何玉琳，吳 楊*，葉子飄，周賽霞，葉思誠，劉文鑫

(1 九江學(xué)院 江西油茶研究中心，江西九江 332005；2 井岡山大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，江西吉安 343009；3 中國科學(xué)院廬山植物園，江西 九江 332900)

光照是影響植物生長發(fā)育最重要的生態(tài)因子之一。光調(diào)控作物物質(zhì)生產(chǎn)是一個復(fù)雜的生化和生物物理過程，涉及光合機構(gòu)的組成、光合色素和光合酶的生物合成、光驅(qū)動的電子傳遞、CO2的固定和同化[1]。植物生長需要特定的光照強度，高于或低于正常光強度對植物光合作用和干物質(zhì)積累都有很大影響。植物在生長過程中常常遭遇弱光脅迫，如大氣環(huán)境變化導(dǎo)致的光照輻射降低，間套作種植方式造成的蔭蔽等。一般而言，弱光條件下的葉片為收獲更多光能，會表現(xiàn)出葉片變薄，葉面積變小，柵欄組織變薄，葉綠素含量增加等特征，但同時氣孔密度和氣孔導(dǎo)度降低，CO2傳遞受阻，光合速率下降。較高的光照強度則會擾亂植物的能量平衡。在夏季或日間等光強較高的條件下，超過代謝所需的多余能量會在葉綠體類囊體膜中積累，從而造成光合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受損，引起光合活性降低[1-4]。

建立數(shù)學(xué)模型是研究植物光合特性的有效手段。前人利用直角雙曲線模型、非直角雙曲線模型對光響應(yīng)曲線、CO2響應(yīng)曲線進行了大量的擬合分析。普遍認(rèn)為，弱光條件下植物葉片光補償點和光飽和點降低、表觀量子效率提高，使其在光限制條件下能夠最大限度地利用光能來制造有機物。但弱光環(huán)境中生長的葉片往往具有較低的暗呼吸速率、CO2飽和點、CO2羧化效率以及較高的CO2補償點[5-7]。不同種類、品種或品系間植物光合效率的高低及其光環(huán)境的適應(yīng)能力，以及不同模型的擬合效果都有很大差別。葉子飄等[8-10]提出的光合機理模型能較好擬合光合速率對光和CO2的響應(yīng)曲線，特別是光合電子傳遞效率對光響應(yīng)模型能進一步明確葉片光系統(tǒng)功能和捕光色素分子物理特性，為深入研究植物光合生理奠定了基礎(chǔ)，近年來被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用。

油茶是中國獨有的食用性、多年生木本油料作物。它雖然具有較強的抗逆性和生態(tài)適應(yīng)能力，但較低的葉片光合速率和粗放的栽培模式導(dǎo)致其產(chǎn)量常年低而不穩(wěn)。不同光強環(huán)境條件下，油茶光能利用特征與光合碳生產(chǎn)潛力目前亦缺乏深入研究。為此，本研究通過設(shè)置不同光照強度處理，系統(tǒng)分析油茶葉片光能吸收、電子傳遞、捕光色素分子內(nèi)稟特性與光能利用效率之間的關(guān)系，為實現(xiàn)油茶高光效育種和生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2020年在九江學(xué)院江西油茶研究中心進行，供試材料為油茶品種‘長林4號’。選取生長良好、均勻一致的2年生油茶苗，移栽于250 mm × 190 mm的種植盆內(nèi)，每盆1株。將油茶苗放置于自然生長條件下緩苗1個月后，再將其放入人工氣候室內(nèi)(寧波江南儀器廠，GXZ-280E)進行光照處理。試驗設(shè)置L100(全光照，450～500 μmol·m-2·s-1)、L70(70%光照，300～350 μmol·m-2·s-1)、L40(40%光照，180～200 μmol·m-2·s-1)、L10(10%光照，45～50 μmol·m-2·s-1)共4個光照強度處理；每個處理30盆，共120株；光周期設(shè)定為12 h/12 h(晝/夜)，培養(yǎng)溫度為28 ℃/22 ℃(晝/夜)，栽植后保持一致的管理，并保證土壤水分充分供應(yīng)。

1.2 測定項目與方法

在不同光照條件下處理40 d后，選擇完全展開的功能葉片(上數(shù)2～3葉)進行以下光合指標(biāo)的測定和相關(guān)參數(shù)的估算。

1.2.1 光合色素含量采用丙酮和無水乙醇(2∶1)的混合液法對葉片光合色素進行提取，提取液利用紫外分光光度計分別在470、645、663 nm波長下測定吸光度值，葉綠素含量(葉綠素a與葉綠素b之和)按照Arnon方法[11]進行計算。每處理隨機選取5株油茶苗測定，取其平均值。

1.2.2 光合氣體交換和葉綠素?zé)晒鈪?shù)每處理分別隨機選取5株油茶苗，用于葉片光合氣體交換和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定。利用Li-6800XT便攜式光合儀，在各處理生長光強下測定得到凈光合速率(Pn)、光系統(tǒng) Ⅱ(PSⅡ)有效光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv′/Fm′)、PS Ⅱ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)、PS Ⅱ?qū)嶋H光化學(xué)效率(ΦPS Ⅱ)、電子傳遞效率(ETR)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)。然后參照Demmig-Adams等[12]的方法計算光能分配：

光化學(xué)耗散=qP×Fv′/Fm′×100%；

天線熱耗散=(1-Fv′/Fm′)×100%；

過剩激發(fā)能=(1-qP)×Fv′/Fm′×100%。

1.2.3 光與CO2響應(yīng)曲線及參數(shù)每處理分別隨機選取5株油茶苗，進行光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線的測定。在光響應(yīng)曲線測定時，葉室溫度為25 ℃，紅藍光源，由CO2氣體小鋼瓶控制CO2濃度為400 μmol·m-2·s-1，光合有效輻射梯度設(shè)定為：2 000、1 800、1 500、1 200、900、600、400、200、150、100、70、40、10和0 μmol·m-2·s-1。在CO2響應(yīng)曲線測定時，葉室CO2梯度設(shè)定為：400、300、200、100、50、30、400、500、600、800、1 000、1 200、1 500和1 800 μmol·m-2·s-1，設(shè)定光強為1 200 μmol·m-2·s-1。

首先，利用測定數(shù)據(jù)根據(jù)葉子飄等[9]非直角雙曲線修正模型進行擬合，并計算光合速率-光響應(yīng)曲線對應(yīng)的暗呼吸速率(Rd)、最大凈光合速率(Pna-max)、飽和光強(Isat)、光補償點(Ic)，光合速率-CO2響應(yīng)曲線對應(yīng)的光呼吸速率(Rp)、最大凈光合速率(Pnc-max)、飽和胞間CO2濃度(Cisat)、CO2補償點(Γ)。

1.2.4 植株水平光能利用效率植株水平光能利用效率(LUEP)參考以下公式計算：

LUEp=(D·f)/R

其中，D為光處理期間植株地上部分增長的干物質(zhì)量(kg·m-2)，每處理隨機選取5株油茶苗測定，取其平均值；f為木本植物干物質(zhì)的化學(xué)能，20 MJ·kg-1[14]；R為光處理期間植株接受的300～800 nm內(nèi)的光輻射能(MJ·m-2)，用Spectra Pen光譜儀進行測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗(LSD法，α=0.05)。利用光合計算軟件(http://photosynthetic.sinaapp.com/index.html)對光合作用參數(shù)曲線進行擬合分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 光強對油茶葉片氣體交換參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

表1顯示，隨光照處理強度的降低，油茶葉片凈光合速率(Pn)、電子傳遞效率(ETR)及非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)均呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，且各處理間大多差異顯著(P<0.05)；與L100處理(對照)相比，L10處理葉片Pn、ETR和NPQ分別顯著降低了74.78%、83.00%和34.20%。同時，隨光照處理強度的降低，油茶葉片PS Ⅱ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)和光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)則逐漸升高，且L100處理與L40和L10處理間存在差異顯著，而與L70處理間無顯著差異；與L100處理相比，L10處理葉片F(xiàn)v/Fm、ΦPSⅡ和qP值分別顯著提高了5.19%、65.38%和17.24%?？梢姡诟吖鈴娤?，油茶葉片的凈光合速率和電子傳遞效率提高，熱耗散增加，而其PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率和光化學(xué)淬滅系數(shù)則顯著降低，而在低光強條件下則表現(xiàn)出相反規(guī)律。

表1 不同光強對油茶葉片氣體交換與葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

2.2 光強對油茶葉片光能分配比例的影響

由表2可知，光照強度強烈影響著油茶葉片所吸收光能的分配比例。L100、L70和L40處理油茶葉片的吸收光能分配比例排序均為天線熱耗散>光化學(xué)耗散>過剩激發(fā)能，而L10處理排序則為光化學(xué)熱耗散>天線熱耗散>過剩激發(fā)能。隨著光照強度的降低，油茶葉片所吸收光能中的光化學(xué)耗散和過剩激發(fā)能逐漸增加，天線熱耗散逐漸降低。其中，與L100處理相比，L70處理間的吸收光能分配比例沒有顯著變化，而L40、L10處理天線熱耗散比例顯著減少，光化學(xué)耗散比例顯著增加，但過剩激發(fā)能沒有顯著差異。說明在光照強度較低的情況下，油茶植株吸收的光能大部分用于進行光化學(xué)反應(yīng)，而非光化學(xué)過程分配份額相對減少。

表2 不同光強下油茶葉片吸收光能分配比例的變化

2.3 光強對油茶葉片光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線特征參數(shù)的影響

油茶葉片光響應(yīng)曲線的特征參數(shù)暗呼吸速率(Rd)、最大凈光合速率(Pna-max)、飽光強(Isat)均隨光照強度的下降而逐漸降低，而光補償點(Ic)則先升后降，并在L70處理下達到最大值，各指標(biāo)在處理間的差異大多達到顯著水平(圖1，A；表3)。其中，與L100處理相比，L70處理的Pna-max和Isat值沒有顯著變化，其Rd值顯著降低了30.51%，而Ic值卻顯著提高了6.07%；L40處理的Rd、Pna-max、Isat和Ic值分別顯著下降了72.32%、25.48%、32.25%和25.83%，L10處理則分別顯著下降了85.31%、58.90%、47.35%和61.81%；同時，隨光照強度降低，油茶葉片CO2響應(yīng)曲線的特征參數(shù)光呼吸速率(RP)、最大凈光合速率(Pnc-max)、飽和胞間二氧化碳濃度(Cisat)和 CO2補償點(Γ)也隨之逐漸下降(圖1，B；表4)。其中，與L100處理相比，L70處理油茶葉片RP、Pnc-max、Cisat和Γ值除Pnc-max外降幅均達到顯著水平，L40處理分別顯著降低了47.69%、56.04%、26.59%和27.40%，L10處理則分別顯著降低了65.12%、68.82%、38.19%和47.84%。

表3 不同光強下油茶葉片光響應(yīng)曲線特征參數(shù)的變化

表4 不同光強下油茶葉片CO2響應(yīng)曲線特征參數(shù)的變化

2.4 光強對油茶葉片電子傳遞效率和葉片水平光能利用效率光響應(yīng)特征參數(shù)的影響

圖2，A顯示，各光強處理油茶葉片電子傳遞效率ETR值在光照強度較低時隨光照強度增加而快速增加，隨后增長較為平緩，ETR值在達到峰值后呈現(xiàn)緩慢降低的趨勢；其中，與L100處理相比，L70、L40和L10處理油茶葉片最大電子傳遞效率(Jmax)分別顯著降低了10.60%、29.31%和48.68%，最大電子傳遞效率相對應(yīng)的飽和光強(IJ-sat)分別顯著降低了20.24%、41.17%和48.10%，且各處理間差異均達到顯著水平(表5)。同時，隨著光照強度的增加，各光強處理油茶葉片水平光能利用效率(LUEL)均急劇上升，在達到峰值后逐漸下降；在光照強度大于100 μmol·m-2·s-1時，高光強處理LUEL開始明顯高于低光強處理(圖2，B)。其中，油茶葉片最大光能利用效率(LUEL-max)在L70、L40和L10處理下分別比L100處理顯著降低了25.03%、43.05%和43.32%；而最大光能利用效率相對應(yīng)的飽和光強(IL-sat)在L70和L40處理下分別較L100處理顯著提高18.22%和29.72%，在L10處理下則較L100處理顯著降低40.34%(表5)。

圖2 油茶電子傳遞效率和葉片水平光能利用效率對光響應(yīng)曲線

2.5 光強對油茶葉片葉綠素含量和捕光色素分子內(nèi)稟參數(shù)的影響

表6 不同光強下油茶葉片葉綠素含量和捕光色素分子內(nèi)稟參數(shù)的變化

圖3 油茶葉片處于最低激發(fā)態(tài)的捕光色素分子數(shù)和捕光色素分子有效光能吸收截面的光響應(yīng)曲線

2.6 光強對油茶干物質(zhì)增長量和植株水平光能利用效率的影響

圖4顯示，油茶干物質(zhì)增長量在L70處理下與L100處理沒有顯著差異，而在L40、L10處理下分別較L100處理顯著下降了77.73%和95.55%；油茶植株水平光能利用效率(LUEP)以L70處理最大，其比L100處理顯著增加了51.52%，而L40處理稍低于L100處理，L10處理則較L100處理顯著降低了56.26%。

圖4 不同光照強度下油茶干物質(zhì)增長量和植株水平光能利用效率的變化

3 討 論

為明確油茶的光合特性，前人針對不同油茶栽培品種間光合氣體交換參數(shù)、光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線特征進行了大量的對比研究。總結(jié)前人結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同品系間油茶的光能吸收利用率和CO2同化效率存在著較大差異。大多數(shù)油茶具有較高的光呼吸速率(Rp)，光合作用過程中的能量損耗較多，但油茶能夠同時較好地適應(yīng)強光和弱光環(huán)境，具有較寬的光能利用范圍[15-16]。然而油茶對不同光照環(huán)境的適應(yīng)機制尚缺乏深入研究。光呼吸和暗呼吸會消耗一部分能量和有機物，但對于維持植株體內(nèi)正常的碳、氮代謝活動和應(yīng)對環(huán)境變化具有重要意義，與光合作用一起構(gòu)成了植物維持自身生命活動的復(fù)雜代謝網(wǎng)絡(luò)[17]。生長旺盛、光合速率高的植株往往也伴隨著較高的光呼吸速率和暗呼吸速率[18-19]。本研究結(jié)果表明，油茶葉片凈光合速率(Pn)、潛在最大光合能力(Pna-max、Pnc-max)、光呼吸速率(Rp)、暗呼吸速率(Rd)、光補償點(Ic)、CO2補償點(Γ)、飽和光強(Isat)、飽和胞間CO2濃度(Cisat)、電子傳遞效率(ETR)、最大電子傳遞效率(Jmax)及最大電子傳遞效率相對應(yīng)的飽和光強(IJ-sat)均隨光照強度的降低而呈現(xiàn)下降趨勢。說明在弱光條件下，油茶光合產(chǎn)物凈積累以及光合速率達到最大值所需的光照輻射和CO2濃度更低，并且代謝活動也趨向緩慢；而在強光條件下，油茶較高的光合速率、光飽和點、飽和胞間CO2濃度以及PSⅡ反應(yīng)中心的電子傳遞活性可以減輕強光脅迫對植株的危害，有利于固碳能力的提高和有機物的積累[6,20-21]。

本試驗中不同光照處理油茶葉片PSⅡ反應(yīng)中心的最大光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)值處于0.77～0.81之間，說明強光和弱光處理均未對光系統(tǒng)造成明顯傷害。弱光下油茶葉片光化學(xué)淬滅系數(shù)qP和光化學(xué)耗散比例增加，非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ和天線熱耗散比例減少，且Fv/Fm和PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)隨光照強度的降低而升高。說明在光照強度較低的情況下，油茶葉片吸收的光能大部分用于進行光化學(xué)反應(yīng)，PSⅡ系統(tǒng)對原初光能的實際利用能力在弱光下得到提升，這與代大川等[7]、賈浩[22]、黃亞麗等[23]的研究結(jié)果類似。利用葉片光能利用效率的光響應(yīng)模型進一步擬合分析可知，油茶LUEL值在光照強度較低時，隨光照強度增加而急劇上升，當(dāng)光照強度大于100 μmol·m-2·s-1時，高光強處理LUEL開始明顯高于低光強處理，并獲得了最高的LUEL-max值，即光能利用潛能較大。周新華等[24]、吳藝梅等[25]研究結(jié)果表明適當(dāng)減少光照能夠促進油茶苗木株高、葉面積以及干物質(zhì)的增長。但本試驗結(jié)果表明，植株水平上，全光照和70%光照處理均顯著提高了油茶干物質(zhì)的增長量，而70%光照處理則獲得了最高的光能利用效率。

由此可見，油茶在低光強下可以通過增加葉綠素含量、天線色素分子數(shù)和本征光能吸收截面來增加其對光能的吸收。然而捕光色素分子的有效光能吸收截面降低，捕光色素分子處于最低激發(fā)態(tài)的平均壽命變長，累積在最低激發(fā)態(tài)的天線色素分子數(shù)增多，容易產(chǎn)生大量活性氧[8]。雖然尚未對光反應(yīng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞，但限制了電子在捕光色素分子之間的傳遞和光合電子流的產(chǎn)生，光能捕獲與電子傳遞效率不能同時提高，不利于光能的吸收和利用。

4 結(jié) 論

油茶葉片凈光合速率、光呼吸速率、暗呼吸速率以及電子傳遞效率隨光照強度的增強而提高。弱光環(huán)境中油茶葉片能夠提高PSⅡ系統(tǒng)光化學(xué)效率，分配更多光能用于光化學(xué)反應(yīng)，并通過提高葉綠素含量、天線色素分子數(shù)和本征光能吸收截面來增強其葉片對光能的吸收，然而捕光色素分子的有效光能吸收截面降低，捕光色素分子處于最低激發(fā)態(tài)的平均壽命變長，累積在最低激發(fā)態(tài)的天線色素分子數(shù)增多，限制了光合電子流的產(chǎn)生和電子傳遞效率的提高，降低了油茶植株的光合生產(chǎn)力與光能利用效率。