不同光質對竹柏幼苗葉片光合作用的影響*

游云飛

（福建省洋口國有林場，福建順昌353200）

光是植物生長發(fā)育的基本原因之一。光質對植物的生長、形態(tài)建成、光合作用、物質代謝以及基因表達均有調控[1]。不同植物種類、發(fā)育時期、生長狀態(tài)、組織或器官對同一光質的反應不同，表現為光質生物學反應的復雜性[2]。研究表明，光質對植物光合作用具有重要的影響。紅光可以通過抑制葉片中光合產物的輸出來增加葉片中淀粉的積累，從而影響光合器官的發(fā)育，藍光則調控葉綠素形成、葉綠體發(fā)育與氣孔開啟以及光合節(jié)律等生理過程[3]；光敏色素、隱花色素、原葉綠素酸酯以及葉綠素均可調控葉綠體的發(fā)育，光敏色素主要感受紅光與遠紅光，也感受藍光與紫外光，隱花色素感受藍光和UV-A[4]；光質、光強還能夠調節(jié)光合作用不同類型葉綠素蛋白質復合物的形成以及光系統(tǒng)II（PSⅡ）和光系統(tǒng)Ⅰ（PSⅠ）間的電子傳遞[5，6]。植物葉綠素熒光參數的變化可以在一定程度上反映環(huán)境因子的變化及其對植物光合生理產生的影響，其中，Fv/Fm用于表征PSⅡ反應中心光能的轉化效率，非環(huán)境脅迫下該參數變化極小，為0.832±0.004，不受物種和生長條件的影響，但在逆境下這一比值明顯降低[7]。因此，通過測定植物葉片葉綠素熒光參數Fv/Fm的變化，推測植物對特定環(huán)境因子的適應性和抗逆性可能是一條有效便捷的途徑[8]。

竹柏（Podocarpusnagi），是羅漢松科（Podocarpaceae）竹柏屬（Nageia）常綠喬木，是中生代白堊紀的孑遺植物[9，10]，也是特殊的資源樹種和優(yōu)良的園林觀賞樹種[11]。對竹柏的研究目前主要集中在栽培[11]、種群結構[9]、形態(tài)結構[11]和次級代謝[12]等方面，尚未見對其光合生理的研究報道。發(fā)光二級管(light-emittingdiode，LED)作為新型半導體光源，具有光質純、光效高、體積小、波長固定、發(fā)熱低、冷卻負荷小等優(yōu)點，便于集中所需波長實施均衡近距離照射，是代替熒光燈用于植物設施栽培的新一代節(jié)能環(huán)保型光源[13]。本研究通過LED精確調制不同波長光質，探討紅光、白光和藍光對竹柏幼苗光合作用和葉綠素熒光的影響，以期探討出適合竹柏幼苗生長的光質條件，為竹柏栽培提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗設計

試驗于福建農林大學田間實驗室進行，供試材料來自武夷山金竹柏有限公司，選擇生長一致、健壯、無病蟲害的一年生輕基質竹柏容器苗。本試驗選用紅（波長662nm）、藍（波長464nm）和白（波長454nm）三種光質，將上述植物材料置于LED培養(yǎng)箱內，該培養(yǎng)箱由臺灣海博特股份有限公司生產，型號為HiPoint SC-3D、HiPoint SC-600。為了試驗順利進行，在預試驗中選擇紅、藍、白三種光質，30、60、90cd四種光強，每種組合40株幼苗，3個重復，觀測光質、光強對苗木成活率及生長的影響；根據預試驗，選用適宜植物生長的光強60cd，溫度25±1℃，光周期8:00—20:00為12 h·d-1；每組12株，設3個重復，培養(yǎng)60 d；每組取3株竹柏幼苗，3個重復測定竹柏相關光合參數、葉綠素熒光參數和光合色素含量。

圖1 LED光質生長培育光源圖

1.2 測定項目與方法

在培養(yǎng)第60d測定光合參數、葉綠素熒光參數和光合色素含量。

光合參數采用LI-6400型便攜式光合作用測定儀測定，測定時間為8:00—20:00，每隔2 h測定一次，每次測定3株植物，測定不同光質處理下植物凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci)、蒸騰速率（Tr）。

葉綠素熒光參數使用PAM2500便攜式調制葉綠素熒光儀進行測定[14]，實驗開始前，將竹柏葉片放到暗夾中暗適應一段時間，測出初始熒光（Fo），然后給一個持續(xù)時間為0.5s的飽和脈沖，等到脈沖關閉時，測出竹柏的最大熒光（Fm），打開內源光化光，測出Fs，照射飽和脈沖光，測出Fm′；打開遠紅光，測出Fo′。根據以上數據，計算出PSII原初光能轉化效率（Fv/Fm）、光下葉片實際光能轉化效率（YII）、光化學淬滅系數（qp）、非光化學淬滅系數NPQ，每處理重復3次。

光合色素含量主要測定竹柏的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量，選取竹柏功能葉片進行測定，每個處理重復3次。采用“95%乙醇法”[15]測定光合色素含量。

1.3 實驗數據與分析

實驗數據采用Excel2010軟件進行處理，用SPSS19.0進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 對光合作用的影響

2.1.1 對凈光合速率的影響

如圖2所示，不同處理竹柏凈光合速率日變化曲線差異較大，12:00前，白光和藍光處理下的竹柏呼吸作用大于光合作用，凈光合速率為負值，二者凈光合速率日變化曲線相差不大，紅光處理下的竹柏呼吸作用小于光合作用，凈光合速率為正值。紅光處理竹柏葉片凈光合速率值與白光和藍光處理變化相反，14:00時，白光、藍光凈光合速率達到第一個峰值，紅光處理為谷值，藍光比紅光凈光合速率高771.43%；白光和藍光凈光合速率于16:00達到谷值，均為 0.35 μmol·m-2·s-1，18:00 藍光處理達到第二個峰值，為 1.10 μmol·m-2·s-1。白光和紅光處理下光合速率日變化單峰曲線，藍光處理為雙峰曲線。

2.1.2 對蒸騰速率的影響

如圖3所示，蒸騰速率變化與凈光合速率變化趨勢相反，白、紅、藍3種光質LED培養(yǎng)下的竹柏葉片蒸騰速率均為單峰曲線，紅光處理的蒸騰速率變化趨勢與白光和藍光處理變化相反。14:00前，白光和藍光蒸騰速率持續(xù)下降，紅光處理蒸騰速率先下降后升高，并在10:00達到谷值，為0.15 mmol·mol-2·s-1，14:00達到峰值，為0.47 mmol·mol-2·s-1，白光和藍光蒸騰速率在18:00達到峰值，但白光比藍光蒸騰速率高22.86%，18:00后3個處理竹柏葉片蒸騰速率均下降。

圖2不同光質處理下凈光合速率日變化曲線

圖3 不同光質處理下蒸騰速率日變化曲線

2.1.3 對氣孔導度的影響

圖4不同光質處理下氣孔導度日變化曲線

圖5 不同光質處理下胞間CO2濃度變化曲線

如圖4所示，白光和藍光氣孔導度日變化趨勢相似，紅光與二者之間相差較大。10:00時紅光處理竹柏葉片氣孔導度達到谷值，為 17.00 mmol·mol-2·s-1，隨后上升，14:00 時達到峰值，為 52.33 mmol·mol-2·s-1，比白光氣孔導度高 361.87%，白光和藍光處理在 18:00 氣孔導度達到峰值，分別為 46.00 mmol·mol-2·s-1和 36.00 mmol·mol-2·s-1，18:00后3個處理竹柏葉片氣孔導度均下降。

2.1.4 對胞間CO2濃度的影響

如圖5所示，紅光處理竹柏葉片胞間CO2濃度曲線變化與白光和藍光處理相差較大，10:00紅光處理竹柏葉片胞間CO2濃度在達到谷值，為225μmol·mol-1，比白光處理低53.22%，14:00白光和藍光處理胞間CO2濃度達到谷值，分別為310.33μmol·mol-1和278.00μmol·mol-1，此時紅光胞間CO2濃度達到峰值，比白光處理高23.85%，18:00后胞間CO2濃度均呈現下降趨勢。

2.2 對光合色素含量的影響

如表1所示，不同光質培養(yǎng)影響竹柏葉片光合色素的含量。3個處理葉綠素a含量差異不顯著，但白光處理竹柏葉片葉綠素a最大；白光和紅光培養(yǎng)的竹柏葉綠素b含量顯著高于藍光處理，白光處理比藍光高50.94%，白光和紅光處理葉綠素b含量差異不顯著；紅光處理葉綠素含量介于白光和藍光處理之間，白光處理葉綠素含量比藍光處理高28.43%；葉綠素a/b值大小為：藍光＞白光＞紅光，3個處理相互間呈顯著差異，藍光處理下竹柏葉綠素a/b比紅光處理高37.00%，比白光處理高26.85%。類胡蘿卜素含量方面，3個處理含量沒有顯著差異，白光和藍光培養(yǎng)下竹柏的類胡蘿卜素含量相同，并且均大于紅光處理。

表1 光質對竹柏光合色素含量的影響

2.3 對葉綠素熒光參數的影響

如表2所示，不同光質處理下竹柏葉片的葉綠素熒光參數產生變化。白光處理Fo和Fm最大，分別比藍光大18.99%和15.49%，紅光處理下竹柏葉片Fo與白光處理和藍光處理沒有顯著差異，白光處理Fm顯著高于紅光處理和藍光處理；3個處理Fv/Fm都為0.81，該條件下生長的竹柏均未受到光脅迫，各處理之間竹柏葉片的Y(II)、qp、NPQ差異不顯著，但藍光處理的NPQ較大，比紅光處理大116.90%。

表2 光質對竹柏葉綠素熒光參數的影響

3 討論

3.1 不同光質對竹柏幼苗葉片光合色素的影響

光合色素起到吸收、傳遞和轉化光能的作用，是光合作用的基礎[16]，葉綠素和類胡蘿卜素作為主要光合色素在植物光合作用中起到不同的作用，對光合作用影響較大。葉綠素可以有選擇地吸收光能，是植物光合作用的光敏催化劑，葉綠素含量和葉綠素a與葉綠素b比例是衡量植物對環(huán)境適應性的重要指標。本試驗中，葉綠素含量大小為：白光＞紅光＞藍光，與杜洪濤[17]研究的藍光處理下彩色甜椒幼苗有較大葉綠素含量的結論不一致，可能與植物的種類和發(fā)育時期有關，表現出光質生物學反應的復雜性。葉綠素a和葉綠素b是葉綠素的重要組成部分，葉綠素a偏向吸收紅光區(qū)的光，葉綠素b偏向吸收藍光區(qū)的光[18]。不同光質培養(yǎng)下竹柏幼苗葉綠素a含量為：白光＞藍光＞紅光，葉綠素b含量為：白光＞紅光＞藍光，紅光促進竹柏葉片中葉綠素b的形成，藍光促進葉綠素a的形成，這與儲鐘稀、蒲高斌[19]等人研究結果一致。葉綠素a/b值可以作為植物對光環(huán)境適應的指標，葉片葉綠素a/b值約為3[20]，不同類型植物葉綠素a/b值有所差異，陽生植物葉綠素a/b值較高，陰生植物葉綠素a/b值較低，3種光質處理下竹柏幼苗葉片葉綠素a/b值均低于3。類胡蘿卜素起到吸收輔助色素、清除自由基、吸收和傳遞電子的作用，是光合作用中的輔助色素[21]，紅光處理類胡蘿卜素含量最低，比白光和藍光處理低20%，這與Anna和Alicja[22]等發(fā)現的紅光降低風信子愈傷組織中類胡蘿卜素含量的結果相同。白光和藍光處理竹柏幼苗類胡蘿卜素含量較高，光質對竹柏幼苗葉片類胡蘿卜素含量的影響說明光敏色素控制了類胡蘿卜素的合成，類胡蘿卜素的增加可能對葉黃素的循環(huán)進行調控，保護光合器官免遭破壞[23]。

3.2 光質對竹柏幼苗葉片光合特性的影響

光合速率是影響植物同化能力和產量的關鍵因素，由于光合作用受到植物本身和外界條件影響較大，所以植物的光合速率一天中也存在著變化。藍光培養(yǎng)的竹柏幼苗凈光合速率日變化曲線為雙峰曲線，白光和紅光培養(yǎng)為單峰曲線，無光合“午休”現象。光合“午休”現象廣泛存在于自然植物中，是植物普遍具有的現象。引起光合“午休”現象主要因素包括生理因子（生理節(jié)奏、氣孔導度等）、生化因子（光化學系統(tǒng)、光合產物積累等）和生態(tài)因子（光照、溫度、濕度等）[24]。相關研究表明，凈光合作用日變化單峰曲線有利于提高竹柏的生物學產量[25]。竹柏幼苗蒸騰速率日變化與凈光合速率日變化基本相同，蒸騰速率主要受到氣孔的調控作用，光質與竹柏幼苗的蒸騰速率沒有顯著相關性，白光處理下竹柏幼苗的蒸騰速率比藍光處理下的大。氣孔控制外界CO2的進入和葉片內水分的散失，是植物與自然環(huán)境進行物質交換的通道，常用氣孔導度表示氣孔的開閉程度，氣孔導度影響植物的光合作用和蒸騰作用[26-27]。胞間CO2濃度常用來判斷光合速率變化的原因，即是否由氣孔因素引起[28]，胞間CO2濃度受到氣孔導度、外界CO2濃度和葉片光合作用消耗的影響[29]，不同LED光質處理中，紅光處理胞間CO2濃度較低。根據Farquhar和Sharkey[30]提出的理論，判斷光合速率降低由氣孔因素引起的條件是，胞間CO2濃度和光合速率同時降低，且氣孔限制值增大。由此可知，竹柏凈光合速率的降低是由非氣孔限制因素引起的，可能與葉肉細胞的光合活性有關。

3.3 光質對竹柏幼苗葉片PSⅡ活性的影響

植物能適應不同的光質和光強處理，得益于光合系統(tǒng)的多個調節(jié)水平和光合電子傳遞鏈各組份的協同作用。白、紅、藍3種光質處理中，白色LED培養(yǎng)的竹柏幼苗葉片Fo最高，比紅光處理高11.90%，Fo可以反應PSⅡ反應中心受傷害情況，常用來判斷PSⅡ反應中心的運轉情況，這意味著與紅光相比，白光培養(yǎng)的竹柏幼苗光合作用中PSⅡ反應中心遭到破壞，植物通過Fo的升高來緩解體內D1蛋白降解和活性氧的增加，進而保護PSⅡ反應中心，減少植物的傷害[31]，此外，Fo代表光合色素吸收的光能中不參與光反應的部分，Fo升高說明用于光反應中的光能減少，多余的光能常以熱和熒光形式散失[32]。其中白光培養(yǎng)的竹柏幼苗葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量較高，Fo也明顯升高，說明PSⅡ反應中心受到破壞，導致白光處理下竹柏凈光合速率較低。Fm表示PSⅡ反應中心電子傳遞情況，是植物暗適應一段時間后的最大熒光產量，PSⅡ反應中心完全關閉時，白光LED培養(yǎng)下竹柏的Fm最大。Fv/Fm是PSⅡ反應中心光能轉換效率，反應植物受到光抑制的程度，正常情況下Fv/Fm值介于0.75到0.85之間，而且比較穩(wěn)定。3種LED光質處理下竹柏幼苗葉片的Fv/Fm穩(wěn)定，都為0.81，說明3種處理下的竹柏并沒有產生光抑制現象。Y(Ⅱ)是植物葉片實際光能轉化效率，表示線性電子在PSⅡ和PSⅠ間傳遞的量子效率，qp用來反映PSⅡ反應中心開放數目和原初電子受體qp氧化還原狀態(tài)，qp越大，PSⅡ電子傳遞活性越大，NPQ主要是保護光合機構，反映PSⅡ天線色素吸收的能量中以熱形式散失的光能。白光、紅光和藍光3種光質并沒有對竹柏幼苗葉片光合反應中Y(Ⅱ)、qp、NPQ產生顯著影響。

4 結論

（1）白光和紅光培養(yǎng)的竹柏幼苗凈光合速率日變化曲線為雙峰曲線，無光合“午休”現象，說明紅光和白光有利于竹柏提高竹柏生物產量。

（2）在紅光處理下，竹柏幼苗葉片葉綠素a/b值和類胡蘿卜素含量最低，而葉綠素a/b值在藍光處理下最高。

（3）類胡蘿卜素在藍光和白光處理下最高，葉綠素含量和Fo值在白光處理下最高，說明白光處理下，竹柏幼苗PSII反應中心會遭受破壞。