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药用植物艾纳香的光合日变化研究



全 文 :书 [收稿日期] 2013-02-25;2013-07-20修回
 [基金项目] 贵州省中药现代化科技产业研究开发专项项目“地道药材艾纳香品种选育及快繁技术研究”[黔科合中药字(2011)5044];贵州
省科学技术基金项目“贵州地道药材艾纳香种子生物学特性及抗旱评价研究”[黔科合J字(2013)2169]
 [作者简介] 蔡 荣(1970-),男,工程师,从事林业调查规划及资源植物开发利用工作。E-mail:1224976733@qq.com
 *通讯作者:欧国腾(1974-),男,高级工程师,从事林业有害生物防治及特色植物资源开发利用研究。E-mail:498395204@qq.com
[文章编号]1001-3601(2013)08-0460-0061-04
药用植物艾纳香的光合日变化研究
蔡 荣1,廖小锋2,刘济明3,欧国腾4*,闫国华3,谢丙质5
(1.黔南州林业调查规划院,贵州 都匀558000;2.贵州省山地资源研究所,贵州 贵阳550001;3.贵州大学 林学
院,贵州 贵阳550025;4.贵州省罗甸县林业局,贵州 罗甸550100;5.贵州佰树生物能源发展研究中心,贵州
罗甸550115)
  [摘 要]为探明艾纳香光合作用日进程特征及其净光合速率的关键影响因子,采用Li-6400光合作用
测定系统测定了艾纳香叶片的光合生理生态特性及环境因子日变化,并进行了系统地分析。结果表明:艾纳
香气孔导度(Gs)与蒸腾速率(Tr)的日变化均呈双峰曲线,胞间CO2浓度(Ci)的日变化大致呈“V”字型曲线。
艾纳香净光合速率(Pn)日进程呈典型的双峰曲线,第1峰〔峰值20.39μmol/(m
2·s)〕出现在10:00左右,
第2峰〔峰值19.44μmol/(m
2·s)〕出现在15:00左右,有明显的光合“午休”现象,但程度较浅。艾纳香Pn
与除大气CO2浓度(Ca)以外的生理生态因子均极显著相关;其光合“午休”的原因主要为气孔关闭引起的气
孔限制因素;Gs、Ci及PAR是艾纳香Pn的关键影响因子,Gs影响最大,Ci与PAR次之。
[关键词]药用植物;艾纳香;光合作用日变化;净光合速率;生理生态因子
[中图分类号]S567;Q945.79 [文献标识码]A
Study on Diurnal Variation of Photosynthesis of Medicinal Plant
Blumea balsamifera
CAI Rong1,LIAO Xiaofeng2,LIU Jiming3,OU Guoteng4*,YAN Guohua3,XIE Bingzhi 5
(1.Institute of Forestry Inventory and Planning of Qiannan State,Duyun,Guizhou 558000;2.Institute of
Mountain Resources,Guizhou Academy of Sciences,Guiyang,Guizhou 550001;3.College of Forestry,
Guizhou University,Guiyang,Guizhou 550025;4.Forestry Bureau of Luodian County,Luodian,Guizhou
550100;5.Bioenergy Development Research Center of Baishu,Luodian,Guizhou550115,China)
  Abstract:In order to explore the characteristics of diurnal variation of photosynthesis and key
influencing factors of medicinal plant B.balsamifera,the eco-physiological photosynthetic characteristics
of B.balsamifera and the environmental factors were measured using Li-6400portable photosynthesis
system,also the systematic analysis was carried out.The results showed that the diurnal variation of
stomatal conductance(Gs)and leaf transpiration(Tr)of B.balsamifera both showed a double peak
curve.The diurnal variation pattern of intercelular CO2concentration(Ci)showed a“V”-type curve.The
diurnal change of net photosynthetic rate(Pn)of B.balsamiferapresented a typical bimodal pattern,the
first peak[Pn=20.39μmol/(m
2·s)]appeared at 10o’clock and the second peak[Pn=19.44μmol/(m
2·
s)]appeared at 15o’clock,and in midday there was an obvious photosynthetic depression,but the extent
was gentle.The diurnal variations of Pn related significantly positively to al the eco-physiological factors
except atmospheric CO2concentration(Ca).The main reason of midday photosynthetic depression was
stomatal limitation factors based on stomatal closure.Gs,Ci and photosyntheticaly active radiation
(PAR)were the key influencing factors on Pn of B.balsamifera,and Gs produced more influence than Ci
and PAR.
Key words:medicinal plant;Blumea balsamifera;diurnal variation of photosynthesis;net photosyn-
thetic rate;eco-physiological factors
  艾纳香〔Blumea balsamifera (Linn.)DC.〕,
又名大风艾、冰片艾、大艾等,为菊科艾纳香属多年
生木质大草本,常呈灌木状,全株被白色绒毛,具香
气;性喜热带和亚热带气候[1]。艾纳香是获取天然
冰片(主要有效成分为左旋龙脑)的重要原料植物之
一,其叶片和嫩梢可提制艾粉,经提炼后可制得天然
冰片以及艾油[2]。艾纳香主产于我国贵州、广西、广
东、云南、福建及台湾等6个省(区)和东南亚国家,
垂直分布于海拔1 000m以下[3]。艾纳香是贵州近
年来拟重点发展的民族特色药材,其以罗甸县为主
要原料基地的产业化布局已基本形成。目前国内外
对艾纳香的基础研究已有文献报道,主要集中在化
学成分分离与鉴定[4-6]、化学成分的生物活性与药理
特性[7-9]、栽培技术[3,10]、种质资源调查与品种选
育[11-12]等方面,研究虽然取得了一定成绩,但产业化发
展的科技基础依然薄弱,其中,光合生理方面仅见叶片
 贵州农业科学 2013,41(8):61~64
 Guizhou Agricultural Sciences
光响应特征[13]的报道。为此,笔者以常规栽培下的艾
纳香一年生苗木为试验材料,对艾纳香光合作用日变
化进行研究,以期揭示艾纳香光合作用中净光合速率、
生理因子的日进程及其主要影响因子,为艾纳香苗木
培育、栽培管理提供科学依据和理论指导。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地为位于贵州罗甸县东部城郊的烟山艾纳
香育苗基地。该基地地势平缓,平均海拔530m,土
壤为砂页岩发育的黄红壤;基地气候属亚热带湿润
型气候,春早、夏长、秋迟、冬短,全年日照时数
1 300~1 500h,年均温16.59~20.5℃,≥10℃年
总积温6 000℃以上,最热月7月均温为27℃,最冷
月1月均温为10.1℃,无霜期300~340d,年降雨
量1 000~1 400mm,水热资源丰富。
1.2 供试材料
1.2.1 试验苗木 试验材料为艾纳香一年生苗
木。该苗木原为罗甸县罗苏乡野生分布的无性系植
株,2010年秋季自然分蘗,2011年3月于野外分株
移栽至烟山艾纳香育苗基地,经精心的水肥管理,长
势旺盛。10月上旬,在该批次的艾纳香苗中选取全
光照条件下长势旺盛、无病虫害且较为一致的3株
艾纳香作为试验植株,每株选取植株上部的3片向
阳成熟功能叶,标记以备测定。
1.2.2 仪器与设备 光合作用测定仪器为美国Li-
cor公司生产的Li-6400便携式光合作用测定系统。
1.3 试验方法
艾纳香光合日变化数据于2011年10月上旬选
取典型晴天测定(偶尔微风、有云),此时艾纳香平均
株高2m左右,生长仍然较为旺盛。测定从8:00~
18:00,每隔1h测定1次,1次测定选取的3株共9
片叶子。叶片连体测量时使用透明叶室、开放气路,
空气流速为500mL/min,待相关参数稳定后(约
2~3min),记录净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、
气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、大气CO2浓度
(Ca)、气温(t)、叶温(tleaf)、光合有效辐射(PAR)、叶
片蒸汽压亏缺(VpdL)等参数,每片叶子连续记录3
次,每个时间点共27组数据,最终取平均值[14]。
1.4 数据处理与分析
由Excel 2003进行实测数据的初步整理,统计分
析由SPSS 17.0完成,图表处理由Excel 2003完成。
2 结果与分析
2.1 环境生态因子日进程
图1及图2显示,气温(t)及光合有效辐射
(PAR)的日变化基本符合一般常识,而在正午
13:00前后短时段内表现出的低谷是因有云挡住阳
光所致。从图1看出,大气CO2浓度早间最高,之后
迅速下降并维持在390μmol/mol左右。由图3可
知,空气相对湿度早晚较高(约60%),下午15:00
左右最低(仅40%),全天基本呈现“V”字型变化趋
势;叶片蒸汽压亏缺日进程与 RH 基本相反,符合
一般常识。


CO
2


/(μ
m
ol
/m
ol
) 450






/[
μm
ol
/(
m
2 ·
s)

1 500
8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00
时间
Time
420
390
360
1 200
300
600
900
Ca PAR
Ca PA
R
图1 大气CO2浓度(Ca)与光合有效辐射(PAR)的日进程
Fig.1 Diurnal variation of Caand PAR


/℃


/℃
8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00
时间
Time
t tleaf
20
25
30
35
40
20
25
30
35
40
t
t lea
f
图2 气温(t)与艾纳香叶温(tleaf)的日进程
Fig.2 Diurnal variation of t and tleaf




湿

/%
RH VpdL







/K
Pa
0
1
2
3
0
60
80
20
40
100
8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00
时间
Time
RH Vp
dL
  图3 空气相对湿度(RH)与艾纳香叶片蒸汽压亏
缺(VpdL)的日进程
Fig.3  Diurnal variation of RH and VpdL
2.2 生理因子日进程
2.2.1 叶温、气孔导度及胞间CO2浓度 艾纳香
叶温的变化与外界温度较为一致,几乎均处于30℃
以上,最高温度出现在午间前后。由于云层遮挡阳
光的缘故,导致正午13:00左右有小幅降低(图2)。
艾纳香气孔导度全天呈现双峰型变化趋势(峰
值分别出现在10:00及15:00左右),且大部分时段
均较高,15:00之后随光强的减弱而迅速下降(图4);
胞间CO2浓度早间较高,随光合作用的进行迅速降




/[
m
ol
/(m
2 ·
s)

Ci
0
0.1
0.2
0.3
0.4
200
300
400
500
Gs Ci
8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00
时间
Time
Gs


CO
2


/(μ
m
ol
/m
ol
)
图4 艾纳香气孔导度(Gs)与胞间CO2浓度(Ci)的日进程
Fig.4 Diurnal variation of Gs and Ci
·26·
                                        贵 州 农 业 科 学
                                   Guizhou Agricultural Sciences
低后变幅减小,傍晚17:00之后则快速升高,全天大
致呈现“V”字型变化趋势(图4)。
2.2.2 净光合速率与蒸腾速率 艾纳香净光合速
率日变化为典型的双峰曲线,光合“午休”较为明显,
Pn日间均值15.45μmol/(m
2·s),10:00与15:00
左右各有1峰值〔分别为20.39μmol/(m
2·s)、
19.44μmol/(m
2·s),相差较小〕。光合“午休”期
间Pn依然维持在上午峰值的80%以上(图5),因
此,可以认为艾纳香光合“午休”的程度较浅,且“午
休”之后光合作用基本能够恢复到早间的最佳水平。
艾纳香蒸腾速率日变化同样为双峰曲线,早间
随着PAR、t、tleaf的升高以及 RH 的降低而逐步升
高,10:00达到第1个峰值;13:00前后,由于云层遮
挡导致PAR、t、tleaf的短暂降低以及RH的短暂上升,
艾纳香Tr处于低谷;之后又逐渐升高并达到第2个峰
值,最后随着PAR、t、tleaf的降低而迅速下降(图5)。





/[
μm
ol
/(m
2 ·
s)

Tr
-2
4
6
8
10
2
0
4
8
12
0
16
20
24
-4
8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00
时间
Time
Pn Tr
Pn




/[
m
m
ol
/(m
2 ·
s)

图5 净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)日进程
Fig.5 Diurnal variation of Pn and Tr
2.3 影响净光合速率的生理生态因子
净光合速率是植物光合作用水平的指示指标,
在植物光合作用的气体交换性研究中扮演重要角
色,其受外部环境生态因子和内部生理因子的共同
作用,不但各个因子对净光合速率的影响较为复杂,
且各因子间也存在交互影响[14]。
2.3.1 相关性分析 从表1可以看出,Pn与除Ca
外的Gs、Ci、Tr等其他因子均极显著相关,表明,除
Ca外的其他因子对艾纳香净光合速率影响均极显
著;除Gs与VpdL相关性不显著外,其余因子之间
均存在极显著相关关系。说明,生理生态因子对艾
纳香净光合速率的影响以及其相互之间的影响极为
复杂。但根据相关关系可以认为,早间当PAR增
强时,Gs加大,t及tleaf升高,RH 下降,导致蒸腾加
强,Pn也随之升高;而Gs加大、Pn升高的同时,胞
间CO2作为光合作用的原料被同化以及转运,导致
Ci逐渐降低。
Farquhar和Sharkcy的气孔限制理论认为[15],
净光合速率降低的同时,Ci一并降低,并且此时段
气孔逐渐关闭(Gs逐渐降低),则可认为Pn的降低
主要是由气孔关闭所引起。10:00~13:00艾纳香
处于光合“午休”阶段,期间Ci和 Gs与Pn一同降
低。因此,艾纳香光合“午休”的主要原因是气孔关
闭引起的气孔限制因素,即光强、温度和空气湿度等
条件的改变,引起 Gs降低导致CO2从气孔进入细
胞间隙的阻力加大,光合作用底物-CO2供应不足,
进而Pn降低。
表1 艾纳香光合参数间的相关性分析
Table 1 The correlation analysis on photosynthetic parameters of B.balsamifera
Pn  Gs  Ci  Tr  VpdL  t  tleaf Ca  RH  PAR
Pn  1
Gs  0.889** 1
Ci -0.736** -0.496** 1
Tr  0.811** 0.747** -0.709** 1
VpdL  0.283** 0.022 -0.627** 0.647** 1
t  0.646** 0.476** -0.770** 0.876** 0.797** 1
tleaf 0.635** 0.438** -0.788** 0.869** 0.864** 0.979** 1
Ca -0.009  0.179** 0.348** -0.318** -0.642** -0.484** -0.495** 1
RH -0.443** -0.257** 0.677** -0.799** -0.901** -0.843** -0.847** 0.640** 1
PAR  0.784** 0.635** -0.762** 0.755** 0.501** 0.840** 0.819** -0.277** -0.541** 1
 注:**表示极显著相关(P<0.01),Pearson系数双边检验。
 Note:** means highly significant correlation(P<0.01),bilateral inspection with Pearson coefficient.
2.3.2 回归分析 按照刘济明等[14]的方法,把与
艾纳香净光合速率Pn相关性显著与极显著的几个
因子对Pn进行逐步回归分析,剔除部分变量,得到
Pn对生理生态因子的回归模型。方差分析结果表
明,F=960.539,P≈0.000,按照α=0.05水平拒绝
回归系数均为0的假设,得到Pn对生理生态因子
的回归方程:
y=12.533+33.267x1-0.032x2+0.002x3
(R2=0.911) (1)
式中:y为Pn,x1为Gs,x2为Ci,x3为PAR。
按α=0.10水平进行t检验(表2),偏回归系数
均有显著性意义。表明,共线性诊断结果的指标容
许度(tolerance)及方差膨胀因子大小适中(容许
度>0.1,0<VIF<10),因此,拒绝式(1)的共线性
假设。该回归方程拟合系数R2=0.911,显示方程
较为可靠。从式(1)可以看出,艾纳香净光合速率主
要受气孔导度、胞间CO2浓度以及光合有效辐射的
影响,其他生理生态因子虽然也有影响,但在逐步回
归分析中已被剔除。偏相关系数的大小表示了自变
量对因变量影响的大小,因此,可以认为,Gs对艾纳
香Pn影响最大、Ci与PAR次之。
·36·
 蔡 荣 等 药用植物艾纳香的光合日变化研究
 CAI Rong et al Study on Diurnal Variation of Photosynthesis of Medicinal Plant Blumea balsamifera
表2 艾纳香净光合速率对影响因子的回归分析系数
  Table 2 The analysis on regressive coefficients of Pn and it’s factors of B.balsamifera
模型
Model
偏回归系数
Partial regression coefficient
t  P 偏相关系数
Partial correlation coefficient
容许度
Tolerance
方差膨胀因子
VIF
常量Constant  12.533  10.948 ≈0.000
气孔导度 Gs  33.267  28.160 ≈0.000  0.859  0.596  1.678
胞间CO2浓度Ci -0.032 -11.337 ≈0.000 -0.560  0.419  2.388
光合有效辐射PAR  0.002  4.358 ≈0.000  0.252  0.331  3.021
3 结论与讨论
1)植物的光合速率、气孔导度以及蒸腾速率等
光合指标是植物重要的生理生态参数,其在人工栽
培及管理中具有重要的理论指导意义[16]。研究结
果表明,虽然光合作用测定时段处于秋季(10月上
旬),但艾纳香净光合速率日变化依然为典型的双峰
曲线,有明显的光合“午休”现象,这可能与该时期内
罗甸县光照充足、气候炎热有关。分析表明,艾纳香
光合“午休”的原因主要为气孔限制因素,与很多植
物相似[17-18];但艾纳香光合“午休”期间的净光合速
率相对上午峰值下降较小(达80%以上),且下午峰
值为上午峰值的95.31%,几乎达到了上午最佳光
合作用条件下的水平,这一点与多数阳生喜光植物
相比较为特殊[14,17-18]。表明,艾纳香对光合作用的
调节能力较强,但具体机制还不明确,笔者认为今后
可利用叶绿素荧光动力学机制对这一问题加以探
索。此外,艾纳香日间净光合速率最大值达20.39
μmol/(m
2·s),相比廖小锋等在较为理想条件下得
出的最大净光合速率〔19.00μmol/(m
2·s),于
2011年7月测定〕[13]仍高,说明,艾纳香此时生长仍
然较为旺盛,为此,生产中罗甸县艾叶的主采时间应
晚于10月,使植株充分积累有机物,可提高艾纳香
产量。
2)影响艾纳香净光合速率日进程的关键因子
包括生理因子气孔导度、胞间CO2浓度以及生态因
子光合有效辐射,而罗甸小米核桃(Juglans regia
L.f.luodianense Liu et Xu)[14]、濒危植物半日花
(Helianthemum songaricumSchrenk)[19]等许多植
物净光合速率的主要影响因子同样包括气孔导度、
胞间CO2浓度,说明,该2个因子是植物光合作用普
遍存在的重要影响因子。
3)艾纳香净光合速率日均值〔15.45μmol/
(m2·s)〕较高,光合能力较高、光合“午休”程度不
深且易恢复,这一特性对生产实践也具有指导意义。
在生产中宜将艾纳香种植于日照充足的地块以保证
其光合作用充分进行,对于提高产量有一定促进作
用。苗期培育中,可考虑在日照过强、温度过高的午
间,通过适当遮阴、加强通风等方式,减轻光合“午
休”,促进生长发育,从而缩短苗木培育时间、尽早出
圃。
[参 考 文 献]
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·46·
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                                   Guizhou Agricultural Sciences
书[文章编号]1001-3601(2013)08-0461-0065-05
干旱胁迫对小蓬竹光合生理的影响
刘济明1,颜 强1,廖小锋2,闫国华1,池 馨1,李 鹏1
(1.贵州大学 林学院,贵州 贵阳550025;2.贵州科学院 贵州省山地资源研究所,贵州 贵阳55000)
  [摘 要]为了探究干旱胁迫对小蓬竹光合生理的影响,对小蓬竹抗旱能力进行科学的评价,进而为其
保育措施、科学栽培和水分管理等研究提供理论依据,以小蓬竹幼苗为试验材料,采用盆栽控水法,设置轻度
干旱(LD)、中度干旱(MD)和重度干旱(SD)3个胁迫水平及对照(CK),对不同水分条件下小蓬竹的光合色
素含量、光合作用和光响应特征进行研究。结果表明:小蓬竹叶片光合色素含量的变化在所有处理间差异不
显著。气体交换性指标显示,小蓬竹叶片光合速率(Pn)在LD处理下略高于对照CK,其他参数变化极不显
著;MD及SD处理下净光合速率逐渐下降,气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)以及水分利用效率(WUE)逐渐降
低,胞间CO2浓度(Ci)逐渐升高。光响应特征参数显示,与CK相比,LD时各参数变化轻微,随着干旱胁迫
的加强,初始量子效率(α)、表观量子效率(AQE)、最大净光合速率(Pnmax)以及光饱和点(LSP)逐渐下降,光
补偿点(LCP)逐渐升高,暗呼吸速率(Rd)与CK差异不明显。说明,小蓬竹具有较强的抗旱能力,并且对轻
度干旱(LD)环境有良好的适应性。
[关键词]小蓬竹;干旱胁迫;光合色素;光合作用
[中图分类号]S795 [文献标识码]A
Efect of Drought Stress on Photosynthesis of Drepanostachyum luodianense
LIU Jiming1,YAN Qiang1,LIAO Xiaofeng2,YAN Guohua1,CHI Xin1,LI Peng1
(1.Forestry College,Guizhou University,Guiyang,Guizhou550025;2.Institute of Mountain Resources,Guizhou
Academy of Sciences,Guiyang,Guizhou550001,China)
  Abstract:In order to investigate the effect of drought stress on photosynthesis of D.luodianense,so
as to provide theoretical references for conservation,scientific cultivation and water management of
D.luodianense,taking the seedlings of D.luodianense as materials,apot experiment was conducted to
study the photosynthetic pigment,the photosynthesis and the parameters of optical response
characteristics of D.luodianense under different water conditions.Three treatments were set:low drought
stress,(LD),moderate drought stress(MD)and severe drought stress(SD)and the control(CK).The
results showed that changes in the photosynthetic pigment content varied without significant difference.
Gas exchange indicators showed that under LD net photosynthetic rate(Pn)was slightly higher than CK
and other parameters change was not very significant;Under MD or SD,the stomatal conductance(Gs),
transpiration rate(Tr)and water use efficiency(WUE)were gradualy reduced.While the intercelular
CO2concentration(Ci)gradualy increased.The parameters of optical response characteristics displayed
that compared with CK,al the parameters changed slightly under LD,but with the strengthening of
drought stress,initial quantum efficiency(α),apparent quantum efficiency(AQE), maximum
photosynthesis(Pnmax)and light saturation point(LSP)was gradualy reduced,while light compensation
point(LCP)gradualy increased.In addition,dark respiration rate(Rd)was not significantly different with
CK.Studies showed that D.luodianense have strong drought resistance and good adaptability to the
environment of LD.
Key words:Drepanostachyum luodianense;drought stress;photosynthetic pigment;photosynthesis
  小蓬竹〔Drepanostachyum luodianense (Yi et
R.S.Wang)Keng f.〕又名藤竹,系禾本科竹亚科
镰序竹属,为我国特产一次性开花结实的合轴丛生
型竹种。小蓬竹是喀斯特地区适生竹,在水源涵养、
 [收稿日期] 2013-03-25;2013-07-13修回
 [基金项目] 贵州省国际科技合作计划项目“小蓬竹多样性及其根际生态研究”[黔科合外G字(2013)7010],“濒危植物小蓬竹生态适应性
及育苗技术研究”[黔科合外G字(2009)700101]
 [作者简介] 刘济明(1963-),男,教授,博士,从事植物生态学研究。E-mail:karst0623@
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(责任编辑:王 海)
 贵州农业科学 2013,41(8):65~69
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