披針葉茴香對(duì)變化光環(huán)境的表型可塑性

成向榮,邢文黎,苑海靜,熊 靜,虞木奎

華東沿海防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所,杭州 311400

森林生態(tài)系統(tǒng)中地上(如光照)、地下資源(如養(yǎng)分)具有較大的時(shí)空變異性,影響植物組成、生長(zhǎng)和更新。光是影響森林中林下植物成活、生長(zhǎng)和分布的最主要環(huán)境因素[1]。植物適應(yīng)變化光環(huán)境的能力大小對(duì)其生存至關(guān)重要,表型可塑性的大小是衡量植物對(duì)異質(zhì)光環(huán)境適應(yīng)能力的重要指標(biāo)[2-3]。植物表型可塑性指植物對(duì)不同環(huán)境因子(如光照)變化做出響應(yīng)而產(chǎn)生的不同特征表現(xiàn)[4],是植物對(duì)異質(zhì)生境的生態(tài)適應(yīng)策略[5]。通過表型可塑性變化,植物在異質(zhì)生境中改變和調(diào)整各種形態(tài)或內(nèi)在生理性狀來適應(yīng)環(huán)境,增加對(duì)環(huán)境資源的獲取能力,以最大限度地利用資源,從而降低環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)的負(fù)面影響[6-7]。Portsmut和Niinemets[8]將描述植物生長(zhǎng)的相關(guān)性狀歸為生理性狀,而將光能捕獲相關(guān)性狀分為結(jié)構(gòu)性狀,兩者共同決定植物可塑性變化。據(jù)此,將植物表型可塑性分為生理可塑性與結(jié)構(gòu)可塑性。一些研究表明,耐蔭植物生理和結(jié)構(gòu)可塑性低于非耐蔭植物[9,10],因?yàn)楦叩目伤苄钥梢宰尫悄褪a植物獲得較高的生長(zhǎng)率。葉片性狀與植物光合作用和光能利用直接相關(guān),是表征植物對(duì)弱光環(huán)境可塑性的關(guān)鍵表型。已有的多數(shù)研究集中在葉片形態(tài)和生理性狀及其相對(duì)重要性如何適應(yīng)變化光環(huán)境,而對(duì)植物整體可塑性方面的研究相對(duì)較少,這種整體可塑性決定了植物對(duì)地上、地下資源的利用,其對(duì)植物在異質(zhì)光環(huán)境中生存更為重要[11,12]。近期的研究也發(fā)現(xiàn),隨光照強(qiáng)度變化,5種熱帶樹種幼苗的葉片和細(xì)根面積(表面積)、氮、磷含量具有顯著相關(guān)性[13]。

披針葉茴香(Illiciumlanceolatum),是八角科八角屬的一種常綠小喬木,廣泛分布于我國(guó)南方丘陵山地。它是我國(guó)傳統(tǒng)的藥用植物,具有活血止痛、祛風(fēng)除濕的功效,其所含的莽草酸可抑制動(dòng)、靜脈血栓及腦血栓形成,也是一些抗病毒和抗癌藥物的中間體[14]。披針葉茴香雖分布較廣,但多為零星散生,隨著野生資源的不斷開發(fā)利用,資源日漸稀少,亟待加強(qiáng)種質(zhì)資源保護(hù)和栽培[15]。披針葉茴香具有較強(qiáng)耐蔭性,光照條件顯著影響其生長(zhǎng)發(fā)育?；谌~綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn),50%光照下的披針葉茴香光能利用效率接近100%光照處理,而20%相對(duì)光照處理光能利用效率顯著降低[16-17]。其他有關(guān)披針葉茴香的研究主要涉及其藥用活性成分分析等方面[18,19]。披針葉茴香光生態(tài)幅的大小,以及對(duì)變化光環(huán)境的生態(tài)適應(yīng)機(jī)制尚不清楚。因此,系統(tǒng)開展不同光環(huán)境下披針葉茴香形態(tài)、生理和生物量分配等的研究,有助于明確其在不同光環(huán)境下整體表型可塑性的變化,揭示披針葉茴香對(duì)變化光環(huán)境的生態(tài)適應(yīng)機(jī)制,為今后披針葉茴香的高效栽培和利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于浙江省杭州市富陽區(qū)高橋鎮(zhèn)千家村(119°86′ E,30°14′N)。試驗(yàn)區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫16.4 ℃,年降水量1814 mm,無霜期252 d,年日照總時(shí)數(shù)1334.1 h。試驗(yàn)地地勢(shì)平坦,土壤為紅黃壤,pH值為6.5。2002年之前為農(nóng)地,后改為試驗(yàn)苗圃。

1.2 試驗(yàn)方法

在千家村平整田地上采用遮陽網(wǎng)模擬不同光照環(huán)境,開展披針葉茴香對(duì)不同光環(huán)境表型可塑性的研究。選取150株生長(zhǎng)良好的2年生披針葉茴香幼苗,隨機(jī)分成5組,在3月中旬分別栽植于5個(gè)處理區(qū)內(nèi),苗木間距大于50 cm。苗木生長(zhǎng)1個(gè)月后,開始進(jìn)行光照控制實(shí)驗(yàn),采用遮陽網(wǎng)搭建遮蔭棚設(shè)置4個(gè)光照處理,光照強(qiáng)度分別為全光照的52%、33%、15%和6%,另外設(shè)置1個(gè)自然光照處理(100%光照,不遮蔭)。光照強(qiáng)度采用光照計(jì)(TES 1339R,中國(guó)臺(tái)灣)在晴天中午測(cè)定5次,然后取平均值。所有光照強(qiáng)度處理下生長(zhǎng)的幼苗采用相同的撫育管理措施[20]。

1.3 采樣和測(cè)定

連續(xù)遮蔭試驗(yàn)于11月中旬結(jié)束,在各處理中隨機(jī)選擇6株幼苗整株收獲,用于形態(tài)和生物量等指標(biāo)測(cè)定,在剩余的植株中隨機(jī)采集適量成熟葉片用于生理和細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)分析。整株收獲的每個(gè)樣株分葉、枝、干和根稱取鮮重,將每個(gè)光照處理下每個(gè)樣株的葉片和根系采用WinFOLIA(Regent Company,Canada)分析系統(tǒng)測(cè)定葉片和根系形態(tài)特征,包括葉長(zhǎng)(leaf length,LL)、葉寬(leaf width,LW)、葉長(zhǎng)/葉寬(LL/LW)、葉面積(leaf area,LA)、細(xì)根(fine root FR,φ≤2 mm)和粗根(Coarse root CR,φ>2 mm)的長(zhǎng)度、表面積。然后每個(gè)樣株葉、枝、干和根在105℃殺青1小時(shí)后在70℃下烘干至恒重,分別計(jì)算單株葉、枝、干和根生物量。同時(shí)計(jì)算下列相關(guān)參數(shù)：根冠比(root biomass/aboveground biomass,R/A)=根生物量/地上部分生物量,比葉面積(specific leaf area,SLA)=單株總?cè)~面積/單株總?cè)~重,比根長(zhǎng)(specific root length,SRL)=單株總根系長(zhǎng)度/單株總根重,比根表面積(specific root surface area,SRSA)=單株總根系表面積/單株總根重。取適量烘干的葉片和根系樣品粉碎過2 mm篩,進(jìn)行全氮(total nitrogen,TN)和全磷(total phosphorus,TP)含量測(cè)定,TN含量用濃硫酸-過氧化氫消煮-半微量凱氏定氮法測(cè)定,TP含量用濃硫酸-過氧化氫消煮-鉬銻抗比色法測(cè)定[21]。

葉片葉綠素a(chlorophyll a,Chl a)、葉綠素b(chlorophyll b,Chl b)和類胡蘿卜素(carotenoids,Car)含量采用乙醇-丙酮比色法測(cè)定,可溶性蛋白質(zhì)(soluble protein,SP)采用考馬斯亮藍(lán) G- 250 染色法測(cè)定,硝酸還原酶(nitrate reductase,NR)含量用分光光度法測(cè)定,淀粉(starch,S)含量采用高氯酸水解-蒽酮比色法測(cè)量,可溶性糖(soluble sugar,SS)含量采用蒽酮比色法測(cè)定,超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性的測(cè)定采用氮藍(lán)四唑法,硝酸鹽(nitrate,NI)含量采用比色法進(jìn)行測(cè)定[22]。

將處理后的披針葉茴香葉片采用2.5%戊二醛溶液與1%的鋨酸溶液進(jìn)行固定后,用 0.1 mol/L的磷酸緩沖液漂洗3次,每次30 min。接著用30%、50%、70%、90%、100%的丙酮逐級(jí)脫水,每次15 min。樣品脫水后迅速移入丙酮、包埋劑中,后按丙酮、包埋劑3∶1、1∶3混合液,逐級(jí)滲透,每級(jí)4 h,最后移入純包埋劑過夜?jié)B透。采用瑞典LKB-V型超薄切片機(jī)進(jìn)行切片,切片經(jīng)醋酸雙氧鈾和檸檬酸鉛溶液分別染色,最后用H- 600型透射電子顯微鏡(日本日立)觀察、拍照[23]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。不同光照強(qiáng)度下披針葉茴香形態(tài)、生理和生物量等的差異采用SPSS 22.0 軟件的單因素方差分析(one way ANOVA)檢驗(yàn),并進(jìn)行Duncan 多重比較法進(jìn)行不同處理之間差異性檢驗(yàn)分析(P<0.05)。披針葉茴香功能性狀的主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)采用R軟件包(R 3.5.1)完成。根據(jù)Valladares等[10]的方法計(jì)算某一指標(biāo)的可塑性指數(shù)(Plasticity indices,PI)∶PI=(某指標(biāo)在不同光強(qiáng)下的最大平均值-最小平均值)/最大平均值。表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光照強(qiáng)度下葉片性狀變化

對(duì)不同光照強(qiáng)度下披針葉茴香葉片形態(tài)特征分析表明,遮蔭處理增加了葉片平均長(zhǎng)度,弱光環(huán)境下(6%—15%相對(duì)光照處理)葉片平均寬度高于其他光照處理,葉長(zhǎng)/葉寬比值在不同光照條件下差異不顯著(P>0.05),平均單葉面積和比葉面積均隨光照強(qiáng)度減弱呈增大趨勢(shì)(表1)。中等光照強(qiáng)度下(33%—52%相對(duì)光照處理),單葉面積和比葉面積分別比全光照增加46.6%和18.9%;弱光環(huán)境下單葉面積和比葉面積分別比全光照增加76.9%和45.7%。盡管遮蔭處理單株總?cè)~面積比全光照增加了7.1%—24.8%,但5種光照處理之間單株總?cè)~面積沒有顯著差異(P>0.05)。葉片形態(tài)指標(biāo)中單葉面積的可塑性指數(shù)(PI)較高,其他指標(biāo)PI均較低,葉片形態(tài)指標(biāo)的平均PI為0.34。

表1 不同光照條件下披針葉茴香葉片形態(tài)特征

葉綠素含量是衡量光合能力的重要指標(biāo),遮蔭處理的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量均比全光照處理有不同程度增加。極弱光照處理下(6%相對(duì)光照處理),葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素含量最高,葉綠素a/b比值最低。葉綠素和類胡蘿卜素含量在15%、33%和52%相對(duì)光照處理之間沒有顯著差異(P>0.05),但均顯著高于全光照(100%)處理(P<0.05)。

葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物可溶性糖含量隨光照強(qiáng)度減弱顯著降低,6%—52%相對(duì)光照處理的淀粉含量均顯著低于全光照處理,但52%、33%、15%和6%相對(duì)光照處理之間淀粉含量差異不顯著(P>0.05)(表2)。葉片可溶性蛋白含量隨光照強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與淀粉一致。6%—52%相對(duì)光照處理下葉片氮和磷含量均顯著高于全光照處理,葉氮含量隨光照強(qiáng)度減弱呈增加趨勢(shì),葉磷含量在52%相對(duì)光照處理下最高。6%—52%相對(duì)光照處理葉氮/葉磷比值與全光照處理之間沒有顯著差異(P>0.05),52%相對(duì)光照處理下葉氮/葉磷比值顯著低于33%、15%和6%相對(duì)光照處理(P<0.05)。硝酸鹽含量與硝酸還原酶活性的變化特征基本一致,在33%和52%相對(duì)光照處理下,硝酸鹽含量與硝酸還原酶活性最低,其次為15%相對(duì)光照處理,在100%和6%相對(duì)光照處理下硝酸鹽含量與硝酸還原酶活性最大。超氧化物岐化酶活性在不同光照處理之間差異不顯著(P>0.05)。葉片生理指標(biāo)中葉綠素a、葉綠素b,葉綠素a+b、類胡蘿卜素、可溶性糖、硝酸鹽和硝酸還原酶活性的PI均大于0.5,其他指標(biāo)的PI 相對(duì)較低,葉片生理指標(biāo)的平均PI為0.43。

表2 不同光照強(qiáng)度下披針葉茴香葉片生理指標(biāo)變化

2.2 細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)變化

葉片細(xì)胞中葉綠體、細(xì)胞核等擔(dān)負(fù)著重要的生理功能。不同光照強(qiáng)度處理披針葉茴香細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果如下：①在100%光照處理下(圖1A),葉肉細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)豐富,細(xì)胞器結(jié)構(gòu)完整,膜系統(tǒng)完整,葉綠體數(shù)量較多,沿著細(xì)胞壁分布,緊密排列成一圈,呈橢圓形,其上的黑色嗜鋨顆粒數(shù)量很多,白色的淀粉顆粒數(shù)量較少;②在52%相對(duì)光照處理下(圖1B),細(xì)胞器完整,葉綠體沿著細(xì)胞壁緊密排列,其上淀粉粒含量增多,細(xì)胞核增大;③在33%相對(duì)光照處理下(圖1C),葉綠體沿著細(xì)胞壁緊密排列,呈長(zhǎng)梭形,其上淀粉粒含量減少;④在15%相對(duì)光照處理下(圖1D),盡管葉綠體仍沿細(xì)胞壁緊密排列,但葉綠體之間排列松散,部分葉綠體體積增大,其上白色淀粉粒含量進(jìn)一步降低;⑤在6%相對(duì)光照處理下(圖1E),細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器數(shù)量減少,葉綠體排列緊密,多成半圓形,其上分布的嗜鋨顆粒極少,淀粉粒分布也較少,細(xì)胞核減小。

圖1 不同光照強(qiáng)度下披針葉茴香葉片細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)Fig.1 Leaf cell ultrastructure of I.henryi in different light intensities(A),100%光照處理;(B),52%相對(duì)光照處理;(C),33%相對(duì)光照處理;(D),15%相對(duì)光照處理;(E),6%相對(duì)光照處理;C,葉綠體Chloroplast;N,細(xì)胞核Nucleus;OG,嗜鋨顆粒Osmiophilic granules;SG,淀粉粒Starch grain

2.3 不同光照強(qiáng)度下根系性狀變化

不同光照強(qiáng)度下根系性狀的分析表明,細(xì)根、粗根的長(zhǎng)度和表面積以及比根長(zhǎng)和比表面積在5種光照處理之間均沒有顯著差異(P>0.05)(表3)。低光處理(15%和6%)根系氮含量顯著降低(P<0.05),根系磷含量在52%相對(duì)光照處理下最高,其他4種光照處理之間根系磷含量沒有顯著差異(P>0.05)。根系氮/磷比值在52%相對(duì)光照處理下最低,其次為6%相對(duì)光照處理,100%、33%和15%相對(duì)光照處理之間差異不顯著(P>0.05)。根系性狀中形態(tài)指標(biāo)的PI(0.36)略高于根系養(yǎng)分含量PI(0.29),根系形態(tài)和養(yǎng)分指標(biāo)的平均PI為0.34。

2.4 不同光照條件下生物量及其分配特征

不同光照條件下披針葉茴香單株各器官生物量的分析顯示,葉和根生物量在5種光照條件下均沒有顯著差異(P>0.05),枝生物量在中等光照條件下(52%和33%)顯著高于其他光照處理(P<0.05),干生物量隨光強(qiáng)減弱呈增加趨勢(shì),干生物量在6%—33%光照處理下顯著高于100%和52%相對(duì)光照處理(P<0.05)(表4)。地上生物量和總生物量隨光照條件的變化趨勢(shì)基本一致,6%—52%相對(duì)光照處理增加了單株地上生物量和總生物量,僅52%和33%相對(duì)光照處理下生物量顯著高于全光照(100%)。地上生物量/總生物量比值和根冠比在不同光照條件下差異不顯著(P>0.05)。由此可見,遮蔭有利于披針葉茴香生物量積累,尤其是中等光照條件下生長(zhǎng)最佳。披針葉茴香單株各器官生物量指標(biāo)中僅枝生物量PI為0.5,其余指標(biāo)PI均低于0.32,生物量相關(guān)指標(biāo)的平均PI為0.26。

表3 不同光照強(qiáng)度下披針葉茴香根系性狀變化

表4 不同光照強(qiáng)度下披針葉茴香各器官生物量特征

基于不同光照強(qiáng)度下披針葉茴香38個(gè)功能性狀的主成分分析表明,前2個(gè)主成分可以解釋不同光照強(qiáng)度下表型變異總方差的78.5%,其中PC1可以解釋總方差的42.0%,比葉面積、可溶性糖和葉綠素含量貢獻(xiàn)較大;PC2可以解釋總方差的36.5%,總生物量、枝生物量和硝酸還原酶等的貢獻(xiàn)較大(圖2)。100%光照強(qiáng)度下披針葉茴香功能性狀與6%—52%相對(duì)光照處理處理差異較大,52%和33%相對(duì)光照處理下性狀隨光照的變化特征接近,15%和6%相對(duì)光照處理下性狀隨光照的變化特征接近。100%光照強(qiáng)度下可溶性糖、可溶性蛋白和超氧化物岐化酶等性狀與其他光照處理之間差異較大,52%和33%相對(duì)光照處理下根系形態(tài)學(xué)和生物量特征與其他光照處理之間差異較大,15%和6%相對(duì)光照處理下比葉面積、硝酸鹽等葉性狀的差異較大。

圖2 不同光照強(qiáng)度下披針葉茴香功能性狀的主成分分析(PCA)Fig.2 Principal Component Analysis (PCA) of functional traits of I.henryi in different light treatments Ⅰ,100%光照處理;Ⅱ,52%相對(duì)光照處理;Ⅲ,33%相對(duì)光照處理;Ⅳ,15%相對(duì)光照處理;Ⅴ,6%相對(duì)光照處理;LL,葉長(zhǎng)Leaf length;LW,葉寬Leaf width;LL/LW,葉長(zhǎng)寬比Leaf length/leaf width;LA,葉面積Leaf area;TLA,總?cè)~面積Total leaf area;SLA,比葉面積Specific leaf area;Chla,葉綠素a Chlorophyll a; Chlb,葉綠素b Chlorophyll b; Chla+b,葉綠素a+b Chlorophyll a + chlorophyll b; Chla/b,葉綠素a/b Chlorophyll a/chlorophyll b; Car,類胡籮卜素Carotenoid; SS,可溶性糖Soluble sugar; S,淀粉Starch; SP,可溶性蛋白Soluble protein; LN,葉氮Leaf nitrogen; LP,葉磷Leaf phosphorus; NR,硝酸還原酶Nitrate reductase; NI,硝酸鹽Nitrates; SOD,超氧化物岐化酶Superoxide dismutase; FRL,細(xì)根長(zhǎng)Fine root length; CRL,粗根長(zhǎng)Coarse root length; TRL,總根長(zhǎng)Total root length; FRSA,細(xì)根表面積Fine root surface area; CRSA,粗根表面積Coarse root surface area; TRSA,總根系表面積Total root surface area; SRL,比根長(zhǎng)Specific root length; SRSA,比根表面積Specific root surface area; RN,根系氮Root nitrogen; RP,根系磷R(shí)oot phosphorus; RN/RP,根系氮/磷R(shí)oot nitrogen/root phosphorus; LB,葉生物量Leaf biomass; BB,枝生物量Branch biomass; SB,干生物量Stem biomass; RB,根生物量Root biomass; AB,地上生物量Aboveground biomass; TB,總生物量Total biomass; AB/TB,地上生物量/總生物量Aboveground biomass/total biomass; R/A,根冠比Root biomass/aboveground biomass

3 討論

3.1 葉片性狀對(duì)變化光環(huán)境的表型可塑性

葉片是植物進(jìn)行光合作用及與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的主要場(chǎng)所,其形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能與生長(zhǎng)環(huán)境密切相適應(yīng),是植物對(duì)外界環(huán)境變化最敏感的器官[24],因而,植物對(duì)環(huán)境變化的多數(shù)響應(yīng)主要體現(xiàn)在葉性狀上[10]。研究表明,隨光照有效性降低,植物會(huì)通過增大葉長(zhǎng)和葉寬,來增加光合作用的葉面積,進(jìn)而增加對(duì)光能的捕獲能力[25,26]。本研究也發(fā)現(xiàn)隨光照強(qiáng)度減弱,葉長(zhǎng)和單葉面積均有一定程度增加。比葉面積能夠反映植物對(duì)資源獲取和利用的權(quán)衡關(guān)系[12]。通常,在低光環(huán)境中,植物分配更多的生物量給葉片來增加受光面積,一般具有較高的比葉面積;在高光環(huán)境中,植物為減少蒸騰、增加碳的固定,形成小而厚的葉片,比葉面積較低[27]。本研究披針葉茴香比葉面積隨光照有效性降低顯著增加,較大的比葉面積表明植物在低光環(huán)境中具有較高的光能捕獲效率。其他一些研究表明,盡管比葉面積隨光強(qiáng)減弱顯著增大,但植物總?cè)~面積顯著減小,導(dǎo)致整株的受光面積大大減少,這將影響其光合產(chǎn)物的積累[28]。本研究中總?cè)~面積隨光照強(qiáng)度減弱并沒有發(fā)生顯著變化,這與葉生物量與比葉面積的變化有關(guān)。隨光照強(qiáng)度減弱,葉生物量呈減少趨勢(shì),而比葉面積逐漸增大,因而總?cè)~面積在不同光照處理之間的變異較小?？傮w上,披針葉茴香通過比葉面積大小來適應(yīng)變化光環(huán)境,其葉片形態(tài)的表型可塑性相對(duì)較低。

植物的光合作用主要依靠葉綠素和光合酶來捕獲和利用光能,合成光合產(chǎn)物。在低光環(huán)境中,植物為有效利用光能,通常葉綠素含量增加,葉綠素比例發(fā)生變化[24]。葉綠素a含量大小可反映葉片光能利用能力,而總?cè)~綠素含量尤其是葉綠素b與光能捕獲能力密切相關(guān)。隨光照有效性降低,植物為了更有效地捕獲光,葉綠素含量尤其是葉綠素b的含量增加,同時(shí)葉綠素 a/b下降[29,30]。本研究也得出類似結(jié)論。對(duì)山梔子(Gardeniajasminoides)幼苗遮蔭試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),葉綠素b含量和葉綠素a/b在6%—100%光照環(huán)境中沒有顯著差異[28];而麻櫟(Quercusacutissima)幼苗在中等光照條件下(66%相對(duì)光照)葉綠素a和葉綠素b的含量與全光照處理之間沒有顯著差異,低光環(huán)境(10%相對(duì)光照)葉綠素a和葉綠素b含量顯著高于全光照,葉綠素a/b在3種光照處理之間沒有顯著變化[31]。這些不同的研究結(jié)果可能與樹種差異及其對(duì)光環(huán)境的不同適應(yīng)機(jī)制有關(guān)。本研究中披針葉茴香的地上生物量和總生物量在極弱光照下也沒有顯著降低,這可能主要與葉綠素和類胡蘿卜素含量的大幅增加,進(jìn)而提高了其對(duì)光的捕獲和利用能力有關(guān)(表2)。

不同的光照強(qiáng)度影響葉片的碳氮代謝過程。在高光環(huán)境下,光合產(chǎn)物和可溶性蛋白含量較多,硝酸還原酶活性較高[32,33]。而生長(zhǎng)在弱光環(huán)境中的植物分配較多的碳給葉片,以獲取更多的光能,但葉片中光合產(chǎn)物積累減少,硝酸還原酶活性降低,導(dǎo)致葉片中硝酸鹽的積累[32,33]。本研究中遮蔭處理的可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白含量均顯著低于全光照處理,表明遮蔭后光合產(chǎn)物的積累減少,尤其是可溶性糖含量隨光照強(qiáng)度減弱顯著降低。6%—52%相對(duì)光照處理下葉氮含量顯著增加,在33%和52%相對(duì)光照處理下,硝酸鹽積累較少;而在全光照(100%)和極弱光照條件下(6%相對(duì)光照),盡管硝酸還原酶活性較高,但硝酸鹽積累也較多,這與已有的一些研究結(jié)果不同。這表明在不利光照條件下,披針葉茴香為緩解硝酸鹽積累對(duì)生長(zhǎng)的脅迫,相應(yīng)的增加硝酸還原酶活性來減少這一負(fù)面影響。遮蔭也增加了葉磷含量,但對(duì)葉氮/葉磷比值影響相對(duì)較小,表明葉氮和葉磷隨光照強(qiáng)度變化具有協(xié)同效應(yīng),葉片氮磷化學(xué)計(jì)量比幾乎不受光照強(qiáng)度變化的影響。

在適宜條件下,植物葉片細(xì)胞內(nèi)葉綠體呈紡錘形結(jié)構(gòu),細(xì)胞器結(jié)構(gòu)完整,基粒片層發(fā)達(dá)、清晰可見,排列整齊有序,沒有異常的細(xì)胞內(nèi)含體或空泡化結(jié)構(gòu)[34]。本研究5種光照強(qiáng)度下細(xì)胞結(jié)構(gòu)基本保持完整,52%相對(duì)光照處理下葉綠體內(nèi)淀粉含量最高,低光下細(xì)胞內(nèi)葉綠體體積較全光照處理下增大,這些結(jié)果表明披針葉茴香葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)在所有光照處理下保持正常的生理代謝,其對(duì)變化光環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)。而對(duì)其他一些植物的研究發(fā)現(xiàn),低光下植物生理代謝活動(dòng)降低,細(xì)胞受損、細(xì)胞器破壞嚴(yán)重,進(jìn)而導(dǎo)致光合作用效率下降[35]。

3.2 根系性狀對(duì)變化光環(huán)境的表型可塑性

光環(huán)境的變化不僅影響植物葉片性狀,也可能影響植物根系性狀及其對(duì)養(yǎng)分資源的利用。Pooter等[27]指出,在低光環(huán)境,植物具有較高的葉面積比來獲取光照,而在高光環(huán)境下,較高的根生物量比更有利于水分和養(yǎng)分的獲取。在土壤養(yǎng)分有效性較低時(shí),植物通過增加比根長(zhǎng)和比根表面積來吸收更多養(yǎng)分,而養(yǎng)分有效性較高時(shí),植物增加比葉面積和葉面積比獲得更多光照來促進(jìn)生長(zhǎng)。本研究中披針葉茴香細(xì)根、粗根的形態(tài)特征在5種光照處理之間均沒有顯著差異,表明短期遮蔭處理對(duì)根系生長(zhǎng)發(fā)育的影響較小。盡管如此,低光處理(15%和6%)下,根系氮含量顯著降低,這可能與低光下植物氮需求減少(如葉片氮積累較多)有關(guān)。在52%相對(duì)光照處理下,根系磷利用效率最高,根系氮/磷比值最低,因此,適宜的光照環(huán)境可能有利于磷的利用。Gong等[13]也發(fā)現(xiàn),5種熱帶樹種幼苗在4%和20%相對(duì)光照處理之間細(xì)根的比根長(zhǎng)和比葉面積沒有顯著差異,但這些樹種的葉面積和細(xì)根表面積呈顯著的正相關(guān),葉片和細(xì)根的氮磷化學(xué)計(jì)量比具有顯著相關(guān)性。本研究披針葉茴香葉片和根系形態(tài)及生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征均沒有顯著相關(guān)性,表明隨光照強(qiáng)度變化,披針葉茴香對(duì)地下資源的獲取受地上資源利用的影響較小。

3.3 整體結(jié)構(gòu)的表型可塑性

當(dāng)植物受到光照條件限制時(shí),植物分配更多的資源供給地上部分,增加葉、莖生物量的分配來獲得更多的光照資源[36]。本研究發(fā)現(xiàn)6%—52%相對(duì)光照處理有利于披針葉茴香單株總生物量的積累,尤其是52%相對(duì)光照處理總生物量最大。隨光照強(qiáng)度減弱,披針葉茴香分配給葉片和根系的生物量比例沒有顯著變化,但分配給枝條和樹干的生物量比例逐漸增加,這表明在低光條件下,植物采取保守策略,光合同化產(chǎn)物主要用于枝、干生物量的積累。對(duì)歐洲山毛櫸(Fagussylvatica)[37]、閩楠(Phoebebournei)[38]幼樹的研究也發(fā)現(xiàn),葉片或地上生物量比、根系生物量比在不同光照處理之間沒有顯著差異。一些研究表明,低光環(huán)境下植物為了存活盡量減少呼吸損失[39],通過可塑性適應(yīng)環(huán)境的改變,增加碳在枝干和根系的儲(chǔ)存,而不是為了獲取資源[40]。一般具有較寬生態(tài)幅和拓殖能力的物種擁有較高生物量分配可塑性,由此緩解不同生境的選擇壓力[41]。但披針葉茴香生物量及其分配特征的可塑性較低,說明其并不依賴生物量分配策略來適應(yīng)變化光環(huán)境。相對(duì)于葉片形態(tài)和生物量可塑性,葉片結(jié)構(gòu)和生理可塑性對(duì)披針葉茴香適應(yīng)變化光環(huán)境發(fā)揮了更為重要的作用。本研究中披針葉茴香比葉面積、光合色素和葉氮含量隨光照強(qiáng)度減弱逐漸增大,均有利于披針葉茴香提高光能的捕獲和利用效率,進(jìn)而維持其正常的生理代謝。披針葉茴香具有較寬的光生態(tài)幅,在中等光照條件(52%相對(duì)光照處理)下生長(zhǎng)最佳,而在極弱光照條件下(6%相對(duì)光照處理)葉綠素含量增加幅度遠(yuǎn)大于高光環(huán)境中(100%光照)葉綠素含量降低幅度,尤其是葉綠素b的變異水平更高,表明低光環(huán)境中植物為獲取更多的光照資源投入更大。披針葉茴香幼苗整體結(jié)構(gòu)的可塑性相對(duì)較低,葉片生理的可塑性對(duì)變化光環(huán)境適應(yīng)可能發(fā)揮了更加重要的作用。

4 結(jié)論

本文研究了披針葉茴香在5種光照強(qiáng)度下葉片、根系和生物量的表型可塑性,初步明確了披針葉茴香對(duì)變化光環(huán)境的響應(yīng)和適應(yīng)策略。披針葉茴香具有較寬的光生態(tài)幅,其在6%—100%光照強(qiáng)度下均可以正常生長(zhǎng),蔭庇環(huán)境有助于披針葉茴香地上生物量和總生物量積累,在52%相對(duì)光照處理下生物量最大。披針葉茴香葉片和根系形態(tài)、生物量及氮磷化學(xué)計(jì)量特征在6%—100%光照強(qiáng)度下可塑性較低,葉片生理指標(biāo)(尤其是光合色素和可溶性糖含量)的調(diào)節(jié)在披針葉茴香適應(yīng)不同光環(huán)境過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。這些結(jié)論僅為一個(gè)生長(zhǎng)季的結(jié)果,不同光照環(huán)境下披針葉茴香長(zhǎng)期適應(yīng)機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。