金葉銀杏葉表型及光合特征對遮陰的響應(yīng)

關(guān)鍵詞：金葉銀杏；遮陰；細胞結(jié)構(gòu)；葉綠素?zé)晒?/p>

中圖分類號：S664.3 文獻標志碼：A 文章編號：1003—8981（2024）03—0177—11

光照是影響植物生長的重要環(huán)境因子，不僅為植物進行光合作用提供能量，還對植物的生長發(fā)育和形態(tài)建成有重要影響[1-3]。強光對植物生長，尤其是幼苗生長有抑制作用，適當(dāng)遮陰會促進植物生長[4-5]。楊禮旦等[6] 對粗壯女貞Ligustrumrobustum 的研究結(jié)果表明，葉片在全光照下常出現(xiàn)皺紋、卷曲并向中間閉合等現(xiàn)象，在遮陰條件下葉片生長良好。適當(dāng)遮陰也能夠促進金蓮花Trollius chinensis 的生長發(fā)育，株高、葉片數(shù)量、葉面積等指標增大[7]。遮陰對植物的葉片結(jié)構(gòu)也有明顯的影響，遮陰處理下柵欄組織細胞變短，柵欄組織和葉片上下表皮厚度均減小[8-9]。遮陰對‘紅葉’南天竹Nandina domestica ‘Hongye’ 葉片色素含量及比例的影響明顯，葉片呈色與光合色素合成有關(guān)，色素是決定其葉色變化的直接因素[10-11]。植物通過調(diào)整葉綠素含量來適應(yīng)光照環(huán)境的變化：強光下，植物通過降低葉綠素含量來減少葉片對光能的吸收，從而降低強光對葉片的傷害；弱光下，植物通過升高光合色素含量來提高光能利用效率，以適應(yīng)弱光環(huán)境，促進苗木生長發(fā)育[12-13]。葉綠素?zé)晒馐茄芯恐参锕夂献兓捌鋵ν饨绛h(huán)境脅迫響應(yīng)的重要參數(shù)，能直接反映不同環(huán)境下植物的光能分配、光合結(jié)構(gòu)與功能等[14]。

銀杏Ginkgo biloba 為我國特有的孑遺樹種，集食用、藥用、材用和觀賞等價值于一身[15]。金葉銀杏G. biloba ‘Golden leaves’ 為銀杏的芽變品系，其生活習(xí)性與普通銀杏相近，同時具有較高的觀賞價值[16]。金葉銀杏葉片在4 月萌芽時呈鮮明的金黃色，6 月后逐漸轉(zhuǎn)綠，10 月后再轉(zhuǎn)至黃色[17]。目前，已有關(guān)于金葉銀杏葉面積和含水量的年動態(tài)變化[18]、葉色參數(shù)及色素含量的變化[19-20]以及光合生理特性[21] 等方面的研究報道，初步明確其呈色機制及表型對外界環(huán)境的響應(yīng)[16，18-20]。然而，有關(guān)金葉銀杏對光照適應(yīng)性方面的研究鮮見報道，尚不清楚其對遮陰的響應(yīng)特征。本研究中以4 年生金葉銀杏實生苗為試驗材料，人工設(shè)置了4 種遮陰強度，通過測定金葉銀杏葉片表型指標及光合相關(guān)參數(shù)，探索適宜的光照環(huán)境，明確金葉銀杏與光強間的效應(yīng)，旨在為完善金葉銀杏的人工栽培技術(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于南京林業(yè)大學(xué)校內(nèi)。南京（118°22′～119°14′E，31°14′ ～ 32°37′N） 的年平均溫度為15.7 ℃，年降水量1 106.5 mm，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。

1.2 材 料

試驗材料為5 年生金葉品系（Y）和綠葉品系（G）銀杏實生苗，2 個品系為同株金葉銀杏母樹上的種子分化而來。實生苗的平均株高為150.4 cm，地徑為2.88 cm。單株栽植于上口徑28 cm、下口徑22 cm、深度31 cm 的塑料加侖盆中。栽培基質(zhì)為常規(guī)有機營養(yǎng)土，有機質(zhì)含量不小于50%，腐殖酸含量高（氮、磷、鉀含量均不小于2.5%）。

1.3 試驗設(shè)計

利用不同針數(shù)的黑色遮陰網(wǎng)設(shè)置4 個遮陰處理：CK（自然光）、L1（30% 遮陰率）、L2（50%遮陰率）、L3（70% 遮陰率），并用光量子計（3415，Spectrum，美國）驗證。采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，每處理12 盆，共48 盆。試驗從5 月初開始，至6月底結(jié)束，試驗結(jié)束后采樣，用于測定各項指標，試驗期間定期進行常規(guī)水肥管理。

1.4 指標測定

1.4.1 葉片表型及解剖結(jié)構(gòu)

用葉面積測量儀（YMJ-D，托普云農(nóng)，中國）測量葉長、葉寬、葉柄長及葉面積，每處理在植株中部以上隨機選擇9 片成熟葉，每片葉重復(fù)測量3 次。采用石蠟切片法（切片厚度為5 μm，中性樹膠封片），制成葉片解剖結(jié)構(gòu)永久玻片，在光學(xué)顯微鏡（BX53，Olympus，日本）下，每處理隨機選取15 個清晰的視野進行觀測，測量葉片的柵欄組織厚度、海綿組織厚度、上表皮厚度、下表皮厚度及葉片總厚度。

1.4.2 葉色參數(shù)

每處理在植株中部以上隨機選擇5 片成熟葉，使用X-Rite 色差儀（TsD010，愛色麗，美國）測定葉色參數(shù)，每片葉重復(fù)測定3 次，共15 個生物學(xué)重復(fù)，測定參數(shù)包括明度屬性L^*、紅綠屬性a^*、黃藍屬性b^*。

1.4.3 色素含量

將葉片剪成寬約1 mm 的長條，稱取0.1 g 置于指形管，加入10 mL 的95% 乙醇溶液，置于黑暗處48 h。待葉片完全變白后，用分光光度計（UVmini-1240 型，島津，日本）測定其在665、649、470 nm 波長下的吸光值，計算葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素及類胡蘿卜素的質(zhì)量分數(shù)，每個處理9 次重復(fù)。

1.4.4 光合參數(shù)和熒光參數(shù)

8：30—11：30，選取植株上部成熟健康的葉片，使用便攜式光合儀（Li-6400XT，LI-COR，美國）測定凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO摩爾分數(shù)。測定光合參數(shù)的同時，使用植物效率分析儀（Handy PEA，科隆，英國）測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，每處理9 次重復(fù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016 軟件整理數(shù)據(jù)， 使用SPSSStatistics 26.0 軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析處理，包括各性狀差異性分析、相關(guān)性分析和主成分分析，并用Origin 2021 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 遮陰處理對葉片表型的影響

相同遮陰處理下，綠葉品系葉片表型值大于金葉品系（表1）。金葉品系中，葉柄長在不同遮陰處理下無顯著差異，葉長、葉寬、葉面積均呈極顯著差異性（P ＜ 0.01），隨著遮陰強度增加，值逐漸增大，在L3 處理達最大值，其中L1 與L2這2 組處理的差異不顯著。綠葉品系中，葉長、葉寬、葉柄長和葉面積均呈顯著差異（P ＜ 0.05），在CK 條件下最大。

2.2 遮陰處理對葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響

金葉品系中，葉片厚度呈極顯著差異（P ＜0.01），柵欄組織厚度和海綿組織厚度呈顯著差異（P ＜ 0.05），均隨遮陰強度增加而增加，在L3 處理下達最大值；下表皮厚度也呈顯著性差異（P ＜ 0.05），但無明顯規(guī)律變化。綠葉品系中，葉片厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度均呈極顯著差異（P ＜ 0.01），上表皮厚度呈顯著差異（P ＜ 0.05），隨遮陰強度增加均呈先升后降的趨勢，在L2 處理下達最大值（表2）。

2.3 遮陰處理對葉色參數(shù)的影響

CIE Lab表色系統(tǒng)由國際照明委員會推出，其中：L^* 值表示光澤明亮度；a^* 值表示紅綠屬性，正值越大則紅色越深，負值越小則綠色越深；b*的正值表示黃色程度，負值表示藍色程度[22]。金葉品系葉片的L^* 值和b^* 值在相同遮陰強度下均大于綠葉品系，且在CK 條件下，金葉品系葉片的L^* 值和b^* 值分別是綠葉品系的1.34、1.56 倍；2個品系的L^* 值、a^* 值和b* 值在均CK 條件下最大（圖1）。金葉品系葉片L^* 值和b* 值隨著遮陰強度增大逐漸減小，a^* 值呈先降后升趨勢；綠葉品系葉片的L^* 值、a^* 值和b^* 值均隨著遮陰強度增大逐漸減小。

2.4 遮陰處理對葉片色素含量的影響

任何遮陰處理下，綠葉品系葉片的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素的含量均顯著高于金葉品系，2 個品系葉片的色素含量隨遮陰強度增加先提高后下降（圖2）。在L2 處理下，金葉品系葉片的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量比CK 分別提高了58.3%、88.5%、62.6% 和34.3%，綠葉品系分別提高了24.1%、25.7%、24.5% 和13.3%。2 個品系中，類胡蘿卜素與總?cè)~綠素的含量比值均先降后升；葉綠素a與葉綠素b 的含量比值隨遮陰強度增加逐漸降低。

2.5 遮陰處理對光合參數(shù)的影響

金葉品系和綠葉品系中，凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度均在CK條件下最大。在CK條件下，綠葉品系的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度高于金葉品系，蒸騰速率低于金葉品系，這3 個指標值均隨遮陰強度增加逐漸下降；胞間CO摩爾分數(shù)呈先升后降的趨勢（圖3）。說明遮陰導(dǎo)致凈光合速率下降，而胞間CO 摩爾分數(shù)隨遮陰強度增加而遞增，在L3 處理條件下降低，推測是由于弱光脅迫下葉片發(fā)育較弱。

2.7 金葉銀杏葉色參數(shù)與色素含量的相關(guān)性

由表3 可知，金葉銀杏葉片的L^* 值與a^* 值均與葉綠素含量和類胡蘿卜素含量呈極顯著負相關(guān)，b^* 值與葉綠素b 含量和類胡蘿卜素含量呈顯著負相關(guān)，即色素含量越高，葉片亮度和黃色程度越低，綠色程度越高。進一步分析發(fā)現(xiàn)，b* 值與類胡蘿卜素和總?cè)~綠素的含量比值顯著正相關(guān)，L^* 值、a^* 值則是極顯著正相關(guān)，說明類胡蘿卜素和總?cè)~綠素的含量比值越低，葉片亮度和黃色程度越低，綠色程度越高，葉片整體呈現(xiàn)綠色，相反則呈現(xiàn)黃色。

2.8 遮陰處理對金葉銀杏核心評價指標影響的綜合評價

金葉銀杏作為良好的藥用植物，其選育的最終目標是盡可能多提供藥用物質(zhì)，葉片的生物量、形態(tài)和藥用物質(zhì)含量是評價葉用樹種藥用價值的重要依據(jù)。根據(jù)相關(guān)性分析的結(jié)果及藥用選育目標，共選擇7 個指標作為核心評價指標進行主成分分析，結(jié)果見表4。其中3 個主成分的貢獻率分別為39.241%、32.934%、19.685%， 而3 個主成分的累計貢獻率達91.860%。

通過計算其3個主成分得分，并根據(jù)所選主成分的方差貢獻率對主成分得分進行加權(quán)平均，結(jié)果見表5。由表5 可以看出：綠葉品系在L1（30%遮光率）處理下生長效果最佳，綜合得分排第1位；金葉品系在L2（50% 遮光率）處理下生長效果最佳，綜合得分排第3 位。

3 結(jié)論與討論

光照過強會導(dǎo)致植物出現(xiàn)光抑制，過弱的光環(huán)境不利于植物生長發(fā)育。本研究中發(fā)現(xiàn)，在適度遮陰條件下，銀杏會通過擴大葉面積，增加葉片厚度和海綿組織厚度，以及提高色素含量等多種生長策略來提高光能利用效率，從而適應(yīng)弱光環(huán)境，促進養(yǎng)分的吸收積累和苗木的生長。根據(jù)主成分分析結(jié)果，可以看出金葉品系在50% 遮光率條件下生長效果最佳，綠葉品系在30% 遮光率時生長效果最優(yōu)。在實際生產(chǎn)過程中，可通過使用適當(dāng)遮陰強度的遮陰網(wǎng)，營造更適合銀杏幼樹生長的光照環(huán)境。

葉片表型的變化是植物對外部環(huán)境響應(yīng)的結(jié)果，植物會通過改變自身形態(tài)來適應(yīng)其生存的光環(huán)境[22-23]。蔡錫安等[24] 對梅葉冬青Ilex asprella進行遮陰處理，發(fā)現(xiàn)葉長、葉寬和葉面積均明顯增大。本研究中，隨著遮陰強度的增加，葉長、葉寬以及葉面積均表現(xiàn)出增長的趨勢，在70% 遮陰率下達到最大值，這說明在弱光條件下，植物會通過增加葉面積而爭取更多光照，來保證其正常生長，這與張培等[25]、Cardillo 等[26]、楊瑀鑫[27]的研究結(jié)果一致。

葉肉是植物葉片內(nèi)最發(fā)達和最重要的細胞組織，是植物進行光合作用的場所，也是對外環(huán)境十分敏感的葉內(nèi)組織。當(dāng)外界光照較強時，植物葉片厚度增加，表皮結(jié)構(gòu)和柵欄組織發(fā)達；葉片變薄、海綿組織疏松是葉片對弱光的適應(yīng)特性，能提高其對光的利用能力[28-29]。本研究中金葉品系的葉片厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度隨遮陰強度的增加逐漸增大，綠葉品系呈現(xiàn)先升后降的趨勢，說明在一定弱光條件下，發(fā)達的柵欄組織和海綿組織更有利于其對弱光環(huán)境的適應(yīng)[30]，這與薛黎等[31] 的研究結(jié)果基本一致。

植物葉片的呈色受本身基因和環(huán)境因素的共同影響，一般通過改變色素的種類、含量及分布區(qū)域來控制葉色變化，葉綠素使植物葉片呈綠色，類胡蘿卜素使植物葉片呈黃色[32-33]。本研究中，隨著遮陰強度增加，類胡蘿卜素與總?cè)~綠素的含量比值逐漸降低，說明隨著遮陰強度增加，葉片綠色屬性逐漸增加，與朱倩玉等[34] 的研究結(jié)果一致。楊露等[35] 研究了遮陰對風(fēng)箱果Physocarpusopulifolius 的影響， 結(jié)果表明： 紫葉風(fēng)箱果P. opulifolius ‘Summer Wine’ 的葉色參數(shù)a^* 值隨遮陰度的增加而逐漸降低，尤其在80% 遮陰處理下達到負值，葉片呈綠色；在80% 遮陰處理下，金葉風(fēng)箱果P. opulifolius ‘Lutein’ 的L^* 值和b^* 值遠低于對照組，說明遮陰使葉片亮度降低，黃色逐漸褪去。本研究中，遮陰條件下銀杏金葉品系和綠葉品系的L^* 值、a^* 值和b^* 值均小于CK 處理，說明遮陰處理導(dǎo)致葉片亮度和黃色屬性降低，綠色屬性增加，葉片逐漸變綠，這與黃亞麗等[11]對華金葉榆Ulmus pumila ‘Jinye’的研究結(jié)果相似。

葉綠素是光合作用中光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化的物質(zhì)基礎(chǔ)，植物利用葉綠體中的光合色素將光能轉(zhuǎn)化為生長所需的能量，光合色素的含量在一定程度上直接影響植物的光合效率[36-37]。在一定的弱光脅迫下，植物可通過提高類胡蘿卜素的含量，增加對可見光的吸收，把光能傳遞給葉綠素，從而提高光合速率，促進光吸收和光保護，葉綠素b 主要吸收藍紫光，其含量的增加有助于植物在弱光環(huán)境下捕獲更多的光能，提高植物對弱光環(huán)境的適應(yīng)性[38-39]。張琰等[40] 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，隨著遮陰強度增加，雞爪槭Acer palmatum 的葉綠素和類胡蘿卜素含量逐漸上升，當(dāng)光照強度過低時，則下降，這與本研究結(jié)果一致。葉綠素a 與葉綠素b 的含量比值較小的植物具有較強的耐陰性[24]，說明綠葉品系較金葉品系更耐陰；隨著遮陰程度的提高，葉綠素a 與葉綠素b 的含量比值下降，這與黃亞麗等[11]、楊露等[35] 的研究結(jié)果一致。

凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO 摩爾分數(shù)是用來評判植物光合作用強度的基本指標，可反映植物對外界環(huán)境的適應(yīng)能力[41]。本研究中發(fā)現(xiàn)，隨著遮陰強度增加，凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度呈降低趨勢，這與對苧麻Boehmeria nivea[42] 和花生Arachis hypogaea[43] 的研究結(jié)果一致。一般來說，氣孔限制和非氣孔限制均會降低植物的光合能力[44]。在本研究中，遮陰降低了葉片的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度，但增加了胞間CO 摩爾分數(shù)，表明遮陰脅迫通過非氣孔限制降低了葉片的光合能力，這與對大麥Hordeum vulgare[45] 的研究結(jié)果相似。

植物在生長過程中受多種環(huán)境因子的影響，僅研究遮陰（光照強度）對金葉銀杏生長的影響，有一定的局限性，不能全面反映適合金葉銀杏生長的環(huán)境。在未來的研究中，可進行雙因素或多因素綜合分析評價，如遮陰與溫度、土壤水分、施肥等的互作，也可以進一步從分子水平深入研究其響應(yīng)遮陰的機制。