光照、土壤对曼地亚红豆杉光合生理指标影响的研究.doc

光照、土壤对曼地亚红豆杉光合生理指标影响的研究 摘 要：以不同土壤（酸壤和碱壤）条件下三年生盆栽曼地亚红豆杉为材料,利用黑色遮阳网遮荫,设置3 种遮荫水平自然光(CK，透光率为100 %) 、一层遮荫（透光率为50 % ）和二层遮荫（透光率为12.5%）。研究不同土壤和遮光处理对曼地亚红豆杉幼苗形态及光合生理特性的影响。结果表明：（1）酸、碱两种土壤都表现为一层遮荫下生长的植株的叶面积、比叶面积、叶片厚度、叶绿素含量、表观量子效率、希尔反应活力明显高于自然光照下的曼地亚红豆杉叶片；光饱和点，补偿点及叶绿素a /b 值随遮荫程度的增大而降低。上述变化有利于曼地亚红豆杉在弱光环境下对光能的利用。（2）相同光照处理，酸壤下生长的幼苗叶绿素含量、表观量子效率、希尔反应活力、叶面积、比叶面积、叶片厚度均高于碱壤。（3）酸壤条件下曼地亚红豆杉在遮荫50 %时，叶面积、比叶面积、叶片厚度、叶绿素含量、表观量子效率及希尔反应活力这些光合生理指标均高于其它处理。以上现象说明酸性土壤、50%遮荫是曼地亚红豆杉最适宜的生长条件。 关键词： 曼地亚红豆杉； 不同土壤； 遮荫处理； 光合生理特性引言红豆杉又名紫杉、赤柏松，为裸子植物门松杉纲红豆杉目红豆杉科（Taxaceae）红豆杉属（Taxus）植物，是第四纪冰川遗留下的古老树种，在我国属一级保护植物，素有“植物黄金”之称。因果实成熟时红果满枝，状似红豆，故得名。红豆杉属植物全球共有11种,分布于北半球的温带及亚热带地区,我国的红豆杉储量占全球的1/2以上，有 4种1 变种1：即东北红豆杉、云南红豆杉、南方红豆杉( 变种) 、中国红豆杉、西藏红豆杉。其中中国红豆杉和南方红豆杉为我国所特有。我国很早以前民间就发现, 红豆杉的叶入药具有消炎、止痛、杀菌、治疗疥癣的作用, 树皮和根入药可治疗糖尿病,全国中草药汇编记载南方红豆杉的种子可消食、驱虫。自从美国化学家Wall和Wami首先从短叶红豆杉中分离出紫杉醇,并于1971 年发表其化学结构以来, 80年代美国和欧洲的科学家相继揭示了从红豆杉的树皮、树根及枝叶中提取的紫杉醇的抗癌疗效。1992年底,美国食品药物管理局批准紫杉醇为治疗晚期卵巢癌新药( Pactilaxael)上市。专家将紫杉醇称为21世纪最有开发价值的植物来源的抗癌药,是继阿霉素、顺铂之后疗效最好、副作用最小的药物。在国内外红豆杉又被人们称为征服癌症的“希望之树”2 ，从而在世界范围内出现了前所未有的红豆杉资源开发热潮。如今, 许多种生产紫杉醇的尝试如组织培养、细胞悬浮培养、基因工程、发酵和化学全合成等均难以实现产业化, 而采集野生红豆杉资源又导致了一些很严重的社会和环境问题。在这样的状况下, 人工栽培红豆杉是短期内获得紫杉醇及其化学半合成前体的最稳妥、简洁可行的途径3。本试验材料曼地亚红豆杉( Taxus media cv.Hicksii) ,是一种天然杂交品种,其母本为东北红豆杉( T. cuspidata) ,父本为欧洲红豆杉( T. baccata) ,在美国和加拿大生长发育已有80年的历史4。曼地亚红豆杉属灌木型，生长速度快，枝叶茂盛,萌发力强, 能反复采摘，对环境适应性强,根系发达，可广泛用于营造各种水源涵养林、防风固沙林从而改善生态环境。又由于国内红豆杉的紫杉醇含量仅为0.01%0.02%，而引进的曼地亚红豆杉紫杉醇的含量高达0.04%0.09%，是国内红豆杉的48倍5，具有其他品种不可比拟的优势,所以从1995年,曼地亚红豆杉被大规模地引种到我国各地进行栽培种植。 在众多的环境影响因子之中, 土壤和光照是影响红豆杉紫杉醇及其衍生物含量的两个重要因素。赵昌琼等对曼地亚红豆杉进行了不同水分的土壤处理的研究，芦站根等对不同光照条件下曼地亚红豆杉的生理适应性也进行了较多的报道，但对曼地亚红豆杉在不同土壤（酸、碱）条件并进行不同光照处理后光合特性的比较研究还未曾有报道。土壤酸碱条件不仅直接影响了植物根际养分的有效性和微生物活性,而且对根系活力和细胞膜透性及矿物质的吸收、激素的合成有极为关键的影响，从而间接影响着植物的光合速率、呼吸速率。光作为另一限制因子，不仅为光合作用提供能量，还作为一种信号，来调节植物生长发育过程。光辐射强度是植物面临的最明显的环境变量。由于引进地与原产地气候类型的差异，该树种被引进我国栽培后，其生物学特性及对不同光照条件的反应必定发生一定的变化。本试验研究了在酸碱不同土壤条件下，光照强度对曼地亚红豆杉光合生理特性及生长形态的影响，旨在为曼地亚红豆杉在我国大规模的引种驯化、合理栽培、提高枝干产量提供科学的理论依据。材料和方法一、供试材料以盆栽的3年生曼地亚红豆杉（Taxus.media cv.Hicksii）为材料，选择生长基本一致的盆栽幼苗60盆（盆体高20厘米，直径15厘米），酸、碱土壤各30盆。酸性土壤（黄壤）取自重庆南川金佛山，pH为6.85；碱性土壤（紫壤）取自重庆西南师范大学生命科学院苗圃，pH为8.22。分别对生长在两种土壤条件下的幼苗进行三种光照处理：自然光、一层黑色遮阳网遮荫、二层黑色遮阳网遮荫。每种处理各10盆9。以生长在自然光下的幼苗为对照（CK），利用IL1700量子辐射仪分别于2007年9月的3个晴天上午10：00同时测定各处理的相对透光率。测定结果分别为：（以自然光透光率为100%）、一层遮荫透光率50.0%、二层遮荫透光率12.5%（阴天其透光率略有降低）。处理60天后，采集功能叶（第三、四位叶）进行各项光合生理指标的测定。二、试验方法土壤预处理：风干，研碎后过18号筛，再过60号筛，105烘干。pH值测定：酸度计法。光饱和点、光补偿点、光呼吸速率、表观量子效率：用GXH-305型便携式红外线CO2分析仪采用水封法整株测定。植株地下部分连同土壤、盆钵用塑料袋密封，以碘钨灯为人工光源,用开放式气路系统测定。参照许大全方法用200mol m-2 s-1以下光强的光合速率计算表观量子效率。叶面积： 用-T电子叶面积仪测定（精确度为0.01cm2）。叶绿素含量：按乙醇、丙酮、水混合液提取法7提取，用岛津UV-240紫外分光光度计测定。Hill反应活力：用分光光度法测定。三、数据处理以上数据处理及作图均用Origin5.0生物统计软件完成。结果与分析一、酸壤下的曼地亚红豆杉经不同光照处理后叶片光合生理指标的变化表3-1 不同光照条件下酸壤曼地亚红豆杉的光合生理指标变化光合生理指标自然光一层遮荫二层遮荫光饱和点（mol.m-2.s-1）光补偿点（mol.m-2.s-1）105013688011567590光呼吸速率 (CO2mol.m-2.s-1)1.9442.0092.431叶绿素含量 (mg.g-1FW)叶绿素a (mg.g-1FW)叶绿素b (mg.g-1FW)叶绿素a/b5.2211.173.9981.351.4550.212.746.2071.384.4771.411.730.112.595.4981.403.6980.541.800.242.05表观量子效率(mol.mol-1)0.010640.00057990.027560.00065640.007710.0005119（一）、光饱和点、光补偿点以净光合速率( Pn)为Y轴,光照强度为X轴,绘制光-光合速率曲线。并对曲线用Quadratic方程（Y=b0+b1x+b2x2）拟合，在拟合方程中以Y不再增大时的光照强度为光饱和点，以Y=0时的光照强度作为光补偿点。一般认为光饱和点、光补偿点是衡量植物需光特性的一对生理指标，代表了植物叶片对强光和弱光的利用能力。由表3-1可知，曼地亚红豆杉的光饱和点、光补偿点随遮荫强度的增大而降低。这与梁春报道的光照强度增大能明显提高植物的光补偿点、光饱和点,并能增强植物对强光的适应性相一致8 。同时也与姜( Z ingiberoff icinale Rosc. ) 9、草莓(Fragaria ananassa Duchesne)和银杏( Ginkgo bilobaLinn. )的光饱和点随光照强度的减弱而明显降低相一致。这可能是植物对弱光环境长期适应的结果,长期生长在弱光条件下植株对弱光的利用率提高,对强光的利用率降低。（二）、光呼吸速率光呼吸是一个氧化过程，被氧化的底物是乙醇酸。乙醇酸的产生则以RuBP为底物，催化这一反应的酶是Rubisco。它是一种兼性酶，具有催化羧化反应和加氧反应两种功能。其催化方向取决于CO2和O2的分压。当O2分压高而CO2分压低时，RuBP与O2在此酶催化下生成1分子PGA和1分子磷酸乙醇酸，后者在磷酸乙醇酸磷酸（酯）酶的作用下变成乙醇酸。对酸壤曼地亚红豆杉光呼吸速率的测定结果表明：自然光一层遮荫二层遮荫。其原因可能是弱光下生长的幼苗卡尔文循环效率较低，测定时在强光照射下，光反应中形成的同化力会超过暗反应的需要，叶绿体中的NADPH/NADP+比值增高，最终电子受体NADP+不足，由光激发的高能电子会传递给O2形成超氧阴离子自由基，对光合机构具有伤害作用，通过较高的光呼吸消耗掉过剩的同化力ATP和NADPH+H+，从而保护了光合器官，特别是保护了PS反应中心D1蛋白免遭破坏；同时消除了乙醇酸的代谢作用，避免乙醇酸的积累，使细胞免受伤害。这是生长在遮荫环境的幼苗对强光刺激的一种适应性反应，可见光呼吸对于防止光抑制和光破坏具有重要的生理功能。（三）、叶绿素含量作为植物特有的进行能量转换的细胞器,叶绿体是植物进行光合作用的主要光合结构。目前,遮荫对叶绿体及叶绿素的影响方面的研究较多且较为深入。大多数研究表明遮荫处理可使叶片叶绿素含量上升本试验也证实了这一点。遮荫后曼地亚红豆杉单位鲜叶的叶绿素b 、叶绿素a + b的含量都高于ck,其中一层遮荫尤为明显。这可能是因为遮荫后光强减弱,光合机构运转变缓,光合效率降低,植株为适应弱光,只有通过增加叶绿素的含量来尽可能地吸收光能。同时,本试验表明:虽然叶绿素总量在遮荫处理后有上升趋势,但是chl a/ b 有下降趋势, 叶绿素a/b 比值对叶绿体的光合活性具有重要意义。弱光下Chlb比例的增高能更好地利用漫射光中占优势的较短波长的蓝紫光, 从而提高捕光能力10; 同时Chlb 也是LHCP（捕光叶绿素蛋白复合体） 稳定存在的前提, Chlb在弱光下的增加有利于LHCP含量的提高。LHCP 的主要功能是捕获光量子, 使类囊体膜垛叠以形成基粒(基粒是光能转变为化学能的重要场所) 和调节激发能在PS与PS之间的均衡分配11。因此这些变化有利于其在弱光环境下高效利用光能, 亦说明曼地亚红豆杉的光合机构对弱光环境有一定的适应性。（四）、表观量子效率量子效率是光合机构每吸收一个光量子所同化固定的CO2或所释放的O2分子数。若不是以光合机构实际吸收的光量子数计算，也就是不考虑光合机构对光的反射和透射损失，得到的便是表观光合量子效率（AQY）。虽然表观光合量子效率不如实际的光量子效率准确，但它仍可以正确反映光合机构光合功能的变化12。光是推动光合机构进行光合作用的能源和动力。其他条件都合适时，光强高低是决定光合效率高低的唯一外界因素。在低光强范围内，光合速率随着光强的升高而直线地增高，光光响应曲线中低光强范围内曲线的初始斜率便是光合作用的表观量子效率。（光合速率和光强的单位分别用CO2mol.m-2.s-1和photons mol.m-2.s-1表示）从表3-1可见，生长在一层遮荫（透光率50%）下的植株表观量子效率最高, 生长在二层遮荫（透光率12.5%）下的植株表观量子效率最低。自然光照条件下的表观量子效率降低是光合作用光抑制的显著特征之一，常被作为判断是否发生光合作用光抑制的标准。光抑制是指当植物处于高于饱和光强的光环境时，过量的光能引起了光合能力下降的一种现象，其特点是光量子效率降低，最大光合速率下降，光合机构发生氧化伤害 13。 植物一层遮荫下表观量子效率最大，表明适度遮荫可提高表观量子效率，从而适应外界光强的降低，这在以前的研究中已有发现13 。但遮荫过度则严重降低曼地亚红豆杉的表观量子效率，从而降低光合速率。由数据可知，遮荫过度受到的伤害要大于自然光下受到的光抑制。（五）Hill反应活力变化水的光解（Water photolysis）是希尔（R.Hill）于1937年发现的。他将离体叶绿体加到具有适当氢受体（A）的水溶液中，照光后即发生水的分解而放出O2。上述反应称为希尔反应（Hill reaction）。Hill 反应活力反映了离体叶绿体在光下对水光解并释放氧的能力, 反映了光系统结构和功能的完整性14。由表3-2可看出：曼地亚红豆杉Hill反应活力表现为一层遮荫最高，自然光下次之，二层遮荫最低，说明一层遮荫下的曼地亚红豆杉对水的光解能力最强，这与前面所测定的叶绿素含量高于CK相一致。这表明了一层遮荫下的曼地亚红豆杉经过一段时间的环境适应后，由于发生了生理生态变化，具有了阴生叶的特征，以适应弱光的环境。然而在自然光下生长的曼地亚红豆杉由于高辐射可能破坏了光系统的结构和功能,这使得叶绿体对水光解和放氧的效率降低, 光系统电子传递效率下降, 进而影响光合作用的进行。表3-2 酸壤条件下曼地亚红豆杉Hill反应活力变化（A620min-1）处理1分钟2分钟3分钟4分钟5分钟CK0.4890.0110.4800.0090.4690.0070.4450.0070.420.0060.6130.0130.3810.0030.5940.0100.3790.0010.5620.0110.3760.0040.5490.0090.3720.0010.510.0110.360.002二、不同土壤条件曼地亚红豆杉光合生理指标的比较（一）、光饱和点、光补偿点；光呼吸速率；叶绿素含量的比较由表3-3可知，两种土壤处理下的曼地亚红豆杉光饱合点、光补偿点都随遮荫强度的增大而降低。但在相同光照不同土壤条件下曼地亚红豆杉光饱和点、光补偿点均表现为酸壤高于碱壤。CK和一层遮荫处理差异显著, 这说明了碱壤的曼地亚红豆杉可通过光补偿点的降低来适应碱性环境，并迅速达到其光饱和点；二层遮荫处理间差异不显著，可能由于过度遮荫使得曼地亚红豆杉可利用的弱光已经很少，不利于其生长、发育。植物在受到干旱和高辐射胁迫时，会关闭叶片气孔，CO2进入受阻，导致细胞内CO2和O2的分压降低，加氧酶的活性便不同程度的表现出来，从而产生光呼吸，释放出CO2被C3途径再利用，以维持C3途径的运转。因此，光呼吸速率的大小可反映出植物所受的胁迫程度。由于在强光照射下测定，已经适应弱光条件的植株受到强光胁迫，光呼吸速率在酸、碱两种土壤处理下表现一致：都随遮荫强度的增大而增大。而相同光照处理碱壤下的曼地亚红豆杉光呼吸速率要高于酸壤。说明种植在碱壤中的曼地亚红豆杉所受到的胁迫程度大于酸壤，曼地亚红豆杉喜欢偏酸性环境。表3-3 不同土壤、不同光照下曼地亚红豆杉光合生理指标的比较处理指标自然光酸壤一层遮荫二层遮荫自然光碱壤一层遮荫二层遮荫光饱和点（mol.m-2.s-1）光补偿点（mol.m-2.s-1）光呼吸速率(CO2mol.m-2.s-1)叶绿素含量(mg.g-1FW)叶绿素a(mg.g-1FW)叶绿素b(mg.g-1FW)叶绿素a/b10501361.9445.2211.173.9981.351.4550.212.748801152.0096.2071.384.4771.411.730.112.59675902.4315.4981.403.6980.541.800.242.058871172.0015.1621.233.7280.431.4340.322.599763962.0165.8570.984.1760.611.6780.172.488650872.9885.4811.563.7600.511.7210.152.185通过表3-3可知单位鲜重的叶绿素b 、叶绿素a + b的含量在酸壤一层遮荫处理下最高，碱壤自然光下处理最低。可能由于自然光下的高辐射已经破坏了叶片的叶绿素a/ b - 蛋白质复合体结构, 即光合机构遭到破坏, 这使得幼苗很容易发生光抑制。说明曼地亚红豆杉不宜在自然光下种植。并且，在相同光照酸壤处理后的各值大于碱壤。因为在光合色素中，叶绿素a 既是天线色素，又是参与光反应的中心色素，因而其含量的高低对光合作用更为重要。有研究表明在低程度胁迫时，chl.a表现出较强的耐性，而随着胁迫程度的增加，chl.a的含量迅速下降15 导致a/ b值的降低。碱壤处理组chl.a/b值低于酸壤，说明了碱壤下的曼地亚红豆杉所受胁迫程度较大，光合作用中心光能的转换效率较低, 从而引起净光合速率( pn) 下降。(二）、希尔反应、表观量子效率的比较图3-1碱壤下不同光照处理的曼地亚红豆杉 Hill反应活力的变化图3-2酸壤下不同光照处理的曼地亚红豆杉 Hill反应活力的变化本实验中以回归直线方程的斜率表示Hill 反应的活力。由图（3-1、3-2）可看出酸壤、碱壤处理下Hill 反应活力表现一致：一层遮荫处理斜率最大；二层遮荫处理下斜率最小，直线平缓几乎与X轴平行。并且，在相同光照酸壤处理后的直线斜率大于碱壤。其中碱壤二层遮荫处理下斜率最小为0.0061，酸壤一层遮荫处理斜率最大，为最低值的4.115倍。有研究表明,净光合速率与叶绿素a 、总叶绿素含量、类胡萝卜素含量和Hill 反应活力呈显著的正相关23本试验亦证明：当高辐射使叶绿素降解时，Hill 反应活力较低；而当叶绿素含量较高时Hill 反应活力较高。由于Hill 反应的活力变化表示了光合电子传递速率的变化，与光合速率变化相一致。所以为了获得较多的光合作用的产物，宜在偏酸性的黄壤下种植曼地亚红豆杉。表3-4 不同土壤、不同光照条件下曼地亚红豆杉表观量子效率.处理光-光合直线拟合方程r表观量子效率(mol.mol-1)碱壤CKy=-0.52599+0.0078x0.988050.007840.0005473y=-0.7307+0.01066x0.992260.010660.0005893y=-0.44066+0.00666x0.974950.006660.0004221酸壤CKy=-0.7106+0.01064xy=-0.8134+0.02756xy=-0.4933+0.00771x0.992260.987610.924990.010640.00057990.027560.00065640.00770.0005119碱壤、酸壤曼地亚红豆杉分别经不同遮荫处理后的表观量子效率的表现趋势也相同：一层遮荫处理下最高，自然光下次之，两层遮荫处理下最低，且各酸壤处理要高于相同光照下的碱壤处理（表3-4）。说明曼地亚红豆杉在碱壤条件下受到光抑制，适宜酸壤种植。两层遮荫处理下的表观光合量子效率都最低可能和此光处理下光呼吸速率较高有关，说明此处理下叶片由于较强的呼吸作用而耗散了大量的热能，而不是将光能转化为化学能，这对于植物物质能力的积累是极为不利的。也正因为如此，两层遮荫处理下的幼苗生长势较弱，植株矮小，且叶片伸展角度小。自然光下，叶片的表观量子效率通常为0.030.05，曼地亚红豆杉则低于该值的下限，说明曼地亚红豆杉对光的需求量较低，适宜遮荫种植。（三）、光合作用与植株生长表3-5 不同光照、土壤条件下曼地亚红豆杉生长形态指标处理叶面积（cm2）比叶面积(cm2.g-1DW)单株叶鲜重(gFW/株)叶片厚度(m)碱壤CK133.91610.1159.8162.896.3451.2110412.12139.10512.3562.3546.716.5312.051297.2374.4329.3361.1755.383.8091.0989.663.14酸壤CK158.2388.3962.0082.7311.4722.111129.83238.57410.7367.1031.9813.3772.7913210.09127.8938.0960.7711.226.4692.01922.88由表3-5可以看出, 不管酸壤还是碱壤，遮光处理都对曼地亚红豆杉幼苗形态指标有明显影响。50 %透光率条件下, 叶面积、比叶面积、单株叶鲜重、和叶片厚度均大于其它两个处理, 12.5 %透光率条件下各指标最低。原因在于曼地亚红豆杉对生境的光照有一定的适应能力,当环境光线不足时,通过扩大叶面积来吸收更多的光能来弥补因光线不足而造成的光合速率的降低，与对照相比, 一层遮荫处理的叶片叶面积增大, 比叶面积显著增加, 因而叶片捕获太阳辐射能的效率提高。这与Hun t 和Halligan的试验结果相同, 他们认为这种形态上的变化是植物在弱光条件下提高光能截留的有利反应。自然光照条件下曼地亚红豆杉由于强烈辐射导致叶片生长较慢，叶色较黄，有的叶片甚至出现卷曲，表现出一定的光抑制。而当只有12.5 %的透光率时,叶片面积呈减小趋势,与50 %遮荫率下的叶面积具有极显著的差异。这说明适度遮光有利于曼地亚红豆杉幼苗的生长，而过度遮荫使其生长势减弱, 光合效率降低,光合产物总量也随之减少。可见，在不同的环境影响因子之中,光照是至关重要的一个。光照强度能够显著地影响光合作用产物紫杉醇及其衍生物的含量。阴坡的T. brevifolia 枝叶和树皮中紫杉醇和三尖杉宁碱含量是阳坡的1.8倍，适当的光照很有利于生物量和叶绿素的积累,使得叶片更大更厚。但过于阴暗的环境对生物量的积累会产生负效应,Kelsey 和Vance 也曾报道过生长在阳坡的红豆杉树皮的厚度是生长在阴坡的1.6倍。因此，栽培中适度的遮荫有利于红豆杉的生长和紫杉醇及其衍生物的累积,从而有利于提高经济效益。曼地亚红豆杉的生长对土壤酸碱条件的反应也十分明显，表现出生长情况有很大差异。这是因为植物生长环境中的酸碱度对矿物质在土壤中的分布、有效性和迁移都产生重要影响。当介质中的pH 升高,将降低Mn 、Fe 、Ca 等元素的有效性,而Mn具维持叶绿体膜正常结构的作用,直接参加光合作用中的希尔反应,Fe 为主形成的铁氧蛋白 (Ferredoxine) 在植物的光合作用的电子传递中起着关键的作用,Ca 不仅参与植物光合放氧过程,也影响气孔的关闭运动, 所以pH 升高较降低对植物光合速率的影响更大一些。正因为此在相同光照下，酸壤处理的曼地亚红豆杉长势要好于碱壤。其中一层遮荫酸壤条件下的幼苗生长情况最好，茎杆高而粗壮，叶片大而肥厚，新生根较多，生物量最高，表现出较好的生长态势和株形。二层遮荫碱壤条件下生长的幼苗，植株矮小，茎杆纤弱，叶片较小而相对薄弱，叶色较深而无光泽。从生长状况初步来看，曼地亚红豆杉相对更喜生于弱酸性土壤。参考文献1 中国科学