遮陰對(duì)多花黃精光合特性的影響1)

童龍 張磊 劉小明 李彬 耿養(yǎng)會(huì) 陳麗潔 陳桂蘭 曾小英

(重慶市林業(yè)科學(xué)研究院,重慶,400036) (重慶市忠縣林業(yè)局) (重慶市林業(yè)科學(xué)研究院)

植物光合—光響應(yīng)曲線在一定程度上能夠反映植物的凈光合速率隨光強(qiáng)變化而變化的特性[1]，通過擬合植物光響應(yīng)曲線從而得到的一些生理參數(shù)，對(duì)于了解植物光合效率及其影響因素有著非常重要的指導(dǎo)意義[2]。植物光響應(yīng)曲線在一定程度上可以間接地反映其光合特性的相關(guān)生理參數(shù)，如植物的最大凈光合速率(Pnmax)、暗呼吸速率(Rd)、表觀量子效率(ηA，Q，Y)、光飽和點(diǎn)(LS，P)及光補(bǔ)償點(diǎn)(LC，P)等一些重要的生理指標(biāo)參數(shù)[3]，這些生理參數(shù)能夠反映出植物的光合作用機(jī)構(gòu)是否在正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而可以用于判別植物在不同光照環(huán)境條件下的光適應(yīng)能力及光合作用能力等[4]。因此，通過測(cè)定植物的光合作用光響應(yīng)曲線來確定植物光合生理生態(tài)特性，已成為當(dāng)前科研工作者研究的熱點(diǎn)內(nèi)容[5-8]。

多花黃精(PalygunaumcyrtonemaHua)是百合科(Liliaceae)黃精屬(Polygonatum)的多年生草本植物，其主要分布在長江以南各省區(qū)，如陜西、湖北等地的灌叢、林下和山坡陰處，為中國所特有的常用中藥植物。該植物主要含蒽醌、皂苷、多糖、低聚糖、黃酮、木脂素等多種化合物，具有補(bǔ)脾益氣，養(yǎng)陰潤肺，滋腎填精和提高免疫力等功效[9-10]，在藥膳、保健品、化妝品、食品、園林花卉及飼料添加劑等方面也具有很高的開發(fā)價(jià)值，市場(chǎng)前景廣闊[11]。當(dāng)前，關(guān)于多花黃精的研究主要集中在光照對(duì)多花黃精生長、光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)特性的影響[12]，多花黃精根莖芽高效組培增殖和生根體系研究[13]，毛竹林下多花黃精種群生長特性及影響因子[14]以及多花黃精的藥用價(jià)值研究[15]等，但對(duì)于遮陰處理下多花黃精光響應(yīng)特性的研究還很少見到。研究不同遮陰處理下植物的光響應(yīng)特性，對(duì)于揭示其光合生理特性具有重要意義。因此，本研究以多花黃精為研究對(duì)象，設(shè)置4種遮陰梯度，從塊莖開始做不同的遮陰處理(因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中多花黃精均是從不同密度的林子下生長的)，通過測(cè)定不用遮陰條件下多花黃精葉片光響應(yīng)特性，來探討不同遮陰處理下多花黃精的光響應(yīng)特性，從而為多花黃精的人工栽培提供一定的理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)概況

試驗(yàn)地位于重慶市林業(yè)科學(xué)研究院內(nèi)，地處重慶市沙坪壩區(qū)歌樂山鎮(zhèn)歌樂山。歌樂山屬于大巴山系華鎣山脈的分支中梁山，中梁山南延入重慶沙坪壩區(qū)后稱為歌樂山。歌樂山介于東經(jīng)106°23′52″～106°26′42″，北緯29°29′30″～29°44′50″。歌樂山的氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候區(qū)，具有雨量充沛，四季分明，雨熱同季，濕度大，風(fēng)力小的氣候特點(diǎn)。常年平均氣溫為18.3 ℃；年平均降水量1 085.3 mm；日照時(shí)間平均為1 233.7 h。

2 材料與方法

2017年12月份選擇質(zhì)量為(15±1)g的多花黃精2年生塊莖栽植于上口直徑27 cm、下口直徑25 cm、高度27 cm的塑料盆中，每盆放置多花黃精塊莖1塊，每個(gè)處理100盆。盆栽基質(zhì)為V(紅壤)∶V(細(xì)沙)=3∶2，pH值為5.0，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.22 g·kg-1，全氮、全磷和全鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.91、0.85和8.22 g·kg-1，速效氮、速效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為47.88、5.69和46.72 mg·kg-1。試驗(yàn)過程中定期澆水和除草，保證多花黃精苗能夠健康成長。同一時(shí)間對(duì)各處理下的多花黃精進(jìn)行遮陰，試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)遮陰處理：以全光照(遮陰率為0)為對(duì)照(CK)；1層黑色遮陰網(wǎng)(透光率為83%±5%)為T1處理；2層黑色遮陰網(wǎng)(透光率為61%±5%)為T2處理；3層黑色遮陰網(wǎng)(透光率為38%±5%)為T3處理。

光合色素的測(cè)定：隨機(jī)取4個(gè)遮陰處理下多花黃精的健康且成熟的葉片各10 g左右，采用V(乙醇)∶V(丙酮)=1∶1混合液提取法，利用紫外分光光度計(jì)測(cè)定波長470、645、663 nm的吸收值，并根據(jù)公式計(jì)算葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素質(zhì)量濃度。

Ca=12.72D663-2.59D645；

Cb=22.88D645-4.67D663；

Cc=(1 000D470-3.27Ca-104Cb)/229。

式中：Ca為葉綠素a質(zhì)量濃度(mg·L-1)；Cb為葉綠素b質(zhì)量濃度(mg·L-1)；Cc為類胡蘿卜素質(zhì)量濃度(mg·L-1)；D470、D645、D663分別為470、645和663 nm波長下的吸光值。

根據(jù)公式計(jì)算葉片光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

葉綠素a(Chla)質(zhì)量分?jǐn)?shù)=(Ca×V×N)/(1 000W)；

葉綠素b(Chlb)質(zhì)量分?jǐn)?shù)=(Cb×V×N)/(1 000W)；

類胡蘿卜素(Car)質(zhì)量分?jǐn)?shù)=(Cc×V×N)/(1 000W)。

式中：V為光合色素提取液體積(mL)；W為樣品質(zhì)量(g)；N為稀釋倍數(shù)。

每個(gè)處理重復(fù)測(cè)定3次，檢測(cè)方法和檢測(cè)過程與張磊等[16]所述相符。

光響應(yīng)曲線的測(cè)定及擬合：多花黃精光響應(yīng)曲線于2017年7月中旬開始測(cè)定，采用Li-6400便攜式光合儀(Li-Cor 6400，Li-Cor Inc.，Lincoln，USA)，在晴朗的天氣09:00—12:00進(jìn)行多花黃精葉片原位測(cè)定光響應(yīng)曲線[17]。采用Li-6400紅藍(lán)光源，空氣流速為500 μmol·s-1，葉室溫度為25 ℃，大氣CO2摩爾分?jǐn)?shù)為400 μmol·moL-1。測(cè)定光合有效輻射梯度為2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、500、200、150、120、80、50、20、0 μmol·m-2·s-1，每個(gè)葉片在各種處理的光強(qiáng)下記錄的數(shù)值進(jìn)行3次重復(fù)。以光合有效輻射(RA，R)為橫軸，凈光合速率Pn為縱軸繪制出光響應(yīng)曲線，并采用直角雙曲線修正模型進(jìn)行曲線方程擬合[18]：

Pn=α(1-βRA，R)/(1+γRA，R)·RA，R-Rd。

式中：α為光響應(yīng)曲線的初始斜率；β和γ為系數(shù)；RA，R為光合有效輻射；Rd為暗呼吸速率。

數(shù)據(jù)處理與分析：用Excel 2003整理不同遮陰處理下多花黃精各指標(biāo)的數(shù)值并作表，在Origin 8.0中對(duì)不同遮陰處理下多花黃精各指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行作圖，用SPSS 19.0對(duì)不同遮陰處理下多花黃精各指標(biāo)進(jìn)行One-way ANOVA方差分析和LSD(P<0.05)多重比較。所有測(cè)定值都為均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

3 結(jié)果與分析

3.1 遮陰處理對(duì)多花黃精光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由表1可知，遮陰處理對(duì)多花黃精葉片光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有明顯影響，表現(xiàn)為隨著遮陰強(qiáng)度的增加，多花黃精葉片葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈增加趨勢(shì)。其中，不同遮陰處理下多花黃精葉片葉綠素a質(zhì)量分?jǐn)?shù)均與對(duì)照(CK)達(dá)到差異顯著水平(P<0.05)，但不同遮陰處理間差異不顯著，T3處理多花黃精葉片葉綠素a質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，CK處理最低，T3處理比CK處理高了44.83%。不同處理間多花黃精葉片葉綠素b質(zhì)量分?jǐn)?shù)與類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均表現(xiàn)為T1與T2處理之間差異不顯著(P>0.05)，而與CK和T3處理達(dá)到差異顯著水平(P<0.05)，T3處理多花黃精葉片葉綠素b質(zhì)量分?jǐn)?shù)(葉綠素b質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高)比CK處理(葉綠素b質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低)高了43.48%，T3處理多花黃精葉片類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高)比CK處理(類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低)高了25.00%。多花黃精w(葉綠素a)∶w(葉綠素b)在遮陰后均有所增加，以T1處理下最大，各處理間差異均不顯著(P>0.05)。不同遮陰處理間色素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨著遮陰強(qiáng)度的增加而增加，且不同處理間表現(xiàn)為T1和T2處理間差異不顯著，但均與CK和T3處理間達(dá)到差異顯著水平(P<0.05)。

表1 不同遮陰處理下多花黃精光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.2 遮陰處理對(duì)多花黃精光合特性的影響

3.2.1 遮陰處理對(duì)多花黃精光響應(yīng)曲線的影響

由圖1可知，遮陰與全光環(huán)境下多花黃精光響應(yīng)過程呈現(xiàn)較大差異，遮陰處理間多花黃精光響應(yīng)過程也略有不同，表現(xiàn)為同一光合有效輻射(RA，R)下，凈光合速率(Pn)由大到小的順序?yàn)門2、T1、T3、CK。隨著光合有效輻射的增強(qiáng)，對(duì)照處理(CK)更快達(dá)到光飽和點(diǎn)(RA，R≈900 μmol·m-2·s-1)，而后趨于穩(wěn)定，其凈光合速率也相對(duì)微弱(Pn=0.26 μmol·m-2·s-1)；遮陰處理T1、T2及T3對(duì)光合有效輻射的響應(yīng)過程基本相似，即在0～600 μmol·m-2·s-1階段，隨著光合有效輻射的不斷增強(qiáng)，凈光合速率迅速增加，當(dāng)光合有效輻射達(dá)到約1 300 μmol·m-2·s-1以后，不同遮陰處理下多花黃精凈光合速率增加逐漸減緩并逐漸趨于穩(wěn)定。

3.2.2 遮陰處理對(duì)多花黃精光合參數(shù)的影響

由表2可知，遮陰處理能夠顯著增加多花黃精葉片的凈光合速率，各處理間最大凈光合速率(Pnmax)隨著透光率降低先增大后減小，由大到小的順序?yàn)門2、T1、T3、CK，且不同處理間表現(xiàn)為T1和T2處理差異不顯著(P>0.05)，但均與CK處理和T3處理間達(dá)到差異顯著水平(P<0.05)；光飽和點(diǎn)(LS，P)和表觀量子效率(ηA，Q，Y)隨著遮陰網(wǎng)層數(shù)增加均呈現(xiàn)“N”字型的變化趨勢(shì)，且各參數(shù)由大到小的順序均表現(xiàn)為T3、T1、T2、CK；光飽和點(diǎn)(LS，P)表現(xiàn)為T1和T2處理差異不顯著(P>0.05)，但均與CK和T3處理達(dá)到差異顯著水平(P<0.05)；表觀量子效率(ηA，Q，Y)表現(xiàn)為T1和T3處理差異不顯著(P>0.05)，但均與T2和CK處理達(dá)到差異顯著水平(P<0.05)；光補(bǔ)償點(diǎn)(LC，P)和暗呼吸速率(Rd)隨著遮陰網(wǎng)層數(shù)增加均呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，且各參數(shù)由大到小的順序均表現(xiàn)為CK、T3、T1、T2，光補(bǔ)償點(diǎn)(LC，P)和暗呼吸速率(Rd)均表現(xiàn)為不同處理間達(dá)到差異顯著水平(P<0.05)。對(duì)各參數(shù)綜合考慮得出，多花黃精在2層遮陰網(wǎng)下多花黃精能夠具有最大Pnmax，同時(shí)又維持最低的Rd和LC，P值，保證了較高的光合產(chǎn)物同化能力。

表2 不同遮陰處理下多花黃精光合參數(shù)

4 結(jié)論與討論

植物的葉綠素對(duì)不同波段的光照具有一定的選擇性吸收特性，植物葉綠素a在紅光部分的吸收帶偏向長光波方向，植物葉綠素b則在藍(lán)紫光部分的吸收帶相對(duì)較寬[19]。因此，w(葉綠素a)∶w(葉綠素b)相對(duì)改變，可使植物增強(qiáng)利用藍(lán)紫光的能力，強(qiáng)化弱光環(huán)境下的生存能力。同時(shí)，光合色素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加和w(葉綠素a)∶w(葉綠素b)的下降是植物對(duì)弱光利用能力增強(qiáng)的重要指標(biāo)[20-21]。本研究中發(fā)現(xiàn)，隨著遮陰強(qiáng)度增強(qiáng)，多花黃精葉片光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著增加，這一結(jié)果與大多數(shù)研究者利用遮陰處理所獲得的光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)基本一致。體現(xiàn)植物弱光利用能力的w(葉綠素a)∶w(葉綠素b)隨著遮陰強(qiáng)度增加先增后減，在一層遮陰網(wǎng)(T1)處理下達(dá)到最大，但處理間差異不顯著(P>0.05)，表明遮陰環(huán)境沒有顯著改善多花黃精弱光利用能力的機(jī)制。

植物的光響應(yīng)曲線對(duì)于描述植物光化學(xué)進(jìn)程中的光化學(xué)效率具有非常重要的意義[22]。表觀量子效率在一定程度上能夠反映出植物在弱光環(huán)境下對(duì)光能捕捉的能力，表觀量子效率的值越大，表明植物葉片可能擁有越多的色素蛋白復(fù)合體，對(duì)弱光有著越強(qiáng)的吸收與轉(zhuǎn)換能力[23]。本研究中，遮陰明顯增大了多花黃精的ηA，Q，Y和凈光合速率，從多花黃精的Pnmax和ηA，Q，Y出發(fā)，認(rèn)為T1和T2處理具有明顯的光合效率提升。在光合有效輻射(RA，R)相同的情況下，T1與T2處理具有更高的凈光合速率，表現(xiàn)為適度遮陰(透光率為61%～83%)具有更好的光合能力，但與研究中葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨遮陰強(qiáng)度增加遞增不同，表明光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)并非是多花黃精光合速率增長的唯一限制因素，這與部分研究者提出的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高低是葉片在對(duì)弱光環(huán)境適應(yīng)后產(chǎn)生的形態(tài)適應(yīng)，其高低并不能代表光合特性這一結(jié)論相符合[24]。光補(bǔ)償點(diǎn)(LC，P)對(duì)反應(yīng)植物利用光能能力有一定體現(xiàn)，通常能夠較快到達(dá)LC，P的植物具有更強(qiáng)的弱光競(jìng)爭(zhēng)能力[25]。常見的陽生植物，其LC，P一般為50～100 μmol·m-2·s-1；陰生植物一般為20 μmol·m-2·s-1以下[26-27]。本研究中，LC，P的值隨著遮陰程度改變展現(xiàn)出較大差異，在全光環(huán)境(CK)下，其光補(bǔ)償點(diǎn)為73.83 μmol·m-2·s-1，表現(xiàn)為明顯的陽生植物特性，而在遮陰處理后其光補(bǔ)償點(diǎn)均小于10 μmol·m-2·s-1，又展現(xiàn)較強(qiáng)的弱光利用能力；同時(shí)，在遮陰后多花黃精凈光合速率明顯增高，相對(duì)于全光照處理(CK)下凈光合速率有明顯改善，說明全光照環(huán)境明顯抑制了多花黃精的光合能力，而在適度遮陰后其強(qiáng)光抑制明顯削弱，光合能力得到恢復(fù)。Pnmax、LS，P和LC，P是決定植物光合能力“寬度”及“高度”的主要指標(biāo)，各處理多花黃精在遮陰后，其LS,P均明顯提高，表現(xiàn)出較強(qiáng)的光環(huán)境忍耐上限，然而在透光率小于38%，RA，R往往很難達(dá)到要求，這部分過度的“強(qiáng)光忍耐”意義較小。

對(duì)影響多花黃精光合特性的光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及決定其光合特性的Pnmax、LS，P、LC，P、Rd和ηA，Q，Y幾個(gè)重要參數(shù)的綜合考慮。本研究認(rèn)為，遮陰能夠明顯改善多花黃精光合能力，而全光照環(huán)境對(duì)其產(chǎn)生強(qiáng)烈抑制，在遮陰處理中以T2表現(xiàn)最好，在獲得最大凈光合速率的同時(shí)，保證了較低的光補(bǔ)償點(diǎn)，具有更明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。