兩個(gè)趨異類型羊草的光合特性比較研究

羊草是中國(guó)北方溫帶牧場(chǎng)的主要優(yōu)勢(shì)植物種子，地理分布非常廣泛。從南到東在俄羅斯的外貝加爾、東到中國(guó)的三江平原，北到蒙古的木蘭巴托分布著羊草。羊草的適應(yīng)性很強(qiáng),生態(tài)幅度頗寬,從半干旱地區(qū)到半濕潤(rùn)地區(qū),從黑土、黑鈣土、栗鈣土到堿化草甸土與鹽化草甸土地帶均有大面積生長(zhǎng)與分布。由于不同的自然地理環(huán)境,以及羊草種群對(duì)特定地域生境條件的長(zhǎng)期適應(yīng),使羊草種群產(chǎn)生了在形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理、生態(tài)以及遺傳特征方面的趨異現(xiàn)象(divergentphenomenon),形成了明顯的趨異類型。最常見的有灰綠型羊草與黃綠型羊草。有關(guān)羊草趨異類型的比較,已有一些形態(tài)解剖學(xué)、生態(tài)學(xué)以及細(xì)胞學(xué)方面的初步研究,但是僅用這些研究結(jié)果來(lái)比較說(shuō)明羊草不同趨異類型的生態(tài)適應(yīng)特性是不充分的,也難以確定不同生境條件下羊草在趨異適應(yīng)過(guò)程中是否產(chǎn)生了不同的生態(tài)型(ecotype)。因此,需要對(duì)不同的羊草趨異類型做更深入的比較研究。本文在自然狀態(tài)下對(duì)混生種群中的兩個(gè)羊草趨異類型(灰綠型與黃綠型)的光合生理特性進(jìn)行了初步研究,試圖為確定羊草兩種生態(tài)型提供一些生理學(xué)方面的證據(jù),同時(shí)亦為研究種群的生態(tài)適應(yīng)給予生理學(xué)方面的解釋。1材料和方法1.1蘇集山水勢(shì)梯度區(qū)實(shí)驗(yàn)地位于長(zhǎng)春市東北師范大學(xué)校院內(nèi),地理位置為東經(jīng)125°13′,北緯43°53′,海拔230m。本區(qū)為大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫4.9℃,年均相對(duì)濕度65%(大氣),年降雨量500～700mm,年日照時(shí)數(shù)2600～2700h,無(wú)霜期140d左右。土壤為黑土,近于中性(pH7.0～7.3)。1.2灰綠型與黃綠型羊草的生境條件對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)象為羊草種群的灰綠型羊草與黃綠型羊草。羊草種群的群體壽命在5a以上,灰綠型與黃綠型羊草在有限的小生境內(nèi)形成一個(gè)混生種群,可以認(rèn)為兩種類型的羊草所處的生境條件是一致的。測(cè)定的兩種羊草類型均為35～32cm高的營(yíng)養(yǎng)枝,選取每一類型的羊草3～5株,重復(fù)3次,分別測(cè)定相同葉位葉片的光合生理特征參數(shù)。1.3葉綠素功能葉片的測(cè)定用美國(guó)CID公司生產(chǎn)的CI-301PS便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng),在天空無(wú)云條件下,測(cè)定每株羊草的功能葉片(由上至下第3或第4片)的葉面積、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔擴(kuò)散阻力、葉溫、氣溫、大氣相對(duì)濕度、光輻射強(qiáng)度、CO2濃度等。測(cè)定時(shí)系統(tǒng)處于開放狀態(tài)。采用上海產(chǎn)754型分光光度計(jì)測(cè)定灰綠型與黃綠型功能葉片(同上)的葉綠素總量、葉綠素a與葉綠素b含量。重復(fù)3～5次。測(cè)定時(shí)間為6月上旬。2結(jié)果與分析2.1羊草光合速率的日變化羊草的光合生態(tài)特性研究已有一些報(bào)道。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的羊草光合速率日變化趨勢(shì)同杜占池、楊宗貴的研究結(jié)果是一致的,呈雙峰曲線變化,即羊草的光合速率日變化有兩個(gè)峰值,在雙峰之間有一段較低的“午降”(圖1)。雙峰現(xiàn)象的出現(xiàn),說(shuō)明羊草的光合作用受到水分的脅迫。實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí),本地區(qū)氣候干旱,土壤水分在10%左右,因而羊草種群處于水分脅迫狀態(tài),羊草的光合速率也有一定程度的降低。但是,與杜占池、楊宗貴的研究結(jié)果相比,羊草光合速率的第1個(gè)峰值到達(dá)時(shí)間是不同的,本研究測(cè)得的第一個(gè)峰值到達(dá)相對(duì)較早,在8:00左右,這主要是植物隨環(huán)境條件(地理位置、土壤營(yíng)養(yǎng)與水分等)產(chǎn)生了很大的差異。第2個(gè)峰值到達(dá)的時(shí)間近乎相同,大約在16:00～16:30之間。同時(shí)測(cè)定灰綠型與黃綠型羊草,可見,雖然兩個(gè)趨異類型羊草的光合速率日變化趨勢(shì)是一樣的(雙峰型),峰值的出現(xiàn)時(shí)間也近乎一致,然而光合速率的強(qiáng)度是有明顯差異的?；揖G型羊草的第1、第2峰值分別為23.2與17.3μmolCO2/m2·s,黃綠型羊草的峰值相對(duì)較低,分別為18.8與11.1μmolCO2/m2·s。兩個(gè)類型的午降最低值相差無(wú)幾,灰綠型與黃綠型分別是6.2與6.0μmolCO2/m2·s。2.2蒸騰作用的日變化蒸騰作用的強(qiáng)弱是表明植物水分代謝的一個(gè)重要生理指標(biāo)。一般地,光合作用速率高,蒸騰速率也較高,因?yàn)楣夂袭a(chǎn)物的生成需要水分以及通過(guò)水分運(yùn)載的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)成分的不斷供應(yīng)。灰綠型羊草與黃綠型羊草蒸騰作用的日變化形式基本上一致,這種變化形式與光合速率曲線有一定程度的相似,也是雙峰型。這兩個(gè)峰值是與光合速率曲線相對(duì)應(yīng)的(圖2)。兩個(gè)趨異類型羊草的蒸騰速率是有差別的,灰綠型羊草的蒸騰作用強(qiáng)于黃綠型羊草,灰綠型羊草的第1、第2峰值分別為6.1與7.2mmolH2O/m2·s,黃綠型羊草的峰值相對(duì)較低,分別為5.4與5.9mmolH2O/m2·s。此外,灰綠型羊草的兩個(gè)峰值較黃綠型羊草到達(dá)得晚些。2.3葉溫、氣孔擴(kuò)散阻力影響羊草光合特性的內(nèi)容因子(本身特性)較多。本文測(cè)定了羊草葉片溫度與氣孔擴(kuò)散阻力的日變化,同時(shí)確定了兩種羊草類型的光合速率對(duì)葉片溫度和氣孔擴(kuò)散阻力的響應(yīng)關(guān)系(經(jīng)二次多項(xiàng)式擬合)(圖3～圖6)。羊草的葉片溫度的日變化為單峰型(圖3),雖然兩個(gè)羊草趨異類型生長(zhǎng)在一個(gè)混生種群內(nèi),其生境氣溫是一致的,但大部分時(shí)間內(nèi),灰綠型羊草的葉溫較黃綠型羊草高,僅在中午時(shí)低于黃綠型羊草。如圖5示葉溫與光合速率的響應(yīng)關(guān)系,在一定溫度范圍內(nèi)光合速率與葉片溫度呈正比例變化,葉溫越高,光合速率越大,但超過(guò)一度程度(葉溫超過(guò)31℃),兩個(gè)羊草類型的光合速率都開始下降?；揖G型羊草對(duì)一般植物生長(zhǎng)溫度的響應(yīng)程度大,在26～34℃的范圍內(nèi)均有相對(duì)較高的光合速率,而黃綠型羊草雖然在27℃就達(dá)到其最高光合速率,但葉溫升高到38℃時(shí)仍有較高的光合速率,因而黃綠型羊草對(duì)高溫的適應(yīng)性更強(qiáng)。兩個(gè)羊草趨異類型的氣孔擴(kuò)散阻力日變化如圖4。氣孔擴(kuò)散阻力反映氣孔的開啟變化,直接影響植物的光合與蒸騰作用。兩個(gè)羊草類型的氣孔擴(kuò)散阻力變化大致相同,其間的差異不顯著。6:00以前及18:00以后,氣孔擴(kuò)散阻力較大,超過(guò)7m2·s/mol。在6:00至18:00之間,氣孔擴(kuò)散阻力一直保持相對(duì)較低水平。羊草光合速率與氣孔擴(kuò)散阻力之間,表現(xiàn)的是一種負(fù)指數(shù)關(guān)系,即隨氣孔擴(kuò)散阻力增大,光合速率急速下降。但是兩種羊草的光合速率對(duì)氣孔擴(kuò)散阻力響應(yīng)的差異不大(圖6)。2.4氣溫、濕度的日變化羊草光合作用的主要外部影響因子-生境的光輻射強(qiáng)度、氣溫、相對(duì)濕度的日變化如圖7～8,影響羊草光合特性的環(huán)境生態(tài)因子各有其變化規(guī)律性。光輻射強(qiáng)度的日變化趨勢(shì)是,5:00后,光強(qiáng)度迅速增大;7:00,光強(qiáng)度已達(dá)到1000μmol/m2·s;11:00～13:30,光強(qiáng)度在1800μmol/m2·s以上;17:00以后,光強(qiáng)度急速下降,19:30降到10μmol/m2·s以下。羊草種群生境的氣溫與相對(duì)濕度的日變化曲線如圖8。氣溫與光輻射強(qiáng)度常常是密切相關(guān)的,光強(qiáng)度若較大,氣溫亦相應(yīng)較高。本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)正為盛夏,9:00氣溫就達(dá)到30℃以上,16:00又下降到30℃以下,最高氣溫為16:00的36.06℃。大氣相對(duì)濕度也是影響光合速率與蒸騰速率的重要因子,羊草生境的相對(duì)濕度變化趨勢(shì)是,10:00前以及19:30以后相對(duì)較高,均在50%以上,11:00～18:30相對(duì)較低。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,羊草光合作用的“午降”出現(xiàn)時(shí),也是相對(duì)濕度最低的時(shí)期,因而,相對(duì)濕度是影響羊草光合作用的重要因子。兩個(gè)羊草趨異類型的光合速率對(duì)光輻射強(qiáng)度、氣溫及相對(duì)濕度的響應(yīng)曲線(經(jīng)二次多項(xiàng)式擬合后)如圖9～圖11。羊草光合速率隨光強(qiáng)度、氣溫及相對(duì)濕度的增大而變化。在一定范圍內(nèi),光強(qiáng)度越大,溫度越高,相對(duì)濕度越大,光合速率就越高。然而,相對(duì)于每一個(gè)影響因子,都存在一個(gè)最適范圍,光強(qiáng)度的范圍為800～1800μmol/m2·s,氣溫為26～34℃,相對(duì)濕度為40%～60%?；揖G型羊草與黃綠型羊草的光合速率對(duì)光強(qiáng)度、氣溫及相對(duì)濕度的響應(yīng)是有差異的?；揖G型羊草達(dá)到最高光合速率時(shí)的光強(qiáng)度、氣溫、相對(duì)濕度分別為1367.6μmol/m2·s、29.2℃、59.6%,而黃綠型羊草分別為1387.6μmol/m2·s、27.4℃、60.8%。2.5灰綠型與綠綠型羊草葉綠素含量測(cè)定結(jié)果植物進(jìn)行光合作用時(shí),主要依賴于葉片中重要的細(xì)胞器——葉綠體,而葉綠體中的葉綠素在光合作用中起決定性作用。本實(shí)驗(yàn)測(cè)定了灰綠型與黃綠型羊草葉綠素含量(表1)。兩個(gè)羊草趨異類型的對(duì)比表明,灰綠型羊草的葉綠素總量及葉綠素a、b含量都比黃綠型羊草高,兩者的差異是顯著的,變異率都在10%以上。3討論3.1灰綠型羊草與黃茶苷對(duì)光合速率及蒸騰速率的影響盡管羊草兩個(gè)趨異類型的光合速率與蒸騰速率的日變化趨勢(shì)是相同的,但同時(shí)觀測(cè)的結(jié)果說(shuō)明,灰綠型羊草的光合作用強(qiáng)度較黃綠型羊草高,它的光能轉(zhuǎn)化效率較高。由于在強(qiáng)烈的光合活動(dòng)中,蒸騰作用也相應(yīng)加快,因而灰綠型羊草的蒸騰速率也較黃綠型羊草高(圖1～圖2)。對(duì)灰綠型羊草與黃綠型羊草的方差分析也表明,兩者在光合速率方面差異極顯著(T=-3.14,P=0.0057),兩者在蒸騰速率方面差異顯著(T=-2.53,P=0.024)。灰綠型與黃綠型羊草光合特性的顯著差異,是兩種羊草的結(jié)構(gòu)組成變異造成的,其中決定光合特性的葉片葉綠素含量是關(guān)鍵。葉綠素總量(包括葉綠素a,葉綠素b)的較大變異率(表1),使光合作用特性發(fā)生程度上的變異,一方面葉綠素含量(a+b)變化使葉綠體吸收光能并轉(zhuǎn)換為電能的能力改變,另一方面,葉綠素比例(a/b)的變化也使葉綠體吸收的光能質(zhì)量不同。此外,葉綠素總量的變化也導(dǎo)致兩種羊草趨異類型的葉片顏色明顯不同?；揖G型羊草葉綠素含量高,葉色較深,黃綠型羊草葉綠素含量較低,葉色較淺。因而,在羊草光合生理基礎(chǔ)特性方面,灰綠型與黃綠型羊草已有一定程度的差別。3.2不同植物對(duì)光照、濕度的響應(yīng)同一生境中的灰綠型羊草與黃綠型羊草,對(duì)光輻射強(qiáng)度、氣溫與相對(duì)濕度的響應(yīng)或反應(yīng)有不同程度的變化(圖5～圖6,圖9～圖11)。光強(qiáng)度對(duì)羊草的光合特性有顯著影響。由于光強(qiáng)度的連續(xù)梯度變化,產(chǎn)生羊草葉片的光飽和點(diǎn)與補(bǔ)償點(diǎn)?；揖G型羊草與黃綠型羊草的光飽和點(diǎn)與補(bǔ)償點(diǎn)不同(表2)?；揖G型羊草對(duì)光強(qiáng)度響應(yīng)相對(duì)迅速,有較高的飽和光合速率(23.2μmolCO2/m2·s),但它的光補(bǔ)償點(diǎn)、飽和點(diǎn)均低于黃綠型羊草。一般說(shuō)來(lái),較強(qiáng)光輻射條件下植物的葉片葉綠素含量相對(duì)較少。那么,僅從光合生理和光合結(jié)構(gòu)特性方面看,黃綠型羊草可能比灰綠型羊草更適于在光輻射條件充足的環(huán)境下生長(zhǎng)。應(yīng)該說(shuō)明的是,本實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)羊草趨異類型的光合速率-光強(qiáng)度響應(yīng)曲線,在達(dá)到飽和光強(qiáng)度時(shí),均有一定程度的下降,這與杜占池、楊宗貴的觀測(cè)結(jié)果不同。從理論上分析,羊草為陽(yáng)性植物,它的光飽和點(diǎn)應(yīng)為全日照的100%。本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是,雖然光強(qiáng)度很高,有時(shí)超過(guò)1900.00μmol/m2·s,但是,影響光合速率的還有氣溫因子。光強(qiáng)度在達(dá)到1400μmol/m2·s以后,氣溫上升到30℃以上,超過(guò)了光合酶的最適溫度范圍,從而引起光合速率的下降。圖10、圖11的分析還表明,灰綠型羊草與黃綠型羊草的光合作用對(duì)氣溫與相對(duì)濕度的響應(yīng)也有很大的差異。方差分析結(jié)果表明,兩者的光合作用對(duì)氣溫與濕度的響應(yīng)差異均為極顯著(氣溫T=-6.00,P<0.0001;相對(duì)濕度T=-7.59,P<0.0001)。氣溫對(duì)植物光合酶的影響是顯著的,羊草對(duì)氣溫響應(yīng)的顯著差異說(shuō)明灰綠型與黃綠型羊草的光合酶活性乃至光合能力可能有一定程度的變異。兩個(gè)羊草趨異類型光合速率對(duì)相對(duì)濕度的反應(yīng)也相差較大,雖然隨濕度的升高兩類羊草的光合速率都呈增大的趨勢(shì),而灰綠型羊草在相對(duì)濕度較低時(shí)就有較高的光合速率,這說(shuō)明灰綠型羊草對(duì)相對(duì)濕度的響應(yīng)程度大。除此以外,兩個(gè)羊草類型的光合作用對(duì)葉片溫度的反應(yīng)亦有不同。葉片溫度直接指示了光合酶的環(huán)境溫度,光合速率-葉溫的響應(yīng)受到葉溫的影響。不同葉溫條件下,灰綠型與黃綠型羊草光合速率的最大值與最適范圍差異顯著(圖5),特別是黃綠型羊草更適于相對(duì)高溫狀態(tài),它的溫度生態(tài)幅度較寬。從這一點(diǎn)看,黃綠型羊草的分布面積大、范圍廣是有其生理學(xué)基礎(chǔ)的。3.3羊草的生態(tài)型本實(shí)驗(yàn)已經(jīng)初步確定,灰綠型羊草與黃綠型羊草在生理結(jié)構(gòu)與功能的某些方面表現(xiàn)了明顯的趨異特征,例如兩個(gè)類型的葉片葉綠素含量、光合速率及對(duì)相關(guān)生態(tài)因子的響應(yīng)程度等。根據(jù)已有的研究文獻(xiàn),還能發(fā)現(xiàn),不僅兩個(gè)羊草類型的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、組分、分布等方面有差別(表3),而且它們的種群特征(年齡結(jié)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)繁殖力等)也有明顯差異,那么,依據(jù)這些變異能否將兩個(gè)羊草趨異類型確定為兩個(gè)生態(tài)型?生態(tài)型是作為生態(tài)學(xué)單位(ecologicalunit)而提出的,Turesson將之定義為,適應(yīng)于生態(tài)種對(duì)特殊生境發(fā)生遺傳型或基因型反應(yīng)(genotypicalresponse)而形成的產(chǎn)物。由于每種生態(tài)型都適應(yīng)了一組不同的生態(tài)條件或特殊生境,因而生態(tài)型的劃分能反映