不同程度蔭蔽脅迫對(duì)苧麻光合特性的影響

趙思毅，黃承建*，肖萬(wàn)林，王龍昌

（1.四川省達(dá)州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，四川達(dá)州，635000；2.四川達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川達(dá)州，635000；3.西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，重慶北碚，400716）

不同程度蔭蔽脅迫對(duì)苧麻光合特性的影響

趙思毅1，黃承建1*，肖萬(wàn)林2，王龍昌3

（1.四川省達(dá)州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，四川達(dá)州，635000；2.四川達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川達(dá)州，635000；3.西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，重慶北碚，400716）

以苧麻品種川苧12號(hào)為材料，采用大田試驗(yàn)，設(shè)置對(duì)照（自然光照）、45%蔭蔽（55%自然光照）、70%蔭蔽（30%自然光照）處理，研究了蔭蔽脅迫6天、12天、18天對(duì)苧麻旺長(zhǎng)期植株光合作用、光合色素合成的影響。結(jié)果表明，蔭蔽脅迫顯著降低了苧麻葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和水分利用效率（WUE），提高了胞間二氧化碳濃度（Ci）和Ci/Ca（Ca：外界二氧化碳濃度）的比值。隨著蔭蔽脅迫的加重，葉綠素（Chl a）、葉綠素（Chl b）、葉綠素總含量（Chl a＋b）、類胡蘿卜素含量（Car）、以及Chl a＋b/Car增高，葉綠素a/b（Chl a/b）降低?？傊?，蔭蔽脅迫下苧麻光合特性的變化是對(duì)蔭蔽條件的適應(yīng)，變化程度與脅迫程度及持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)。在生產(chǎn)中，應(yīng)采取措施避免苧麻遭受較重程度的蔭蔽，確保苧麻正常生長(zhǎng)。

苧麻；蔭蔽脅迫；氣體交換；葉綠素

Key Words：ramie；shade stress；gas exchange；chlorophyll

光照是決定作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，光照不足影響作物存活和生長(zhǎng)［1］。由于氣候變化和溫室效應(yīng)，作物常處于周期性的弱光或蔭蔽條件下［2］。作物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)與其光合速率的變化直接或間接相關(guān)，光合速率的變化反過(guò)來(lái)又影響作物的生理生化過(guò)程，從而影響其生長(zhǎng)和產(chǎn)量［3］。光是植物進(jìn)行光合作用的關(guān)鍵能源，光照不足嚴(yán)重影響植物葉綠素合成和氣體交換，從而影響植物的正常生長(zhǎng)［4－7］。弱光下植物光合色素含量、葉綠素a/b值（Chl a/b）、葉綠素和類胡蘿卜素比值（Chl a＋b/Car）呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化趨勢(shì)，因蔭蔽程度和植物種類不同而不同［8－15］。弱光條件下植物光合速率的降低受氣孔因素、非氣孔因素以及光化學(xué)過(guò)程的限制［6，10，16］。

苧麻（Boehmeria nivea L.）又稱中國(guó)草，是蕁麻科多年生草本植物，因其高質(zhì)量的纖維，苧麻成為中國(guó)主要的出口創(chuàng)匯作物之一。苧麻主要種植在長(zhǎng)江流域的山區(qū)，這些區(qū)域光照變化較大，在夏季還存在季節(jié)性干旱并伴高溫天氣，嚴(yán)重影響到作物的生長(zhǎng)及產(chǎn)量。而耐蔭作物品種更能適應(yīng)這種極端氣候條件并保持生長(zhǎng)［6］。本試驗(yàn)研究蔭蔽脅迫對(duì)苧麻氣體交換和和葉綠素合成的影響，為苧麻耐蔭栽培提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

大田試驗(yàn)于2012年6～8月在重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行，前作為小麥。土壤有機(jī)質(zhì)含量為19.36 g/kg，全氮1.10 g/kg，全磷0.29 g/kg，全鉀24.11 g/kg，堿解氮200.50 mg/kg，有效磷19.41 mg/kg，速效鉀171.40 mg/kg，pH 6.25。

試驗(yàn)地試驗(yàn)期間以及近10年（2002～2011年）的氣象數(shù)據(jù)，包括溫度（圖1A）、降雨量（圖1B）、日照時(shí)間（圖1C）由重慶市氣象科學(xué)研究院提供。

圖1 2012年和近10年重慶市北碚區(qū)月平均溫度（A）、降雨量（B）和日照時(shí)間（C）Fig.1 Monthly average air temperatures（A），rainfall（B）and sunshine hours（C）for 2012 years and the 10－year average at Beipei，Chongqing，China

試驗(yàn)材料為苧麻品種川苧12號(hào)，由達(dá)州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理：對(duì)照（自然光照）、45%蔭蔽（55%自然光照）、70%蔭蔽（30%自然光照）。大田試驗(yàn)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積3 m×6 m，3次重復(fù)。2012年6月3日，10 cm左右長(zhǎng)勢(shì)均勻的麻苗移栽到試驗(yàn)地里，每窩1株。栽植密度為42000株/hm2，行距60 cm，株距40 cm，每個(gè)小區(qū)5行。

苧麻苗進(jìn)入旺長(zhǎng)期時(shí)按設(shè)計(jì)蔭蔽梯度進(jìn)行遮光處理（移栽后40 d）。對(duì)45%、70%蔭蔽處理，在蔭蔽脅迫區(qū)域搭建方形的遮光架子，架子高2.3 m，遮光面積為3 m×6 m。采用透光率分別為55%（45%蔭蔽處理）和30%（70%蔭蔽處理）的兩種遮陽(yáng)網(wǎng)進(jìn)行遮光，對(duì)照為自然光照；同時(shí)用LI－6400便攜式光合作用測(cè)量系統(tǒng)（美國(guó)，Li－Cor公司）光量子傳感器對(duì)遮陽(yáng)網(wǎng)內(nèi)苧麻冠層及遮陽(yáng)網(wǎng)外的光照強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，確保達(dá)到相應(yīng)程度的遮蔭處理。

1.2 調(diào)查測(cè)定項(xiàng)目與方法

氣體交換參數(shù)在蔭蔽處理后的第16 d進(jìn)行測(cè)定；光合色素的含量在蔭蔽處理后的第6 d、12 d、18 d取樣進(jìn)行測(cè)定。

1.2.1 凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、水分利用效率的測(cè)定和計(jì)算

在蔭蔽脅迫的第16 d，參照劉飛虎的方法［17］，用LI－6400便攜式光合作用測(cè)量系統(tǒng)（美國(guó)，Li－Cor公司），于8：30～12：00間測(cè)定苧麻植株頂部倒數(shù)第6～7葉的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和胞間CO2濃度（Ci）。每個(gè)重復(fù)各選15片有代表性的葉片進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定時(shí)光照強(qiáng)度為1002.3μmol·m－2·s－1，環(huán)境CO2濃度為360.79μmol·mol－1左右。

按以下公式計(jì)算水分利用效率（WUE）和Ci/Ca：

（1）WUE＝Pn/Tr

（2）Ci/Ca＝胞間CO2濃度（Ci）/CO2濃度（Ca），式中，Ca指大氣CO2濃度。

1.2.2 光合色素含量的測(cè)定

葉綠素含量的測(cè)定參照Arnon的方法［18］，類胡蘿卜素含量的測(cè)定參照Lichtenthaler and Wellburn的方法［19］.，分別于蔭蔽處理后6 d、12 d、18 d取苧麻植株頂部倒數(shù)第6～7片新鮮葉片，去除葉脈后剪碎、混勻，每處理每重復(fù)稱取0.1 g共3份，裝入離心管中，加入提取液10 mL（丙酮：乙醇＝1：1），充分搖勻后避光保存48 h，直至葉片完全變白。用紫外光分光光度計(jì)在663 nm、652 nm、645 nm和470 nm波長(zhǎng)下測(cè)定其吸光度，計(jì)算出葉綠素a（Chl a）、葉綠素b（Chl b）、葉綠素總含量（Chl a＋b）、類胡蘿卜素含量（Car）。

式中D663、D652、D645、D470分別為相應(yīng)波長(zhǎng)下的光密度值，V為提取液的體積，W為葉片鮮重。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用Excel－2003處理，運(yùn)用SPSS16.0軟件進(jìn)行方差分析和Newman-Keuls test進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 光合色素含量

蔭蔽脅迫顯著增加了苧麻葉片Chl a，Chl b，Chl a＋b和Car的含量，蔭蔽程度越重，光合色素含量增加越多（圖2A，2B，2C，2D）。隨著脅迫時(shí)間的持續(xù)，45%蔭蔽下Chl a和Chl b保持持續(xù)上升趨勢(shì)，70%蔭蔽下Chl a略微下降，Chl b繼續(xù)大幅度上升（圖2A，2B）；Chl a＋b和Car在中度和重度脅迫下均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)（圖2C，2D）。蔭蔽脅迫降低了Chl a/b值，提高了Chl a＋b/Car值；隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，Chl a/b呈先降后升的趨勢(shì)，而Chl a＋b/Car則呈先升后降的趨勢(shì)（圖2E，2F）。

圖2 不同程度蔭蔽脅迫對(duì)苧麻葉綠素a（Chl a）（A），葉綠素a（Chl b）（B），葉綠素總含量（Chl a＋b）（C），類胡蘿卜素（Car）（D），葉綠素a/b值（Chl a/b）（E）、葉綠素總含量與類胡蘿卜素含量比值（Chl a＋b/Car）（F）的影響。FW：鮮重。Fig.2 Chlorophyll a（Chl a）（A），chlorophyll a（Chl b）（B），chlorophyll a＋b（Chl a＋b）（C），carotenoids（Car）（D），Chl a/b ratio（E）and Chl a＋b/Car ratio（F）in the leaves of ramie under varying shade conditions for 6 d，12 d and 18 d.FW：fresh weight.

2.2 干旱脅迫對(duì)苧麻氣體交換的影響

由表1可知，蔭蔽脅迫顯著降低成了苧麻Pn、Gs。與對(duì)照（自然光照）相比，在45%和70%蔭蔽脅迫下，Pn分別降低了20.78、32.05%，Gs分別降低了19.73、31.01%。Ci和Ci/Ca則隨著脅迫程度的加重呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)。45%蔭蔽脅迫下Tr和WUE變化不明顯，70%蔭蔽脅迫下Tr顯著增加，WUE顯著降低。

表1 不同程度蔭蔽脅迫對(duì)苧麻氣體交換參數(shù)和水分利用效率的影響Tab.1 Alteration in gas exchange traits and water use ef ciency of ramie under varying shade conditions

3 討論

研究認(rèn)為，蔭蔽脅迫下Pn和Gs降低是植物對(duì)弱光條件的響應(yīng)，主要受氣孔因素和非氣孔因素限制［7，12，13，20］。本研究中，隨著蔭蔽程度的增加，苧麻葉片Pn和Gs持續(xù)降低，Ci和Ci/Ca持續(xù)升高，表明苧麻葉片Pn的降低受非氣孔因素限制［21］。非氣孔因素限制涉及葉綠體的結(jié)構(gòu)、功能和葉綠素合成的變化［22］。弱光下植物葉片的厚度變薄，氣孔的密度降低，氣孔的面積發(fā)生變化［7，20］，葉肉細(xì)胞的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，影響了光在葉片內(nèi)的滲透和CO2在葉片內(nèi)的擴(kuò)散，從而影響葉片的光合效率［2，23］。葉綠體光合色素對(duì)光能的吸收起著重要作用，蔭蔽條件下光合色素含量增加，有利于植物最大限度地吸收光能，提高光合速率［24－25］。本研究結(jié)果（圖2A，2B，2C，2D）與這些結(jié)論一致。隨著蔭蔽脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，Chl a＋b和Car呈先升后降趨勢(shì)（圖2C，2D），是對(duì)光照不足的一種適應(yīng)。弱光下苧麻Chl b增加快于Chl a，Chl a/b降低；在重度脅迫下，隨著脅迫時(shí)間的推移，Chl a先增后降，而Chl b持續(xù)上升（圖2A，2B），表明弱光下葉綠素b含量的增加有助于利用散射光中占優(yōu)勢(shì)的較短波長(zhǎng)的藍(lán)紫光，遮蔭愈重，Chl b愈高，Chl a/b愈低［26－27］。弱光下Chl a/b降低、Chl a＋b/Car升高是耐蔭葉綠體的典型特征［13］。前人研究表明，Chl a＋b、Chl a/b、Chl a＋b/Car、Pn和Gs是判斷植物耐蔭性的重要指標(biāo)［4，26，28－29］。本研究中，隨著蔭蔽脅迫的加重，苧麻Chl a、Chlb、Chl a＋b、Car和Chl a＋b/Car升高，Pn、Gs和Chl a/b降低，表明苧麻對(duì)弱光環(huán)境有一定適應(yīng)能力。但是在較長(zhǎng)時(shí)間的重度蔭蔽脅迫下，苧麻Chl a、Chl a＋b、Car先增后降，凈光合速率顯著下降，表明苧麻不能忍受較重程度的蔭蔽脅迫。生產(chǎn)中應(yīng)盡量采取措施，如減少密度、與低矮作物間套作等措施來(lái)避免苧麻處于嚴(yán)重蔭蔽的弱光環(huán)境。

長(zhǎng)江流域是我國(guó)苧麻的主產(chǎn)區(qū)，每年可收獲三次。6月至8月是苧麻生長(zhǎng)的第二個(gè)關(guān)鍵季節(jié)，然而該區(qū)域存在季節(jié)性干旱并伴高溫天氣。這種極端天氣引起包括苧麻在內(nèi)的許多作物的極大損失。諸多研究表明，干旱條件下作物耐蔭有利于作物的光合作用［6，30］。本試驗(yàn)過(guò)程中，弱光始終伴隨干旱及高溫天氣（圖1），在這種氣候條件下，苧麻品種的耐蔭性是取得產(chǎn)量的關(guān)鍵。因此，苧麻的耐蔭能力是苧麻育種中應(yīng)當(dāng)考慮的重要指標(biāo)［4］。當(dāng)然，苧麻在干旱、高溫及弱光混合氣候條件下的生理機(jī)制應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。

4 結(jié)論

蔭蔽脅迫降低了苧麻的光合速率，提高了光合色素含量。苧麻對(duì)蔭蔽條件在光合生理上具有適應(yīng)性，這種適應(yīng)與蔭蔽脅迫的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)。生產(chǎn)中應(yīng)采取措施避免苧麻遭受較重程度的蔭蔽脅迫。

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Effects of Varying Shade Levels on Photosynthetic Characteristics of Ram ie

ZHAO Siyi1，HUANG Chengjian1，XIAOWanlin2，WANG Longchang3
（1.Dazhou Institute of Agricultural Sciences，Sichuan 635000，China；
（2.Dazhou Institute of Vocational Technology，Sichuan 635000，China；
（3.College of Agronomy and Biotechnology，Southwest University，Chongqing 400716，China）

Light varies greatly both in time and space in themountainous area where ramie is cultivated in China，which affects ramie growth and fiber yield.In order to investigate the effects of shade stress on photosynthetic characteristics of ramie，the ramie cultivar Chuanzhu 12 was grown in fields and subjected to varying shade stress（i.e.100%，55%and 30%of sunlight，respectively）for6，12 and 18 days at vigorous vegetative growth stage.Then gas exchange traits and photosynthetic pigments were assessed.Results showed that net photosynthesis（Pn），stomatal conductance（Gs）and water use ef ciency（WUE）decreased substantially，while intercellular CO2（carbon dioxide）（Ci）and Ci/Ca（Ca：ambient CO2）changed conversely in response to shade stress.Moreover，chlorophyll a（Chl），Chl b，Chl a＋b，carotenoids（Car），and Chl a＋b/Car ratio increased while Chl a/b ratio decreased with aggravation of shade stress.All these results indicated acclimation responses of ramie to shade.Nonetheless，the effectswere closely related with the low light intensity and the duration of shade.Hence high levels of shade should be avoided for optimal growth of ramie.

S563.1

：A

1671－3532（2017）01－0019－06

2016－06－24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31271673）

趙思毅（1966－），男，研究員，主要從事作物育種與栽培研究。E－mail：sdzsy811＠163.com

*通訊作者：黃承建（1968－），女，高級(jí)農(nóng)藝師，博士，主要從事作物育種與栽培研究。E－mail：hcj268＠126.com