光質(zhì)對(duì)珙桐幼苗形態(tài)建成及光合特性的影響

吳 艷， 榮 熔， 陳 放， 徐 鶯

(四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物資源與生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610065)

1 引 言

在植物的生命周期中，光是對(duì)其影響最為顯著的環(huán)境因子.光照強(qiáng)度、光質(zhì)以及光周期都會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、光合作用以及生理生化特性等方面均有較大的調(diào)控作用[1-3].

珙桐(Davidiainvolucrata)是我國(guó)特有的單型屬珍稀樹(shù)種，有植物界的“活化石”之稱，被列為國(guó)家一級(jí)保護(hù)植物.珙桐是一種著名的觀賞植物，因其有一對(duì)白色的大苞片，形如白鴿的翅膀，所以珙桐又名鴿子樹(shù)[4-5]；此外，珙桐還具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，其種子和果皮可以用于榨取食用油或工業(yè)油、果核可提取營(yíng)養(yǎng)蛋白質(zhì)、果內(nèi)皮可制香精以及樹(shù)皮果皮可制成活性炭等[6].作為瀕危珍稀物種，一方面珙桐對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求較為嚴(yán)格[7]，；另一方面，珙桐的生長(zhǎng)習(xí)性尤為特殊：其幼苗生長(zhǎng)緩慢，喜陰濕的生長(zhǎng)環(huán)境，適宜生長(zhǎng)在林蔭下，成苗趨于喜光，可知光照對(duì)珙桐植株的生長(zhǎng)有關(guān)鍵影響.早前的研究對(duì)珙桐生長(zhǎng)產(chǎn)生影響的因子主要有溫度[8]、光強(qiáng)[9]等，但有關(guān)于光質(zhì)影響珙桐生長(zhǎng)的研究卻未見(jiàn)報(bào)道.本試驗(yàn)探討了不同弱光光質(zhì)對(duì)珙桐幼苗生長(zhǎng)形態(tài)及生理特性的影響，以期為其種質(zhì)資源的保護(hù)、栽培引種技術(shù)及園林應(yīng)用方面提供相關(guān)的理論依據(jù).

2 材料與方法

2.1 材 料

本研究的供試植物材料為野生型光葉珙桐，種子采摘于四川省江油市吳家后山.

2.2 方 法

2.2.1 培養(yǎng)條件 本試驗(yàn)選取顆粒飽滿的珙桐種子于人工氣候培養(yǎng)箱中進(jìn)行萌發(fā)和培養(yǎng)，條件設(shè)置為溫度 24 ℃，光照強(qiáng)度3 000～4 000 lx，光照周期14 h光照/10 h黑暗，相對(duì)空氣濕度為80%.

2.2.2 光質(zhì)處理 本試驗(yàn)一共設(shè)置了4種不同LED光質(zhì)處理，分別為白色(W)、藍(lán)色(B)、紅色(R)、綠色(G)，光照強(qiáng)度保持一致(3 000 lx)，光周期14 h光照/10 h黑暗.每個(gè)處理重復(fù)3次，每次重復(fù)3～5棵苗，培養(yǎng)周期為35 d.

2.2.3 形態(tài)指標(biāo)測(cè)定 選取相同位置、方向一致的葉片測(cè)定相關(guān)的形態(tài)指標(biāo).以葉片長(zhǎng)度大于5 cm算作真葉的有效準(zhǔn)則，統(tǒng)計(jì)幼苗的真葉數(shù).測(cè)定株高、上胚軸長(zhǎng)度(子葉與第一片真葉之間的距離)、莖粗(子葉以下1 cm處的部位)、葉長(zhǎng)、葉寬、葉柄長(zhǎng)度，利用掃描儀(EPSON scan)對(duì)幼苗葉片進(jìn)行掃描，之后再采用Photoshop CS4軟件測(cè)定葉片面積.

2.2.4 光合色素含量測(cè)定 葉綠素含量采用95%乙醇提取法[10]進(jìn)行測(cè)定，利用打孔器將葉片打成直徑1 cm的小圓片，稱取0.1～0.2 g左右的葉片材料，將材料快速放入裝有事先配置好的95%酒精的塑料試管中，暗處理72 h之后至葉片完全不呈綠色，利用酶標(biāo)儀(Molecular Devices，USA)分別測(cè)定波長(zhǎng)665 nm、649 nm、440 nm、652 nm下的吸光值，計(jì)算得到葉綠素a (Ca)、葉綠素b (Cb)、葉綠素總含量(CT)、類胡蘿卜素(Cx.c)，

計(jì)算公式如下：Ca=(12.7×OD665-2.59×OD649)×L/(1000×M);Cb=(22.9×OD649-4.67×OD665) ×L/(1000×M);CT=Ca+Cb;Cx.c= (1000×OD470-2.05×Ca-114.8×Cb) /245×L/(1000×M).

公式中L：混合液體積(mL)，M：樣品質(zhì)量(g).

2.2.5 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定 將待測(cè)的珙桐幼苗經(jīng)過(guò)20 min暗處理之后，MINI-IMAGING-PAM熒光成像儀(德國(guó)WALZ 公司)測(cè)定葉綠素?zé)晒獬上駞?shù)PSⅡ最大光量子產(chǎn)量(Fv/Fm)、PSⅡ?qū)嶋H光量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)、光化學(xué)淬滅系數(shù)qP、非光化學(xué)淬滅系數(shù)qN、PSⅡ調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量Y(NPQ)、非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量Y(NO)及快速光曲線，并通過(guò)快速光曲線計(jì)算得到初始斜率α、最大潛在電子傳遞速率rETRm、半飽和光強(qiáng)Ik.

2.2.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)用EXCEL 2010軟件進(jìn)行整理，利用DPS7.05軟件進(jìn)行顯著性分析，Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較.

3 結(jié)果與分析

3.1 不同光質(zhì)對(duì)珙桐幼苗形態(tài)建成的影響

本研究首先測(cè)定了不同光質(zhì)下的珙桐幼苗及其葉片的形態(tài)學(xué)參數(shù)(表1，圖1).在植株形態(tài)方面，白光下的珙桐幼苗株高最高，其次是藍(lán)光和綠光，紅光處理下株高最小，但是幼苗的上胚軸和莖的直徑在藍(lán)光處理下達(dá)到最大值.在葉片數(shù)量和形態(tài)方面，藍(lán)光與白光處理下的幼苗真葉數(shù)均顯著高于綠光和紅光，白光處理下葉片的長(zhǎng)度、寬度及葉面積均顯著高于其他處理，且葉片最為舒展寬闊，而藍(lán)、紅、綠三種處理下的葉片形態(tài)依次變得越來(lái)越狹長(zhǎng)，但葉片長(zhǎng)寬比卻是在綠光和紅光處理下達(dá)到最大且顯著高于另外兩組處理.綠光下幼苗的葉柄長(zhǎng)度顯著高于其他三組處理，其次是紅光，白光和藍(lán)光下葉柄最短.這些結(jié)果表明，在不同光質(zhì)環(huán)境中生長(zhǎng)時(shí)，珙桐幼苗植株的形態(tài)建成會(huì)對(duì)環(huán)境條件做出不同的響應(yīng).

表1 不同光質(zhì)處理后珙桐幼苗的形態(tài)建成指標(biāo)

(a) 經(jīng)不同光照處理35 d后的珙桐幼苗; (b) 經(jīng)不同光照處理35 d后的珙桐幼苗葉片. (W, 白光; B, 藍(lán)光; R, 紅光; G, 綠光.)

Fig.1 Plants and leaves morphology of seedlings treated with different light quality

(a) Plants morphology; (b) leaves morphology.(W, white light; B, blue light; R, red light; G, green light.)

3.2 不同LED光質(zhì)對(duì)珙桐幼苗光合色素含量的影響

不同光質(zhì)條件下，珙桐幼苗葉片的葉綠素總含量、類胡蘿卜素含量以及葉綠素a、葉綠素b的含量均呈紅光>綠光>白光>藍(lán)光依次遞減的趨勢(shì)，且紅光和綠光處理的幼苗色素含量顯著高于其他兩組處理.而葉綠素a與葉綠素b的比值卻與葉綠素a和葉綠素b的含量恰恰相反，呈現(xiàn)出藍(lán)光>白光>綠光>紅光依次遞減的趨勢(shì).這表明紅光和綠光更有利于幼苗光合色素的累積和光合作用的進(jìn)行(圖2).

3.3 不同LED光質(zhì)對(duì)珙桐幼苗葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h3>

由圖3可知，白光處理的珙桐幼苗，其PSⅡ最大量子產(chǎn)量Fv/Fm和PSⅡ?qū)嶋H量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)都達(dá)到最大值，并且顯著高于其他光質(zhì)處理，而經(jīng)藍(lán)光處理的幼苗這兩項(xiàng)參數(shù)值最低.四種不同光質(zhì)處理后幼苗的光化學(xué)淬滅系數(shù)qP和非光化學(xué)淬滅系數(shù)qN呈現(xiàn)出完全相反的兩種結(jié)果，光化學(xué)淬滅系數(shù)qP在白光和綠光處理的幼苗中較高，而非光化學(xué)淬滅系數(shù)qN卻在這兩種光質(zhì)處理下較低，反而在藍(lán)光和紅光處理的幼苗中較高.不同光質(zhì)處理后，PSⅡ處調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量Y(NPQ)和PSⅡ處非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量Y(NO)的結(jié)果呈一定的正相關(guān)性，Y(NPQ)和Y(NO)在藍(lán)光和紅光處理下均顯著高于白光和綠光處理.

此外，快速光曲線初始斜率α在白光與綠光處理下顯著高于藍(lán)光和紅光處理，白光和綠光處理間無(wú)顯著差異，藍(lán)光和紅光處理間同樣無(wú)差異(圖4a)；半飽和光強(qiáng)Ik在藍(lán)光處理下達(dá)到最大值，且顯著高于其他處理；其次是綠光和白光處理，兩者間不存在差異；紅光處理下Ik最低，顯著低于其他處理(圖4b)；最大潛在電子傳遞速率rETRm白光和綠光處理下較高，且顯著高于其他處理，其次是藍(lán)光處理，而紅光處理則最低(圖4c).

(a) The content of total chlorophyll and carotenoids of treated seedings; (b) the content of chlorophyll a, chlorophyll b and the ratio of chlorophyll a/b.(CT,total chlorophyll;Cx.c,carotenoid;Ca,chlorophylla;Cb,chlorophyll b.)

(a) PSⅡ最大量子產(chǎn)量(Fv/Fm); (b) PSⅡ?qū)嶋H量子產(chǎn)量Y(Ⅱ); (c) 光化學(xué)淬滅系數(shù)qP; (d) 非光化學(xué)淬滅系數(shù)qN; (e) PSⅡ處調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量Y(NPQ); (f) PSⅡ處非調(diào)節(jié)性能量耗散的量子產(chǎn)量Y(NO).

Fig.3 Chlorophyll fluorescence parameters of seedling leaves treated with different light quality

(a)Fv/Fm(optimal quantum yield of PSⅡ); (b)Y(Ⅱ)(Actual photochemical efficiency of PSⅡ); (c)qP(Photochemical quenching coefficient); (d)qN(Non-photochemical quenching coefficient); (e)Y(NPQ)(quantum yield of energy dissipation by PS Ⅱ regulatory); (f)Y(NO)(Quantum yield of non-regulatory energy dissipation).

(a) The initial slopeαof the rapid light curve; (b) the half-saturated light intensityIk; (c) the maximum potential electron transfer raterETRm.

Fig.5 The content of parameters related to reactive oxygen metabolism in seedlings after different light quality treatment

(a) Hydrogen peroxide (H2O2) content; (b) superoxide anion (O2) content; (c) malondialdehyde (MDA) content; (d) SOD activity.

3.4 不同LED光質(zhì)對(duì)珙桐幼苗活性氧代謝的影響

4 討 論

光照是影響植物形態(tài)建成和生長(zhǎng)發(fā)育的重要外界環(huán)境因素。植物不僅能對(duì)光照強(qiáng)度做出響應(yīng)[11]，也能對(duì)不同光質(zhì)或者光周期做出應(yīng)答。作為國(guó)家一級(jí)保護(hù)植物，珙桐的致危因素包括自身內(nèi)部因素和外界環(huán)境因素[12]. 以往的研究主要針對(duì)于光照強(qiáng)度對(duì)珙桐幼苗生長(zhǎng)的影響[9,13]，本研究則探討了白、藍(lán)、綠、紅4種光質(zhì)對(duì)珙桐實(shí)生幼苗的光形態(tài)建成和光合生理特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)珙桐幼苗對(duì)不同光質(zhì)的響應(yīng)存在較大差異.

在避蔭條件下，被子植物主要表現(xiàn)出加快節(jié)間和葉柄的伸長(zhǎng)速度、減少葉片區(qū)域和厚度、減少分枝、提前開(kāi)花等避蔭反應(yīng)[14-15].本研究中紅光處理的珙桐幼苗株高值最低，說(shuō)明紅光最有利于珙桐幼苗的光形態(tài)建成，這與此前報(bào)道的研究結(jié)果一致[16]. 藍(lán)光對(duì)植物的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)具有抑制作用， 但本實(shí)驗(yàn)中藍(lán)光處理的珙桐幼苗株高相對(duì)較高，可能是藍(lán)光引起了珙桐幼苗的避蔭效應(yīng)而導(dǎo)致.研究發(fā)現(xiàn)，綠光可以誘導(dǎo)擬南芥葉柄伸長(zhǎng)的避蔭應(yīng)答[17]，在本研究中綠光處理的珙桐幼苗葉柄長(zhǎng)度顯著長(zhǎng)于其他處理，同時(shí)該處理下珙桐幼苗的葉長(zhǎng)、葉寬及葉面積均達(dá)到最小值，且葉長(zhǎng)與葉寬的比值最高，狹長(zhǎng)的珙桐幼苗葉片同樣說(shuō)明綠光處理誘發(fā)了避蔭效應(yīng).研究指出，適宜珙桐幼苗生長(zhǎng)的光照強(qiáng)度為10 000～17 000 lx[18]，而本研究所采用的試驗(yàn)光強(qiáng)(3 000 lx)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到該水平.該強(qiáng)度的白光下的珙桐幼苗最高，這可能是由于紅光僅占其中的一小部分，綠光和低強(qiáng)度藍(lán)光又具有誘導(dǎo)避蔭反應(yīng)能力共同作用的結(jié)果.研究發(fā)現(xiàn)的在3 000 lx的各種光質(zhì)處理下的珙桐幼苗葉片面積較生長(zhǎng)在光強(qiáng)為10 000 lx的環(huán)境中的幼苗葉片面積低，這與早前報(bào)道的植物葉片在弱光環(huán)境下葉面積下降一致. 這些結(jié)果表明，在不同弱光光質(zhì)處理下，珙桐幼苗葉片的生長(zhǎng)發(fā)育受到一定的影響，但其中不同光信號(hào)的具體分子調(diào)控機(jī)制還有待進(jìn)一步研究.

光合色素是綠色植物光合作用的基礎(chǔ).一般而言，藍(lán)光有利于提高葉綠素a與葉綠素b的比值，而藍(lán)光培養(yǎng)的植株一般具有陽(yáng)性植物的特性,而紅光培養(yǎng)的植株與陰性植物相似[19].本實(shí)驗(yàn)中在藍(lán)光處理下珙桐幼苗葉綠素a與葉綠素b的比值達(dá)到最大值，這說(shuō)明珙桐是一種典型的陽(yáng)性植物. 在紅光和綠光處理后，珙桐幼苗葉綠素a與葉綠素b的比值下降，表明珙桐幼苗具有一定的耐蔭能力，可以通過(guò)提高葉綠素b的相對(duì)含量來(lái)捕獲有限的光能來(lái)適應(yīng)弱光環(huán)境.Fv/Fm反映植物的潛在最大光合能力，Y(Ⅱ)反映植物的實(shí)際光合能力[20]. 本研究結(jié)果顯示在白光處理下，珙桐幼苗的Fv/Fm和Y(Ⅱ)均達(dá)到最大值，說(shuō)明在弱光條件下，白光仍能保證珙桐幼苗的光合能力，而其他處理下珙桐幼苗的光合能力都有不同程度的下降，其中藍(lán)光處理下的珙桐幼苗光合能力顯著低于紅光和綠光處理，這與前期的研究結(jié)果一致[21]. 一方面，藍(lán)光有利于提高光合電子傳遞鏈PSⅠ受體端的自動(dòng)氧化酶類活性，促進(jìn)了Mehler反應(yīng)從而會(huì)生成更多的超氧化物[22]，本研究中實(shí)驗(yàn)結(jié)果與此相符；另一方面，藍(lán)光處理下珙桐幼苗葉片的ROS水平最高，導(dǎo)致其MDA含量也同樣顯著高于別的處理.此外，藍(lán)光下珙桐幼苗可能具有SOD機(jī)制之外的抗氧化自我修復(fù)能力，能保證植株新陳代謝正常運(yùn)行，所以藍(lán)光下珙桐幼苗的形態(tài)生長(zhǎng)狀態(tài)仍然較佳.

綜上所述，在不同光質(zhì)條件下，珙桐幼苗的形態(tài)特征和生理特征存在著顯著差異，即使在同一種光照條件下，各種形態(tài)和生理指標(biāo)的響應(yīng)效果也不盡相同.具體表現(xiàn)為珙桐幼苗在紅光處理下伸長(zhǎng)生長(zhǎng)最緩慢，光合色素累積最高而光和能力最低，這表明紅光對(duì)植株的光形態(tài)建成有顯著影響；白光處理的幼苗株高最高，光合色素積累少，但光和能力最強(qiáng)，此外ROS水平及MDA含量較低，且SOD活性達(dá)到最大值，說(shuō)明白色弱光處理對(duì)珙桐幼苗的光合作用及生理代謝影響較?。蝗豕猸h(huán)境下綠光和藍(lán)光處理的珙桐幼苗都能表現(xiàn)出避蔭效應(yīng)，這對(duì)于珙桐幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育有一定的積極作用.

珙桐是珍稀瀕危的木本植物，實(shí)驗(yàn)材料數(shù)量的局限使得實(shí)驗(yàn)也受到諸多限制，以后還需要在有限的實(shí)驗(yàn)材料的前提下，從形態(tài)解剖學(xué)和基因表達(dá)的角度探討珙桐的光響應(yīng)；此外，從分子水平上去對(duì)其進(jìn)行分析研究光質(zhì)對(duì)珙桐影響的具體機(jī)制也更具有說(shuō)服力.