光照強(qiáng)度和光質(zhì)對含羞草環(huán)境適應(yīng)性的影響

辛浩然，劉玉梅，Rob Kneepkens*

（1.中國人民大學(xué)附屬中學(xué),北京 100080；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,北京 100083）

當(dāng)今的氣候變化使極端天氣更加普遍，例如全球變暖使平均氣溫呈現(xiàn)上升趨勢[1]，這樣的天氣導(dǎo)致農(nóng)作物因?qū)Νh(huán)境的不適應(yīng)而減產(chǎn)[2]。因此，增強(qiáng)農(nóng)作物對環(huán)境變化的耐受度一直是育種研究的重要方向之一。

含羞草（Mimosa pudica）是一種對外界刺激敏感的豆科植物，它的葉片會(huì)因受到外界刺激（如觸碰）而快速地閉合，這是一種避免被捕食的防御機(jī)制[3]。通過觀察含羞草葉片的閉合規(guī)律，我們可以觀察到含羞草對特定外界刺激的反應(yīng)程度。閉合程度越小，即張開程度越大，表明它們對外界刺激越習(xí)慣，對特定外界環(huán)境變化的耐受度越高[4]。

光照強(qiáng)度是影響植物生理活動(dòng)最重要的因素之一。已有研究表明，含羞草葉片的閉合與植物所處環(huán)境的光照強(qiáng)度有關(guān)。為了節(jié)省能量，生活在低光照強(qiáng)度下的含羞草更容易在受到刺激時(shí)放棄閉合葉片[5]。Gagliano等（2014）做了高光照強(qiáng)度與低光照強(qiáng)度兩組的對比試驗(yàn)，結(jié)果表明低光照強(qiáng)度下含羞草形成記憶更快[6]，適應(yīng)能力更強(qiáng)。

光質(zhì)對植物光合特性和生長發(fā)育具有顯著的影響。已有研究發(fā)現(xiàn)，紅光對洋薊和生菜的生長發(fā)育起到至關(guān)重要的促進(jìn)作用，主要是由于紅光下的植物光合效率最高[7-9]。紅光顯著促進(jìn)黃瓜、辣椒的生長[10-11]，有利于提高草莓、瓠瓜幼苗的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，增強(qiáng)植物的光合能力[12-13]。藍(lán)光使地黃、藜蒿等植物長勢良好[14-15]，但降低了草莓的光合性能[12]。

基于以上分析，本文提出假設(shè)：

假設(shè)1：在低光照強(qiáng)度下，含羞草的適應(yīng)性最強(qiáng)，其次是中等光照強(qiáng)度，高光照強(qiáng)度下含羞草的適應(yīng)性最弱。

假設(shè)2：在紅色光照條件下，含羞草的適應(yīng)性最弱，適應(yīng)性形成得最慢。

假設(shè)3：在實(shí)驗(yàn)的過程中，隨著時(shí)間的推移，含羞草的適應(yīng)性逐漸增強(qiáng)。

本文的貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是現(xiàn)有涉及光照強(qiáng)度對植物適應(yīng)性影響的研究較多，但少有研究光照強(qiáng)度對含羞草適應(yīng)性影響；二是探討光質(zhì)對含羞草適應(yīng)性影響的研究也很少見。因此，本文在已有研究基礎(chǔ)之上，做了低、中、高三組光照強(qiáng)度和紅、藍(lán)、白三種光質(zhì)與自然光的對照實(shí)驗(yàn)，分析光照強(qiáng)度和光質(zhì)對含羞草適應(yīng)性的影響。含羞草葉片的張開程度可以反映它們對特定外界刺激的適應(yīng)性，且是一種易于觀察和量化的指標(biāo)，本文采用葉片張開程度來衡量含羞草對環(huán)境的適應(yīng)性。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)共設(shè)6個(gè)含羞草培育場所：1個(gè)自然光照場所（在朝陽的陽臺(tái)上）和5個(gè)長53cm、寬30cm、高52cm的暗箱場所（一個(gè)陰面的房間）。5個(gè)暗箱分別內(nèi)置了不同數(shù)量的4W LED燈管包括1根白色、2根白色、3根白色、2根藍(lán)色、2根紅色，用于控制植物生長的光照環(huán)境，其中只有1根燈管的為低光照組、2根燈管的為中等光照組、3根燈管的為高光照組。這樣，含羞草樣本包括6組：白色+低光照強(qiáng)度組、白色+中等光照強(qiáng)度組、白色+高光照強(qiáng)度組、藍(lán)色+中等光照強(qiáng)度組、紅色+中等光照強(qiáng)度組、自然光對照組，樣本的分布如表1所示。

為了便于通風(fēng)，每個(gè)暗箱底部放置了通風(fēng)槽，通風(fēng)槽的底部墊了一層黑色的遮雨塑料布，以免干擾箱內(nèi)植物接受正常的光照。實(shí)驗(yàn)過程中每天上午7：00開始給光，光照時(shí)間持續(xù)11-12h，以保證植物獲得充足的光照。

我們于2020年7月28日開始按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的條件將含羞草植株放在實(shí)驗(yàn)場所開始培育，每天上午7點(diǎn)給光，晚上7點(diǎn)停止給光、澆水，使植株適應(yīng)一段時(shí)間的新環(huán)境，于2020年8月5日開始記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 樣本的分布

1.2 訓(xùn)練計(jì)劃和測量

本文采用滴水刺激含羞草葉片的方式對含羞草進(jìn)行訓(xùn)練。已有研究表明，利用滴水方法刺激含羞草葉片的方法是可行的[16]。每天在上午9：00點(diǎn)和下午15：00點(diǎn)分別對含羞草進(jìn)行2次訓(xùn)練，該訓(xùn)練持續(xù)了6天。每次訓(xùn)練之前，從每組植株中隨機(jī)選16-18片葉子作為樣本葉片進(jìn)行滴水刺激。為了保證滴水刺激的幅度適中且平穩(wěn)，訓(xùn)練時(shí)用10ml塑料滴管從高于葉片15cm處對樣本葉片滴水3-5滴。含羞草葉片最大寬度的測量方法：用游標(biāo)卡尺測出樣本葉片受刺激前的最大葉寬d1和受刺激后的最大葉寬d2，并記錄測量結(jié)果。

1.3 分析方法

本文采用葉片張開程度來衡量含羞草對滴水刺激的適應(yīng)性，其計(jì)算方程式為：

其中，r表示葉片張開程度，r值越大，表明葉片張開程度越大，其對環(huán)境的適應(yīng)性越強(qiáng)。

本文使用KruskalWallis非參數(shù)檢驗(yàn)法對不同光照強(qiáng)度（低、中、高、自然光）和不同光質(zhì)（白、藍(lán)、紅、自然光）的葉片張開程度的顯著性差異進(jìn)行檢驗(yàn)，其原假設(shè)為不同光照強(qiáng)度組和不同光質(zhì)組的含羞草葉片的張開程度無顯著差異。當(dāng)Kruskal-Wallis檢驗(yàn)的P值=0.001<0.05時(shí)，說明原假設(shè)不成立，表明不同光照強(qiáng)度和不同光質(zhì)葉片的張開程度差異顯著。

數(shù)據(jù)處理和非參數(shù)KruskalWallis檢驗(yàn)使用STATA14統(tǒng)計(jì)軟件，圖表生成采用Microsoft Office Excel365軟件。

2 結(jié)果

2.1 光照強(qiáng)度的影響

為了探究光照強(qiáng)度對含羞草環(huán)境適應(yīng)性的影響，我們選擇了4組不同光照強(qiáng)度下滴水刺激前葉片最大寬度、刺激后葉片最大寬度和葉片張開程度做了對比分析（表2）。

表2 不同強(qiáng)度的白色光照條件下含羞草葉片滴水刺激前、后的最大寬度及張開程度

由表2可知，滴水刺激前葉片最大寬度的均值表現(xiàn)為低光照強(qiáng)度下的葉寬最大，其次是中等強(qiáng)度，高光照強(qiáng)度組最小，自然光照強(qiáng)度介于中、高強(qiáng)度之間。通過KruskalWallis非參數(shù)差異性檢驗(yàn)，滴水刺激前4組光照強(qiáng)度下葉寬差異的P值為0.000 1，表明滴水刺激前不同光照強(qiáng)度下4組葉片寬度存在顯著差異。與刺激前相似，滴水刺激后葉片最大寬度從大到小依次為低、中、高光照強(qiáng)度，自然光照強(qiáng)度下的葉片寬度小于其他三組。KruskalWallis檢驗(yàn)結(jié)果表明滴水刺激后4組不同光照強(qiáng)度下的葉片寬度存在顯著差異。

根據(jù)公式（1）計(jì)算的葉片張開程度的結(jié)果表明，低光照強(qiáng)度組的張開程度最大，為22.8%，其次為中等強(qiáng)度、高強(qiáng)度，分別為21.07%、20.88%，自然光最小，僅為17.25%。此外，低光照強(qiáng)度組的葉片張開程度的標(biāo)準(zhǔn)差最大（10.97%），其次是中、高光照強(qiáng)度組，分別為7.04%、7.12%，自然光組最小，僅為5.9%，表明低光照組內(nèi)各葉片張開程度的離散程度較大，自然光組最小。4組光照強(qiáng)度下葉片張開程度的KruskalWallis非參數(shù)差異性檢驗(yàn)的P-value為0.000 1，可以判斷4中光照強(qiáng)度下葉片受滴水刺激后葉片的張開程度存在顯著差異。

為了進(jìn)一步分析不同光照強(qiáng)度下含羞草葉片張開程度的時(shí)間變化規(guī)律，本文對比了4個(gè)不同光照強(qiáng)度組在持續(xù)6天的時(shí)間內(nèi)葉片受刺激后張開程度的變化情況（見圖1）。

圖1 不同強(qiáng)度的白色光照條件下含羞草葉片張開程度的時(shí)間變化

由圖1可以看出，低、中光照強(qiáng)度組葉片的張開程度隨時(shí)間變化呈波動(dòng)上升趨勢。從實(shí)驗(yàn)第1天到第6天：低光照強(qiáng)度組由18.91%上升至25.63%；中等光照強(qiáng)度組由17.77%上升至23.98%；高光照強(qiáng)度組則由18.55%上升到23.42%，再波動(dòng)下降為18.5%；自然光組在15.74%與18.32%之間波動(dòng)。KruskalWallis檢驗(yàn)結(jié)果表明低光照強(qiáng)度和自然光組葉片張開程度在6天之間沒有明顯的差異，中、高光照強(qiáng)度組則呈現(xiàn)顯著的變化。此外，低光照強(qiáng)度組在6天內(nèi)的張開程度明顯大于其他光照組，自然光照組明顯低于其他光照組，符合表2中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律。

2.2 光質(zhì)的影響

為了識(shí)別光質(zhì)對含羞草環(huán)境適應(yīng)性的影響，我們又將放在中等強(qiáng)度的不同光質(zhì)光照下生長的含羞草的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如見表3所示。

由表3可知，白、藍(lán)、紅、自然光4組含羞草滴水刺激前最大葉寬表現(xiàn)為：白光最大，其后依次為自然光、藍(lán)光、紅光；滴水刺激后最大葉寬：白光最大，其后依次是藍(lán)光、紅光、自然光。各組間KruskalWallis非參數(shù)差異性檢驗(yàn)的P-value都是0.000 1，表明不同光質(zhì)組間滴水刺激前后的最大葉寬均存在明顯差異。

葉片張開程度則表現(xiàn)為白光最大（22.16%），其次是藍(lán)光（21.09%），然后是紅光（20.81%），自然光最?。?7.25%）。通過對比四個(gè)光質(zhì)組葉片受滴水刺激后張開程度的標(biāo)準(zhǔn)差，我們發(fā)現(xiàn)：白光標(biāo)準(zhǔn)差最大（9.75%），其次是藍(lán)光（8.21%），然后是紅光（5.90%）和自然光（5.90%）。這說明白光和藍(lán)光組的離差較大，紅光和自然光組的數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。葉片張開程度的KruskalWallis非參數(shù)差異性檢驗(yàn)的P值為0.000 1，表明各個(gè)光質(zhì)組間葉片張開程度存在顯著差異。

表3 中等強(qiáng)度的不同光質(zhì)條件下含羞草葉片滴水刺激前、后的最大寬度及張開程度

圖2顯示了中等強(qiáng)度的不同光質(zhì)條件下含羞草葉片張開程度的時(shí)間變化規(guī)律：從第1天到第6天，各組葉片張開程度呈波動(dòng)性增大趨勢：白光組由17.77%上升至26.05%，增幅為46.6%；藍(lán)光組由16.57%上升至25.87%，增幅為56.1%；紅光組由16.38%上升至23.31%，增幅為42.3%。KruskalWallis檢驗(yàn)結(jié)果表明白、藍(lán)、紅3組在6天之間的葉片張開程度均有顯著性差異。自然光組在15.74%與18.32%之間波動(dòng)，葉片張開程度在6天內(nèi)的差異不顯著。

圖2 中等強(qiáng)度的不同光質(zhì)條件下含羞草葉片張開程度時(shí)間變化

3 結(jié)論與討論

通過對3個(gè)光照強(qiáng)度（低、中、高）組的對比，我們發(fā)現(xiàn)滴水刺激前后光照強(qiáng)度越強(qiáng)，葉片的最大寬度越?。还庹諒?qiáng)度越低，葉片的張開程度越大，表明含羞草形成的記憶更快，對環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)，該結(jié)論符合假設(shè)1。這是因?yàn)槿~片的開合需要消耗能量才可以實(shí)現(xiàn)的，相較于高光照強(qiáng)度，生活在低光照強(qiáng)度下的含羞草的光合效率較小，獲取的能量較小，能夠節(jié)省更多的能量而得以更好的生存。這就意味著在接受訓(xùn)練時(shí)，生活在弱光照強(qiáng)度下的含羞草更傾向于節(jié)省能量，快速適應(yīng)滴水刺激，減少葉片開合消耗的能量，因此葉片很快便不再合攏或合攏程度變小，葉片張開程度變大；生活在高光照強(qiáng)度環(huán)境下的含羞草則傾向于保持葉片的開合，因?yàn)槿~片受刺激后合攏本身是一種防御行為，可以躲避天敵的捕食，在能量充足的條件下有利于含羞草的生存。該結(jié)論與Gagliano et al.（2014）的研究結(jié)論一致。

從3種顏色（紅、白、藍(lán)）對比組中，我們發(fā)現(xiàn)滴水刺激前后紅光組的葉片寬度最小，其次是藍(lán)光組，白光組最大。紅光組的葉片張開程度最小，對環(huán)境的適應(yīng)性最弱，其次是藍(lán)光組，最后為白光組，且各組間具有明顯的差異，這與假設(shè)2相一致。這是因?yàn)楣赓|(zhì)的影響源于其對光合作用的效率的影響，光合效率越高，植物獲取的能量越多，越傾向于保留受刺激后閉合葉片這一耗能的自我保護(hù)機(jī)制，適應(yīng)性形成得越慢。該結(jié)論與Rabaraet al.（2017）對洋薊、Wang et al.（2016）和張珂嘉（2018）對生菜、劉丹等（2016）對黃瓜、周華等（2017）對辣椒、劉慶等（2015）對草莓、黃枝等（2016）對瓠瓜的研究結(jié)論相似。與紅光相比，藍(lán)光下含羞草的光合效率相對較低，從光合作用中獲取的能量比較少，傾向于節(jié)省能量，對同種刺激不做出耗能的閉合反應(yīng)，適應(yīng)性形成得更快，該結(jié)論與Manivannan et al.（2015）對地黃、周華等（2017）對藜蒿的研究結(jié)論一致。

此外，我們還發(fā)現(xiàn)除高光照強(qiáng)度組外，無論是不同光照強(qiáng)度組還是不同光質(zhì)組，含羞草葉片張開程度隨時(shí)間呈波動(dòng)上升趨勢，表明隨時(shí)間推移，含羞草的適應(yīng)性逐漸增強(qiáng)，這符合前文的假設(shè)3，也與Gagliano et al.（2014）的研究結(jié)論一致。