遮陰干旱對(duì)白及幼苗光合特性的影響

尹若勇，陳蕾如，鄧鵬飛，沈德舜，徐小牛

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院, 安徽 合肥 230036）

由于植物在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)遇到各種非生物脅迫，包括重金屬、鹽、干旱、營(yíng)養(yǎng)缺乏、光照強(qiáng)度、農(nóng)藥污染以及極端溫度等。這些脅迫通過(guò)降低氣孔導(dǎo)度、引起氧化應(yīng)激和降低Rubisco 酶的活性進(jìn)而阻礙植物進(jìn)行光合作用。此外，非生物脅迫還會(huì)破壞光系統(tǒng)(PS Ⅰ和PS Ⅱ)、阻礙光合電子傳遞和葉綠素生物合成[1]。光照和水分限制是影響植物光合作用的重要因素[2]。植物的光合生理特性會(huì)隨著外界環(huán)境中水分和光照的變化而發(fā)生改變。在干旱脅迫初期，氣孔限制是引起植物光合作用下降的主要因素[3]。干旱脅迫通過(guò)降低植物向葉片供水的能力而阻礙光合作用[4]，此時(shí)植物通過(guò)提高水分利用效率、降低蒸騰作用等生理調(diào)節(jié)來(lái)應(yīng)對(duì)干旱脅迫[5-6]。隨著干旱脅迫程度的增加，光合酶的活性降低，光合磷酸化和ATP 的合成也進(jìn)一步降低。光照是影響植物生長(zhǎng)的另一重要環(huán)境因素，植物生長(zhǎng)的最適光照強(qiáng)度因物種而異，通常弱光下，植物的光合作用受到抑制，會(huì)直接導(dǎo)致光合速率下降，此時(shí)植物會(huì)通過(guò)增加光合色素的方式增大光捕獲能力來(lái)應(yīng)對(duì)光照不足的影響。在強(qiáng)光環(huán)境下植物的生長(zhǎng)也會(huì)受到抑制，光合色素會(huì)在強(qiáng)光下降解導(dǎo)致光合作用受限。

自然條件下，植物往往會(huì)受到遮陰和干旱的雙重脅迫，有關(guān)遮陰和干旱雙重脅迫對(duì)植物光合特性的影響存在不同觀點(diǎn)。“權(quán)衡理論”認(rèn)為，遮陰會(huì)加重干旱對(duì)植物的影響，植物為了應(yīng)對(duì)遮陰環(huán)境下光照不足的影響，會(huì)增加植物地上部分的生長(zhǎng)量以提高光捕獲能力和光能利用率，從而導(dǎo)致植物利用地下水分的能力降低，加重干旱的影響[7]。相反，“促進(jìn)理論”則認(rèn)為，遮陰可以減輕干旱對(duì)植物的負(fù)面影響[2]?！跋嗷プ饔美碚摗眲t提出，過(guò)高或過(guò)低的光照均會(huì)加重干旱對(duì)植物的負(fù)面影響，中度遮陰下植物受干旱的影響會(huì)得到緩解[8]?！蔼?dú)立影響理論”指出干旱與遮陰二者彼此獨(dú)立，互不影響[9]。

白及(Bletilla striata)是蘭科白及屬多年生藥用兼觀賞草本植物，其干燥假鱗莖是我國(guó)傳統(tǒng)珍貴中藥材，具有收斂止血、消腫生肌等功效。我國(guó)陜西南部、甘肅東南部、江蘇、安徽、貴州等地是白及的主產(chǎn)區(qū)[10]。自然條件下，白及分布于常綠闊葉林、棟樹林或針葉林下、路邊草叢或巖石縫中[11-12]。國(guó)外學(xué)者對(duì)白及的研究主要集中在化學(xué)成分和藥理作用方面[13]，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)遺傳多樣性[14]、種苗繁育和組培快繁技術(shù)[15]、白及屬植物資源分布與評(píng)價(jià)[16]等方面做了研究。白及為耐陰植物，高光強(qiáng)和過(guò)度遮陰均不利于白及生長(zhǎng)發(fā)育[17]。吳明開等[18]研究表明適當(dāng)遮陰有利于白及生長(zhǎng)發(fā)育，權(quán)雪和張石寶[19]表明水分會(huì)顯著降低白及的光合能力，不利于其生長(zhǎng)發(fā)育，王瑩博等[20]也發(fā)現(xiàn)干旱脅迫會(huì)抑制白及光合作用。目前，關(guān)于遮陰和干旱交互對(duì)白及光合生理影響的研究尚不夠深入，缺乏對(duì)白及相關(guān)脅迫下生長(zhǎng)發(fā)育的理論指導(dǎo)。因此，本研究選用二年生白及幼苗，通過(guò)盆栽試驗(yàn)探討不同遮陰和干旱脅迫環(huán)境下白及光合特性及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化。并提出以下假設(shè)：適當(dāng)遮陰有利于白及植株應(yīng)對(duì)干旱環(huán)境的變化，但重度干旱時(shí)的遮陰會(huì)加重對(duì)白及葉片光合生理的負(fù)面影響。本研究旨在揭示白及對(duì)不同干旱和遮陰環(huán)境的響應(yīng)規(guī)律和適應(yīng)機(jī)制，為白及高效栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2021 年8 月15 日，選擇100 株苗高、長(zhǎng)勢(shì)一致的二年生白及幼苗 (平均株高約35 cm)進(jìn)行緩苗，采用土培盆栽法單株單盆培養(yǎng)，選用園土 ∶ 草炭土 ∶珍珠巖 = 1 ∶ 1 ∶ 1 (質(zhì)量比)的混合基質(zhì)，塑料花盆尺寸為11.6 cm × 10.5 cm × 8.8 cm，每盆基質(zhì)干質(zhì)量為220 g。在緩苗過(guò)程中，利用定期稱重計(jì)算含水量，確?；|(zhì)水分含量均一且充足(達(dá)田間最大持水量的75%)。晝夜溫控變化在26 ℃/24 ℃ (晝/夜)，光照時(shí)間12 h，空氣濕度為60%，光照強(qiáng)度為60%最大光照強(qiáng)度。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021 年9 月30 日開始，將完成緩苗的白及幼苗植株放入人工氣候培養(yǎng)箱(最大光照強(qiáng)度13 000 lux，德國(guó)，CLIMACELL)中控制培養(yǎng)，培養(yǎng)箱相對(duì)濕度設(shè)定為60%，溫度設(shè)置為26 ℃/24 ℃ (晝/夜)，光照時(shí)間12 h。采用雙因素裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主因素為光照強(qiáng)度，培養(yǎng)箱光照為20% (重度遮陰)、40% (中度遮陰)和60% (對(duì)照)，副因素為水分控制，采用Hsiao[21]的水分控制梯度，根據(jù)本試驗(yàn)基質(zhì)用量，稱重法控制30% (重度干旱，每盆澆水78 g)、50%(中度干旱，每盆澆水130 g)和75% (正常水分處理，每盆澆水195 g)田間最大持水量，以此模擬干旱及遮陰兩種脅迫條件。選擇60% 相對(duì)光照作為對(duì)照是基于野外田間觀測(cè)。每個(gè)處理設(shè)置6 株重復(fù)，控制試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為60 d。試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量每株白及幼苗的光合參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)以及光合色素含量。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 光合氣體交換參數(shù)測(cè)定

于上午09:00—11:00 選取從上向下數(shù)第2、3 片上部完全展開的白及功能葉片中段，采用CIRAS-3便攜式光合測(cè)定儀(PP-Systems, USA)測(cè)定其光合參數(shù)。測(cè)量時(shí)參數(shù)設(shè)置為光強(qiáng)600 μmol·(m2·s)-1，葉室溫度25 ℃、濕度60%，CO2濃度500 μmol·mol-1。測(cè)定指標(biāo)包括凈光合速率(A)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(E)、氣孔導(dǎo)度(gs)、水分利用效率(WUE)，計(jì)算氣孔限制值Ls=1-Ci/Ca(Ca為大氣CO2濃度)。

1.3.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定

測(cè)定光合作用同時(shí)，選用光合測(cè)定的同株白及葉片的同一部位，采用JUNIOR-PAM 型便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(德國(guó)WALZ 產(chǎn))，參照Lin 等[22]的方法測(cè)定葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)：葉片暗適應(yīng)30 min后，記錄植株的PS Ⅱ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、潛在活性(Fv/Fo)和實(shí)際光化學(xué)效率(YⅡ)以及光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)、和非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)。其中Fv=Fm-Fo。

1.3.3 葉綠素含量測(cè)定

采用乙醇提取法[23]，從用于測(cè)定光合、熒光參數(shù)的植株葉片中剪取部分葉片組織，稱取約0.1 g 磨碎葉片，加入10 mL 的95%乙醇，于4 ℃下避光浸泡24 h，搖動(dòng)數(shù)次，直至葉片呈白色。將混合物離心靜置后，取2 mL 浸提液待用。用分光光度計(jì)(Lambda 750S, PerkinElmer)測(cè)量待測(cè)液在470、649 和665 nm處的吸光度，并根據(jù)吸光度計(jì)算葉綠素含量。

1.4 可塑性指數(shù)

PI=(Pmax-Pmin)/Pmax。式中：Pmax和Pmin為各參數(shù)在所有處理中的最大和最小平均值，PI可塑性指數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 21.0 軟件對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD 法進(jìn)行多重比較；利用Origin 2021 軟件作圖，數(shù)據(jù)以平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣體交換參數(shù)對(duì)不同遮陰及干旱的響應(yīng)

遮陰和干旱處理對(duì)白及幼苗的氣體交換參數(shù)產(chǎn)生不同程度的影響(圖1)。根據(jù)雙因素方差分析結(jié)果可知，遮陰和干旱交互作用顯著影響Ls、WUE 和Ci(P＜ 0.05)，遮陰極顯著影響WUE (P＜ 0.01)，干旱對(duì)gs、A 和E 具有極顯著影響(P＜ 0.01)。在60% (對(duì)照)和40% (中度遮陰)光強(qiáng)下，隨著干旱程度的增加，Ls和WUE 逐漸增加，Ci、A、E 和gs逐漸降低。正常水分處理下，與60% 光照(對(duì)照) 相比，Ls在20%光照(重度遮陰)下顯著增加40.00% (P＜ 0.05)，gs在重度遮陰下顯著降低44.88%。60% 光照(對(duì)照)下，與正常水分處理相比，中度干旱下E 和gs顯著降低39.08%和41.00%，重度干旱下A、E 和gs顯著降低32.80%、51.72% 和54.06%。WUE 在重度遮陰和中度干旱交互下降到最低，A、E 和gs均在重度遮陰和重度干旱處理下降到最低。

圖1 遮陰和干旱處理下白及幼苗光合氣體交換參數(shù)的差異(n=6)Figure 1 Photosynthetic gas exchange parameters of Bletilla striata seedlings under various shade and drought treatments (n=6)

2.2 遮陰和干旱處理對(duì)白及幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

如圖2 所示，除qP 外，遮陰對(duì)其他葉綠素?zé)晒鈪?shù)均產(chǎn)生顯著影響(P＜ 0.05)。其中，光照對(duì)白及葉片PS Ⅱ的Fv/Fm、Fv/Fo和YⅡ的影響達(dá)到極顯著水平(P＜ 0.01)。正常水分下，與60% 光照(對(duì)照)相比，F(xiàn)v/Fo在20%光照(重度遮陰)下降低14.12%。60%光照(對(duì)照)下，各熒光參數(shù)在不同干旱程度下均未表現(xiàn)出不同。Fv/Fm、Fv/Fo和YⅡ均在重度遮陰和重度干旱交互下降到最低。NPQ 在60%光照和中度干旱交互下最低，qP 在60%光照和重度干旱下最低。

圖2 遮陰和干旱處理下白及幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的差異(n=6)Figure 2 Chlorophyll fluorescence parameters of Bletilla striata seedlings under various shade and drought treatments (n=6)

2.3 遮陰和干旱對(duì)白及幼苗光合色素的影響

不同程度的遮陰和干旱處理對(duì)白及光合色素含量的影響不同(圖3)。遮陰對(duì)Chla、Chlb、Car、總?cè)~綠素含量和Chla/b 均有極顯著影響(P＜ 0.01)；干旱對(duì)Chla/b和總?cè)~綠素影響達(dá)到極顯著水平；所有光合色素含量均受二者交互作用產(chǎn)生極顯著影響。正常水分處理下，與60%光照(對(duì)照)相比，Chla、Chlb、Car 和總?cè)~綠素在40%(中度)和20%(重度遮陰)光照下均顯著增加59.49%和52.38%、59.09%和59.60%、53.16%和66.67%、31.82% 和56.57%，Chla/b 在重度遮陰下顯著降低了7.63%。60% 光照(對(duì)照) 下，與正常水分相比，Chla、Chlb、Car 和總?cè)~綠素在中度干旱下顯著增加36.71%、38.10%、36.36%、39.39% ，Chla、Car 和總?cè)~綠素在重度干旱下顯著增加31.65%、31.82%和31.31%。所有的光合色素均在重度遮陰和中度干旱處理下最低。

圖3 遮陰和干旱處理下白及幼苗光合色素含量的差異(n=6)Figure 3 Photosynthetic pigment contents of Bletilla striata seedlings under various shade and drought treatments (n=6)

2.4 白及幼苗受遮陰和干旱影響下的可塑性變化

不同遮陰和干旱處理下的白及幼苗可塑性能力基本一致(PI水分總平均= 0.38，PI光照總平均= 0.40)，但不同光合生理特征受遮陰和干旱影響的可塑性能力存在差異(圖4)。其中，氣體交換參數(shù)受遮陰和干旱影響的可塑性能力最高(PI水分= 0.59、PI光照= 0.61)，受遮陰影響下的可塑性能力比水分高3.4%。其次為光合色素：PI水分= 0.25、PI光照= 0.32；葉綠素?zé)晒鈪?shù)：PI水分= 0.27、PI光照= 0.24 (圖4)。由可塑性指數(shù)大小可知，葉綠素?zé)晒鈪?shù)可塑性指數(shù)受干旱影響較高，而光合色素可塑性指數(shù)受遮陰影響較高。

圖4 遮陰和干旱影響下白及可塑性指數(shù)的雙變量示圖Figure 4 Bivariate plot of plasticity indices of Bletilla striata under varying shade and drought stresses

3 討論

植物的生理特性會(huì)響應(yīng)外界環(huán)境變化，影響植物的生長(zhǎng)和發(fā)育。本研究中干旱和遮陰均增加了白及幼苗Chla 和Car 含量，這是由于在干旱和遮陰環(huán)境下，植物的生長(zhǎng)受到限制。白及幼苗通過(guò)增加Chla 和Car 含量提高光捕獲能力以應(yīng)對(duì)脅迫環(huán)境，但重度遮陰和中度干旱交互對(duì)白及植株色素含量的消極影響增加；白及植株整體受遮陰和干旱影響的可塑性指數(shù)變化也表明對(duì)不同遮陰和干旱處理的環(huán)境變化適應(yīng)性較高。與此同時(shí)，環(huán)境脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的影響機(jī)制因不同的環(huán)境因子存在差別，通常認(rèn)為，在干旱環(huán)境中，植物的生長(zhǎng)和生產(chǎn)可能會(huì)由于光合作用不足而受到限制[24]，通過(guò)吸收大量水分、減少氣孔數(shù)量、降低蒸騰作用來(lái)適應(yīng)干旱環(huán)境[25]?！皻饪紫拗啤盵26]和“非氣孔限制”[27]是導(dǎo)致植物光合速率下降的主要原因。根據(jù)Farquhar 和Sharkey[28]的光合控制理論，植物受到氣孔限制的表現(xiàn)主要為gs和Ci降低，同時(shí)Ls增大；而“非氣孔限制”的影響主要為Ci上升，同時(shí)Ls降低。在本研究中，除重度遮陰外，導(dǎo)致白及幼苗A 下降的主要因素均為“氣孔限制”，二氧化碳進(jìn)入葉片受阻，引起白及幼苗進(jìn)行光合作用時(shí)所需的原料減少。植株氣孔關(guān)閉會(huì)導(dǎo)致WUE 增加，同時(shí)E 減小[3]，這與本研究結(jié)果一致。有研究表明，干旱脅迫可使葉綠素的合成受阻或加速葉綠素的降解[29-30]，因此會(huì)降低植物對(duì)光能的吸收和利用能力，引起植株光合功能的改變。而在本研究中，干旱處理對(duì)白及幼苗的總?cè)~綠色含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響表明植株對(duì)光能的吸收和利用能力并未因干旱而受到顯著影響。

光是主要環(huán)境因子之一[31-32]，適當(dāng)?shù)墓庹沼欣谥参锏纳L(zhǎng)，當(dāng)光照過(guò)高或過(guò)低時(shí)，會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生極大的影響。本研究中，正常水分處理時(shí)，不同遮陰條件下白及葉片E 隨著gs的降低而下降，且Ci也隨著gs的降低而降低，但白及葉片A 并未發(fā)生顯著變化，表明此時(shí)白及的光合同化能力仍保持相對(duì)協(xié)調(diào)。此外，植物光合色素具有釋放多余能量、防止光損傷、促進(jìn)光系統(tǒng)修復(fù)和縮短光抑制時(shí)間的能力，在不同的環(huán)境中提高光合作用效率。Chla/b 與環(huán)境變化有關(guān)，包括光照強(qiáng)度、養(yǎng)分供應(yīng)、溫度和干旱等脅迫[33-35]。若植物的Chla/b較高，則表明其對(duì)高光強(qiáng)有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，且增強(qiáng)了光合作用的電子傳遞效率[36]，而Chla/b較低則表明其耐陰性較強(qiáng)[37]。因此，可以通過(guò)改變植物光合色素組成從而維持其在不同環(huán)境中的光捕獲能力來(lái)提高植物的光合作用效率[36]。在弱光環(huán)境中，植株可通過(guò)增加光合色素含量來(lái)增大對(duì)光能的捕獲機(jī)會(huì)和對(duì)光能的吸收和利用能力，以適應(yīng)弱光環(huán)境[38-40]。當(dāng)植物對(duì)光的吸收超過(guò)其光合作用能力時(shí)，需要耗散多余的能量，否則會(huì)對(duì)光系統(tǒng)造成破壞，降低光合作用能力。葉綠素是光的收集器，而Car 除了參與光收集外，還具有光保護(hù)作用[34]。Car 可以吸收400～550 nm 范圍內(nèi)的光，其存在于所有的光合作用有機(jī)體中[41]，具有穩(wěn)定脂膜[40-42]和保護(hù)光系統(tǒng)免受活性氧的損害等作用[43-45]。在本研究中，正常水分處理時(shí)，白及幼苗在弱光環(huán)境下會(huì)增加光合色素含量，從而增強(qiáng)對(duì)光能的捕獲和利用能力；重度遮陰下的Chla/b 低于其他兩組遮陰處理，說(shuō)明Chlb 的增長(zhǎng)量相對(duì)更高，薛思雷等[46]的研究認(rèn)為，Chlb 相對(duì)含量的增高可提高對(duì)弱光的捕獲能力。由此可見(jiàn)，白及通過(guò)對(duì)光合色素含量的調(diào)節(jié)增強(qiáng)了對(duì)弱光環(huán)境的適應(yīng)。Fv/Fm是PS Ⅱ的最大光化學(xué)效率，常用于說(shuō)明植物葉片PS Ⅱ原初光能轉(zhuǎn)換效率，當(dāng)植物處于正常生長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)v/Fm值一般為0.75～0.85[47]。而在本研究中，盡管Fv/Fm均隨著光照強(qiáng)度的增加而增加，但所有處理下白及的Fv/Fm始終維持在0.7 以上，這說(shuō)明干旱和遮陰脅迫并未破壞白及葉片的PSⅡ系統(tǒng)，其仍能維持較高的原初光能轉(zhuǎn)換效率，可適應(yīng)較大的光強(qiáng)幅度。

遮陰和干旱交互作用對(duì)白及葉片光合特性和葉綠素?zé)晒鈪?shù)產(chǎn)生了不同的影響，遮陰提高了干旱下Ci，同時(shí)也加重了干旱對(duì)WUE 的抑制作用，符合“權(quán)衡理論”的觀點(diǎn)；而干旱時(shí)植株的Ls在遮陰下得到了緩解，Ls降低，符合“促進(jìn)理論”的觀點(diǎn)，這與劉翠菊等[48]對(duì)耐冬山茶(Camellia japonica)的研究中得出的結(jié)論相同，此時(shí)A 下降且在重度遮陰下表現(xiàn)出顯著差異，說(shuō)明此時(shí)交互作用可能使植株受到了非氣孔限制影響。干旱和遮陰脅迫通過(guò)抑制Chla、Chlb 的合成，并加快其分解速度，從而使葉綠素含量降低。本研究中，重度遮陰和中度干旱交互作用對(duì)白及光合色素含量產(chǎn)生了負(fù)面影響，降低了白及植株對(duì)光能的捕獲和利用能力，與鄧秀秀等[49]對(duì)馬尾松(Pinus massoniana)的研究結(jié)果相同，這也解釋了A 在交互作用下呈下降趨勢(shì)的原因，此時(shí)干旱和遮陰互作的影響更符合“相互作用理論”。干旱和遮陰互作對(duì)白及植株葉綠素?zé)晒鈪?shù)并未表現(xiàn)出顯著影響，且Fv/Fm均保持在0.7 以上，這與王瑩博等[20]對(duì)白及的研究結(jié)果相似，說(shuō)明白及植株在本研究條件下具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，但在重度遮陰和重度干旱交互下白及植株的Fv/Fm和Fv/Fo出現(xiàn)明顯下降，表明白及PSⅡ此時(shí)受到破壞較為嚴(yán)重，更傾向于“相互作用理論”，若繼續(xù)施加脅迫可能會(huì)造成PSⅡ的破壞，盡管各參數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)，但總體較為穩(wěn)定，若此時(shí)解除脅迫，白及的生長(zhǎng)將逐漸恢復(fù)正常。本研究中不同遮陰處理并未緩解干旱脅迫對(duì)白及幼苗的負(fù)面影響，這與先前提出的假設(shè)不完全相符，可能是由于白及作為陰生植物，對(duì)環(huán)境光照強(qiáng)度的變化較為敏感，因此對(duì)其施加遮陰不會(huì)緩解干旱脅迫的負(fù)面影響。

4 結(jié)論

本研究中，不同干旱和遮陰交互處理下白及幼苗的光合特性呈現(xiàn)出不同的響應(yīng)和適應(yīng)機(jī)制，重度遮陰和重度干旱交互降低了白及植株的光合能力，影響了白及的正常生長(zhǎng)發(fā)育，在重度遮陰和中度干旱下光合色素減少，降低了白及的光合作用強(qiáng)度，但葉綠素?zé)晒鈪?shù)均維持在較為穩(wěn)定的狀態(tài)，表明白及未受到不可逆的損傷。因此，在白及實(shí)際生產(chǎn)栽培時(shí)，需要關(guān)注干旱和遮陰對(duì)幼苗的影響。