王海珍 徐雅麗 代雅琦 韓 路
(1塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300)
(2塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300)
光合作用作為地球上最重要的一個(gè)生理生化過程,為植物生長發(fā)育提供了大部分物質(zhì)和能量[1]。葉片是綠色植物吸收光能和形成同化力的光合器官,生長季其光合機(jī)構(gòu)面臨著既需要光能又要避免強(qiáng)光、高溫等脅迫的傷害[2]。為了能夠在荒漠逆境中生存和繁衍,荒漠植物在長期進(jìn)化和適應(yīng)過程中完善了多種抵御和減輕各種逆境脅迫的一系列形態(tài)和生理生化保護(hù)機(jī)制[3],如與葉運(yùn)動(dòng)和表皮毛、蠟質(zhì)減少光能捕獲吸收機(jī)制,與類囊體膜能量化和葉黃素循環(huán)有關(guān)的熱耗散機(jī)制[4],與PSⅡ反應(yīng)中心的可逆失活及D1蛋白周轉(zhuǎn)有關(guān)的能量耗散機(jī)制[5],與光呼吸、Mehler反應(yīng)等有關(guān)的生化機(jī)制[6],圍繞PSⅠ的電子循環(huán)機(jī)制[2],光合能力提高和反應(yīng)中心功能下調(diào)[4]、修復(fù),活性氧清除機(jī)制[7]等。這些保護(hù)機(jī)制的正常運(yùn)轉(zhuǎn)可以確保葉片光合作用的有效進(jìn)行,然而一旦這些機(jī)制缺失或受抑制,就會(huì)降低光合功能、損傷光合機(jī)構(gòu)[8]。許多研究表明,植物抵抗逆境脅迫依賴于形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理生化特征的耦合[9],且各種保護(hù)機(jī)制究竟哪一種機(jī)制貢獻(xiàn)最大,則因物種、生長經(jīng)歷和環(huán)境條件等的不同而異,也可能是多種機(jī)制協(xié)同作用[4]。因此,研究荒漠植物葉形態(tài)與光合生理性狀的耦合及防御保護(hù)機(jī)制對(duì)其葉片生長發(fā)育及其樹體的生長、生存均具有重要的意義。
自然界大多數(shù)植物在同一植株上成熟葉的葉形一致,但也有一些植物因不同生長階段或環(huán)境條件的變化而呈現(xiàn)出不同的形狀,這種同一植株上著生不同類型或多種形狀葉片的現(xiàn)象,稱為異形葉性[10]。塔里木盆地自然生長的胡楊(Populus euphraticaOliv.)具有典型異形葉性特征,隨個(gè)體生長發(fā)育樹冠上依次出現(xiàn)條形葉,卵狀菱形、卵圓形、鋸齒卵圓形等形狀的葉片,同時(shí)隨立地條件而發(fā)生變化,披針形葉隨地下水位加深/土壤含水量降低逐漸消失,隨后是卵形葉消失,最后整株樹冠上全部為鋸齒闊卵形葉[11]。這是胡楊在長期進(jìn)化過程中響應(yīng)異質(zhì)環(huán)境使樹冠上不同位置葉形態(tài)發(fā)生改變,差異化地調(diào)控葉片生理生態(tài)功能以滿足生存需求,實(shí)現(xiàn)最佳的資源利用和避免逆境傷害,提高生境適合度和生存能力。近年來,胡楊葉形變化及其適應(yīng)進(jìn)化機(jī)制受到廣大學(xué)者的關(guān)注,眾多學(xué)者從異形葉的解剖結(jié)構(gòu)[12]、光合與水分生理[11-13]、功能性狀[14]等方面展開了研究,大多研究結(jié)果均表明胡楊闊卵形葉光合效率、保水能力與抗逆能力高于條形葉[12-13],認(rèn)為胡楊異形葉性是長期適應(yīng)干旱荒漠環(huán)境在結(jié)構(gòu)與功能上形成了獨(dú)特的適應(yīng)機(jī)制。也有研究表明,胡楊異形葉性與個(gè)體發(fā)育階段密切相關(guān)[15]。目前對(duì)胡楊異形葉形態(tài)性狀與光合生理性狀的權(quán)衡及耦合關(guān)系研究鮮見報(bào)道,為此本文以胡楊3種典型異形葉為試驗(yàn)材料,研究異形葉氣體交換、葉綠素?zé)晒鈪?shù)與形態(tài)性狀的差異及其相互關(guān)系,探討異形葉光合功能與形態(tài)性狀的權(quán)衡適應(yīng)策略,旨在揭示胡楊逆境生存競爭過程中的葉形分化機(jī)理與適應(yīng)進(jìn)化機(jī)制。
在阿拉爾市塔里木大學(xué)東門外人工林內(nèi)選擇生長旺盛、無病蟲害、葉形分化明顯的15株胡楊成年個(gè)體,分別選擇樹冠不同位置3種典型異形葉(條形葉、卵形葉、鋸齒闊卵形葉—文中簡稱鋸齒葉)掛牌進(jìn)行氣體交換與葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定,測定時(shí)將枝條拉至同一高度活體測定。
2019年8月中旬選擇晴朗無云的天氣,利用Li-6400便攜式光合儀(LI-COR,USA)測定胡楊3種成熟異形葉單位面積Pn、Gs、Tr等生理指標(biāo),同時(shí)儀器自動(dòng)記錄光合有效輻射(PAR)、氣溫(Tair)、大氣相對(duì)濕度(RH)等環(huán)境因子。測定時(shí)間為9:30至13:00,每株測定3~5個(gè)葉片。其中,光源為系統(tǒng)提供的紅、藍(lán)光源(6400-02B),光強(qiáng)設(shè)置為光合有效輻射(PAR)1 500 μmol·m-2·s-1,CO2濃度為 370±10 μmol·mol-1,其由Li-6400液化CO2鋼瓶提供,葉片溫度控制在25±2℃。水分利用效率WUE=Pn/Tr,光能利用率LUE=Pn/PAR,及單位質(zhì)量葉凈光合速率(Pnmass)[16]。
測定前葉片經(jīng)過一夜充分暗適應(yīng),于次日清晨日出前(PAR<20 μmo1·m-2·s-1)利用 PAM-2 100(Walz,Germany)便攜式脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒鈨x測定3種異形葉F0(初始熒光)、Fm(最大熒光)、Fv(可變熒光)、Fv/Fm(PSII最大光化學(xué)量子效率)。
夏季9:30-13:00與凈光合速率同步測定光適應(yīng)下葉綠素?zé)晒鈪?shù)日變化。光適應(yīng)下葉綠素?zé)晒鈪?shù)包括:穩(wěn)態(tài)熒光(Ft)、初始熒光(F0′)、最大熒光(Fm′)、PSII實(shí)際光化學(xué)量子效率(ΦPSII)、光合電子傳遞速率(ETR)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)。計(jì)算PSII激發(fā)能壓力(1-qP)、光合功能相對(duì)限制(LPFD)、光系統(tǒng)間激發(fā)能分配不平衡偏離系數(shù)(β/α-1),其中β為PSII激發(fā)能分配系數(shù),α為PSI激發(fā)能分配系數(shù)。PSII天線色素吸收光能被用于光化學(xué)反應(yīng)能量(P)和天線熱耗散能量(D)及以熒光形式耗散能量(E),D+P+E=1,以上參數(shù)計(jì)算參考文獻(xiàn)[3,17-18]。
剪下每株掛牌標(biāo)記的異形葉,用濕潤紗布包裹裝入自封袋中并置于冷藏采樣箱帶回實(shí)驗(yàn)室。3種異形葉各10片(每株1片)去除主脈、剪碎混合,用80%丙酮浸泡置于實(shí)驗(yàn)柜黑暗48 h,過濾后用分光光度計(jì)測定光合色素含量,3次重復(fù)。
上述采樣葉片使用游標(biāo)卡尺測量距離葉主脈兩側(cè)約3 mm處的厚度,平均值即葉厚度;用直尺測量葉長與葉寬。用掃描儀掃描每個(gè)自封袋中的葉片,用Image J軟件計(jì)算總?cè)~面積,總?cè)~面積除以葉片數(shù)得到單葉面積;隨后使用萬分之一天平稱量葉片鮮重,置于烘箱中105℃殺青15 min,再用80℃烘干48 h,取出稱葉干重,計(jì)算比葉面積,葉片干物質(zhì)含量,葉片含水量,最后將烘干葉片粉碎、消煮,采用凱氏定氮法測定單位質(zhì)量葉氮含量,鉬銻抗比色法測定單位質(zhì)量葉磷含量,火焰光度計(jì)測定單位質(zhì)量葉鉀含量,重復(fù)3次。計(jì)算單位面積葉氮含量(Narea),及光合氮利用率(PNUE)[16,19]。
首先對(duì)胡楊3種典型異形葉的形態(tài)性狀、光合熒光參數(shù)求算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差,采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan法進(jìn)行多重比較。利用Pearson相關(guān)性分析,明晰葉形態(tài)、光合性狀之間的權(quán)衡關(guān)系,并采用逐步回歸分析建立異形葉光合能力(Y,以凈光合速率表征)與其它功能性狀(X)的關(guān)系模型,篩選影響異形葉光合能力的因子。統(tǒng)計(jì)過程采用SPSS 19.0完成,用Origin 2018作圖。
卵形葉Chla、Chlb、Chl(a+b)比值最高,鋸齒葉Chla/b含量最高,條形葉均最低;卵形葉與鋸齒葉Ch-la、Chl(a+b)、Chla/b無顯著差異,但均與條形葉差異顯著(P<0.05)(表1)。3種異形葉Car含量差異不顯著(P>0.05),鋸齒葉Car含量最高,分別高于條形葉、卵形葉7.94%、6.94%;但條形葉Car/Chl(a+b)比值最高,與卵葉形之間差異顯著(P<0.05)。
表2可見,胡楊3種異形葉光合氣體交換參數(shù)差異明顯。卵形葉Pn、Tr、Gs、WUE、LUE均最高,條形葉則均最低;鋸齒葉Ci最高。卵形葉Pn、LUE、WUE分別比鋸齒葉、條形葉高23.81%、46.46%,14.43%、27.70%,15.60%、40.40%。卵形葉Pn與鋸齒葉、條形葉差異極顯著(P<0.01),卵形葉、鋸齒葉Gs、Ci與條形葉差異顯著(P<0.05),卵形葉Tr、LUE、WUE與條形葉差異顯著(P<0.05)。
胡楊3種異形葉的光能捕獲與利用、能量分配與耗散能力差異明顯。鋸齒葉Fv/Fm、Fv′/Fm′、ETR、NPQ、D最高,卵形葉ΦPSII、qP與P最高,而條形葉E、1-qP、β/α-1、LPFD均最高,表明夏季強(qiáng)光高溫條件下條形葉光能捕獲、吸收與轉(zhuǎn)化效率低,光系統(tǒng)受抑最嚴(yán)重。方差分析表明,鋸齒葉、卵形葉Fv/Fm、Fv′/Fm′、ΦPSII、qP、P與條形葉差異顯著(P<0.05),鋸齒葉ETR、NPQ分別與條形葉、卵形葉差異顯著(P<0.05)。條形葉1-qP、β/α-1與卵形葉差異顯著(P<0.05),E、LPFD與卵形葉、鋸齒葉差異均顯著(P<0.05)。
續(xù)表2
續(xù)表2
胡楊3種異形葉功能性狀明顯不同(表3),葉長、葉寬與長/寬比均達(dá)極顯著差異(P<0.01)。葉片厚度鋸齒葉最厚,與其它2種葉形差異顯著(P<0.05);卵形葉葉面積最大、鋸齒葉居中,均與條形葉差異顯著(P<0.05)。條形葉SLA最大,分別高于卵形葉、鋸齒葉8.66%、15.41%,其與鋸齒葉差異顯著(P<0.05)。葉N含量、單位質(zhì)量葉光合速率、光合氮利用率卵形葉最高,與其它2種葉形差異顯著(P<0.05);單位面積葉氮含量、葉P含量以卵形葉最高,其與條形葉差異顯著(P<0.05);鋸齒葉K含量最高,與條形葉差異顯著(P<0.05)。3種異形葉葉片含水量,葉干物質(zhì)含量均無顯著差異(P>0.05)。綜上可見,卵形葉LN、LP含量、LA、Pnmass、PNUE、Narea最高,鋸齒葉LW、LD、LK、LDMC含量最高,條形葉LN、LP、LK、LDMC含量、LW、LA、LD、Narea、Pnmass、PNUE均最小且SLA、LL最大。
表3 胡楊3種異形葉功能性狀比較
續(xù)表3
由表4可見,胡楊異形葉LL、LW、LL/LW與大部分光合生理性狀呈顯著或極顯著的相關(guān),其中LL與Tr、WUE、LUE、Fv′/Fm′、qP、ΦPSII、Fv/Fm呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與NPQ、LPFD、D+E、β/α-1、1-qP呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);LW與Tr、WUE、LUE、Fv′/Fm′、qP、ΦPSII、Fv/Fm呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與NPQ、LPFD、D+E、β/α-1、1-qP呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。LA與WUE、Fv′/Fm′、qP、ΦPSII、Fv/Fm呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與LPFD、D+E、β/α-1、1-qP呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。LDMC 與WUE、LUE、Fv′/Fm′、Fv/Fm呈顯著正相關(guān)(P<0.05),LN與Pn、Tr呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),PNUE與Pn呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。表明胡楊異形葉長寬比的變化直接影響其光合生理功能,二者相互耦合來適應(yīng)干旱荒漠環(huán)境。
表4 胡楊異形葉形態(tài)性狀與光合生理性狀的相關(guān)性
采用逐步回歸分析胡楊3種異形葉光合能力與葉功能性狀之間的關(guān)系(表5),表明影響胡楊3種異形葉光合能力的主要因素明顯不同。條形葉主要受Gs、PNUE和SLA的影響,鋸齒葉主要受用于光化學(xué)電子傳遞的光能份額及轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的效率(qP)和LP、LD的影響,而卵形葉主要受Fv′/Fm′和SLA的影響。
表5 胡楊異形葉光合能力與葉功能性狀的回歸分析
葉片作為植物體暴露在環(huán)境中表面積最大的器官,對(duì)異質(zhì)環(huán)境具有較強(qiáng)的感知能力,而異質(zhì)環(huán)境使植株上不同位置葉片可獲得性資源數(shù)量發(fā)生變化,從而迫使植物需要適時(shí)調(diào)整其功能性狀。植物通過葉面積、葉厚等功能性狀在形態(tài)結(jié)構(gòu)上的可塑性[20],差異化地調(diào)控葉片Pn、Tr、LUE、WUE、ΦPSII、ETR、NPQ等生理生態(tài)功能,以提高植物對(duì)環(huán)境空間異質(zhì)性的適應(yīng)能力和生境適合度[21],使自身能更好地適應(yīng)異質(zhì)環(huán)境和促進(jìn)種群繁衍。著生在胡楊樹冠不同高度的3種典型異形葉Pn、Tr、LUE、WUE、Chl(a+b)、Fv′/Fm′、qP、P隨LA增大而增大;Fv/Fm、D與Car含量隨LD增大而增強(qiáng),熒光輻射耗散能則隨LD增大而減少,且LL、LW與大部分光合生理性狀顯著相關(guān),反映出葉構(gòu)建模式的改變直接影響異形葉光合生理功能。
荒漠異質(zhì)環(huán)境下胡楊3種異形葉氣體交換參數(shù)均存在顯著差異,以卵形葉Pn、Tr、Gs、WUE、LUE 最高,鋸齒葉居中,條形葉最低;同時(shí)條形葉qP、ΦPSII、Fv′/Fm′、ETR均低于卵形葉、鋸齒葉,表明條形葉光合碳同化能力的降低與PSII功能降低有關(guān)。這與陳志成等[22]報(bào)道樹冠上部葉片的Pn、Tr、Gs、WUE、LCP、光合同化力(Fv′/Fm′、ΦPSII)顯著高于樹冠下部葉片相一致。分析原因是由于胡楊樹冠下部為條形葉,葉細(xì)長和葉面積小致使其捕光面積不足;同時(shí)強(qiáng)光下其光系統(tǒng)發(fā)生光抑制程度高(Fv/Fm降低),導(dǎo)致Pn低,但低Pn難以滿足幼齡個(gè)體快速生長的需要。隨樹體長高,樹冠下部的條形葉處于弱光環(huán)境,光競爭就成為其生長面對(duì)的首要問題,條形葉為保證在有限的光環(huán)境中獲得最大的碳同化速率,需要加強(qiáng)營養(yǎng)物質(zhì)投資(LN)、增大LW、LA進(jìn)行葉內(nèi)生物量的權(quán)衡分配和葉構(gòu)型塑造的調(diào)整,形成薄而高SLA葉片,增加捕光面積,且薄葉片能夠使CO2和水分等從氣孔到達(dá)葉綠體的路徑縮短,有利于光透過和光能吸收[23];同時(shí)通過Chla/b和光補(bǔ)償點(diǎn)下降、表觀量子效率增加等生理變化增強(qiáng)對(duì)弱光的吸收利用[11]。但條形葉低的光合酶活性、葉肉細(xì)胞羧化效率不能有效地將捕獲光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能[11],增大了吸收光能向以熒光形式的耗散和熱耗散途徑的能量分配,導(dǎo)致PSII過量激發(fā)能的積累,產(chǎn)生嚴(yán)重的光抑制,因而qP、ETR、ΦPSⅡ最小,1-qP、β/α-1、LPFD均最高,致使條形葉LDMC、光合能力低。
卵形葉生長在樹冠頂端新梢上部,具有明顯的頂端優(yōu)勢(shì),養(yǎng)分優(yōu)先供應(yīng)使葉片N、P、Chl(a+b)含量高,促進(jìn)細(xì)胞分裂、擴(kuò)展和增大了LW、LA、葉綠體數(shù)目;大葉片增加了葉片捕光面積,N、P素更多用于構(gòu)建光合機(jī)構(gòu)和光合磷酸化、電子傳遞,從而提高了葉片F(xiàn)v′/Fm′、ETR,使其Pn、PNUE最高;增大 LW、LA會(huì)促進(jìn)葉片與周圍的空氣進(jìn)行熱量交換,降低葉片溫度,減少高溫環(huán)境對(duì)葉片的脅迫,通過減少熱耗散能量而更多地分配給光化學(xué)反應(yīng),因而qP、ΦPSII、P比例最大。卵形葉Pn、WUE、PNUE、LDMC、SLA分別是條形葉的1.46倍、1.27倍、1.19倍、1.06倍、0.92倍,表明胡楊葉形態(tài)變化有助于增強(qiáng)其生理功能和適應(yīng)能力。研究表明,PNUE是一個(gè)與葉片生理、形態(tài)及適應(yīng)環(huán)境機(jī)制有關(guān)的重要指標(biāo),是種間光合能力變異的最主要因子之一。PNUE高的植株意味著有更多的氮用于構(gòu)建光合機(jī)構(gòu),使其葉綠素含量更高,生長更快,生產(chǎn)力更高[24]。SLA能客觀準(zhǔn)確地反映植物對(duì)水分的利用效率及其獲取資源、適應(yīng)貧瘠環(huán)境的能力和強(qiáng)光下的自我保護(hù)能力[16]。因此,卵形葉比條形葉的生產(chǎn)力和應(yīng)變能力更強(qiáng),更能適應(yīng)異質(zhì)強(qiáng)光環(huán)境。但卵形葉LD與Fv/Fm均低于鋸齒葉。
鋸齒葉生長在樹冠中、上部的短枝上,是樹冠上分布最多、占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的葉形。胡楊為更好適應(yīng)嚴(yán)酷的荒漠環(huán)境,就必須在增加資源獲取能力的同時(shí)提高物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)化及利用效率。因?yàn)?,鋸齒葉若繼續(xù)將有限資源投入到葉面積擴(kuò)大上不但延緩了葉片的散熱時(shí)間,還會(huì)加重了植株的蒸騰失水,使其處于不利的競爭態(tài)勢(shì)。所以鋸齒葉趨向于選擇增加葉厚度和葉柄長度,形成厚、寬且小SLA的葉片,一方面增加葉厚將更多的干物質(zhì)、N、K素用于構(gòu)造細(xì)胞壁、保衛(wèi)結(jié)構(gòu)和葉肉細(xì)胞密度,增加?xùn)艡诮M織[12],增強(qiáng)抗逆性和避免強(qiáng)光對(duì)葉片的傷害作用[25],從而使用于構(gòu)造光合蛋白質(zhì)的氮相應(yīng)減少,導(dǎo)致Pn、PNUE降低;但較高的LP含量直接參與氧化磷酸化和光合磷酸化,一定程度上可維持其較高Pn。同時(shí)葉厚增加使水力導(dǎo)度和水汽進(jìn)出表皮的阻力增大,在細(xì)胞出現(xiàn)質(zhì)壁分離時(shí)保持高的含水量,達(dá)到減少植株內(nèi)部水分散失而降低Tr;而且較長的葉柄可使葉片更易搖擺,從而增加葉表面的有效風(fēng)速而降低葉溫,避免大量蒸騰失水[15]。另一方面小SLA葉片具有較高的熱交換能力和強(qiáng)調(diào)控生理代謝能力,提高了非輻射能量(熱)耗散,導(dǎo)致NPQ和D較高,P、qP、ΦPSII降低,實(shí)現(xiàn)通過自身調(diào)節(jié)機(jī)制耗散掉過剩的光能達(dá)到自我保護(hù)的目的,這與低SLA植物能夠更好地適應(yīng)資源貧瘠和強(qiáng)光、干旱環(huán)境的結(jié)論一致[26]??梢?,鋸齒葉通過改變生物量分配和犧牲部分光合能力而增強(qiáng)抗逆能力,有助于防止葉片過度失水和提高葉片的生境適應(yīng)能力,體現(xiàn)出鋸齒葉通過異質(zhì)環(huán)境對(duì)葉性狀的塑造以更好適應(yīng)荒漠環(huán)境而產(chǎn)生的一種自我保護(hù)的生存策略。因此,胡楊同化器官葉形態(tài)隨著生樹冠不同高度環(huán)境的變化發(fā)生了相應(yīng)的改變,是其適應(yīng)荒漠環(huán)境變化和滿足生長轉(zhuǎn)變需求在葉形態(tài)結(jié)構(gòu)、功能上進(jìn)化出的生存策略。
(1)胡楊異形葉葉長、寬、長/寬、葉面積、干物質(zhì)含量與光合生理性狀顯著相關(guān),反映出葉構(gòu)建模式的改變直接影響異形葉光合生理功能。條形葉光合能力主要受SLA、Gs和PNUE的影響,鋸齒闊卵形葉受qP、LD和LP的影響,而卵形葉則Fv′/Fm′和SLA的影響。
(2)卵形葉屬高Pn、Tr、LUE、WUE和光能吸收轉(zhuǎn)化效率高的葉形,鋸齒闊卵形葉葉厚、耐強(qiáng)光(Fv/Fm)、ETR和Car含量高,以NPQ形式清除過剩激發(fā)能保護(hù)光合機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)轉(zhuǎn),維持較高的Pn和干物質(zhì)生產(chǎn);條形葉葉薄、SLA高、Chla/b低,吸收光能主要用于非輻射能量耗散(D+E),光抑制程度重,光合效率低。
(3)胡楊3種異形葉形態(tài)性狀與光合生理性狀的權(quán)衡策略不同,通過改變?nèi)~形態(tài)性狀(LW、LD、LA、SLA)差異化調(diào)整異形葉的光合生理功能,形成不同的生理生態(tài)適應(yīng)策略。