光強對白花兜蘭光合特性及干物質(zhì)積累的影響*

秦惠珍,鄒 蓉,韋 霄,柴勝豐,唐鳳鸞**

(1.廣西壯族自治區(qū)中國科學院廣西植物研究所,廣西植物功能物質(zhì)與資源持續(xù)利用重點實驗室,廣西桂林 541006;2.廣西大學林學院,廣西森林生態(tài)與保育重點實驗室,廣西南寧 530004)

光照是森林群落更新、植物存活與生長的關(guān)鍵限制因子,植物對不同光環(huán)境的響應和適應特性是森林群落更新及植物群落演替的重要內(nèi)在驅(qū)動力[1]。一些極小種群野生植物的種群更新與光照密切相關(guān)。如高光強水平(100%光照)和深度遮陰(20%光照)均不利于極小種群野生植物云南藍果樹(Nyssayunnanensis)幼苗的生長及光合作用,適度遮陰(60%光照)最利于其幼苗的個體發(fā)育,而天然生境中日趨干旱的土壤環(huán)境加劇了云南藍果樹幼苗對光照的敏感性,導致其野外天然更新困難[2]。因此,研究極小種群野生植物對光強的需求和適應性尤為重要。

植物可以通過改變生長量、葉片形態(tài)特征、光合色素含量和生物量分配等光合生理特征來響應光強的改變[3,4]。目前,關(guān)于瀕危植物對不同光強的響應特性的研究較多,如適度遮陰可提高珙桐(Davidiainvolucrata)的光合速率,改善其生長狀況[5];極危種毛果木蓮(Manglietiaventii)表現(xiàn)出強光不適應性[6]。許多瀕危植物由于原生境破壞嚴重,種群數(shù)量急劇減少,成為極小種群野生植物。極小種群野生植物往往對生境光照和水熱條件要求嚴格,因此有必要開展極小種群野生植物對不同光強的響應研究。

白花兜蘭(Paphiopedilumemersoniii)是我國特有的蘭科(Orchidaceae)兜蘭屬(Paphiopedilum)植物,具有極高的觀賞價值[7]。白花兜蘭作為栽培種中的優(yōu)良種質(zhì)資源,市場需求量高。目前,白花兜蘭已被列為國家Ⅰ級重點保護植物,世界自然保護聯(lián)盟(International Union for Conservation of Nature,IUCN)評估其為極度瀕危物種,屬典型的極小種群野生植物[8,9]。白花兜蘭在生長過程中遭遇了自然生境破碎、自然繁殖困難導致種群稀少等問題,再造或重建其原生境是保護白花兜蘭的有效措施。綜合前人野外測量結(jié)果,白花兜蘭天然生境林下的光強很低,從種子萌發(fā)至植株成熟大都處于林下蔭蔽環(huán)境。因此根據(jù)野生生境對光強的需求采用仿生技術(shù)栽培白花兜蘭可以有效提高其個體數(shù)量。目前仿生栽培技術(shù)已運用于白及(Bletillastriata)、鐵皮石斛(Dendrobiumofficinale)和霍山石斛(D.huoshanense)[10-12]等蘭科植物的人工栽培中,成為培育蘭科植物的有效技術(shù)手段。盡管研究報道白花兜蘭原生境光強較低,但是不同光強對白花兜蘭生長的影響不得而知。因此,本研究采用盆栽方法模擬不同光強對白花兜蘭植株光合特性和生物量積累的影響,擬為白花兜蘭繁育與栽培奠定生態(tài)學基礎。

1 材料與方法

1.1 材料及預處理

白花兜蘭野生群落多分布在光照較弱的林下[13],本試驗在夏季最大自然光強約為2 500 μmol·m-2·s-1基礎上,通過增加遮陰網(wǎng)設計研究不同自然光強對白花兜蘭光合生理特性和生物量積累的影響,3個不同光強處理分別標記為RI 10、RI 30和RI 50,對應的最大光合有效輻射分別為250、750、1 250 μmol·m-2·s-1。試驗地點位于廣西壯族自治區(qū)桂林市廣西植物研究所,地理坐標為25°11′N,110°12′E,地處低緯度,屬亞熱帶季風氣候,具有明顯的干濕季,夏季雨量充沛;年平均氣溫18.8 ℃,年平均日照1 553.09 h,日照時數(shù)最多月份為7月,平均日照時數(shù)為202.0 h,最少月份為12月,平均日照時數(shù)為28.1 h。試驗材料為3年生白花兜蘭栽培植株,2021年3月下旬將白花兜蘭長勢良好的植株移栽于內(nèi)徑30 cm、深25 cm的塑料花盆中,栽培基質(zhì)為腐殖土∶木屑質(zhì)量比為3∶1的混合土壤。進行光照處理前將所有試驗材料放置于RI 10光強的遮陰棚中緩苗,5月下旬將植株隨機分成4組,每組10盆,移栽至各光強的陰棚中。試驗期間進行常規(guī)的澆水和病蟲害防治。7月下旬進行試驗指標測定。

1.2 測定指標與方法

1.2.1 光合日變化測定方法

2022年8月,于晴天采用Li-6400XT便攜式光合儀(北京力高泰科技有限公司)的透明葉室測量白花兜蘭光合日變化,每個光強處理選擇3株生長良好的植株進行測定,每株植株測定同一部位的3片葉片,測定時間為9:00-17:00,每小時測量1次,測量指標包括凈光合速率(Net photosythetic rate,Pn,μmol·m-2·s-1)、胞間二氧化碳(CO2)濃度(Intercellular carbon dioxide concentration,μmol·mol-1,Ci)、氣孔導度(Stomatal conductance,Gs,cm·s-1)、蒸騰速率(Transpiration rate,Tr,mmol·m-2·s-1)。測量指標均可從Li-6400XT便攜式光合儀中導出,根據(jù)這些指標計算水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE,mmol·mol-1)和氣孔限制值(Limiting value of stomata,Ls)等[14]。WUE、Ls計算公式如下:

WUE=Pn/Tr,

(1)

Ls=1-(Ci/Ca),

(2)

公式(2)中Ci為葉片內(nèi)環(huán)境中的胞間CO2濃度,Ca為空氣中的CO2濃度。

1.2.2 光響應曲線測定方法

光響應曲線采用Li-6400XT便攜式光合儀LED紅藍光源葉室測定,測定時間為9:00-12:00,每個光強處理測定3株,每株選擇3片生長基本一致的健康成熟葉片。光強依次設置為0、20、30、50、100、150、200、400、500、800、1 000、1 200 μmol·m-2·s-1。使用二氧化碳鋼瓶控制二氧化碳濃度為400 μmol·m-2·s-1,測量前將葉片置于800 μmol·m-2·s-1光強下進行誘導[15]。

(3)

公式(3)中,α為初始量子效率,用0-100 μmol·m-2·s-1光強下直線的斜率表示。Pmax為最大凈光合速率或光飽和光合速率,Rd為暗呼吸速率,I為光合有效輻射,θ為非直角雙角線的曲角。光補償點表示凈光合速率為零時的光強,即與X軸交點,光飽和點(Light Saturation Point,LSP)為Pmax對應的光強。光飽和點由直線方程(4)計算[16]。

Pmax=α×LSP-Rd。

(4)

1.2.3 葉綠素測定方法

光合作用測定結(jié)束后,將葉片取下,迅速放入裝有冰塊的保溫箱中,帶回實驗室進行研磨,用80%丙酮提取,使用島津UV-1900i紫外分光光度計(上海元析儀器有限公司)分別在663和645 nm處測定吸光值A,并按以下公式計算葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)和葉綠素總量(Chla+Chlb)。

Chla=12.72A663-2.59A645,

(5)

Chlb=22.88A645-4.673A663,

(6)

Chla+Chlb=120.29A645+8.05A663。

(7)

1.2.4 生物量測定

葉綠素測定完成后,選取每個光強處理下葉片完整的植株各10株,用枝剪在土面接觸處將植株分為地上部分和地下部分,分別用信封在70 ℃烘箱烘干至恒重后,測定地上部分和地下部分干重。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2021進行數(shù)據(jù)篩選與整理;采用SPSS 22.0軟件進行方差分析與Duncan多重比較,并對Pn和其他光合指標進行相關(guān)性分析;采用葉子飄[15]光合計算軟件4.1.1進行光響應曲線擬合;采用Origin 2023b繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 光強對白花兜蘭光合日變化的影響

2.1.2 白花兜蘭葉片Pn日變化特征

不同光強處理下白花兜蘭葉片Pn日變化趨勢基本相似,隨著時間推進Pn均呈現(xiàn)下降趨勢。上午為白花兜蘭光合作用能力較強時間,表現(xiàn)在3個光強處理下白花兜蘭葉片Pn在12:00前具有較大值,但在12:00之后3個光強處理下白花兜蘭Pn均下降到1.00 μmol·m-2·s-1以下(圖1)。測定時間范圍內(nèi)3個光強處理下白花兜蘭Pn日變化并沒有呈現(xiàn)明顯“單峰”或“雙峰”曲線,原因可能是日變化開始測定時間較晚,其峰值可能在9:00及9:00以前。RI 30處理下白花兜蘭葉片Pn日均值最高,其值為1.06 μmol·m-2·s-1,顯著高于RI 10和RI 50 (P<0.05)(表1)。由此可見,在一定光強范圍內(nèi)增加光強可以促進白花兜蘭光合作用。

表1 不同光強下白花兜蘭葉片光合參數(shù)日均值

圖1 不同光強下白花兜蘭葉片Pn日變化

2.1.2 白花兜蘭葉片Gs日變化特征

不同光強處理下白花兜蘭Gs日變化趨勢如圖2所示,RI 10和RI 30處理基本隨時間遞進呈現(xiàn)“下降-上升-下降”趨勢,RI 50處理隨時間遞進呈現(xiàn)下降趨勢。3種光強處理在9:00-11:00對白花兜蘭Gs影響和Pn一致,均隨時間進程呈現(xiàn)下降趨勢;RI 10處理下白花兜蘭Gs在11:00-13:00隨時間變化趨勢與Pn變化趨勢相反。不同光強處理對白花兜蘭葉片Gs日均值影響與Pn日均值不同,RI 30 處理下白花兜蘭Gs日均值大于其他處理,但不同光強處理對白花兜蘭葉片Gs無顯著影響(P>0.05,表1)。

圖2 不同光強下白花兜蘭葉片Gs日變化

2.1.3 白花兜蘭葉片Ci日變化特征

RI 30和RI 50處理對白花兜蘭Ci的影響相似,均隨時間呈現(xiàn)“下降-上升-下降-上升”趨勢,而RI 10處理在9:00-11:00時Ci變化與其他光強處理相反。3個光強處理均在12:00達到最大值,其Ci分別為324.58、302.85和318.77 μmol·mol-1(圖3),此時白花兜蘭葉片氣孔導度減小,進入葉片細胞用于光合作用的二氧化碳濃度較低,導致Ci較高。RI 50處理Ci日均值顯著低于RI 10和RI 30處理(P<0.05,表1)。

圖3 不同光強下白花兜蘭葉片Ci日變化

2.1.4 白花兜蘭葉片Tr日變化特征

不同光強處理下白花兜蘭Tr日變化趨勢不同(圖4),RI 10處理整體上具有較大的蒸騰速率,表現(xiàn)在12:00-14:00Tr值明顯高于其他光強處理。隨著光強的增加,白花兜蘭葉片Tr日均值降低,RI 30處理下白花兜蘭Tr日均值僅為RI 10處理的70.37%,而RI 10處理顯著高于RI 50(P<0.05,表1)。

圖4 不同光強下白花兜蘭葉片Tr日變化

2.1.5 白花兜蘭葉片WUE日變化特征

不同光強處理對白花兜蘭WUE的影響相似,與Pn日變化大致相似,基本上隨時間遞進呈現(xiàn)下降趨勢,WUE均于9:00左右達到最大值,13:00以后均小于1 mmol·mol-1(圖5)。各光強處理下白花兜蘭的WUE日均值大小依次為RI 30>RI 10>RI 50,RI 30處理下WUE顯著高于其他處理(P<0.05,表1)。

圖5 不同光強下白花兜蘭葉片WUE日變化

2.1.6 白花兜蘭Ls日變化特征

不同光強處理對白花兜蘭Ls的影響不同,RI 30和RI 50處理隨時間呈現(xiàn)“上升-下降-上升-下降”趨勢,但出現(xiàn)拐點的時間不完全一致;而RI 10處理隨時間遞進呈現(xiàn)“下降-上升-下降”趨勢(圖6)。中午12:00左右3個光強處理下白花兜蘭葉片Ls均達到一個較低值,13:00之后不同光強處理下白花兜蘭Ls變化趨勢完全不一致。各處理白花兜蘭的Ls日均值大小依次為RI 30>RI 50>RI 10,且RI 30處理Ls日均值顯著高于其他兩個處理(P<0.05,表1)。

圖6 不同光強下白花兜蘭葉Ls日變化

2.2 光強對白花兜蘭光響應曲線的影響

白花兜蘭葉片Pn對不同光強的響應相似(圖7),光強為0-800 μmol·m-2·s-1時,Pn隨著光強的增加而增加,在0-200 μmol·m-2·s-1時增長速率最快,后期緩慢增長,當光強達到800 μmol·m-2·s-1時,白花兜蘭葉片Pn趨于平衡,但RI 50處理出現(xiàn)隨著光強的增加Pn呈下降的趨勢,說明強光下白花兜蘭光合作用出現(xiàn)了光抑制。

圖7 不同光強下白花兜蘭葉片光響應曲線

由表3可知,3種光強處理下白花兜蘭葉片的光響應曲線擬合較好,均達到顯著水平,其R2均在0.95以上。根據(jù)表3中光合計算軟件模擬出的Pmax可看出,RI 30處理的Pmax最大,其值為2.68 μmol·m-2·s-1,顯著高于RI 50和RI 10處理。不同光強處理下模擬的光飽和點(LSP)具有顯著性差異,RI 30處理下LSP最大,為839.29 μmol·m-2·s-1,其次分別為RI 50和RI 10處理,其LSP值分別為RI 30處理的87.64%和65.65%。不同光強處理下模擬的光補償點(LCP)差異顯著,RI 10處理下LCP最大,為14.55 μmol·m-2·s-1,其次分別為RI 30和RI 50處理,其LCP分別為RI 10處理的23.09%和5.63%。暗呼吸速率Rd在RI 10處理最高,其值為0.36 μmol·m-2·s-1。不同光強處理下表觀量子效率(Apparent Quantum Efficiency,AQE)由大至小依次為RI 30、RI 10、RI 50。

表3 不同光強下白花兜蘭葉片光響應曲線模擬參數(shù)

2.3 光強對白花兜蘭葉綠素含量的影響

兩個月試驗結(jié)束時觀察到RI 10處理下白花兜蘭植株生長較好,葉片濃綠而有光澤,RI 30處理的葉色淺綠,而RI 50光強處理的葉片開始發(fā)黃,且少量葉片有日灼現(xiàn)象。由表4可知,RI 10和RI 30處理下白花兜蘭葉片光合色素含量顯著高于RI 50處理,但RI 10和RI 30處理間無顯著性差異,這說明當光強達到自然光強度的50%時,白花兜蘭葉片葉綠素易遭到破壞,不利于葉綠素形成;在光強較弱條件下白花兜蘭會調(diào)整其葉片葉綠素含量以便于充分吸收和利用散射光。

表4 不同光強下白花兜蘭葉片光合色素含量及比例

2.4 光強對白花兜蘭生物量的影響

光強對白花兜蘭地上和地下生物量積累的影響不同(圖8),RI 30處理下白花兜蘭地上和地下生物量均達到最大值,分別為5.75 g和6.90 g。地上部分生物量在不同光強處理下具有顯著性差異(P<0.05),地下部分干重無顯著差異(P>0.05),原因可能是光強處理時間僅為2個月,時間過短無法準確反映光強處理對植株地下部分的影響。

Different letters of the same treatment indicate significant differences (P<0.05).

3 討論

光照是影響植物最重要的環(huán)境因素之一,不同光照條件對植物生長發(fā)育與生物量積累有重要的影響[17]。本研究結(jié)果表明,Pn、Gs、Pmax都在RI 30處理條件下達到最高,同時RI 30處理具有最高的LSP和AQE,該處理條件下水分利用效率也顯著高于其他處理(表1)。說明RI 30光強條件下白花兜蘭可利用光強范圍相對較廣,能保持較高的生產(chǎn)力水平。該研究結(jié)果與香草蘭(Vanillafragrans)在75%遮陰條件達到較高光合生產(chǎn)力結(jié)果一致[18]。

Pn下降的影響因素大致有氣孔因素與非氣孔因素兩種。氣孔因素是由于光照、溫度和濕度等環(huán)境因子等引起植物部分氣孔關(guān)閉,二氧化碳進入葉片受阻而使凈光合速率下降;非氣孔因素主要是葉肉細胞自身羧化酶活性降低而導致凈光合速率下降。根據(jù)Farquhar 和 Sharkey[19]的觀點,只有當Pn和Ci同時減小,且Ls增大時,才可認為Pn下降主要是由氣孔因素引起,否則Pn下降應歸因于葉肉細胞羧化能力的降低。由Pn日變化(圖1)、Ci日變化(圖3)和Ls日變化(圖6)可知,RI 10光強處理下白花兜蘭葉片在9:00-12:00和13:00-14:00時間段Ci增大,與Pn變化相反,而在12:00-13:00時間段Ci變化與Pn變化一致,可見RI 10光強處理下白花兜蘭葉片Pn9:00-12:00主要受非氣孔因素限制,12:00-17:00同時受氣孔和非氣孔因素限制。同理可見,RI 30光強處理下白花兜蘭葉片Pn在14:00前和15:00后主要受非氣孔因素制約,只有在14:00-15:00時受到氣孔因素制約;RI 50光強處理下白花兜蘭葉片Pn在13:00前和16:00后主要受非氣孔因素制約,只有在14:00-16:00時受氣孔因素制約。由此可見,不同光強處理下白花兜蘭Pn的降低主要是由于羧化酶活性降低引起的,原因可能是夏季溫度過高,導致酶活性下降。

光強的升高在一定程度上促進了白花兜蘭的光合作用,隨著光強增加,白花兜蘭Pmax顯著升高。白花兜蘭葉片對不同光強的響應不同,RI 10-RI 30光強范圍內(nèi)增加光強能促進其光合作用,但光強達到RI 50后,白花兜蘭Pmax顯著降低,原因可能是強光引起PSⅡ結(jié)構(gòu)破壞,降低Rubiso酶活性,增加暗呼吸速率,誘導活性氧和光抑制的產(chǎn)生,從而導致葉片光合速率下降。表觀量子效率AQE是度量植物對弱光利用能力的指標,在適宜的生長條件下,植物的AQE為0.03-0.05。在本研究中,白花兜蘭3個光強處理下的AQE均低于0.03,原因可能有兩個:一是白花兜蘭自身生長特性決定其光合作用能力和對弱光的利用能力較低,這一點可以從白花兜蘭的Pn日均值(表1)和Pmax(表3)可以看出,3個光強處理下白花兜蘭的Pn日均值和Pmax均小于3 μmol·m-2·s-1;另一個原因是白花兜蘭均受到一定程度的光抑制,這從光響應曲線可以看出,當光量子通量密度達到800 μmol·m-2·s-1時,白花兜蘭的Pn出現(xiàn)下降趨勢。此外,LSP和LCP反映了植物對強光和弱光的適應范圍,兩者的差值越大,反映其對光強的適應能力越強。本研究中,RI 30 處理下白花兜蘭LSP和LCP差值為835.39 μmol· m-2· s-1,明顯高于RI 10 處理(536.45 μmol·m-2·s-1)和RI 50 處理(734.71 μmol·m-2· s-1),表明30%光強是白花兜蘭最佳的生長光強,在此光強處理下白花兜蘭可利用光強范圍最廣,光合作用能力較強。

葉綠素作為光合作用的光敏催化劑,其含量及比例是植物適應并利用光能的關(guān)鍵指標之一[20]。在植物光合作用過程中,光強會影響葉綠素的形成與分解。弱光條件下,植物為了彌補光強不足,通過增加單位面積色素含量以增加其對光能的利用[21];反之,強光條件下,色素含量會降低[22]。本研究中白花兜蘭葉片光合色素含量隨著光強降低而顯著增加,這與大多數(shù)植物葉綠素對光強的響應相似[23,24]。陰生植物通過提高Chlb的比率以適應弱光環(huán)境中的散射光,捕獲更多的光能。白花兜蘭在提高Chlb含量的同時也提高了Chla的含量,使各光強下Chla/Chlb值無顯著差異,與榿木(Alnusformosana)[25]和山茶(Camelliajaponica)幼苗[26]的研究結(jié)果類似,但與許多植物在遮陰環(huán)境下Chla/Chlb降低的研究結(jié)果不同[27,28]。此外,植物還可以根據(jù)環(huán)境因子的變化來調(diào)節(jié)胡蘿卜素(Car)和兩種葉綠素(Chl)的比例,Car/Chl的增加有利于增強光破壞防御能力,可減輕光合機構(gòu)的損害[29]。白花兜蘭葉片Car/Chl在3種光強處理中具有差異,RI 10和RI 30處理無顯著性差異,但RI 50處理下Car/Chl顯著升高,說明其應對強光環(huán)境啟動了光破壞保護機制。

植物生物量在一定程度上表征了植物光合能力和對生長發(fā)育的貢獻,適當光強有利于植物充分利用光能制造有機物,促進植物生物量積累。本研究中RI 30 處理下白花兜蘭具有較高的地上生物量和地下生物量,表明RI 30處理促進了白花兜蘭生物量的積累,該研究結(jié)果與李浩銘對伯樂樹(Bretschneiderasinensis)幼苗的研究結(jié)果相似[30]。

4 結(jié)論

白花兜蘭在不同光強處理下光合參數(shù)、葉綠素含量和生物量積累等的變化規(guī)律揭示了其對不同光照環(huán)境的適應和調(diào)節(jié)能力。白花兜蘭為陰生植物,在RI 50光強下生長受到抑制,葉綠素含量降低,地上部生物量積累減少,生長緩慢;而在RI 30光強環(huán)境下,其葉片可以通過增大氣孔導度,提高PSⅡ反應中心的開放程度與活性、減少熱耗散等途徑來增加PSⅡ的光化學效率,作用于光合特征參數(shù)和生長發(fā)育上,表現(xiàn)為Pn較高、WUE最高、地上生物量最大,生長最快。整體上白花兜蘭對光強的要求較為嚴格,對強光具有不耐性,強光容易導致白花兜蘭葉綠素合成受阻,啟動光破壞保護機制。RI 30光強是白花兜蘭生長的最適光強,光強達到自然光強的50%(1 250 μmol·m-2·s-1)時光合作用和生物量積累受到影響。因此在林下栽種白花兜蘭時應進行遮陰處理,以免葉片被強光灼傷,在溫室栽培時應注意提供合適的光強,以提高其產(chǎn)量和品質(zhì)。