基于光合特性的不同歐李種質資源評價

田 英，朱 強，尹 蓉，王占軍，何建龍

（1.寧夏大學 農學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏林業研究院 種苗生物工程國家重點實驗室，寧夏 銀川 750004；3.寧夏農林科學院 荒漠化治理研究所，寧夏 銀川 750002）

光合作用是植物維持自身生存和發展的基礎。光合的變化反映著植物對環境的適應能力，可以作為判斷植物生長和抗逆性的指標[1]。植物進行光合作用的主要器官是葉片，主要載體是葉綠素，葉綠素含量可以反映植物光合能力和營養狀況，因此，通過計算葉綠素含量也可分析植物與環境間的關系問題[2-3]。同一植物不同種質的光合性能存在一定差異，相關研究主要針對小麥[4]、玉米[5]、水稻[6]等糧食作物和棗[7]、油茶[8]等經濟林樹種。于文穎等[9]研究了小麥花期輕度干旱脅迫有利于其光合作用，隨著干旱程度的加大，干旱脅迫可促使小麥葉片氣孔變小，使其光合速率下降。王丹等[10]就不同耕作方式對小麥光合性能和產量形成的影響問題開展了研究，結果表明，免耕小麥的葉綠素含量最高，免耕有利于灌漿后期小麥葉片捕捉更多的光能以供植株進行光合作用，從而達到增產的目的。王麗華等[11]研究了飼用、加工用和糧飼兼用等不同利用類型的小黑麥光合特性的差異情況，結果表明，飼用型和糧飼兼用型小黑麥的凈光合速率大于加工型的，抽穗期飼用型小黑麥的凈光合速率最大，開花期糧飼兼用型小黑麥的凈光合速率最大。光合作用能力與植物生長表現和生產性能均有直接關系，所以光合參數是植物種質資源評價和篩選需要重點考慮的指標。

歐李Cerasus humilis（Bge.）Sok 是薔薇科櫻屬叢生型灌木，是我國北方特有的野生植物資源，歐李果肉中所含鈣的質量分數高達524 mg·kg-1，是普通水果的2～10 倍[12]，故其商品名又稱為“鈣果”。歐李野生資源主要分布于我國黑龍江、遼寧、內蒙古、河北、山西等北方地區，常生長在海拔100～1 800 m 的沙地、草地、山地的陽坡上。歐李全身都是寶，其果實既可鮮食，也可用于提取花青素，其果仁可入藥；其枝條和葉片均可用來制作動物飼料，故歐李也是很好的飼草用灌木資源；其植株還具有較高的觀賞價值，可以用作新型園林觀賞樹種[13]。歐李的根系十分發達，具有耐寒、耐旱、耐貧瘠等特性，可以改良土壤結構，改善生態環境，防止水土流失，是重要的防風固沙、治理水土流失的先鋒樹種，可在我國西北地區大面積栽種，已被國家林業和草原局列為生態林優良樹種。近幾年，歐李越來越為人們所關注。目前，有關歐李光合作用方面的研究主要集中在干旱[14-15]和鹽堿脅迫[16]對其光合生理的影響等方面，而關于不同歐李種質資源的光合特性和葉綠素相對含量的差異情況的研究報道卻較少。為給歐李優良適生品種資源的區域篩選及其栽培應用提供理論依據，本研究對寧夏銀川典型人工沙地（銀川植物園）2017年度引進的不同歐李種質資源的光合特性和葉綠素相對含量進行了測定與分析，以闡明歐李不同種質資源之間光合生長的差異性。

1 材料與方法

1.1 引種試驗地概況

引種試驗地位于寧夏回族自治區銀川市金鳳區良田鎮銀川植物園內（107°22′ E，38°28′ N）。試驗區海拔1 115 m，屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，氣候干燥、降雨稀少、蒸發量大、風大沙多，晝夜溫差大，常年刮風，降水集中在7—9月，年均氣溫10.1 ℃，年均降水量180 mm，年均蒸發量1 880 mm。1月平均最低氣溫-15.2 ℃，極端最低氣溫-27.9 ℃；7月平均最高氣溫30.1 ℃，極端最高氣溫37.2 ℃；相對濕度45%～66%。土壤類型為沙壤土，質地疏松，較為瘠薄，其有機質含量為4.12 g/kg，pH 值為8.51。

1.2 引種材料

供試的10 個歐李試驗材料為株高70.0 cm、地徑0.2 cm 的不同歐李種質資源3年生扦插苗，均是近年來選育出的栽培品種或品系，以銀川植物園內收集的從山西太行山引進的野生毛葉歐李為對照，其樹齡與其他供試品種或品系的一致，所有試驗材料的基本信息見表1。2017年春季，將10 個歐李種質資源和毛葉歐李（CK）整齊一致的3年生扦插苗統一定植于銀川植物園歐李種質資源圃內，采用大田常規穴植的方式種植，栽植前對地塊進行機械平整、施足底肥、旋地后，挖定植穴，定植的株行距為0.8 m×1.2 m，每個種質的栽培面積各0.3 hm2，為保證授粉，每個種質資源間隔4 行定植，隨機重復。定植前對根系修剪，栽后澆足定根水；栽后隨即對地上部分枝條進行平茬修剪，留茬高度為5 cm，以降低損耗，促進根系生長和基生枝萌發，根據土壤情況進行適時補水等日常管理。

表1 供試材料的基本信息Table 1 Test material information

1.3 測定方法

1.3.1 光合指數

2019年8月中旬，采用GFS-3000光合儀（Heinz WalzGmbH 公司，德國）進行測定，每個種質各選長勢良好的植株3 株，每株上隨機選取1 個主枝，在晴天的10:00 時測定第4 片無病蟲害和機械損傷的功能葉的光合參數。測定參數主要包括凈光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）、氣孔導度（Stomatal conductance，Gs）、胞間CO2濃度（Intercellular CO2concentration，Ci）、蒸騰速率（Transpiration rate，Tr）和水分利用效率（Water use efficiency，WUE）。

水分利用效率（WUE）=光合速率（Pn）/蒸騰速率（Tr）。

1.3.2 葉綠素相對含量的測定

用SPAD 值表示葉綠素相對含量，采用日本Minolta 公司生產的美能達牌SPAD-502 手持便攜式葉綠素儀，按照李文楊等[17]的方法，于晴天的10:00 時，每個種質各選長勢良好的植株3 株，選取無病蟲害、生長發育正常的結果枝上的中部葉片進行測定。

1.4 數據處理

采用Excel 2010 軟件進行數據統計和作圖，采用SPSS 22.0 軟件進行數據分析、方差分析（ANOVA）和相關性分析，采用Duncan 法（檢驗水平α=0.05）進行多重比較。

1.5 不同歐李種質的綜合評價

采用隸屬函數分析法對供試的11 個歐李種質資源葉片的SPAD、Pn、Gs、Ci、Tr和WUE 這6 個指標進行綜合評價。

隸屬函數的計算公式為：

反隸屬函數的計算公式為：

式中，Xi為各光合參數的測定值，Xmax與Xmin分別為所有參試材料某一參數的最大值和最小值。當某一光合參數與歐李的生長適應性呈正相關時，使用式（1）計算其隸屬函數值；當某一光合參數與歐李的生長適應性呈負相關時，則用式（2）計算其隸屬函數值。

2 結果與分析

2.1 葉片葉綠素相對含量的差異分析

葉片葉綠素含量是反映植物光合同化能力與生長情況的重要指標，葉綠素相對含量SPAD 值越高，葉綠素含量越高，表明植物的生長能力越好[18-19]。不同種質歐李葉片的SPAD 值如圖1所示。由圖1可知，不同種質歐李葉片SPAD 值的差異顯著，其SPAD 值從大到小依次為：農大7 號＞農大6 號＞農大3 號＞農大4 號＞京歐1 號＞農大9 號＞農大5 號＞京歐2 號＞燕山1 號＞CK＞哈波1 號。歐李葉片的SPAD 值，農大7 號顯著高于京歐2 號、燕山1 號、CK 和哈波1 號（P＜0.05），哈波1 號顯著低于京歐1號、農大4 號、農大3 號、農大6 號和農大7 號（P＜0.05）。

圖1 不同種質歐李葉片的SPAD 值Fig.1 Leaves SPAD value of different C.humilis germplasm

2.2 葉片光合參數的差異分析

2.2.1 凈光合速率的變化規律

不同種質歐李葉片的凈光合速率（Pn）如圖2所示。由圖2可知，11 個種質歐李葉片的Pn為0.92～7.94 μmol·m-2·s-1，其Pn值從大到小依次為：京歐2 號＞京歐1 號＞農大5 號＞農大4 號＞農大7 號＞農大6 號＞燕山1 號＞農大3 號＞哈波1 號＞農大9 號＞CK。其中，京歐2 號的Pn值是CK 的8.6 倍；京歐2 號顯著高于除京歐1 號以外的9 個品種（P＜0.05）；CK 顯著低于農大4 號、農大5 號、京歐1 號和京歐2 號（P＜0.05）。

圖2 不同種質歐李葉片的凈光合速率Fig.2 Net photosynthetic rate of different C.humilis germplasm

2.2.2 氣孔導度的變化規律

不同種質歐李葉片的氣孔導度（Gs）如圖3所示。由圖3可知，11 個種質歐李葉片的Gs值為15.28～127.55 μmol·m-2s-1，其Gs值 從 大 到 小依次為：京歐2 號＞京歐1 號＞農大9 號＞燕山1 號＞農大5 號＞農大6 號＞農大4 號＞農大7號＞農大3 號＞哈波1 號＞CK。其中，京歐2 號的Gs值是CK 的8.3 倍；京歐2 號和京歐1 號均顯著高于其他9 個種質（P＜0.05），但京歐2 號和京歐1 號間的差異不顯著（P＞0.05）；CK 顯著低于燕山1 號、農大9 號、京歐1 號和京歐2 號（P＜0.05）。

圖3 不同種質歐李葉片的氣孔導度Fig.3 Stomatal conductance of different C.humilis germplasm

2.2.3 胞間CO2 濃度的變化規律

細胞間CO2濃度（Ci）在一定程度上反映了葉片的光合作用和呼吸作用，且其與氣孔的開放程度密切相關[20]。不同種質歐李葉片細胞間CO2濃度（Ci）如圖4所示。由圖4可知，不同種質歐李葉片的Ci值為246.30～317.67 μmol·mol-1，其Ci值從大到小依次為：農大9 號＞京歐1 號＞京歐2 號＞燕山1 號＞CK＞農大6 號＞哈波1 號＞農大5 號＞農大3 號＞農大7 號＞農大4 號。其中，農大9 號是農大4 號的1.3 倍；農大9 號顯著高于哈波1 號、農大5 號、農大3 號、農大7 號和農大4 號（P＜0.05）；農大4 號顯著低于燕山1 號、京歐2 號、京歐1 號和農大9 號（P＜0.05）。

圖4 不同種質歐李葉片的胞間CO2 濃度Fig.4 Intercellular CO2 concentration of different C.humilis

2.2.4 蒸騰速率的變化規律

不同種質歐李葉片的蒸騰速率（Tr）如圖5所示。由圖5可知，不同種質歐李葉片的Tr值為0.61～3.50 mmol·m-2s-1，其Tr值從大到小依次為：京歐2 號＞京歐1 號＞燕山1 號＞農大5 號＞農大9 號＞農大4 號＞農大6 號＞農大3 號＞哈波1 號＞農大7 號＞CK。其中，京歐2 號的Tr值是CK 的5.7 倍；京歐2 號顯著高于除京歐1 號和燕山1 號外的其他8 個種質（P＜0.05）；CK 顯著低于燕山1 號、京歐1 號和京歐2 號（P＜0.05）。

圖5 不同種質歐李葉片的蒸騰速率Fig.5 Transpiration rate of different C.humilis

2.2.5 水分利用效率的變化規律

水分利用效率是耦合植物光合與水分生理過程的重要指標。不同種質歐李葉片的水分利用效率（WUE）如圖6所示。由圖6可知，不同種質歐李葉片的WUE 值為1.65～3.22 μmol·mmol-1，其WUE 值從大到小依次為：農大7 號＞農大4 號＞農大5 號＞農大3 號＞農大6 號＞哈波1 號＞京歐2 號＞京歐1 號＞燕山1 號＞農大9 號＞CK。其中，農大7 號的WUE 值是CK 的2 倍；農大7 號和農大4 號均顯著高于京歐2 號、京歐1 號、燕山1 號、農大9 號和CK（P＜0.05），而農大7 號和農大4 號之間的差異不顯著（P＞0.05）；CK 顯著低于農大3 號、農大5 號、農大4 號和農大7 號（P＜0.05）。

圖6 不同種質歐李葉片的水分利用效率Fig.6 Water use efficiency of different C.humilis

2.3 葉綠素含量及光合參數的相關性分析

不同種質歐李葉片各光合參數間的相關性分析結果見表2。由表2可知，歐李葉片的Tr與Gs值之間呈極顯著正相關（P＜0.01），其相關系數是0.978；Tr與Pn值之間也呈極顯著正相關（P＜0.01），其相關系數是0.898。其Pn值不僅與Tr值之間呈極顯著正相關，與Gs值之間也呈極顯著正相關（R= 0.907）。但是，Ci與WUE 值之間卻呈極顯著負相關（R=-0.841）。

表2 各光合參數間的相關性分析結果?Table 2 Correlation analysis of each index

2.4 綜合評價

為了綜合評價11 個歐李種質資源生長適應性的優劣，避免以單一指標進行評價的片面性，選取葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）、水分利用效率（WUE）、葉綠素相對含量（SPAD）共6 個指標，采用隸屬函數分析方法進行了綜合評價。其中，Pn、Gs、Tr、WUE、SPAD 值與歐李的生長適應性均呈正相關，故采用隸屬函數計算公式（1）計算其函數值；而Ci值與歐李的生長適應性均呈負相關，故采用反隸屬函數計算公式（2）計算其函數值；最后對11 個歐李種質資源的平均隸屬函數值進行了排序，結果見表3。由表3可知，平均隸屬函數值最高的是京歐2 號，其平均隸屬函數值為0.769；CK 的最低，其平均隸屬函數值為0.121。這一計算結果說明，在11 個歐李種質中，京歐2 號的生長適應性最強，而CK 的表現較差，其余各個種質資源的平均隸屬函數值從高到低依次為：京歐1 號＞農大4 號＞農大7 號＞農大5 號＞農大3 號＞農大6 號＞燕山1 號＞哈波1 號＞農大9 號。

表3 各指標的隸屬函數值Table 3 Membership function values between indicators

3 討 論

光合作用是植物最重要的生理過程之一，光合作用參數是植物生長和抗逆性的重要評價指標，能夠反映植物對環境的適應能力。葉綠素是光合作用的主要載體，其含量的高低可以直接反映植株光合能力的強弱。不同植物、不同品種間其光合能力存在較大差異，光照、溫度、水、氣等生態因子對植物光合作用都有一定的影響[21]。有關林木種質資源光合作用方面的研究報道較多。陳乾等[22]對福建柏優樹子代容器苗生長特性及光合能力的研究結果表明，各優樹家系的生長特性及光合能力均存在較大的變異，他們采用聚類分析法從11 個優樹家系中篩選出了2 個光合性能較強的家系。研究不同歐李種質資源在某一特定引種地區生態環境下的光合特性，對于品種資源的篩選具有重要意義。近年來，隨著人們保健意識的不斷增強及對新型水果需求的增加，歐李在“三北”（西北、華北、東北）地區被廣泛引種栽植。然而，有關歐李種質資源的引種評價和適應性研究仍處于起步階段，對其生長適應性和光合能力等方面的研究報道較少。張世軍等[23]研究了山西農業大學園藝研究所最早從山西太行山野生毛葉歐李種群中篩選出的，目前在全國推廣種植面積最大的農大4 號、農大5 號等農大系列5 個歐李種質資源的光合特性的差異情況，結果表明，供試的5 個歐李種質資源的光合性能參數之間均存在差異，農大3 號、農大4 號、農大5 號、農大6 號的光合作用性能均優于野生毛葉歐李，農大5 號和農大3 號都具有較為明顯的光合作用優勢。劉瑞等[24]研究認為，從具體的歐李和毛葉歐李這2 個種源來看，葉綠素含量和凈光合速率，歐李均高于毛葉歐李。姚澤等[25]對甘肅省民勤治沙綜合試驗站引種的農大4 號、農大5 號、農大6 號和自主篩選的1 個生態早熟品系（共計4 個種質）的光合特性月變化、日變化規律進行了觀測和比較分析，結果發現，不同月份測定的日均凈光合速率，農大7 號的均最高，但農大7 號和農大5 號之間均無顯著性差異，卻均顯著高于農大6 號，且這幾個晚熟資源的凈光合速率均高于生態早熟型種質的，說明農大7 號和農大5 號的光合作用性能均較好，均能充分地適應和利用民勤的光照條件。劉星劼等[26]研究了山東人工栽培的2 個優選的歐李品種（華東1 號和華東2 號）1年生苗定植后的光合特性，結果表明，華東2 號的光合速率、吸收和轉化利用光能的效率均高于華東1 號的。研究中發現，11 個歐李種質葉片的Pn、Gs、Ci、Tr、WUE、SPAD 值均存在一定差異，這與前人研究的結果基本一致。不同歐李種質資源中農大系列品種之間其Pn、Tr等參數的差異均不顯著，農大7 號的SPAD 值最高，而其Pn值卻不是最高的，農大5 號的Pn值最高，農大4 號的Pn值次之，這與前人研究的結果有所不同，這可能與引種栽培區域的氣候因子有關。本研究結果表明，農大系列品種歐李的光合性能參數均低于京歐1 號和京歐2 號的，從目前檢索的文獻來看，還未見到有關京歐系列品種歐李的光合特性方面的研究報道。采用隸屬函數分析方法綜合比較11 個歐李種質的各光合特性參數和葉綠素含量后發現，京歐2 號的Pn、Gs和Tr值都是最高的，其次是京歐1 號的，CK 的Pn、Gs和Tr和WUE 值均最低，說明在銀川植物園同一環境條件下京歐2 號的生長適應性最強，而CK 的表現較差。葉片是植物進行光合同化作用的主要場所，植物主要功能葉片Pn值的高低直接反映了其生長勢的強弱。氣孔是氣體進出的主要通道，光合作用所需的CO2和蒸騰釋放的H2O 都需要通過孔隙進入和離開植物，而Gs受環境因素的影響很大，適宜的光照強度有利于氣孔開放，不同植物品種通過不同方式協調自身的光合作用，利用Gs及其對水和無機離子的吸收、運輸以適應自身生長的環境。京歐1 號和京歐2 號的Pn、Gs值均高于其他9 個歐李種質的，說明京歐1 號和京歐2 號均能更好地適應銀川植物園的光照環境。從5 個光合參數來看，農大系列歐李種質的各個參數均處于中等水平，且均優于CK，說明供試的10 個歐李種質在一定程度上均能適應銀川植物園引種試驗地的氣候條件。這一研究結果可以為銀川及類似地區歐李種質的引種和篩選提供參考依據。

光合作用在不同歐李種質資源間存在差異，光合作用與蒸騰、水分利用特性等相關指標間均有一定的相關性。張世軍等[27]研究報道，農大3 號葉片的Pn與Tr間呈極顯著正相關關系，其相關系數為0.639。哈小麗等[28]研究了從山西引進到新疆的9 個歐李品系各光合參數之間的相關性，結果表明，其Pn與Gs、Tr之間均呈極顯著正相關關系，而其Ci與WUE 值之間卻呈極顯著負相關，他們的研究結果與本研究結果一致。本研究結果與前人對其他植物的研究結果既有相似之處，但也有不同之處[29-30]。生長環境的改變會直接影響植物的光合特性，各光合參數之間的相關性并不是絕對的，與供試植物品種的差異及栽培環境的不同都有密切的關系，本研究只針對尚處于苗期營養生長的歐李植株進行了階段性的研究，所研究的指標還不能全面反映歐李種質資源開花結實等經濟性狀，今后應結合環境因子及歐李的農藝習性進行更加深入的研究。

4 結 論

在銀川植物園同一環境條件下引種的11 個歐李種質資源在其苗期生長階段的光合特性和葉片葉綠素相對含量均存在一定差異。綜合來看，供試的京歐1 號和京歐2 號2 個歐李種質的光合性能均優于供試的其他歐李種質的光合性能。這一研究結果可為該地區歐李的引種栽培和優良種質資源的選育提供參考依據。