不同生育期黃頂菊的光合和葉綠素熒光特性

不同生育期黃頂菊的光合和葉綠素熒光特性

黃菊（l.）iidanti），又名雙齒黃菊，屬于科其黃菊科，主要分布在印度群島、墨西哥和美國南部。后來傳播到非洲、埃及、南非和歐洲的英國、法國、澳大利亞和亞洲。分布和擴散于該地區(qū)的黃菊通常被稱為農(nóng)業(yè)和生態(tài)雜草。2001年黃頂菊在我國的天津市和河北衡水市首次發(fā)現(xiàn),傳入年份及傳入途徑不祥。黃頂菊對生境適應(yīng)性強,耐鹽堿和干旱,生態(tài)幅廣泛,并且根部能夠分泌化感物質(zhì)以抑制其他植物生長,它還具有繁殖能力異常強、種子產(chǎn)量巨大、且種子小而輕易于擴散等特點,所以能迅速擴散并成為潛在入侵種。由于其廣泛的危害性,已被列入《中華人民共和國進境植物檢疫性有害生物名錄》。截至2007年底,僅河北省的黃頂菊疫情已擴大到11地市89縣(區(qū)、市),嚴重危害面積達3.7萬多ha,呈現(xiàn)以河北省中南部為中心向周邊其他省市擴散趨勢。國內(nèi)對黃頂菊的研究較少,近年多集中于對其形態(tài)特征、發(fā)生特點與危害等生物學和生態(tài)學特性及防除對策等方面;而國外對黃頂菊的研究較充分,多集中于黃菊屬植物的系統(tǒng)進化、光合生理特性與C4途徑演化、遺傳學及黃頂菊體內(nèi)C4重要光合酶及次生代謝產(chǎn)物等方面。雜草對環(huán)境的適應(yīng)能力很大程度上與其光合特性有關(guān),因此,國內(nèi)學者也開始重視對外來雜草光合生理的研究,對象涉及薇甘菊(MikaniamicranthaH.B.K)、紫莖澤蘭(EupatoriumadenophorumSpreng.)、加拿大一枝黃花(SolidagocanadensisL.)等。同時,黃頂菊是較為少見的雙子葉C4植物,推測其強的入侵性與其特殊光合特性有關(guān)。本研究旨在以棒頭草(PolypogonfugaxNeesexSteud)、反枝莧(AmaranthusretroflexusL.)、齒果酸模(RumexacetosaL.)和曼陀羅(DaturastramoniumL.)等伴生植物為對象,了解并比較黃頂菊與這些不同雜草性植物的基本光合特性,揭示黃頂菊適應(yīng)環(huán)境的光合生理基礎(chǔ),為該新外來種的綜合治理提供參考資料。1材料和方法1.1年7月研究區(qū)域位于天津市南開區(qū),地理位置為39°05.804′N、117°08.805′E,海拔高度4m,屬暖溫帶半濕潤大陸季風型氣候。年平均氣溫12.3℃,最高月(7月)平均氣溫26℃,最低月(1月)平均氣溫為-4℃;年平均降水量為550~680mm,夏季降水量約占全年降水量的80%。1.2黃頂菊不同生育期光合特性的比較本實驗在農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所實驗網(wǎng)室內(nèi)進行。試驗材料黃頂菊種子采自天津市海泰開發(fā)區(qū)的荒地上,為了比較黃頂菊不同生育期光合特性的變化,分別在5、6、7月上旬分3期播種,常規(guī)田間管理,實驗指標測定時分別為各播期材料的開花期、現(xiàn)蕾期和幼苗期。1.3頂菊伴生雜草性植物的生長特性測定試驗的各項測定于2008年8月23日進行。測定日為晴天,所測定的黃頂菊伴生雜草性植物均來自農(nóng)業(yè)部環(huán)保所實驗網(wǎng)室內(nèi),每種雜草取該季節(jié)典型生長時期的植株3~4株,植株大小及生境相對一致,每株選擇3~4片成熟葉片(自莖頂端下第5~7葉)作為測定對象,每個測定數(shù)據(jù)重復5次。1.3.1黃頂菊內(nèi)生雜草光照強度測定測定時間區(qū)段為12:00~12:30,用LI-6400便攜式光合儀(LI-COR,USA)測定不同生育期黃頂菊及其伴生雜草的凈光合速率(Pn),期間光照強度、氣溫等環(huán)境條件相對一致。1.3.2光合速率日變化選擇晴朗的天氣,在戶外自然狀況下測定,測定時間區(qū)段為6:00~18:00,每隔2h測定1次Pn,取其平均值與相應(yīng)的時間得到光合速率日變化曲線圖。同時獲得大氣溫度(Ta)、葉面溫度(Tl)、大氣CO2濃度(Ca)、光合有效輻射(PAR)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、細胞間CO2濃度(Ci)、空氣相對濕度(RH)等生理參數(shù)。計算水分利用效率(WUE=Pn/Tr)。1.3.3熒光參數(shù)測定選擇完全展開的葉片,在暗處理葉片20min后,在同一葉片上用FMS-2型便攜式熒光儀(Hansatech,UK)測定熒光參數(shù),包括初始熒光(F0)、最大熒光(Fm)、可變熒光(Fv)、PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)、PSⅡ潛在活性(Fv/F0)。測定時間段為8:00~18:00,每隔2h測定1次。以凌晨Fv/Fm的降低作為發(fā)生長期光抑制的判斷指標。1.4主要氣候因子對供試材料pn的影響運用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對黃頂菊及其伴生雜草的Pn與光合有效輻射(PAR)、大氣溫度(Ta)等各環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)度進行排序,得出主要氣候因子對供試材料Pn影響的密切程度及變化差異。數(shù)據(jù)采用DPS(DataProcessingSystem)9.50版軟件進行統(tǒng)計分析,采用SPSS13.0進行數(shù)據(jù)差異性比較。2結(jié)果與分析2.1大氣溫度ta變化實驗中主要氣象因子日變化規(guī)律如圖1所示,光合有效輻射(PAR)是瞬時變化較大的氣象因子。日出后,葉表面光合有效輻射逐漸增大,在12:00時達到最大值,之后又快速減小,日變化幅度為43.07~1182.53μmol·m-2·s-1。大氣CO2濃度(Ca)變化基本與之相反,但幅度較小,早晨和傍晚時最高,在12:00時降到到最低點。大氣溫度(Ta)呈單峰變化趨勢,日出后因太陽輻射增強而增加,直到12:00時當太陽輻射衰減到一定程度后,達到一天中的最高值,為38.84℃,之后便逐漸下降?？諝庀鄬穸?RH)在早晨最高,之后隨著光合有效輻射的增強和大氣溫度的升高而逐漸下降,在16:00時降至最低,而后由于光合有效輻射和氣溫的下降,相對濕度又有所升高。2.2黃頂菊及其四種伴生植物的日光浴參數(shù)發(fā)生了變化2.2.1黃頂菊與伴生植物pn日變化表1反映了不同生育期黃頂菊與其他4種伴生植物的最大凈光合速率(Pn)及其相應(yīng)的光合有效輻射(PAR)。各生育期黃頂菊的最大凈光合速率以現(xiàn)蕾期最高,然后依次為開花期和幼苗期;4種伴生植物中以反枝莧顯著高于其它種;現(xiàn)蕾期黃頂菊遠高于4種伴生種,開花期和幼苗期黃頂菊也顯著高于除反枝莧以外的3種伴生植物(P<0.05)。圖2,A顯示,各生育期黃頂菊及伴生植物Pn日變化均呈單峰曲線,而且Pn最高峰均出現(xiàn)在12:00,均無明顯的光合“午休”現(xiàn)象;Pn日均值大小排序與最大凈光合速率相同,變化范圍從8.03(曼陀羅)至16.56(黃頂菊現(xiàn)蕾植株)。另外,各植物的葉面光合有效輻射(PAR)差異不大,光照條件基本一致(表1),它們間的Pn具有可比性。反枝莧和曼陀羅均為早期入侵中國的惡性雜草,并在中國境內(nèi)廣為分布。其中反枝莧原產(chǎn)于美洲,在世界許多地方被列為惡性雜草,是莧屬入侵種中發(fā)生頻率最多、分布最廣、危害最嚴重的雜草。黃頂菊最大凈光合速率與該種接近,顯示出其在生境中較強的入侵競爭力。2.2.2水分利用效率we的日變化、蒸騰速率和水分利用效率與單峰型Pn日變化相對應(yīng),各植物的葉面溫度(Tl)及蒸騰速率(Tr)的日變化與Pn的日變化相似,也均呈單峰型曲線(圖2,B、C),最大值均出現(xiàn)在12:00左右,此時的Tl均大于37℃。植物通過蒸騰作用運輸?shù)V物質(zhì)、調(diào)節(jié)葉面溫度、供應(yīng)光合作用所需要的水分等,與植物凈光合速率關(guān)系密切。各生長時期黃頂菊Tr日變化為中等水平,盡管單子葉植物棒頭草Tl最高值達39.5℃,但Tr仍處于相對較低水平。這一點也可以通過水分利用效率(WUE)日變化趨勢反映出來。水分利用效率是指植物消耗單位重量H2O所固定CO2的量,是評價植物耗水量多少或適應(yīng)干旱脅迫能力的一個重要生理生態(tài)指標,其值越大,說明植物對水分的利用效率越高。圖2,D顯示,各時期黃頂菊及其伴生植物的WUE均在8:00達到第一個峰值,之后逐漸下降。不同的是,3個生長時期的黃頂菊均在12:00達到第二個峰值,在氣溫達到最大值時顯示出較高的水分利用效率。而其他植物WUE均在16:00以后才再次呈現(xiàn)上升趨勢,至18:00又回升到一定的程度,反映出不同植物在午間高溫和低濕條件下WUE的各自調(diào)節(jié)特性。一天當中,各植物WUE的日均值大小依次為棒頭草(4.62nmol·mol-1)>反枝莧(2.78nmol·mol-1)>黃頂菊開花植株(2.45nmol·mol-1)>黃頂菊現(xiàn)蕾植株(2.35nmol·mol-1)>黃頂菊幼苗(1.86nmol·mol-1)>曼陀羅(1.45nmol·mol-1)>齒果酸模(1.36nmol·mol-1)。除棒頭草之外的雙子葉植物中,反枝莧和3個生長時期的黃頂菊WUE的日均值較高,表明出其對夏季高溫和中午暫時缺水環(huán)境有較強適應(yīng)性。2.2.3其他時期的gs表現(xiàn)細胞間CO2濃度(Ci)的日變化趨勢總體上與Pn的日變化相反(圖2,E),即在6:00和16:00時Ci值較高而以中午時達到最低值。氣孔導度(Gs)變化情況(圖2,F)相對較為復雜,幼苗期黃頂菊、曼陀羅、齒果酸模在10:00~12:00時Gs均表現(xiàn)不同程度降低,顯示出一定程度的光抑制現(xiàn)象;其余2個時期的黃頂菊以及反枝莧、棒頭草的Gs最大值分別出現(xiàn)在12:00、14:00和10:00,均為單峰曲線,與Pn日變化相似。Franqhar和Sharkey認為,影響凈光合速率下降有氣孔限制和非氣孔限制兩方面因素。氣孔限制是氣孔導度的下降,阻止了CO2的供應(yīng);非氣孔限制是葉肉細胞光合能力的下降,使葉肉細胞利用CO2的能力(羧化能力)降低,從而使胞間CO2含量升高。不難理解,當Pn較高時,葉肉細胞固定的CO2較多,導致Ci的降低。按照他們的觀點,如果葉片凈光合速率降低伴隨著胞間Ci增高,那么光合作用主要限制因素是非氣孔因素。總體而言,5種供試植物Pn和Gs下降時,Ci濃度卻仍處于相對較高水平,沒有隨氣孔導度的降低而減小,說明影響它們光合速率因子為非氣孔因素。2.3有效輻射關(guān)聯(lián)度分析由表2可以看出,影響各測試植物Pn與光合參數(shù)、氣候因子的關(guān)聯(lián)度間差異較小,顯示其凈光合速率變化主要受環(huán)境因子的綜合影響。其中,開花期黃頂菊、現(xiàn)蕾期黃頂菊、棒頭草和反枝莧植株P(guān)n與光合有效輻射(PAR)關(guān)聯(lián)度更大,均在0.7以上,顯示較強的喜光性。綜合圖1和圖2,A也可以看出,以上供試植物Pn日變化曲線形狀與PAR日變化最接近,關(guān)聯(lián)度也最大。通過灰色關(guān)聯(lián)分析還發(fā)現(xiàn),影響苗期黃頂菊Pn值的首要生態(tài)因子是水分利用效率(WUE),其次才是光合有效輻射(PAR)。這表明處于營養(yǎng)生長初期的黃頂菊光合作用對水分供給相對要求較高,是黃頂菊葉片光合作用對水分需求的關(guān)鍵時期。但隨著營養(yǎng)生長達到一定階段,開始轉(zhuǎn)入以生殖生長為主的時期后,反映光合機構(gòu)功能效率的限制因素更多地則體現(xiàn)在對光的需求上,即高光強有助于促進黃頂菊光合產(chǎn)物積累,增強其競爭力。2.4黃頂菊及其伴隨植物葉片的夜間熒光參數(shù)的日變化2.4.1不同時間不同現(xiàn)代反枝莧葉片f0的變化(F0)圖3,A顯示了5種植物F0日變化情況,從早晨8:00開始到中午14:00,曼陀羅和反枝莧葉片F(xiàn)0大幅度上升,在中午14:00分別達到最高值,而后持續(xù)下降,表明PSⅡ發(fā)生了可逆損傷。圖3同樣說明光抑制條件下曼陀羅和反枝莧可變熒光(Fv)的降低主要是由于F0增加,而不是最大熒光(Fm)的降低的結(jié)果,因為明顯的反應(yīng)中心破壞總是引起F0的上升。2.4.2光強與fm、fv的變化(Fm)和可變熒光(Fv)5種植物葉片葉綠素熒光參數(shù)Fm和Fv的日變化趨勢基本相同(圖3,B、C)。其中,早晨葉片的Fm和Fv較高,隨日間光強的升高Fm和Fv均有所下降,下午又隨日間光強的減弱而回升;曼陀羅和齒果酸模葉片的Fm和Fv明顯高于棒頭草、反枝莧和3個生長時期的黃頂菊(P<0.001),這顯示前兩者葉片PSⅡ反應(yīng)中心活性較高,具有較高的電子傳遞速率,而后者之間相差不大。2.4.3反枝莧葉片光抑制活性(Fv/Fm)和潛在活性(Fv/F0)圖3還表明,5種植物葉片的Fv/Fm、Fv/F0的日變化趨勢相似,都有午間降低現(xiàn)象。其中,早晨葉片的Fv/Fm和Fv/F0很高,隨日間光強的升高逐漸降低,12:00~14:00時降至最低,而齒果酸模的兩個特征量在16:00降至最低點,表明5種植物在午間較強的光照條件下均發(fā)生了不同程度光抑制(圖3,D、E);到黃昏時各植物2個特征量均恢復到接近早晨的水平,即光抑制基本消失,這說明午間光抑制是PSⅡ反應(yīng)中心的可逆失活而非光破壞。方差分析顯示,反枝莧葉片的Fv/Fm和Fv/F0均極顯著低于其他植物(P<0.001),表明盡管其具有較高的Pn,但葉片PSⅡ的潛在活性和原初光能轉(zhuǎn)換效率較低。此外,齒果酸模顯示出更高的PSⅡ的潛在活性(P<0.001),其光抑制滯后表現(xiàn)可能與此時水分條件有關(guān)。3光能轉(zhuǎn)化反應(yīng)特征植物的光合作用是一個非常復雜的生理過程,葉片光合速率與自身因素和環(huán)境因子密切相關(guān)。本研究結(jié)果表明,在自然條件下5種植物凈光合速率日變化呈‘單峰型’曲線,其凈光合速率最高值出現(xiàn)在12:00左右。各環(huán)境因子對其光合特征參數(shù)的影響均較大,其中光合有效輻射(PAR)對光合特征參數(shù)的變化影響最大并對凈光合速率起決定性作用。同時,12:00以后,胞間CO2濃度(Ci)不隨氣孔導度(Gs)的降低而減少,所以光合速率限制因子屬于非氣孔限制。光補償點和光飽和點是植物利用光強能力的重要指標,與其余4種伴生植物相比,處于開花和現(xiàn)蕾期的黃頂菊午間最大光強時凈光合速率以及日平均凈光合速率明顯高于曼陀羅、棒頭草和齒果酸模,而與反枝莧相當。作為高光效的C4植物,黃頂菊的這種高光合效率使其生長快,能夠迅速形成郁閉環(huán)境,在與其他植物的競爭中取得優(yōu)勢。此外,黃頂菊同時具有極強的有性繁殖能力,植株高大,單株結(jié)實可達10萬粒以上,加上其高的凈光合速率,極易形成郁閉的環(huán)境,迅速占據(jù)生境,造成危害。相比而言,處于幼苗生長期的黃頂菊其光合優(yōu)勢不是特別明顯,生長較為緩慢且對水分要求高,為比較理想的防控時期。葉綠素熒光是光合作用的探針,葉綠素熒光參數(shù)則反映光合機構(gòu)內(nèi)一系列重要的適應(yīng)調(diào)節(jié)過程,通過對各種熒光參數(shù)的分析,可以得到有關(guān)光能利用途徑的信息。植物光合作用的光抑制是光合機構(gòu)吸收的光能超過光合作用所能利用的數(shù)量時光引起的光合活性降低的現(xiàn)象。這其中最大熒光(Fm)反映通過PSⅡ的電子傳遞情況,其降低是光抑制的一個特征?？勺儫晒釬v=Fm-F0,可作為PSⅡ反應(yīng)中心活性大小的相對指標。Fv/Fm和Fv/F0是近年來常用的研究植物對逆境響應(yīng)的重要生理指標。Fv/Fm降低是光合作用光抑制的顯著特征,常被作為判斷是否發(fā)生光抑制的標準。而Fv/F0表示光反應(yīng)中心PSⅡ的潛在活性,其變化可以衡量光合機構(gòu)是否受到損傷。在本實驗中曼陀羅和反枝莧隨光強和溫度的增加致使葉片F(xiàn)0升高,表明發(fā)生了光氧化破壞;相反,處于幼苗期和現(xiàn)蕾期黃頂菊葉片F(xiàn)v降低主要是由于Fm的降低,而不是F0增加的結(jié)果。許多研究表明,健康(非脅迫)的植物葉片PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)的量子效率指標是比較穩(wěn)定的,一般在0.83左右;而當植物遭受干旱、溫度、強光等逆境脅迫時,其值變小。反枝莧的Fv/Fm在早晨即低于正常值,在14:00最低點更是比早晨下降了40%,PSⅡ?qū)嶋H光化學效率也處于一個極低的水平,說明其受到了環(huán)境