米奴塔睡蓮對弱光環(huán)境的生理生化響應(yīng)

王虹妍,蘇 群,田 敏,李春牛,李先民,黃展文,唐毓瑋,盧家仕

(1.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所,南寧 530007;2.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所/國家觀賞園藝工程技術(shù)研究中心,昆明 650200;3.廣西亞熱帶作物研究所,南寧 530001)

【研究意義】睡蓮是睡蓮科(Nymphaeaceae)睡蓮屬(NymphaeaL.)植物的統(tǒng)稱,花色豐富且艷麗,是世界性著名水生花卉。全世界的睡蓮屬植物有50多個種(含變種),園藝品種達(dá)1000多個[1-2],其花量大、具芳香味,開花周期長,根、莖和葉能吸附水中的富營養(yǎng)物質(zhì)和有害物質(zhì),具有凈化水質(zhì)功能,廣泛應(yīng)用于園林水景[3]。微型熱帶睡蓮在亞熱帶地區(qū)可實現(xiàn)周年開花,觀賞價值高,開發(fā)利用潛力大。米奴塔(Nymphaeaminuta)屬于微小型熱帶睡蓮,花量大、花期長,是培育微小型睡蓮新品種的優(yōu)良種質(zhì)資源,適宜盆栽和家庭園藝推廣。但在家庭種植條件下,睡蓮常因光照不足或光照較弱,導(dǎo)致生長不良且開花較少。因此,探究睡蓮的耐陰性及在弱光環(huán)境的生理響應(yīng)機(jī)制,對微小型睡蓮生產(chǎn)及園林水景推廣應(yīng)用具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】潘月等[4]研究不同品種八仙花對強(qiáng)光和遮陰處理的生理響應(yīng),結(jié)果發(fā)現(xiàn)其葉綠素含量、葉和莖的鮮重與干重、葉片含水量、光飽和點及光補償點可作為八仙花耐光照能力的鑒定指標(biāo)。王曉冰等[5]研究發(fā)現(xiàn),大百合在弱光下通過降低葉片比葉重、增加葉綠素含量、減小葉綠素a/b值、降低暗呼吸速率來提高對弱光的適應(yīng)能力。李先民等[6]研究表明,遮陰可顯著促進(jìn)杜鵑紅山茶幼苗葉片生長,其葉片數(shù)量、總?cè)~面積、比葉面積和葉綠素含量等指標(biāo)在50%～80%遮光條件下均處于最高水平。尚三娟等[7]研究證實,遮陰處理時紫斑牡丹通過提高葉片色素含量來提高對光能的吸收利用效率,增大葉片比葉面積,降低根冠比,促進(jìn)株高生長,以適應(yīng)弱光環(huán)境。劉光楊等[8]研究指出,遮光處理后睡蓮的開花數(shù)、葉片數(shù)及葉片中的可溶性糖和葉綠素含量均低于全光照組,11個睡蓮品種的耐陰性強(qiáng)弱與睡蓮的生長和生理指標(biāo)變化趨勢基本一致,其中,熱帶睡蓮品種‘約瑟芬’‘黑美人’和‘保羅藍(lán)’的耐陰性較強(qiáng)。張雅君等[9]研究認(rèn)為,夏季遮陰可在一定程度上改善小花睡蓮?fù)λ~的水分狀況,推測小花睡蓮葉水分平衡能力較弱,挺水葉水分失衡易導(dǎo)致光合速率下降及葉溫升高,加劇光抑制致使葉片死亡?？旅烙馵10]研究表明,光周期及光照強(qiáng)度的改變會影響埃及藍(lán)睡蓮切花的開閉規(guī)律,光在睡蓮節(jié)律性開花的調(diào)控中發(fā)揮重要作用,轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)睡蓮開花早期光合作用和光信號途徑相關(guān)基因被誘導(dǎo)表達(dá)。冷寒冰等[11]研究上海荷花品種‘伯里夫人’在不同光照環(huán)境下的光響應(yīng)模型,發(fā)現(xiàn)隨著光強(qiáng)減弱,荷花的主要光合生理參數(shù)均降低,荷花對適度弱光環(huán)境具備一定的適應(yīng)能力,表現(xiàn)出良好的光合適應(yīng)性反應(yīng)與調(diào)節(jié)能力,能維持植株正常生長。張曉等[12]研究認(rèn)為,荷花在遮陰處理的弱光條件下發(fā)生花芽嚴(yán)重敗育現(xiàn)象,主要原因是引起細(xì)胞凋亡的重要基因NnSnRK1在弱光脅迫下與NnTPS1基因呈現(xiàn)相反的表達(dá)模式,弱光條件下蔗糖含量降低引起NnTPS1基因表達(dá)量下降,減弱了對NnSnRK1基因的抑制作用,引起細(xì)胞程序性死亡?！颈狙芯壳腥朦c】睡蓮為喜光植物,其正常生長和開花離不開充足的光照,絕大部分睡蓮品種在正常生長條件下需占用較大水域面積,場地成本較高,目前針對不同遮陰條件下微小型熱帶睡蓮品種米奴塔葉片生長狀況、光合色素含量及初生代謝產(chǎn)物影響的研究鮮見報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】以熱帶睡蓮品種米奴塔為試驗材料,采用完全隨機(jī)試驗設(shè)計,通過搭建不同層數(shù)、不同遮光率遮陽網(wǎng),測定分析不同遮光條件下各處理米奴塔睡蓮的葉片數(shù)、葉干重、葉面積、比葉重、比葉面積、光合色素含量和組成及可溶性糖、可溶性蛋白和淀粉含量,探討其在弱光脅迫下的生理生化響應(yīng)機(jī)制,為以米奴塔睡蓮為代表的微小型熱帶睡蓮種苗繁育和盆花生產(chǎn)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020年5—10月在廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所睡蓮種植基地進(jìn)行。選取長勢一致、生長健壯的米奴塔種苗,于2020年5月10日移栽至直徑40 cm、高30 cm的塑料盆中,盆土裝至盆的1/2處,每盆種植1株,期間進(jìn)行正常水肥管理。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計 2020年6月17日開始進(jìn)行遮光處理(遮光度以TES-1334A數(shù)位式照度計實際測定為準(zhǔn)),使用不同遮光率的遮陽網(wǎng)分別設(shè)置遮光率為0(全光照對照,CK)、30%(輕度遮光)、50%(中度遮光)和70%(重度遮光)4個處理。遮光處理采用搭棚覆蓋法,完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計,每處理30盆,每10盆為1個重復(fù),重復(fù)3次。

1.2.2 生長指標(biāo)測定 遮光120 d后,從各處理中隨機(jī)選取5株米奴塔睡蓮進(jìn)行葉片數(shù)、葉干重和比葉重等指標(biāo)測定。其中,由于睡蓮葉片呈近橢圓形,每株需選取最大葉片統(tǒng)計長軸和短軸的長度,計算葉面積;將葉片經(jīng)105 ℃殺青30 min后,在80 ℃條件下烘干至恒重,用1/1000天平稱量葉干重;通過以下公式計算比葉重。

比葉重(g/m2) = 葉干重(g) / 葉面積(m2)

1.2.3 生理指標(biāo)測定 分別于遮光后30、60、90和120 d的早上9:00采樣,每處理采集30片長勢一致的健康成熟葉片,每10張葉片為1個重復(fù),共3個重復(fù)。光合色素含量測定:采用95%乙醇浸泡法測定總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量[13]。初生代謝產(chǎn)物含量測定:采用蒽酮比色法測定葉片可溶性糖含量[13],采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測定可溶性蛋白含量[13],參照王晶英等[14]的方法測定淀粉含量。每個指標(biāo)重復(fù)測定3次,計算平均值。

1.3 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計,以SPSS 24.0進(jìn)行方差分析和差異顯著性檢驗(Duncan’s新復(fù)極差法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 遮光對米奴塔睡蓮葉片生長狀況的影響

由表1可知,遮光處理后120 d,CK米奴塔睡蓮的葉片數(shù)為11.67片,平均葉干重為0.16 g,比葉重為41.27 g/m2,均大于其他處理;隨著遮光率的增加,葉片數(shù)、平均葉干重和比葉重逐漸減少,其中遮光率為70%處理分別較CK顯著降低52.9%、81.3%和57.8%,而平均葉面積呈先增加后減少的變化趨勢,并在遮光率為30%時達(dá)最大值(44.27 cm2);葉片數(shù)、平均葉干重和平均葉面積在遮光率為70%處理時顯著低于其他處理(P<0.05,下同),遮光率為30%處理的葉片數(shù)、平均葉干重和平均葉面積與CK差異不顯著(P>0.05,下同);各遮光率處理的比葉重均顯著低于CK,遮光率為30%和50%處理的比葉重顯著高于遮光率70%處理,而遮光率30%處理的比葉重與50%處理差異不顯著。綜合分析各項生長指標(biāo)發(fā)現(xiàn),米奴塔睡蓮能適應(yīng)輕度遮光環(huán)境,在重度遮光環(huán)境下生長狀況較差。

表1 不同光照條件下米奴塔睡蓮葉片的生長狀況比較

2.2 遮光對米奴塔睡蓮葉片生理指標(biāo)的影響

2.2.1 對光合色素含量的影響 由表2可知,隨著遮光時間的延長,CK米奴塔睡蓮葉片的總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量逐漸降低,其中,在遮光30 d時的各種光合色素含量均顯著高于遮光120 d時;遮光率30%和50%處理的總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量隨著遮光時間的延長呈先降低后升高再降低的變化趨勢,且不同遮光時間處理間差異均不顯著;遮光率70%處理的總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量總體上呈逐漸增加的變化趨勢,但僅葉綠素a含量在遮光120 d時顯著高于遮光30 d時。

表2 不同光照條件下米奴塔睡蓮葉片的光合色素含量比較

從表2還可看出,隨著遮光率的提高,遮光30 d睡蓮葉片的總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量呈先降低后升高再降低的變化趨勢,遮光120 d時葉片的總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量呈逐漸升高的變化趨勢;遮光120 d時,遮光率70%處理葉片的總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量分別較CK顯著升高108.7%、81.6%、237.5%和88.2%,葉綠素a/b較CK顯著降低39.1%,而遮光率30%和50%處理的總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量與CK差異不顯著,但葉綠素a/b明顯低于CK。

綜上所述,在持續(xù)的遮光處理下,米奴塔睡蓮?fù)ㄟ^提高葉片總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量及降低葉綠素a/b來適應(yīng)弱光環(huán)境。

2.2.2 對初生代謝物含量的影響 由表3可知,在相同遮光率處理下,隨著遮光時間的延長,睡蓮葉片的可溶性糖、可溶性蛋白和淀粉含量總體上均呈先降低后升高的變化趨勢,其中,CK間差異均不顯著;在相同遮光時間下,隨著遮光率的提高,睡蓮葉片的可溶性糖、可溶性蛋白和淀粉含量均呈逐漸降低的變化趨勢;遮光120 d時,CK睡蓮葉片的可溶性糖、可溶性蛋白和淀粉含量分別為13.05、76.82和13.89 mg/g,分別顯著高于遮光率70%處理43.4%、56.2%和53.2%;CK的可溶性糖含量與遮光率30%處理差異不顯著,可溶性蛋白和淀粉含量與遮光率30%和50%處理差異不顯著?？梢?重度遮光環(huán)境不利于睡蓮葉片可溶性糖、可溶性蛋白和淀粉含量積累,而輕、中度遮光對睡蓮葉片可溶性糖、可溶性蛋白和淀粉含量積累無明顯影響。

表3 不同光照條件下米奴塔睡蓮葉片的初生代謝含量比較

2.3 米奴塔睡蓮葉片生長和生理指標(biāo)的相關(guān)分析

由表4可知,米奴塔睡蓮的葉片數(shù)與平均葉干重、可溶性蛋白和淀粉含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01,下同),與葉綠素b含量呈顯著負(fù)相關(guān);平均葉干重與總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量間呈極顯著負(fù)相關(guān),與可溶性蛋白含量呈極顯著正相關(guān),與可溶性糖含量呈顯著正相關(guān);平均葉面積與葉綠素b含量呈顯著負(fù)相關(guān);比葉重與可溶性糖含量呈極顯著正相關(guān),與可溶性蛋白含量呈顯著正相關(guān),與比葉面積呈極顯著負(fù)相關(guān),與葉綠素a含量呈顯著負(fù)相關(guān);總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量間呈極顯著正相關(guān),與可溶性糖含量呈顯著負(fù)相關(guān);可溶性蛋白含量與淀粉含量呈顯著正相關(guān);可溶性蛋白含量和淀粉含量與平均葉面積、總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素、可溶性糖含量的相關(guān)性較弱。說明提高遮光率會導(dǎo)致米奴塔睡蓮葉片數(shù)減少,平均葉干重、可溶性蛋白和淀粉含量降低,比葉面積和葉綠素b含量隨之提升。

表4 米奴塔睡蓮葉片生長和生理指標(biāo)的相關(guān)分析

3 討 論

葉片是植物進(jìn)行光合作用和呼吸作用的主要器官,對環(huán)境變化較敏感且可塑性較強(qiáng),可通過多種途徑改變其外在或內(nèi)在特征來適應(yīng)異質(zhì)光環(huán)境的變化[15]。植物在遮光條件下,為了更好地利用光能,葉面積變大從而增加植株整體受光面積[16]。本研究中,米奴塔睡蓮的葉片數(shù)和平均葉干重均隨著遮光率的增加而降低,與劉光楊等[8]對睡蓮的研究結(jié)果一致,說明光照對睡蓮葉片的形成及發(fā)育具有促進(jìn)作用,有利于干物質(zhì)積累;平均葉面積在遮光率30%(輕度遮光)和50%(中度遮光)時均有所增大,在遮光率70%(重度遮光)時顯著減小,與劉光楊等[8]對睡蓮、溫韋華等[17]對小葉扶芳藤(Euonymusfortuneivar.radicans)的研究結(jié)果一致,說明在遮陰條件下米奴塔睡蓮可通過擴(kuò)大植株與光的有效接觸面積增加對光的吸收量,從而適應(yīng)弱光環(huán)境[18],但在重度遮光環(huán)境下,其主動適應(yīng)弱光的能力已達(dá)極限,平均葉面積降至最低,正常生長發(fā)育受到影響。已有研究表明,比葉重會隨著光強(qiáng)的升高顯著增加,這與葉片厚度和柵欄組織厚度的增加有關(guān)[19],當(dāng)光環(huán)境變化時,植物葉片可調(diào)節(jié)比葉重來優(yōu)化光能利用率和光合速率[20-22]。本研究中,米奴塔睡蓮的比葉重隨著遮光率的提高而降低,與王曉冰等[5]對大葉百合的研究結(jié)果一致;比葉面積隨著遮光率的提高逐漸增大,與李先民等[6]對杜鵑紅山茶(Camelliaazalea)、尚三娟等[7]對紫斑牡丹(Paeoniasuffruticosavar.papaveracea)的研究結(jié)果一致,表明比葉重和比葉面積可反映植物對特定環(huán)境的適應(yīng)能力,并與植物光合作用具有重要聯(lián)系[5,23]。

光照過弱不利于葉片進(jìn)行光合作用,光照過強(qiáng)會破壞葉片的光合結(jié)構(gòu)[24-25]。植物體內(nèi)光合色素是光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ),葉綠素在光合作用中發(fā)揮著吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化光能的作用,其含量高低直接影響葉片光合能力的強(qiáng)弱,反映植物的生長狀況和光合能力[26-28]。本研究中,在遮光處理前期(遮光30 d時),米奴塔睡蓮葉片的總?cè)~綠素、葉綠素a和葉綠素b含量均隨著遮光率的提高而降低;而在遮光處理后期(遮光120 d時),米奴塔睡蓮葉片的總?cè)~綠素、葉綠素a和葉綠素b含量均隨著遮光率的提高而升高,并以遮光率70%處理最高,與劉光楊等[8]對睡蓮葉片葉綠素含量變化趨勢的研究結(jié)果一致,說明在持續(xù)弱光脅迫下,米奴塔睡蓮可通過提高葉片葉綠素含量來提高光能的吸收和利用效率,從而適應(yīng)弱光環(huán)境。葉綠素a/b是植物耐陰性評價的重要指標(biāo),在遮陰條件下,植物通過提高葉綠素含量、降低葉綠素a/b來提升耐陰性[29-30]。本研究中,在遮光30～90 d時,各處理間的葉綠素a/b差異不顯著;在遮光120 d時,各遮光處理的葉綠素a/b隨著遮光率的增加而降低,CK與遮光率30%處理間差異不顯著,遮光率50%處理與70%處理均顯著低于CK。說明米奴塔睡蓮也可通過調(diào)節(jié)葉綠素a/b來提升光能捕獲能力,從而提高耐陰性。類胡蘿卜素是光合作用中的內(nèi)源抗氧化劑,參與光能捕獲和光破壞防御兩個重要過程[28]。本研究中,在遮光30～90 d時,各處理的類胡蘿卜素含量間差異不顯著,在遮光120 d時,各處理的類胡蘿卜素含量隨著遮光率的提高而升高,其中,CK顯著低于遮光率70%處理,與遮光率30%和70%處理差異不顯著,與李先民等[6]對杜鵑紅山茶的研究結(jié)果一致,說明光照過強(qiáng)不利于米奴塔睡蓮葉片類胡蘿卜素含量積累,也會降低葉片的光能捕獲和光破壞防御能力。

光是植物生長發(fā)育的能量來源,是植物生長發(fā)育及形態(tài)建成的重要因素之一,影響植物初生代謝產(chǎn)物的合成與積累[31-32]。弱光引起光強(qiáng)度和光質(zhì)發(fā)生改變,致使植物光合效率下降,合成的糖類物質(zhì)減少[33]?？扇苄蕴恰⒖扇苄缘鞍准暗矸凼侵匾某跎x產(chǎn)物,其中,可溶性糖和可溶性蛋白是有效的細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),主要在滲透調(diào)節(jié)和活性氧自由基清除方面發(fā)揮重要作用,當(dāng)植物遭受脅迫時,會通過增加或降低其含量調(diào)節(jié)植株細(xì)胞滲透壓[34-35]。本研究中,米奴塔睡蓮葉片的可溶性糖、可溶性蛋白和淀粉含量隨著遮光率的提高呈逐漸降低的變化趨勢,其遮光率30%和50%處理的含量與CK差異不顯著,而遮光率70%處理較CK顯著降低,與劉光楊等[8]對睡蓮的研究結(jié)果一致。說明米奴塔睡蓮的初生代謝產(chǎn)物含量在一定程度上受到光照強(qiáng)度影響,通過自身調(diào)節(jié)可適應(yīng)輕、中度遮光環(huán)境,具備一定耐陰能力而正常生長,但當(dāng)光照強(qiáng)度較低對米奴塔睡蓮造成弱光脅迫時,其初生代謝物含量顯著降低,不利于其生長。其他熱帶睡蓮品種是否也具備較強(qiáng)的耐陰能力,仍需要進(jìn)一步探究。

4 結(jié) 論

米奴塔睡蓮?fù)ㄟ^葉片形態(tài)特征改變及葉片光合特性和初生代謝物調(diào)節(jié)來適應(yīng)弱光環(huán)境,表現(xiàn)出良好的光適應(yīng)性反應(yīng)和調(diào)節(jié)能力,其中,在遮光率為30%和50%的輕、中度遮光環(huán)境下生長狀況良好,該兩種遮光方式可在微小型熱帶睡蓮種苗繁育和盆花生產(chǎn)管理中參考應(yīng)用。