砂仁（Amomum villosum Lour）为姜科豆蔻属多年生草本植物,果实是我国四大传统南药之一,具有温脾、健胃、行气调中、消食、安胎等功效,具有极高的药用价值[1]。砂仁在我国广东、广西和云南等南亚热带地区,以及东南亚等国家均有分布,属于热带亚热带作物;多生于沟谷雨林、次生林或常绿阔叶林等的荫湿环境。光照是砂仁生长发育的重要影响因子,在15%~85%的荫蔽度下均能生长,50%~60%的荫蔽度是砂仁生长发育与高产最适宜条件,过强或过弱的光环境都不利于砂仁生产[2,3,4,5]。砂仁在长期演化过程中形成了适应性的光合特征,在叶片普遍发生的光抑制中,通过叶黄素循环、卷叶和光系统可逆失活等加以保护而不造成光破坏[6,7]。不同叶位叶片的光合特征不同,最大光合速率（Pmax）和气孔导度（Gs）随着叶位的增加先升高后降低[8]。叶片净光合速率（Pn）与叶表光量子通量密度（PFD）和气孔导度（Gs）呈正相关,与胞间CO2浓度呈负相关,PFD是影响Pn的主导因素[9]。这些研究结果为建立砂仁科学栽培技术提供理论基础。砂仁种质资源丰富、品种类型多[10,11],了解其光合生理特性是引种栽培过程中的基础性工作。鉴于此,本研究通过测定砂仁优异材料‘湛砂11’叶片光合作用的相关参数来探究其光合特性,旨在为‘湛砂11’的生产栽培提供一定的依据,同时,与农家栽培种的光合生理特性进行比较分析,为培育砂仁优良品种奠定基础。
1 材料与方法
1.1 试验地环境
试验地位于广东省湛江市麻章区中国热带农业科学院湛江实验站基地,地理位置110°27°47″E,21°16°43″N）,海拔约21 m,属于热带北缘季风气候,年平均气温在23℃、降水量1200~1800 mm、日照时数1700~2100 h、年平均总辐射175 W/m2,平均光照强度897 Lx左右;种植土壤为砖红壤。
1.2 试验材料
1.3 测定方法
选择晴朗、无风的上午8：30—9：30测定叶绿色含量和叶绿素荧光参数,9：30—10：30测定光合参数。叶绿素荧光日变化选择晴朗、无风的天气,在8：00—17：00时间段,每隔30 min测定一次。
叶绿素含量使用日本的叶绿素测定仪SPAD-502Plus测定,测定时避开主叶脉。
光合特征参数使用托普的便携式光合仪3051D进行净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、胞间二氧化碳浓度（Ci）等测定,计算水分利用率（WUE）。光合参数测定时每5秒计数1次、计数10个;使用开放气路,温度34℃,空气湿度65%,CO2浓度(490±15) mmol/L,光合光子通量Flux为618 µmol/(m2·s),叶室温度(32±1)℃,叶室湿度66%~69%。
叶绿素荧光参数使用德国的便携式叶绿素荧光仪WALZ MINI-PAM-II测定叶绿素荧光参数光系统II（PS II）的实际光能转换效率（Y2）和相对电子传递速率（ETR）。
1.4 数据处理
利用Excel 2019软件进行数据整理与分析;利用SPSS 22.0软件进行多重比较分析（Duncan’s法）,数据为平均值±标准误。
2 结果与分析
2.1 叶绿素相对含量
SPAD值可以间接反映植物叶绿素的相对含量,代表植物绿色程度的一个参数。由图1可以看出,砂仁不同品种叶绿素含量不同,‘热科2’SPAD值最大,为54,‘热科1’最小,为39;‘湛砂11’SPAD值介于两对照品种之间,比‘热科1’高12.47%、比‘热科2’低18.59%,方差分析结果表明,‘湛砂11’与对照的SPAD值存在极显著差异。初步说明‘湛砂11’与‘热科1’和‘热科2’对光需求不同,生长发育所需要的荫蔽度有差别。
图1 ‘湛砂11’叶绿素相对含量不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）,不同大写字母表示处理间差异极显著（P<0.01）。 Fig. 1 Chlorophyll relative content of ‘Zhansha 11’ Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05), different capital letters indicate extremely significant difference among treatments (P<0.01). |
2.2 光合特征
由表1可知,在光合有效辐射[100~140 µmol /(m2·s)]相对一致的条件下,‘湛砂11’叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）均显著高于‘热科2’,分别提高了410.56%,196.38%和300.00%;除净光合速率（Pn）显著高于‘热科1’外,其他指标与‘热科1’无显著差异。‘湛砂11’叶片胞间CO2浓度（Ci）分别比‘热科1’和‘热科2’降低13.00%和25.62%。由此可以看出,在光合有效辐射Par较低的条件下,‘湛砂11’的PS II具有强的光电子传递能力,是高效光合能力的基础。
表1 ‘湛砂11’光合特征参数Tab. 1 Photosynthetic characteristic parameters of ‘Zhansha 11’ |
| 品种 Species | 光合有效辐射 Par/(µmol·m-2·s-1) | 净光合速率 Pn/ (µmol·m-2·s-1) | 蒸腾速率 Tr/(mmol·m-2·s-1)] | 气孔导度 Gs/(mol·m-2·s-1) | 水分利用率 WUE/(µmol·m-2·s-1) | 胞间CO2浓度 Ci/(µmol·m-2·s-1) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 湛砂11 | 134.00±9.96Aa | 12.19±1.99Aa | 1.37±0.12Aa | 0.08±0.01Aa | 9.04±1.71Aa | 241.00±46.93Aa |
| 热科1 | 133.00±11.89Aa | 7.46±0.84ABb | 1.26±0.35Aa | 0.08±0.03Aab | 7.38±2.72Aa | 277.00±70.46Aa |
| 热科2 | 108.00±6.43Aa | 2.39±0.25Bc | 0.46±0.06Ab | 0.02±0.00Ab | 5.41±1.06Aa | 324.00±22.93Aa |
注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）,不同大写字母表示处理间差异极显著（P<0.01）。 | |
Note: Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05), different capital letters indicate extremely significant difference among treatments (P<0.01). |
2.3 叶绿素荧光特征
光合相对电子传递速率（ETR）是指实际光强条件下的表观电子传递效率,在一定程度上反映植株实际光合作用的大小。光合有效量子产量反映植物PS II反应中心在部分关闭情况下的实际原始光能捕获效率。由表2可知,在测量叶片叶绿素荧光时的光合有效辐射为99~105 µmol/(m2·s)、叶片温度约32℃,‘湛砂11’的PS II的光合有效量子产量为0.72,与‘热科1’和‘热科2’差异不显著;相对电子传递速率30.8 µmol/(m2·s),介于两对照之间,差异不显著。说明‘湛砂11’在光合有效辐射较低时[99~105 µmol/(m2·s)]与对照的光合速率一致。
表2 ‘湛砂11’叶绿素荧光特征参数Tab. 2 Characteristics parameter table of chlorophyll fluorescence from ‘Zhansha 11’ |
| 品种 Species | 光合有效量子产量 Effective quantum yield | 相对光电子传递速率 ETR/(µmol·m-2·s-1) | 光合有效辐射 Par/(µmol·m2·s-1) | 叶片温度 Leaf blade temperature/℃ |
|---|---|---|---|---|
| 湛砂11 | 0.72±0.003Aa | 30.80±0.36Aab | 101.00±1.44Aab | 32.70±0.14Aa |
| 热科1 | 0.72±0.010Aa | 29.70±0.53Ab | 99.00±1.22Ab | 31.20±0.17Bc |
| 热科2 | 0.71±0.008Aa | 31.20±0.45Aa | 105.00±2.02Aa | 32.10±0.11Bb |
注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）,不同大写字母表示处理间差异极显著（P<0.01）。 | |
Note: Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05), different capital letters indicate extremely significant difference among treatments (P<0.01). |
2.4 叶绿素荧光日变化特征
测量砂仁叶片叶绿素荧光特征的同时监测叶片温度变化特征,由图2可知,从上午8：00至下午17：00,叶片温度变化幅度在29.6~36.0℃之间;叶片日温度变化呈抛物线状,上午8：00叶片温度最低为29.6℃、随后温度逐步升高,9：00达到第一个小高峰,‘湛砂11’叶片温度在中午13：00达到当日最大、一直持续到下午15：30,随后开始下降;而‘热科1’和‘热科2’的叶片温度在上午11：30达到当日最大。由图3可知,当日的光合有效辐射变化幅度在10~1082 µmol/(m2·s)之间,呈“双峰型”变化曲线,上午9：00光合有效辐射最高为659 µmol/(m2·s),11：30最高为1082 µmol/(m2·s),其余时间光合有效辐射在150 µmol/(m2·s)以内,16：00开始逐步减弱。这与测试当天气象特征基本一致。
在上述温度和光强条件下,由图4可知,PS II的光合有效量子产量（Y2）在0.16~0.78之间,与光合有效辐射对应的上午9：00出现光合有效量子产量最低为0.18,11：30时最低为0.16,其余时间Y2在0.55~0.78之间;在上午8：00和下午16：00、16：30和17：00光合有效辐射低的条件下,光系统II（PS II）的光合有效量子产量达到当日的最大值,说明砂仁对弱光的吸收和利用能力强。从砂仁试验材料来看,‘湛砂11’在弱光下Y2介于两对照之间,‘热科2’最高、‘热科1’最低,说明‘热科2’利用弱光的能力更强,能适应荫蔽度高的环境。
由图5可知,砂仁PS II的相对电子传递速率与光合有效辐射变化趋势基本一致,呈“双峰型”变化曲线,即在上午11：30时相对电子传递速率最高,9：00次之,其余时间在5.33~43.30 µmol/ (m2·s) 之间。‘湛砂11’在9：00和11：30相对高光条件下,相对电子传递速率最高、‘热科2’最低,分别比‘热科1’和‘热科2’高9.67%和74.35%、66.00%和99.82%。可在一定程度上说明‘湛砂11’利用较强光的能力强,适宜荫蔽度较低的环境生长。
3 讨论
叶绿素是植物光合作用的物质基础,对于光合作用光能的吸收、传递以及转化起着重要作用[16]。因此,叶绿素含量在一定程度上说明植物光合能力的大小,与适应环境能力密切相关[17,18]。研究表明,SPAD值作为间接指标能够很好地反映植物叶片的叶绿素含量[19]。本研究中,‘湛砂11’叶片SPAD值比‘热科1’高12.47%、比‘热科2’低18.59%,净光合速率（Pn）分别是‘热科1’和热科2’的1.63倍和5.11倍,说明,砂仁的光合速率与叶绿素含量存在一定的相关性。有研究表明,植物光抑制现象产生的一部分原因是由于植物叶片中含有过多的叶绿素[20] ,本研究中‘热科2’的SPAD值最高,而净光合速率最低,可能是出现了植物光抑制现象。
光合电子流对光的响应曲线一般包括以下3个阶段：（1）ETR随光合有效辐射的增加而几乎线性增加;（2）ETR随光合有效辐射的增加缓慢增加到一个平台;（3）ETR随光合有效辐射的增加而下降,出现 PSII 的动力学下调或光抑制现象阶段[21]。本研究中,光合有效辐射在10~ 1082 µmol/(m2·s)条件下,‘湛砂11’和两对照的叶片ETR随光合有效辐射的增加而升高,且‘湛砂11’叶片的ETR高于两对照品种的,说明‘湛砂11’的PS II具有强的光电子传递能力和高光合效率特征。胁迫导致植物PS II开放反应中心开放程度减少,引起 PS II 有效光量子产量（Y2）的下降,从而导致光合电子传递效率的明显降低,电子传递过程明显受到抑制[22]。
4 结论
本研究中,‘湛砂11’叶片有效光量子产量高于2个对照品种,且随光强的变化幅度最小,其ETR值也高于其他品种;说明‘湛砂11’具有较好的光合能力。
因此,砂仁叶片SPAD值高低与其光合效率有一定程度的相关性,‘湛砂11’具有较好的光合特性,将光能转化为电子流的能力和潜在光合能力较强,且具有较广的光辐射范围,适宜荫蔽度较低的生长环境。