樹形結構對梨葉片葉綠素熒光特性的影響

謝 鵬，牛自勉，蔚 露，林 琭

（山西省農(nóng)業(yè)科學院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心，山西太原030031）

梨樹高光效開心樹形是我國北方喬化梨園樹形改造中應用較多的新樹形[1]，而成齡果園樹形改造過程中需要通過配合實施果園間伐技術，以獲得理想的果園群體光照環(huán)境。國內(nèi)現(xiàn)有的研究表明，果園間伐后葉幕微環(huán)境的太陽輻射顯著增加[2]、光合作用效率提高[3]、葉綠素熒光特性也得到改善[4-5]，從而提高了葉片光合效率。葉綠素熒光參數(shù)是研究植物光合作用的快速無損傷探針，與表觀性的氣體交換參數(shù)相比，葉綠素熒光參數(shù)更具有反映內(nèi)在性的特點[6]，有助于揭示光合作用的內(nèi)在機制。

本試驗以間伐之后形成的梨樹高光效開心樹形為基礎，通過影響樹形結構的主枝數(shù)量的變化研究了葉綠素熒光參數(shù)的相應變化，包括潛在的光能利用能力、光能利用特性日變化、光能利用適應性、光系統(tǒng)Ⅱ的光能傳遞特性以及光能過剩時熱耗散途徑的變化，分析了主枝數(shù)差異對梨樹葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響，以期為梨樹高光效樹形模式優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗于2016 年5 月在山西省隰縣習禮村梨樹示范果園進行。試驗樹樹齡18 a，砧木為杜梨（Pyrus betulaefolia Bunge.），嫁接品種為玉露香梨（Pyrus bretschneideri Rehd.），樹形為小冠開心形，間伐后株行距4 m×6 m，南北行向。果園土壤為沙壤土，地面自然生草，肥水管理水平較高。

試驗樹形按照永久性主枝數(shù)量多少，依次分為3，4，5，6 主枝開心樹形，其中，3，4，5 主枝樹形處理為山西省農(nóng)業(yè)科學院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心果樹課題組提出的新樹形，6 主枝處理（對照）為當?shù)貑袒升g梨園的樹形。

1.2 試驗方法

葉綠素熒光特性測定在晴朗無云的白天進行。待測葉片為樹冠東部1 年生延長枝的中上部葉片，測定儀器為WALZ 公司的PAM-2500 調(diào)制葉綠素熒光儀，每處理重復3 次。

1.2.1 潛在的光能利用能力 在9：00—11：00 進行測定。待測葉片用DLC-8 葉夾暗適應30 min，分別給定0.1 μmol/（m2·s）測量光和12 000 μmol/（m2·s）飽和脈沖光，自動記錄潛在的光化學效率（Fv/Fm）。

1.2.2 光能利用特性的日變化 在8：00，10：00，12：00，14：00，16：00 測定光能利用特性。待測葉片自然光下分別給定0.1 μmol/（m2·s）測量光和12 000 μmol/（m2·s）飽和脈沖光，自動記錄光合有效輻射（PAR，μmol/（m2·s））、電子傳遞速率（ETR，μmol/（m2·s））。

1.2.3 光能利用適應性 在9：00—11：00 進行測定。方法同1.2.1，作用光強度依次為0，64，165，290，494，796，1 212，1 680，2 372，3 402 μmol/（m2·s），自動記錄電子傳遞速率（ETR，μmol/（m2·s））。參照文獻[7]的方法擬合出快速光曲線（RLC）并得到快速光曲線的初始斜率（α，e-/hv）、最大電子傳遞速率（ETRmax，μmol/（m2·s））、最小飽和光強（IK，μmol/（m2·s））。

1.2.4 光系統(tǒng)Ⅱ的光能傳遞特性 其在9：00—11：00測定。方法同1.2.1，自動記錄照射飽和脈沖光后1 s內(nèi)的熒光信號變化，繪制出OJIP 快相曲線并得到4 個特征點熒光值Fo、Fj、Fi、Fp。

1.2.5 光能過剩時熱耗散途徑 在9：00—11：00進行測定。待測葉片暗適應30 min 后進行熒光誘導動力學慢相曲線＋暗馳豫恢復曲線的測定。參照文獻[8]的方法計算熱耗散（qN）及其3 組分qE、qT、qI。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)用SAS 軟件進行差異顯著性分析，以不同小寫字母表示5%顯著性差異，并用Excel 作圖。

2 結果與分析

2.1 不同主枝數(shù)對梨樹潛在的光能利用能力的影響

由圖1 可知，主枝數(shù)的差異并未對梨樹葉片的Fv/Fm 產(chǎn)生影響，各主枝數(shù)梨樹葉片的Fv/Fm 在0.791～0.801，不同主枝數(shù)間沒有顯著性差異，表明主枝數(shù)差異對梨樹葉片潛在的光能利用能力并未產(chǎn)生影響。

2.2 不同主枝數(shù)對梨樹光能利用特性的日變化的影響

梨樹葉片的PAR 在一天中隨著時間的變化先升高后降低，在12：00 左右達到峰值，且隨著主枝數(shù)的減少，梨樹葉片的PAR 在一天中逐漸升高，3，4，5，6 主枝數(shù)梨樹葉片的PAR 峰值分別為2 054，1 807，1 347，421 μmol/（m2·s）（圖2）。說明減少主枝數(shù)有利于梨樹葉片接收光合有效輻射。

ETR 與梨樹葉片PAR 一天中的變化趨勢相似（圖2），各主枝數(shù)梨樹葉片的ETR 在一天中也呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，且同樣在12：00 左右達到峰值。并且隨著主枝數(shù)的減少，梨樹葉片的ETR 在一天中逐漸升高，3，4，5，6 主枝數(shù)梨樹葉片ETR 的峰值分別為387，349，242，70 μmol/（m2·s）?？梢员砻鳎S著主枝數(shù)的減少，一天中梨樹葉片的光合電子傳遞速率逐漸升高。

2.3 不同主枝數(shù)對梨樹光能利用適應性的影響

由圖3 可知，隨著主枝數(shù)的增加，梨樹葉片的α 逐漸升高，可從3 主枝梨樹葉片的0.115 e-/hv 升至6 主枝的0.254 e-/hv，且各主枝間均存在顯著性差異。表明主枝數(shù)越多，梨樹葉片適應弱光的能力越強。

ETRmax與α 的變化趨勢相反，隨著主枝數(shù)的減少，梨樹葉片的ETRmax逐漸升高，由6 主枝的32 μmol/（m2·s）升至3 主枝的112 μmol/（m2·s），且各主枝數(shù)梨樹葉片的ETRmax間同樣存在顯著性差異（圖3）?？梢哉f明，主枝數(shù)的減少有利于梨樹葉片光合作用途徑中最大電子傳遞速率的提高。

由圖3 可知，主枝數(shù)越少，梨樹葉片的IK就越高，這與ETRmax隨著主枝數(shù)增減的變化趨勢相似，而且各主枝數(shù)梨樹葉片的IK之間均存在顯著性差異，IK可從6 主枝的121 μmol（m2·s）上升至3 主枝的453 μmol/（m2·s）。這表明隨著主枝數(shù)的減少，梨樹葉片適應強光的能力越來越強。

2.4 不同主枝數(shù)對梨樹光系統(tǒng)Ⅱ的光能傳遞特性 的影響

由圖4 可知，3，4，5，6 主枝數(shù)梨樹葉片的Fo 分別為0.295，0.291，0.293，0.293，主枝數(shù)的差異并未使梨樹葉片的Fo 產(chǎn)生顯著性差異。表明主枝數(shù)差異對梨樹葉片PSⅡ天線色素的含量和作用中心的活性狀態(tài)沒有影響。不同主枝數(shù)梨樹葉片的Fj 間均無顯著性差異，3，4，5，6 主枝數(shù)梨樹葉片的Fj 分別為1.051，1.045，1.033，1.035。說明不同主枝數(shù)梨樹葉片PSⅡ的QB 還原反應中心數(shù)量差異不顯著。表明主枝數(shù)的差異并未造成梨樹葉片F(xiàn)i 的顯著性差異，各主枝數(shù)梨樹葉片的Fi 在1.112～1.140。表明主枝數(shù)的差異并未對梨樹葉片PSⅡ的PQ 庫異質性產(chǎn)生影響。

不同主枝數(shù)梨樹葉片的Fp 之間并無顯著性差異，3，4，5，6 主枝數(shù)梨樹葉片的Fp 在1.347～1.370（圖4）。表明主枝數(shù)的不同并未對梨樹葉片PSⅡ的天線色素能量耗散產(chǎn)生影響。

2.5 不同主枝數(shù)對梨樹光能過剩時熱耗散途徑的影響

從圖5 可以看出，隨著主枝數(shù)的減少，梨樹葉片的qN 也逐漸降低，從6 主枝的0.910 降至3 主枝的0.667，各主枝數(shù)梨樹葉片的qN 間也存在顯著性差異。表明隨著主枝數(shù)的減少，梨樹葉片光合作用中的熱耗散總量逐漸減少。

主枝數(shù)的減少引起了梨樹葉片qE 的下降，由6 主枝的0.662 降至3 主枝的0.412，不同主枝數(shù)梨樹葉片的qE 間也存在顯著性差異（圖5）。由此可知，梨樹葉片依賴于能量和類囊體膜質子梯度的熱耗散隨著主枝數(shù)的減少而降低。

主枝數(shù)的差異并未造成梨樹葉片qT 之間的顯著 性 差 異，3，4，5，6 主 枝 數(shù) 梨 樹 葉 片 的qT 在0.075～0.077（圖5）。這表明，主枝數(shù)差異并未造成梨樹葉片的依賴于狀態(tài)轉換的熱耗散的不同。

由圖5 可知，各主枝數(shù)梨樹葉片的qI 之間沒有顯著性差異，各主枝數(shù)梨樹葉片的qI 在0.170～0.179。這可以說明，梨樹葉片依賴于光抑制的熱耗散并未因主枝數(shù)的不同而產(chǎn)生差異。

3 討論

已往的研究表明，減少主枝數(shù)能提高梨樹葉幕的光合有效輻射[9]，從而提高葉片的光合速率[10-11]，并使最終產(chǎn)量增加[12]。同時，隨光合作用研究的深入，葉綠素熒光分析技術也能夠提供植物光合器官結構和功能的豐富信息[13]。

光系統(tǒng)Ⅱ潛在的光能利用能力能夠通過Fv/Fm反映出來。本試驗結果表明，主枝數(shù)差異并未造成梨樹葉片F(xiàn)v/Fm 的顯著性差異，沒有遭受環(huán)境脅迫的植物葉片其光系統(tǒng)Ⅱ潛在的光能利用能力一般比較恒定[14]。ETR 的高低與PAR 有關，由于主枝數(shù)的減少使梨樹葉片所處環(huán)境的PAR 得到極大的提高，ETR 也提高，促進與之相耦聯(lián)的光合磷酸化，ATP和NADPH 生成增加，可以為暗反應提供更多還原力[15]。由此可見，在考察植物光合能力時，同樣需要考察ETR 與PAR 的相關性，這與Pn-PAR 曲線意義相同，都可以反映出葉片的光合速率[16]。

已往的研究發(fā)現(xiàn)，生境不同的吉首蒲兒根的RLC 擬合參數(shù)α、ETRmax、IK間存在著顯著性差異[17]，這與本研究中主枝數(shù)差異造成RLC 擬合參數(shù)差異的結果相似。葉綠素熒光快相曲線（OJIP 曲線）可以全面反映出位于類囊體膜上的光系統(tǒng)Ⅱ的光反應過程、效率和結果[18]。經(jīng)典的OJIP 曲線有O、J、I、P等相，光系統(tǒng)Ⅱ中電子傳遞的情況可以通過這些相點反映出來，從而達到植物光合性能無損傷監(jiān)測的效果[19-20]。本試驗中，3，4，5，6 主枝數(shù)梨樹葉片OJIP曲線4 個特征點的熒光值Fo、Fj、Fi、Fp 均無顯著差異，可以說明主枝數(shù)差異并未造成梨樹葉片光系統(tǒng)Ⅱ內(nèi)電子傳遞特性的差異。通過暗馳豫動力學的分析方法可知，熱耗散qN 由3 個組分：qE（快相）、qT（中相）、qI（慢相）組成[8]。大多數(shù)高等植物中最主要的組分便是依賴于能量和類囊體膜質子梯度的qE[21]。隨著主枝數(shù)的減少，梨樹葉片的qN 與qE 也同樣降低，并存在顯著性差異，但qT 與qI 則沒有顯著性差異，這一結果與草莓葉片對強光響應中的熱耗散特性[22]比較相似。由qN＝qE＋qT＋qI，可推斷出，主枝數(shù)減少造成的梨樹葉片熱耗散總量（qN）的顯著下降主要是由依賴于能量和類囊體膜質子梯度的熱耗散（qE）的顯著減少引起的，而與依賴于狀態(tài)轉換的熱耗散（qT）及依賴于光抑制的熱耗散（qI）沒有顯著關聯(lián)。以往研究表明，遮光處理能夠增加玉米葉片依賴于能量和類囊體膜質子梯度的熱耗散（qE），從而引起熱耗散總量（qN）的上升[23]，這與本研究結果得出的推論類似。

綜上所述，間伐后開心形梨樹主枝數(shù)量的減少使得葉片一天中接收到的光合有效輻射增加，進而提高了光合作用過程中電子傳遞速率。減少主枝數(shù)量也能通過提高葉片光合作用中最大電子傳遞速率與適應強光能力來提高葉片對環(huán)境光的適應能力。主枝數(shù)的減少還使得光合作用過程中依賴于能量和類囊體膜質子梯度的熱耗散降低，從而減少了葉片熱耗散總量，并最終提高了葉片對光能的綜合利用效率。因此，就光合作用中葉片對光能的利用效率來說，3，4，5 主枝為間伐后開心形梨樹中較優(yōu)的樹形。