光質(zhì)對杉木幼苗新葉葉綠素?zé)晒庖?guī)律的影響

汪星星, 陳 鋼, 戴嘉豪, 曹光球,2, 曹世江,2

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院;2.國家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002)

植物通過葉綠素進(jìn)行光合作用，太陽輻射是其主要能量來源，而植物吸收太陽輻射基本集中在藍(lán)光區(qū)( 425～490 nm) 和紅光區(qū)( 600～700 nm)[1].近年來，單一光質(zhì)以及紅藍(lán)混合光對植物生長發(fā)育的影響逐漸成為研究熱點(diǎn)[2],目前，葉綠素?zé)晒鈪?shù)常常被作為植物對逆境響應(yīng)的重要指標(biāo)[3]，本試驗(yàn)研究了葉綠素?zé)晒庵械陌迪伦畲鬅晒?Fm)、固定熒光(Fo)、最大可變熒光(Fv)等參數(shù)，分析了生長在不同光質(zhì)下的杉木幼苗的葉綠素參數(shù)值，為進(jìn)一步研究杉木幼苗新葉的生長發(fā)育提供依據(jù).

有研究表明[4]，杉木幼苗葉片 Fo總體表現(xiàn)為紅光處理最高，藍(lán)光與白光處理較低；木荷和杉木幼苗葉片 Fv均表現(xiàn)為白光處理顯著高于藍(lán)光和紅光處理；杉木幼苗葉片 Fm總體表現(xiàn)為白光處理最高，紅光與藍(lán)光處理較低.但是缺少對組合光質(zhì)下的葉綠素各個(gè)參數(shù)的研究.周成波等[5]研究表明，小白菜在各種組合光處理下的Fv/Fm(暗適應(yīng)下PSⅡ最大光化學(xué)效率)與單質(zhì)光處理下的值無明顯差異.黃希等[6]研究表明，滇重樓葉片混合光(橙光∶藍(lán)光=4∶1)處理，F(xiàn)v/Fm、Fv′/Fm′最高，同時(shí)光質(zhì)也影響著PSⅡ?qū)饽艿姆峙?，紅藍(lán)組合光下光化學(xué)猝滅系數(shù)最低，而非光化學(xué)猝滅系數(shù)(non-photochemical quenching)則是在紫光和紅藍(lán)紫復(fù)合光下最小，但對于 PSⅡ 最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)無顯著影響[7].本研究測定杉木幼苗新葉各生長階段的葉綠素?zé)晒鈪?shù)，并進(jìn)行顯著性分析，為進(jìn)一步研究杉木在生長發(fā)育過程中遇到的問題提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以 1年生的優(yōu)良無性系020扦插苗為試驗(yàn)材料，該材料由福建省順昌洋口林場提供，其平均株高21.50 cm，地徑0.52 cm.培養(yǎng)基質(zhì)由福建省南平市森科種苗有限公司提供，主要原料為泥炭土、珍珠巖.基質(zhì)基本理化性質(zhì)為：容重0.2 g·cm-3，總孔隙度19.7%，含水率35.1%，pH 4.6，全N 14.8 g·kg-1，有效磷102.2 mg·kg-1，速效鉀136.6 mg·kg-1.LED燈由福州南瑞生物科技有限公司提供，用美國 Apogee MQ-500手持式光合輻射計(jì)測定光強(qiáng).

材料最初通過紗布袋轉(zhuǎn)入基質(zhì)中，前期對基質(zhì)進(jìn)行澆水處理，目的是為了保持基質(zhì)的濕潤，經(jīng)過3個(gè)月緩苗后移植到福建農(nóng)林大學(xué)田間實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室地處東經(jīng)120°，北緯27°，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫20～25 ℃，年平均降雨量1 000～2 000 mm[8]，期間對苗木進(jìn)行精細(xì)管理，保持土壤濕度約70%，選擇1 200株，分為4個(gè)處理組，每個(gè)處理組300株，取樣時(shí)間為杉木幼苗生長到30、60、90、120、150、180 d.

1.2 測定方法

選擇杉木幼苗成熟健康的新葉作為試驗(yàn)材料，設(shè)置白(W)、紅(R)、藍(lán)(B)、紅藍(lán)比(R∶B)(1∶1)4種光質(zhì)處理，分別對杉木幼苗進(jìn)行30、60、90、120、150、180 d的培育，并且采用葉綠素?zé)晒夥治鰞x測定各個(gè)生長階段的葉綠素?zé)晒鈪?shù)值，取各個(gè)階段葉綠素參數(shù)的平均值，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差.

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SPSS 26.0軟件進(jìn)行整理和處理，對不同光質(zhì)處理對各個(gè)階段杉木幼苗新葉的葉綠素?zé)晒鈪?shù)值的影響進(jìn)行單因素方差分析，并比較各個(gè)生長階段參數(shù)值的差異顯著性.

2 結(jié)果與分析

2.1 光質(zhì)對杉木幼苗新葉葉綠素?zé)晒釬m變化規(guī)律的影響

在杉木生長發(fā)育過程中(圖1)，葉綠素?zé)晒釬m除B處理之外均呈上升趨勢，并且30與180 d的葉綠素?zé)晒釬m都呈現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05).Fm在整個(gè)杉木生長階段雖然呈現(xiàn)出波動(dòng)變化，在60 d出現(xiàn)最大值，但隨著杉木的發(fā)育，后期的Fm呈現(xiàn)出平穩(wěn)的趨勢，其它3種光質(zhì)處理下的杉木Fm與初始值相比，皆呈升高趨勢，分別升高113%、122%和118%.在整個(gè)杉木發(fā)育階段中，W處理下的葉綠素?zé)晒釬m與其它不同光質(zhì)處理下的Fm從差異不顯著到最終呈顯著差異(P<0.05)，而且4種光質(zhì)處理下的杉木Fm在60～90 d的生長階段中均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢，但是在90～120 d出現(xiàn)上升現(xiàn)象.

不同大寫字母表示同一處理不同生長發(fā)育天數(shù)間差異顯著(P<0.05); 不同小寫字母表示同一生長發(fā)育時(shí)間內(nèi)不同處理間差異顯著(P<0.05).圖1 不同光質(zhì)處理下杉木幼苗新葉發(fā)育過程中葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fm的變化Fig.1 Changes of chlorophyll fluorescence parameter Fm during new leaf development of Chinese fir seedlings under different light quality treatments

以光質(zhì)為固定變量，研究杉木生長發(fā)育的時(shí)間對葉綠素?zé)晒釬m的影響，4種光質(zhì)處理下的杉木幼苗新葉的Fm都呈現(xiàn)出不同程度上的波動(dòng)變化，其中，以R處理的變動(dòng)幅度最大，雖然B處理下的杉木新葉的Fm總體呈現(xiàn)下降趨勢，但是變動(dòng)幅度最小.除B處理外，其它處理下的杉木新葉Fm均在180 d內(nèi)出現(xiàn)最大值，表明隨著杉木生長發(fā)育時(shí)間的延長，其幼苗新葉的Fm呈現(xiàn)穩(wěn)定的上升趨勢.

2.2 光質(zhì)對杉木幼苗新葉葉綠素?zé)晒釬o變化規(guī)律的影響

Fo為固定熒光、最小熒光，又稱堿性熒光，是光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應(yīng)中心完全開放時(shí)的熒光產(chǎn)額，與葉片葉綠素濃度有關(guān)[9-10].在杉木生長發(fā)育的整個(gè)階段，幼苗新葉Fo總體呈現(xiàn)上升態(tài)勢(圖2)，4種光質(zhì)處理下的杉木幼苗Fo均呈上升趨勢.其中，除B處理外，各處理下的杉木Fo最大值均出現(xiàn)在180 d，表明杉木幼苗Fo隨著杉木的生長發(fā)育而升高.在初始周期中，4種光質(zhì)處理下的杉木幼苗的Fo的差異性并不顯著(P>0.05)，而在生長發(fā)育后期，4種光質(zhì)處理下Fo增長速率的大小表現(xiàn)為R∶B(159%)>R(144%)>W(137%)>B(106%)，四者差異達(dá)到顯著水平(P<0.05).

不同大寫字母表示同一處理不同生長發(fā)育天數(shù)間差異顯著(P<0.05); 不同小寫字母表示同一生長發(fā)育時(shí)間內(nèi)不同處理間差異顯著(P<0.05).圖2 不同光質(zhì)處理下杉木幼苗新葉Fo的變化Fig.2 Changes of chlorophyll fluorescence parameter Fo during new leaf development of Chinese fir seedlings under different light quality treatments

以光質(zhì)為固定變量，4種處理下的杉木幼苗Fo均呈現(xiàn)“升高—降低—升高”的趨勢，盡管4種處理的升高幅度不一致，但是相較于研究初期均有一定的增長趨勢.其中，混合光質(zhì)增長速度高于其它3種單色光質(zhì)處理，說明混合光質(zhì)處理對于杉木幼苗新葉Fo的影響較大.而且，在杉木發(fā)育的中后期，F(xiàn)o在混合光質(zhì)下呈現(xiàn)較快的增長趨勢，后期與其它光質(zhì)處理的差異顯著(P<0.05).B處理在整個(gè)杉木發(fā)育過程中Fo的增長趨勢不顯著，與其它光質(zhì)處理相比，增長幅度較小.混合光質(zhì)與單一光質(zhì)處理下的杉木幼苗Fo比值從最初的94%～103%到后期的114%～140%,隨著杉木幼苗的生長，F(xiàn)o的差異顯著增大.

2.3 光質(zhì)對杉木幼苗新葉葉綠素?zé)晒釬v變化規(guī)律的影響

Fv是Fm與Fo的差值，反映PSⅡ最初的受體QA的氧化還原反應(yīng)狀況[11].參數(shù)值過低，則對PSⅡ原始電子受體的還原會(huì)造成不同程度的抑制作用，葉片的光合系統(tǒng)中心發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的“域”由Fv反映.Fv還反映PSⅡ原初電子受體QA的還原情況[12].

在杉木整個(gè)發(fā)育階段，4種處理下的Fv呈現(xiàn)出波動(dòng)變化(圖3)，除B處理外，其它光質(zhì)處理下的杉木幼苗的Fv呈現(xiàn)出升高趨勢，而B處理下杉木生長周期雖然出現(xiàn)波動(dòng)變化，但是從杉木生長60 d開始出現(xiàn)降低趨勢.Fv升高幅度最大的是W處理和R處理.在杉木生長后期，W、R處理的Fv出現(xiàn)最大值，而在杉木生長前期，B、R∶B處理的Fv達(dá)到最大值.

不同大寫字母表示同一處理不同生長發(fā)育天數(shù)間差異顯著(P<0.05); 不同小寫字母表示同一生長發(fā)育時(shí)間內(nèi)不同處理間差異顯著(P<0.05).圖3 不同光質(zhì)處理下杉木幼苗新葉Fv的變化Fig.3 Changes of chlorophyll fluorescence parameter Fv during new leaf development of Chinese fir seedlings under different light quality treatments

將杉木生長周期作為研究變量，W、B處理下的杉木幼苗Fv呈現(xiàn)出“升高—降低—升高—降低—升高”的變化，而R、R∶B處理則出現(xiàn)“升高—降低—升高”的變化.在30 d時(shí)，4種光質(zhì)處理下的杉木Fv差異性不顯著(P>0.05)，到杉木發(fā)育到180 d時(shí)，4種光質(zhì)處理下的杉木Fv差異顯著(P<0.05).

2.4 光質(zhì)對杉木幼苗新葉葉綠素?zé)晒釬v/Fm變化規(guī)律的影響

Fv/Fm是衡量光抑制程度的重要參數(shù)，反映PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率的高低，參數(shù)值越小，植物受到的光抑制越大[13].Fv/Fm是指PSⅡ最大原初光化學(xué)量子效率，是光化學(xué)反應(yīng)的重要參數(shù)，反映光化學(xué)效率，常常用來衡量PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率[14].

4種光質(zhì)處理下的杉木幼苗Fv/Fm明顯出現(xiàn)降低趨勢，其中降低幅度最大的是混合光，不同光質(zhì)下同一生長周期的杉木幼苗Fv/Fm和同一光質(zhì)不同生長周期的Fv/Fm呈現(xiàn)出不同規(guī)律.同種光質(zhì)條件時(shí)，在杉木幼苗生長發(fā)育的前中期，W處理的Fv/Fm差異不顯著(P>0.05)，而發(fā)育后期的Fv/Fm差異顯著(P<0.05).在總體的生長發(fā)育階段，R、B、R∶B處理的Fv/Fm也呈現(xiàn)降低趨勢，但是在90～120 d和30～60 d表現(xiàn)出升高，表明隨著杉木生長發(fā)育時(shí)間的延長，其Fv/Fm會(huì)呈現(xiàn)出降低趨勢.而觀察整個(gè)杉木發(fā)育時(shí)間，4種處理的規(guī)律表現(xiàn)為“W>R>B>R∶B”,在整個(gè)杉木生長階段，混合光質(zhì)處理的Fv/Fm均低于單色光處理(表1).

表1 不同光質(zhì)處理下杉木幼苗新葉發(fā)育過程中Fv/Fm的變化1)Table 1 Changes of Fv/Fm in the development of new leaves of Chinese fir seedings under different light quality

2.5 光質(zhì)對杉木幼苗新葉葉綠素?zé)晒釬v/Fo變化規(guī)律的影響

與杉木幼苗的Fv/Fm趨勢一致，杉木幼苗Fv/Fo呈顯著降低趨勢，其中降低幅度最大的是混合光，不同光質(zhì)下同一生長周期的杉木幼苗Fv/Fo和同一光質(zhì)不同生長周期的Fv/Fo呈現(xiàn)出不同規(guī)律.以同種光質(zhì)來觀察，在杉木幼苗生長發(fā)育階段的前中期，W處理的Fv/Fm差異不顯著(P>0.05)，而發(fā)育后期的杉木幼苗Fv/Fo差異顯著(P<0.05).在杉木整個(gè)生長發(fā)育時(shí)段，R、B、R∶B處理的Fv/Fo也出現(xiàn)顯著性差異(P<0.05)，隨著杉木生長發(fā)育時(shí)間延長，其Fv/Fo呈降低趨勢，雖然在30～60 d時(shí)間段，B和R∶B處理的Fv/Fo升高，但是總體呈降低趨勢(表2).觀察杉木整個(gè)生長發(fā)育階段，4種處理的規(guī)律表現(xiàn)為“W>R>B>R∶B”，混合光質(zhì)處理的Fv/Fm均低于單色光處理.

表2 不同光質(zhì)處理下杉木幼苗新葉發(fā)育過程中Fv/Fo變化1)Table 2 Changes of Fv/Fo in the development of new leaves of Chinese fir seedings under different light quality

3 討論與結(jié)論

同一培養(yǎng)時(shí)間，不同光質(zhì)處理對杉木幼苗新葉的Fm影響方面，除B處理外，杉木幼苗生長后期的Fm高于前期的水平，且4種光質(zhì)處理表現(xiàn)呈現(xiàn)出波動(dòng)變化的特點(diǎn). 分析結(jié)果表明：除B處理外，其它光質(zhì)處理下杉木幼苗新葉的Fm表現(xiàn)與初期Fm差異顯著(P<0.05)，杉木幼苗新葉在W處理下的Fm高于其他的光質(zhì)處理，處于較高水平，前期與其它光質(zhì)處理下的Fm差異不顯著(P>0.05)，但后期與其他光質(zhì)之間差異顯著(P<0.05)，而且在杉木幼苗新葉發(fā)育的前90 d中，其Fm基本會(huì)呈現(xiàn)出B>W>R>R∶B的規(guī)律.在杉木幼苗新葉的Fo方面，B處理下的新葉Fo平緩升高，而其它光質(zhì)處理下的Fo升高幅度較大，杉木幼苗發(fā)育到中后期，R∶B的Fo顯著高于其它處理下(P<0.05). 在杉木幼苗發(fā)育的前期，單色光處理的Fo高于混合光處理，但是差異不顯著(P>0.05)，而在杉木幼苗發(fā)育后期，混合光質(zhì)處理的Fo顯著升高.該結(jié)果與游云飛[15]的結(jié)果不同，該文認(rèn)為W處理下，幼苗新葉的Fo、Fm都呈現(xiàn)出較高的水平，可能是由于光質(zhì)的波長不一致，此文的光質(zhì)波長為R(400～500 nm)、B(600～700 nm).

總體來看，W處理下的Fv均會(huì)呈現(xiàn)出較高水平，在杉木發(fā)育的前期，與同一生長階段的其它光質(zhì)相比差異不顯著(P>0.05)，發(fā)展到后期階段時(shí)，無論與同一光質(zhì)處理下的初期Fv還是與同一生長階段的其它Fv相比，差異均顯著(P<0.05)，此結(jié)果與徐圓圓[16]的結(jié)果不一致，該文證明了單色光與混合光處理下的Fo和Fv等葉綠素?zé)晒鈪?shù)無顯著差異(P>0.05)，造成兩種結(jié)果不一致的原因可能是因?yàn)楣赓|(zhì)處理不一致.

從杉木幼苗發(fā)育的整個(gè)階段來看，不同光質(zhì)處理下的Fv/Fm都呈現(xiàn)出降低趨勢，但是4種光質(zhì)處理下的Fv/Fm降低比例不同.同一生長階段，F(xiàn)v/Fm大致呈現(xiàn)出W>R>B>R∶B的規(guī)律，無論是同一生長階段不同光質(zhì)處理下的Fv/Fm，還是同一光質(zhì)處理下的不同生長階段的Fv/Fm相比，W處理都呈現(xiàn)出較高水平，而且單色光處理的Fv/Fm均高于混合光處理，表明混合光質(zhì)下，植物受到的光抑制比單色光質(zhì)下更大.此結(jié)果與姜曉君等[17]的結(jié)果不一致，該文認(rèn)為混合光值下的Fv/Fm和Fv/Fo都比其它單色光質(zhì)下的高，原因有可能是由于杉木是裸子植物，而黃瓜屬于被子植物，馬建偉等[18]對比了17種植物葉片葉綠素?zé)晒馓卣鞯弥阕又参锏臒晒庵祬?shù)相較于被子植物的熒光值參數(shù)，整體呈現(xiàn)出較高的水平；杉木幼苗整個(gè)生長階段的Fv/Fo和Fv/Fm的變化趨勢一致，W處理呈現(xiàn)出較高的水平，單色光處理與混合光處理的差異也比較顯著(P<0.05).此結(jié)果與劉青青等[4]研究結(jié)果一致.本試驗(yàn)4種處理下的杉木幼苗新葉Fv/Fm為0.80～0.85，說明這4種處理對杉木幼苗新葉的Fv/Fm影響較小.有研究表明[19]，與紅光、藍(lán)光處理相比，白光處理下的黃瓜幼苗Fv/Fm最高；在白光處理下，烏塌菜的Fv/Fm高于其他光質(zhì)處理[20]，這與本研究結(jié)果相一致.

本研究表明，杉木新葉經(jīng)過不同生長期和光質(zhì)的處理，其Fo、Fm、Fv等均出現(xiàn)差異，說明不同光質(zhì)與生長周期對于杉木幼苗新葉生長產(chǎn)生比較顯著的影響.杉木幼苗新葉的Fv/Fo在不同處理之間也存在顯著差異，這說明不同光質(zhì)配比對杉木新葉的生長發(fā)育起到了一定的調(diào)控作用，但在杉木幼苗新葉的Fv/Fm方面差異不顯著，說明光質(zhì)對杉木幼苗新葉光合反應(yīng)中心Ⅱ的原初光能轉(zhuǎn)化效率和潛在活性的影響較小.