辣椒不同紫色程度叶片的光合特性及光响应模型拟合研究.pdf

园艺学报， 2018， 45 (6)： 1101 1114. Acta Horticulturae Sinica doi： 10.16420/j.issn.0513-353x.2017-0858； http： /www. ahs. ac. cn 1101 收稿日期 ： 2018 02 13； 修回日期 ： 2018 05 14 基金项目 ： 国家现代农业产业技术体系建设专项资金项目（ CARS-24-A-05） * 通信作者 Author for correspondence（ E-mail： zou_xuexiao163.com） 辣椒不同紫色程度叶片的光合特性及光响应模型拟合研究 叶英林1,2，欧立军2，邹学校1,3,*（1湖南大学研究生院隆平分院， 长沙 410125；2湖南省蔬菜研究所， 长沙 410125；3湖南省农业科学院， 长沙 410125） 摘 要： 以紫色叶片辣椒 CS3与绿色叶片辣椒 LS1杂交 F2代分离群体为试验材料，比较研究了从浓紫到纯绿（ Z-1、 Z-2、 Z-3、 Z-4、 Z-5、 Z-6、 Z-7） 7 个不同紫色程度辣椒的光合特性，同时运用直角双曲线模型、非直角双曲线模型、指数方程模型和直角双曲线修正模型等 4 种模型进行光响应拟合，并通过比较拟合优度决定系数（ R2） 、表观量子效率（ ） 、最大净光合速率（ Pn,max） 、光补偿点（ LCP） 、光饱和点（ LSP）及暗呼吸速率（ Rd）等参数，分析了 4 个模型的差异。结果表明： （ 1）当光合有效辐射（ PAR）达到 1 200 mol m-2 s-1以后，紫色程度较高的辣椒（ Z-1、 Z-2、 Z-3、 Z-4、 Z-5）的净光合速率光响应曲线（ Pn PA R）仍然保持着上升趋势，没有出现光饱和或光抑制现象，且气孔导度（ Gs）和蒸腾速率（ Tr）迅速增大，胞间 CO2浓度（ Ci）和水分利用效率（ WUE）均维持在较高的水平；在 PA R 为 2 000 mol m-2 s-1时， Z-4 的 Pn最高，为（ 20.16 0.58） mol m-2 s-1， Z-5 的 WUE（ CO2/H2O）最高，为（ 2.02 0.01） mol mol-1。 （ 2） 4 种模型均能较好地拟合不同紫色程度辣椒叶片 Pn的光响应曲线， 决定系数 （ R2）在 0.964 1.000 之间。比较 R2得出，拟合效果优劣顺序为，直角双曲线修正模型 非直角双曲线模型 直角双曲线模型 指数方程模型，仅直角双曲线修正模型获得了 Z-2、 Z-4、 Z-5、 Z-6、 Z-7 辣椒的 LSP。根据直角双曲线修正模型， Z-4 的 LSP 最大，为（ 2 958.41 923.48） mol m-2 s-1。得出结论， （ 1）紫色辣椒弱光利用能力属于中上水平，对强光具有一定的适应能力，不容易出现光饱和或光抑制现象，光合潜力较大，且暗呼吸消耗较小，有利于积累有机物，在选育耐强光的高产品种方面具有潜在的利用价值； （ 2）叶片紫色程度浅的辣椒有利于筛选节水型材料； （ 3）直角双曲线修正模型的拟合结果与实测值更为接近，且能获得更多的光合参数信息，较适用于拟合紫色辣椒光响应曲线。 关键词： 辣椒；紫色叶片；光合作用；光响应曲线；光响应模型；曲线拟合 中图分类号： S 641.3 文献标志码： A 文章编号： 0513-353X（ 2018） 06-1101-14 Photosynthetic Characteristics and Light Response Model Fitting of Pepper Leaves in Different Degrees of Purple YE Yinglin1,2， OU Lijun2， and ZOU Xuexiao1,3,*（1College of Longping， Graduate School of Hunan University， Changsha 410125， China；2Hunan Vegetable Research Institute， Changsha 410125， China；3Hunan Academy of Agricultural Sciences， Changsha 410125， China） Abstract： A comparative study was conducted on the photosynthetic characteristics of seven peppers Ye Yinglin， Ou Lijun， Zou Xuexiao. Photosynthetic characteristics and light response model fitting of pepper leaves in different degrees of purple. 1102 Acta Horticulturae Sinica， 2018， 45 (6)： 1101 1114. with different purple levels with CS3 hybrid F2generation segregation population. The seven peppers were named as Z-1， Z-2， Z-3， Z-4， Z-5， Z-6 and Z-7， respectively， as the color changed from dark purple to green. Four models（ i.e.， rectangular hyperbolic model， non-rectangular hyperbolic model， exponential model and modified rectangular hyperbolic model） were adopted to fit the light response curves for photosynthesis of the seven peppers. The difference among the four models was determined by comparing the parameters， such as determining coefficient（ R2） ， apparent quantum efficiency（ ） ， maximum net photosynthetic rate（ Pn,max） ， light compensation point（ LCP） ， light saturation point（ LSP） and dark respiration rate（ Rd） . The light response curves among the 7 types of peppers were significantly different under high photosynthetic effective radiation（ PA R） ， i.e.， the light response of net photosynthetic rate（ Pn） for the peppers with higher purple levels remained rising after PA R greater than 1 200 mol m-2 s-1，without saturation and light inhibition phenomena. Meanwhile， stomata conductance（ Gs） and transpiration rate（ Tr） increased rapidly， the inter-cellular CO2 concentration（ Ci） and water use efficiency kept in a high level. Under the photosynthetic effective radiation of 2 000 mol m-2 s-1， the highest Pn value was （ 20.16 0.58） mol m-2 s-1 for Z-4， while the highest water use efficiency value（ CO2/H2O） was（ 2.02 0.01） mol mol-1 for Z-5. Four models were applicable to fitting the Pn PA R curve of multiple peppers varying in purple degree， with the R2 between 0.964 and 1.000. According to R2， the model performance decreased in the order of modified rectangular hyperbolic model， non-rectangular hyperbolic model，rectangular hyperbolic model and exponential function model. Nevertheless， the light saturation point（ LSP） was only obtained by the modified rectangular hyperbolic model for the five types of purple peppers， i.e.， Z-2， Z-4， Z-5， Z-6 and Z-7. The maximum values of LSP were found in Z-4 through the modified rectangular hyperbolic model， valued（ 2 958.41 923.48） mol m-2 s-1. Our findings suggested that（ 1） purple pepper has an excellent weak light utilization capability， and could well adapt to strong light conditions without saturation or light inhibition phenomenon. At the same time， purple pepper has a lower dark respiration， which in turn benefits organism matter accumulation.（ 2） Purple pepper like Z-5 facilitates the selection of water-saving material.（ 3） The modified rectangular hyperbolic model is more suitable for fitting the purple pepper Pn PA R curve as it could provide more parameters comparable to the measured ones. Keywords： pepper； purple leaf； photosynthesis； light response curve； light response model； curve fitting 辣椒（ Capsicum annuum）生产上使用的品种植株通常为绿色，对高温、强光等逆境耐受能力及抗病性普遍偏弱，常因栽培环境不适而落花落果（吴韩英 等， 2001；李修燕 等， 2005） ，而植株呈紫色的辣椒在自然或半野生状态下具有良好的耐逆(高温、干旱） 、抗病（病毒病）等综合抗性特征（滕有德 等， 1997） ，开发利用紫色辣椒资源，是培育逆境耐受能力强，综合抗性好的辣椒新品种的可选途径之一。 植物的光合作用与叶片中的色素密切相关。花青素在不同植物种类中对光合能力的影响不一致，如彩叶草的净光合速率（ Pn）较绿叶草低（ Weisberg et al.， 1988） ，红叶李和紫叶李春夏季的Pn较同期绿叶品种低（姜卫兵 等， 2006） ，紫甘蓝的 Pn较普通绿甘蓝低（王美玲 等， 2008） ，紫叶茄的最大 Pn随着花青素的形成和积累明显降低，但光饱和点无显著变化（薛占军 等， 2009） ，红叶栌的 Pn较同期绿叶栌高（姚砚武 等， 2000） ，红叶桃叶片花青素含量与 Pn显著正相关（徐莉莉 等，叶英林，欧立军，邹学校 . 不同紫色程度辣椒叶片的光合特性及光响应模型拟合研究 . 园艺学报， 2018， 45 (6)： 1101 1114. 1103 2011） ，等等。 光响应模型拟合是用数学模型来模拟植物的光响应过程，通过模型拟合不仅可以了解植物光反应过程的光合效率及规律特征，还可以获得光饱和点（ Light saturation point， LSP） 、光补偿点（ Light compensation point， LCP） 、最大净光合速率（ Maximum net photosynthetic rate， Pn,max） 、暗呼吸速率（ Dark respiration rate， Rd）等各种光合参数。关于光响应模型，国内外学者根据不同的推导机理构建了不同的模型，其中以直角双曲线模型和非直角双曲线模型较为常用，但在实际应用过程中这两种模型适用的范围有限（闫小红 等， 2013； Xia et al.， 2014） ，且拟合结果与实测值相比存在较大偏差（ Larocque， 2002；方宝华 等， 2017；王海珍 等， 2017） 。近年来，随着直角双曲线修正模型（叶子飘和于强， 2007）的提出，逐渐克服了上述模型的局限性，能够较为准确地拟合各种环境下的植物光响应过程及特征参数。因此，越来越多的学者倾向于运用此模型研究植物的光响应（郎莹 等， 2011；王帅 等， 2014；蒋冬月 等， 2015） 。但对于具体哪一种模型较为适合用于拟合紫色辣椒的光响应过程及特征参数鲜见报道。 本试验中选取了 7 个叶片不同紫色程度的辣椒，通过叶片色素、光合作用特性及光响应曲线的测定，研究光合作用主要参数对光强变化的规律，分析叶片中色素与光合特性的关系，并运用 4 种较为典型的光响应模型对光响应曲线进行拟合，分析模型拟合的特征参数与实测值的差异，筛选最适合紫色辣椒的光响应曲线拟合模型，为进一步开发利用紫色辣椒资源提供理论基础。 1 材料与方法 1.1 试验材料与取材 以紫色叶片辣椒 CS3与绿色叶片辣椒 LS1 （湖南省蔬菜研究所提供）杂交 F2代群体为试验材料，定植后 25 d，根据由生长点往下数第 5 叶的颜色不同选择 7 个具有代表性的紫色类型，按照紫色逐渐变浅，绿色逐渐增加依次命名为 Z-1、 Z-2、 Z-3、 Z-4、 Z-5、 Z-6 和 Z-7（图 1） 。肉眼观 图 1 7 种紫色叶片类型辣椒植株 Fig. 1 Pepper plants with seven purple degrees Ye Yinglin， Ou Lijun， Zou Xuexiao. Photosynthetic characteristics and light response model fitting of pepper leaves in different degrees of purple. 1104 Acta Horticulturae Sinica， 2018， 45 (6)： 1101 1114. 察下， 7 个紫色程度辣椒的叶片颜色在整个生长期稳定。其中 Z-1 与 CS3相同，叶片为紫黑色；Z-2 叶片紫色程度略低于 Z-1，可见绿色； Z-3 叶片紫色程度低于 Z-2 且叶脉呈现绿色； Z-4 叶片紫色程度低于 Z-3 且叶脉呈现紫色， Z-5 叶脉全部呈紫色， Z-6 叶脉一半呈紫色， Z-7 叶片全绿。大棚小高畦栽培，每畦栽两行，行距 60 cm，株距 35 cm，常规水肥管理。 1.2 色素及光响应参数测定和水分利用效率（ WUE）计算 叶绿素相对含量的测定根据孔祥生和易现锋（ 2008）的方法稍有改动，摘取植株由生长点往下数第 4 6 片叶，避开主叶脉称取 0.2 g 鲜叶，用 10 mL 提取液（丙酮 95%乙醇 = 2 1）浸提 16 h，用可见分光光度计分别测定其在 663、 646 和 470 nm 处的吸光值，并以 1 g 鲜质量在 10 mL 提取液中0.1 个 OD 值为 1 个色素单位分别计量叶绿素 a、叶绿素 b 和类胡萝卜素的相对含量，重复测定 3 次。 花青素相对含量的测定参照唐前瑞等（ 2006）的方法稍有改动，摘取植株由生长点往下数第 4 6 片叶，避开主叶脉称取 0.2 g 鲜叶，用 10 mL 2%的盐酸甲醇溶液在避光条件下浸提 2 h，待组织变白后，用可见分光光度计测定其在 535 nm 处的吸光值，并以 1 g 鲜质量在 10 mL 提取液中 0.1 个OD 值为 1 个色素单位计量花青素的相对含量，重复测定 3 次。 光响应数据的测定，盛花期选择连续 3 d 以上的晴朗天气，于 9： 00 11： 30 用便携式光合测定系统（ Li-6400， USA） ，配用 6400-02B 红蓝光源，选择无病斑健康的全展叶，用刷子轻扫去叶面杂质后进行测定。每个紫色类型测定 3 株，每个植株测定 3 4 片叶，连续重复 3 d，取其平均值。光合有效辐射（ PA R）分别设置为 0、 60、 100、 150、 200、 250、 500、 750、 1 000、 1 200、 1 500、2 000 mol m-2 s-1。净光合速率（ Pn） 、气孔导度（ Cs） 、胞间 CO2浓度（ Ci） 、蒸腾速率（ Tr）由光合测定系统直接测出。 测定时， 叶片温度为 （ 32.13 0.24） ， 气流速度为 （ 500.00 0.01） mol s-1，样本室 CO2浓度为（ 350.69 1.74） mol mol-1，相对湿度为 47.95% 0.95%。 WUE = Pn/Tr。 1.3 光响应曲线拟合模型 利用直角双曲线模型（ Baly， 1935； Lewis et al.， 1999） 、非直角双曲线（ Tornley， 1976） 、指数方程模型（ Bassman & Zwier， 1991）和直角双曲线修正模型（叶子飘和于强， 2007）进行光响应曲线拟合，各种模型的数学表达式及具体参数设置情况见表 1。 根据光响应曲线实测数据点的走势估算 LSP、 Pn,max、 LCP（ Pn为 0 时的 PA R） ， Rd（ PA R 为 0 时的 Pn） 等参数 （ Xia et al.， 2014； 王海珍 等， 2017） ， 表观量子效率 由弱光下 （ PA R 200 mol m-2 s-1） 表 1 光响应曲线拟合模型的数学表达式及参数设置 Table 1 Light response curve fitting model expressions and parameter setting 模型 Model 数学表达式 Expression 初始值 Initial value 直角双曲线模型 Rectangular hyperbolic model Pn(I) = IPn,max/(I + Pn,max) Rd = 0.06， Pn,max = 10， Rd = 1 非直角双曲线模型 Non-rectangular hyperbolic model Pn(I) = (I + Pn,max )/2k Rd = 0.06， Pn,max = 10， k = 0.5，Rd = 1 直角双曲线修正模型 Modified rectangular hyperbolic model Pn(I) = (1 I)/(1 +I)I Rd = 0.06， = 0.002， = 0.01，Rd = 1 指数模型 Exponential model Pn(I) = Pn,max(1 e-I/Pn,max) Rd = 0.06， Pn,max = 10， Rd= 1 注： Pn(I)为总净光合速率； k 为曲线弯曲程度的曲角参数； 为修正系数； = /Pn,max，是一个与光强无关的系数。 Note： Pn(I) indicates the total net photosynthetic rate， k is a parameter indicate curve bending degree， is a correction factory， = /Pn,max，is a factor independent of light intensity. 叶英林，欧立军，邹学校 . 不同紫色程度辣椒叶片的光合特性及光响应模型拟合研究 . 园艺学报， 2018， 45 (6)： 1101 1114. 1105 PA R 与 Pn的线性回归法求得，估算出的光响应特征参数作为实测值与 4 种模型拟合值比较分析。 1.4 数据处理 运用软件光合计算器 （叶子飘， 2016）光响应模块对 7 个不同紫色程度的辣椒叶片的光响应曲线实测数据进行拟合，得出 、 Pn,max、 LSP、 LCP 及 Rd等指标，并运用 Excel 2007 作图。采用SPSS19.0 软件对叶片主要色素相对含量及比值，水分利用效率，主要光合特征参数进行 One-way ANOVA 和 Bivariate Analysis。 2 结果与分析 2.1 色素含量的差异比较 不同紫色程度辣椒叶片中的色素相对含量存在一定差异（图 2） 。 图 2 不同紫色程度辣椒色素相对含量及色素比值 柱形图里面不同小写字母表示同一株系的不同色素相对含量之间差异显著；柱形图顶部不同小写字母表示不同辣椒 植株之间色素相对含量或色素比值差异显著； P 非直角双曲线模型 直角双曲线模型 指数方程模型（表 3） 。 Ye Yinglin， Ou Lijun， Zou Xuexiao. Photosynthetic characteristics and light response model fitting of pepper leaves in different degrees of purple. 1108 Acta Horticulturae Sinica， 2018， 45 (6)： 1101 1114. 直角双曲线模型和指数模型的 Pn拟合值在各个点均与实测值存在较为明显的偏差（图 5） ，具体表现为： PA R 在 0 500 mol m-2 s-1及 1 500 2 000 mol m-2 s-1范围内，拟合值低于实测值，而 PA R 在 500 1 500 mol m-2 s-1范围内又高于实测值。 非直角双曲线模型的拟合结果较优（图 5） ，特别是在低 PAR 区域，对不同紫色程度辣椒的 Pn拟合值均与 Pn实测值较为接近。 在高 PA R 区域， 仅 Z-1、 Z-3的拟合值在 PAR 500 2 000 mol m-2 s-1范围内与实测值存在差异，具体表现为：在 PA R 500 1 500 mol m-2 s-1范围内略高于实测值，在 PA R 1 500 2 000 mol m-2 s-1范围内则低于实测值。低 PA R 条件下，在拟合不同紫色程度辣椒的光响应过程上，该模型有一定的优势。 直角双曲线修正模型的 Pn拟合值在测试 PA R 范围内的各个点均与 Pn实测值更为接近（图 5） ，拟合效果最佳。 图 5 4 种模型拟合的不同紫色类型辣椒光响应曲线 用“ ”代表模拟值。 Fig. 5 Light response curve of different purple degree peppers from four models The superscript sign“ ” indicates simulation value. 叶英林，欧立军，邹学校 . 不同紫色程度辣椒叶片的光合特性及光响应模型拟合研究 . 园艺学报， 2018， 45 (6)： 1101 1114. 1109 2.5 模型拟合的特征参数比较 用 4 种模型拟合不同紫色程度辣椒光响应曲线得到的特征参数 、 LSP、 LCP、 Pn,max、 Rd与实测值存在差异（表 3） 。 表 3 光响应模型拟合的决定系数与不同紫色程度辣椒的主要光合参数 Table 3 The main photosynthesis parameters from different fitting models of pepper with different purple degrees 模型 Model 辣椒 Pepper 决定系数R2表观量子效率 最大净光合速率/ （ mol m-2 s-1） Pn,max 光饱和点/ （ mol m-2 s-1）LSP 光补偿点/ （ mol m-2 s-1）LCP 暗呼吸速率/ （ mol m-2 s-1）Rd 直角双曲线 模型 Rectangular hyperbolic model Z-1 0.992 0.0426 0.0056 c 16.97 0.08 f* 27.04 3.47 a 1.12 0.47 a Z-2 0.999 0.0533 0.0050 b*25.57 0.05 b* 39.29 3.16 a 1.94 0.37 a Z-3 0.977 0.0422 0.0033 c 15.97 0.03 g* 53.20 21.57 a 1.60 0.99 a Z-4 0.998 0.0619 0.0021 b 26.81 0.04 a* 48.96 3.30 a 2.76 0.24 a Z-5 0.999 0.0734 0.0012 a 23.68 0.01 c* 30.83 2.25 a 2.19 0.08 a*Z-6 0.997 0.0827 0.0007 a 20.62 0.03 e* 25.63 2.45 a 2.05 0.13 a*Z-7 0.999 0.0810 0.0028 a 22.06 0.01 d* 30.17 0.24 a*2.35 0.04 a*非直角双曲线 模型 Non-rectangular hyperbolic model Z-1 0.994 0.0568 0.0017 c*20.22 0.80 d* 33.99 4.87 a 1.42 0.09 a Z-2 1.000 0.0610 0.0011 bc 27.90 0.40 b* 38.64 2.20 a 2.13 0.16 a Z-3 0.989 0.0646 0.0014 ab*33.10 0.05 a* 47.87 18.72 a 2.22 0.91 a Z-4 0.998 0.0671 0.0012 a*28.13 0.02 b* 47.35 0.56 a 2.91 0.16 a Z-5 0.999 0.0643 0.0011 ab*22.50 0.29 c* 31.78 2.59 a 2.01 0.16 a*Z-6 1.000 0.0604 0.0009 bc*18.70 0.16 e* 27.27 3.12 a 1.62 0.13 a*Z-7 1.000 0.0576 0.0014 c*19.65 0.03 d* 32.54 0.38 a*1.85 0.04 a*指数模型 Exponential model Z-1 0.982 0.0327 0.0055 b*12.56 0.24 e* 57.41 26.14 ab 1.06 0.02 a Z-2 0.994 0.0427 0.0030 ab*18.49 0.20 a 31.87 7.88 bc 1.08 0.02 a*Z-3 0.964 0.0286 0.0045 c*11.57 0.05 f 70.08 8.96 a 1.12 0.10 a Z-4 0.992 0.0470 0.0022 a*18.86 0.06 a* 28.07 3.99 bc*1.11 0.01 a*Z-5 0.996 0.0493 0.0040 a*17.50 0.06 b* 21.96 1.35 bc*1.09 0.01 a*Z-6 0.999 0.0495 0.0011 a*15.53 0.17 d 20.15 0.94 c 1.10 0.01 a Z-7 0.998 0.0494 0.0004 a*16.30 0.06 c* 20.74 0.15 c*1.12 0.01 a*直角双曲线 修正模型 Modified rectangular hyperbolic model Z-1 0.996 0.0486 0.0016 e 32.05 4.49 ab 1.59 0.02 a Z-2 1.000 0.0575 0.0011 c 18.01 0.57 b 2 497.11 180.76 a 39.67 3.56 ab 2.17 0.14 a Z-3 0.995 0.0527 0.0006 d 50.79 16.87 a 2.28 0.89 a Z-4 0.998 0.0667 0.0012 b 19.57 0.17 a 2 958.41 923.48 a 47.81 2.62 ab 2.97 0.08 a Z-5 0.999 0.0715 0.0015 a*18.49 0.23 b 2 288.78 19.43 a 30.91 2.36 ab 2.14 0.11 a*Z-6 0.999 0.0727 0.0012 a 15.86 0.03 d 1 802.30 357.26 b 26.04 2.75 b 1.84 0.12 a*Z-7 0.999 0.0697 0.0005 ab*16.81 0.05 c*1 680.76 109.77 b 30.85 0.31 ab*2.09 0.05 a*实测值 Measured values Z-1 0.0460 0.0058 c 13.98 0.69 de 2 000 39.93 6.86 abc 1.23 0.01 a Z-2 0.0628 0.0052 b 19.02 1.13 a 2 000 44.98 4.52 abc 1.90 0.13 a Z-3 0.0486 0.0037 c 12.22 0.82 e 2 000 61.42 17.37 a 1.90 0.84 a Z-4 0.0637 0.0023 b 20.16 0.58 a 2 000 54.39 3.31 ab 2.54 0.07 a Z-5 0.0760 0.0023 a 18.56 0.00 ab 2 000 34.25 2.04 bc 1.67 0.09 a Z-6 0.0762 0.0054 a 15.88 1.10 cd 1 800 28.26 3.56 c 1.39 0.15 a Z-7 0.0784 0.0032 a 16.47 0.01 bc 1 700 34.09 0.36 bc 1.68 0.03 a 注：不同小写字母表示同一模型下不同紫色程度辣椒间存在显著差异（ P 0.05） ； * 表示不同模型下同一紫色程度辣椒拟合值与实测值存在显著差异（ P 0.05） 。 Note： Different lowercase letters indicate the purple peppers main photosynthetic parameters under the same model are significantly different（ P 0.05） . The superscript sign * indicate significant difference between the fitting value and the measured ones（ P 0.05） . 直角双曲线模型 Pn,max拟合值均显著地高于实测值， Z-5、 Z-6 和 Z-7 辣椒的 Rd拟合值显著高于实测值， Z-2 辣椒的 拟合值和 Z-7 辣椒的 LCP 拟合值显著低于实测值。 Ye Yinglin， Ou Lijun， Zou Xuexiao. Photosynthetic characteristics and light response model fitting of pepper leaves in different