不同年龄拟巫山淫羊藿光合日变化研究
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[摘要] 淫羊藿是一种应用广泛的药用植物。因野生资源的过度利用而资源紧张，进行人工栽培是实现资源可持续利用的必由之路。拟巫山淫羊藿是首个实现人工栽培的物种，但种植生产技术尚未完全成熟。用CI340型光合测定系统原位测定了自然条件下生长的一、二、三年生拟巫山淫羊藿叶片光合作用的日变化，测量了光合速率（Pn）、气孔导度（C）、胞间CO2浓度（Ci）、光合有效辐射（PAR）、相对湿度（RH）、气温（Ta）、表观叶肉导度（ALMC）、蒸腾速率（E）、叶温（Tl）、水分利用效率（WUE）等光合生理因子和环境因子，并通过相关分析、通径分析和多元逐步回归分析探讨了净光合速率和生理生态因子的关系。结果表明：①拟巫山淫羊藿叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（E）、表观叶肉导度（ALMC）、气孔导度（C）均呈双峰变化，其净光合速率具有典型的“午休”现象。②一年生植株的净光合效率、表观叶肉导度和气孔导度显著高于二、三年生；而胞间CO2浓度则基本上是三年生>二年生>一年生。③相关分析、通径分析和多元逐步回归分析表明，表观叶肉导度（ALMC）、胞间CO2浓度（Ci）、空气温度（Ta）是影响拟巫山淫羊藿光合速率主要的因子，影响大小的顺序为表观叶肉导度>胞间CO2浓度>空气温度。
[关键词] 拟巫山淫羊藿； 净光合速率； 通径分析； 相关分析； 多元逐步回归分析
Research on photosynthetic and ecophysiological characteristics of Epimedium pseudowushannense in different growing age
GU Xiaohong1，2， PAN Junqian2， YANG Xiangbo3， JIANG Zhihai3， LI Li3， GE Fei1， GUO Baolin2*
（1Jiangxi University of Traditional Chinese Medicine， Nanchang 330006， China；
2Institute of Medicinal Plant Development， Chinese Academy of Medical Science，
Peking Union Medical College， Beijing 100193， China；
4Guizhou Tongjitang Pharmaceutical Co.， Ltd.， Guiyang 550002， China）
[Abstract] Epimedium is a widely used medicinal plants Due to excessive use of wild resources and resource constraints， artificial cultivation is the only way to achieve sustainable use of resources E pseudowushannense is intended to achieve the first cultivated species， but plant production technology is not yet fully matureThe diurnal variation of photosynthetic and ecophysiological characteristics of E pseudowushannense in different growing age was studied by the CI340 Portable Photosynthesis System under natural conditions The net photosynthetic rate （Pn）， stomatal conductance （C）， intercellular CO2 concentration （Ci）， photosynthetically active radiation （PAR）， relative humidity （RH）， air temperature （Ta）， apparent mesophyll conductance （ALMC）， transpiration rate （E）， leaf temperature （Tl）， water use efficiency （WUE） and other photosynthetic physiological factors and environmental factors were measured. The obtained data was analyzed by correlation analysis， path analysis and stepwise multipleregression analysis to explore the relationship between net photosynthetic rate and physiological and ecological factors The results show that： ①The daily variation of the Pn， E， ALMC， C of E. pseudowushannense in different growing age took on"two peak type"， the Pn was with an obvious midday depression phenomenon at noon②The Pn， ALMC and C of annuals’ were significantly higher than biennial or threeyear； but the Ci was basically a threeyear > biennial> annual③The correlation analysis， path analysis and stepwise regression analysis showed that ALMC， Ci， Ta might played important role in the Pn and ranked as ALMC>Ci>Ta
[Key words] Epimedium pseudowushannense； the net photosynthetic rate； path analysis； correlation analysis； stepwise multipleregression analysis
doi：10.4268/cjcmm20161202
拟巫山淫羊藿Epimedium pseudowushannense B L Guo分布于贵州黔东南、贵阳、黔南，以及广西融水等地，是2007年发表的淫羊藿属新物种[1]，曾因为叶片形态类似于巫山淫羊藿，常被错误认为是巫山淫羊藿E wushanense T S Ying（该物种分布于重庆东部、湖北西部和陕西安康地区），拟巫山淫羊藿的化学成分构成也类似于巫山淫羊藿，即朝藿定C含量大大高于淫羊藿苷、朝藿定A、朝藿定B等成分，朝藿定C的质量分数为269%～363%[23]。在贵州省雷山县，经10多年的引种驯化工作[4]，拟巫山淫羊藿已经发展到几百亩的种植规模，该植物适于种植在贵州、四川、湖南、湖北、重庆等地，海拔500～1 500 m的山地、平地或林下。拟巫山淫羊藿为阴生植物，种植过程中，一般用50%～90%的遮荫网，或者种植在相似遮荫度的林下。初步发现不同的光照度下，植株的生长发育形态和叶中的朝藿定C等淫羊藿苷类成分含量呈现一定的变化。
拟巫山淫羊藿的规模化栽培用种子繁殖，2月上旬播种育苗，到第3年8月可以采收。本文对拟巫山一、二、三年生植株进行光合日变化的研究，以进一步阐明拟巫山淫羊藿的光合特性，为种植生产过程中光照调控奠定基础。
1 材料与方法
11 试验地概况
试验地位于贵州省雷山县，东经107°55′―108°20′，北纬26°02′―26°34′。境内属中亚热带季风湿润气候，大部分地区年均气温14～15 ℃，最高气温356 ℃，最低气温零下89 ℃。无霜期240～250 d，年均降水量1 375 mm，年均日照1 225 h。
12 试验样品
供试材料为经种子繁殖栽培的一年生、二年生、三年生的拟巫山淫羊藿E pseudowushannense。
13 项目测定
在拟巫山淫羊藿自然生长环境下，于2015年5月下旬至6月上旬，选择10株生长健壮、叶片生长正常的植株，用成熟叶片，其中二、三年生植株在2月下旬萌发，5月中旬，叶片已经成熟，至6月下旬为旺盛生长期；一年生植株于3月中旬出苗，当年不断萌生新叶，5月中旬至6月上旬，有基生叶5～7枚，其中成熟叶2～3枚，用成熟叶进行实验。每天8：00―17：00每隔1 h测定1次，每个测定3次重复，取平均值分析。
测定采用CI340便携式光合作用测定系统，自动记录光合速率（Pn）、气孔导度（C）、蒸腾速率（E）、胞间二氧化碳浓度（Ci）、大气相对湿度（RH）、空气温度（Ta）等光合生理参数，并计算叶片的瞬时水分利用效率（WUE=Pn/E）、叶表观叶肉导度（ALMC）是按照Fischer[8]的方法通过Pn/Ci计算求出。
14 数据分析
试验数据采用Microsoft Excel 2010和R软件、SPSS 190进行整理、分析。
2 结果与分析
211 拟巫山淫羊藿净光合速率（Pn）的日变化 拟巫山淫羊藿的净光合速率较其他阳生植物（秦艽、小秦艽[5]、沙棘[6]等）低，较铁皮石斛的高[7]。一年生植株为1904～3499 μmol・m-2・s-1，二年生植株为0689～2326 μmol・m-2・s-1，三年生植株为0708～1639 μmol・m-2・s-1。一年生植株的净光合速率高于二、三年生的，二、三年生的净光合速率比较一致；一、二、三年生拟巫山淫羊藿Pn日变化见图1，拟巫山淫羊藿光合曲线呈典型的双峰曲线，具有明显的光合“午休”现象。上午达峰时间，一、二年生一致，均在11：00，三年生为12：00；随后午休时间一年生比较早，在12：00；而二、三年生则一致，在13：00。三者午后达峰时间一致，但是一年生下降较快，二、三年生有个光合平台期，三者的净光合速率均在17：00降至最低，表现出幼年期光合高于成年期，二年生居中，这与张丽妍等发现的紫花苜蓿情况类似[8]，而与甘草的研究结果相反[9]。各生长年限拟巫山淫羊藿的净光合速率均表现为上午高于下午，这可能是由于光合产物对光合作用的反馈抑制作用所致。上午的光合产物的反馈抑制作很小（夜间大量消耗），而下午则由于上午光合产物的累积，其反馈抑制作用明显。
212 胞间CO2浓度（Ci）日变化 CO2是植物进行光合作用的主要原料之一，光合速率会底物不足而受到抑制，使净光合速率难以得到进一步的提高[10]。3个年龄的拟巫山淫羊藿的胞间CO2浓度的日变化，基本是早晚高、中午低，呈现“W”型变化。起初，随着光合速率增强，Ci随之降低；一年生拟巫山淫羊藿在12：00时出现“光合午休”，此时Ci出现1个低谷；二、三年生的拟巫山淫羊藿在13：00时出现“光合午休”现象，此时二者的Ci较之前提高，出现第1个高峰。在8：00―17：00时，基本上3个年龄的拟巫山淫羊藿的Ci是三年生>二年生>一年生，见图2。
213 气孔导度（C）日变化 适宜的光强和温度有利于气孔的张开，阻力下降，气孔导度增大。它的变化首先影响植物水分的交换，其次是CO2的交换，因此，C的大小对Pn和胞间CO2浓度（Ci）均有很大的影响。一、二、三年生拟巫山淫羊藿气孔导度的日变化与净光合速率日变化相似，均呈双峰型。显而易见，一年生的气孔导度最大（16583～2599 μmol・m-2・s-1），二年生（2289～9653 μmol・m-2・s-1）和三年生（1794～11704 μmol・m-2・s-1）的比较一致。一、二年生的气孔导度在11：00时达到最高值，三年生的则在12：00。一年生的午后达峰时间在14：00，二三年生的则在15：00。在达峰后一年生的下降较缓慢，而二、三年的则下降较快。三者曲线大体的变化趋势与Pn变化趋势相似。一年生光合速率高与气孔导度大有关，见图3。
214 蒸腾速率（E）日变化 蒸腾速率（E）的大小与植物净光合速率密切相关[10]。过高蒸腾速率会引起叶片失水过多，细胞水势下降，从而促进部分气孔关闭；而气孔的关闭不利于叶片光合作用的碳固定。日出之后，一、二、三年生的拟巫山淫羊藿叶片随着PAR的增强而增大，一、二年生的叶片于11：00达到第一次高峰，峰值分别为0766，099 μmol・m-2・s-1，三年生的叶片于12：00达到第一次高峰，为0287 μmol・m-2・s-1，与三者Pn达到高峰的时间一致。由此可以看出，叶片蒸腾速率与叶片的净光合速率呈正相关趋势，见图4。
215 表观叶肉导度（ALMC）日变化 表观叶肉导度（ALMC）代表光合作用底物CO2在液相中传导的能力，表示叶肉细胞对CO2同化的限制程度。一
年生的ALMC较大，二、三年生的比较一致。一、二年生的在11：00时达到第1个高峰，三年生的在12：00时达到高峰；一年生在12：00时降至低谷，二、三年生的则在13：00时，见图5。一、二年生的午后最高时间一致，三年生的则在15：00。有研究[1112]表明Pn提高的同时C也提高，但发现，净光合速率增加并没有总是伴随着C的提高，而是大体上伴随着ALMC的提高。Fischer等[13]在小麦中也发现ALMC与光合作用和产量的关系比气孔导度更密切，这与对拟巫山淫羊藿的研究结果一致。
22 不同年龄拟巫山环境因子日变化
221 光合有效辐射（PAR）日变化 环境因子光合有效辐射PAR均呈现先升后降的趋势，均在14：00左右达到峰值。与Pn日变化相比较，一年生拟巫山淫羊藿Pn在8：00―11：00和12：00―17：00的变化与PAR的变化趋势一致；而在11：00―12：00二者呈相反变化趋势。二年生拟巫山淫羊藿Pn在8：00―11：00和13：00―17：00的变化与PAR变化趋势一致，而在11：00―13：00二者呈现相反变化趋势。三年生拟巫山淫羊藿Pn在8：00―12：00和13：00―17：00的变化与PAR的变化趋势一致，而在12：00―13：00二者呈相反变化趋势。说明拟巫山淫羊藿Pn不仅仅只受PAR的作用，见图6。
222 空气相对湿度（RH）日变化 3种年龄的拟巫山相对湿度变化较一致。在早晨8：00时，三者的相对湿度处于最大值。随后处于不断下降的趋势直到15：00，降至最低。之后相对湿度开始回升，略呈倒“C”型。与图6相比较，PAR升高，则RH降低，与PAR变化呈相反的变化趋势，见图7。
223 大气温度（Ta）和叶片温度（Tl）日变化 大气温度（Ta）和叶片温度（Tl）日变化，可以看出气温呈单峰曲线变化，两者均是早晚相对低，中午略高，见图8，9。与图6相比较，两者与PAR日变化较一致。从早晨8：00开始温度呈上升趋势，直至15：00，而后开始下降。叶片温度日变化除了受植物本身特性影响之外，在某些程度上还受植物所处生境的光照强度、气温、相对湿度等影响。整体看来，一年生的叶温略低于二、三年生的，而三者的大气温度较一致，这可能与一年生的叶片尚处于幼龄有关。
23 净光合速率与生理生态因子的相关性分析
一、二、三年生拟巫山淫羊藿净光合速率与生理
因子通径分析和相关性分析结果，见表1～3。表1可以看出Ci和ALMC对一、二、三年生拟巫山淫羊藿Pn直接作用最大（P
从表2可以看出生态因子中，Ta（气温）对一，二，三年生拟巫山淫羊藿的影响最大，为负相关。相对湿度（RH）的直接作用与对PAR，Ta的间接作用之和为正值，与Pn呈正相关作用；而PAR的直接作用与对RH，Ta的间接作用之和为负值，与Pn呈负相关作用；Ta的直接作用于与对PAR，Ta的间接作用之和为负值，与Pn呈负相关作用。因此可以得出，影响拟巫山淫羊藿Pn日变化规律的决定生理生态因子为Ci，ALMC和Ta，ALMC为主要决定因子。
为了搞清楚影响拟巫山淫羊藿叶片Pn日变化的最主要生理生态因子，又通过多元逐步回归分析了上述因子与Pn的关系，最终得到回归方程。一年生拟巫山淫羊藿的回归方程为YPn=1143+117256XALMC（R=0808）；二年生拟巫山淫羊藿的回归方程为YPn=0413+165449XALMC（R=0938）；三年生拟巫山淫羊藿的回归方程为YPn=0345+196827XALMC（R=0868）。
可见，ALMC是影响自然条件下拟巫山淫羊藿叶片Pn的最重要的生理生态因子。
3 结论与讨论
Kramer等[14]研究认为，植物光合速率日变化一般有3种类型，分别为单峰型、双峰型和多变型。在本研究中，在自然条件下，拟巫山淫羊藿净光合速率日变化呈双峰曲线，中午出现低谷，即“光合午休”现象，这与前人在羌活[15]、乌药[16]上的研究结果相一致。“光合午休”是植物在长期进化过程中形成的对某些环境（如强光、干旱等）的一种调节方式，研究表明，“光合午休”有利于逆境下植物的生存，特别是气孔部分的关闭可以避免植物叶片水分过度散失和光合器官的破坏[17]。由生态因子、生理因子等多方面控制，而且在不同的环境条件下，引起“光合午休”的原因也不同[18]。光对光合作用主要有三个方面的作用：调节光合机构的发育、提高同化力形成所需的能量、活化光合作用的关键酶及促使气孔开放。当光照不足时，光合作用的运作受到同化力的短缺以及没有充分活化的光合作用关键酶的限制；当光照过剩时，植物接受的光能超过所利用的量，长时间的光照射会引起叶片光合活性的降低，即“光抑制现象”。
本研究中PAR对一年生的Pn的直接通径系数为较小正值；而对二、三年生的Pn的直接通径系数为较大负值。这说明PAR对一年生拟巫山淫羊藿的Pn作用不是很大，对二、三年生的抑制作用强。说明对二、三年生的植株而言遮阴更有必要，尤其是在夏季中午。RH对三者的直接通径系数均为正值；Ta对三者的直接通径系数均为较大负值，远大于其他环境因子，是造成Pn午间降低的主要环境因子。因此可以利用喷灌设施适度喷水，降低叶面温度和空气温度，同时还能增加空气相对湿度，有效的缓解了“午休现象”，从而提高产量。
通过相关分析和通径分析表明，表观叶肉导度（ALMC）、空气温度（Ta）和胞间CO2浓度（Ci）与拟巫山淫羊藿叶片净光合速率日变化有着极显著或显著的相关关系，是影响拟巫山淫羊藿光合速率的主要因子，影响大小的顺序为，表观叶肉导度>胞间CO2浓度>空气温度。本研究表明，在5月下旬至6月上旬期间，拟巫山淫羊藿的光合作用与表观叶肉导度的变化基本一致，关系最为密切，是影响光合速率的直接因素，说明表观叶肉导度是衡量拟巫山淫羊藿叶片光合能力变化的一个很重要的参数。
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