3個百合品種光合特征的比較研究

智永祺，韓福貴，盧珍紅，段 青*， 戴余有，李紳崇

(1.云南省農業科學院花卉研究所，云南昆明650100；2.紹興市農業科學研究院，浙江紹興312003；3.江蘇省中國科學院植物研究所/南京中山植物園，江蘇南京210014)

百合(Liliumspp.)為百合科(Liliaceae)百合屬(LiliumL.)栽培品種的總稱，其花色明艷，花姿高雅，寓意吉祥，是我國重要的鮮切花之一，深得消費者青睞[1]。目前注冊的百合品種已經超過10 000個[2]，近年來引種的東方百合品種就達200余個[3]。設施栽培條件下，百合可周年生產，全年供花[1]。但設施栽培中普遍存在的光照不足、空氣流通不暢等問題，影響了百合的光合作用，從而影響了其生長、開花[4-5]。

不同百合品種光合能力存在差異[6-7]。對百合光合作用影響最大的因素是光照和水分。在相同的光照強度下，隨著水分脅迫的加劇，凈光合速率明顯下降[8-9]。水分充足的情況下，不同百合品種光合作用對光照強度響應不一致。有研究表明，隨著遮陰程度增加，百合的凈光合速率明顯下降[10-11]；也有學者得到了相反的結論[9,12]。

東方百合品種‘Siberia’(‘西伯利亞’)和‘Sorbonne’(‘索邦’)是云南省鮮切花出口量最大的2個品種[13]。東方百合與喇叭百合的雜交品種‘Conca D or’(‘木門’)因其花色亮麗、抗性優良正成為最具市場潛力的品種[14]。本研究以 ‘Siberia’、‘Sorbonne’、‘Conca D or’為材料，研究日光溫室栽培條件下其光合日變化、葉綠素熒光誘導曲線及快速光曲線等參數，分析凈光合速率與環境因子的關系，為百合設施栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為市場需求量大，且在張家港地區生長適應性較好的3個百合品種，分別為：東方百合品種‘Siberia’(‘西伯利亞’)和‘Sorbonne’(‘索邦’)、亞洲百合與喇叭百合的雜交品種‘Conca D or’(‘木門’)。不同品種百合種植于江蘇張家港市駿馬農林有限公司的日光溫室內，選取長勢較好、生長一致的蕾前期不同品種百合作為試驗材料，植株高度為80 cm。

1.2 試驗設計

對不同品種百合進行常規水肥管理，試驗于2013年10月27日進行，此時百合處于蕾前期。隨機選擇不同葉位的健康葉片測定，每處理測量3個重復。葉位的確定標準為：上部葉離地60 cm；中部葉離地40 cm；下部葉離地20 cm。

1.3 項目測定及方法

1.3.1 光合參數日變化的測量 采用德國WALZ公司生產的GFS-3000便攜式光合作用測量儀，于測量日08:00—16:00，每隔2 h測定1次3個百合品種不同葉位葉片的光合參數。各光合生理參數為：凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(E)、胞間二氧化碳濃度(Ci)等。

1.3.2 葉綠素熒光參數測量 對待測葉片進行暗適應處理30 min后，測定3個百合品種不同葉位葉片的葉綠素初始熒光(F0)、最大熒光(Fm)、光化學淬滅系數(qP)、非光化學淬滅系數(NPQ)，從而計算出PSⅡ最大光化學量子產量(Fv/Fm)；設3次重復；之后設置9個有效光輻射(PAR)梯度，分別為0，66，90，125，190，285，420，625，820 μmol/(m2·s)，每個梯度持續10 s，測出相對電子傳遞速率(rETR)，用于快速光曲線的擬合。葉片照射190 μmol/(m2·s)的光化光達到穩態后，即測量快速光曲線。

1.4 數據處理與分析

試驗數據采用Excel進行統計處理，利用開源統計軟件R語言進行后續分析和作圖[13]，agricolae軟件包進行通徑系數分析[16]，psych軟件包進行相關性分析[17]。

利用R軟件的phytotools包、采用Nelder-Mead法、根據公式rETR=α×Ek(1-exp(-E×Ek-1))進行快速光曲線的擬合[16]。其中Ek代表半飽和光強；α為快速光曲線的初始斜率；rETR隨PAR的變化即為快速光曲線。最后根據公式rETRmax(Pm)=Ek×α計算出最大相對電子傳遞速率(rETRmax)。

2 結果與分析

2.1 試驗期間環境因子的日變化

圖1 環境因子的日變化Fig.1 Diurnal changes of environmental factors

日光溫室栽培條件下，‘Conca D or’的光照日變化呈雙峰型，凈光合速率的峰值分別出現在10:00和14:00；‘Sorbonne’、‘Siberia’呈單峰型(圖1A)，凈光合速率的峰值分別出現在10:00。測量過程中大氣溫度日變化(Ta)如圖1B所示，呈雙峰曲線變化，‘Sorbonne’和‘Conca D or’的Ta則呈單峰曲線變化，14:00日光溫室內大氣溫度最高。葉片溫度(TL)均為雙峰型變化曲線(圖1C)，不同品種同一時間TL差異不顯著(P=0.552)。TL與Ta之間呈顯著正相關(P<0.05)，說明葉片溫度主要受大氣溫度影響。大氣CO2濃度(Ca)在08:00較高，然后下降，10:00—12:00幾乎不變化，14:00之后略有上升，日均值分別為432.8 μmol/(m2·s)(‘Siberia’)、428.4 μmol/(m2·s)(‘Conca D or’)和426.4 μmol/(m2·s)(‘Sorbonne’)，各品種之間差異未達到顯著水平(P=0.809)(圖1D)?？諝庀鄬穸?RH)變化趨勢如圖1E，不同品種栽培的日光溫室內空氣相對濕度變化趨勢一致，無顯著差異(P=0.985)。其中，08:00和16:00較高，10:00和14:00較低，整體呈倒雙峰型的變化。

2.2 3個百合品種光合參數的日變化

植物光合作用日變化有兩種典型的方式，即雙峰型和單峰型[19]。由圖2A可以看出，日光溫室栽培條件下，3個百合品種3個葉位的凈光合速率(Pn)平均值日變化趨勢一致，峰值是在上午10:00；‘Siberia’的Pn峰值和日平均值最大，分別為6.53，3.30 μmol/(m2·s)。3個百合品種氣孔導度(Gs)日變化呈下降趨勢(圖2B)，在08:00—10:00、14:00—16:00下降明顯，10:00—14:00幾乎不變化；其中‘Sorbonne’的Gs的峰值和日均值最高，分別達237.19，107.04 mmol/(m2·s)。圖2C顯示蒸騰速率(Tr)日變化，‘Conca D or’和‘Sorbonne’的Tr值日變化趨勢一致，08:00—12:00Tr值下降，峰值在14:00出現，隨后Tr值明顯下降?！甋iberia’的Tr值呈單峰型，峰值出現在10:00?！甋orbonne’的Tr峰值和日均值最高，分別達1.85，1.27 mmol/(m2·s)。3個百合品種胞間CO2濃度(Ci)和氣孔限制值(Ls)日變化趨勢高度一致，均呈現早晚高、中午低的單谷型或早晚低、中午高的單峰型變化，最低值或最高值均出現在10:00；品種間的差異不大，‘Siberia’的Ci最小值較低，Ls峰值最大，分別為364.39 mg/L和0.30(圖2D、E)。

圖2 日光溫室栽培條件下3個百合品種光合參數日變化Fig.2 Diurnal changes of photosynthetic parameters of three lily cultivars cultivated in sunlight greenhouse

2.3 葉綠素熒光參數快速光曲線參數的異質性分析

不同葉位葉綠素熒光參數的變異系數如表1所示。3個百合品種不同葉位葉片的熒光參數的變異系數呈現出較高的異質性；其中非光化學淬滅系數(NPQ)的變異系數最大，均在58%以上(58.5%～95.9%)?！甋orbonne’的PSⅡ原初光能轉化效率(Fv/Fm)變異系數最小，低于1%。但不同的品種變化趨勢不盡相同。3個品種上部葉的光化學淬滅系數(qP)值均最大；‘Siberia’和‘Conca D or’中部葉的Fv/Fm值、最大電子傳遞速率(Pm)和Ek值及上部葉的相對電子傳遞速率(rETR)最大；而‘Sorbonne’的下部葉Fv/Fm值最大；‘Siberia’上部葉和中部葉的實際量子產量(Y)相同且大于下部葉；‘Sorbonne’的上部葉Y值最大，‘Conca D or’則是中部葉Y值最大；3個品種不同葉位的葉片α值非常接近，‘Siberia’和‘Sorbonne’上部葉的α值在供試葉片中略高，‘Conca D or’的中部葉和下部葉α值相等。

Fv/Fm表示的是PSⅡ將吸收的光能轉化成化學能的效率。所有的供試葉片中，‘Siberia’中部葉的Fv/Fm最大，為0.820；下部葉的Fm/Fv最小，僅為0.576；而且3個品種中‘Siberia’ 3個部位葉片的Fv/Fm平均值亦最大，為0.792。實際量子產量Y反映了植物的實際光合效率，光化學猝滅系數(qP)反映了PSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學電子傳遞的份額，是由質體醌類QA等再氧化所造成的，與電子傳遞、光合氧化等過程直接相關。qP越大，QA重新氧化的量愈大，即PSⅡ的電子傳遞活性越大?！甋orbonne’的實際量子產量(Y)、光化學淬滅系數(qP)和相對電子傳遞速率(rETR)在3個品種中最高；Y值為0.584，約為另外2個品種的3倍；qP為0.809；rETR為46.6，分別是‘Siberia’和‘Conca d or’的1.88倍和1.60倍。

表1 日光溫室栽培條件下不同百合品種的葉綠素熒光參數和快速光曲線參數

Fv/Fm：PSⅡ原初光能轉化效率；Y：PSⅡ實際量子產量；qP：光化學淬滅系數；NPQ：非光化學淬滅系數；rETR：相對電子傳遞速率；Pm：最大相對電子傳遞速率；Ek：半飽和光強；α：初始斜率

Fv/Fm:Maximal quantum efficiency of photosystem II;Y:Quantum yield of photosynthetic electron transport;qP:photochemical quenching;NPQ:non- photochemical quenching;rETR:relative electron transfer rate;Pm:maximum relative electron transfer rate;Ek:semi-saturated light intensity;α:initial slope

快速光曲線能夠評估光強對植物潛在光合作用能力的影響[20]。Ek反映了植物耐受強光的能力，Ek越大，耐受強光能力越強，初始斜率α值反映了葉片捕光能力的高低[20]。從表1可知，‘Sorbonne’的Pm和Ek最大，分別為208 μmol/(m2·s)和709 μmol/(m2·s)，分別是‘Siberia’和‘Conca D or’的6.5和6.1倍、4.7和4.6倍。3個品種中‘Sorbonne’的α值最高，為0.29，且Ek最高，因而具有很高的耐受強光能力和捕光能力。

2.4 不同百合品種光合速率與環境因子關系的通徑分析

Pn與環境因子通徑分析結果見表2。環境因子中對‘Siberia’的Pn直接作用由大到小為PAR>TL>RH>Ca>Ta，其中PAR和TL對Pn直接作用較大，分別為0.698 3和0.608 1；Ta的直接作用則為負向；RH和Ca受TL、PAR負作用影響較大。RH對‘Sorbonne’和‘Conca D or’的Pn直接作用最大，分別達到3.057 6和4.026 8，但受到TL、Ca和PAR的負作用影響；Ca對二者的Pn均具有負作用；除此之外，對‘Sorbonne’的Pn具有負向作用還有Ta。TL對‘Sorbonne’的Pn，PAR對‘Conca D or’的Pn直接作用都較大，分別為1.611 6和1.388 5，但均受RH負作用的影響。

表2 日光溫室培條件下3個百合品種環境因子通徑系數

PAR：光合有效輻射；Ca：大氣CO2濃度；Ta：大氣溫度；RH：空氣相對濕度；TL：葉片溫度

PAR:photosynthetic active radiation;Ca:atmospheric CO2concentrations;Ta:atmospheric temperature;RH:relative air humidity;TL:leaf temperature

2.5 不同百合品種環境因子與凈光合速率的相關性分析

由表3可知，僅‘Siberia’的PAR、TL與Pn呈極顯著正相關，相關系數分別為0.95和0.74；表明在日光溫室栽培條件下，一定程度增加PAR和提高TL可以提高‘Siberia’凈光合速率?！甋orbonne’和‘Conca D or’的Pn與環境因子間相關性均未達到顯著水平。3個品種中，所有TL與RH之間均為極顯著負相關；除‘Sorbonne’外，其余Ta與TL均呈極顯著正相關；Ca與RH呈極顯著正相關，與TL呈極顯著負相關；Ta與RH之間均為極顯著負相關。

表3 日光溫室培養條件下3個百合品種環境因子與凈光合速率的相關系數

*表示顯著性水平在0.05，**表示顯著性水平在0.01；PAR：光合有效輻射；Ca：大氣CO2濃度；Ta：大氣溫度；RH：空氣相對濕度；TL：葉片溫度；Pn:凈光合速率

*represents a significance level of 0.05,**represents a significance level of 0.01，PAR:photosynthetic active radiation;Ca:atmospheric CO2concentrations;Ta:atmospheric temperature;RH:relative air humidity;TL:leaf temperature;Pn:net photosynthetic rate

3 討論

百合光合作用的外界影響因素主要有光、溫度等[21]。合理調整生長過程中的環境條件可以增強光合作用，促進有機物積累[20]。

研究表明，3個百合品種凈光合速率大小關系為：‘Siberia’，‘Sorbonne’，‘Conca D or’。本研究是在溫室栽培條件下進行的，與露地條件相比，光照強度不高，PAR增加，東方百合‘Siberia’的Pn顯著增大；而對于‘Sorbonne’，Pn與環境因子間相關性不顯著，所以凈光合速率 ‘Siberia’>‘Sorbonne’。而在露地栽培條件下，有研究認為‘Sorbonne’>‘Siberia’，差異不顯著[23]，也有研究得出‘Conca D or’>‘Siberia’>‘Sorbonne’[7]。比較不同結論發現，不同研究的起始條件不同，因此很難進行平行比較。飽和光強下，東方百合品種‘Sorbonne’和‘Siberia’ 的凈光合速率雖然互有高低，但均無顯著差異。東方百合品種‘Sorbonne’具有很高的耐受強光能力和捕光能力，日光溫室栽培條件下，可以適當減少遮陰，增加光照強度，以增強光合作用，促進有機物積累。

不同百合品種受到溫度脅迫，凈光合速率會下降[24-25]。前人的研究發現，東方百合不同品種最適溫度不同[21]，而本試驗處理葉溫在適溫(18～25 ℃)范圍內，因此，凈光合速率與葉溫呈直接正相關，隨葉溫的增加而增大。

同一百合品種不同葉位的光合作用也存在異質性。不同葉位光合異質性由多方面因素導致，內因有葉齡等，外因有光照等。一般認為，處于健康生理狀態的植物Fv/Fm值在0.75～0.85[24]，葉片成熟或衰老后Fv/Fm下降明顯[27]，本研究中百合下位葉Fv/Fm小于0.8，可能是由葉齡偏大導致?！甋iberia’和‘Conca D or’的光保護能力按葉位從上到下逐漸下降，對甘蔗(Saccharumofficinarum)苗期不同葉位葉片的研究也得到相似結果[28]?！甋orbonne’上位葉比中位葉低的現象與擬南芥(Arabidopsisthaliana)相似，主要原因是葉齡越大，光保護能力越強[27]。

4 結論

3個百合品種光合日變化呈單峰型，凈光合速率日變化不同于典型的單峰型[19]，峰值提前到上午10:00。日光溫室條件下，凈光合速率的大小關系為：‘Siberia’>‘Sorbonne’>‘Conca D or’。

光強對‘Siberia’影響極顯著，增加光強能促進光合作用；在適合的溫度條件下，3個百合品種Pn隨TL的增加而增大?！甋orbonne’和‘Siberia’的Pn下降為非氣孔限制，而‘Conca D or’在12:00后為氣孔限制。

3個百合品種不同葉位光合作用的異質性明顯，NPQ異質性最高?！甋orbonne’比‘Siberia’和‘Conca D or’具有更高的耐受強光能力和捕光能力。