墨脱两种桫椤科植物的叶片形态结构与光合特性比较研究

Study on the Leaf Morphological Structure and Photosynthetic Characteristics of Two Cyatheaceae Plants in Motuo

摘要

本研究旨比较了解西藏墨脱毛叶黑桫椤和白桫椤的生长状况，使用Li-6400便携式光合仪测定同一生境下毛叶黑桫椤和白桫椤的净光合速率（P_n）、胞间CO₂浓度（C_i）、蒸腾速率（T_r）、气孔导度（G_s）、水蒸气压亏损（VPD）及光响应曲线，并计算水分利用效率（WUE），利用叶面积测定仪、SPAD-502便携式叶绿素测定仪测定两种桫椤的叶片结构特征参数与叶绿素含量，结果表明，相同生境下，白桫椤的光补偿点远高于毛叶黑桫椤，光饱和点却比毛叶黑桫椤略低，说明毛叶黑桫椤对弱光的利用能力较白桫椤强，比白桫椤更耐阴，白桫椤光补偿点较毛叶黑桫椤高，说明其利用弱光能力相对较低，能耐较强光。毛叶黑桫椤光补偿点低，光饱和点高，说明其适应光照的范围大。二者的叶片结构与光合生理之间的参数有显著差异性；Pearson分析结果表明，LL/LW对光合生理的影响最为显著（P<0.01），且同时使用RDA冗余分析对叶片形态结构与光合特性之间的关联性进行分析，得到与Pearson分析一致的结论。

Abstract

In order to better understand the growth status of Gymnosphaera andersonii and Sphaeropteris brunoniana in Xizang, a Li-6400 portable photosynthetic instrument was used to measure the net photosynthetic rate (P_n), intercellular CO₂ concentration (C_i), transpiration rate (T_r), stomatal conductance (G_s), water vapor pressure deficit (VPD), and light response curve of G. andersonii and S. brunoniana in the same habitat. The results showed that the light compensation point of G. andersonii in the same habitat was 17.05μmol·m^-2·s^-1, light saturation point 1601.6016μmol·m^-2·s^-1, while the light compensation point of S. brunoniana is 136.13614μmol·m^-2·s^-1, with a light saturation point of 1463.46346μmol·m^-2·s^-1, both of which are negative plants. The light compensation point of S. brunoniana is much higher than that of G. andersonii, but the light saturation point is slightly lower than that of G. andersonii. This indicates that G. andersonii has a stronger ability to utilize weak light than S. brunoniana and is more tolerant to shade than S. brunoniana. The light compensation point of S. brunoniana is higher than G. andersonii, indicating that its ability to utilize weak light is relatively low and it can tolerate stronger light. G. andersonii has a low light compensation point and a high light saturation point, indicating a wide range of adaptation to light. There is a significant difference in the parameters between leaf structure and photosynthetic physiology between the two. Pearson analysis showed that LL/LW had the most significant impact on photosynthetic physiology (P<0.01).

Graphical abstract

关键词

毛叶黑桫椤 / 白桫椤 / 叶片形态结构 / 光合特性

Key words

Gymnosphaera andersonii / Sphaeropteris brunoniana / leaf morphology and structure / photosynthetic characteristics

桫椤是现存少有的木本树形蕨类植物，即有与乔木类似的直立茎，也是与恐龙同期生存的孑遗植物，距今已有几亿年的历史了。桫椤树形优美，是很好的观赏植物，而其叶与茎干中含有多种化合物如黄酮类、甾体类、三萜化合物^[1]等，具有祛风除湿、活血化瘀、清热止咳等作用，具有很高的药用价值。因第四纪冰川时期地壳变化，生长面积大幅缩小，后又因人类活动影响，其生存变得愈发艰难，现被国家林业与草原局评定为国家二级保护植物^[2]。桫椤在我国主要分布在四川、重庆、海南、广东、贵州等热带、亚热带地区，西藏仅墨脱地区有分布^[3]，且对于桫椤的研究也仅集中于四川、贵州、广东等地，而西藏墨脱桫椤的研究还暂未见报道。对桫椤的研究早年集中在其繁殖育种^[4-6]与化学成分^[1,7-8]上，后又有学者研究桫椤的种群结构与动态特征^[9-12]，也有桫椤群落的相关研究，比如对群落生态位与种间联结性^[13-15]、干扰因素^[16-17]的研究，但是鲜有桫椤光合作用的研究，经过文献资料查找，仅杜凌^[18]对桫椤的光照与CO₂响应曲线有一些研究产出。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及试验材料

1.1.1 试验地概况

试验在墨脱县背崩乡江新村（29.23854228°N, 95.16713901°E）进行，当地海拔高度为755 m。试验地原为原始森林，经当地百姓开垦，用于玉米种植。墨脱县位于喜马拉雅山东部，属于亚热带湿润季节性气候，生物资源丰富，年平均气温18.9 ℃，最冷月1月均温11.45 ℃，最热月7月均温26.4 ℃，冬季月平均气温12.44 ℃，年最低气温3.2℃，最高气温38.6℃，年降雨量约为2 300 mm，年日照时数2 000 h，年平均相对湿度90.3%，水热条件充足^[19]，土壤类型为高活性强酸土。该样地群落中乔木主要有芭蕉（Musa basjoo）、异叶榕（Ficus heteromorpha）、尼泊尔水东哥（Saurauia napaulensis）、灌木有楠藤（Mussaenda erosa）、截裂毛蕨（Cyclosorus truncates）、齿牙毛蕨（Cyclo-sorus dentatus）、水茄（Solanum torvum），草本植物有蕺菜（Houttuynia cordata）、藿香蓟（Ageratum conyzoides）、秋拟鼠麴草（Pseudogna-phalium affine）、水金凤（Impatiens noli-tangere）、长箭叶蓼（Persicaria hastatosagittata）、墨脱卷柏（Selaginella medogensis）等。

1.1.2 试验材料

2023年6月在墨脱县背崩乡江新村一沟谷地内测定毛叶黑桫椤（Gymnosphaera andersonii）与白桫椤（Sphaeropteris brunoniana）光合作用日变化、光响应曲线数据，各测定6片羽片，并采集桫椤羽片数片。

1.2 指标测定及方法

1.2.1 叶片样品采集

2023年6月5日在江新村样地内选择长势一致的健壮植株，取中部功能叶片研究其形态、光合参数等、每种材料重复3次。

1.2.2 测定方法

使用ScanMaker i800 Plus叶片扫描仪扫描叶型并利用万深叶分析系统测定叶面积、叶周长和纵横比等，每种桫椤分别测定12片羽片。SPAD-502便携式叶绿素仪可以检测代表植物叶绿素含量的SPAD值。不同位置的叶片叶绿素含量差异较大，因此在测定不同位置多个桫椤小羽片的SPAD值，计算其平均值。测定时应注意观察叶片，避开其损伤部位，保持数据精确性。

使用Li-6400便携式光合测定仪在晴朗的天气下于8：00～19：00每隔2 h测定出两种桫椤的净光合速率（net photosynthetic rate，P_n）、蒸腾速率（transpiration rate，T_r）、以及胞间CO₂浓度（intercellular CO₂ concentration，C_i）等指标并计算水分利用效率（water useefficiency，WUE，Pn/Tr，为避免测定误差，在一天内同时对两种桫椤的光合日变化进行测定。光响应曲线参照廖小锋^[20,21]、杜凌^[18]等人的测定方法进行测定。测定完成后，依据测定数据来绘制光响应曲线，根据P_n-PAR响应曲线的回归分析，我们能够测算出光补偿点和光饱和点的数值。

1.3 数据处理

通过使用Excel2016和SPSS 22.0，我们可以对数据进行汇总和整理，并使用Duncan’s法来比较不同处理方法之间的差异。此外，使用Origin21.0来分析相关性并绘图。

2 结果与分析

2.1 两种桫椤科植物叶片形态比较

图1~4是两种桫椤科蕨类植物的羽片扫描图，毛叶黑桫椤长约为10 cm，羽片较短，颜色较深，且小羽片边缘有锯齿，羽柄呈红棕色，羽裂较浅，羽脉较为稀疏，成熟期羽片有60片左右小羽片；白桫椤羽片长约11 cm，较毛叶黑桫椤长，颜色较浅，小羽片边缘光滑无锯齿，羽柄呈浅棕，羽裂深，羽脉密集，成熟期羽片有50片左右小羽片。由表1及图5的5个柱形图可知，两种桫椤的羽片面积差异显著（P＜0.05），羽片长与羽片纵横比差异极显著（P＜0.01）。其中白桫椤的羽片面积比毛叶黑桫椤的大了19.07%，羽片长度大了15.27%，纵横比大了16.17%；两种桫椤科蕨类植物的羽片周长与羽片宽并无显著差异。

2.2 两种桫椤科植物羽片色素含量比较

叶绿素含量能够直接影响叶片的光合速率，植物的营养状况和生长品质也间接受到叶绿素含量的影响。叶绿素含量的测定较为繁琐，一般需要使用化学药品处理叶片后利用分光光度计分析并计算，因此越来越多的学者开始研究叶绿素含量与SPAD值之间的相关性^[22-26]关系。且研究表明，SPAD值可以较好地反映植物叶片的实际叶绿素含量^[27]。由表2可知，毛叶黑桫椤SPAD值在35左右，白桫椤的则在11左右，毛叶黑桫椤羽片的叶绿素含量要远高于白桫椤，两者之间的SPAD值差异非常显著。

2.3 两种桫椤科植物光合参数比较

光合作用是植物重要的生理生态特性，是植物生长发育的基础，光合速率会随着光照强度的变化而发生变化，光响应曲线特征参数能够反映植物叶片利用光照的能力与变化规律。分析光响应曲线可以得到植物的光补偿点和光饱和点。根据光饱和点和光补偿点的值判断植物对光照条件的需求，以及植物喜阳和耐阴的性能^[28]。

根据图5-a，当光合有效辐射为0 μmol·m^-2·s^-1时，两种桫椤的净光合速率都为负值，当光合有效辐射达到60 μmol·m^-2·s^-1时，二者都开始进行光合作用，当光合有效辐射小于1 800 μmol·m^-2·s^-1时，两种桫椤的净光合速率随着光照强度的增大而增大，1 800 μmol·m^-2·s^-1后不再大幅增加，维持在一定水平。从表3可知，相同生境下，毛叶黑桫椤的光补偿点为17.05 μmol·m^-2·s^-1、光饱和点为 1 601.601 6 μmol·m^-2·s^-1，而白桫椤的光补偿点为136.136 14 μmol·m^-2·s^-1、光饱和点为1463.463 46 μmol·m^-2·s^-1。

由图5-b、c、d、e、f我们可以发现，在不同光照强度下，蒸腾速率与气孔导度的变化趋势相似，随着光照强度的增强，白桫椤的Tr与Gs都呈上升趋势，且在1 800 μmol·m^-2·s^-1达到最高点，毛叶黑桫椤则与之相反，整体呈现下降趋势，在光照强度为1 000 μmol·m^-2·s^-1时达到最高点，后又随着光强增强而下降至最低；毛叶黑桫椤的胞间CO₂浓度与水分利用效率在0～800μmol·m^-2·s^-1之间起伏，后逐渐平缓，白桫椤的只在0～100 μmol·m^-2·s^-1之间有大幅降低，最终又回到了一个较为稳定的水平。

由图7-a知，晴朗天气下，毛叶黑桫椤的净光合速率（P_n）日变化为单峰型，与鸦胆子等其他植物不同^[29]，其峰值出现在4:00 pm左右，随后P_n随着光照强度的减弱而减小。8:00～10:00 am时P_n呈现出明显的双峰特征，10:00 am出现第一个高峰，10:00 am～12:00 pm时P_n开始下降，4:00 pm出现第二个高峰，这一现象被称为“午休”。

当植物开始光合作用时，叶片气孔就开始发挥重要的作用，它们能够有效地控制CO₂的摄取，同时也能够有效地减少水的流失，而这种控制机制与净光合速率以及蒸腾速率紧密相关。作为水分通道，气孔直接影响叶片的蒸腾作用，影响叶片光合作用、干旱、散热等生理过程。图7-b可知，从8:00 am开始，随气温与光照强度的增强，毛叶黑桫椤的气孔导度指数逐渐增大，在12:00 pm光照最强时到达最高点后开始降低，在4:00 pm时到达最低点。白桫椤的气孔导度整体高于毛叶黑桫椤，且整体呈下降趋势，在2:00 pm达到最低点。

由图7-c知，毛叶黑桫椤与白桫椤的胞间CO₂浓度（C_i）日变化趋势大致相同，都是“V”型，白桫椤C_i整体高于毛叶黑桫椤。其中，毛叶黑桫椤C_i在2:00 pm时达最低点，白桫椤在4:00 pm达到最低点。

图7-d表明，两种蕨类植物的蒸腾速率（T_r）都是双峰型，且都在8:00 am～12:00 pm迅速上升，并于12时达第一个峰值，后急速下降，在4:00 pm达到第二个峰值。

图7-e表明，水蒸气压亏损（VPD）是用来衡量植物蒸腾作用强度的指标，VPD与气温成正比，与相对湿度成反比，即气温越高VPD越高，相对湿度越高VPD越低。同时还有一个指标影响，那就是植物体温和气温的温差，与VPD同样成正比。两种桫椤的VPD变化趋势相似，都呈倒“V”型，但是毛叶黑桫椤在2:00 am时达到最高，白桫椤则在4:00 pm。

根据图7-f可以看出，在8:00 am，毛叶黑桫椤的水分利用效率（WUE）会有所上升，于2:00 pm达到最高点，说明这时毛叶黑桫椤羽片呼吸速率快，蒸腾速率慢，气孔导度低，对水分的利用速率就高，白桫椤则与毛叶黑桫椤呈相反的状态，从8:00 am开始逐渐下降，12:00 pm时开始上升，4:00 pm之后又呈下降趋势，说明随着光照强度与温度的上升，白桫椤光合速率也逐渐增强，气孔导度降低，蒸腾速率下降，水分利用效率增大，12:00 pm时白桫椤有午休现象，这时温度高，为防止水分过多流失，气孔大量关闭，CO₂难以进入气孔，光合速率大幅降低，2:00 pm之后光合速率逐渐上升，水分利用效率也随之上升，4:00 pm之后，光照强度减弱，水分利用效率也降低。

由表4可知，两种桫椤的Pn、Gs、WUE之间均无显著差异。白桫椤的Tr与Ci显著高于毛叶黑桫椤（P＜0.05），VPD则显著低于毛叶黑桫椤 （P＜0.05）。

根据表5的结果，可以看出，毛叶黑桫椤的C_i和P_n的关联性呈现出明显的负相关，相关系数高达-0.933。此外，水蒸气压亏损、水分利用效率与净光合速率的相关性分别为显著正相关、极显著正相关，相关系数为0.870与0.970，水蒸气压亏损、水分利用效率与胞间CO₂浓度的相关性都是极显著负相关，相关系数为-0.973、-0.975。白桫椤的蒸腾速率与胞间CO₂浓度、水蒸气压亏损都有相关性，分别为显著负相关、显著正相关，相关系数为-0.831、0.841，水分利用效率与净光合速率也存在正相关关系，相关系数为0.897。

2.4 叶片结构与光合生理关系分析

图8为两种桫椤羽片结构与光合生理的相关性分析（Person）热图。根据图表，两种桫椤羽片形态结构参数与光合生理特性存在较强的相关性。其中，LP与LA、LL与LL/LW、LA与LL、Tr与LA、LP、Pn与LP、WUE、VpdL与SPAD值呈显著正相关，VpdL与LA、LP、LL、LL/LW、Tr，SPAD值与LA、LL、LL/LW呈显著负相关。

利用RDA冗余分析可以优选出对叶片结构变量对光合参数变化影响最重要的变量，以5个叶片形态特征指标为解释变量，7个光合生理参数为响应变量，对两个变量组进行排序分析。借助Canoco5绘制RDA图，分析发现轴1.轴2能够解释98.07%的光合生理的变异，由图9可知，LL/LW、LL、LA、LP箭头较长，表明能够较好的解释叶片结构变异，Ci与LL/LW、LL、LA，Tr与LL/LW、LL、LA、LW，Pn与LA、LP、LW，WUE与LW、LP、LA之间夹角较小（锐角），说明这几个参数之间有较强的正相关性，而VpdL、SPAD分别与LW、LP、LA、LL/LW之间为钝角，表明它们之间为负相关。比较RDA与Pearson分析发现，二者的结果具有一致性。

3 讨论

叶片作为植物与外界环境接触面积最大的器官，是联系植物生理和外环境的桥梁，通过调整叶片功能性状以应对不同生境，是植物适应环境变化的一种生存策略。叶片形态可影响叶光合面积，叶面积大小、叶宽等形态指标反映了植物对光的截获能力。本研究选择处于同一生境下的毛叶黑桫椤与白桫椤的中部功能羽片作为研究对象，研究结果更具参考性。研究结果显示，白桫椤的羽片周长、面积大，羽片宽度稍小，其光合面积大，更利于光能的补获。叶绿素是植物叶片进行光合作用不可或缺的物质，叶绿素含量是叶片生理状态的一项重要生理指标，在植物光合生理、抗性生理和发育生理研究中经常需要测定叶绿素含量。很多学者的研究表明，SPAD值与植物叶绿素含量呈显著正相关，因此SPAD叶绿素仪能够代替复杂繁琐的传统手段来测定叶绿素含量。数据测定表明，毛叶黑桫椤羽片叶绿素含量高于白桫椤，这可能是因为毛叶黑桫椤通常情况下比白桫椤低矮，因此其相当于在遮荫条件下生长，有研究表明，在一定程度的遮荫条件下，植物能够调节自身的生长机制，增加叶绿素含量，提高光合速率与光能转化率^[30]，但是当遮阴水平过高时，叶片叶绿素的形成会受到抑制，进而影响到植物的光合作用，导致植物难以生存^[31]。

光合速率是衡量植物光合作用效率的重要指标，它可以帮助我们了解光合系统的运行情况。通过光响应曲线，我们可以确定光合作用的最佳状态，并且可以更准确地了解植物对光照的需求。毛叶黑桫椤的净光合速率日变化为单峰型，白桫椤的则为双峰型，毛叶黑桫椤的光补偿点低于白桫椤，光饱和点高于白桫椤，说明毛叶黑桫椤较白桫椤耐阴性更强，对于光照的适应范围更大，能够在光照强度较低的情况下积累光合产物，与上述有关叶绿素的研究结果相符。结合曾献伯^[32]对蕨类植物需光特性的研究分类，即在21 ℃时，光补偿点为300 Lx左右、光饱和点为30 KLx左右为阳性植物，光补偿点为50 Lx左右、光饱和点为5 KLx左右为阴性植物，光补偿点为200 Lx左右而光饱和点为20 KLx左右的则为耐阴植物可判断，两种桫椤均为耐阴植物。白桫椤具有“午休”现象，即中午光照强度强、温度高时，植物叶片为防止水分流失、减小蒸腾作用而关闭气孔，以至于CO₂难以进入叶片进行光合作用，这时植物的净光合速率水平很低。

通过相关性分析发现两种桫椤的光合特性与叶片结构性状相互影响，同时各性状间可能存在较大的相关性进而增加问题分析的复杂性^[33]。其中LP、LA、LL、LL/LW、Tr、Pn、WUE 、VpdL、SPAD等性状之间的相关性较强，这使得我们能够更准确地分析出两种桫椤植物光合生理变异的关系。

4 结论

（1） 此项研究中，我们选择了西藏墨脱两种桫椤作为试验材料，系统研究了其叶片形态、叶绿素含量及光合参数等，并进一步探讨了叶片结构与光合生理间的关系。我们发现，这两种桫椤均属于耐阴植物，在光补偿点方面，白桫椤的优势显著，而在光饱和点方面，它的优势则稍逊，说明毛叶黑桫椤对弱光的利用能力较白桫椤强，比白桫椤更耐阴，白桫椤光补偿点较毛叶黑桫椤高，说明其利用弱光能力相对较低，能耐较强光。毛叶黑桫椤光补偿点低，光饱和点高，说明其适应光照的范围大。比较这两种蕨类植物的光补偿点与光饱和点大小，发现白桫椤的光补偿点远高于毛叶黑桫椤，光饱和点却比毛叶黑桫椤略低，说明毛叶黑桫椤对弱光的利用能力较白桫椤强，比白桫椤更耐阴，白桫椤光补偿点较毛叶黑桫椤高，说明其利用弱光能力相对较低，能耐较强光。毛叶黑桫椤光补偿点低，光饱和点高，说明其适应光照的范围大。这两种蕨类植物生长在海拔较低的沟谷地，植物类型丰富，高大茂盛的芭蕉与榕树等植物使得沟谷地潮湿荫蔽，具有很好的水热条件。

（2） 经过Pearson分析，我们发现两种桫椤植物的叶片结构和光合生理参数存在显著差异。其中，LL/LW变化对光合生理影响最大（P<0.01）。总体而言，两种桫椤植物均在试验地生长状况良好，这为我们今后更好地研究桫椤科植物的栽培和园林应用提供了重要的理论依据。

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基金资助

西藏农牧学院研究生教育创新计划项目(YJS2022-14)