夏季光溫耦合對白及馴化苗生長發(fā)育及多糖含量影響

黃蘇豫，劉佳微，劉筱，楊麗麗，黃安林，吳明開

1.貴州大學生命科學學院/農業(yè)生物工程研究院/山地植物資源保護與保護種質創(chuàng)新教育部重點實驗室，貴陽 550025；2.貴州省農業(yè)科學院現(xiàn)代中藥材研究所，貴陽 550006； 3.貴州省農業(yè)科學院科技信息研究所，貴陽 550006

在自然條件下由于云層的運動，植物通常會經歷光的突然增加，尤其是設施栽培環(huán)境下，溫室骨架以及植物上部冠層的遮蔭使溫室植物冠層呈現(xiàn)大量且持續(xù)變化的光斑。當光強突然增加時，PSⅡ對光的吸收也會立刻增加［1］，但是電子傳遞系統(tǒng)不能及時利用多余的還原能，從而導致光化學系統(tǒng)的抑制［2］。光強的變化通常也伴隨著溫度的變化，波動光和熱脅迫是熱帶和亞熱帶地區(qū)夏季的典型生境，當植物同時受到光強和溫度脅迫時會使線性電子傳遞和環(huán)式電子傳遞受阻，導致非光化學淬滅（non-photo?chemical quenching，NPQ）不能有效耗散過剩光能來保護光合系統(tǒng)，對PSIⅡ造成不可逆損傷［3-4］。目前關于高溫和波動光對植物光合作用的影響研究大多是在受控環(huán)境生長的植物上進行的。

蘭科植物白及（Bletilla striata）是一種瀕危藥用植物，貴州野生白及生長于海拔950～1 600 m、土壤含腐殖質較豐富的林下、草叢、巖石縫中［5］。白及繁殖常利用其種子進行組織培養(yǎng)，因白及組培苗抗逆性差、羸弱，不能直接用于大田栽培，需要移栽到人工大棚中進行適應性鍛煉，培育形成塊莖，塊莖達到一定大小形成分叉才能移栽至大田［6］。但現(xiàn)有研究多集中在基質類型、遮陰度、施肥和病蟲害防治方面［7］，而關于白及組培苗移栽溫室后對環(huán)境適應的影響研究較少。同時，植物在夏季通常會受到波動光和熱脅迫，白及作為一種典型的陰生植物，在生產種植過程中需要采用遮陰栽培，溫度超過35 ℃會對白及的光合作用產生抑制并且對白及PSⅡ系統(tǒng)造成不可逆的影響［8］?；诎准皩姽鈴姾透邷氐拿舾行裕狙芯刻接懴募竟鉁孛{迫對白及生長及生理生化特性的影響，旨在為白及移栽馴化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料及處理

本研究以白及（Bletilla striata）種子培育的組培種苗為研究材料，煉苗后，移栽在泥炭混合基質（V泥炭∶V鋸末∶V蛭石=3∶1∶1）的育苗穴盤中，在相對濕度為60%～70%的大棚中生長，使用遮陽網控制光照，夏季正午最大光強約為1 300 μmol /（m2·s），最高溫度約為38 ℃，栽培過程中不存在水分或營養(yǎng)脅迫。待植株移栽90 d時，將植株轉入人工氣候培養(yǎng)箱進行2 h的溫度（25、30、35、38 ℃）處理。測定葉綠素熒光和光合氣體交換參數(shù)。

1.2 樣品采集與測定

白及移栽30、60、90 d時隨機選取10株白及，測量移栽苗株高、莖寬、葉片長、葉寬、塊莖寬度及厚度、根長，稱根、塊莖、葉鮮質量。在105 ℃烘箱中殺青10 min，于80 ℃烘干至恒質量，稱各部分干質量。烘干后的各部分樣品粉碎，采用硫酸-苯酚比色法測定多糖含量。

1.3 氣體交換參數(shù)測定

參考Yang等［4］的方法，待測葉片首先在6400-40熒光葉室中強光（1 000 μmol/（m2·s））和不同溫度（25、30、35、38 ℃）處理適應20～30 min，以25 ℃處理為對照，至凈光合速率（Pn）和氣孔導度（Gs）穩(wěn)定后，葉片在弱光［50 μmol /（m2·s），2 min］和強光［1 000 μmol /（m2·s），2 min］之間交替變化，持續(xù)30 min。Li-Cor 6400XT每2 s記錄1次數(shù)據。待測葉片在同樣的處理下適應20～30 min，至Pn和Gs穩(wěn)定后，在弱光（50 μmol/（m2·s））下持續(xù)5 min和10 min，隨后光強再次上升到強光（1 000 μmol /（m2·s））持續(xù)5 min。Li-Cor 6400XT每2 s記錄1次數(shù)據。測定期間，葉室內測量光為Li-Cor 6400XT默認光源，即90%紅光+10%藍光，CO2濃度為400 μmol/mol，空氣流速為500 μmol/s。

測定期間，某時刻的光合誘導狀態(tài)為此時的凈光合速率占最大凈光合速率的百分比［9］，光合誘導狀態(tài)＝（Pn-Pnd）/（Pnf-Pnd）×100，式中，Pn為凈光合速率；Pnd為待測葉片暗適應時穩(wěn)定的凈光合速率；Pnf為25 ℃時，光誘導期結束（即強光強下，適應30 min）時待測葉片達到的最大凈光合速率。

1.4 葉綠素熒光參數(shù)測定

植株首先在暗室中暗適應30 min，隨后將待測葉片在6400-40熒光葉室中暗適應30 min左右，記錄最?。‵o）和最大（Fm）熒光。暗適應結束后將Li-Cor 6400XT葉室內光強瞬時提高到1 000 mmol /（m2·s）并持續(xù)30 min，記錄Fs和Fm'。計算PSⅡ最大量子產量（Fv/Fm）、PSⅡ有效量子產量（ΦPSII）、光化學猝滅系數(shù)（qP）、光下最大光化學效率（Fv'/Fm'）、光保護指標（ΦNPQ）、光損傷指標（ΦNO）、線性電子傳遞速率（ETR）和非光化學淬滅系數(shù)（NPQ）［10］。

1.5 數(shù)據分析

采用單因素ANOVA進行方差分析確定不同處理的差異顯著性，繪圖采用Origin 2022。

2 結果與分析

2.1 光溫耦合對氣體交換參數(shù)的影響

測定結果顯示，白及葉片經連續(xù)強光-弱光-強光轉換，光合誘導狀態(tài)對溫度脅迫展現(xiàn)出不同的響應，高溫脅迫顯著降低了光合誘導狀態(tài)，35和38 ℃處理下的光合誘導狀態(tài)分別為55%～65%和30%～40%，25和30 ℃下的白及植株在經過一系列交替光的轉換后光合誘導狀態(tài)仍高達80%～90%和70%～80%（圖1A）。

交替光轉換下溫度和Gs呈負相關，在25～35 ℃下降明顯，峰值從0.17左右降到0.90左右（圖1B）。白及葉片的胞間二氧化碳濃度和溫度呈正相關（圖1 C），CK和38 ℃相比，Ci上升了7%，并且蒸騰速率和溫度也呈現(xiàn)正相關（圖1D）。溫度的升高致使葉片光合下降，高溫脅迫下各處理在弱光和強光的轉換之間仍然保持相同的變化趨勢。

圖1 白及葉片經連續(xù)強光-弱光-強光轉換下氣體交換參數(shù)對瞬時溫度脅迫的響應Fig.1 Response of gas exchange parameters to transient temperature stress in Bletilla striata leaves under continuous strong-weak-strong light conversion

2.2 溫度對弱光照射持續(xù)時間的影響

在經歷5 min的弱光后，強光來臨時，各個溫度達到穩(wěn)態(tài)的時間t35℃

圖2 葉片經不同時間弱光處理后轉移到強光下其光合速率變化過程對溫度脅迫的響應Fig.2 Response of photosynthetic rate change process of leaves to temperature stress after different time of weak light treatment transferred to strong light

2.3 溫度對葉綠素熒光參數(shù)的影響

由表1可知，38 ℃處理的Fo最高，35 ℃處理次之，均顯著高于25 ℃處理（對照），說明白及葉片在高溫條件下類囊體膜受損嚴重。CK（25 ℃）的Fv/Fm值為0.84，優(yōu)于其他處理；30、35、38 ℃時的Fv/Fm值比對照處理的分別下降了2.4%、6.0%和7.1%，表明高溫對白及光能轉換效率均有不同程度的抑制作用，溫度越高抑制作用越明顯。NPQ隨溫度升高而上升，38 ℃時的NPQ比25 ℃提高了26%。說明白及受到高溫脅迫后，PSⅡ吸收的光能中用于耗散和發(fā)出熒光的能量增多，而用于光化學反應的能量減少。高溫脅迫下ETR下降明顯，38 ℃與CK相比約下降了46.5%。ETR下降說明光合機構受損，電子傳遞過程不能正常有效進行，導致光能轉換效率降低，進而導致光合速率的下降。ΦPSⅡ隨溫度升高呈現(xiàn)出下降的趨勢，與CK相比，30 ℃下被利用的光能并沒有顯著的改變，但是在35和38 ℃下降趨勢明顯，分別下降了27%和45%。光化學猝滅系數(shù)（qP）和光下最大光化學效率（Fv'/Fm'）同樣隨溫度升高顯著降低。

表1 溫度脅迫對白及葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響Table 1 Effects of temperature stress on chlorophyll fluorescence parameters of Bletilla striata leave

2.4 夏季移栽對白及生長指標、生物量和多糖含量的影響

由于白及組培苗抗逆性差、羸弱，不能直接進入大田栽培，需要移栽到人工大棚中進行適應性鍛煉。馴化初期，30 與60 d的株高并沒有表現(xiàn)出差異，但是在莖寬、根數(shù)、根長、塊莖厚上表現(xiàn)出顯著差異（P<0.05），隨著馴化時間的延長，在90 d時，株高、葉片長、塊莖寬和根長表現(xiàn)出顯著差異（表2），但是在90 d時，白及仍未初步形成“馬鞍型”塊莖。

表2 馴化時間對白及移栽苗生長指標的影響Table 2 Effect of domestication time on growth indexes of Bletilla striata seedlings cm

白及移栽苗根冠比呈現(xiàn)先升后降的趨勢，表明在移栽前期以地下部的生長為主，于90 d左右地上部的生長占主要部分。根的生物量占比和莖葉生物量占比均隨馴化時間的延長而提高（圖3 A），但塊莖生物量比呈現(xiàn)相反的趨勢。

白及多糖含量是白及質量指標之一，由圖3可以看出，塊莖的多糖含量隨馴化時間的延長而提高，并且在60 d后顯著增加，多糖含量相比于60 d時增加了51%。而葉片和根的多糖含量受馴化時間的影響較?。▓D3 B）。

圖3 移栽馴化時間對白及幼苗生物（A）和多糖含量（B）的影響Fig.3 Effect of transplanting and accliating time on biomass（A） and polysaccharide content（B） of Bletilla striata seedlings

3 討論

3.1 光溫耦合對氣體交換參數(shù)的影響

凈光合速率下降，胞間CO2濃度或氣孔導度上升，說明凈光合速率的下降是由非氣孔限制因素造成的[11]。在高溫下，光化學反應和碳代謝受到抑制，葉片的水分狀態(tài)和細胞內二氧化碳濃度出現(xiàn)顯著變化，這些變化都導致了光合速率的降低[12-14]。熱脅迫導致的光抑制被認為是由于抑制了RuBP的羧化速率和Rubisco活性[15-16]。葉片由強光轉移到弱光下，再次轉換到強光時，光合速率恢復至強光水平的時間和Rubisco活性有關[17-18]。

在本研究中，35 ℃與CK相比光合速率顯著降低，而在前人的研究中34 ℃短期內對白及的光合速率不會產生太大的影響[8]，原因可能是選用的白及生長期不同以及在波動光下，供給側產生的還原能不能被受體測利用，加重了光抑制現(xiàn)象。白及葉片在強-弱-強光的轉換下，葉片的光合速率受溫度脅迫的影響，并隨著弱光持續(xù)照射時間的增加，凈光合速需要更長的時間來恢復至正常水平。

3.2 溫度對葉綠素熒光參數(shù)的影響

葉綠素熒光參數(shù)是植株響應熱脅迫的重要指標，高溫會使Fo升高，原因是類囊體結構遭到了破壞，因此，F(xiàn)o也被作為植物耐熱性相關的生理特征［19-20］。熱脅迫通過抑制PSⅡ的修復來降低PSⅡ活性從而加深植物的光抑制程度［21-22］。Fv/Fm反映PSⅡ對光能的利用效率，是評判光抑制的重要指標，在脅迫狀態(tài)下會發(fā)生明顯的變化。ΦPSⅡ是PSII反應中心部分關閉時的光能捕獲效率，F(xiàn)v'/Fm'反映開放的PSⅡ反應中心的光能捕獲效率，兩者都能體現(xiàn)PSII反應中心對光能的轉化效率。熒光淬滅是植物體內光合效率調節(jié)的一個重要指標，分為光化學淬滅和非光化學淬滅兩類。光化學淬滅反映光能直接被用于光化學電子傳遞的比例，非光化學淬滅的大小表明植物耗散過剩光能為熱的能力，反映了植物的光保護能力，并且熱耗散對植物光合機構免受破壞起到積極的作用。高溫下，PSⅡ反應中心的失活和類囊體結構的改變，被認為是ETR下降的主要原因。高溫抑制PSⅡ活性，降低其穩(wěn)定性，進而抑制光合作用。

本研究探討了夏季光溫耦合對白及馴化苗生長發(fā)育及多糖含量的影響，結果表明：白及移栽苗的生長指標和馴化時間成正比，根冠比在90 d內先升后降，塊莖多糖含量90 d較60 d增加了51%，夏季波動光和高溫對白及生長發(fā)育產生嚴重危害。因此，在夏季應該加強對白及馴化苗的水肥管理，從而減輕高溫和波動光帶來的傷害。