不同钙离子浓度对喜钙和嫌钙型金花茶光合及生理指标的影响

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摘要：摘要：为探讨喜钙型金花茶对高钙环境的生理适应机制以及嫌钙型金花茶的避钙机理，该文采用砂培法，分别以两种喜钙型金花茶 [直脉金花茶(Camellia multipetala)、柠檬金花茶(C. limonia)]和两种嫌钙型金花茶 [金花茶(C. nitidissima)、东兴金花茶(C. tunghine

　　摘要：为探讨喜钙型金花茶对高钙环境的生理适应机制以及嫌钙型金花茶的避钙机理，该文采用砂培法，分别以两种喜钙型金花茶 [直脉金花茶(Camellia multipetala)、柠檬金花茶(C. limonia)]和两种嫌钙型金花茶 [金花茶(C. nitidissima)、东兴金花茶(C. tunghinensis)]的幼苗为材料，用不同浓度(设为5、25、50、100 mmol·L1)的钙离子(Ca2+)营养液进行培养，研究其对两种不同类型金花茶的光合及生理指标的影响。结果表明：两种嫌钙型金花茶的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、实际光化学效率(ΦPSⅡ)、电子传递效率(ETR)、叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)、叶绿素总量[(Chl(a+b)]均随Ca2+浓度的升高而降低，表明高钙环境降低了嫌钙型金花茶的光合能力;喜钙型金花茶的这些指标在不同Ca2+浓度下无显著变化，高钙环境未影响其光合作用的正常进行。嫌钙型金花茶叶片丙二醛含量和PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)在高钙环境下未有显著变化，表明其光合膜系统还未受到伤害。随着Ca2+浓度的升高，嫌钙型金花茶叶片脯氨酸含量显著增加，而可溶性糖含量变化却不大;喜钙型金花茶在不同Ca2+浓度下脯氨酸和可溶性糖含量的变化均不明显，但其可溶性糖含量却明显高于嫌钙型金花茶。喜钙型金花茶对外界钙离子浓度的变化不敏感，其适应高钙的生理机制可能与叶片較高的可溶性糖含量有关;而嫌钙型金花茶对高钙环境的适应性较差，这可能是其不能在钙质土上生长的主要原因。

　　关键词： 金花茶， 喜钙， 嫌钙， 光合， 荧光， 生理

　　钙(Ca)是植物生长必需的营养元素，是构成细胞壁和细胞膜的重要组分，对维持细胞结构的稳定性，调节无机离子运输等方面起着至关重要的作用(Kinzel，1989);同时，钙也是植物体内重要的信号分子，参与植物生长发育、光合作用电子传递和光合磷酸化、激素调控等，对其生理活动进行广泛调节(Poovaiah & Reddy，1993;Marschner，1995)。因此，植物对钙的吸收、转运和储存对其生理功能有重要影响(White & Broadley，2003)。但是，高浓度的钙离子(Ca2+)是一种细胞毒害剂，如果细胞内Ca2+浓度过高，将会与磷酸反应形成沉淀，从而扰乱与磷代谢有关的生理过程，或妨碍正常的信号转导进而影响植物生长(White & Broadley，2003;Hirschi，2004)。喀斯特喜钙植物通过一系列形态或生理功能的调整适应高钙环境，如将吸收的钙合成草酸钙晶体储藏在组织和细胞间隙内(Webb，1999;Franceschi & Nakata，2005);形成钙化根沉积一部分钙(Musetti & Favalim，2003);降低根系对钙的吸收(Mcconnaughey & Whelan，1997);或通过调节某些生理活性物质的变化来适应高钙环境(张宇斌等，2008;黄芬等，2008)。大多数生长在酸性土上的嫌钙植物对高钙环境相当敏感，有一部分嫌钙植物因土壤中过高的钙含量而影响其生长(Silva et al.，1994;Vicherová et al.，2015);另有相当一部分嫌钙植物之所以不能在钙质石灰土上生长是因为存在磷(P)或铁(Fe)的限制(Tyler，1996;Zohlen & Tyler，2000)。

　　金花茶组(Camellia， Sect. Chrysantha Chang)植物系山茶科山茶屬常绿灌木或小乔木，因其开黄色的茶花而著称于世，是珍稀的观赏植物和培育杂交茶花新品种的种质资源(韦霄等，2006)。金花茶组植物主要分布在我国广西西南部的防城、龙州、宁明、扶绥、大新及越南谅山等地(张本能和黄广宾，1986)，分布区的植被类型主要是北热带石灰岩常绿阔叶林、石灰岩山地季雨林和南亚热带常绿阔叶林(苏宗明和莫新礼，1988)，以海拨120～350 m之间的山间沟谷、溪边以及石灰岩坡麓、峰槽谷地较为常见(梁盛业，1989)。根据金花茶组植物生长土壤的不同，可分为石灰土金花茶和酸性土金花茶两大类，前者11种，分布于石灰岩山地(石山区);后者7种，分布于砂、页岩山地(土山区)(张宏达和任善湘，1998)。在自然情况下，尚未发现同一种类的金花茶可以在两类不同性质的土壤上出现(苏宗明和莫新礼，1988)。与砂页岩地区相比，石灰岩地区土壤一般具有富钙偏碱的特性。葛玉珍等(2009)研究表明，石灰土金花茶在酸性土上也能长势良好，而酸性土金花茶在石灰土上生长不良或死亡。根据植物生长对土壤钙质的依赖程度(候学煜，1954)，可将分布于石灰土的金花茶归为喜钙型金花茶，而分布于酸性土的金花茶归为嫌钙型金花茶。喜钙型金花茶对高钙环境有很好的适应性，这是否与某些生理活性物质的调节有关?嫌钙型金花茶不能在钙质土上正常生长，高浓度的Ca2+是否是其长势不良的主要原因?为此，本研究以分布于两类不同土壤的喜钙型金花茶和嫌钙型金花茶为材料，通过比较两类金花茶对不同浓度外源Ca2+的光合和生理响应的差异，探讨喜钙型金花茶对高钙环境的适应机制，分析嫌钙型金花茶的避钙机理。研究结果将有助于深入认识金花茶组植物生境多样性的形成及适应机制，为这一珍贵类群的生物多样性保育提供科学依据。

　　1材料与方法

　　1.1 材料

　　在广西桂林市雁山区广西植物研究所温室大棚内进行试验。金花茶为阴生植物，通过黑色尼龙网遮荫， 搭建相对光强为15%的荫棚(中午光合有效辐射为250～300 mol·m2·s1)，以便开展相关试验。试验材料为喜钙型金花茶和嫌钙型金花茶各两种(均为2年生扦插苗)，喜钙型金花茶为直脉金花茶(Camellia multipetala)和柠檬金花茶(C. limonia)，嫌钙型金花茶为金花茶(C. nitidissima)和东兴金花茶(C. tunghinensis)，选取长势较好、基径、高度相对一致的苗木进行试验。

　　1.2 试验处理

　　采用盆栽控制试验，以石英砂作栽培基质，霍格兰氏(Hoaglands)改良营养液为母液，通过添加乙酸钙[Ca(CH3COO)2]配置不同Ca2+浓度的营养液(分别为5、25、50、100 mmol·L1)。其中，5 mmol·L1的 Ca2+浓度用以模拟酸性土中交换态钙含量，100 mmol·L1的Ca2+浓度用以模拟石灰土中交换态钙含量。栽培基质为60目的石英砂，使用前先将石英砂用0.5%盐酸浸泡1 d，之后用自来水清洗至中性。将洗净的石英砂装入塑料盆内(直径35 cm，高22 cm，底部带排水孔)，每盆13 kg，上沿空出约2 cm，以便水和营养液的浇灌。选择阴天进行苗木移栽，移栽前将苗木根系洗净。每盆栽种3株同种苗木，每处理5盆，4个物种共计80盆240株苗木。移栽后缓苗1个月，待植株恢复生长后进行试验，缓苗期间用无钙的1/4 Hoagland和Aron营养液进行浇灌。试验开始后，每隔2 d浇灌 1次营养液，每盆300 mL，每10 d用大量的纯净水淋洗基质，以保持基质中营养浓度处于可控水平。2018年6月下旬开始试验，处理4个月后，测定各项试验指标。

　　1.3 测定项目和方法

　　试验结束后，选择植株顶端向下第3片至第5片成熟功能叶，进行气体交换参数、叶绿素荧光、叶绿素、丙二醛、脯氨酸和可溶性糖等各项指标的测定。

　　1.3.1 氣体交换参数的测定采用LI6400便携式光合测定系统分析仪(USA， LICOR)测定苗木在不同Ca2+浓度下的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)等光合气体交换参数。测定时间为9：00—11：00，测定时光合有效辐射设置为300 mol·m2·s1，控制叶室温度为28 ℃，样本室CO2浓度为370 mmol·mol1。每处理测定8株，每株测定1片叶，取其平均值。

　　1.3.2 叶绿素荧光参数的测定在清晨阳光直射前选取叶片，暗适应20 min后，用MiniImagingPAM调制叶绿素荧光成像系统(德国，WALZ公司)测定叶片的叶绿素荧光参数。先用测量光(强度为0.1 mol·m2·s1)测定初始荧光(Fo)，随后用饱和光6 000 mol·m2·s1脉冲(脉冲时间0.8 s)激发产生最大荧光(Fm)。用光化光(强度为55 mol·m2·s1)诱导荧光动力学曲线，测定叶片光适应下的最小荧光(Fo′)、最大荧光(Fm′)和稳定荧光(Fs)，并由Wincontrol3软件计算光系统Ⅱ(PSⅡ)最大光化学效率(Fv/Fm)、实际光化学效率(ΦPS Ⅱ)和光合电子传递速率(ETR)。每处理测定6株，每株测定1片叶，取其平均值。

　　1.3.3 叶绿素含量的测定用95%乙醇提取叶片叶绿素，测定提取液在波长665、649 nm下吸光值，按公式计算出叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)的含量及Chl a/Chl b的比值(李合生，2000)。

　　1.3.4 丙二醛、脯氨酸和可溶性糖的测定丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸比色法测定;脯氨酸(Pro)含量采用磺基水杨酸法测定;可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定(李合生，2000)。

　　1.4 数据处理

　　对上述测定的各指标，利用SPSS 18.0软件进行方差分析及显著性检验(Duncan法，显著性水平P=0.05)，用Sigma Plot 12.5绘图。

　　2结果与分析

　　2.1 不同Ca2+浓度对四种金花茶气体交换参数的影响

　　随着Ca2+浓度的升高，嫌钙型金花茶的净光合速率(Pn)呈降低趋势，金花茶和东兴金花茶在50和100 mmol·L1 Ca2+浓度处理下，其Pn显著低于5 mmol·L1 Ca2+浓度处理，与5 mmol·L1 Ca2+浓度处理相比，金花茶在50和100 mmol·L1 Ca2+浓度处理下的Pn分别下降31.3%和63.9%，东兴金花茶则分别下降23.3%和59.4%;两种金花茶在25 mmol·L1 Ca2+浓度处理下的Pn与5 mmol·L1 Ca2+浓度处理无显著差异(图1)。直脉金花茶和柠檬金花茶的Pn在不同Ca2+浓度处理下无显著差异(图1)。气孔导度(Gs)的变化趋势与Pn类似，两种嫌钙型金花茶的Gs随Ca2+浓度的升高而降低，而两种喜钙型金花茶在不同Ca2+浓度处理下无显著变化(图1)。金花茶和东兴金花茶的胞间CO2浓度(Ci)随Ca2+浓度的升高，呈先降低后升高趋势，且均是在50 mmol·L1 Ca2+浓度处理下最小，分别为(243.70±17.30) μmol·mol1和(261.87±15.53) μmol·mol1;直脉金花茶和柠檬金花茶在不同Ca2+浓度处理下，其Ci的变化并不明显(图1)。两种嫌钙型金花茶的蒸腾速率(Tr)随Ca2+浓度的升高，呈先升高后降低趋势，而两种喜钙型金花茶的Tr在不同钙离子浓度下并无显著差异(图1)。

　　2.2 不同Ca2+浓度对四种金花茶叶绿素荧光参数的影响

　　随着Ca2+浓度的升高，四种金花茶的PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)无显著变化，基本都在0.8以上(表1)，表明四种金花茶的PSⅡ原初光能转化效率并未明显降低，其PSⅡ反应中心还未受到伤害。两种嫌钙型金花茶的实际光化学效率ΦPS Ⅱ和电子传递效率ETR随Ca2+浓度的升高呈降低趋势，表明高钙处理降低了嫌钙型金花茶的实际光能转换效率，光合电子传递受到影响，进而降低其光合能力;喜钙型金花茶在不同Ca2+浓度处理下的ΦPS Ⅱ和ETR无显著变化，表明高钙处理并未对其光合作用的正常进行产生影响(表1)。

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