田間全日照對蔓越橘光合特性的影響*

湯海昆，姜闖道，王振興，陳 麗，李亞東

（1吉林省小漿果遺傳育種與創(chuàng)新利用工程研究中心，吉林農(nóng)業(yè)大學園藝學院，長春130118）（2中國科學院植物研究所，中國科學院北方資源植物重點實驗室）

光不僅能夠推動光合作用，而且是影響植物生長發(fā)育重要的因素之一。眾多研究認為，植物按照需光特性的不同可以分為陽生植物、陰生植物和中間型植物，陽生植物的需光范圍為1 000～1 500 μmol·m-2·s-1，而陰生植物達到光飽和僅需要200～500 μmol·m-2·s-1的光強。然而，我國大部分地區(qū)晴天條件下的午間最大光強為1 500～2 000 μmol·m-2·s-1[1-2]。雖然光照可以為植物提供能量來源，但過強的光照亦會對植物造成傷害；對于高等植物而言，光合電子傳遞鏈包括光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）和光系統(tǒng)Ⅰ（PSⅠ），二者對不同環(huán)境脅迫的敏感性不同[3]。多數(shù)研究認為，PSⅡ對環(huán)境脅迫很敏感，強光等脅迫會導致PSⅡ的結構和功能發(fā)生變化，尤其是夏季強光條件下，多數(shù)植物吸收的光能將會超過自身光合作用所能利用的能量，若不能及時耗散過剩的激發(fā)能，將會產(chǎn)生活性氧破壞葉綠素和D1蛋白等，導致PSⅡ發(fā)生傷害[4-7]。相反，一般認為，強光條件下植物PSⅠ相對穩(wěn)定。然而，劉超等對牡丹的研究表明，在強光（1 400 μmol·m-2·s-1）處理下，隨著處理時間的延長，牡丹葉片PSⅠ的活性也在逐步下降[7]。秦立琴等在花生上的研究也表明，花生葉片在室溫和光強為1 200 μmol·m-2·s-1的條件下PSⅠ活性也顯著降低[8]。此外，植物在波動光條件下會使植物的PSⅠ受到傷害。有學者認為其原因是波動光使線性電子傳遞受阻，電子在PSⅠ傳遞給氧分子形成活性氧，過量的活性氧生成導致PSⅠ活性受到傷害[9-11]。因此，強光對光合機構的影響還存在爭議。另外，大多數(shù)強光對植物光合活性影響的研究多在實驗室內(nèi)使用人工光源開展，很少使用田間自然光照。生長光照和處理光照的巨大差異，以及研究條件的不同往往導致結論的差異，但這并不能充分反應田間情況。前人研究表明，田間條件下除非逆境交互脅迫，否則很難發(fā)生嚴重的光抑制現(xiàn)象[12-13]。

蔓越橘屬于杜鵑花科（Ericales）越橘屬（Vaccinium）紅莓苔子亞屬（Oxycoccos）植物，俗稱蔓越莓、酸果莓及鶴莓等。因其果實有獨特的風味和一定的醫(yī)療價值，所以在市場上備受矚目。在我國，蔓越橘主要分布于東北大興安嶺和長白山脈地區(qū)，屬于林下小灌木[14-16]。其原生境林下光強較弱，但在蔓越橘大面積推廣種植時，其栽培環(huán)境將不再局限于林下，而會直接暴露在全日照條件下。我們觀察到部分蔓越橘新生葉片在全日照條件下會出現(xiàn)變褐、焦枯和停長的現(xiàn)象。與原生環(huán)境相比，推測全日照的光強成為影響其生長發(fā)育的重要因素。當蔓越橘由原來的林下遮陰或半遮陰環(huán)境轉移到大田全日照環(huán)境時，其葉片是否能適應這種光照條件的改變？是否會發(fā)生光抑制并影響其生長？針對這些問題，相關研究尚屬空白。因此，本研究將比較蔓越橘葉片生長狀況及光系統(tǒng)活性對林下弱光和露地強光的響應，理解蔓越橘葉片在自然光照下的光合機構運轉，并為完善我國蔓越橘優(yōu)質(zhì)栽培技術提供試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗于2018年在中國科學院植物研究所進行，試驗材料為吉林農(nóng)業(yè)大學選育的蔓越橘優(yōu)良品系貝恩2年生扦插苗，選取生長狀態(tài)相似、無病蟲害的強壯植株，于新芽萌動時進行處理。采用盆栽，盆高10 cm、內(nèi)徑12 cm。栽培基質(zhì)和肥水管理在試驗期間均相同。

試驗設2個處理，分別為林下弱光栽培處理組（L）和露地全日照栽培處理組（H），每組處理設12個重復。林下弱光栽培處理組在午間的最大光強為400～500 μmol·m-2·s-1，在弱光條件下的成熟葉記為LM，新葉記為LN；露地全日照栽培處理組在午間最大光強為1 500～1 600 μmol·m-2·s-1，在全日照條件下的成熟葉記為HM，新葉記為HN。成熟葉為已越冬的2年生葉片，新葉為當年生已完全展開的葉片。成熟葉選取2年生枝條頂端、無病蟲害的葉片；新葉選取當年生新梢頂端、無病蟲害并已完全展開的葉片。試驗各指標測定及采樣均選擇此類葉片，各指標測定及采樣均在處理8周后進行。

1.2 試驗方法

1.2.1 葉面積及比葉重的測定

葉面積的測定首先通過隨機取樣并做標記，然后使用葉面積掃描儀測量葉面積，每個處理6次重復。比葉重的測定參照趙世偉等的方法[17]。

1.2.2 葉綠素含量的測定

隨機取樣后進行稱量，每次稱取0.1 g葉片，將稱量后的葉片放入80%丙酮溶液中，置于暗處48 h，期間每隔2 h進行1次振蕩，保證色素均勻地分布在丙酮溶液中。利用UV-8000型雙光束紫外/可見分光光度計（上海元析儀器有限公司）分別在663、646 nm測定OD值，計算出葉綠素a、葉綠素b以及葉綠素的總含量[18]。每個處理6次重復。

1.2.3 快速葉綠素熒光誘導動力學曲線和PSⅠ對820 nm光吸收動力學曲線的同時測定

選一晴天下午，將處理后的植株放入黑暗條件下充分暗適應，利用M-PEA非調(diào)制式熒光儀進行測定，分別測量不同處理下蔓越橘快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（O-J-I-P曲線）和820 nm光吸收動力學曲線[19-20]，PSⅠ的活性指標以820 nm光吸收的最大值與最小值的差值（△I/Io）表示[21]。O-J-IP曲線的測定用3 000 μmol·m-2·s-1的脈沖光誘導，而后進行JIP-test分析[22-23]。每個處理6次重復。

1.2.4 葉綠素熒光猝滅分析

在試驗材料充分暗適應0.5 h之后，利用FMS-2脈沖調(diào)制式熒光儀（Hansatech，英國），具體光強設定參照喬美玉等的方法[24]。根據(jù)測定的熒光參數(shù)，計算光下PSⅡ天線轉化效率（Fv′/Fm′）、非光化學猝滅（NPQ）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 19.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對試驗所得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，圖表中數(shù)值為平均值±標準誤，不同小寫字母表示在5%水平差異顯著。統(tǒng)計結果采用Excel 2013進行作圖。

2 結果與分析

2.1 光照環(huán)境對蔓越橘葉面積和比葉重的影響

如圖1-A所示，全日照條件下生長的蔓越橘新葉的葉面積為1.49 cm2，林下弱光條件下生長的蔓越橘新葉的葉面積為2.06 cm2，差異顯著，證明全日照條件顯著降低了蔓越橘新葉的葉面積。而光照環(huán)境對蔓越橘成熟葉的葉面積影響不顯著。

如圖1-B所示，相較于林下弱光環(huán)境，全日照光環(huán)境提高了葉片的比葉重，對成熟葉的提高幅度比對新葉的提高幅度大，但差異均不顯著。

圖1 不同光照環(huán)境對蔓越橘葉面積和比葉重的影響

2.2 光照環(huán)境對葉綠素含量的影響

在光合作用過程中，葉綠素是光能吸收、轉化和傳遞的重要媒介。由表1可以看出，不同光照條件下生長的蔓越橘，新葉和成熟葉的葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素變化趨勢一致。與林下弱光環(huán)境相比，全日照環(huán)境顯著降低了蔓越橘葉片的葉綠素含量。由此我們推測蔓越橘可以通過調(diào)節(jié)自身葉綠素含量來適應光環(huán)境的改變。

表1 不同光照環(huán)境對蔓越橘葉綠素含量的影響 mg/g

2.3 光照環(huán)境對葉片熒光誘導動力學曲線的影響

不同光照環(huán)境下蔓越橘葉片的快速熒光動力學曲線的變化趨勢如圖2-A、圖2-B所示，新葉和成熟葉在2種光照環(huán)境下均表現(xiàn)出全日照條件下具有較低的熒光初始值（Fo）和P點熒光峰值。進一步分析光照環(huán)境對蔓越橘快速熒光動力學曲線的變化，我們以P點熒光值標準化誘導曲線。標準化后的曲線表現(xiàn)為全日照條件顯著提高了蔓越橘葉片O～I點的相對熒光產(chǎn)量，在J點的時候提高幅度最大，并且新葉的提高幅度比成熟葉的提高幅度大（圖2-C、圖2-D）。

為了更好地量化不同光照環(huán)境對蔓越橘葉片PSⅡ的影響，計算如下參數(shù)見表2。由表2可以看出，相比于林下弱光環(huán)境，全日照環(huán)境下的蔓越橘天線轉化效率Fv/Fm顯著降低；同樣與林下弱光環(huán)境相比，全日照環(huán)境顯著提高了蔓越橘的Vj值，并且對新葉的提高幅度比成熟葉的提高幅度大，其中新葉提高了42.1%，成熟葉提高了25.0%；2種光環(huán)境下蔓越橘葉片的Vi值差異并不顯著；在分析OJ-I-P曲線過程中，并沒有觀察到K點的出現(xiàn)（圖2），但通過計算Wk，可以看出，相對于林下弱光條件，全日照條件下的成熟葉Wk差異并不顯著，但新葉則表現(xiàn)為全日照條件下較高，比林下弱光條件下高出14.8%。

圖2 不同光照環(huán)境對蔓越橘新葉和成熟葉快速熒光誘導動力學曲線的影響

表2 不同光照環(huán)境對蔓越橘葉片F(xiàn)o、Fm、Fv/Fm、Vj、Vi、Wk的影響

2.4 光照環(huán)境對葉綠素熒光猝滅的影響

圖3 蔓越橘葉片的Fv′/Fm′和NPQ對不同光強的響應

為了更好地分析蔓越橘PSⅡ對光環(huán)境的響應，利用FMS測定了林下弱光和全日照條件下蔓越橘葉片PSⅡ的天線轉化效率（Fv′/Fm′）和非光化學猝滅（NPQ）對不同光強的響應（圖3）。結果表明：林下弱光處理的Fv′/Fm′較全日照處理高，全日照處理新葉的Fv′/Fm′高于成熟葉；在不同光強下，全日照處理葉片的NPQ皆高于林下弱光處理。

2.5 光照環(huán)境對葉片820 nm光吸收動力學曲線的影響

圖4是光系統(tǒng)Ⅰ的光吸收曲線，可以通過氧化還原衡量其活性[11]。結果表明，光環(huán)境對蔓越橘新葉影響較大，主要表現(xiàn)在全日照處理導致PSⅠ的氧化速率和幅度略有下降（圖4-A），而對成熟葉PSⅠ的影響不大（圖4-B）。這表明光環(huán)境能夠影響PSⅠ的活性。

圖4 光強對蔓越橘新葉（A）和成熟葉（B）對820 nm光吸收的影響

3 討論與結論

在本研究中，蔓越橘在林下弱光條件下午間最大光強不超過500 μmol·m-2·s-1，而全日照條件下生長的蔓越橘其午間光強約1 600 μmol·m-2·s-1，二者差異巨大。全日照的強光對蔓越橘新葉的葉面積影響較大，而對成熟葉的葉面積影響不顯著。這是由于蔓越橘屬于常綠小灌木，成熟葉在上一年入冬前葉面積等形態(tài)發(fā)育已經(jīng)基本完成，因此，強光對其葉面積的影響并不顯著。而當年生新葉在還未展葉時就開始處理，此時2個處理光環(huán)境差異較大，蔓越橘新葉為適應全日照環(huán)境，通過減小葉面積來減少光能的捕獲。除此之外，全日照條件下的蔓越橘葉片也具有較低的葉綠素含量。不過，無論新生葉片還是成熟葉片，其比葉重均變化較小。所以，從形態(tài)角度看，蔓越橘能夠通過調(diào)節(jié)葉片的面積和葉綠素含量來適應光環(huán)境的改變。

為優(yōu)化光合作用適應復雜的光環(huán)境，調(diào)節(jié)天線捕獲效率是植物的重要光破壞防御機制之一[25]。通過對熒光猝滅分析可以看到，隨著光強的增加，F(xiàn)v′/Fm′下降，而NPQ逐漸增加；在2種光環(huán)境下成長的蔓越橘，新葉的天線下調(diào)和熱耗散比成熟葉的幅度更大。因此，我們推測全日照強光使蔓越橘葉片產(chǎn)生過剩激發(fā)能，而且新葉和成熟葉同時受到強光照脅迫時，新葉的天線調(diào)節(jié)和熱耗散要高于成熟葉。這可能是蔓越橘適應光環(huán)境的重要策略。

雖然蔓越橘能夠一定程度上適應全日照環(huán)境，但是，本研究中2種光環(huán)境對蔓越橘葉片的PSⅡ天線轉化效率影響較為明顯，與林下弱光條件相比，全日照條件下蔓越橘葉片的Fv/Fm降低，但新葉和成熟葉在下降程度上略有不同。這些數(shù)據(jù)證明無論新葉還是成熟葉其PSⅡ的光化學活性均略有下降。通過JIP-test分析發(fā)現(xiàn)，相對于林下弱光條件，全日照條件增加了新葉的Vj和Wk值，增加幅度分別為42.1%和14.8%。而Vj表示QA向QB電子傳遞的情況[23]，可以推測全日照條件導致蔓越橘葉片PSⅡ反應中心復合物的QA-大量積累。因此，相對于林下弱光條件，全日照條件抑制了蔓越橘葉片PSⅡ中QA向QB的電子傳遞效率，其中新葉電子傳遞速率受抑制程度更大。前人研究證明，K點的熒光產(chǎn)量（W相）迅速增加的原因是PSⅡ供體側放氧復合體（OEC）受到傷害[17,26-27]。我們推測全日照強光對蔓越橘新葉的PSⅡ供體側造成了一定的傷害。而新葉PSⅡ供體側受到傷害、成熟葉則沒有受到傷害的原因可能是幼葉的OEC未完全或剛剛發(fā)育成熟，所以更容易受到強光傷害。這與Jiang等[19]的研究結果一致。除PSⅡ外，全日照強光也輕微降低了蔓越橘新葉PSⅠ的活性，但對成熟葉無顯著影響。因此，強光會在一定程度上影響蔓越橘新葉2個光系統(tǒng)的活性，從而影響蔓越橘的生長發(fā)育。適度遮陰可以作為蔓越橘栽培過程中的常規(guī)手段，既可以保證其光合活性，又不會傷害其新葉的生長。