不同生境下刺五加的光合及生理特性

張 茜，余注光，郭品湘，楊秀玲，李 琳，王凌暉

（1.廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西南寧 530004；2.南寧樹木園，廣西南寧 530031）

刺五加（Eleutherococcus senticosus）為五加科（Araliaceae）五加屬落葉灌木，主要分布于我國黑龍江、遼寧、吉林和山西等地，是一種可食用的木本蔬菜[1-2]。其葉、莖和果實(shí)可供藥用，具有滋補(bǔ)強(qiáng)壯、益氣健脾和扶正固本的功效[3]。在《中國植物紅皮書》[4]和《北京市重點(diǎn)保護(hù)野生植物名錄》中，刺五加分別被列為國家三級(jí)和二級(jí)保護(hù)植物，有很高的研究價(jià)值。

光環(huán)境是影響植物生長最密切的因子，且隨時(shí)間和空間發(fā)生變化；光照強(qiáng)度、光照時(shí)間和光譜成分的改變均對(duì)植物有較大影響[5]。光環(huán)境對(duì)植物的直接作用為光合作用，光照強(qiáng)度是決定植物光合作用的最大環(huán)境因素[6]，對(duì)植物生長起著至關(guān)重要的作用。目前，與刺五加相關(guān)的研究主要集中在藥用成分[7]、基因克隆[8]、植物生理[9]和套種栽培[10]等方面。不同生境對(duì)刺五加光合及生理特性影響的研究較少。孟祥才等[11]對(duì)刺五加在全光、林緣和林下生長時(shí)的生理特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明強(qiáng)光照條件不會(huì)對(duì)刺五加造成損害。該研究測定的指標(biāo)較少且未對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析。露天、林下及棚下種植是蔬菜及中草藥植物培育中常見的3種方式。本研究對(duì)刺五加在露天、林下及棚下3 種生境下的光合及生理特性進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)，探討刺五加對(duì)不同光強(qiáng)的響應(yīng)，以期為刺五加栽培及生產(chǎn)與推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與材料

刺五加植株由廣西壯族自治區(qū)南寧市南寧樹木園珍稀樹種花卉苗木繁育中心提供。將1年生刺五加扦插苗分別種植在3種環(huán)境中（露天、林下和棚下），定植3年。露天種植及棚下種植試驗(yàn)地位于繁育中心本部（108°30′E，22°72′N），棚下植株種植于塑料棚下；林下種植試驗(yàn)地為南寧樹木園新塘管理區(qū)林地（108°29′E，22°76′N）小葉欖仁（Terminalia neotaliala）林下；海拔約為180 m。各環(huán)境下刺五加植株均采用赤紅壤進(jìn)行培養(yǎng)，土壤基本化學(xué)性質(zhì)為全氮含量0.679 g/kg、全磷含量0.260 g/kg、全鉀含量4.084 g/kg、有機(jī)質(zhì)含量14.668 g/kg 和pH 值5.5。2019年12月初，對(duì)露天、棚下及林下3 種生境下的刺五加植株進(jìn)行光合指標(biāo)測定，對(duì)刺五加嫩葉進(jìn)行生理指標(biāo)測定。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與指標(biāo)測定

采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)。采用露天（100%光照）、林下（65%光照）及棚下（30%光照）3 種處理。每處理選取長勢一致的健壯植株3 株，重復(fù)3 次。每株選擇3 ～4 片成熟功能葉，采用Li-6400XT 便攜式光合作用測定儀測定凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）等光合作用指標(biāo)；摘取植株上部嫩葉，測定光和色素（葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素）、可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸和丙二醛（MDA）含量等生理指標(biāo)。

采用乙醇提取法提取光合色素并測定含量，采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量，采用考馬斯亮藍(lán)G-250 染色法測定可溶性蛋白含量，采用酸性茚三酮法測定游離脯氨酸含量，采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛含量[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0軟件對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Excel 2016 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并制作圖表。采用單因素方差分析及Duncan 多重比較法進(jìn)行不同生境下刺五加植株光合和生理指標(biāo)間的差異性分析。采用Pearson 相關(guān)性分析對(duì)各指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行探究。采用隸屬函數(shù)分析不同生境下刺五加植株光合及生理指標(biāo)的隸屬度均值。

Uxi=（xi-xmin）/（xmax-xmin）[13]

式中，Uxi為隸屬度均值；xi為某指標(biāo)平均值；xmax和xmin分別為該指標(biāo)測定值中的最大值和最小值。負(fù)相關(guān)指標(biāo)隸屬度經(jīng)正向化處理后計(jì)算或用1-Uxi表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生境對(duì)刺五加植株光合特性的影響

不同生境下，刺五加植株的各光合指標(biāo)均差異極顯著（P＜0.01）（表1）。隨光照強(qiáng)度增加，Pn、Gs和Tr均逐漸增加；露天種植時(shí)最大，分別為15.98 μmol·m-2·s-1、0.47 mmol·m-2·s-1和6.15 mmol·m-2·s-1；棚下種植時(shí)最小，分別為7.41 μmol·m-2·s-1、0.33 mmol·m-2·s-1和3.79 mmol·m-2·s-1。 隨光照強(qiáng) 度 增加，Ci逐漸降低，露天種植時(shí)最小（295.24 μmol/mol），棚下種植時(shí)最大（334.58 μmol/mol）。

表1 不同生境下刺五加植株光合特性Tab.1 Photosynthetic characteristics of E.senticosus plants in different habitats

2.2 不同生境對(duì)刺五加植株光合色素含量的影響

不同生境下，刺五加植株的各光合色素含量均差異極顯著（P＜0.01）（表2）。隨光照強(qiáng)度增加，各光合色素含量均呈先增后減的趨勢。林下種植時(shí)，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b 及類胡蘿卜素含量均最高，分別為5.75、2.99、8.74 和1.25 mg/g；棚下種植時(shí)次之；露天種植時(shí)最低。葉綠素a/b 表現(xiàn)為露天種植＞棚下種植＞林下種植。

表2 不同生境下刺五加植株光合色素含量Tab.2 Photosynthetic pigment contents of E.senticosus plants in different habitats

2.3 不同生境對(duì)刺五加植株生理指標(biāo)的影響

2.3.1 可溶性糖含量

隨光照強(qiáng)度增加，刺五加植株的可溶性糖含量呈先增后減的趨勢；林下種植時(shí)最高（2.07 mg/g），露天種植時(shí)次之（2.00 mg/g），兩者均極顯著高于棚下種植（1.36 mg/g）（P＜0.01），兩者間差異不顯著（圖1）。

圖1 不同生境下刺五加植株可溶性糖含量Fig.1 Soluble sugar contents of E.senticosus plants in different habitats

2.3.2 可溶蛋白含量

隨光照強(qiáng)度增加，刺五加植株的可溶性蛋白含量逐漸增加；露天種植時(shí)最高（34.53 mg/g），林下種植時(shí)次之（25.50 mg/g），棚下種植時(shí)最低（21.45 mg/g），3者間均差異極顯著（P＜0.01）（圖2）。

圖2 不同生境下刺五加植株可溶性蛋白含量Fig.2 Soluble protein contents of E.senticosus plants in different habitats

2.3.3 游離脯氨酸含量

隨光照強(qiáng)度增加，刺五加植株的游離脯氨酸含量呈先增后減的趨勢；林下種植時(shí)最高（103.06 μg/g），與其他處理差異極顯著（P＜0.01）；露天種植時(shí)次之（81.33 μg/g），棚下種植時(shí)最低（76.71 μg/g），兩者間差異不顯著（圖3）。

圖3 不同生境下刺五加植株游離脯氨酸含量Fig.3 Free proline contents of E.senticosus plants in different habitats

2.3.4 MDA含量

隨光照強(qiáng)度增加，刺五加植株的MDA含量呈先增后減的趨勢；林下種植時(shí)最高（3.97 μmol/g），與其他處理差異極顯著（P＜0.01）；露天種植時(shí)次之（3.23 μmol/g），棚下種植時(shí)最低（2.76 μmol/g），兩者間差異顯著（P＜0.05）（圖4）。

圖4 不同生境下刺五加植株MDA含量Fig.4 MDA contents of E.senticosus plants in different habitats

2.4 不同生境對(duì)刺五加植株光合及生理特性的綜合影響

2.4.1 光合及生理指標(biāo)相關(guān)性分析

各生理指標(biāo)間的相關(guān)性均不顯著（表3）。Pn與Ci呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；葉綠素a 含量與葉綠素b 和葉綠素a + b 含量均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；葉綠素b含量與葉綠素a+b含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。

表3 各指標(biāo)相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of all indexes

2.4.2 光合及生理指標(biāo)隸屬度分析

不同生境的隸屬度均值表現(xiàn)為林下種植＞露天種植＞棚下種植，說明刺五加植株在林下種植時(shí)生長狀況最好，露天種植次之，棚下種植時(shí)欠佳（表4）。

表4 各指標(biāo)隸屬度分析Tab.4 Membership analysis of all indexes

續(xù)表4 Continued

3 討論與結(jié)論

光照在植物生長調(diào)控過程中非常重要，在調(diào)節(jié)植物光合作用及生長等方面起到重要作用[14]。本研究對(duì)刺五加植株的各光合及生理指標(biāo)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)刺五加植株的Pn、Gs及Tr均在露天種植時(shí)最大，且隨著光照強(qiáng)度的增加而增加。表明全光照環(huán)境下刺五加植株的光合作用最好，刺五加植株具有較強(qiáng)的抗強(qiáng)光照能力；弱光條件不利于刺五加植株光合作用的進(jìn)行。耐蔭樹種一般光合能力較低，強(qiáng)光下容易發(fā)生光抑制；喜光樹種光合能力強(qiáng)，能較好地適應(yīng)光環(huán)境的變化[15]。由此可見，刺五加為喜光或陽生植物。刺五加植株的Ci在露天種植條件下最小，可能與隨光照強(qiáng)度降低，喜陽植物的CO2補(bǔ)償點(diǎn)升高有關(guān)[16]。

光合色素包括葉綠素、類胡蘿卜素和藻膽素等；葉綠素含量的增加可提高用于吸收光能的捕光色素蛋白的相對(duì)含量，從而提高光能利用率[17]；類胡蘿卜素有清除活性氧、保護(hù)葉綠素分子等作用[18]。本研究結(jié)果顯示，林下種植時(shí)，刺五加植株的各光合色素含量均最高，棚下種植次之，露天種植最低。說明適宜的光照可促進(jìn)刺五加植株光合色素含量增加，過強(qiáng)的光照則不利于其光合色素的合成。當(dāng)植物葉片處在強(qiáng)光照射下時(shí)，葉綠素形成困難且容易被破壞或降解，植物體難以消耗葉綠素吸收的全部光能，從而產(chǎn)生光抑制，這是露天種植條件下植株葉綠素含量相對(duì)較低的原因之一[19]。葉綠素a/b表現(xiàn)為露天種植＞棚下種植＞林下種植；弱光環(huán)境下，葉綠素a/b 較低的植物在一系列反映下能更好地吸收低光照環(huán)境下的漫射光，有利于植物對(duì)弱光的適應(yīng)[20]。

MDA 含量可反映植物膜脂過氧化程度，其含量變化能體現(xiàn)植物受逆境傷害時(shí)生物膜的損害程度；當(dāng)植物遭受脅迫時(shí)，細(xì)胞內(nèi)會(huì)出現(xiàn)大量的MDA 積累，是一種受到脅迫的信號(hào)[21]。本研究結(jié)果顯示，刺五加植株MDA 含量表現(xiàn)為林下種植＞露天種植＞棚下種植，林下種植植株的MDA 含量最高，與其他兩種處理差異極顯著，說明本試驗(yàn)中林下種植的刺五加植株細(xì)胞膜系統(tǒng)受損。露天和棚下種植時(shí)，刺五加植株的MDA含量差異不顯著，說明在一定范圍內(nèi)，光照強(qiáng)度不是引起刺五加植株MDA含量變化的主要因素，與孟祥才等[11]的研究結(jié)果一致。游離脯氨酸具有一定清除活性氧的能力，可降低細(xì)胞膜的膜脂過氧化水平，防止植株受到活性氧積累帶來的傷害[22]，在逆境中也會(huì)出現(xiàn)大量積累[23]。本研究中，刺五加植株的游離脯氨酸含量變化趨勢與MDA 含量一致，林下種植時(shí)最高，說明林下種植條件下，植株受到了非光照因子的脅迫，為保護(hù)細(xì)胞膜、降低細(xì)胞膜損傷，游離脯氨酸含量隨MDA含量的升高而升高。

可溶性糖與可溶性蛋白是重要的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。本研究中，刺五加植株可溶性糖含量表現(xiàn)為林下種植＞露天種植＞棚下種植，棚下種植植株的可溶性糖含量最低，且與林下和露天種植差異極顯著?？扇苄蕴呛康脑黾涌商岣咧参锛?xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力，增加對(duì)細(xì)胞膜的保護(hù)作用。林下種植時(shí)，刺五加植株的可溶性糖含量最高，原因可能是植株通過增加可溶性糖含量來降低細(xì)胞原生質(zhì)的滲透勢，維持植物體內(nèi)的滲透平衡[24]?？扇苄缘鞍缀勘憩F(xiàn)為露天種植＞林下種植＞棚下種植，且3 者間均差異極顯著。可溶性蛋白含量可反映植物代謝水平；隨光照強(qiáng)度增加，刺五加植株可溶性蛋白含量積累，其葉片滲透能力的調(diào)節(jié)功能和代謝水平增強(qiáng)。光照強(qiáng)度的增加一般伴隨著溫度的增加，王志和等[25]對(duì)大白菜（Brassica rapavar.glabra）的研究與周廣洽等[26]對(duì)稻米的研究均發(fā)現(xiàn)，隨溫度升高，可溶性蛋白含量增加。由此猜測，刺五加植株可溶性蛋白含量的變化可能與光照和溫度呈正相關(guān)有關(guān)。

綜合各項(xiàng)光合和生理指標(biāo)及隸屬度分析結(jié)果，刺五加植株種植在林下時(shí)，其綜合得分最高，植株生長狀況最好。刺五加植株的生長不僅受光照強(qiáng)度的影響，還受土壤、水分和溫度等因素的影響，植物間相互作用、凋落物等因素也在一定程度上改變植物生長環(huán)境，可在后續(xù)研究中進(jìn)一步探討。