長期結實和不結實紅松針葉光合生理參數(shù)的差異

林 強,陸天宇,2,沈海龍*,王元興,張 鵬

(1.林木遺傳育種國家重點實驗室,東北林業(yè)大學林學院,黑龍江 哈爾濱 150040;2.遼寧省農業(yè)科學院,遼寧 沈陽 110161;3. 吉林省林業(yè)科學研究院,吉林 長春 130031)

紅松(Pinuskoraiensis)是東北溫帶濕潤地區(qū)地帶性頂極群落——闊葉紅松林的建群種,是優(yōu)質用材樹種,也是世界四大食用松樹種之一[1-2]。優(yōu)質用材林是保障國家木材供給安全、尤其是大宗珍貴用材供給安全的重要保障;生產食用松籽則是充分發(fā)揮紅松生產潛能、“以短養(yǎng)長”促進林區(qū)經濟發(fā)展和保障林農長期經濟收益的有效途徑。因此,培育同時滿足優(yōu)質大徑材生產和食用松籽需求的紅松林是在適宜立地條件下優(yōu)選的培育策略[2-5]。紅松種內變異豐富,利用生長、結實性狀等可以篩選出生長與結實性狀遺傳增益均較高的品系[4,6-7]。解析生長與結實性狀上產生差異的個體、家系和無性系等的生物學機理,對果材兼用林品種選育和培育均具有重要意義。

已有研究表明,不同植物之間光合生理特性存在差別,針對光合參數(shù)的分析已經成為研究遺傳資源、新品種培育和作物栽培技術改進的基礎[8-13],如木棉(Bombaxceiba)株高與種源的凈光合速率(Pn)呈顯著正相關,Pn可作為選取種源的參考指標[8];紅松光合作用相關指標在不同無性系之間差異顯著,且與環(huán)境因子間顯著相關,可作為無性系選擇和生長發(fā)育的環(huán)境調控依據(jù)[10];不同種源山桐子(Idesiapolycarpa)在不同月份的光合特性差異可為種源選擇和栽培管理方式制定提供參考[11];辣椒(Capsicumannuum)氮素的供應影響花和果蔗糖供給進而影響具有不同源庫關系品種的產量性狀[12]。利用模式植物研究光合作用機理非常重要,而利用作物研究光合作用機理對其在實踐中的應用更為重要[13]。

本研究以吉林省露水河林業(yè)局紅松種子園中生長環(huán)境、營養(yǎng)生長狀態(tài)相似,但結實量差異巨大的30年生紅松個體為對象,研究生長季內其針葉光合生理參數(shù)差異,分析其結實狀態(tài)與針葉光合能力的關系,探索紅松果材兼顧培育相關的光合作用機理,以期為果材兼用良種選育、培育措施的制定提供理論參考,也為深入研究紅松營養(yǎng)生長和生殖生長關系及調控生物學技術奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地點設置于吉林省露水河林業(yè)局(127°29′～128°02′E,42°20′～43°29′N)紅松種子園實生區(qū),紅松栽植密度為3 m×3 m。樣地海拔850 m,東北坡,平均坡度為8°,土壤為暗棕壤。屬溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫2.7 ℃,7月平均氣溫-19.0 ℃,絕對高溫為34.2 ℃,1月平均氣溫-19.5 ℃,絕對低溫-44.4 ℃,≥10 ℃有效積溫2 590 ℃;年平均日照2 117 h;年平均降水量871 mm,最大降水量1 170 mm,多集中在6—8月;初霜期多為9月中旬,晚霜一般出現(xiàn)在5月下旬,全年無霜期107～122 d。

1.2 觀測樣木選擇

根據(jù)在露水河紅松種子園實生區(qū)內紅松母樹結實情況多年觀察結果,并結合2017年的采種數(shù)據(jù),在林緣(個體生長空間不受密度控制,營養(yǎng)生長和生殖生長均處于自由樹狀態(tài))和林內(個體生長空間受密度控制,營養(yǎng)生長和生殖生長均處于林內樹狀態(tài))各選擇3對結實狀況差異明顯的紅松母樹(表1)。每對母樹中1株結實量大且?guī)缀趺磕杲Y實,另1株幾乎每年都不結實,但二者樹干和枝條等營養(yǎng)器官的生長狀態(tài)相似,所處立地條件一致。針對母樹搭建分層觀測架,對各個冠層進行光合和生長指標測定。

表1 露水河紅松種子園樣木概況

1.3 指標測定

1.3.1 光合特性觀測

使用便攜式CO2/H2O紅外氣體分析儀(Li-6400,Li-Cor. Lincoln,NE,USA)于生長季(5—9月)每月中旬測定光合特性,選擇在晴朗無風的天氣于9:00—11:00進行測定。測定時選取各冠層南向中部枝條。在測量過程中,葉室溫度與外界一致,利用緩沖瓶保持葉室CO2含量與大氣一致,為保證葉室內測定針葉的一致性,對其進行葉面積的測定,并按照比例進行換算。測量前對針葉進行20～30 min的誘導,有效光合輻射(PAR)為1 000 μmol/(m2·s),隨后以紅藍光源(Li-6400-02B,Li-Cor. Lincoln,NE,USA)設置光量子通量密度梯度為2 000、1 500、1 000、800、600、400、200、100、50、20、0 μmol/(m2·s)。使用儀器的光響應曲線測定光合強度,儀器自動完成光響應曲線繪制。根據(jù)文獻[14-15]計算出表觀量子效率(AQY)。

1.3.2 比葉面積及葉綠素含量測定

比葉面積(SLA)即葉片光合面積和烘干質量的比值。在上中下3個冠層南向選取1年生健康針葉,使用Epson V700掃描儀(Seiko Epson Corporation,JPN)掃描葉面積后,將針葉裝于信封中65 ℃烘干至質量恒定。比葉面積為葉面積(cm2)與葉片干質量(g)之比。

取部分針葉擦凈表面的稱取0.2 g剪碎后樣品,置于50 mL離心管中并用40 mL體積分數(shù)99.5%的丙酮、95%的乙醇體積比1∶1的混合液于10～25 ℃避光條件下浸提至材料脫色變白。參照文獻[3]的方法測定和計算光合色素的含量。

1.3.3 非結構性碳水化合物(NSC)含量測定

取中冠層南向1年生正常生長輪枝枝條上1年生針葉作為針葉樣品。將樣品放置于微波爐中中火加熱5 min進行殺青處理,隨后放置于65 ℃烘箱中烘干48 h至質量恒定。利用球磨儀對樣品進行粉碎處理,過孔徑0.15 mm篩,用于NSC的測定。使用蒽酮比色法[16]對可溶性糖和淀粉的含量進行測定,NSC含量為可溶性糖和淀粉含量之和。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 25.0對不同結實特性紅松的針葉葉綠素含量、光響應參數(shù)、NSC含量進行雙因素方差分析(MANOVA),檢驗結實、季節(jié)(月份)和生境及其交互作用對指標影響是否顯著,若顯著則進行鄧肯檢驗(Duncan),交互作用顯著時進行簡單效應分析。圖表數(shù)據(jù)均為紅松各指標平均值。

2 結果與分析

2.1 不同結實特性紅松針葉比葉面積和葉綠素含量

對不同結實特性紅松在不同生境下、不同月份間的葉綠素和比葉面積(SLA)進行雙因素方差分析(表2),結果表明兩類結實特性紅松葉綠素a、b、類胡蘿卜素和總葉綠素含量差異極顯著(P<0.001),SLA和葉綠素a/b(Chl a/b)差異不顯著;不同結實特性紅松針葉在不同月份間光合色素及SLA差異極顯著(P<0.001),不同生境間針葉類胡蘿卜素含量差異顯著(P<0.05),結實和月份的交互作用、結實和生境的交互作用對葉綠素和SLA的影響不顯著(表2)。

表2 結實、月份、生境及交互作用對紅松針葉葉綠素含量、SLA、NSC含量的影響

在相同月份,林緣和林內的結實和不結實紅松間葉綠素和比葉面積間存在差異(表3)。6月林緣紅松葉綠素a/b在結實和不結實之間存在顯著差異(P<0.05);8月林緣紅松葉綠素a、類胡蘿卜素和總葉綠素含量在結實和不結實之間存在顯著差異(P<0.05),林內紅松比葉面積在結實和不結實之間存在顯著差異(P<0.05);9月林緣紅松除葉綠素a/b與比葉面積外,結實和不結實紅松其余指標均存在顯著差異(P<0.05),林內紅松類胡蘿卜素含量和葉綠素a/b在結實和不結實之間存在顯著差異(P<0.05)。無論是林緣還是林內,葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總葉綠素含量在各月份均表現(xiàn)為不結實大于結實。葉綠素a/b在6—8月時,林緣紅松結實大于不結實,林內則相反。5月林內結實紅松葉綠素a/b更高;林緣則是不結實更高,9月林緣和林內葉綠素a/b均表現(xiàn)為結實大于不結實;比葉面積除7月林內,8、9月林緣外均表現(xiàn)為結實大于不結實(表3)。

表3 相同月份不同生境結實和不結實紅松葉綠素和比葉面積差異

兩種結實特性紅松葉綠素含量和比葉面積隨月份變化趨勢基本一致(圖1),Chl a、Chl b、類胡蘿卜素(Car)和總葉綠素(Chl T)含量在生長季期間表現(xiàn)為下降趨勢,而SLA在5—9月則表現(xiàn)為上升,Chl a/b在5—8月下降,8—9月上升。在整個生長季期間,紅松的Chl a、Chl b、Car和Chl T含量均表現(xiàn)為不結實大于結實,而Chl a/b則相反,SLA除7月外均表現(xiàn)為結實大于不結實。在9月時,結實和不結實紅松針葉Chl a、Chl b、Chl T和Car含量達到顯著差異,其他月份結實和不結實紅松差異不顯著(圖1)。

不同小寫字母表示相同月份下結實和不結實紅松之間差異顯著。Different lowercase letters indicate the difference between fruiting and non fruiting P. koraiensis in the same month.

2.2 不同結實特性紅松針葉光響應參數(shù)差異

對不同結實特性紅松不同冠層在生長季間的光響應參數(shù)進行雙因素方差分析(表4)表明,不同結實特性紅松針葉除光飽和點(LSP)差異達到顯著水平外(P<0.05),其余指標均無顯著差異;不同月份間也僅LSP達到極顯著差異(P<0.01);冠層間光補償點(LCP)和LSP則表現(xiàn)為極顯著差異(P<0.001);結實與月份以及結實與冠層間交互作用影響差異不顯著。

表4 結實、月份、冠層及交互作用對紅松針葉光合響應參數(shù)的影響

對不同結實特性紅松在不同月份間的光響應參數(shù)指標進行雙因素分析(表5)發(fā)現(xiàn),不結實紅松的LSP和LCP均隨冠層升高而增大。從整體上來看,表觀量子效率(AQY)在整個生長季表現(xiàn)為上升趨勢,最大凈光合速率(Pn,max)和LSP則表現(xiàn)為下降趨勢,暗呼吸速率(Rd)的趨勢為先上升后不變,不結實紅松LCP表現(xiàn)為下降趨勢,但結實紅松LCP則為先上升后下降最終保持平穩(wěn)的趨勢。5—9月間不結實紅松AQY一直大于結實紅松,而Pn,max和LSP則相反,表現(xiàn)為結實大于不結實,Rd除5月外也表現(xiàn)為結實大于不結實,LCP除5月和7月外均表現(xiàn)為結實大于不結實。除6月林緣下冠層AQY、林內中冠層LSP、7月林緣上冠層Pn,max在結實和不結實之間存在顯著差異外(P<0.05),相同生境條件下相同冠層紅松針葉光響應參數(shù)在結實和不結實之間沒有顯著差異(表5)。

表5 不同結實特性紅松光合指標間差異

在整個生長季,紅松上、中、下3個冠層間的LSP達到極顯著差異(P<0.01),LCP在上冠層與中下兩個冠層間存在極顯著差異(P<0.01)(圖2)。

相同顏色柱狀圖間不同小寫字母表示不同冠層間的差異極顯著(P<0.01)。Different lowercase letters in the same color of column indicate the difference between different canopy (P <0.01).

2.3 不同結實特性紅松針葉非結構性碳水化合物差異性

對不同結實特性的紅松可溶性糖、淀粉和非結構性碳水化合物(NSC)含量進行雙因素方差分析,結果表明3個指標月份之間差異顯著,不同生境下可溶性糖和淀粉含量差異極顯著(P<0.001),但不同結實特性紅松的月份和生境條件下差異均不顯著(表2)。在整個生長季,不同結實特性紅松針葉的可溶性糖、淀粉和NSC含量均表現(xiàn)為下降趨勢,其中6—7月淀粉和NSC含量下降幅度較大(圖3)。

不同小寫字母表示相同月份下各指標結實和不結實之間的差異顯著。Different lowercase letters indicate the difference between fruiting and non fruiting in the same month.

除5月外,其他月份紅松針葉可溶性糖含量均表現(xiàn)為不結實大于結實,除9月外其他月份淀粉含量均表現(xiàn)為結實大于不結實。4、7月NSC含量表現(xiàn)為結實大于不結實,而8、9月則相反。紅松針葉可溶性糖含量在5月時,結實和不結實紅松之間存在顯著差異(P<0.05),其他情況(其他月份的可溶性糖、淀粉、NSC含量在結實和不結實紅松之間)均不顯著(圖3)。

3 討 論

光合作用不僅是物質生產更是產量形成的重要因素,光合產物為林木生長與果實發(fā)育提供物質基礎,研究不同結實特性紅松光合生理特點,可以為促進光合作用、提高果實產量服務,同時為果材兼用的生物學機理解析提供基礎。

3.1 長期結實和不結實紅松個體光合色素差異特點

光合色素是光合作用過程的主要指標,它能衡量植物光合作用強弱。葉綠素a將光能轉化為化學能,葉綠素b負責捕獲和傳遞光能,類胡蘿卜素具有光能捕獲和光破壞防御兩大功能,而Chl a/b則代表葉片在強光條件下獲取碳的能力[17]。兩類結實特性紅松Chl a、Chl b、Chl T和Car含量之間差異顯著,表現(xiàn)為不結實紅松大于結實紅松。這說明不結實紅松能夠更高效的捕獲光能并將其轉化為化學能作為物質存儲的基礎[18],而結實紅松則具有更高的Chl a/b,表明結實紅松在光照條件下能夠同化更多的碳[19]。

在整個生長季,不結實紅松的葉綠素含量要高于結實紅松且差異顯著,這表明不結實紅松進行了更強的光合,因此需要更多的葉綠素;但葉綠素a/b卻剛好相反,這說明結實紅松可以更好地利用光照,更高效地轉化能量。不同結實特性紅松的葉綠素含量在生長季期間均表現(xiàn)為降低,這有可能是光合作用的增加,加劇了葉綠素的消耗[20]。結實和不結實紅松在相同月份或相同生境下的光合色素含量差異不顯著,這意味著生長季節(jié)和環(huán)境不會影響光合作用這個過程,限制紅松果實發(fā)育的因素可能與水分和溫度等有關[17]。

3.2 長期結實和不結實紅松個體比葉面積差異特點

SLA是表征植物對資源吸收能力的指標,能夠體現(xiàn)針葉形態(tài)差異,且和單位生物量上的光合速率呈正相關。SLA還與葉面積指數(shù)有關,后者可以量化森林生態(tài)系統(tǒng)功能[21-22]。在整個生長季,結實紅松SLA除7月外均大于不結實紅松,這有可能是因為紅松在結實過程中需要截獲更多的光,增強了在強光條件下的自我保護能力[23],不同結實特性紅松SLA在生長季期間均表現(xiàn)為上升趨勢,兩種特性的紅松SLA在相同時間段、相同生境下的差異不顯著,這表明SLA不是限制紅松生殖生長的首要因素。

3.3 長期結實和不結實紅松光響應參數(shù)及光合效率參數(shù)的差異特點

光響應參數(shù)作為光合指標的一部分,能夠反應植物光合作用的強弱,對結實也有一定的影響,LSP反映了植物對強光照的利用能力,LSP值越高,說明植物利用強光照的能力越強,而AQY和LCP反映了植物在弱光條件下的光合性能,其值越高,說明植物對弱光的利用能力越強[24]。CO2飽和點和CO2補償點是光合作用中植物對CO2利用能力的表現(xiàn),CO2飽和點是反映植物利用CO2能力的重要指標,CO2補償點越低表明植物利用低含量CO2進行光合作用積累干物質能力越強[25]。

在本研究中,生長季內AQY和LCP表現(xiàn)為不結實紅松大于結實紅松,而LSP、Pn,max和Rd則相反,其中只有LSP差異顯著,其余指標均不顯著,這表明不結實紅松對弱光的利用能力要高于結實紅松,而結實紅松可以更高效地利用強光,且這種能力的差異會影響紅松的正常結實。Pn,max揭示植物利用光能的最大能力,即正常生長的光合潛力[26]。Rd代表植物在無光條件下的呼吸速率,能夠反映出植物光合積累物質的消耗能力,這說明結實紅松具有更高的光合潛力和物質消耗能力,在其他研究中亦存在著佐證[27]。在相同月份或相同生境條件下不同結實特性的紅松之間光響應參數(shù)差異不顯著,這同樣表明了光合效率的高低不會影響紅松結實的過程。

兩種結實特性紅松的AQY、LSP和Pn,max變化趨勢基本一致,這表明紅松的光合效率參數(shù)季節(jié)變化不受結實過程的影響,而LCP在5月和7月時表現(xiàn)為不結實紅松大于結實紅松,這意味著LCP和果實的生長發(fā)育所關聯(lián)[25]。通過研究發(fā)現(xiàn),除LSP外,兩種結實特性紅松的其余指標在不同月份間差異不顯著,這意味著利用強光的效率會影響紅松的繁殖發(fā)育過程而其他條件對紅松的結實過程不產生影響,同時LCP和LSP在冠層間存在顯著差異,但不同結實特性紅松指標在冠層間差異不顯著,LCP和LSP表現(xiàn)為隨冠層增高而逐漸增大,如日本落葉松與紅松類似,LCP和LSP也隨冠層的升高而增加,且冠層結構對光響應參數(shù)均有顯著影響[28],這是因為光照強度影響葉片形態(tài)功能等多種指標,所以葉片的光合指標在冠層間存在垂直變化[25,29-30]。

3.4 長期結實和不結實紅松非結構性碳水化合物的差異特點

NSC及其組分是植物光合作用的主要產物,也是植物合成各種物質的基礎。NSC主要包括可溶性糖和淀粉,二者含量占90%以上且可以互相轉化,這些指標在植物的生長發(fā)育過程中必不可少,且隨外界環(huán)境的改變而改變[31],植物NSC含量與作為碳源的凈光合作用和作為碳匯的呼吸作用有者不可分割的關系,能夠維系源匯之間的平衡[32]。

兩類結實特性紅松針葉NSC含量在不同月份間存在著顯著差異,這說明紅松的繁殖發(fā)育和碳的存儲和轉變有著密不可分的關系[33]。其中可溶性糖表現(xiàn)為不結實紅松大于結實紅松,淀粉含量則相反,這說明不結實紅松在生長發(fā)育期間具有更強的光合能力[27],而結實紅松則形成了為應對生長季后期的低溫滲透調節(jié)存儲了較多的淀粉,在冬季需要時轉化為可溶性糖的生長機制。相同生境下或相同月份間,兩類結實特性紅松NSC含量差異不顯著,這與之前的研究有所不同,這有可能是測定指標時枝條選擇差異所造成的[33]。

NSC含量在5—7月表現(xiàn)為結實紅松>不結實紅松,而8—9月則不結實紅松>結實紅松,但不同結實特性紅松的NSC含量差異均不顯著,這有可能是因為在結實期間,結實紅松的更多的可溶性糖轉化為淀粉進行物質的存儲,NSC含量的變化趨勢也證明了這點。在本研究中兩種結實特性紅松NSC含量在生長季均表現(xiàn)為下降趨勢,這是因為紅松在生長季需要消耗更多的碳儲備,保證其他代謝活動的正常進行[34],在整個生長季,可溶性糖含量在不結實紅松中更高,但淀粉和NSC含量則恰好相反,針葉初期生長依靠著生枝條存儲的碳水化合物,而新生枝條則消耗已著生枝條上的1年生針葉[35],因此在生長季的結實紅松需要存儲更多的淀粉和NSC。

3.5 長期結實和不結實紅松光合能力與非結構性碳水化合物的關系

碳的同化和代謝是植物生長發(fā)育的能量來源,碳庫中的碳利用與碳源中的碳同化及代謝之間有緊密的聯(lián)系,即葉片NSC含量變化可以指示葉片光合能力變化,但是有關這方面的關系的知識主要來源于草本植物,以樹木為材料的研究成果尚不多見[36-37]。樹木中關于生殖生長與光合能力關系的研究主要集中于闊葉果樹或經濟林木[36,38-39],對針葉樹的研究鮮見相關報道。低負載量(果少)蘋果(Maluspumila)樹葉的碳同化水平,即整個生長季雖然高、低負載量樹體葉碳同化水平變化趨勢相似,但低負載量個體的同化水平始終低于高負載量個體的同化水平低,而果實收獲后這種差異逐漸消失;低負載量個體積累高水平的NSC,即1天中低負載量個體NSC水平降低幅度始終小于高負載量個體的NSC水平[36]。油橄欖(Oleaeuropaea)庫源比下降后作為源的葉凈光合速率顯著下降,葉片中可溶性糖和淀粉含量顯著升高,與桃(Prunuspersica)和櫻桃(Pinusspp.)的研究結果類似;油橄欖源葉凈光合速率在庫源比下降處理90 d后仍處于降低狀態(tài),但可溶性糖和淀粉含量的差異在處理30 d后就消失[38]。大久保桃(P.persica)去果處理后源葉的凈光合速率顯著降低,但對源葉的可溶性糖含量和淀粉酶活性無影響[39]。牡丹(Paeonia×suffruticosa)在花衰敗前有花枝凈光合速率明顯低于無花枝,但可溶性糖含量卻高于無花枝,有花枝可溶性糖晝夜無變化而無花枝翌日早較低;花衰敗后,有花枝和無花枝凈光合速率和可溶性糖含量的差異逐漸消失,翌日早晨有花枝和無花枝可溶性糖含量均變低[40]。紅松生殖枝針葉凈同化速率低于營養(yǎng)枝,NSC含量和比葉重高于營養(yǎng)枝,即生殖枝針葉凈同化速率受NSC積累的限制[5]。這些研究表明,樹木生殖生長的庫碳和光合能力之間有著比較復雜的關系,生殖生長對NSC的利用可能對光合速率產生反饋[5,36,38-40],但也存在NSC的其他來源[5,36,38]。本研究選擇了營養(yǎng)生長相似而生殖生長差異很大的2組紅松個體,探討光合參數(shù)和NSC的變化格局,研究結果展示了2組紅松個體光合能力和NSC的一些差異格局;但是由于沒有直接測定光合速率,也未與當時的結實狀態(tài)建立直接聯(lián)系,因此,還不能如這些研究那樣探討其光合能力與NSC變化的直接關系,下一步應該開展針對性的研究。

總體上看,吉林紅松林區(qū)的結實紅松具有更高的葉綠素a/b,這表明更高的光合潛力和物質消耗能力可以促進其結實。與不結實紅松相比,結實紅松在光照條件下會吸收更多的碳,并提高了能量轉換效率,表明紅松在結實過程的碳匯儲備需要較好的光照條件支持,對非結構性碳水化合物的分析發(fā)現(xiàn),結實紅松具有更高含量的淀粉和NSC,這可能是為了在生長季能夠存儲更多養(yǎng)分為果實發(fā)育提供營養(yǎng)支撐。研究結果對解析紅松果材兼用生物學機理提供了一定的科學依據(jù),可為制定果材兼用培育措施提供理論支撐。