遮蔭對(duì)川芎光合熒光特性的影響*

陳云飛,劉 芳,馬菁華,歐明燭,任啟飛

(貴州省植物園,貴州 貴陽(yáng) 550001)

川芎(LigusticumchuanxiongHort.)是傘形科多年生草本植物[1],主產(chǎn)四川,為川產(chǎn)道地藥材,以地下根莖入藥,藥理作用廣譜,為傳統(tǒng)大宗藥材,需求量大,經(jīng)濟(jì)價(jià)值極高。而光是植物生長(zhǎng)過(guò)程中重要的環(huán)境因素之一,光強(qiáng)不足或過(guò)剩都會(huì)對(duì)植物的光合作用產(chǎn)生不利的影響[2],國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為,植物的生長(zhǎng)對(duì)遮蔭響應(yīng)十分敏感,由于遮蔭弱光處理改變了植物生長(zhǎng)的微環(huán)境[3],從而對(duì)植物的光合作用和能量傳遞等生理過(guò)程產(chǎn)生重要影響。前人對(duì)川芎進(jìn)行了大量研究,但多集中在其藥用成分上,有研究表明川芎中的有效成分川芎嗪具有一定的抗腫瘤作用,可減少腫瘤細(xì)胞同內(nèi)皮細(xì)胞粘附抗凝、抗血小板聚集,抑制腫瘤的轉(zhuǎn)移[4]。基于當(dāng)前對(duì)川芎的研究大多集中在其有效成分及藥理療效上,遮蔭對(duì)其光合熒光特性的影響未見(jiàn)報(bào)道,本研究旨在探明弱光環(huán)境對(duì)川芎光合作用及熒光特性的影響,摸清川芎對(duì)遮蔭環(huán)境的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況,以期能更好地栽培利用,使有限的資源獲得更大的收益。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)中所用川芎苓種購(gòu)置于四川省仁壽創(chuàng)新農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司,經(jīng)人工挑選,選擇大小一致無(wú)病蟲(chóng)害的粗壯苓種莖節(jié)作為試驗(yàn)材料用于播種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2021年8月17開(kāi)始試驗(yàn),采用黃泥土和營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)2∶1比例配置栽種基質(zhì),整地起隴,分為4塊試驗(yàn)樣地,利用3針遮陽(yáng)網(wǎng)進(jìn)行遮蔭處理,每塊地遮陽(yáng)棚長(zhǎng)寬高為2 m×1.5 m×1.5 m,四周及頂部遮蔭,距地面留出20 cm用于通風(fēng)。一共設(shè)計(jì)4個(gè)光強(qiáng)梯度,CK為全光對(duì)照,C1遮蔭度25%,C2遮蔭度50%,C3遮蔭度率75%。各個(gè)遮蔭處理下播種30株,播種間距為30 cm,覆土3 cm左右。對(duì)其進(jìn)行水肥除草管理及病蟲(chóng)害防治,保證生長(zhǎng)發(fā)育正常進(jìn)行,用于測(cè)定其苗期及第一次莖葉發(fā)生期的光合參數(shù)、熒光參數(shù)、葉綠素含量。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 光合參數(shù)的測(cè)定

選擇在晴天上午的9∶00—11∶00點(diǎn),用Li-6800便攜式光合儀測(cè)定川芎植株的凈光合速率(A)、氣孔導(dǎo)度(gsw)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(E)。選擇2 cm2葉室適配器,葉室溫度為環(huán)境溫度,約28 ℃,樣品室CO2濃度400 μmol·mol-1,進(jìn)入葉室的氣體流速為500 μmol·s-1,葉室相對(duì)濕度在50%。各遮蔭處理下選擇3株長(zhǎng)勢(shì)相同的植株,高度一致的無(wú)病蟲(chóng)害的健康葉片為測(cè)量葉片,每株重復(fù)測(cè)量3次。

1.3.2 熒光參數(shù)的測(cè)定

選擇在晴朗天氣的上午9∶00—11∶00,使用OPTI-sciences公司OS5p+便攜式脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù),包括初始熒光Fo、最大熒光Fm、PSII最大光化學(xué)效率Fv/Fm、實(shí)際光化學(xué)效率Y(II)、電子傳遞速率ETR。用葉夾夾住植株健康葉片,以鋪滿(mǎn)葉夾為準(zhǔn),進(jìn)行暗適應(yīng)15 min后測(cè)定Fo、Fm、Fv/Fm、Y(II)、ETR。每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.3.3 葉綠素的測(cè)定

取健康的供試川芎新鮮葉片0.2 g,洗凈吸干剪碎,用95%乙醇黑暗中浸提24 h,期間搖勻3次,直至葉片完全脫色。利用島津UV-1780紫外分光光度計(jì)分別在645 nm和663 nm處測(cè)定吸光度,分別計(jì)算葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量。每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL軟件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及初步處理,利用SPSS.26.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用最小顯著差法(LSD)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn),采用皮爾遜法進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同遮蔭處理對(duì)川芎光合作用的影響

遮蔭可影響植物的一系列生理過(guò)程從而間接地影響光合作用[5],其中最大凈光合速率(A)、胞間CO2含量(Ci)、蒸騰速率(E)和氣孔導(dǎo)度(gsw)可作為植物在遮蔭環(huán)境下生長(zhǎng)狀況的響應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)[6],其中A的強(qiáng)弱與環(huán)境中的光強(qiáng)因子聯(lián)系最為直接,能夠表述植物的生長(zhǎng)勢(shì)。

不同遮蔭處理下川芎苗期和第一次莖葉發(fā)生期的光合情況如表1所示,川芎苗期在不同遮蔭下的凈光合速率A差異顯著,并隨著遮蔭程度的增加呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì),相較CK,C1處理的凈光合速率降低了22.17%,C2處理的凈光合速率降低了50.1%,C3處理的凈光合速率降低了82.17%;胞間CO2含量Ci亦在不同遮蔭下呈現(xiàn)顯著差異,并隨著遮蔭程度的增加呈現(xiàn)升高的趨勢(shì),在C3處理下含量最高,相較于CK,C1處理的胞間CO2含量升高了4.57%,C2處理的胞間CO2含量升高了5.63%,C3處理的胞間CO2含量升高了15.89%;苗期川芎的氣孔導(dǎo)度gsw與蒸騰速率E隨著遮蔭程度的增加呈現(xiàn)一個(gè)緩慢下降的趨勢(shì),對(duì)照CK為最高值,與其他3個(gè)遮蔭處理差異顯著,3個(gè)遮蔭處理之間差異不顯著。

表1 不同遮蔭處理對(duì)川芎光合作用的影響

第一次莖葉生長(zhǎng)期不同遮蔭下的凈光合速率A差異顯著,并隨著遮蔭程度的增加呈現(xiàn)先略微升高再下降的趨勢(shì),相較CK,C1處理的凈光合速率升高了4.78%,為最高值,C2處理的凈光合速率降低了30.72%,C3處理的凈光合速率降低了63.99%,但是相較于苗期來(lái)說(shuō)整體凈光合速率值有所下降;胞間CO2含量Ci亦在不同遮蔭下呈現(xiàn)顯著差異,并隨著遮蔭程度的增加呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì),在C3處理下含量最高,相較于CK,C1處理的胞間CO2含量升高了14.82%,C2處理的胞間CO2含量升高了20.15%,C3處理的胞間CO2含量升高了28.09%;氣孔導(dǎo)度gsw隨著遮蔭程度的增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),CK處理為最大值,相較于CK,C1處理下降了37.66%,C2處理下降了47.4%,C3處理下降了50%;蒸騰速率E表現(xiàn)為CK處理下大于遮蔭處理,與3個(gè)遮蔭處理差異顯著,3個(gè)遮蔭處理之間差異不顯著。

2.2 不同遮蔭處理對(duì)川芎葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

熒光參數(shù)是反映遮陰對(duì)植物葉片光合作用過(guò)程影響的重要指標(biāo),不同遮蔭處理下川芎苗期和第一次莖葉生長(zhǎng)期的熒光參數(shù)如表2所示,兩個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期的初始熒光Fo和最大熒光Fm差異不顯著,苗期Fo在177.67～190之間,Fm在994～1126之間,第一次莖葉生長(zhǎng)期Fo在162～202.33之間,Fm在867.67～1142.67之間;而苗期的PSII最大光化學(xué)效率Fv/Fm則呈現(xiàn)隨遮蔭程度的增加先升高再下降的趨勢(shì),CK處理與C2處理差異不顯著,與C1和C3差異顯著,但變化幅度不大,相較于CK,C1處理下的PSII最大光化學(xué)效率升高1.46%,C3處理下的PSII最大光化學(xué)效率下降0.73%;第一次莖葉生長(zhǎng)期的PSII最大光化學(xué)效率Fv/Fm在CK處理下為峰值,但各處理間變化亦不大,相較于CK,C1處理下的PSII最大光化學(xué)效率下降0.48%,C2處理下的PSII最大光化學(xué)效率下降0.24%,C3處理下的PSII最大光化學(xué)效率下降1.45%;兩個(gè)時(shí)期的實(shí)際光化學(xué)效率Y(II)差異不顯著,但整體表現(xiàn)為全光照下低于遮蔭條件下,說(shuō)明川芎為適應(yīng)遮蔭環(huán)境,提高了光子供給PSII反應(yīng)中心的效率。

表2 不同遮蔭處理下川芎的熒光參數(shù)

兩個(gè)時(shí)期的電子傳遞速率ETR差異顯著,均隨遮蔭程度的增加呈遞減的趨勢(shì),CK處理下的苗期ETR與C1處理差異不顯著,但是與C2和C3差異顯著,C2處理的ETR下降66.96%,C3處理的ETR下降84.93%;第一次莖葉生長(zhǎng)期的電子傳遞速率ETR亦表現(xiàn)出顯著差異,相較CK,C1處理的ETR下降58.14%,C2處理的ETR下降86.05%,C3處理的ETR下降87.58%,可見(jiàn)全光處理下對(duì)激發(fā)態(tài)電子利用能力更強(qiáng),電子的傳遞速率更快。

2.3 不同遮蔭處理對(duì)川芎葉綠素含量的影響

光能直接影響葉綠素含量及比值的變化,從而影響光合作用。本研究中不同遮蔭處理下川芎苗期和第一次莖葉生長(zhǎng)期的葉綠素含量如表3所示,不同遮蔭處理下苗期和第一次莖葉生長(zhǎng)期的葉綠素總量和葉綠素b差異顯著,并隨著遮蔭程度的增加呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì),在C2處理下為峰值,苗期的C1和C2處理下葉綠素總量和葉綠素b顯著高于CK,葉綠素總量分別高出7.79%和9.88%,葉綠素b分別高出19.35%和27.64%;第一次莖葉生長(zhǎng)期的C2和C3處理下葉綠素總量和葉綠素b顯著高于CK,葉綠素總量分別高出25.43%和14.54%,葉綠素b分別高出76.6%和44.42%;兩個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期的a/b值則隨遮蔭程度增加呈現(xiàn)先降低再回升的趨勢(shì),CK處理下為峰值,C2處理為谷值。整體看出遮蔭條件下的葉綠素總量、葉綠素a以及葉綠素b均高于全光照,說(shuō)明本試驗(yàn)中川芎葉片葉綠素含量受到了遮蔭的顯著影響,其為維持自身正常生長(zhǎng)試圖通過(guò)改變自身葉綠素含量及比例構(gòu)成來(lái)增強(qiáng)其在弱光環(huán)境下的光捕獲能力。

表3 不同遮蔭處理下川芎的葉綠素含量

2.4 遮蔭處理與川芎各項(xiàng)生長(zhǎng)參數(shù)的相關(guān)性分析

遮蔭處理與川芎生長(zhǎng)各項(xiàng)參數(shù)相關(guān)性分析如表4和表5所示,遮蔭處理也與苗期蒸騰速率、凈光合速率和氣孔導(dǎo)度極顯著負(fù)相關(guān),與胞間CO2含量顯著正相關(guān),與實(shí)際光化學(xué)效率Y(II)極顯著正相關(guān),與電子傳遞速率ETR極顯著負(fù)相關(guān);遮蔭處理也與第一次莖葉生長(zhǎng)期的凈光合速率呈顯著負(fù)相關(guān),與胞間CO2含量極顯著正相關(guān),與電子傳遞速率ETR顯著負(fù)相關(guān),與總?cè)~綠素和葉綠素b呈現(xiàn)顯著正相關(guān),和葉綠素a/b值呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)。

表4 遮蔭處理與川芎苗期光合熒光參數(shù)的相關(guān)性分析

表5 遮蔭處理與川芎第一次莖葉生長(zhǎng)期光合熒光參數(shù)的相關(guān)性分析

3 討論

有研究表明,遮陰對(duì)光合作用的影響因植物種類(lèi)、生育期和遮陰時(shí)間的不同結(jié)果有所差異,遮陰通常降低單葉的凈光合速率[7],本研究結(jié)果顯示,川芎苗期和第一次莖葉生長(zhǎng)期的凈光合速率A隨遮蔭程度的增加呈現(xiàn)顯著降低的趨勢(shì),與前人的研究結(jié)論一致,且整體看來(lái)苗期的凈光合速率A較第一次莖葉生長(zhǎng)期的值高,說(shuō)明受遮蔭影響的時(shí)間越長(zhǎng),其光合能力越弱。Flexas J等對(duì)葡萄(VitisviniferaL.)的研究顯示,其光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度隨著遮蔭程度的提高而明顯下降[8],與本研究結(jié)果的趨勢(shì)一致。本研究中兩個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期的凈光合速率A與胞間CO2含量Ci的變化趨勢(shì)并非一致,氣孔導(dǎo)度gsw、蒸騰速率E與胞間CO2含量Ci的變化趨勢(shì)亦不相同,說(shuō)明胞間CO2含量和氣孔導(dǎo)度不是影響其凈光合速率下降的直接因素,而是遮蔭造成的絕對(duì)低的光照環(huán)境,使其捕獲的光能總量不足從而導(dǎo)致凈光合速率的下降。

葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)在測(cè)定葉片光合作用過(guò)程中更具有反映“內(nèi)在性”的特點(diǎn)[9],探討葉綠素?zé)晒鈪?shù)的響應(yīng),可了解不同光照下植物光合作用的內(nèi)部機(jī)理[3]。實(shí)際光化學(xué)效率Y(II)的大小反映了吸收的光子供應(yīng)給PSII反應(yīng)中心的效率[10],本研究中,Y(II)在兩個(gè)時(shí)期中均表現(xiàn)為在全光照下的值低于遮蔭條件下,說(shuō)明川芎為適應(yīng)遮蔭環(huán)境,提高了光子供給PSII反應(yīng)中心的效率。且電子傳遞速率ETR差異顯著,均呈現(xiàn)隨遮蔭程度增加而逐漸降低的趨勢(shì),均在CK處理下為峰值,可見(jiàn)全光處理下對(duì)激發(fā)態(tài)電子利用能力更強(qiáng),電子的傳遞速率更快。

葉綠素是植物的光合色素,具有吸收和傳遞光量子的功能,本試驗(yàn)中川芎葉綠素含量受到了遮蔭的顯著影響,遮蔭條件下的葉綠素總量、葉綠素a以及葉綠素b均高于全光照,說(shuō)明其為維持自身正常生長(zhǎng)試圖通過(guò)改變自身葉綠素含量及比例構(gòu)成來(lái)增強(qiáng)其在弱光環(huán)境下的光捕獲能力。本研究中葉綠素含量的變化趨勢(shì)與熊淼[11]等對(duì)兩種白及葉綠素含量的研究結(jié)論一致,均為對(duì)遮蔭環(huán)境的一種內(nèi)部適應(yīng)。但是受光強(qiáng)的絕對(duì)限制,葉綠素的增加無(wú)法補(bǔ)償光照不足造成的凈光合作用下降,說(shuō)明重度遮蔭帶來(lái)的影響已經(jīng)超過(guò)了川芎自我保護(hù)調(diào)節(jié)的閾值,從而造成了不可逆的制約。

遮蔭對(duì)植物葉綠素?zé)晒夂凸夂献饔玫鹊挠绊懸延邢喈?dāng)多的研究,所得出的結(jié)論主要是兩個(gè)方面:一是遮蔭可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng),增加植物生物量,提高光合作用效率;二是遮蔭會(huì)延緩植物的生長(zhǎng),降低植物的光合作用,影響有機(jī)物的積累[11]。綜上,遮蔭對(duì)川芎的影響表現(xiàn)符合第二方面,川芎耐陰性弱,在弱光環(huán)境下生長(zhǎng)情況較差。

遮蔭環(huán)境不光直接改變了光強(qiáng)和光質(zhì),還會(huì)影響其溫度和濕度等環(huán)境因子,因而,川芎在遮蔭環(huán)境下的生理生態(tài)適應(yīng)機(jī)制仍然是一個(gè)復(fù)雜的綜合過(guò)程,為進(jìn)一步摸清其對(duì)遮蔭環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制,下一步可具體地量化不同環(huán)境因子,同時(shí)還要從葉片解剖結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵酶基因的表達(dá)等方面進(jìn)行深入研究。