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Characteristics of photosynthesis and light energy partitioning in Amorphophallus xiei grown along a light-intensity gradient.

不同光照强度下谢君魔芋的光合作用及能量分配特征


为了探讨喜阴植物谢君魔芋(Amorphophallus xiei)对不同光强的适应策略,测量和分析了不同透光率(高光,透光率100%;中光,透光率32.6%;低光,透光率5.98%)下谢君魔芋对光、CO2、光斑的响应特征及响应过程中叶绿素a荧光和能量分配特征.结果表明: 随着生长光强的增大,谢君魔芋最大净光合速率(Pmax)、暗呼吸速率、表观量子产额、羧化效率显著降低,光补偿点、CO2补偿点显著升高.中光处理的谢君魔芋对光合诱导的响应更迅速(P<0.05);随着生长光强的增加,暗适应初始气孔导度(gs-i)显著升高;完成光合诱导中最大净光合速率30%(t30%P)、50%(t50%P)和90%(t90%P)所需的时间与gs-i呈负相关.高光处理的植株PSⅡ实际光化学效率(ΔF/Fm′)、光化学猝灭(qP)和电子传递速率(ETR)较高,且在光合诱导过程中所对应的非光化学猝灭(NPQ)值相对较高,而低光处理具有较高的反应中心激发能捕获效率(Fv′/Fm′).高光处理非光化学耗散途径比例(ФNPQ)较低,而低光处理ФNPQ则相对较高.表明喜阴植物谢君魔芋在中低光下生长时受到高光胁迫能够启动快速耗散机制来保护自身光合机构,长期处于高光环境则采用增加热耗散成本和形成淬灭复合物的策略在一定程度上应对高光胁迫,这可能是其不能很好适应高光环境的原因之一.
 

The objective of the present study was to examine the adaptation strategy of Amorphophallus xiei, a shade-demanding species, grown under different levels of light intensity. The responses of leaf to photosynthetic active radiation, CO2 and simulated sunflecks were analyzed in A. xiei grown under 100% (high light), 32.6% (moderate light) and 5.98% (low light) of full sun. Meanwhile, chlorophyll a fluorescence parameter and light energy partitioning were also recorded and calculated in the abovementioned responsive process. The results showed that in most cases, the maximum photosynthetic rate (Pmax), dark respiration rate, apparent quantum yield and carboxylation efficiency in A. xiei significantly decreased with increasing the light level, however, the light compensation point, CO2 compensation point significantly increased. The photosynthetic induction was quicker in individuals grown under moderate light (P<0.05), and the initial stomatal conductance (gs-i) during dark adaptation increased significantly with increasing the light level. There was a ne-gative correlation between gs-i and the time required to reach 30%, 50% and 90% of Pmax during the process of photosynthetic induction. Moreover, the values of actual photochemical efficiency of PSⅡ (ΔF/Fm′) in the light, phototochemical quenching of chlorophyll fluorescence (qP) and  photosynthetic electron transport rate (ETR) were higher and nonphotochemical quenching (NPQ) recorded in photosynthetic induction was also higher in individuals grown under high light, nevertheless, the maximum photochemical efficiency of PSⅡ in the light (Fv′/Fm′) was higher in individuals grown under low light. The proportion of light energy allocated to nonphotochemical quenching (ФNPQ) was lower in individuals grown under high light, and, correspondingly, it was higher in ones grown under low light. The results obtained here suggested that, when exposed to high light stress, moderate and low-light-grown A. xiei would activate the mechanism of energy dissipation to protect itself from injury. Correspondingly, high-light-grown individuals would employ the strategy of increasing heat dissipation and forming quenching complex to cope with high light stress, which, however, might be one of reasons for the sensitivity of A. xiei to high light environment.


全 文 :不同光照强度下谢君魔芋的光合作用
及能量分配特征
付  忠1,2,3  谢世清1,2  徐文果4  岩  所4  陈军文1,2,3∗
( 1云南农业大学 /云南省优势中药材规范化种植工程研究中心, 昆明 650201; 2云南农业大学魔芋研究所, 昆明 650201;
3云南农业大学农学与生物技术学院, 昆明 650201; 4德宏州农业技术推广中心, 云南芒市 678400)
摘  要  为了探讨喜阴植物谢君魔芋(Amorphophallus xiei)对不同光强的适应策略,测量和分
析了不同透光率(高光,透光率 100%;中光,透光率 32.6%;低光,透光率 5.98%)下谢君魔芋
对光、CO2、光斑的响应特征及响应过程中叶绿素 a荧光和能量分配特征.结果表明: 随着生长
光强的增大,谢君魔芋最大净光合速率(Pmax)、暗呼吸速率、表观量子产额、羧化效率显著降
低,光补偿点、 CO2 补偿点显著升高.中光处理的谢君魔芋对光合诱导的响应更迅速
(P<0.05);随着生长光强的增加,暗适应初始气孔导度(gs⁃i)显著升高;完成光合诱导中最大
净光合速率 30%(t30%P)、50%(t50%P)和 90%(t90%P)所需的时间与 gs⁃i呈负相关.高光处理的植
株 PSⅡ实际光化学效率(ΔF / Fm′)、光化学猝灭(qP)和电子传递速率(ETR)较高,且在光合
诱导过程中所对应的非光化学猝灭(NPQ)值相对较高,而低光处理具有较高的反应中心激发
能捕获效率(Fv′ / Fm′) .高光处理非光化学耗散途径比例(ФNPQ)较低,而低光处理 ФNPQ则相对
较高.表明喜阴植物谢君魔芋在中低光下生长时受到高光胁迫能够启动快速耗散机制来保护
自身光合机构,长期处于高光环境则采用增加热耗散成本和形成淬灭复合物的策略在一定程
度上应对高光胁迫,这可能是其不能很好适应高光环境的原因之一.
关键词  谢君魔芋; 能量分配; 荧光特征; 光照强度; 光合特征
本文由国家自然科学基金项目(31160392)资助 This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (no. 31160392) .
2015⁃10⁃27 Received, 2016⁃01⁃26 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: cjw31412@ 163.com
Characteristics of photosynthesis and light energy partitioning in Amorphophallus xiei grown
along a light⁃intensity gradient. FU Zhong1,2,3, XIE Shi⁃qing1,2, XU Wen⁃guo4, YAN Suo4,
CHEN Jun⁃wen1,2,3∗ ( 1Yunnan Research Center on Good Agricultural Practice for Dominant Chinese
Medicinal Materials, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 2Institute of Kon⁃
jac, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 3College of Agronomy and Biotech⁃
nology, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 4Dehong Extension Center of Ag⁃
ricultural Technology, Mangshi 678400, Yunnan, China) .
Abstract: The objective of the present study was to examine the adaptation strategy of Amorphophal⁃
lus xiei, a shade⁃demanding species, grown under different levels of light intensity. The responses of
leaf to photosynthetic active radiation, CO2 and simulated sunflecks were analyzed in A. xiei grown
under 100% (high light), 32.6% (moderate light) and 5.98% (low light) of full sun. Meanwhile,
chlorophyll a fluorescence parameter and light energy partitioning were also recorded and calculated
in the above⁃mentioned responsive process. The results showed that in most cases, the maximum
photosynthetic rate (Pmax), dark respiration rate, apparent quantum yield and carboxylation effi⁃
ciency in A. xiei significantly decreased with increasing the light level, however, the light compen⁃
sation point, CO2 compensation point significantly increased. The photosynthetic induction was quic⁃
ker in individuals grown under moderate light (P < 0. 05), and the initial stomatal conductance
(gs⁃i) during dark adaptation increased significantly with increasing the light level. There was a ne⁃
gative correlation between gs⁃i and the time required to reach 30%, 50% and 90% of Pmax during the
process of photosynthetic induction. Moreover, the values of actual photochemical efficiency of PSⅡ
(ΔF / Fm′) in the light, phototochemical quenching of chlorophyll fluorescence (qP) and photosyn⁃
应 用 生 态 学 报  2016年 4月  第 27卷  第 4期                                            http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Apr. 2016, 27(4): 1177-1188                  DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201604.035
thetic electron transport rate (ETR) were higher and non⁃photochemical quenching (NPQ) recor⁃
ded in photosynthetic induction was also higher in individuals grown under high light, nevertheless,
the maximum photochemical efficiency of PSⅡ in the light (Fv′ / Fm′) was higher in individuals
grown under low light. The proportion of light energy allocated to non⁃photochemical quenching
(ФNPQ) was lower in individuals grown under high light, and, correspondingly, it was higher in
ones grown under low light. The results obtained here suggested that, when exposed to high light
stress, moderate⁃ and low⁃light⁃grown A. xiei would activate the mechanism of energy dissipation to
protect itself from injury. Correspondingly, high⁃light⁃grown individuals would employ the strategy of
increasing heat dissipation and forming quenching complex to cope with high light stress, which,
however, might be one of reasons for the sensitivity of A. xiei to high light environment.
Key words: Amorphophallus xiei; energy partitioning; fluorescence characteristics; light intensity;
photosynthetic characteristics.
    光是植物进行光合作用必不可少的重要环境因
子之一[1],对植物生长、发育、生存、分布、演化具有
极其重要的作用[2] .在自然界中,植物所处的光照环
境往往无法达到最适状态,当生长环境中的光照强
度过低时,则限制光合作用的快速进行,进而导致植
物体净光合速率下降[3-4];当生长环境中的光照强
度过高时,高光照则能够引起光抑制现象,从而抑制
光合作用,降低光合作用的效率和最大净光合速率,
严重时还会造成光合机构的光氧化破坏损伤[5] .
在植物长期生理生态适应过程中,根据对光强
敏感性的差异大体可以将植物划分为 3 种类群,即
喜光植物、喜阴植物和中间型植物[6-7] .喜光植物偏
好在阳光直射的高光照环境下生长,如青稞(Hor⁃
deum vulgare) [8]、火力楠(Michelia meachurei) [9]等;
而喜阴植物适宜生长在光照强度较低的暗处或林下
等环境,如三七(Panax notoginseng) [10]、半夏(Pinel⁃
lia temata) [11]、青榨槭(Acer davidii) [12]等;中性植物
在高光和低光下均可生长,如连翘(Forsythia suspen⁃
sa) [13]等.通常喜阴植物具有较低的最大净光合速
率(Pmax)、暗呼吸速率(Rd)、光补偿点(LCP)、光饱
和点(LSP)等适应低光照环境的光合生理生态特
征[14-16] .
光照强度在时间尺度上对植物主要有长期和短
期两种影响.光合机构对长期的光照强度变化非常
敏感,生长环境长期的光照强度变化会导致捕光色
素蛋白复合体Ⅱ(LHCⅡ)、光系统Ⅱ(PSⅡ)等光系
统化学配比的改变,进而影响到植物的光合效
率[17-18] .植物体光合作用相关的酶和底物以及气孔
对短期时间尺度上光照强度的变化响应比较明显.
例如,由黑暗转移到光下或从低光转移到高光,植物
的光合速率会经过一个或长或短的逐步增高的过
程,最终达到稳定状态,这个过程称之为光合诱导现
象[19] .植物光合诱导的快慢受到生化因素(如光合
酶和光合底物)和气孔因素限制的影响[20-22] .在光
合诱导过程中,虽然生化因素发挥主导的限制作用,
但气孔的开闭关系到碳收获和水分保持,故后者在
某些特殊生境和特殊物种的光合诱导中也扮演着重
要角色[21,23-26] .
一般来说,PSⅡ能够快速响应外界环境的变
化[27],叶绿素 a 荧光参数可以反映植物光合机构
PSⅡ对环境的响应与适应机制[28] .进入到植物光合
机构的光能除了被 PSⅡ反应中心用于光合作用外,
一部分通过高能态淬灭(qE)、光抑制淬灭(qI)等途
径耗散损失,同时还会以叶绿素荧光的形式发射出
去[29-30] .因此,前人将植物叶片吸收的光能归结为 3
种淬灭途径,即光化学途径(ΦPSⅡ)、非光化学途径
(热耗散, ΦNPQ)和荧光耗散途径(Φf,D) [29,31
-32] .生
长于林下的喜阴植物长期处于弱光环境,光斑是其
主要的光能来源[33],以往的大部分研究关注的是植
物对光斑的响应特征[26,34-35]、光斑诱导的碳收获贡
献以及生化和气孔限制对光合诱导特征的影
响[23,25,36],而关于喜阴植物在稳态和动态光下能量
分配特征的研究则相对较少.
魔芋是天南星科 ( Araceae ) 魔芋属 ( Amor⁃
phophallus)多年生宿根性草本植物,起源于亚洲中
南半岛北部和云南南部的热带森林,是目前自然界
唯一能大量提供葡甘聚糖的重要经济作物[37] .魔芋
喜温暖,忌高温,喜散射光和弱光,忌强光直射,属于
喜阴植物[38-39] .在生产上,往往将魔芋与其他作物
进行间作或者套作种植[40-41],但在规模化农业生产
条件下,用遮阳网搭建阴棚进行魔芋净作的栽培模
式也越来越普遍.谢君魔芋(Amorphophallus xiei)是
本课题组在前期的研究工作中新发现的一个魔芋
种[42],具有喜阴、高产、高抗病性等特点[43] .我们前
期对谢君魔芋光合作用特征和叶黄素循环光保护及
抗氧化系统进行了研究[44],本研究在前期研究基础
8711 应  用  生  态  学  报                                      27卷
上通过比较分析在不同光照条件下生长的谢君魔芋
光合作用、光合诱导、叶绿素 a荧光及在稳态和动态
光下光能分配特征的差异,以进一步探究喜阴植物
谢君魔芋对生长光强变化的响应与适应机制.
1  材料和方法
1􀆰 1  试验地点
本研究于 2014 年 4—10 月在云南省昆明市盘
龙区白邑乡魔芋试验基地(25.16° N,102.52° E,海
拔 1970 m)进行,研究地点距离昆明市区 45 km,年
平均气温 13 ℃,年降水量 915.9 mm,干湿季节明
显,5—10 月为雨季,11 月—第二年 4 月为干季,属
于亚热带季风气候.
1􀆰 2  试验材料与试验设计
本研究的供试种芋谢君魔芋由云南农业大学魔
芋研究所和德宏州农业技术推广中心提供.选择形状
和大小基本一致的谢君魔芋作种芋.在播种前将种芋
切成大小均匀的块茎(平均质量约 200~250 g),置于
阴凉干燥处晾干,用农用链霉素以 1 ∶ 10 兑水浸种
30 min,然后置于阴凉处,晾干后等待播种.
以黑色尼龙网眼布搭建阴棚,设计高、中、低 3
个梯度的光照强度,高光(透光率 100%,100%NL)
模拟谢君魔芋净作时的光照环境,中光 (透光率
32􀆰 6%、32.6%NL)模拟玉米间作谢君魔芋种植时的
光照环境(前期工作所得),低光(透光率 5. 98%、
5􀆰 98%NL)模拟谢君魔芋在热带森林下的光照环
境,3种环境下的光照强度采用 Li⁃6400 XT 便携式
光合测量系统(Li⁃cor, Lincoln, USA)进行测定.每
个阴棚面积 300 m2(20 m×15 m),在每个阴棚内划
定 3 个试验小区,每个小区面积 80 m2 .各试验小区
分别设计为长 20.0 m、宽 4.0 m.魔芋于 4 月底整地
后播种,株距设置为 50 cm,行距为 60 cm,开沟深度
20 cm.播种的同时配合施 45 kg N·hm-2尿素、120
kg P 2O5·hm
-2过磷酸钙、100 kg K·hm-2氯化钾和
20000 kg·hm-2有机肥作为基肥,50 d 后按 105
kg N·hm-2施尿素作为追肥.在生长过程中做好田
间管理,及时除草、浇水和防治病虫害.所有测量于 8
月初魔芋生长旺盛期进行,测量前每个小区随机选
取 3株健康植株进行挂牌,然后在每个挂牌植株中
选取 1片成熟叶进行光合作用、光合诱导和叶绿素
a荧光等指标的测定,每种光下对 9 株植株进行测
定.试验设置为 3水平 3重复.
1􀆰 3  试验方法
1􀆰 3􀆰 1光响应曲线测定  在晴天 9:00—11:30 测定
不同光照处理下谢君魔芋的光响应曲线,测定时使
用开放气路,选用仪器自带的 LED灯提供的红蓝光
源(蓝光 10%),光合有效辐射(PAR)梯度从高到低
设置为 1500、1200、600、400、200、150、100、80、60、
40、20、10、0 μmol·m-2 ·s-1,参比室 CO2 浓度为
(400±0.5)μmol·mol-1(用 Li⁃6400 自带的 CO2注入
系统控制),叶室温度控制在(25±1)℃.根据前期预试
验的方法,先将叶片夹入叶室,在 1500 μmol·m-2·
s-1光照强度下诱导 10 min,随后设置仪器在每个测
量光梯度下平衡 180 s 后测定净光合速率(Pn).根
据 Webb 等[45]提供的方法拟合 Pn⁃PAR,即光响应
曲线,模型表达式为:
Pn =a-c×e
-b×PAR (1)
式中:a、b、c 是与光照强度相关的系数.根据式(1)
中系数计算相应的 Pmax =a;Rd =a-c;LCP= ln(a / c)×
(-1 / b);LSP= ln(0.1×a / c) ×( - 1 / b);AQY = b×c×
e[b×(-LCP)];按照 Ehleringer[46]建议的方法计算内禀
水分利用效率 iWUE=Pmax / gs .
1􀆰 3􀆰 2 CO2 响应曲线测定  测定不同光照处理下谢
君魔芋的 CO2 响应曲线时,参比室 CO2 浓度梯度依
次为 400、300、200、100、50、400、600、800、1200、1500
μmol·mol-1 (用 Li⁃6400 自带的 CO2注入系统控
制),为避免叶片出现光抑制现象,将光照强度设置
为 800 μmol·m-2·s-1,其他测量条件与光响应曲
线测定设置的条件相同,仪器在 180 s 后自动记录
该浓度梯度下的 Pn和胞间 CO2 浓度(C i),将 Pn-C i
响应曲线的直线部分按照许大全[19]提供的方法进
行拟合:
y= kx+b (2)
根据式(2)中各参数,计算所对应的 CE= k、Γ =
-b / k.
1􀆰 3􀆰 3光合诱导曲线测定  光合诱导过程通过先暗
适应后再以高光诱导来观测叶片对高光的响应,本研
究设置为 0~1500 μmol·m-2·s-1光合诱导,在测量
的前一天将叶片用黑布遮光,避免测量前的自然光诱
导.测量时,除光照强度外其他设置与光响应曲线测
定设置的条件相同.充分暗适应至读数稳定后,通过
光合仪内置程序 Time⁃Lamp,设置 0 μmol·m-2·s-1
光照强度下每 30 s 记录 1 次 Pn、gs、C i,连续记录
3 min;随后瞬间将 PAR 提高为 1500 μmol·m-2·
s-1,每 30 s记录 1次 Pn、gs、C i,连续记录 30 min,直
到光合诱导完成.通过曲线拟合该光合诱导过程,计
算光合诱导过程中的 t30%P、t50%P、t90%P以及高光诱导
1、5、 10 min 所能达到的光合诱导状态 ( IS1 min、
97114期                      付  忠等: 不同光照强度下谢君魔芋的光合作用及能量分配特征           
IS5 min、IS10 min).暗适应(0 μmol·m
-2·s-1)阶段叶片
的初始净光合速率(Pn⁃i)和初始气孔导度(gs⁃i)被自
动记录.
光合诱导过程拟合曲线的模型表达式[47]为:
P( t)= Ps+(Pmax-Ps)(1-e
-t / t1) (3)
式中:Ps表示暗适应的净光合速率;Pmax表示高光诱
导(1500 μmol·m-2·s-1)稳定后的最大净光合速
率;t1表示特征时间常数.
1􀆰 3􀆰 4叶绿素 a 荧光曲线测定   在 4:00—6:00 之
间,用 Li⁃6400XT便携式光合荧光测量系统(Li⁃cor,
Lincoln, USA)测量叶片 PSⅡ的暗适应最小荧光
(Fo)、暗适应最大荧光 (Fm )和最大光化学效率
(Fv / Fm),随机选择长势基本相同的谢君魔芋叶片
测量.在光响应曲线和光合诱导曲线测量过程中,同
时记录光适应条件下的最小荧光(Fo′)、最大荧光
(Fm′)和稳态荧光(Fs).参照相关文献[48
-49]的方法
计算荧光动力学相关参数:Fv′ / Fm′ = (Fm′-Fo′) /
Fm′ 、ΔF / Fm′ =(Fm′-Fs) / Fm′、qP =(Fm′-Fs) / (Fm′-
Fo′)、NPQ = (Fm -Fm′) / Fm′、ETR = PAR ×ΔF / Fm′ ×
0􀆰 84×0.5.
1􀆰 3􀆰 5能量分配的计算  参照 Hendrickson 等[29]的
方法计算光响应和光合诱导过程中叶片吸收光能的
分配.能量的耗散途径主要有 3条,分别为进入PSⅡ
的光化学途径(ΦPSⅡ)、非光化学耗散途径(ΦNPQ)和
荧光耗散途径(Φf,D),并且 ΦPSⅡ+ ΦNPQ+ Φf,D = 1,
三者可以通过叶绿素荧光参数进行计算,其中:
ΦPSⅡ=1-Fs / Fm′;ΦNPQ =Fs / Fm′-Fs / Fm;Φf,D =Fs / Fm .
1􀆰 4  数据处理
所测量的数据通过 Microsoft Excel 2003 软件进
行处理;用统计分析软件 SPSS 19.0(SPSS, Chicago,
USA)进行统计分析,不同光照处理间采用单因素方
差分析(one⁃way ANOVA)进行差异显著性检验,显
著性水平设置为 ɑ = 0.05.图表中数据为平均值±标
准差.
2  结果与分析
2􀆰 1  不同光照强度对谢君魔芋光响应和 CO2 响应
过程的影响
不同光强下生长的谢君魔芋光响应曲线的变化
明显不同(图1) .随着生长光强的升高,谢君魔芋
图 1  不同光照强度下谢君魔芋的响应曲线
Fig.1  Response curves of A. xiei grown along a light⁃intensity gradient.
a)光响应曲线 Light⁃photosynthetic response curve; b)CO2 响应曲线 CO2 ⁃photosynthetic response curve.
表 1  不同光强下谢君魔芋光响应和 CO2 响应相关参数
Table 1  Related parameters of light⁃photosynthetic response and CO2 ⁃photosynthetic response in A. xiei grown along a light⁃
intensity gradient
变量
Variable
透光率 Light transmittance (%)
100 32.6 5.98
最大净光合速率 Pmax (μmol·m-2·s-1) 5.62±0.77c 6.86±0.15b 11.50±0.16a
暗呼吸速率 Rd (μmol·m-2·s-1) -1.82±0.67b -0.71±0.05a -0.66±0.43a
光补偿点 LCP (μmol·m-2·s-1) 41.99±6.52a 24.49±1.67b 7.88±4.33c
光饱和点 LSP (μmol·m-2·s-1) 407.87±94.50b 599.57±85.97a 353.57±38.88b
表观量子产额 AQY (μmol·mol-1) 0.036±0.006b 0.028±0.004b 0.077±0.009a
内禀水分利用效率 iWUE (μmol·mol-1) 43.70±11.18a 38.39±17.30a 49.63±9.36a
羧化效率 CE 0.017±0.004b 0.019±0.0002ab 0.022±0.001a
CO2 补偿点 Г (μmol·mol-1) 77.63±5.02a 47.87±9.79b 55.43±6.01b
同行不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05) Different small letters in the same row meant significant difference at 0.05 level among treatments.
下同 The same below.
0811 应  用  生  态  学  报                                      27卷
Pmax显著降低,LCP 显著升高(P<0.05);5.98%NL处
理的 AQY达到 0.077 μmol·mol-1,当生长光强增加
到 32.6%,AQY 降低了 63.6%;5.98%NL 处理具有
较小的 Rd和 LSP 值;不同处理的 iWUE 差异不显
著,但 5.98%NL处理的 iWUE相对较大(表 1).不同
处理的谢君魔芋 Pn对 C i的响应趋势基本相同,随着
C i的增加 Pn逐渐升高(图 1),在 C i < 400 μmol·
mol-1时,Pn呈直线上升,而后上升趋势减慢. 100%
NL下的谢君魔芋具有较低的 CE 和较高的 Г,随着
生长光强的降低,CE显著上升,Г显著下降(表 1).
2􀆰 2  不同光照强度对谢君魔芋光合诱导过程的影响
经过暗适应后瞬间给予 1500 μmol·m-2·s-1
高光照射,不同处理谢君魔芋对高光的响应不同
(图 2):瞬间的高光使 Pn和 gs迅速上升,而后逐渐
平稳;C i呈现逐渐下降的趋势.从光合诱导参数统计
情况来看(表 2), t90%P和 gs⁃i在各处理间差异显著
(P<0.05) ,且100%NL具有较高的gs⁃i,而5.98%NL
图 2  不同光照强度下谢君魔芋在 0~ 1500 μmol·m-2·s-1
光合诱导过程中光合特征的变化
Fig.2  Changes of photosynthetic characteristics in the proces⁃
ses of 0-1500 μmol·m-2·s-1 photoinduction in A. xiei grown
along a light⁃intensity gradient.
表 2  不同光强下的谢君魔芋在 0~ 1500 μmol·m-2·s-1光
合诱导中的相关参数
Table 2  Related parameters in the photoinduction proces⁃
ses of 0 - 1500 μmol·m-2· s-1 in A. xiei grown along a
light⁃intensity gradient
变量
Variable
透光率 Light transmittance (%)
100 32.6 5.98
t30%P (s) 266.12±35.08a 223.41±46.31a 239.01±48.56a
t50%P (s) 320.05±37.58a 298.72±108.29a 362.78±137.32a
t90%P (s) 873.03±273.95b 795.90±214.13b 1583.47±78.61a
IS1 min (%) 21.88±12.57a 45.04±25.49a 35.78±10.97a
IS5 min (%) 77.10±10.83a 72.15±11.18a 64.39±15.99a
IS10 min (%) 80.40±12.94a 80.89±2.93a 74.86±4.72a
Pn⁃i (μmol·m-2·s-1) -0.96±0.63a -0.61±1.61a -0.26±1.41a
gs⁃i (mol·m-2·s-1) 0.13±0.01a 0.11±0.07ab 0.09±0.04b
t30%P 、t50%P 、t90%P : 暗适应光诱导后达到最大净光合速率 30%、50%、
90%所需的时间 The time to reach 30%, 50% and 90% of maximum
photosynthetic rate in dark⁃adapted leaves for photosynthetic induction.
IS1 min、IS5 min、IS10 min: 暗适应光诱导后 1、5、10 min所达到的光合诱
导状态 Photosynthetic induction state in the dark⁃adapted leaves exposed
to high light for 1,5, and 10 min. Pn⁃i: 暗适应过程中初始净光合速率
Initial photosynthetic rate in the dark⁃adapted leaves; gs⁃i: 暗适应过程
中初始气孔导度 Initial stomatal conductance in dark⁃adapted leaves.
处理 gs⁃i较低、t90%P则较高.暗适应 gs⁃i与 t30%P、t50%P和
t90%P呈现负相关(图 3).在 0 ~ 1500 μmol·m
-2·s-1
光合诱导过程中,100%NL 处理的 Pn和 C i之间并未
出现拐点,随着 Pn的升高 C i逐渐减小,而 32.6%NL
和 5. 98% NL 下有拐点,分别处于 Pmax的 90%和
20%,随着 Pn的升高 C i先减小而后增大(图 4).
2􀆰 3  不同光照强度对谢君魔芋叶绿素 a 荧光曲线
参数的影响
随着光照强度的增加,不同处理植株 Fv′ / Fm′、
ΔF / Fm′和 qP逐渐下降,NPQ 和 ETR 逐渐上升(图
5).其中,100%NL 处理具有较高的 ΔF / Fm′、 qP和
ETR 值. 100% NL 处理的 Fv′ / Fm′仅在 200 ~ 400
μmol·m-2·s-1之间具有较高值,其余响应光强下
5.98%NL处理具有较高值.32.6%NL处理 NPQ相对
较高,而在 PAR<1000 μmol·m-2·s-1时,5.98%NL
处理的 NPQ 高于 100% NL 处理,其后两者差异
不大.
不同处理的谢君魔芋 Fv′ / Fm′、 ΔF / Fm′、 qP、
NPQ、ETR等参数对光合诱导有着不同的响应(图
5),当在暗适应下瞬间给予高光照射,Fv′ / Fm′快速
下降,而后缓慢下降;ΔF / Fm′和 qP迅速下降并逐渐
稳定;NPQ和 ETR 快速上升而后缓慢上升.随着生
长光强的增加,光合诱导过程中的 Fv′ / Fm′逐渐减
小,而 NPQ逐渐增大;qP和 ETR 在经过 100%NL 处
理后随着光合诱导过程的进行,回升速度最快;经过
高光诱导,5.98%NL处理的Fv ′ / Fm ′值显著大于其
18114期                      付  忠等: 不同光照强度下谢君魔芋的光合作用及能量分配特征           
图 3  不同光照强度下的谢君魔芋初始气孔导度与 0~1500 μmol·m-2·s-1光合诱导时间的关系
Fig.3  Relationships between initial stomatal conductance and the time of photoinduction under 0-1500 μmol·m-2·s-1 in A. xiei
grown along a light⁃intensity gradient.
t30%P 、t50%P 、t90%P : 暗适应后达到最大净光合速率 30%、50%、90%所需的时间 The time to reach 30%, 50% and 90% of maximum photosynthetic
rate in dark⁃adapted leaves for photosynthetic induction (s) .
图 4  不同光照强度下的谢君魔芋在 0 ~ 1500 μmol·m-2·
s-1光合诱导过程中净光合速率和胞间 CO2 浓度的关系
Fig.4  Relationships between net photosynthetic rate and inter⁃
cellular CO2 concentration in the photoinduction process of 0 -
1500 μmol·m-2·s-1 in A. xiei grown along a light⁃intensity
gradient.
他处理.
2􀆰 4  不同光照强度对谢君魔芋光能分配的影响
不同处理的谢君魔芋在光响应过程中对所吸收
光能的分配并不相同(图 6).当响应光强增加时,
ΦPSⅡ逐渐减少,代表光下电子传递过程饱和;Φf,D基
本处于一个稳定状态.32.6%NL和 5.98%NL 处理的
ΦNPQ随着响应光强的增加,呈现先迅速增大后逐渐
饱和的过程,但 100%NL处理最终仍有上升趋势.在
1500 μmol·m-2·s-1响应光强下,透光率由大到小
3 个处理 ΦNPQ分别是总能量的 53. 8%、65. 6%和
58􀆰 5%,这说明高光诱导减少了用于 ΦPSⅡ和 Φf,D途
径的光能分配比例.
不同处理谢君魔芋在光合诱导过程中对所吸收
光能的分配差异也较大(图 6).暗适应下不同处理
间的叶片具有较高的 ΦPSⅡ,而 ΦNPQ几乎为零;当给
予高光时,ΦPSⅡ迅速减少,并随着时间延长缓慢增
加,而 ΦNPQ迅速增加并逐渐稳定,Φf,D表现为迅速小
幅上升,而后逐渐减小到高光诱导前的水平或比之
略有下降.在高光诱导时间达到 1800 s时,透光率由
大到小 3 个处理的 ΦNPQ分别是总能量的 67. 0%、
69􀆰 6%和 62.5%,ΦPSⅡ分别是总能量的 11.5%、7.5%
和 11.0%,3种处理间 Φf,D差异不大.
3  讨    论
植物所处环境中光照强度的改变能直接导致其
光合作用的变化,但不同植物对光照强度的变化有
不同的适应机制[50-51],喜阴植物在遮阴环境中净光
合速率往往升高[12] .本研究中,生长光强越低,谢君
魔芋的 Pmax则越大(表 1),这说明生长于中光和高
光特别是高光下的谢君魔芋由于长期处于高光胁迫
状态,光合机构遭到一定程度的破坏,从而降低了谢
君魔芋的光合能力和光合效率.AQY 能反映植物吸
收和转换自然光的能力[52-53],而 Rd和 LCP 较低被
认为是植物能够适应弱光环境、从而获得最大碳收
益的适应性策略的标志[54-55] .在本研究中,随着生
长光强的降低,谢君魔芋的 AQY 增大,Rd、LCP 减
小,LSP 并没有逐渐增大,且透光率 5.98%处理具有
AQY 最大值和 LCP 最小值 (表 1),这与王振兴
等[56]对闽楠(Phoebe bournei)的研究结果一致,说明
谢君魔芋更能适应低光环境,低光下生长能够通过
增大 AQY、减小 Rd和 LCP 来提高对低光的利用能
力和效率.在外界环境相对稳定下,Г 是氧化反应与
羧化反应比率的相关参数,CE与叶片中Rubisco的
2811 应  用  生  态  学  报                                      27卷
图 5  不同光照强度下的谢君魔芋在光响应和 0~1500 μmol·m-2·s-1光合诱导过程中荧光特征的变化
Fig.5  Changes of fluorescence characteristics in the process of light⁃photosynthetic and photoinduction process of 0-1500 μmol·
m-2·s-1 response in A. xiei grown along a light⁃intensity gradient.
数量和活性呈正相关[18],本研究结果显示,谢君魔
芋 Г 在透光率 100%处理最大,低光处理的 CE 最
大,当生长环境光强由透光率 5.98%增加到 32.6%
时,CE明显降低,这表明长期生长在高光下的谢君
魔芋其氧化反应处于较高状态,而中低光下的谢君
魔芋能够维持较高的Rubisco数量和活力来促进羧
38114期                      付  忠等: 不同光照强度下谢君魔芋的光合作用及能量分配特征           
图 6  不同光照强度下的谢君魔芋在光响应和 0~1500 μmol·m-2·s-1光合诱导过程中光能分配的变化
Fig.6  Changes of energy partition in the process of light⁃photosynthetic and photoinduction process of 0-1500 μmol·m-2·s-1 re⁃
sponse in A. xiei grown along a light⁃intensity gradient.
化反应.有趣的是,随着生长光强的降低,谢君魔芋
的光响应曲线间有差异,但 CO2 响应曲线差异不明
显,而且相同光强和相同 CO2 浓度下低光生长的植
株 Pn差距较大(图 1),这可能与谢君魔芋叶片的气
孔限制和生化限制以及植株对光强和 CO2 变化的
敏感性不同有关.研究还发现,当外界环境 CO2 浓度
为 1500 μmol·mol-1时植株的 C i接近外界 CO2 浓
度,推测这可能与叶片表面边界层导度以及气孔导
度等因素有关,还需深入探讨.本研究结果说明,谢
君魔芋在不同生长光强下具有不同的适应策略,在
中低光下生长可以通过增加自身对光能的利用能力
以及活化光合酶来适应弱光环境.
光斑是林下植物和间套作模式中矮秆作物重要
的光能来源,其短期光照变化能够引起植物光合效
率的快速变化[30] .有报道认为生长在光斑环境中的
植株对光斑响应的速度更快[57];但蔡志全等[58]研
究表明,光合诱导特征不受动态光环境的影响.植物
对光合诱导的响应时间差异很大,主要原因是光合
碳同化酶的活化、光合碳同化中间产物的再生和叶
片表面气孔的开放都需要或长或短的时间来完
成[35,59],这些表现称为生化限制[36]和气孔限制[22] .
本试验研究结果显示,经过暗适应的谢君魔芋,透光
率 32.6%处理对光合诱导的响应更迅速,5.98%处
理响应最慢(表 2),这说明中光下生长的谢君魔芋
对高光诱导具有更快的响应机制.另外,光合诱导速
率还和 gs⁃i有关,经过暗适应的谢君魔芋 gs⁃i越大,
t30%P、t50%P和 t90%P则越短(图 3),这与前人的研究结
果一致[60-61] .本研究结果还显示,透光率 100%处理
的植株在诱导期间主要受到气孔限制,但 32.6%和
5􀆰 98%处理的植株在诱导后期都受到生化限制,特
别是 5.98%处理最早受到生化限制(图 4),这与喜
阴植物三七光合诱导的结果一致[10];可能是因为高
光下的谢君魔芋初始气孔导度较大,并且具有较强
的活化光合碳同化酶的能力,而中低光下的谢君魔
芋具有快速气孔开放能力,使得生化因素(光合碳
同化酶的活化、光合碳同化中间产物的积累)在后
4811 应  用  生  态  学  报                                      27卷
期成为最大的限制因素.
叶绿素 a荧光可以快速检测植株在环境胁迫下
光合作用的真实行为,进而评估光合机构功能以及
环境胁迫对其的影响[62-64] .一般认为,强光下植物
所吸收的光能不能完全利用,未被利用的激发能必
须通过热耗散的形式消耗掉,否则将会引起光抑制
或光破坏[5] .本试验中,在稳态和动态高光下,Fv′ /
Fm′、qP和 ΔF / Fm′降低(图 5),这说明高光使得不同
处理的谢君魔芋 PSⅡ光能捕获、利用和反应中心开
放程度下降,而 NPQ 和 ETR 升高(图 5),说明光强
增加一方面导致整个光系统中电子传递速率的加
快,另一方面也导致传递到捕光色素蛋白的过剩激
发能不断增多,植物将通过多样的途径将过剩激发
能耗散掉,这与以往的研究一致[65-66] .本研究发现,
在光响应中,中光处理的谢君魔芋 Fv′ / Fm′最低,但
NPQ总高于其他处理,这可能是造成光响应曲线中
Pmax较小的原因;在光响应和光合诱导中,高光处理
的谢君魔芋 ΔF / Fm′、qP和 ETR 总高于其他处理,而
在光合诱导中,与低光处理相比,高光下的 Fv′ / Fm′
相对较低,NPQ 较高,这与梁文斌等[67]对喜阴植物
短梗大参(Macropanax rosthornii)的研究结果一致,
这说明低光下生长的植株通过减少热耗散来提高光
能的利用,而生长在高光下的植株不仅依靠热耗散
来消耗过剩激发能,也通过 Mehler 循环等方式维持
光合电子传递来实现消耗的过程.本研究结果也表
明,谢君魔芋为适应中光环境通过降低光能的捕获
和增加热耗散的方式来为自身提供保护,而长期高
光环境中的植株则采取了提高反应中心开放的比例
和电子传递速率以及增加过剩光能的耗散等策略来
保证自身光合机构的运转.
光合机构吸收光能的 3种消耗途径间存在竞争
关系,其中一条途径能耗的增加都会带动其余两条
途径能耗的减少,故可通过比较三者的分配比例关
系来判断植物是否遭受环境胁迫[29,31] .本试验研究
结果显示,在光响应和光合诱导过程中,透光率
100%处理的谢君魔芋用于 ΦNPQ途径的比例小于其
他处理,且其 ΦPSⅡ比例相对较大,这说明生长于高
光下的谢君魔芋并没有减少光能进入 PSⅡ的比例,
这会导致叶片中 O2 的持续产生,进而与3Chl∗结合
转变为1O2,最终在一定程度上产生光抑制[19,68];而
中低光下的 ΦNPQ所占比例和反应速度均大于高光
处理,这说明中低光下的谢君魔芋能够凭借较高的
Rubisco数量和活性来利用光能直到饱和,同时其耗
散机构通过高能态淬灭( qE)迅速将过剩光能耗散
掉,如跨类囊体膜的质子梯度(ΔpH)、叶黄素循环、
PsbS蛋白和天线 LHCⅡ等[30,69-70] .在光响应过程
中,透光率 100%处理的谢君魔芋 ΦNPQ随着光照强
度的增加缓慢增加,直至响应结束也似乎未达到饱
和,这说明高光胁迫下生长使谢君魔芋采用耗散过
剩光能的长期策略(慢性光抑制淬灭 qI)来保护光
合机构免遭光破坏[70] .根据 Gilmore 等[71]研究常绿
乔木疏花桉(Eucalyptus pauciflora)的光能耗散机制
推测,这可能是因为植物通过形成一种稳定的叶绿
素⁃叶黄素⁃蛋白淬灭复合物来耗散过剩光能.本研究
结果暗示,长期高光环境促使喜阴的谢君魔芋更多
的通过慢性光抑制淬灭适应胁迫,但其光合机构长
期受到潜在光破坏的压力.
总的来看,低光下生长的谢君魔芋具有较高的
光合速率和光能利用能力,而中光下生长的植株具
有较快的光合诱导速率及气孔开放能力,两者都能
够在高光诱导中启动高能态淬灭快速耗散机制来保
护自身光合机构;另外,在高光下的谢君魔芋具有较
高的开放反应中心比例及电子传递和利用能力,同
时长期的高光环境使其采用增加热耗散成本和形成
淬灭复合物的策略在一定程度上应对高光胁迫,这
可能是其不能很好适应高光环境的原因之一.
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作者简介  付  忠,男,1989年生,硕士研究生. 主要从事植
物生理生态研究. E⁃mail: fuzhong3012@ 163.com
责任编辑  张凤丽
付忠, 谢世清, 徐文果, 等. 不同光照强度下谢君魔芋的光合作用及能量分配特征. 应用生态学报, 2016, 27(4): 1177-1188
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