16]。本研究中，3種獨蒜蘭屬植物均在光強達到光飽和點后，出現不同程度的Pn下降情況，流蘇獨蒜蘭在光強達到光飽和點后，最先出現光抑制現象，表明其光系統(tǒng)在光強增強時受光抑制程度較強，對強光最為敏感，而美麗獨蒜蘭最晚出現光抑制現象能維持較高的光合速率，說明其進行光合作用適應的光強范圍較廣。另一方面，當植物進行光合作用所需的光能過剩時，植物可通過葉黃素循環(huán)以熱能形式耗散掉過多的光能，并利用光呼吸將釋放的NH3重新固定及從葉綠體將還原性物質運輸至線粒體來消耗還原力[17-18]。研究表明，植物的光呼吸能力越強，它對高光的耐受性也就越強，如失去光呼吸功能的擬南芥（Arabidopsis thaliana）突變體的光抑制表型表現更強[19]，本研究中3種獨蒜蘭屬植物的光呼吸速率無顯著差異，且遠不及耐強光植物的光呼吸速率[20]，可見這3種植物較低的光呼吸速率可能與其較弱的強光耐受性相關。

植物生存所需的最低光照，即耐陰性，是一個至關重要的生活史特征[21]。有研究表明，光飽和點在405～810 μmol/（m2·s），且光補償點在8.1～ 24.3 μmol/（m2·s）的植物耐陰性強[22]。當光強達到植物的光補償點時，呼吸消耗的有機物與光合作用制造的相等，光補償點越低植物利用弱光的能力越強;光飽和點則表現植物對強光的適應能力，光飽和點越高的植物可在越強的光下正常生長發(fā)育[23]。本研究中3種獨蒜蘭屬植物的光補償點無顯著差異，均不超過24.3 μmol/（m2·s），光飽和點也均小于810 μmol/（m2·s），說明這3種獨蒜蘭屬植物利用弱光的能力強，具有較強的耐陰性，與李云霞等[11]研究的另外4種獨蒜蘭屬植物的結果基本一致。

初始羧化效率反映植物胞間CO2濃度為50 μmol/mol時植物Rubisco的量及酶活性，初始羧化效率越高，植物光合作用對低濃度CO2的利用能力越強[24]，3種獨蒜蘭屬植物中美麗獨蒜蘭的初始羧化效率最小，其光合作用利用CO2的效率較低;云南獨蒜蘭的初始羧化效率最高，其Rubisco的量及酶活性均高于美麗獨蒜蘭和流蘇獨蒜蘭，表明云南獨蒜蘭對CO2的利用率高，在低CO2濃度的環(huán)境下生長發(fā)育不易受抑制。CO2補償點反映植物呼吸消耗與光合同化作用相當時的CO2濃度，CO2飽和點則反映植物利用高CO2濃度的能力，這2個參數是判斷植物是否具有高光合效率的一種指標[25]。本研究中云南獨蒜蘭CO2補償點為最低，且低于之前已發(fā)表的4種獨蒜蘭屬植物，進一步表明云南獨蒜蘭對CO2的利用率高[11]。此外，這3種獨蒜蘭屬植物間的CO2飽和點與最大凈光合速率均無顯著差異，可見對高CO2濃度的利用能力一定程度上也是影響其光合速率的因素之一。

暗呼吸速率體現植物黑暗條件下呼吸消耗有機物的程度[26]，云南獨蒜蘭、流蘇獨蒜蘭和美麗獨蒜蘭的暗呼吸速率無顯著差異，表明在黑暗條件下，其呼吸消耗程度基本一致。初始斜率表現被測植物的初始量子效率[14]，反映植物將光能轉化為電子流的最大能力[23]。本研究中，3種獨蒜蘭屬植物的初始量子效率無顯著差異，表明其光能利用率相近。此外，光飽和狀態(tài)下這3種植物表現的最大凈光合速率均小于CO2飽和狀態(tài)的最大凈光合速率，表明CO2的供應在很大程度上是限制其光合速率的一個因素。

葉綠素作為綠色植物的基本色素，對于光合作用光能的吸收、傳遞以及轉化起著重要作用[27]。研究表明，植物葉綠素儀測定的SPAD值與植物葉綠素含量呈正相關，SPAD值作為間接指標能夠很好地反映植物葉片的葉綠素含量[28]。本研究中，美麗獨蒜蘭的葉片SPAD值在3種獨蒜蘭屬植物中最低，在光響應曲線中表現的最大凈光合速率也最低，同時云南獨蒜蘭的葉片SPAD值最高，其最大凈光合速率也高于美麗獨蒜蘭，說明獨蒜蘭屬植物的光合速率與葉綠素含量存在一定程度的相關性。有學者認為植物光抑制現象產生的一部分原因是由于植物葉片中含有過多的葉綠素[29]，其中Nakajima和Itayama[30]在對微藻（Microalgae）的研究中發(fā)現通過減少微藻捕光色素的含量有助于提高微藻光合產量，周振翔等[31]也曾通過研究表明葉綠素含量高的野生型水稻（Oryza sativa）比葉綠素含量相對較低的突變體水稻在高光強下更易出現光抑制，因而本研究中美麗獨蒜蘭表現的光飽和點最高，不易出現光抑制現象，可能與其相對較低的葉片SPAD值有關。

綜上，本研究中3種獨蒜蘭屬植物的葉片SPAD值高低與其光合速率有一定程度的相關性。其較強的耐陰性可能是由長期生長在陰涼的林中樹干或被苔蘚覆蓋的巖壁，與環(huán)境長期適應所產生。除此之外，流蘇獨蒜蘭對強光的適應力差，易出現光抑制現象;美麗獨蒜蘭對光的適應范圍較廣，其光系統(tǒng)減弱強光對光合活力傷害的能力較強，但在增加光合速率時所需的CO2濃度較高;而云南獨蒜蘭光合作用對較低濃度的CO2利用率最高，更能適應低CO2濃度的環(huán)境。因此，在生產栽培中注意遮蔭，適當增加CO2濃度將有利于此3種獨蒜蘭屬植物進行光合作用。光合作用是植物生命中不可或缺的能量轉化過程，影響著植株的生長發(fā)育，光合生理的研究對獨蒜蘭屬植物的生產栽培及引種育種具有重要意義。

參考文獻

[1] 張 ?燕， 李思鋒， 黎 ?斌. 獨蒜蘭的生物學特性及栽培技術[J]. 陜西農業(yè)科學， 2010， 56（1）： 267-268.

[2] Wu X Q， Li W， Chen J X， et al. Chemical constituents and biological activity profiles on Pleione （Orchidaceae）[J]. Molecules， 2019， 24（17）： 1-26.

[3] Chen S C， Liu Z J， Zhu G H， et al. Orchidaceae： Flora of China： Vol.25[M]. Beijing & Missouri Botanical Garden， Science Press， 2009： 45-167.

[4] 江鳴濤， 張藝祎， 李云霞， 等. 云南獨蒜蘭×陳氏獨蒜蘭種子萌發(fā)與幼苗生長研究[J]. 江蘇農業(yè)科學， 2018， 46（4）： 110-113.

[5] 戴中武， 沈立明， 吳小倩， 等. 基于層次分析法對十六種獨蒜蘭屬植物觀賞價值綜合評價[J]. 北方園藝， 2020（5）： 73-79.

[6] 劉 ?虹， 吳瑞云， 陳 ?雁. 獨蒜蘭[J]. 生物學通報， 2010， 45（12）： 50.

[7] 尚海琳， 李方民， 林 ?玥， 等. 桃兒七光合生理特性的地理差異研究[J]. 西北植物學報， 2008， 28（7）： 1440-1447.

[8] Xia J B， Zhang S Y， Zhang G C， et al.Critical responses of photosynthetic efficiency in Campsis radicans （L.） Seem to soil water and light intensities[J]. African Journal of Bio-technology， 2011（10）： 17748-17754.

[9] 魯 ?肅， 張宇清， 吳 ?斌， 等. 水分脅迫下油蒿光合光響應過程及其模擬[J]. 北京林業(yè)大學學報， 2014， 36（1）： 55-61.

[10] 楊笑笑， 左琪琪， 楊 ?磊， 等. 蝴蝶蘭葉片葉綠素含量對栽培基質含水量和施肥量的響應[J]. 安徽農業(yè)科學， 2015， 43（27）： 48-50.

[11] 李云霞， 張藝祎， 郭艷珊， 等. 4種獨蒜蘭屬植物光合特性比較研究[J]. 云南農業(yè)大學學報（自然科學）， 2018， 33（5）： 891-897.

[12] 艾天成， 李方敏， 周治安， 等. 作物葉片葉綠素含量與SPAD值相關性研究[J]. 湖北農學院學報， 2000（1）： 6-8.

[13] 蹇 ?黎， 朱利泉， 張以忠， 等. 貴州蘭花SPAD值和葉綠素含量測定與分析[J]. 安徽農業(yè)科學， 2009， 37（35）： 17462-17464.

[14] 葉子飄. 光合作用對光和CO2響應模型的研究進展[J]. 植物生態(tài)學報， 2010， 34（6）： 727-740.

[15] Nürnberg Dennis J， Jennifer M， Stefano S， et al. Photochem?istry beyond the red limit in chlorophyll f–containing photo?systems[J]. Science， 2018， 360（6394）： 1210-1213.

[16] Demmig-Adams B， Adams Iii W W. Photoprotection and other responses of plants to high light stress[J]. Annual re-view of plant biology， 1992， 43（1）： 599-626.

[17] Yamamoto H Y， Chichester C O， Nakayama T O. Bio-synt-hetic origin of oxygen in the leaf xanthophylls[J]. Archives of Biochemistry & Biophysics， 1962， 96（3）： 645-649.

[18] Igamberdiev A U， Lea P J. ChemInform Abstract： The Role of peroxisomes in the integration of metabolism and evolu-tionary diversity of photosynthetic organisms[J]. Chemin-form， 2002， 60（7）： 651-674.

[19] Takahashi S， Bauwe H， Badger M. Impairment of the photorespiratory pathway accelerates photoinhibition of photosystem II by suppression of repair but not acceleration of damage processes in Arabidopsis[J]. Plant Physiology， 2007， 144（1）： 487-494.

[20] 王海珍， 韓 ?路， 徐雅麗， 等. 胡楊異形葉光合作用對光強與CO2濃度的響應[J]. 植物生態(tài)學報， 2014， 38（10）： 1099-1109.

[21] Valladares F， Niinemets ülo. Shade tolerance， a key plant feature of complex nature and consequences[J]. Annual Re-vi?ew of Ecology Evolution And Systematics， 2008， 39（1）： 237-257.

[22] 汪小飛， 靳文文. 扇脈杓蘭耐陰性的測定與分析[J]. 南京林業(yè)大學學報（自然科學版）， 2014， S1： 57-61.

[23] 葉子飄， 胡文海， 閆小紅， 等. 基于光響應機理模型的不同植物光合特性[J]. 生態(tài)學雜志， 2016， 35（9）： 2544-2552.

[24] 潘學軍， 李德燕， 張文娥. 貴州葡萄屬野生種光合特性的研究[J]. 植物遺傳資源學報， 2011， 12（1）： 145-149.

[25] 陳 ?旅， 楊途熙， 魏安智， 等. 不同花椒品種光合特性比較研究[J]. 華北農學報， 2016， 31（4）： 153-161.

[26] 李學禮. 總光合速率、凈光合速率與呼吸速率的辨析[J]. 時代教育， 2017（20）： 131-132.

[27] 許大全. 葉綠素含量的測定及其應用中的幾個問題[J]. 植物生理學通訊， 2009， 45（9）： 896-898.

[28] 李 ?輝， 白 ?丹， 張 ?卓， 等. 羊草葉片SPAD值與葉綠素含量的相關分析[J]. 中國農學通報， 2012， 28（2）： 27-30.

[29] Ort D R， Merchant S S， Alric J， et al. Redesigning photo-synthesis to sustainably meet global food and bioenergy demand[J]. Proceedings of the National Academy of Sci-ences， 2015， 112（28）： 8529-8536.

[30] Nakajima Y， Itayama T.Analysis of photosynthetic productivity of microalgal mass cultures[J]. Journal of Applied Phycology， 2003， 15（6）： 497-505.

[31] 周振翔， 李志康， 陳 ?穎， 等. 葉綠素含量降低對水稻葉片光抑制與光合電子傳遞的影響[J]. 中國農業(yè)科學， 2016， 49（19）： 3709-3720.

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