海南油茶5个无性系光合特性比较研究

袁 军，袁德义，谭晓风，邹 锋，肖诗鑫

（中南林业科技大学 经济林培育与保护省部共建教育部重点实验室，湖南 长沙 410004）

海南油茶5个无性系光合特性比较研究

袁 军，袁德义，谭晓风，邹 锋，肖诗鑫

（中南林业科技大学 经济林培育与保护省部共建教育部重点实验室，湖南 长沙 410004）

为了研究海南油茶光合效率的高低及不同无性系之间光合特性的差异，筛选高光效的海南油茶无性系，以初步筛选的5个油茶优良无性系‘海南2号’、‘海南6号’、‘海南9号’、‘海南18号’和‘海南19号’为试材，利用Li-6400xt便携式光合作用测定系统，测定了其光合作用日变化及光合-光响应曲线和光合-CO2响应曲线，结果表明：‘海南2号’的净光合速率日变化呈单峰曲线，其它4个油茶无性系的净光合速率日变化呈双峰曲线；‘海南18号’的蒸腾速率呈单峰曲线，其它4个油茶无性系的蒸腾速率呈双峰曲线，峰值分别出现在9:00和15:00；‘海南18号’和‘海南2号’气孔导度的日变化呈单峰曲线，‘海南9号’、 ‘海南19号’及‘海南6号’的日变化与Pn的日变化相一致；‘海南2号’的光饱和点和光补偿点最低，‘海南19号’的光饱和点和光补偿点最高；5个油茶无性系的CO2补偿点较高，具有C3植物的光合特性；5个无性系Pn日变化的平均值由高到低顺序为‘海南19号’＞‘海南18号’＞‘海南9号’＞ ‘海南2号’＞ ‘海南6号’；相关分析表明，影响Pn的主要生理生态指标大小顺序依次为 气孔导度 ＞ 光合有效辐射 ＞ 蒸腾速率 ＞ 胞间CO2浓度。

油茶；净光合速率；光合特性；日变化

海南油茶种植历史悠久，品质优良，茶油具有独特的香味，在当地称为“山柚油”。 海南油茶具有大陆油茶不具备的独特品质，市场上供不应求，深受消费者的喜爱。近年来，随着人们生活质量和健康意识的提高，海南本地茶油的需求量日益增加，售价平均为500元/kg，最高可达1 000元/kg，远远高于大陆茶油[1]。因此，在海南发展油茶产业具有广阔的市场前景。光合作用是绿色植物吸收太阳光能，将CO2和H2O合成有机物并释放氧气的过程，是影响植物生长和农作物产量的重要指标，也是品种选育与评价的重要指标之一[2]。关于油茶光合作用的研究比较多，主要在普通油茶、香花油茶、博白大果油茶、广宁红花油茶及攸县油茶、岑软油茶等光合特性进行了研究[3-6]，这些物种主要分布在中南及浙江沿海地区。对海南油茶光合特性方面的研究尚未报道，且海南是一个地理位置比较特殊的地方，气候、土壤等环境因子与大陆地区有所差异，光合作用在不同的地区也有差异。近年来，高光效育种已经成为育种工作者关注的主要问题，不同无性系之间由于遗传因子的影响，光合潜能差异较大。目前，海南油茶品种选育工作正在开展，研究海南油茶的光合特性，不仅为筛选高光效的油茶品种提供理论依据，也为海南油茶产业的长期发展提供参考资料。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于海南省澄迈林场油茶基地，基地位于东经 111°1′30″，北纬 19°11′10″，属热带季风气候类型， 雨量充沛，年降水量为1 749 mm，光热充足，冬寒期短，平均气温为23.7 ℃，全年无霜冻，冬季温暖。土壤为沙壤，pH值为5.0～5.5，适宜油茶生长。

1.2 试验材料

实验材料为2年生的嫁接苗，5个无性系分别为‘海南2号’、‘海南6号’、‘海南9号’、‘海南18号’、‘海南19号’，树高80～90 cm，生长正常。

1.3 光合指标的测定

采用Li-6400xt便携式光合仪( Li-COR，USA)对海南5个油茶无性系光合作用日变化进行测定。测定时选取长势及颜色基本一致且无病虫害的叶片，保持叶片自然生长角度，每个无性系测定3株，每株测3枚叶片，重复3次。测定时间选在2014年10月2日—4日晴朗无风光照充足的3天，从早上7:00到晚上19:00，每隔2 h测定1次。测定的光合指标包括光合有效辐射(PAR)、气温(T)、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)等参数。

1.4 光合-光响应曲线的测定

光响应曲线的测定在2014年10月上旬上午8:00—11:00，选取长势一致的叶片，用Li-6400xt便携式光合仪( Li-COR，USA)测定光合-光响应曲线；光合作用光响应曲线用6400-LED红蓝光源自动light-curve测定；CO2浓度由小钢瓶提供，浓度设定为400 μmol·m-2s-1，光合作用光响应曲线用6400-LED红蓝光源自动light-curve测定光合有效辐射梯度设定为：2 100、1 800、1 500、1 200、900、600、200、150、100、75、50、25 和 0 μmol·m-2s-1。光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)等光合指标根据叶子飘的直角双曲线修正模型进行拟合计算[7]。每个无性系测定3株，重复3次。

1.5 光合作用CO2响应曲线的测定

光合作用CO2响应曲线测定选择A-CI Curve曲线测定，叶室CO2梯度设定为400、300、200、150，100、50、400、600、800、1 000、1 200、1 500 μmol·m-2s-1， 设定光强为 1 000 μmol·m-2s-1，CO2饱和点、补偿点等参数的拟合方法同上。

1.6 数据统计分析

采用Excel 2007对数据进行描述性统计作图，用SPSS 17.0统计分析软件对数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 环境因子日变化

由图1可知，光合有效辐射(PAR) 在09:00—11:00急剧上升，13:00达到最大值（1 421 μmol·m-2s-1），之后逐渐下降，到晚上19:00左右达到3 μmol·m-2s-1。大气温度的日变化规律与PAR相似，先上升后下降，7:00气温已经达到28.2 ℃，在13:00达到最高（37.7 ℃），之后随着PAR的减弱而缓慢下降，到19:00左右气温又回到28.0℃左右。大气相对湿度在7:00左右最高，为75.35%，到13:00逐渐降低到47%，下午又逐渐升高，到19:00大气相对湿度达70%以上。大气CO2浓度在早上最高为 460 μmol·mol-1，15:00 左右CO2浓度最低，在15:00以后，随着PAR及植物光合速率的降低，大气中的CO2浓度有所回升。

表1 环境因子的日变化Table 1 Diurnal variation of environmental factors

2.2 光合指标参数的日变化

由图1-a可知，‘海南2号’净光合速率（Pn）的日变化呈单峰曲线，峰值出现在11:00，为 7.20 μmol·m-2s-1；其它 4 个无性系 Pn的日变化呈双峰曲线，有明显的光合午休现象；在7:00左右，‘海南 19 号’的 Pn可达 5.36 μmol·m-2s-1，之后一直处于较高水平，5个无性系Pn日变化平均值大小排序为‘海南 19号’5.50 μmol·m-2s-1＞‘海南18号’5.02 μmol·m-2s-1＞‘海南9号’4.68 μmol·m-2s-1＞‘海南 2 号’4.06 μmol·m-2s-1＞‘海南 6号’3.84 μmol·m-2s-1。‘海南 2号’、‘海南9号’、‘海南19号’气孔导度（Gs）的日变化呈双峰曲线，峰值分别出现在11:00和15:00。‘海南6号’及‘海南18号’的Gs呈单峰曲线，峰值分别出现在9:00及11:00，‘海南6号’的Gs在7:00和19:00均较低，‘海南18号’的Gs在晚上19:00还维持在较高水平。

如图1所示，5个油茶无性系蒸腾速率（Tr）的日变化与Pn基本相似呈双峰曲线，第一峰值出现在11:00，13:00出现午休现象，在15:00之后又达到第二峰值。由图1-c可以看出，‘海南9号’具有较高的Tr，在15:00左右Tr高于其它4个无性系。由图1-d可知，5个无性系Ci的日变化曲线呈不规则的“W”型，与Pn的变化相反，在早晚较高，在7:00之后随着Pn的增加迅速降低。‘海南2号’在13:00Ci仍保持较低的水平，其它4个无性系的Ci在13:00有所升高，主要原因是‘海南2号’的Pn在13:00没有出现午休现象，叶肉细胞中的CO2被同化，所以Ci维持在较低的水平，而其它4个无性系在13:00出现午休现象，Pn的降低使部分CO2没有同化固定，因此，在13:00出现Ci升高的趋势。

2.3 海南油茶5个无性系光合-光响应曲线的比较

图1 海南油茶5个无性系光合参数日变化的比较Fig.1 Comparative study on the diurnal change of photosynthetic parameters of 5 Camellia oleifera clones in Hainan

由图2可知，5个油茶无性系光合光响应曲线的变化趋势相一致，在低光合有效辐射条件下，Pn值和光强呈现直线线性关系，随着光合有效辐射(PAR)的增加，5个油茶无性系叶片的Pn逐渐升高，当光合有效辐射达到1 400 μmol·m-2s-1时，Pn的增加趋势逐渐趋于平缓。从图2也可以看出，当 PAR 在 75 μmol·m-2s-1以上时，‘海南 19号’的Pn一直高于其它4个无性系，‘海南6号’的Pn一直处于较低水平，其它3种无性系的Pn处于中间水平，说明海南19号对光的利用能力最强，适合在光照资源丰富的环境中生长。

图2 海南油茶5个无性系净光合速率光响应曲线Fig.2 Photosynthetic-light response curve for net photosynthetic rate of 5 Camellia oleifera clones in Hainan

由表2可知，‘海南19号’的表观量子效率（AQY）最低为0.051，其它4个油茶无性系的Pn较高，说明‘海南19号’不适合在光照较弱的环境下生长。最大净光合速率（Pmax）是评价植物光合作用的潜在能力，‘海南19号’的Pmax最高为13.68 μmol·m-2s-1，‘海南 9号’的次之，‘海南6 号’的最低 (8.42 μmol·m-2s-1)，‘海南 18 号’及‘海南2号’的Pmax介于之间。‘海南19号’的Pmax的值比‘海南6号’的高62.47%，差异显著（P＜0.05）。由此可知，‘海南19号’的光合潜力远高于‘海南6号’，适宜在海南高温高光照的环境下生长。

光饱和点（LSP）的高低体现了植物对强光的利用能力，LSP越高，表明植物的光合潜力越大[8]。由表2可知，与大陆油茶相比，海南油茶的LSP整体较高，研究表明，光补偿点（LCP）和LSP较高的植物是阳生植物，反之是阴性植物[9]，说明海南油茶适合在光照充足的环境下生长。‘海南19号’的LSP最大，‘海南19号’的LSP要比‘海南6号’的高8.17% ，差异显著(P＜0.05)。5个海南油茶无性系的LCP在19.6～36.5 μmol·m-2s-1之间，‘海南 19 号’的 LCP 最高，‘海南2号’的LCP最低，其它3种无性系的LCP介于之间。‘海南19号’的LSP及LCP均最高，说明‘海南19号’适合在光照充足的环境下生长，这也说明‘海南19号’长期适应了海南高温高光照的生态环境，‘海南2号’在低光合有效辐射的环境下生长较好。

表2 海南油茶5个无性系光合-光响应特征参数的比较†Table 2 Comparative study on the index of photosynthetic-light response of 5 Camellia oleifera clones in Hainan

2.4 海南油茶5个无性系光合-CO2响应曲线的比较

由图3可知，海南油茶5个无性系光合-CO2响应曲线变化趋势基本一致，当CO2浓度达到400 μmol·m-2s-1之后，5 个无性系的Pn迅速升高，且‘海南19号’的Pn大于其它4个无性系；当大气中的 CO2浓度在 75 μmol·m-2s-1以下时，5 个无性系的Pn均为负值，此时植物光合产物的积累为负值；在任何CO2浓度下，‘海南6号’的Pn一直低于其它4个无性系。随着CO2浓度的增加，5个无性系的Pn一直在增加，说明海南油茶适合在高浓度CO2的环境下生长，具有C3植物的光合特性。

图3 海南油茶5个无性系光合-CO2响应曲线Fig.3 Photosynthetic-CO2 response curve of 5 Camellia oleifera clones in Hainan

羧化效率是植物在低浓度的CO2下的碳同化能力，其值受RuBP羧化酶活性的限制，也是评价植物光合效率高低重要指标之一[10-11]。‘海南19号’的羧化效率比‘海南2号’及‘海南6号’分别高82.69%、61.02%，差异显著(P＜0.05)。5个油茶无性系的 CO2饱和点在 1 000 μmol·m-2s-1以上，说明海南油茶的CO2饱和点较高，因此，在栽培管理中适当使用有机肥提高空气中CO2浓度对油茶产量的提高有重要作用。CO2补偿点的高低直接影响植物的光合效率，是评价植物碳同化的主要指标，一般C4植物具有较低的CO2补偿点，而C3植物的CO2补偿点较高。由表3可知，‘海南19号’的 CO2补偿点最低，为 78.4 μmol·m-2s-1；‘海南 6 号’的 CO2补偿点最高，为 96.6 μmol·m-2s-1。由以上数据可知，海南油茶的CO2补偿点整体较高，说明海南油茶具有典型C3植物的光合特性。

2.5 5个油茶无性系Pn与其Tr，Gs，Ci及PAR的相关性分析

由表4可知，5个油茶无性系的Pn与PAR呈正相关关系，‘海南19号’与光合有效辐射呈显著正相关，‘海南6号’与光合有效辐射的相关性较低；5个油茶无性系的Pn与Gs、Tr也呈正相关关系，而与Ci呈负相关关系。‘海南19号’的Pn与Gs相关性最高为0.931，‘海南2号’的Pn与Gs相关性较低为0.741。相关分析表明，影响Pn值大小的主要生理生态指标大小顺序依次为：Gs＞ PAR ＞Tr＞Ci。

表4 海南油茶5个无性系叶片Pn与Tr，Gs，Ci及PAR的相关系数(r)†Table 4 Correlation coefficients among Pn, Tr, Gs, Ci andPAR for 5 clones of Camellia oleifera in Hainan

3 结论与讨论

5个无性系Pn日变化的平均值由高到低顺序为：‘海南19号’5.50 μmol·m-2s-1＞‘海南18号’5.02 μmol·m-2s-1＞‘海南 9 号’4.68 μmol·m-2s-1＞ ‘海南 2 号 ’4.07 μmol·m-2s-1＞ ‘ 海 南 6 号 ’3.84 μmol·m-2s-1；‘海南19号’的光合效率是‘海南6号’的1.43倍，说明‘海南19号’适宜在高光、高温及高湿的环境下生长。相关分析表明，影响Pn的主要生理生态指标大小顺序依次为：气孔导度 ＞光合有效辐射 ＞ 蒸腾速率 ＞ 胞间CO2浓度。

光合作用日变化进程主要有三种类型:有单峰曲线、双峰曲线、三峰曲线。不同种类或者同一种类的不同品种在不同的生态环境下的日变化有所不同，彭方仁等[12]在板栗光合作用研究中表明，板栗在不同的季节光合日变化的类型不同。研究表明，大部分植物的光合作用在中午会出现午休现象。5个海南油茶无性系中除‘海南2号’的净光合速率日变化为单峰曲线外，其它4个无性系的日变化均呈双峰型曲线，光合日变化在中午有明显的午休现象，这与前人在油茶及其它树种上的研究结果相一致[13-14]。但袁军等人[15]研究大果油茶‘华硕’的光合特性表明，‘华硕’光合作用日变化呈单峰曲线，没有明显的光合午休现象。植物光合午休现象是在长期的自然进化过程中形成的一种保护机制，在中午出现净光合速率的降低主要是强光高温使气孔关闭，从而使净光合速率下降。关于光合午休现象的研究人们提出了许多假说，有人认为是中午之前一般植物光合速率较高，积累了大量的同化物没能及时运输，从而使净光合速率降低的反馈调节；也有人认为，中午温度过高，气孔关闭，酶活性降低等因素引起的光合午休。

关于海南油茶出现午休现象是什么因素引起的，可根据Farquhar和Sharkey提出的判断方法，在外界环境胁迫下，光合作用的限制因子可分为气孔限制和非气孔限制，当胞间CO2浓度与气孔导度同时下降，净光合速率下降主要是由气孔限制引起的，如果净光合速率的降低伴随着胞间CO2浓度升高，光合作用的主要限制因素则是非气孔因素[16]。根据4个海南油茶无性系净光合速率、气孔导度及胞间CO2的日变化可知，在中午净光合速率降低的过程中，气孔导度也在下降，而胞间CO2浓度有所升高，说明4个油茶无性系在中午净光合速率降低既有气孔因素，又有由环境因素引起叶肉细胞活性变化的非气孔因素，胞间CO2浓度的升高说明非气孔因素占主要因素，可通过喷雾降低周围小环境温度等农业措施减轻午休现象，提高油茶光合效率。

本研究发现，5个海南油茶无性系的光补偿点较低，光饱和点较高，CO2补偿点及饱和点较高，说明海南油茶对光的适应范围较广，适合在高浓度的CO2环境下进行高的光合效率，具有典型C3植物的光合特性。表观量子效率反映了植物对弱光的利用能力，是研究植物在弱光下光合潜能的重要指标。羧化效率的高低主要在于羧化酶量的多少及活性的强弱，它是研究植物在低浓度的CO2下净光合速率对CO2浓度的变化率，因此，植物叶片羧化效率及表光量子效率是反映光合机构运转及活性的重要指标。‘海南19号’具有较高的羧化效率，对强光的利用能力也较强，说明‘海南19号’具有高光效的遗传特性；而‘海南2号’及‘海南6号’的羧化效率及光合效率较低，海南不同油茶无性系对光合CO2的需求特性不同有可能是它们自身的生理功能不同及组织结构的差异所致，究其原因还需以后进一步的观察研究。

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Comparative study on photosynthetic characteristic of 5Camellia oleiferaclones in Hainan province

YUAN Jun, YUAN Deyi, TAN Xiaofeng, ZOU Feng, XIAO Shixin
(Key Laboratory of Cultivation and Protection for Non-Wood Forest Trees, Ministry of Education, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

In order to study high and low of photosynthetic efficiency and differences of photosynthetic characteristics between different clones ofCamellia oleiferain Hainan, screening of high photosynthetic efficiency of clones ofCamellia oleiferain Hainan province.The photosynthesis diurnal changes, photosynthetic-light response curve and photosynthetic-CO2response curve for net photosynthetic rate of 5Camelliaclones in hainan: ‘Hainan 2’, ‘Hainan 6’, ‘Hainan 9’, ‘Hainan 18’ and ‘hainan 19’ were measured with Li-6400 photosynthetic instrument under field conditions. The results showed that: Net photosynthetic rate (Pn) of ‘Hainan 2’changed as single peak curve, while other four kinds of clones in the diurnal variation of net photosynthetic rate were changed as doublepeak curve; Transpiration rate (Tr) of ‘Hainan 18’ changed as single peak curve, while other four kinds of clones in the diurnal variation of net photosynthetic rate were double-peak curve, and the peak appear at 9:00 am or at 15:00 pm; Stomatal conductance (Gs)of ‘Hainan 18’ and ‘Hainan 2’ changed as single peak curve, while ‘Hainan 9’,‘Hainan 19’ and ‘Hainan 6’ had same change as net photosynthetic rate; The light compensation points and light saturation points of ‘Hainan 2’ were the highest while‘Hainan 19’ were the lowest in fiveCamellia oleiferaclones in Hainan. The CO2compensation point of 5Camellia oleiferaclones in Hainan was high, consistent with the photosynthetic characteristics of C3plants. The order in daily change of average net photosynthetic rate of 5Camellia oleiferaclones taken as ‘Hainan 19’ ＞‘Hainan 18’ ＞‘Hainan 9’ ＞ ‘Hainan 2’ ＞‘Hainan 6’.The impact order that main ecological physiological of net photosynthetic value of 5Camellia oleiferaclones was stomatal conductance ＞photosynthetic active radiation ＞ transpiration rate ＞ intercellular CO2concentration.

Camellia oleifera; net photosynthetic rate; photosynthetic characteristic; diurnal variation

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.05.001 http: //qks.csuft.edu.cn

2015-12-31

国家林业公益性行业科研专项（201504705）

袁 军，副教授，博士

谭晓风，教授，博导；E-mail：tanxiaofengcn@126.com

袁 军，袁德义，谭晓风，等.海南油茶5个无性系光合特性比较研究[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(5): 1-6.

S794.4；S718.43

A

1673-923X(2017)05-0001-06

[本文编校：谢荣秀]