遮蔭對橡膠草生理特性的影響

阿布都克尤木·阿不都熱孜克，高 強(qiáng)，徐 麟，張學(xué)超，王 莉，嚴(yán)青青，張 龑 ，古麗米拉·艾克拜爾 ，聶秋海

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所，烏魯木齊 830091；2.伊犁哈薩克自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆伊寧 835000；3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052；4.北京玲瓏蒲公英科技發(fā)展有限公司，北京 100000)

0 引 言

【研究意義】橡膠草(Taraxacumkok-saghyzRodin，TKS)，又稱俄羅斯蒲公英，菊科蒲公英屬多年生宿根草本植物，是一種天然產(chǎn)膠植物[1-2]，喜冷涼氣候，適應(yīng)性強(qiáng)，我國新疆、西北、華北、東北等地均有栽培，哈薩克斯坦及歐洲也有分布[3]。因其根部提取的橡膠產(chǎn)物，與巴西橡膠樹中提取的天然橡膠在結(jié)構(gòu)和性能上均非常相似，被認(rèn)為是最理想的天然橡膠替代資源[4]，在橡膠生產(chǎn)中具有一定的發(fā)展前景?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來，隨著我國橡膠草行業(yè)的快速發(fā)展和相關(guān)項(xiàng)目的增多，橡膠草的研究主要集中在植物分類、形態(tài)學(xué)、種植密度[5]、室內(nèi)組織培養(yǎng)[6-8]、生理生化、育種應(yīng)用、轉(zhuǎn)基因及分子機(jī)制[9-12]等方面，對于遮蔭條件下橡膠草的光合及生理響應(yīng)特性研究較少?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】試驗(yàn)選取新疆特有的2個橡膠草品系為材料，分析在不同遮蔭條件下，2個橡膠草農(nóng)藝性狀和物質(zhì)含量的變化情況，以研究光照強(qiáng)度對橡膠草光合性能和生理特性的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】遮蔭條件下，研究橡膠草光合產(chǎn)物分配和根部物質(zhì)含量積累的內(nèi)在生理機(jī)制，為橡膠草高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效栽培和耐弱光品系選育提供理論支持與技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2019年在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院安寧渠綜合試驗(yàn)場進(jìn)行。該試驗(yàn)場屬干旱、半干旱荒漠氣候，土壤為新疆北部典型土類(灰漠土)，有機(jī)質(zhì)含量13.5 g/kg、速效氮51.6 mg/kg、速效磷22.2 mg/kg和速效鉀435 mg/kg。選用新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所新疆作物種質(zhì)資源庫提供的昭蘇1-1(Zhaosu1-1)和哈引2-6(Hayin2-6)2個品系的種子，2019年2月8日播種在育苗盤中，2019年5月8日待橡膠草長到四葉一心時，將植株生長一致、健壯和無病蟲害的橡膠草苗移栽到試驗(yàn)小區(qū)，進(jìn)行不同程度的遮蔭處理試驗(yàn)。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)不遮蔭(作物相對光照率CRLR 100%)、輕度遮蔭(作物相對光照率CRLR 80%)和重度遮蔭(作物相對光照率CRLR 60%)3個處理，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共6個小區(qū)，各小區(qū)面積8 m×4.5 m=36.0 m2，小區(qū)總面積216 m2。采用膜下滴灌種植方式，1膜4行，各小區(qū)3膜12行，行株距配置[(20+50+20)+60]cm×10 cm。田間管理：殺蟲0次，殺菌3次，施肥2次，灌溉6次。遮陽網(wǎng)高度約1.9 m，使各小區(qū)冠層上部空氣的溫、濕度基本一致。

1.2.2 測定指標(biāo)

1.2.2.1 光合指標(biāo)

在橡膠草幼苗期、現(xiàn)蕾期、開花期和成熟期4個生育期進(jìn)行光合指標(biāo)的測定。選擇在天氣晴朗的10:00-12:00，選擇各處理長勢均勻一致的健康橡膠草，測試葉片一般采用位于整株靠近中心的第2層葉片(上數(shù)第4～6片葉)測定。用LI-6400型光合儀(美國LI-COR公司)測定橡膠草的凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)。每個處理重復(fù)5次，每張葉片測定3次，取其平均值。測定時光合儀使用開放式氣路，測定光源內(nèi)置光源，光強(qiáng)為1 500 μmol/(m2·s)。

1.2.2.2 SPAD值

在測定光合指標(biāo)的同時，每個處理選取9個長勢均勻一致的植株，用SPAD 502葉綠素計(jì)測定位于整株靠近中心的第2層葉片(上數(shù)第4～6片葉)的SPAD值，記錄數(shù)據(jù)，每片葉再取從里到外5個點(diǎn)進(jìn)行測定，測定時避開葉片主葉脈，取5個值平均數(shù)作為該葉片的SPAD值。

1.2.2.3 農(nóng)藝性狀

成熟期調(diào)查測定橡膠草的株高、莖粗、葉片數(shù)，并測量其葉片長度、葉片寬度、地上鮮重和干重等農(nóng)藝性狀。其中：葉片長度、葉片寬度均為橡膠草從生長點(diǎn)向下的第3～5片葉，莖粗為真葉往下1 cm處，株高為花葶的高度；取50株植物樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，測定地上部葉片、葉柄的鮮重后，置于烘箱105℃下30 min殺青，然后80℃烘干24 h后測定干重。

1.2.2.4 葉片和根系物質(zhì)含量

選擇成熟期的橡膠草葉片和根部置于烘箱105℃下30 min殺青，然后80℃烘干24 h后保存。干樣送至中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所南方經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)品質(zhì)檢中心(杭州)，檢測葉片和根系中檸檬酸、酒石酸、蘋果酸、丁二酸、草酸、總黃酮、總酚、綠原酸和咖啡酸的含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及制圖，用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行方差分析，以P<0.05作為差異顯著的標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同遮蔭處理對橡膠草光合特性的影響

2.1.1 不同遮蔭處理對橡膠草SPAD值的影響

研究表明，橡膠草葉片的SPAD值隨生育期的變化呈先升高后降低的趨勢。昭蘇1-1的SPAD值變化范圍為17.2～49.8，哈引2-6的SPAD值變化范圍為16.8～48.3。不同程度的遮蔭處理對橡膠草不同生長期SPAD值有一定的影響。與正常光照相比，當(dāng)作物相對光照率在CRLR 80%時，橡膠草SPAD值有所增加；但當(dāng)作物相對光照率在CRLR 60%時，其SPAD值有所下降，不同品系間的趨勢相同。輕度遮蔭弱光會增加橡膠草葉片的葉綠素含量，而重度遮蔭弱光會顯著降低其葉綠素含量。圖1

注：CRLR 100%，自然光照處理；CRLR 80%表示作物相對光照80%；CRLR 60%表示作物相對光照60%。下同

2.1.2 不同遮蔭處理對橡膠草光合參數(shù)的影響

研究表明，不同程度的遮蔭處理對橡膠草葉片的光合參數(shù)影響顯著。與正常光照相比，遮蔭條件下橡膠草凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)均有不同程度的下降，但胞間CO2濃度(Ci)隨著遮蔭程度的增加呈先下降后上升的趨勢。這說明，試驗(yàn)遮蔭條件下橡膠草凈光合速率的下降不是由氣孔限制因素引起的。輕度遮蔭和重度遮蔭處理下橡膠草的光合參數(shù)均低于不遮蔭處理，且在幼苗期最為明顯。隨著橡膠草植株的生長，凈光合速率呈上升的趨勢，且在開花期的凈光合速率最大，2個品系的需光特性有明顯差異，在同一遮蔭條件下，昭蘇1-1的Pn、Gs和Tr都較哈引2-6低，其對光照程度的要求較低并且具有較強(qiáng)的光能利用能力。圖2～5

圖2 不同程度遮蔭處理下橡膠草葉片凈光合速率(Pn)變化Fig.2 Effects of different shading on the chlorophyll Pn of TKS

圖3 不同程度遮蔭處理下橡膠草葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)變化Fig.3 Effects of different shading on the chlorophyll cond of TKS

圖4 不同程度遮蔭處理下橡膠草葉片蒸騰速率(Tr)變化Fig.4 Effects of different shading on the chlorophyll Tr of TKS

圖5 不同程度遮蔭處理下橡膠草葉片胞間CO2濃度(Ci)變化Fig.5 Effects of different shading on the intercellular CO2 concentration of TKS

2.2 不同遮蔭處理對橡膠草農(nóng)藝性狀及生物量的影響

研究表明，與正常光照相比，橡膠草的株高、葉片長度、莖粗、地上部鮮重和干重在作物相對光照率80%處理時最高，當(dāng)作物相對光照率60%時，降低光照強(qiáng)度沒有明顯影響橡膠草的葉片寬度和葉片數(shù)，卻明顯抑制了橡膠草的葉片的增長。重度遮蔭不利于橡膠草的增高及葉片增長。表1

表1 不同遮蔭處理下蒲公英農(nóng)藝性狀變化Table 1 Effects of different shading on the agronomic traits of TKS

2.3 不同遮蔭處理對橡膠草物質(zhì)含量的影響

研究表明，隨著遮陰程度的增加橡膠草根系和葉片中檸檬酸、蘋果酸、丁二酸、草酸、總黃酮、總酚、綠原酸、咖啡酸物質(zhì)含量呈先增加后下降的趨勢。在輕度遮蔭處理時，橡膠草根系和葉片中檸檬酸、蘋果酸、丁二酸、草酸、總黃酮、總酚、綠原酸、咖啡酸物質(zhì)含量明顯高于其它處理。表明輕度遮蔭可以促進(jìn)橡膠草植株體內(nèi)的檸檬酸、蘋果酸、丁二酸、草酸、總黃酮、總酚、綠原酸、咖啡酸等物質(zhì)的合成，進(jìn)而促進(jìn)橡膠草的生長，延緩橡膠草植株的衰老。但在重度遮蔭條件下，橡膠草地上和地下生物量明顯低于正常光照處理，重度遮蔭導(dǎo)致橡膠草的生長受到抑制，進(jìn)而抑制了橡膠草的生物代謝功能。2個品系間比較，昭蘇1-1在輕度遮蔭和重度遮蔭的條件下物質(zhì)含量都高于哈引2-6，且各處理的農(nóng)藝性狀均達(dá)差異顯著水平，其對光照的要求較低并且具有較強(qiáng)的光能利用能力。表2

表2 不同遮蔭處理下橡膠草物質(zhì)含量變化Table 2 Effects of different shading on the Substance content of TKS

3 討 論

3.1 橡膠草SPAD值對遮蔭的響應(yīng)特征

植株的光合作用是對光源最敏感的生理過程之一，對植株產(chǎn)生弱光脅迫，降低光照強(qiáng)度，直接影響植株對光的捕獲能力，進(jìn)而影響植株的光合作用。葉綠素是植物進(jìn)行光合作用重要的光合色素之一，主要功能是對光的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化，對植物的正常生長十分重要[13]。植物葉片SPAD值與葉綠素含量呈極顯著正相關(guān)[14]，其大小可以表示葉片葉綠素含量的高低[15-16]。而橡膠草葉綠素含量的多少又可以間接反映植株光合作用的大小，因此，可根據(jù)葉片SPAD值的大小來判定不同遮蔭強(qiáng)度處理對植株葉綠素含量及光合作用的影響。試驗(yàn)中，隨著橡膠草生長發(fā)育，SPAD值呈先升高后降低的趨勢，且最大值出現(xiàn)在開花期。研究結(jié)果表明：與正常光照相比，輕度遮蔭條件下，2個品系的橡膠草SPAD值均增加，但在重度遮蔭條件下，2個品系的橡膠草SPAD值卻都有所降低，表明輕度遮蔭可增加橡膠草葉綠素含量，但光照過低會進(jìn)一步減少橡膠草的葉綠素含量，與光照強(qiáng)度對蒲公英葉綠素含量的影響研究結(jié)果一致[17]。

3.2 橡膠草光合速率對遮蔭的響應(yīng)特征

植物對光的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化受多方面因素的影響，其中光源強(qiáng)弱、光照強(qiáng)度、光照時間長短等都會直接影響植物對光的吸收、對光能的利用率，植株生長過程中光合作用是植株能量的主要來源。氣孔導(dǎo)度(Gs)大小反映了空氣環(huán)境中CO2通過葉片氣孔進(jìn)入葉肉細(xì)胞葉綠體羧化部位多少的限制程度，Gs增大有利于CO2通過擴(kuò)散作用進(jìn)入植物葉片內(nèi)部，表現(xiàn)為葉肉細(xì)胞原生質(zhì)和葉綠體基質(zhì)中CO2濃度(Ci)增加，Ci的上升可提高凈光合速率(Pn)。試驗(yàn)中，輕度遮蔭能夠增加橡膠草的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度，降低胞間CO2濃度。輕度遮蔭條件下，氣孔導(dǎo)度增加，葉片SPAD值上升，增加了葉綠素含量，一定程度上提高了光能轉(zhuǎn)化率，增加了反應(yīng)中CO2利用率，因此，光合反應(yīng)底物CO2的濃度降低，而凈光合速率增加。這與前人[18]研究光照強(qiáng)度對蒲公英光合特性的影響結(jié)果一致。在重度遮蔭脅迫條件下，橡膠草凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)均不同程度的下降，但胞間CO2濃度(Ci)上升。這說明過多的遮蔭導(dǎo)致了氣孔導(dǎo)度下降，碳源受限，而胞間CO2濃度上升，可能是生成葉綠素受阻，葉綠素含量降低，以及橡膠草光合碳同化物形成時所需的ATP和NADP等同化力受到影響，抑制了光合作用的正常進(jìn)行，導(dǎo)致胞間CO2利用率降低，因此，胞間CO2濃度上升。

3.3 橡膠草生長發(fā)育對遮蔭的響應(yīng)特征

從不同遮蔭處理對橡膠草生長的影響來看，適當(dāng)?shù)牡凸庹湛梢源龠M(jìn)橡膠草的生長，特別是對于橡膠草地上部鮮重的正面影響更為顯著。與前人[19]研究蒲公英生長對不同遮蔭處理的生長響應(yīng)結(jié)果一致。因此，生產(chǎn)上可考慮在適當(dāng)時期創(chuàng)造適宜的弱光環(huán)境，增加局部環(huán)境的空氣濕度，減緩蒸騰作用，降低光合作用對植株生長的影響，促進(jìn)橡膠草植株的生長。

3.4 橡膠草物質(zhì)含量對遮蔭的響應(yīng)特征

光合作用是植物光合物質(zhì)生產(chǎn)積累的前提，光合能力越強(qiáng)，植物就能貯藏更多的營養(yǎng)物質(zhì)，提供植株本身生長的能量，因此，高光合速率植物一直是研究的熱點(diǎn)。橡膠草的根系是產(chǎn)膠的主要器官，根系的生長營養(yǎng)一部分來自光能產(chǎn)物的分配，一部分是根系自身吸收的營養(yǎng)。根系和葉片物質(zhì)含量從側(cè)面反映了橡膠草植株?duì)I養(yǎng)的分配比例。橡膠草適應(yīng)環(huán)境的能力對其產(chǎn)量形成是非常關(guān)鍵的，但是不同品系的橡膠草由于適應(yīng)生長形態(tài)和適應(yīng)環(huán)境能力的差異，產(chǎn)量上也會存在很大差異。研究表明，橡膠草的化學(xué)成分主要是黃酮類、酚酸類、萜類、甾醇類、蒲公英色素、香豆素類等[20-22]，而黃酮類則是橡膠草中主要的活性成分[23]。輕度遮蔭條件下橡膠草根系和葉片中檸檬酸、酒石酸、蘋果酸、丁二酸、草酸、總黃酮、總酚、綠原酸和咖啡酸的含量均上升，遮蔭脅迫在影響橡膠草的光能利用能力的同時也在影響碳同化能力，原因可能是輕度遮蔭脅迫下，橡膠草葉綠素含量增加，使其光合性能增強(qiáng)，進(jìn)而進(jìn)一步增加了物質(zhì)含量。重度遮蔭條件下，各物質(zhì)含量顯著下降，可能是重度光脅迫抑制了光合產(chǎn)物的合成能力，進(jìn)一步阻礙了有機(jī)酸和其他物質(zhì)含量的合成，致使植株體內(nèi)化學(xué)物質(zhì)含量下降，從而影響了維持植株正常生長的代謝能力。與前人[24]研究光照強(qiáng)度對橡膠草生長的影響是一致的。

4 結(jié) 論

橡膠草在輕度遮蔭環(huán)境下，葉片SPAD值和葉綠素含量的升高，增強(qiáng)了植株的光合速率和蒸騰降溫作用，提升了光反應(yīng)系統(tǒng)捕捉和利用光能的能力，也促進(jìn)了光能在葉綠體中的分配，促進(jìn)了光合同化產(chǎn)物的生產(chǎn)，增加了橡膠草光合性能和物質(zhì)含量，最終影響了橡膠草的生長生理特性。在光照強(qiáng)度比較高的地區(qū)和季節(jié)的生產(chǎn)過程中可適當(dāng)遮光，優(yōu)化栽培環(huán)境，使得橡膠草的光合速率較高，促進(jìn)橡膠草的生長。但過低的光照條件對于橡膠草的生長仍然是不利的，光照過低會造成橡膠草光合性能的下降，影響正常的生長發(fā)育。由于植株正常生長對光合作用的需要，過低光照會造成葉片變薄，植株葉面積增大，使得植株對光脅迫產(chǎn)生應(yīng)激響應(yīng)，而根系生長分配也會受到抑制，同時也不耐貯運(yùn)，在生產(chǎn)中不采用更低的光照強(qiáng)度。在整個遮蔭處理過程中，昭蘇1-1的光合特性和物質(zhì)含量等綜合性狀表現(xiàn)較為優(yōu)良，反映了不同橡膠草品系在耐受遮蔭脅迫上存在差異不僅受栽培條件影響，而且與品系的遺傳特性有關(guān)，通過長期定向選擇培育耐弱光的專用生態(tài)型橡膠草品系是可能的。