期刊名称：BMC Plant Biology
影响因子：5.3
DOI：https://doi.org/10.1186/s12870-025-06568-w
本研究以二倍体滇丁香（Luculia pinceana Hook.）为对照，对四倍体滇丁香的形态、光合及生理指标进行测定，分析其与二倍体的差异及优势，旨在为提升滇丁香品种的抗逆性、适应性和观赏性状，培育优良新品种提供理论指导，为滇丁香新品种选育奠定基础。研究结果表明：四倍体与二倍体滇丁香在叶长、叶宽、叶面积、叶厚、叶形指数和株高等形态指标上存在显著差异，四倍体滇丁香株高显著低于二倍体，属于生长缓慢矮化型多倍体；但四倍体的花朵和花粉粒更大，且花粉活力也显著高于二倍体，因此具有较高的观赏价值和育性，可作为滇丁香种质资源改良的育种材料。四倍体滇丁香全天的净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Trmmol）日变化值均大于二倍体，表明其全天积累的同化物更多；四倍体的光饱和点（LSP）和光补偿点（LCP）均高于二倍体，说明其在强光条件下的光合能力更强，能在光照条件下合成更多同化物。此外，四倍体滇丁香的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性及可溶性糖（SS）、可溶性蛋白（SP）、脯氨酸（Pro）含量均显著高于二倍体，而丙二醛（MDA）含量显著低于二倍体，表明其在逆境胁迫下具有更强的防御能力。
（1）不同倍性滇丁香幼苗的形态特征
与二倍体幼苗（图1A，C）相比，四倍体幼苗株高更矮，叶片更圆、颜色更深绿（图1D）；叶片厚度增加，从外观和触感上均呈现肉质化特征；部分叶片出现形态变异，表面不再光滑，且有轻微卷曲现象；此外，叶片背面分布有绒毛（图1B）。
图1.二倍体与四倍体滇丁香形态比较：（A）二倍体滇丁香株型；（B）四倍体滇丁香株型；（C）二倍体滇丁香叶片特征；（D）四倍体滇丁香叶片特征。植株比例尺为10cm，叶片比例尺为5cm。倍性差异导致滇丁香花部结构显著不同：四倍体滇丁香的花朵和花粉粒均大于二倍体，且花粉活力更高（图2）。由图3可知，四倍体的花茎长度为44.85±2.24cm，较二倍体（32.68±4.28cm）增加37%（图3G）；花冠筒长增加33%（图3H）；雌蕊长度增加63%（图3J）；花粉粒大小增加32%（图3K）；花粉活力增加166%（图3L），上述差异均达到极显著水平（P<0.001）。然而，倍性增加对滇丁香的雄蕊长度无显著影响（图3I）。
图2.二倍体与四倍体滇丁香形态比较：（A）二倍体滇丁香花部特征；（B）四倍体滇丁香花部特征；（C）二倍体滇丁香花粉活力；（D）四倍体滇丁香花粉活力。花朵比例尺为1cm，花粉比例尺为100μm。
如图3所示，四倍体与二倍体幼苗在叶长、叶宽、叶形指数、株高、叶面积和叶厚等指标上均存在极显著差异（P<0.001）：四倍体叶宽为6.18cm，较二倍体（5.31cm）增加16.38%（图3C）；四倍体叶厚为0.39mm，较二倍体（0.34mm）显著增加14.71%（图3E）；四倍体叶长为12.64cm，较二倍体（16.04cm）缩短21.20%（图3B）；四倍体叶面积为53.62cm2，较二倍体（55.54cm2）减少3.46%（图3D）；四倍体株高为19.95cm，较二倍体（44.20cm）显著降低54.86%（图3A）；二倍体平均叶形指数为2.581，呈长椭圆形；四倍体平均叶形指数为2.038，呈椭圆形（图3F）。综上，与二倍体相比，四倍体滇丁香株型更矮化，叶片更圆、更厚。
图3.不同倍性滇丁香形态指标差异：（A）二倍体与四倍体滇丁香株高差异；（B）叶长差异；（C）叶宽差异；（D）叶面积差异；（E）叶厚差异；（F）叶形指数差异；（G）花径差异；（H）花冠筒长差异；（I）雄蕊长度差异；（J）雌蕊长度差异；（K）花粉粒大小差异；（L）花粉活力差异。（*表示二倍体与四倍体间差异显著，*P<0.05；**P<0.01；***P<0.001）
（2）不同倍性滇丁香光合日变化
2022年10月，选择晴朗无云的天气，于8:00-19:00每2小时测定一次滇丁香光合日变化。上午光照强度逐渐增加，因测定在覆盖两层遮阳网的温室中进行，正午12:00左右光照强度达到最大值910.13μmol·m-2·s-1，随后逐渐下降；同时，随着光照强度增加，温度也逐渐升高，14:00-16:00达到最高温度约29℃，之后逐渐下降，19:00时降至21℃。由于温室内空气湿度较低，测定前1小时进行灌溉，将空气湿度控制在50%-60%。
图4显示了盆栽条件下不同倍性滇丁香的净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Cond）和蒸腾速率（Trmmol）日变化。试验当天，所有倍性滇丁香的Pn日变化均呈单峰型，约10:00达到峰值，随后逐渐下降，16:00后下降速度加快。全天不同倍性滇丁香的Pn存在差异：8:00时，两者Pn差异不显著；随着温度和光照强度升高，四倍体Pn增长更显著，最终超过二倍体；10:00达到全天最大值时，四倍体Pn为3.57μmol CO2·m-2·s-1，高于二倍体（2.39μmol CO2·m-2·s-1）；16:00左右，四倍体Pn下降幅度加大，18:00后其Pn低于二倍体。但总体而言，四倍体全天维持较高Pn的时间更长，且平均Pn（1.35μmol CO2·m-2·s-1）高于二倍体（0.93μmol CO2·m-2·s-1）（图4A）。
图4.不同倍性滇丁香净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度及蒸腾速率日变化：（A）不同倍性滇丁香净光合速率日变化；（B）气孔导度日变化；（C）胞间CO2浓度日变化；（D）蒸腾速率日变化。不同倍性滇丁香的气孔导度日变化无显著差异（图4B），均呈双峰型：第一个峰值出现在10:00，此时四倍体Cond为0.20mol H2O·m-2·s-1，高于二倍体（0.19mol H2O·m-2·s-1）；随后下降，12:00达到低谷，之后再次上升，14:00出现第二个峰值，此时二倍体Cond为0.14mol H2O·m-2·s-1，高于四倍体（0.12mol H2O·m-2·s-1）。全天二倍体平均Cond为0.0666mol H2O·m-2·s-1，四倍体为0.0665mol H2O·m-2·s-1，差异极小。
不同倍性滇丁香的胞间Ci变化趋势相似（图4C）：8:00开始，胞间Ci逐渐下降，10:00下降幅度加大，12:00达到全天最低值，此时二倍体胞间Ci为335.32μmol CO2·mol-1，四倍体为303.82μmol CO2·mol-1；之后胞间Ci逐渐上升，14:00-16:00略有下降，18:00后快速上升。全天二倍体平均胞间Ci（407.71μmol CO2·mol-1）高于四倍体（393.26μmol CO2·mol-1）。
不同倍性滇丁香的蒸腾速率（Trmmol）变化趋势也相似（图4D），均呈双峰型：第一个峰值出现在10:00，四倍体蒸腾速率为1.64mmol H2O·m-2·s-1，高于二倍体（1.35mmol H2O·m-2·s-1）；第二个峰值出现在14:00，四倍体Trmmol（2.66mmol H2O·m-2·s-1）仍高于二倍体（2.49mmol H2O·m-2·s-1）。全天四倍体平均Trmmol（0.97mmol H2O·m-2·s-1）高于二倍体（0.88mmol H2O·m-2·s-1）。
对不同倍性滇丁香光合日变化数据及温度、光照强度等环境因素进行相关性分析（图5）。结果显示，二倍体滇丁香的净光合速率（Pn）日变化指数与光照强度呈极显著正相关（r=0.89，P<0.01），气孔导度与蒸腾速率呈显著正相关（r=0.77，P<0.05）；四倍体滇丁香的净光合速率日变化指数与光照强度呈极显著正相关（r=0.92，P<0.01），气孔导度与净光合速率呈显著正相关（r=0.79，P<0.05），光照强度与蒸腾速率呈显著正相关（r=0.76，P<0.05），且气孔导度与蒸腾速率也呈显著正相关（r=0.78，P<0.05）。
图5.不同倍性滇丁香光合日变化与各生理及环境因素的相关性分析：（A）二倍体；（B）四倍体。（4）不同倍性滇丁香的光响应曲线
图6显示了不同倍性滇丁香在不同光照强度下的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Trmmol）、气孔导度（Cond）和胞间CO2浓度（Ci）响应情况。当光照强度较弱（PAR<400μmol·m-2·s-1）时，净光合速率呈线性增长，但不同倍性间差异不显著（图6A）；随着光照强度增加，Pn增长幅度减小，当PAR>500μmol·m-2·s-1时逐渐稳定，此时四倍体Pn约为4-5μmol CO2·m-2·s-1，高于二倍体（2-3μmol CO2·m-2·s-1）。
当PAR<200μmol·m-2·s-1时，二倍体气孔导度（Cond）高于四倍体；随着光照强度增加，不同倍性滇丁香的气孔导度均先呈线性增长，随后增长速率趋于稳定——二倍体在光照强度约100μmol·m-2·s-1时增长趋于稳定，而四倍体在光照强度约400μmol·m-2·s-1时增长速率减缓（图6B），且四倍体的增长幅度大于二倍体。当PAR>400μmol·m-2·s-1时，四倍体气孔导度（0.28-0.36mol H2O·m-2·s-1）高于二倍体（0.18-0.20mol H2O·m-2·s-1）。
不同倍性滇丁香的胞间CO2浓度（Ci）随光照强度增加而下降，与净光合速率变化趋势相反。在弱光条件下（PAR<200μmol·m-2·s-1），不同倍性滇丁香的胞间Ci均呈线性下降；当PAR>400μmol·m-2·s-1时，下降幅度逐渐减小，胞间Ci维持在150-220μmol CO2・mol-1左右。不同倍性滇丁香的胞间Ci随光照强度变化略有波动，但差异不显著（图6C）。
不同倍性滇丁香的蒸腾速率（Trmmol）增长趋势与Pn、Cond相似，均随光照强度增加而升高。在低光照强度下（PAR<200μmol·m-2·s-1），蒸腾速率增长迅速且呈线性（图6D）；当PAR>200μmol·m-2·s-1时，增长速率下降，此时四倍体Trmmol（0.48-0.53mmol H2O·m-2·s-1）低于二倍体（0.68-0.93mmol H2O·m-2·s-1）。
图6.不同光照强度下不同倍性滇丁香光响应曲线参数：（A）不同倍性滇丁香在不同光照强度下的净光合速率变化；（B）气孔导度变化；（C）胞间CO2浓度变化；（D）蒸腾速率变化。
图7为不同倍性滇丁香净光合速率对光照强度的响应曲线。二倍体滇丁香的光饱和点（LSP）为220μmol·m-2·s-1，四倍体为500μmol·m-2·s-1，较二倍体提高127.27%。LSP反映植物对强光的利用能力，数值越大表明植物对强光的适应性和利用能力越强，由此可见四倍体滇丁香的强光利用能力优于二倍体。二倍体滇丁香的光补偿点（LCP）为12μmol·m-2·s-1，四倍体为52μmol·m-2·s-1，较二倍体提高333.33%。LCP反映植物对弱光的利用能力，数值越小表明植物对弱光的适应性和利用能力越强，因此二倍体滇丁香更耐阴，弱光利用能力更强。二倍体滇丁香的最大净光合速率（Pmax）为3.48μmol·m-2·s-1，四倍体为5.76μmol·m-2·s-1。最大净光合速率反映植物的光合能力，四倍体滇丁香的最大净光合速率更高，说明其光合潜力更大。
图7.不同倍性滇丁香在不同光照强度下的光响应拟合曲线。
（5）四倍体滇丁香的生理特性
①不同倍性滇丁香的抗氧化酶活性
由图8可知，不同倍性滇丁香的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性存在极显著差异。SOD是生物体内关键的自由基清除剂之一，能清除超氧阴离子自由基，保护细胞免受损伤，维持代谢平衡，其含量越高，植物对氧化胁迫的耐受性越强。四倍体滇丁香的SOD活性为154.8U·g-1，极显著高于二倍体（102.1U·g-1），增幅达51.62%（P<0.001）（图8A）。POD定位于过氧化物酶体，对细胞具有保护作用，其活性可反映植物抗性强弱。四倍体滇丁香的POD活性为119.5U·(min·g)-1，显著高于二倍体（1.89U·(min·g)-1）（P<0.001）（图8B）。
CAT能促进过氧化氢分解，避免H2O2对细胞产生毒性，抗性较强的品种通常具有较高的CAT活性。四倍体滇丁香的CAT活性为19.46U·(min·g)-1，显著高于二倍体（6.24U·(min·g)-1）（P<0.01），增幅达211.86%（图8C）。综上，四倍体滇丁香的抗氧化酶活性均有所提高，这使其在逆境条件下能更好地保护细胞免受损伤，抗性更强。
图8.不同倍性滇丁香生理指标差异：（A）不同倍性滇丁香超氧化物歧化酶活性差异；（B）过氧化物酶活性差异；（C）过氧化氢酶活性差异；（D）丙二醛（MDA）含量差异；（E）可溶性糖含量差异；（F）可溶性蛋白含量差异；（G）脯氨酸含量差异；（H）叶绿素含量差异。（*P<0.05；**P<0.01；***P<0.001）
②不同倍性滇丁香的渗透调节物质含量
如图8所示，不同倍性滇丁香的可溶性总糖（SS）、可溶性蛋白（SP）和脯氨酸（Pro）含量存在极显著差异。可溶性糖是植物重要的能量来源，同时参与渗透调节。四倍体滇丁香的SS含量显著高于二倍体（P<0.001），分别为11.51mg·g-1和6.39mg·g-1（图8E）。SP是植物抗性指标之一，兼具渗透调节和营养功能，能保护细胞。四倍体滇丁香的可溶性蛋白含量为5.55mg·g-1，显著高于二倍体（3.40mg·g-1）（P<0.001），增幅达63.24%（图8F）。Pro可作为膜和酶的保护物质及自由基清除剂，其积累与植物抗性相关，含量越高通常表明植物抗性越强。四倍体滇丁香的Pro含量为86.13μg·g-1，极显著高于二倍体（54.72μg·g-1）（P<0.01），增幅达57.40%（图8G）。综上，四倍体滇丁香的渗透调节物质含量高于二倍体，表明其可能具有更强的抗性和逆境适应能力。
③不同倍性滇丁香的叶绿素含量和丙二醛含量
由图8可知，不同倍性滇丁香的叶绿素含量和丙二醛（MDA）含量存在极显著差异。植物细胞中MDA含量与细胞损伤程度相关，含量越高表明细胞损伤越严重，是常用的植物抗性指标。四倍体滇丁香的MDA含量为115.7mmol·g-1，显著低于二倍体（214.9mmol·g-1）（P<0.001），降幅达46.16%（图8D）。叶片是植物光合作用的主要场所，叶绿素含量在一定程度上反映植物的光合能力。四倍体滇丁香的叶绿素含量为63.95mg·g-1，显著高于二倍体（44.95mg·g-1）（P<0.001），增幅达42.27%（图8H）。因此，四倍体滇丁香较高的叶绿素含量表明其光合潜力更大，而较低的MDA含量则表明其抗性优于二倍体。
3.结论
本研究以二倍体滇丁香为对照，测定四倍体的形态、光合及生理指标，旨在为滇丁香品种改良与育种奠定基础。结果显示：四倍体株高显著低于二倍体（属矮化型多倍体），但花朵、花粉粒更大且花粉活力更高，观赏价值与育性突出，可作育种材料。四倍体全天净光合速率、胞间CO2浓度、蒸腾速率及光饱和点、光补偿点均高于二倍体，强光下光合能力更强、同化物积累更多；其超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性及可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量显著高于二倍体，丙二醛含量显著更低，抗胁迫能力更强。