果实的个体发育分为2个明显不同的时期, 第1个时期为受精后果实细胞分裂体积不断膨大的生长阶段, 第2个时期是生化组分剧烈变化的成熟阶段(Goldschmidt, 1980)。在生长阶段的果实外层组织具有发育完全的叶绿体(Brady, 1987), 绿色果实如同叶片一样也可进行光合作用并影响到果实的品质(Blanke, 1998; Robert et al., 1999)。对猕猴桃(Actinidia deliciosa)果实的研究表明:内果肉即使接受到大约仅为照射到果实表面1/30的光线, 其叶绿体也能较好地发育(Possingham et al., 1980; 宗亦臣等, 2004), 猕猴桃果肉不同组织区的光环境不同(Guido et al., 2003), 光合色素的分布也存在差异(郭学民等, 2008)。现有的光合作用的研究方法几乎都是建立在叶片基础上的, 果实无论是形态还是组织结构均与扁平的叶片截然不同, 已有的建立在叶片基础上的方法无法直接应用于果实, 这是人们对果实光合作用的了解有限的主要原因之一。绿色果实光合作用的研究仍停留在对整个果实的测定水平(Blanke, 1992; Fleancu, 2007)。球形果实与叶片不同, 只有外层细胞进行光合作用, 其测定结果明显受果肉呼吸强度的影响。随着果实生长, 果皮的比表面逐渐下降, 使得以单位体积或质量计算的果实光合速率难以进行不同大小果实或不同发育期果实的比较, 测定单位面积果皮的光合速率则可以解除这一限制。

植物在其生长过程中能够适应其所处的光环境, 如叶片可分为阴生叶和阳生叶2类(Yano et al., 2004)。在苹果(Malus pumila)果实的发育过程中, 其阳面比阴面处于更强的光照环境下, 另外果实的上、中、下各部分接受日光的照射角度也不同。因此, 要比较不同时期和不同环境条件下果实光合能力的差异, 必须首先了解果皮各部位的光合能力的差异, 以及果皮进行光合作用所需的饱和光强和最适温度。上述光合参数的确定, 对于阐明果皮的光合作用及其对光照、温度的适应, 了解果实光合作用对果实生长和产量的贡献以及果实对光、温氧化胁迫的响应都有重要的理论和实际意义。

本研究以新红星苹果(M. pumila cv. Starkrimson)为材料, 通过对绿色果皮的光合作用及其对光、温的响应规律的研究, 以及对果皮光合色素和光合能力随果实发育的变化的研究, 加深对苹果果实光合能力变化规律的了解, 为进一步深入研究苹果绿色果实的光合生理及逆境生理奠定基础。

1 材料与方法

本试验于2007—2008年进行。不同年份的苹果绿色果实发育动态, 分别以花后天数进行比较分析。

1.1 试验材料

供试苹果果实取自泰安市岱岳区季家庄果园, 试验树为9~10年生八棱海棠(Malus micromalus)砧木的新红星品种。树形为主干疏层形, 植株生长健壮, 株行距为3 m×4 m, 果园管理水平中等。从树冠的南向外围, 选择色泽相似、发育正常、无损伤的绿色果实, 取下后放入铺有湿纱布的保温桶内迅速带回实验室, 进行相关的试验测定。

1.2 果皮光合速率的测定

用配置LED光源(发光峰值在650 nm)的ChloloLab2液相氧电极(Hansatech, 英国)测定果皮的光合放氧。每次选取3~4个果实, 除特殊注明外, 均切取阳面的中心区域。果实首先在30 ℃、光强为200 μmol·m^-2 s^-1的光照培养箱中适应半小时, 用打孔器在果皮上切取面积0.5 cm²、厚度0.5 mm的果皮圆片直接用来测定光合放氧, 以消除因切碎果皮不均匀所产生的误差。将果皮圆片置于盛有反应液的注射器中抽负压排除细胞间隙的空气, 然后, 用自制的金属丝钩将果皮片悬挂于ChloloLab-2氧电极的反应室中, 并使表面垂直于光源, 反应室内加入2 mL 20 mmol·L^-1 NaHCO₃反应液, 通过磁性转子连续搅动反应液, 反应室温度通过NESLAB RTE-10恒温水浴(Thermo Electron Corp., 美国)将反应室的温度保持在30.0 ℃, 在饱和光强下(500 μmol·m^-2 s^-1)光照15 min, 以最后4 min间隔的斜率计算光合放氧速率。

测定光照、温度响应曲线时, 分别以LED光源和恒温水浴控制光强和反应室的温度。

1.3 果实反射光谱测量

用配有自制果实测量探头的Unispec-SC便携式光谱仪(PP System, 美国)进行苹果果实的反射光谱测量。每次测量选取尽可能一致的4~6个果实测定阳面的中心区域。反射光谱数据用Multispec 5.1.5软件进行分析, 以参比白板(Spectralon, 美国)作为反射标准计算反射率。分别用改进型归一化植被指数mND(mND=(R₇₅₀-R₇₀₅)/(R₇₅₀+R₇₀₅-2R₄₄₅)、类胡萝卜素反射光谱指数CRI(CRI=R₈₀₀/(R₅₂₀-/R₅₅₀)表示叶绿素和类胡萝卜素的相对含量(Sims et al., 2002; Merzlyak et al., 2003), 以反射光谱指数PSRI(PSRI=(R₆₇₈-/R₄₈₆)/R₈₀₀)表示类胡萝卜素与叶绿素含量的相对比值(Merzlyak et al., 2003)。

1.4 数据统计分析方法

应用SPSS统计分析软件进行数据分析, 应用Excel软件进行图形处理。

2 结果与分析 2.1 苹果绿色果实不同部位果皮光合速率的变化 2.1.1 绿色果实阴、阳面果皮的光合能力差异

从图 1可看出:新红星苹果果皮阴、阳面的光合能力存在显著性差异。花后35天新红星阳面果皮的光合放氧速率是阴面果皮的2.06倍。

2.1.2 绿色果实阳面果皮光合能力的纵向部位差异

从花后35天新红星阳面果皮纵向比较看, 萼端部位果皮的光合放氧速率最大, 果肩部位果皮的光合放氧速率最小, 二者之间存在显著差异, 而阳面中部果皮的光合放氧速率(3.46 μmol·m^-2s^-1)与纵向平均值(3.50 μmol·m^-2s^-1)接近, 能较好地反映果实的平均光合速率。

2.2 苹果绿色果皮光合作用对光强的响应

从新红星苹果果皮光合放氧对光强的响应可以看出:花后28天时的饱和光强为300 μmol·m^-2s^-1左右; 随着果实的发育, 果实的最大光合能力下降, 饱和光强也略有下降(图 3)。

2.3 苹果绿色果皮光合放氧对温度的响应

花后28天时新红星苹果果皮的光合最适温度范围为25~38 ℃。尽管果实的最大光合能力随着果实的发育下降, 但后期的光合适温范围变宽, 且在高温下光合放氧值的下降速度较慢(图 4)。

2.4 苹果绿色果实发育阶段果皮中光合色素含量的动态变化 2.4.1 苹果绿色果实发育阶段果皮中叶绿素含量的动态变化

新红星苹果的阳面果皮中叶绿素总量的动态变化整体上随果实发育呈下降的趋势(图 5)。在绿色果实发育前期(盛花后41天之前)果皮中的叶绿素含量都处于较高水平, 而后叶绿素含量随着果实发育快速下降。

2.4.2 苹果绿色果实发育阶段果皮中类胡萝卜素含量的动态变化

新红星苹果阳面果皮中的类胡萝卜素含量表现出与叶绿素相似的变化规律(图 6), 但与叶绿素的比值则随发育期而逐渐增加(图 7), 说明阳面果皮内叶绿素的降解速度大于类胡萝卜素。

2.5 苹果绿色果实发育阶段果皮光合放氧速率的动态变化

新红星苹果阳面果皮光合放氧速率, 在花后25~83天的发育过程中, 果皮的最大光合能力一直在下降。当果实发育至着色前的83天时, 净光合速率已不足花后25天时的30%(图 8)。

3 讨论

尽管植物叶片是植物进行光合作用的重要器官, 绿色果实同叶片一样也能进行光合作用(Blanke et al., 1989)。本研究结果表明:新红星苹果果实阴、阳面以及阳面果皮纵向的光合能力之间存在明显差异, 阳面果皮的光合放氧速率明显大于阴面果皮。纵向比较可知:萼端部位果皮的光合放氧速率最大, 果肩部位果皮的光合放氧速率最小, 阳面中部果皮的光合放氧速率与纵向平均值接近, 具有较好的代表性。不仅果皮的光合能力低于叶片(苹果叶片10~15 μmol·m^-2 s^-1), 其光合作用的饱和光强也较低。测定果实光合放氧速率的适宜光强和温度分别为500 μmol·m^-2 s^-1和30 ℃。随着果实发育, 其光合能力下降, 但饱和光强变化不大, 最适温度范围变宽。

叶片的光合能力在展叶过程中逐步提升(孙山等, 2009b), 但苹果的绿色果皮完全不同, 其绿色果皮的光合放氧速率随着发育过程一直在下降(花后25天幼果至着色前)。苹果果实为异养的繁殖器官, 生长发育所需的营养主要靠临近的枝叶供应。作为光合生产器官的叶片其自身建造过程也是对光合产物的消耗过程, 只有在自身建成进入光合生产的净积累之后, 才能将光合产物的盈余大量输送至果实用于果实发育。花后50余天内正是新梢快速生长和叶幕迅速形成期, 此时外来光合产物不能满足果实生长发育的需要, 所以, 在幼果发育早期, 果实光合作用保持较高水平, 可以补充其自身发育过程中外源碳供应的不足。

由于叶绿素参与光合作用过程中的光能吸收、传递和原初光化学反应, 光合速率与叶绿素含量之间必然存在密切的联系。新红星苹果阳面果皮中叶绿素含量在果实发育前期处于较高水平, 而后随着果实发育单位面积果皮的叶绿素含量快速下降。类胡萝卜素表现出与叶绿素相似的变化规律, 但单位果皮面积类胡萝卜素总量与叶绿素总量的比值则随发育期而逐渐增加。

由于果实自身的构造特点, 例如果皮表面的气孔频度只有同种植物叶片的1%~10%, 而且气孔数目在花期即已确定, 随着果实膨大气孔频度进一步下降(Fleancu, 2007), 使得果实的气体交换和通过蒸腾散热的能力均远远低于叶片, 造成果实的光合作用经常会受到光照、温度的大幅度变化的影响。笔者前期的工作已经证实, 在强光下, 绿色果皮中也存在光抑制(孙山等, 2009a)。如果绿色果实吸收的过量激发能不能被及时有效地耗散掉, 就会产生大量的活性氧, 对光合器官和其他组织造成严重的伤害。植物要减少过剩激发能的产生, 除了通过多种热耗散过程以外, 还可以主动地通过提高光合能力降低过剩光能的程度和减少光能的吸收来实现。但相对于叶片, 苹果绿色果实的光能利用能力较低, 加之叶片发育进入叶功能期后, 上述供需矛盾已不存在。因此笔者推测, 苹果绿色果实发育的中后期, 通过叶绿素的降解以减少光吸收, 是一种主动的光破坏防御机制, 具有光破坏防御作用的类胡萝卜素与叶绿素的比值的上升也间接的证明了这一点。苹果果实在发育过程中的这些变化可能是长期进化过程中形成的对光环境的一种适应机制。