遮光對(duì)糠椴幼苗光合特性的研究

劉興，趙丹，楊曉，金夢(mèng)然，劉煜光,史寶勝

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與旅游學(xué)院，河北 保定 071000)

光是植物光合作用和生長(zhǎng)發(fā)育的重要影響因子[1]。植物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過程中，形成了自身特有的需光特性[2]。植物可以在遮光環(huán)境下產(chǎn)生可塑性反應(yīng)，通過增加葉綠素含量、減小柵欄組織和海綿組織厚度等來(lái)保持最大吸收光量子的能力[3-4]；通過降低光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)，增加表觀量子效率等來(lái)提高光能利用效率[5-6]；通過降低暗呼吸速率等來(lái)減少碳的消耗，將更多的碳用于高生長(zhǎng)，以期能最大程度地獲得光照[7]。這些生理方面的調(diào)節(jié)對(duì)于植物在遮光環(huán)境下保持碳的平衡起到了至關(guān)重要的作用[8]。

糠椴(TiliamandshuricaRup et Maxim.)為椴樹科椴樹屬落葉喬木。近年來(lái)，對(duì)糠椴的研究主要集中在椴樹枝葉解剖結(jié)構(gòu)、糠椴組培苗的誘導(dǎo)生根、蜜高產(chǎn)措施、糠椴檢測(cè)大氣氯污染等領(lǐng)域[9-12]。而在遮光對(duì)糠椴光合及生理影響方面未見報(bào)道。在椴樹屬的相關(guān)研究中，孫欣欣等研究表明紫椴通過調(diào)節(jié)葉片P、K含量來(lái)適應(yīng)弱光環(huán)境[13]。陳婕等研究表明在光環(huán)境的轉(zhuǎn)變下，蒙古櫟和紫椴都通過增加葉綠素含量表現(xiàn)出對(duì)低光環(huán)境的適應(yīng)[14]。本研究以糠椴幼苗為試材，利用盆栽遮光方法，分析遮光對(duì)糠椴葉片光合日變化、光響應(yīng)參數(shù)、葉綠素?zé)晒狻⑸睾康挠绊?，揭示在不同光照條件下糠椴的光合生理反映特性，以明確紫椴幼苗適宜生長(zhǎng)的光環(huán)境條件，為幼苗的栽培生產(chǎn)和園林應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于河北省保定市河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與旅游學(xué)院試驗(yàn)田。該地區(qū)位于經(jīng)度 115.47 E、緯度38.87 N。屬暖溫帶亞濕潤(rùn)氣候區(qū)。

1.2 試驗(yàn)材料

選取生長(zhǎng)良好、長(zhǎng)勢(shì)一致的2 a生糠椴幼苗為試驗(yàn)材料。植株載于盆中(花盆直徑23.5 cm，高14 cm)。試驗(yàn)盆土為苗圃地園土、砂和營(yíng)養(yǎng)土自然風(fēng)干后按照2∶2∶1混合，常規(guī)管理。

于2018年7月22號(hào)用不同遮光率的黑色遮陽(yáng)網(wǎng)進(jìn)行遮光處理，分別為透光率70%(輕度遮光，LS)、透光率40%(中度遮光，MS)、透光率10%(重度遮光，SS)，以自然光照處理(即透光率100%)為對(duì)照(CK)，每處理8株，3次重復(fù)。在處理60 d時(shí)進(jìn)行光合和生理指標(biāo)測(cè)定。測(cè)定葉片均取自植株頂梢向下第6～8片葉。葉綠素測(cè)定的葉片于早8：00采集后，置于冰盒，于-80℃貯存?zhèn)溆?。使用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)試驗(yàn)，每小區(qū)8株，重復(fù)3次。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 葉綠素含量測(cè)定 參照李合生方法，測(cè)定葉綠素a含量和葉綠素b含量[15]。

1.3.2 光合參數(shù)的測(cè)定 采用Li-6400便攜式光合測(cè)定儀測(cè)定。參照王建華等的方法[16]。于陽(yáng)光充足的晴天，從08：00到18：00每2 h對(duì)不同處理的葉片進(jìn)行凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、水分利用率(WUE)參數(shù)測(cè)定，每處理測(cè)定7片葉。利用LED光源，測(cè)定不同處理葉片在不同光照強(qiáng)度下的凈光合速率，繪制光合-光響應(yīng)曲線。參照葉子飄的方法計(jì)算光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)、光飽和點(diǎn)(LSP)、光飽和時(shí)最大凈光合速率(Pmax)、暗呼吸速率(Rd)、表現(xiàn)量子效率(AQY)[17]。

1.3.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定 使用PM100便攜式熒光儀，于上午8：00到10：00對(duì)糠椴幼苗的葉片暗適應(yīng)20 min后，測(cè)定植物葉片的主要熒光參數(shù)：最小熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、PSII潛在活性(Fv/Fo)、PSII最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、吸收的光能被反應(yīng)中心捕獲的量子產(chǎn)量(φPo)、激子被反應(yīng)中心捕獲后，促進(jìn)電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA的電子受體的激子與促進(jìn)QA還原激子的比值(Ψo)、反應(yīng)中心所吸收的光能應(yīng)用于電子傳遞的量子產(chǎn)量(φEo)、用于熱耗散的量子產(chǎn)量(φDo)、單位反映中心吸收的能量(ABS/RC)、單位反應(yīng)中心捕獲的用于還原QA的能量(TRo/RC)、單位反應(yīng)中心捕獲的用于電子傳遞的能量(ETo/RC)、單位反映中心耗散掉的能量(DIo/RC)，每處理測(cè)定5片葉，3次重復(fù)。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析 所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入Excel中進(jìn)行計(jì)算，方差分析采用SPSS18.0參數(shù)選擇ANOVA進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 遮光對(duì)光合日進(jìn)程的影響

遮光對(duì)凈光合速率日變化的影響如圖1所示。

遮光處理下對(duì)Ci、Gs、Tr、WUE參數(shù)的日進(jìn)程如圖2所示。

圖1 遮光處理下對(duì)凈光合速率日變化的影響

遮光處理下對(duì)Ci、Gs、Tr、WUE參數(shù)的日進(jìn)程如圖2所示。

圖2 遮光處理下相關(guān)參數(shù)的日進(jìn)程

Figure 2 Daily process of relevant parameters under shading

由圖1、圖2可知,遮光后CK、LS處理的Pn呈雙峰曲線型，MS、SS呈單峰型。單峰峰值出現(xiàn)在10：00，雙峰峰值分別出現(xiàn)在10:00和16:00，且上午峰值高于下午。在LS處理的上午峰值比下午峰值高4.13 μmol /( m2· s)。

其中Gs、Tr、WUE變化趨勢(shì)與Pn基本一致。Gs、Tr在LS處理的上午峰值分別比下午峰值高73.68 μmol /( m2· s)和1.38 μmol /( m2· s)。WUE在10:00和16:00達(dá)到峰值。如：在LS處理的上午峰值比下午峰值高1.34 μmol/mol。Ci在遮光下整體呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，在10:00達(dá)到最低，CK、MS、SS處理分別比LS提高了41.22%、83.27%和174.66%。

2.2 遮光對(duì)光響應(yīng)及各參數(shù)的影響

遮光后糠椴光響應(yīng)曲線的變化如圖3所示。

圖3 遮光對(duì)糠椴光響應(yīng)曲線的變化

Figure 3 Light response curve under different shading conditions

在全日照和遮光環(huán)境下，幼苗凈光合速率(Pn)隨光合有效輻射(PAR)升高先逐漸增大，最后漸趨平緩。隨光照的增強(qiáng)，遮光處理與對(duì)照間的差距逐漸增大，如在光合有效輻射為1 400 μmol /( m2· s)時(shí)，LS處理下的Pn比CK增加了19.12%，而MS、SS處理的比CK降低了25%、33.82%。

遮光下糠椴光響應(yīng)曲線參數(shù)的變化如表1所示。

表1 遮光對(duì)糠椴光響應(yīng)曲線參數(shù)

Table 1 Light response curve parameters under different shading conditions μmol/(m2·s)

注：小寫字母表示不同遮光度之間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，以下同。

遮光降低了幼苗的LSP、AQY和Pmax，并提高了LCP和Rd。LS時(shí)的LSP、AQY和Pmax與CK相比分別降低了2.34%、-14.29%、-21.17%。LCP和Rd與CK比提高了36.10%、58.57%。LS處理具有最高的Pmax，顯著高于其余3個(gè)處理。在LS、MS、SS處理下，糠椴AQY分別為CK的14.29%、-14.29%、100%。

2.3 遮光對(duì)糠椴葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

遮光后糠椴葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化如圖4所示，在遮光處理下，葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fo差異不顯著，而Fm在MS處理下獲得最大值。隨著遮光度增加，F(xiàn)v/Fo和Fv/Fm呈升高趨勢(shì)，LS、MS、SS處理的Fv/Fo分別比CK增加14.09%、42.68%、42.00%；Fv/Fm比CK增加3.66%、9.34%、9.42%。

遮光后糠椴能量分配比率的變化和PSII比活性參數(shù)的變化如表2和表3所示。遮光處理后，Ψo、φEo的值逐漸增加，φPo的值變化不顯著，而φDo的值則逐漸減少，在SS處理下分別比CK增加了9.50%、24.42%、35.07%，而φDo的值減少了25.18%。遮光處理后，ETo/RC、TRo/RC的值變化不顯著。在SS處理下ABS/RC的值比CK降低了15.72%。MS、SS處理下DIo/RC的值，在SS處理下比CK降低了33.73%、37.35%。

圖4 遮光后糠椴葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化

Figure 4 Changes of chlorophyll fluorescence parameters in shading

表2 遮光后糠椴能量分配比率的變化

表3 遮光后糠椴PSII比活性參數(shù)的變化

2.4 遮光對(duì)糠椴葉綠素含量的影響

遮光后糠椴葉綠素含量的變化如表4所示。葉綠素b和葉綠素總量隨遮光度的升高而增加。如在SS處理下葉綠素b和葉綠素總量分別比CK增加了114.29%和76.03%。且各遮光處理下葉綠素a、葉綠素b與CK間的差異達(dá)到顯著水平。葉綠素a/b隨遮光度的增加而降低，LS、MS、SS處理下分別比CK降低-4.47%、13.65%、23.57%。MS、SS處理下均與CK達(dá)到顯著水平。

表4 遮光后糠椴葉綠素含量及比值的變化

3 討論

影響植物光合作用的重要因素有光照、水分、溫度和濃度等，其中光照是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的最重要因素之一[18-19]。本試驗(yàn)中，糠椴在不同光照處理的日變化表現(xiàn)為雙峰型曲線。其中凈光合速率日變化整體由大到小依次為：LS、CK、MS、SS。說(shuō)明LS更有利于糠椴幼苗的光合作用。

光響應(yīng)曲線能有效反映出光合速率隨光強(qiáng)改變的變化規(guī)律，能體現(xiàn)出不同環(huán)境對(duì)植物光合能力影響程度[20]。通常陽(yáng)生植物的LCP在10 μmol/(m2·s)以上，LSP在1 000 μmol/(m2·s)以上[21]。本試驗(yàn)中糠椴幼苗在全光照下有較高的LCP(52.57 μmol/(m2·s))和LSP(1 582.16 μmol/(m2·s))，表現(xiàn)為陽(yáng)生植物。通常在適宜的生長(zhǎng)條件下，植物的AQY為0.02～0.05，其值越大，表明植物吸收與轉(zhuǎn)換光能的色素蛋白復(fù)合體越多，植物利用弱光的能力越強(qiáng)[22-23]。不同遮光處理下糠椴幼苗的AQY均處于適宜范圍內(nèi)，而LS處理下AQY最高，表明輕度遮光處理有利于提高糠椴幼苗的光合利用率，且LS處理下利用弱光能力最強(qiáng)。AQY的值與對(duì)照相比在LS、SS處理下反而不顯著，可能是因?yàn)樵谠囼?yàn)后期，植物本身物候期影響，植物由旺盛生長(zhǎng)期向凋落期轉(zhuǎn)變，代謝變慢，對(duì)外界環(huán)境變化的敏感性降低，從而出現(xiàn)光合指標(biāo)回降現(xiàn)象。

葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)廣泛應(yīng)用到植物生理的測(cè)定中[24]。有試驗(yàn)得出，F(xiàn)v/Fm和Fv/Fo的升高有助于光合色素將其捕獲的光能快速、高效的轉(zhuǎn)化為化學(xué)能從而供給碳同化，提高光合速率，反映出植物在低光強(qiáng)環(huán)境中的適應(yīng)性[25-27]。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著遮光度增加，F(xiàn)v/Fo和Fv/Fm逐漸升高。表明糠椴幼苗在遮光處理下有適應(yīng)性，這與本試驗(yàn)中對(duì)表觀量子效率分析得出的結(jié)論一致。

與全日照處理相比，遮光后糠椴φPo、Ψo均顯著高于全光照，φEo在MS、SS處理下均顯著高于全光照，φDo在MS、SS處理下則顯著低于全光照，說(shuō)明遮光后葉片吸收光能被反應(yīng)中心捕獲率、電子傳遞到QA-下游電子受體概率以及吸收光能將電子傳遞給超過QA的其他電子受體概率均顯著提高，而用于熱耗散的比率顯著降低[28]。遮光對(duì)糠椴PSⅡ活性產(chǎn)生顯著影響，主要表現(xiàn)為ETo/RC的升高和DIo/RC的降低，說(shuō)明遮光明顯提高了PSⅡ活性，更多光能用于電子傳遞，大大降低熱耗散光能消耗。但是隨遮光率的增加糠椴Fo的減少、φEo值的增加會(huì)使單線態(tài)葉綠素不能及時(shí)返回三線態(tài)葉綠素，單線態(tài)葉綠素的積累會(huì)將能量傳遞給O2，形成活性極強(qiáng)的單線態(tài)氧，這會(huì)引起光合機(jī)構(gòu)的失活甚至破壞[29]。說(shuō)明在SS處理下會(huì)引起光合機(jī)構(gòu)的失活甚至破壞。

葉綠素是植物的光合色素，其含量和比例的變化不僅影響葉片呈色，也直接影響植物的光合效率[30]。葉綠素b主要吸收藍(lán)紫光，其含量增加有利于植物對(duì)藍(lán)紫光的利用，提高對(duì)弱光環(huán)境的適應(yīng)性，因此通常情況下，葉綠素含量高，葉綠素a/b比值小的植物具有較強(qiáng)的耐陰性[31]。試驗(yàn)中在遮光處理下糠椴葉綠素b、葉綠素總量均隨顯著高于全光照，葉綠素a/b比值在MS、SS處理下均顯著低于全光照，表明糠椴對(duì)遮光環(huán)境具有適應(yīng)能力。

4 結(jié)論

綜上所述，糠椴為陽(yáng)生植物，幼苗對(duì)低光環(huán)境具有一定的適應(yīng)性。輕度遮光環(huán)境下，糠椴幼苗葉綠素含量增加，且日平均凈光合速率和最大凈光合速率最高，光合能力強(qiáng)，說(shuō)明輕度遮光下有利于提升幼苗的光合特性，促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)。且幼苗光響應(yīng)參數(shù)AQY、LCP、Pmax顯著提升，LSP和Rd降低，說(shuō)明輕度遮光提高了糠椴幼苗的光合利用率，更適宜糠椴幼苗生長(zhǎng)。