遮陰對紫珠幼苗光合生理及生長的影響

文海軍，劉楊，李承承，彭均偉

（1 重慶市石柱土家族自治縣林業(yè)局 409199；2 重慶市林業(yè)科學(xué)研究院，重慶沙坪壩 400036；3 重慶森豐林業(yè)科技發(fā)展有限責(zé)任公司 404100）

光影響葉綠素的合成，氣孔是植物生長所必需的環(huán)境因子，光照強(qiáng)弱將直接影響植物的生長、發(fā)育及分布[1]。通常來說，陽生性植物在蔭蔽環(huán)境中會表現(xiàn)出光照不足引起的葉綠素合成減少、光合作用減弱、生長減緩等現(xiàn)象[2]。耐陰性植物在強(qiáng)光下也會表現(xiàn)出諸如光合作用受阻、生物量積累減少等一系列不適應(yīng)特征[3]。自然界不同環(huán)境中的光照強(qiáng)度各不相同，為更好適應(yīng)生長環(huán)境，植物會根據(jù)光照強(qiáng)度的變化調(diào)整自身外部形態(tài)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部生理響應(yīng)[4]。然而不同植物對不同光照強(qiáng)度的適應(yīng)能力差異較大，弄清物種對光強(qiáng)的需求，了解其光適應(yīng)范圍，是植物物種人工栽植和應(yīng)用的前提條件。

紫珠（Callicarpa bodinieri Levl.）為唇形科（Labiatae）紫珠屬（Callicarpa）落葉灌木[5]，全株入藥，能清熱、和血、解毒，含萜類、黃酮、生物堿以及酰胺類等多種化合物，具有祛風(fēng)、除濕、散瘀、解毒等功效，臨床上常用于治療風(fēng)濕關(guān)節(jié)痛、跌打損傷、外傷出血、尿血等疾病[6]，是我國民間習(xí)用的植物藥材資源。此外，紫珠花冠粉紫色，球形果實(shí)聚生葉腋，成熟后呈紫紅色且經(jīng)久不落，繁華艷麗，觀賞性極強(qiáng)，可在園林綠化中用作綠籬或栽植于草坪及道路綠化帶中，也可用于庭院綠化、花境及景區(qū)點(diǎn)綴，還可用作盆栽、果穗瓶插或者制作切花，是良好的景觀樹種資源[7]。紫珠兼具藥用、觀賞等多種功能，具有較高的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，目前正處于集中開發(fā)利用狀態(tài)。

紫珠用途廣泛，市場需求量大，科學(xué)合理的栽培管理措施將有助于其產(chǎn)業(yè)的健康有序發(fā)展。當(dāng)前紫珠的研究相對較少，主要集中在物種鑒別[8]、化學(xué)成分[9]、藥用價(jià)值[10]、栽培繁育[11]、種間雜交[12]、葉綠體基因組[13]等方面，對于其生長的環(huán)境因子需求特征和管理技術(shù)研究等鮮有報(bào)道。本研究根據(jù)前期紫珠野外分布特征調(diào)查，針對其主要集中分布于疏林、林緣或路邊等蔭蔽生境的現(xiàn)實(shí)境況，設(shè)定不同遮陰強(qiáng)度，通過測定紫珠對不同光照強(qiáng)度的生長及光合生理響應(yīng)，以期了解其需光特征，為其栽培生產(chǎn)和景觀應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及地點(diǎn)

本研究所用紫珠均為當(dāng)年生幼苗，2019 年12月在重慶彭水縣采集紫珠成熟果實(shí)帶回重慶市林業(yè)科學(xué)研究院自然干燥保存，2020 年3月將果實(shí)放置于粗砂中磨碎過篩，獲得純凈種子。之后將種子播種于溫室大鵬內(nèi)多個(gè)長×寬×高=45cm×45cm×10cm 的育苗穴盤，育苗基質(zhì)為園土∶草炭土=1∶1 的混合物。播種后約7d 后幼苗萌發(fā)，待幼苗生長到5cm 左右時(shí)將其移栽入內(nèi)徑為12cm、高為10cm 的塑料花盆，每盆1 株幼苗，每盆分別裝入園土與草炭土等體積混合的基質(zhì)，基質(zhì)裝至盆高8cm處，之后開始常規(guī)供水管理。緩苗1 個(gè)月后，選擇健康無病蟲害、長勢大小基本一致的50 株苗木正式開始遮陰處理，此時(shí)平均苗高為7.94±0.08cm，平均地徑為1.01±0.02mm。

1.2 試驗(yàn)方法

基于前期野外調(diào)查統(tǒng)計(jì)得到的生境遮光強(qiáng)度數(shù)據(jù)，采用黑色遮陽網(wǎng)進(jìn)行為期1 年的遮陰試驗(yàn)，設(shè)計(jì)4種遮陰處理，分別為遮光率為30%（LS，遮光率采用深達(dá)威SW-582 型數(shù)字光照度計(jì)進(jìn)行多次測量的平均值）、遮光率為55%（MS）、遮光率為75%（HS）、遮光率為90%（SS），以全光照組作為對照（CK）。2020 年7月中旬將50 株紫珠幼苗隨機(jī)分為5 組（每組10 株），分別放入5 種光環(huán)境下進(jìn)行處理，處理期間各組除遮陰強(qiáng)度不同外，其余條件均一致?；ㄅ柚g留有空隙，以免植株之間葉片相互影響，處理組之間也留出空隙，以免遮陽網(wǎng)之間相互遮陰。遮陰處理1 年后（2021 年7月25 日）測定株高、地徑、比葉面積、光合色素含量、氣體交換參數(shù)、光響應(yīng)曲線及各部分生物量。

1.3 項(xiàng)目測定

1.3.1 光合參數(shù)測定。采用LI-6400 便攜式光合分析儀測定植株光合參數(shù)。選取紫珠上部無病蟲害的功能葉片，將其置入紅藍(lán)光源標(biāo)準(zhǔn)葉室中，設(shè)定光強(qiáng)為1000μmol/m2·s，CO2濃度為大氣背景值，測定指標(biāo)包括凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率。

1.3.2 生長測定。采用卷尺從植株基部測量株高；采用得力數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量地徑。將每株植物上部的功能葉取2片，用葉面積掃描儀測量葉面積，然后將其分別裝入信封，在80℃烘箱中烘干至重量不再變化。之后用電子天平稱量各部分的重量并記錄。單葉的比葉面積為單葉面積與單葉重量之比。

1.3.3 生物量測定。生物量取樣時(shí)，將盆放入水龍頭下，用自來水緩慢將土壤沖洗干凈。然后用枝剪將植株分為地下根部和地上部分，并摘下植株的葉片，分別將這3 部分裝入大信封，在80℃烘箱中烘干至重量不再變化。之后用電子天平稱量各部分的重量并記錄?？偵锪繛楦锪俊⑶o生物量、葉生物量之和。

1.3.4 光合色素測定。取用于光合測定的功能葉，參考高俊鳳[14]的方法提取色素，用分光光度計(jì)測定提取液在波長663、645、470nm 處的吸光值，并計(jì)算含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用IBM SPSS Statistics 22.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析，用單因素方差分析揭示不同強(qiáng)度遮陰處理對紫珠生長及光合生理的影響，顯著性水平為0.05。采用Origin 8.5 軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 遮陰下紫珠氣體交換參數(shù)的變化

不同遮陰處理下，紫珠的凈光合速率呈先升后降趨勢（表1）。處理1 年后，SS 組植物死亡，LS 的凈光合速率最高，但與CK、MS 之間差異不顯著，而HS最低，分別較CK、LS、MS 顯著降低了75.27%、78.48%、72.91%。氣孔導(dǎo)度變化與凈光合速率類似，LS 和MS 的氣孔導(dǎo)度顯著高于CK，但HS 與CK 之間無顯著性差異。胞間CO2濃度變化與前兩者不同，呈逐漸增高趨勢。LS、MS、HS 的胞間CO2濃度顯著高于CK，且HS 顯著高于LS。蒸騰速率也表現(xiàn)為先升后降變化，LS、MS 的蒸騰速率較CK 顯著增高了107.30%、110.74%，而HS 與CK 之間無顯著性差異。以上結(jié)果說明紫珠在LS 和MS 條件下的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均較高，光合未受明顯影響。在HS 條件下氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均減小，而胞間CO2濃度顯著升高，導(dǎo)致光合顯著降低。

表1 不同遮陰處理下紫珠葉片氣體交換參數(shù)

2.2 遮陰下紫珠光合色素含量的變化

由表2 可知，紫珠的色素含量受到了不同遮陰處理的顯著影響。葉綠素a 含量呈逐漸升高趨勢，HS 顯著高于MS，MS 顯著高于CK 和LS，后二者差異不顯著。葉綠素b 含量的變化與葉綠素a 相似，其含量隨遮陰強(qiáng)度增加而顯著增大，大小順序?yàn)镠S＞MS＞LS＞CK，LS、MS、HS 分別較CK 增加了29.93%、68.16%、99.16%?？?cè)~綠素含量也隨遮陰強(qiáng)度增加而顯著增大，LS、MS、HS 分別較CK 增加了17.90%、49.99%、74.59%。類胡蘿卜素含量變化與葉綠素a 類似，HS 顯著高于MS，MS 顯著高于CK 和LS，但后二者差異不顯著。處理期間葉綠素a/b 則隨著處理強(qiáng)度增大而逐漸降低。CK 顯著高于其余3組，而3 組間差異不顯著。類胡蘿卜素/總?cè)~綠素變化與葉綠素a/b 類似，CK 顯著高于LS、MS 和HS，而3 組間差異不顯著。以上結(jié)果表明，紫珠遮陰處理后葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素、類胡蘿卜素均有所增加，而葉綠素a/b、類胡蘿卜素/總?cè)~綠素則有所降低。

表2 不同遮陰處理下紫珠的光合色素含量

2.3 遮陰下紫珠生長的變化

由表3 可知，遮陰處理對紫珠的生長也產(chǎn)生了顯著影響。LS 和MS 的株高最高，分別較CK 顯著增加了32.04%和42.43%。HS 的株高最矮，分別較CK、LS、MS 顯著降低了46.78%、59.69%、62.63%。處理結(jié)束時(shí)LS 的地徑最大，但與CK 差異不顯著，HS 的地徑最小，分別較CK、LS、MS 顯著降低了52.65%、55.03%、37.96%。紫珠的高徑比隨處理強(qiáng)度增大先升高后降低，HS 的高徑比最大，較CK、LS、MS 分別顯著增高了92.40%、51.01%、69.35%，而后3 組之間差異不顯著。遮陰對紫珠的比葉面積也有顯著影響。LS、MS、HS 分別較CK 顯著增加了1.61、2.82、4.28 倍。紫珠葉片數(shù)量變化則與前者不同，呈逐漸減小趨勢。以上結(jié)果表明，輕度遮陰能夠促進(jìn)莖的伸長，地徑增粗，增大比葉面積；紫珠幼苗能夠耐受一定程度的遮陰處理，但長期高強(qiáng)度遮陰會導(dǎo)致植株死亡。紫珠在LS 和MS 條件下生長最好，HS 條件下雖能成活，但其生長受到抑制。

表3 不同遮陰處理下紫珠的生長情況

2.4 遮陰下紫珠生物量的變化

由表4 可知，遮陰顯著影響了紫珠的生物量積累。處理結(jié)束時(shí)，植株的根生物量、葉生物量、總生物量、根冠比均隨處理強(qiáng)度的增加而逐漸降低。根生物量的差異顯著性順序?yàn)镃K＞LS＞MS＞HS，LS、MS、HS 較CK分別顯著降低了25.55%、66.67%、96.57%。CK、LS、MS的莖生物量之間差異不顯著，而HS 顯著低于前3組，分別降低了89.33%、91.92%、89.94%。LS 的葉生物量與CK 無顯著性差異，MS 和HS 顯著低于CK、LS，分別較CK、LS 降低了47.84%、37.01%和90.67%、88.73%?？偵锪恐蠧K 與LS 之間差異不顯著，MS 和HS 顯著低于CK 和LS，且HS 也顯著低于MS，MS 較CK 和LS降低了37.33%和34.70%，HS 較CK、LS、MS 分別降低了92.58%、92.27%、88.16%。根冠比中LS、MS 和HS 均顯著低于CK，且MS 和HS 也顯著低于LS，MS 和HS之間差異不顯著。

表4 不同遮陰處理下紫珠的生長情況

3 討論與結(jié)論

強(qiáng)光和弱光均對植物的生長生理不利，強(qiáng)光導(dǎo)致光氧化，損傷光合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，造成光合作用降低[15]；弱光則因光強(qiáng)不足而使Rubisco 蛋白酶數(shù)量及活性、電子傳遞效率均出現(xiàn)下降，進(jìn)而積累磷酸丙糖，導(dǎo)致碳同化效率降低，形成碳饑餓[16]。二者均會影響植物的正常生長。在本研究中，紫珠在30%遮光（LS）下凈光合速率最高，而在75%遮光（HS）下其凈光合速率顯著降低，在90%遮光（SS）下植物甚至出現(xiàn)了死亡，這說明適度遮陰有利于紫珠提高其光合效率，過度遮陰對植物生長不利。在全光照（CK）下紫珠氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均降低，其凈光合速率降低的原因主要為氣孔限制。在全光照下的氣孔導(dǎo)度也小于輕度遮陰處理[17]，這主要是因?yàn)閺?qiáng)光通常伴隨高溫，溫度高水分蒸發(fā)快，植物為了防止水分過度蒸發(fā)而導(dǎo)致體內(nèi)缺水而適度關(guān)閉氣孔，減小蒸騰作用。此外，植物氣孔的開度與其體內(nèi)ABA 含量呈負(fù)相關(guān)[18]，強(qiáng)光可促使植物合成更多的ABA，導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度顯著減小。這也反映出適度遮陰可防止強(qiáng)光導(dǎo)致的氣孔關(guān)閉，增加蒸騰速率。在LS 和MS 下紫珠的凈光合速率與對照差異不顯著，這與遮陰處理能夠增大氣孔導(dǎo)度，減小植株葉片的水分虧缺，幫助植物吸收水及礦質(zhì)元素，增大蒸騰速率，從而促進(jìn)光合作用有關(guān)[18-19]。紫珠HS 組氣孔導(dǎo)度降低，胞間CO2濃度升高，氣孔限制值降低（0.133，P＜0.05），其凈光合速率降低是受到非氣孔因素的影響，表現(xiàn)為水分利用效率降低，水分虧缺增大。這與香果樹[20]在重度遮陰下的表現(xiàn)一致，光合的降低是葉肉細(xì)胞的羧化能力降低所導(dǎo)致[21]。

葉綠素a、b 含量的多少決定了植物捕獲、傳遞光能力的強(qiáng)弱[19]，類胡蘿卜素則具有一定的抗氧化能力[22]，這些均能夠影響植物在不利環(huán)境中的光合能力。研究顯示，遮陰后植物處于以藍(lán)紫光為主的漫射光環(huán)境，而葉綠素b 能夠更多地吸收藍(lán)紫光。因此，大部分植物遮陰后其葉綠素b 含量和類胡蘿卜素含量均會升高[19]，以此來增強(qiáng)光捕獲能力及熱耗散能力，從而增強(qiáng)光合效率。在本研究中，紫珠的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素隨遮陰增強(qiáng)而逐漸增加，高強(qiáng)度遮陰下更是顯著上升，而葉綠素a/b、類胡蘿卜素/總?cè)~綠素則顯著下降，表明在遮陰環(huán)境中紫珠增加葉綠素特別是葉綠素b 的含量來提高光能捕獲能力，同時(shí)增加類胡蘿卜素的含量來猝滅過剩光能，使植物免受光破壞[23]。梅葉冬青[24]在遮陰下也有相同的變化。遮陰下，紫珠的葉片葉色較全光照植株綠，類胡蘿卜素/總?cè)~綠素（黃綠比）也逐漸降低，而葉綠素含量均有所升高，這主要是遮陰抑制了葉片中控制脫鎂葉綠素酶合成基因CsPPH 的表達(dá)，葉綠素得以保存，而光照則促進(jìn)該基因的表達(dá)，引起葉綠素降解[25]。

不適宜的光照強(qiáng)度會導(dǎo)致植物光合能力和生長受到抑制[26]，這要求植物必須能夠調(diào)節(jié)生長和代謝，以便適應(yīng)不同的生境。在本研究中，紫珠的株高在LS 和MS 組最大，地徑則相當(dāng)或減小，這與白樺[27]對遮陰的響應(yīng)相似，其生長表現(xiàn)出一定的耐蔭性。高徑比的大小表現(xiàn)出植物體生長發(fā)育的狀況，直接反映植物體利用光照的程度、植物生長的潛力。紫珠遮陰下高徑比呈先增加后降低的趨勢，在MS 值最大，結(jié)合其生物量顯著降低來看，此時(shí)的植株長得較纖細(xì)，生長不平衡，抗性差。LS 組的高徑比與對照差異不顯著，其株高和地徑均增加，生長處于平衡狀態(tài)。HS 則因光照嚴(yán)重不足，生長受到了顯著抑制。紫珠的比葉面積隨遮陰增強(qiáng)而顯著增大，同時(shí)觀察到葉片明顯變薄，其原因是弱光下葉片的柵欄組織變薄[29]。較高的比葉面積可幫助弱光下的紫珠獲取更多光能，有利于其存活。遮陰下紫珠的生物量積累也受到明顯抑制，表現(xiàn)為隨遮光增強(qiáng)而逐漸降低。雖然LS 的凈光合速率較高，但遮陰后其葉片高光合表明其具有高Rubisco 活化酶活性，這需要消耗大量能量來維持，導(dǎo)致其生物量積累減少。MS 和HS 的生物量積累減少則主要由于光照不足，導(dǎo)致光合降低，有機(jī)物質(zhì)積累減少。本研究中，紫珠根冠比隨遮陰增強(qiáng)而降低，大部分耐蔭性植物的根冠比遮陰后也顯著降低[24,27]，這是植物為了適應(yīng)弱光環(huán)境而將生物量更多分配給地上部分特別是葉片，以增強(qiáng)獲取光照的能力。

綜上所述，不同遮陰強(qiáng)度對紫珠的光合特性、色素含量、生長生物量積累均產(chǎn)生了顯著影響，總體上，隨著遮陰強(qiáng)度的增加，紫珠的凈光合速率、株高、高徑比、莖生物量均先升高后降低，而光合色素、比葉面積則逐漸增加，葉綠素a/b、類胡蘿卜素/總?cè)~綠素、根生物量、葉生物量、總生物量、根冠比則均呈逐漸降低的趨勢。在輕度遮陰（LS）下，紫珠的凈光合速率最高，葉綠素b 含量顯著升高，莖生物量、葉生物量及總生物量均與對照組差異不顯著，因此，紫珠幼苗在遮陰30%的條件下生長最好。