唐敬超, 史作民,2,*, 羅 達, 劉世榮

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所, 國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室, 北京 100091 2 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210037 3 新疆林業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟林研究所, 烏魯木齊 830063

遮蔭處理對灰木蓮幼苗葉片光合氮利用效率的影響

唐敬超1, 史作民1,2,*, 羅 達3, 劉世榮1

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所, 國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室, 北京 100091 2 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210037 3 新疆林業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟林研究所, 烏魯木齊 830063

以適生在我國南亞熱帶地區(qū)的珍貴樹種灰木蓮(Manglietiaglauca)為研究對象,對其幼苗葉片的光合氮利用效率(PNUE)及影響因素在不同遮蔭條件下的適應(yīng)情況進行了研究,以期為這種珍貴樹種的栽培育苗,以及人工純林的改造提供科學(xué)理論依據(jù)。結(jié)果表明：60%遮蔭條件下生長的灰木蓮幼苗葉片光飽和凈光合速率最高(Amax, 6.03 μmol m-2s-1),主要是由于60%遮蔭條件下的灰木蓮幼苗葉片具有最高的最大羧化速率(Vcmax, 32.93 μmol m-2s-1)及較高的最大電子傳遞速率(Jmax, 61.83 μmol m-2s-1)。不同遮蔭處理下的灰木蓮幼苗葉片PNUE并沒有顯著差異,這是因為其在不同遮蔭條件下的單位面積葉片氮含量(Narea)及Amax會同步變化,核心是其分配到1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(Rubisco)及生物力能學(xué)組分的氮比例(PR及PB)在不同遮蔭處理下并沒有顯著差異?；夷旧徲酌缛~片光合系統(tǒng)中捕光組分氮分配比例(PL)會隨著遮蔭程度的增加而顯著增大,三個處理下的PL大小順序為：90%遮蔭(0.296 g/g)>60%遮蔭(0.216 g/g)>全光(0.132 g/g),但這部分氮比例的提高并不會提高葉片的PNUE。灰木蓮幼苗葉片捕光組分氮并不與細胞壁氮、Rubisco氮或者生物力能學(xué)組分氮形成協(xié)同變化,其隨著遮蔭程度的增加而增大的氮比例來源于其他氮庫,這種變化是多因子綜合作用的結(jié)果。因此在培育灰木蓮幼苗時要進行適度遮蔭,進行純林改造時開出的林窗也不宜過大,要選擇較為蔭蔽的林下環(huán)境進行栽植；在遮蔭的同時也要適度增施氮肥,以補充因捕光組分氮比例提高而造成的葉片氮消耗。

光合氮利用效率；灰木蓮；遮蔭；氮分配；CO2導(dǎo)度

光合氮利用效率(Photosynthetic nitrogen-use efficiency,PNUE)是葉片的固有屬性,是描述植物葉片養(yǎng)分利用、生理特性和生存策略的重要特征[1],是解釋葉片經(jīng)濟學(xué)的生物化學(xué)關(guān)鍵因素[2- 4]。由于PNUE是單位面積葉片光飽和凈光合速率(Amax)與單位面積葉片氮含量(Narea)的比值,因此葉片Amax與Narea的變化就會影響PNUE[5]。而從生物化學(xué)的角度來看,羧化位CO2濃度,葉片分配到光合作用限制步驟的氮占總?cè)~氮的比例以及光合酶的活性都會影響PNUE[3]。葉片中的氮元素是影響PNUE的關(guān)鍵因素[6]。有研究認為,遮蔭會降低植物葉片光合系統(tǒng)中的Rubisco氮分配比例(PR)和生物力能學(xué)組分氮分配比例(PB),提高捕光組分氮分配比例(PL)[7- 9]。但也有研究認為遮蔭雖然會提高PL,但并不會降低PR和PB[10-11]。遮蔭對PNUE的影響也較為復(fù)雜,隨著生長光強的降低,植物葉片PNUE不變[12-13],增加[14]或者降低[15]都有相應(yīng)的研究結(jié)果出現(xiàn)。此外,細胞壁的合成也需要氮的參與,這部分氮也可能與光合系統(tǒng)的氮形成權(quán)衡關(guān)系進而影響PNUE[16-17]。

我國南亞熱帶地區(qū)自20世紀80年代開始進行大規(guī)模的植樹造林[18],營造了大量以馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)為主的速生純林[19]。但長期大面積同齡純林連栽會導(dǎo)致林分出現(xiàn)多種生態(tài)問題[20-23]。為了減少人工純林的不利影響,將闊葉樹種混交到人工純林中,進而調(diào)整林分的樹種組成及結(jié)構(gòu)便成為一種較好的方法[22]。然而混交需要將這些闊葉樹種栽種到純林中開出的林窗內(nèi),林窗所能提供的光照條件就成為制約闊葉樹種生長的重要因素。因此對這些樹種幼苗葉片在不同生長光照條件下的光合能力及PNUE進行研究就具有較為重要的參考價值與實踐意義。

灰木蓮(Manglietiaglauca)是木蘭科常綠喬木,是適生于我國南亞熱帶地區(qū)的珍貴樹種[24]?；夷旧徤L快、干型通直、材質(zhì)良好、樹形優(yōu)美,具有移植容易成活且移栽恢復(fù)快的優(yōu)點,是非常優(yōu)良的綠化及林分改造樹種[25]。近些年來的研究多集中于對灰木蓮組織培養(yǎng)[26]、引種栽培[27]、苗木生長[28]、人工林生長規(guī)律[25]等的研究,而對灰木蓮光合生理生態(tài),特別是不同遮蔭環(huán)境下幼苗葉片PNUE的研究較為少見[29-30]。本研究以灰木蓮為對象,對其幼苗葉片在不同遮蔭環(huán)境下的PNUE及其影響因素進行研究,并基于該研究提出以下科學(xué)問題：1.灰木蓮幼苗葉片的PNUE及影響因素在不同遮蔭條件下會怎樣變化？2.灰木蓮幼苗葉片各含氮組分的氮分配比例是否會隨著遮蔭程度的變化而協(xié)同變化？研究結(jié)果可以為這種珍貴樹種的栽培育苗,以及人工純林的改造提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗地位于廣西憑祥市中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實驗中心苗圃(106°44′40″—106°44′44″E, 22°7′19″—22°7′22″N),海拔250—300 m。該地區(qū)屬于南亞熱帶季風氣候,干、濕季節(jié)分明。年均氣溫21℃,平均月最低和最高氣溫分別為12.1℃和26.3℃；年平均降水量1400 mm,降水主要發(fā)生在4—9月；≥10℃活動積溫為6000—7600℃；年均日照時數(shù)1419 h。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

灰木蓮種子采自同一棵母樹,種子于2014年1月份出苗。3月下旬選取長勢良好,大小相近的60株幼苗移栽到裝有河沙的花盆中?；ㄅ韪?8.5 cm,口直徑與底直徑分別為21 cm及15 cm,盆內(nèi)的河沙用清水洗凈?；ㄅ桦S機均分為三組,分別放置在全光下(晴天正午可以達到光飽和點),60%遮蔭棚(達不到光飽和點,但高于光補償點)及90%遮蔭棚(略高于光補償點)下。2014年4—6月每天進行澆水以保證水分供應(yīng)充足,每周使用相同濃度的營養(yǎng)液保證營養(yǎng)供應(yīng)充足。

2.2 氣體交換參數(shù)的測定

在2014年7—8月的晴天利用Licor- 6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)(LI-COR,Lincoln Nebraska,USA)對目標幼苗葉片進行光響應(yīng)及CO2響應(yīng)曲線的測定。每個處理選取5棵生長良好的幼苗,每個幼苗選取1個葉片。所選葉片位于植株向陽面頂端,為新展開成熟葉,健康無病蟲害。利用Licor- 6400光合儀紅藍光源(6400-02B,LI-COR,Lincoln Nebraska,USA),由高到低按照1500,1200,1000,800,600,400,200,150,100,80,50,20,0 μmol m-2s-1梯度測定其光響應(yīng)曲線,測定時葉室CO2濃度設(shè)定為380 μmol/mol。測定光響應(yīng)曲線后的第二天,設(shè)定葉室光照在光飽和點,設(shè)定葉室CO2濃度依次為380,200,150,100,80,50,380,600,800,1000,1200,1500,1800,2000 μmol/mol對同一個葉片測定胞間CO2響應(yīng)曲線[31-32]。所有氣體交換參數(shù)測定時葉室溫度控制在30(±1)℃,濕度控制在60%—70%。在每個光強或CO2濃度下平衡200 s后測定凈光合速率(A),測定重復(fù)十次。利用光響應(yīng)曲線計算暗呼吸速率(Rd)及光飽和凈光合速率(Amax),利用胞間CO2響應(yīng)曲線計算最大羧化速率(Vcmax),最大電子傳遞速率(Jmax)及無暗呼吸時CO2補償點Γ*(μmol/mol)等數(shù)據(jù)。

2.3 熒光產(chǎn)量的測定

運用Licor- 6400光合儀熒光葉室(6400- 40,LI-COR,Lincoln Nebraska,USA)進行測定。測定選用的目標葉片與氣體交換參數(shù)測定葉片相同,測定時的葉室溫濕度也與氣體交換參數(shù)測定時的一致,葉室CO2濃度設(shè)定為380 μmol/mol,葉室內(nèi)光強設(shè)定為光飽和點。葉片經(jīng)飽和光強充分活化后進行測定,測定時的脈沖強度(intensity)、調(diào)制頻率(rate)、信號平均頻率(filter)及信號放大倍數(shù)(gain)分別設(shè)置為：5檔(<1 μmol m-2s-1)、20 kHz、1 Hz、10倍[33]。每個葉片重復(fù)記數(shù)10次以上,測得的熒光產(chǎn)量(⊿F/Fm′)用于葉肉細胞導(dǎo)度(gm)的求算。

2.4 植物葉片基本屬性的測定

使用CI202手持式葉面積儀(CID,Washington State,Camas,USA)測定葉片面積。隨后將葉片分為三份：第一份放入80℃烘箱烘干至恒重計算葉片干重,隨后采用凱氏定氮法測定葉片總氮含量；第二份采用分光光度法測定葉綠素含量；第三份使用化學(xué)分離法測定細胞壁氮含量。

2.5 葉肉細胞導(dǎo)度的計算

葉肉細胞導(dǎo)度(gm)利用Harley等提出[34],Loreto等改進[35]的計算方法求算。在該方法中：

式中,Leafreflu為葉片吸收系數(shù),取值為0.9,PARDistPhotosys為所吸收光能在兩個光系統(tǒng)之間的分配比例,取值為0.5[33]；凈光合速率A(μmol m-2s-1),胞間CO2濃度Ci(μmol/mol),熒光產(chǎn)量⊿F/Fm′,光照強度PAR(μmol m-2s-1)等由相關(guān)儀器直接測出；Rd(μmol m-2s-1)通過光響應(yīng)曲線計算；Γ*(μmol/mol)通過胞間二氧化碳響應(yīng)曲線計算。由此可計算出電子傳遞速率Jf(μmol m-2s-1),從而計算出葉肉細胞導(dǎo)度。

2.6 最大羧化速率和最大電子傳遞速率的計算

首先通過胞間二氧化碳響應(yīng)曲線初始部分(外界CO2濃度在50—200 μmol/mol時)胞間CO2濃度(Ci)與A作擬合直線A=kCi+i,得到斜率k以及i。其中,Ci為Licor- 6400直接測得；k為羧化效率CE；i等于Ci取值為0時的A,相當于光呼吸速率[14]。然后通過Farquhar[36]提出的方法計算Vcmax：

Kc為Michaelis-Menten RUBP羧化常量,Ko為Michaelis-Menten RUBP氧化常量,在30℃時分別取值為469.83 μmol/mol和456.21 mmol/mol[6]。O是胞間氧氣濃度,取值為210 mmol/mol。Γ*(μmol/mol)通過胞間二氧化碳響應(yīng)曲線計算。

最大電子傳遞速率通過Loustau提出的方法進行計算[37]：

Amax′為光與CO2都飽和時的A,Rd(μmol m-2s-1)通過光響應(yīng)曲線計算。

2.7 光合系統(tǒng)內(nèi)各組分氮分配比例的計算

光合系統(tǒng)中各組分的氮分配比例利用Niinemets和Tenhunen提出的計算方法進行求算[6]。在該方法中光合系統(tǒng)中的含氮物質(zhì)可以按其在光合作用中的功能劃分為三部分：Rubisco、生物力能學(xué)組分以及捕光組分,其各部分含氮比例的計算方法如下：

其中,PR為氮分配到Rubisco中的比例；PB為氮分配到生物力能學(xué)組分中的比例；PL為氮分配到捕光組分中的比例；MA為單位面積葉干重(g/m2)；Nmass為單位干重葉片氮含量(g/g)；Vcmax單位為(μmol m-2s-1)；Jmax單位為(μmol m-2s-1)；CChl為葉片葉綠素濃度(mmol/g)；Vcr是Rubisco比活,即單位Rubisco的CO2固定活性(μmol CO2g-1Rubisco s-1),與溫度相關(guān)；Jmc為單位細胞色素f(Cytochrome f, Cyt f)的最大電子傳遞速率(μmol electrons μmol-1Cyt f s-1),與溫度相關(guān)。Vcr和Jmc的計算方法如下[38-39]：

其中,R為通用氣體常數(shù),取值為8.314 (J K-1mol-1)；Tk是葉片溫度(K),ΔHa、ΔHd、ΔS和c為活化能、去活化能、熵和比例常數(shù),計算Vcr時的取值分別為74000 (J/mol)、203000 (J/mol)、645 (J K-1mol-1)和32.9；計算Jmc時的取值分別為24100 (J/mol)、564150 (J/mol)、1810 (J K-1mol-1)和14.77[6,40-41]。

CB為捕光組分中葉綠素與氮的比值(mmol Chl/(g N)),其取值可以利用擬合出的CB的值與MA的值的關(guān)系的線性公式來進行計算,其相關(guān)系數(shù)較高(r2=0.97),并且可以在多種植物類型中廣泛應(yīng)用。其公式為：

其中,[MA]為單位面積葉片干重(MA,單位g/m2)的值,[CB]為CB的值[6]。這樣就可以通過MA的值來計算出CB的值,以便進一步計算PL[42]。

2.8 細胞壁氮含量的測定

各研究對象的細胞壁氮含量采用Onoda等使用的方法進行測定[17]。取1 g鮮樣研磨至勻漿,離心后丟棄上清液,沉淀依次添加3%(W/V)十二烷基磺酸鈉(SDS)、淀粉轉(zhuǎn)葡萄糖苷酶(35 unit/mL, Rhizopus mould, Sigma, St Louis, USA)分別進行加熱離心,剩余沉淀再用蒸餾水及酒精分別進行清洗并離心,最后將沉淀烘干,用凱氏定氮法測定其中的氮含量。

2.9 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理,SPSS 17.0進行數(shù)據(jù)相關(guān)性及方差分析,Orgin 9.0進行作圖。

3 結(jié)果

3.1 不同遮蔭條件下灰木蓮幼苗葉片的PNUE

不同遮蔭條件下的灰木蓮幼苗葉片PNUE并沒有顯著差異(表1)。60%遮蔭條件下的灰木蓮幼苗葉片具有顯著較高的Narea及Amax。全光處理下的灰木蓮幼苗葉片的Amax及Narea與90%遮蔭處理下的灰木蓮幼苗沒有顯著差異。

表1不同遮蔭條件下灰木蓮幼苗葉片的光合氮利用效率(PNUE)、光飽和凈光合速率(Amax)及單位面積葉片氮含量(Narea)

Table1Photosyntheticnitrogen-useefficiency(PNUE),light-saturatedphotosynthesis(Amax)andleafnitrogenconcentrationonanareabasis(Narea)inManglietiaglaucaseedlingleavesofdifferentshadinglevels

遮蔭程度Shadinglevels光飽和凈光合速率Amax/(μmolm-2s-1)單位面積葉片氮含量Narea/(g/m2)光合氮利用效率PNUE/(μmolg-1s-1)全光Noshading4.07±0.36b2.60±0.25b1.67±0.31a60%遮蔭60%shading6.03±0.56a3.65±0.29a1.68±0.18a90%遮蔭90%shading3.50±0.46b2.33±0.39b1.76±0.36aF8.051**4.762*0.024

統(tǒng)計不同遮蔭條件下的各性狀差異性(均值±標準誤)并做方差分析(n=5),小寫字母表示差異在P<0.05水平上顯著。F值及標注分別代表*P<0.05,**P<0.01,

3.2 不同遮蔭條件下灰木蓮幼苗葉片的光合參數(shù)

由不同遮蔭條件下灰木蓮幼苗葉片的光合參數(shù)(表2)可以看出,不同遮蔭處理并沒有顯著影響灰木蓮幼苗葉片的Ci和Cc,90%遮蔭條件下的灰木蓮幼苗葉片gs和gm低于其他兩種處理。60%遮蔭條件下的灰木蓮幼苗葉片具有顯著較高的Vcmax,比全光條件下的灰木蓮幼苗高出37.0%,是90%遮蔭條件下灰木蓮幼苗葉片Vcmax的2倍多。全光條件下灰木蓮幼苗葉片具有最高的Jmax,但與60%遮蔭處理的灰木蓮幼苗無顯著差異。90%遮蔭條件下的灰木蓮幼苗葉片Jmax顯著低于其他兩種處理。

表2 不同遮蔭條件下灰木蓮幼苗葉片的光合參數(shù)

統(tǒng)計不同遮蔭條件下的各性狀差異性(均值±標準誤)并做方差分析(n=5),小寫字母表示差異在P<0.05水平上顯著;F值及標注分別代表*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001。CO2導(dǎo)度相關(guān)數(shù)據(jù)測定條件為飽和光強及空氣CO2濃度為380 μmol/mol

3.3 不同遮蔭條件下灰木蓮幼苗葉片的氮分配

不同遮蔭條件下灰木蓮幼苗葉片氮分配到光合系統(tǒng)的比例(PP)遠高于分配到細胞壁中的比例(PCW)。其中,全光條件下的灰木蓮幼苗葉片PP是其PCW的3.3倍,60%遮蔭條件下為5.8倍,90%遮蔭條件下上升到6.0倍。90%遮蔭處理下的灰木蓮幼苗葉片PP顯著高于其他兩種處理,其次為60%遮蔭及全光處理。但不同的遮蔭處理下PCW并沒有顯著差異。三個處理下灰木蓮幼苗葉片中剩余組分的氮比例(POther,葉片中除了光合系統(tǒng)氮及細胞壁氮之外的氮比例)高于其相應(yīng)處理的PP及PCW,不同遮蔭處理的POther大小順序為：全光(0.755 g/g)>60%遮蔭(0.683 g/g)>90%遮蔭(0.596 g/g)。

將光合系統(tǒng)細分為Rubisco、生物力能學(xué)組分及捕光組分后,再對不同遮蔭條件下灰木蓮幼苗葉片的氮分配進行比較(圖2)。三個處理下的灰木蓮幼苗葉片都是PL最高,其次為PR和PB。三個處理下的灰木蓮幼苗葉片PR和PB并沒有顯著差異,但遮蔭則顯著增加了葉片分配到捕光組分中氮的比例,三個處理下的PL大小順序為：90%遮蔭(0.296 g/g)>60%遮蔭(0.216 g/g)>全光(0.132 g/g)。

圖1 不同遮蔭條件下灰木蓮幼苗葉片氮在光合系統(tǒng)、細胞壁及剩余組分中的分配比例Fig.1 Nitrogen allocation proportion of photosynthetic system, cell wall and other parts in Manglietia glauca seedling leaves of different shading levels

圖2 不同遮蔭條件下灰木蓮幼苗葉片氮在Rubisco、生物力能學(xué)組分及捕光組分中的分配比例Fig.2 Nitrogen allocation proportion of Rubisco, bioenergetics and light-harvesting components in Manglietia glauca seedling leaves of different shading levels

不同遮蔭條件下的灰木蓮葉片PR及PB都與PNUE有著顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖3)。但PL及PP與PNUE并沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。

圖3 不同遮蔭條件下灰木蓮幼苗葉片光合系統(tǒng)氮分配比例(PP)、捕光組分氮分配比例(PL)、Rubisco氮分配比例(PR)及生物力能學(xué)組分氮分配比例(PB)與光合氮利用效率(PNUE)的回歸分析Fig.3 Regression analysis of fraction of leaf nitrogen allocated to photosynthetic apparatus (PP), light-harvesting components (PL), Rubisco (PR) and bioenergetics (PB) with photosynthetic nitrogen-use efficiency (PNUE) in Manglietia glauca seedling leaves of different shading levels

4 討論

羧化位CO2濃度及光合酶的活性通過影響葉片的光合能力進而影響PNUE[43-44]。不同程度的遮蔭處理并沒有顯著影響灰木蓮幼苗葉片的CC。Yamori等對煙草(Nicotianatabacum)[44]及Monti等對埃塞爾比亞芥(Brassicacarinata)[45]的研究同樣表明,不同生長光照對CC并沒有顯著影響。較高程度的遮蔭處理降低了灰木蓮幼苗葉片的Vcmax及Jmax,這也被Delagrange對不同光梯度下糖楓(Acersaccharum)及加拿大黃樺(Betulaalleghaniensis)的研究所證明[10]。全光及60%遮蔭處理下灰木蓮幼苗葉片的Jmax并沒有顯著變化,但60%遮蔭處理下的灰木蓮幼苗葉片的Vcmax顯著高于全光條件下的灰木蓮幼苗葉片,因此60%遮蔭處理下灰木蓮幼苗葉片的Amax顯著高于全光條件下的。這種現(xiàn)象可能與高光照下灰木蓮葉片的光合機構(gòu)發(fā)生光損傷有關(guān)[46-47]。而90%遮蔭處理下的灰木蓮幼苗葉片Vcmax及Jmax都顯著低于其他兩個處理,因此Amax最低。葉片光合能力的提高可以顯著提高植物的生長速度[48],因此在培育灰木蓮幼苗時要進行適度遮蔭,進行純林改造時開出的林窗不宜過大,要選擇較為蔭蔽的林下環(huán)境進行栽植。

遮蔭處理同時也對Narea產(chǎn)生較顯著的影響,灰木蓮幼苗葉片的Narea在60%遮蔭條件下最高,達到了3.65 g/m2,而在全光下及90%遮蔭下的Narea都較低。許多研究已經(jīng)證明葉片氮含量會受到生長光強的影響。一般來說,較高生長光強處理下的植物其Narea也較高[12,14],從而可以獲得更高的光合能力,但同樣有研究表明全光處理下的植物Narea會低于其他遮蔭處理[15],并認為這種現(xiàn)象與植物本身的光合生理特性有關(guān)。正是由于灰木蓮幼苗葉片的Amax及Narea隨著生長光照的變化而同步變化,因此不同遮蔭處理下的灰木蓮幼苗葉片PNUE并沒有顯著差異,這也表明灰木蓮幼苗葉片在不同的生長光強下光合作用對氮的利用能力相近。Wyka等對四種闊葉落葉樹種及七種常綠針葉樹種的研究[12],以及Montgomery對不同光照梯度下三種樹種(Dipteryxpanamensis,Virolakoschnyii,Brosimumalicastrum)的研究[13]也得出相同的結(jié)論。但也有研究認為生長光強的降低可以降低PNUE[14],或者提高PNUE[15]。還有研究證明生長光照的作用與季節(jié)相關(guān),Muller等對不同季節(jié)在不同遮蔭處理下培養(yǎng)的常綠植物桃葉珊瑚(Aucubajaponica)的研究表明,在夏天高光照培養(yǎng)的苗木PNUE較高,而冬天則是低光照培養(yǎng)的較高[49]。

葉片中的氮并不全參與光合作用,最近的研究表明光合系統(tǒng)的氮分配比例,特別是光合系統(tǒng)中Rubisco氮比例是影響PNUE的關(guān)鍵因素[17,50],這也與本次研究的結(jié)果相同(圖3)。Rubisco是C3植物體內(nèi)數(shù)量最多的蛋白質(zhì)[51],并且是光合作用的限制因素[36],因此提高其含氮量占葉片中總氮的比例可以顯著增加PNUE。雖然隨著遮蔭程度的增加,灰木蓮幼苗葉片光合系統(tǒng)氮分配比例顯著增加,但主要增加捕光組分中的氮分配比例,Rubisco及生物力能學(xué)組分氮分配比例并沒有發(fā)生顯著變化,因此PNUE并沒有發(fā)生顯著變化。Delagrange的研究同樣發(fā)現(xiàn)在生長光強增加后,加拿大黃樺中的PR和PB無顯著變化[10]。Feng對兩種澤蘭屬植物(Eupatoriumadenophorum及E.japonicum)的研究得出了相同的結(jié)論[11]。但Le等對桃子(Prunuspersica)的研究[7]、Osada等對庫頁蓼(Polygonumsachalinense)的研究[8]及Chen等對三七(Panaxnotoginseng)的研究表明[9],遮蔭會降低PR和PB。低光環(huán)境下植物需要提高PL增加捕光能力,而此時葉片的羧化能力及電子傳遞能力可能并不限制葉片光合能力,因此有可能會減少分配到其中的氮比例；高光照環(huán)境下則可能減少PL,增加PR和PB以提高PNUE[9]。灰木蓮的PR和PB在不同光照環(huán)境下的可塑性較低,這也限制了其提高PNUE的能力。

葉片內(nèi)部各含氮組分也可能相互影響。Feng等[16]對紫莖澤蘭(E.adenophorum)的研究認為葉片氮分配到光合系統(tǒng)與細胞壁中的比例存在一種權(quán)衡關(guān)系,即其中一個氮分配比例增加,則另一個氮分配比例減少。但其研究中紫莖澤蘭葉片氮分配到光合系統(tǒng)的比例達到0.57—0.65 g/g,細胞壁氮比例也達到了0.065—0.124 g/g,而本研究中灰木蓮的光合系統(tǒng)氮比例僅為0.19—0.35 g/g,細胞壁氮比例只有0.047—0.058 g/g,二者占的比例較小,因此可能并不會對葉片中的氮進行競爭。所以此次研究中雖然灰木蓮幼苗葉片分配到光合系統(tǒng)的氮比例隨著遮蔭程度的增加顯著增加,但分配到細胞壁的氮比例并無顯著變化(圖1)。Onoda等[17]與Takashima等[52]學(xué)者認為Rubisco氮與細胞壁氮也存在一種權(quán)衡關(guān)系,但也有Harrison[53]與Hikosaka[54]等學(xué)者認為這種關(guān)系僅存在單種植物葉片氮營養(yǎng)不足的條件下。由于此次試驗中所有處理下灰木蓮幼苗葉片POther都較高,因此可以認為葉片中氮營養(yǎng)十分充足,權(quán)衡關(guān)系形成的條件可能并不充分,因此此次研究中的PR與PCW并沒有隨著光環(huán)境的變化而變化。而在營養(yǎng)缺乏的條件下灰木蓮幼苗葉片氮分配的變化及各氮庫相互關(guān)系則需要進一步的研究。此外,研究中光合系統(tǒng)的氮比例隨著遮蔭程度的增加而增加主要是由于PL的增加所導(dǎo)致,而PR及PB都并未發(fā)生較明顯的變化,這幾部分氮比例并沒有相互影響,因此PL增加的部分來源于葉片的剩余組分(POther)。因此在育苗及林分改造時對灰木蓮幼苗進行遮蔭的同時也要適度增施氮肥,以補充因捕光組分氮比例提高而造成的葉片氮消耗,防止由于捕光組分氮供應(yīng)不足而造成的生長不良。

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Photosyntheticnitrogen-useefficiencyofManglietiaglaucaseedlingleavesunderdifferentshadinglevels

TANG Jingchao1, SHI Zuomin1, 2, *, LUO Da3, LIU Shirong1

1KeyLaboratoryonForestEcologyandEnvironmentalSciencesofStateForestryAdministration,InstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China2Co-InnovationCenterforSustainableForestryinSouthernChina,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China3ResearchInstituteofEconomicForestry,XinjiangAcademyofForestryScience,Urumqi830063,China

Photosynthetic nitrogen-use efficiency (PNUE), which is defined as the ratio of light-saturated photosynthesis (Amax) to nitrogen concentration in a defined leaf area (Narea), is considered an important trait for characterizing species regarding their leaf economics, physiology, and strategy. The light environment may influence photosynthetic capacity and leaf nitrogen content, and may also influence biochemical factors that affect PNUE such as nitrogen allocation to the photosynthetic apparatus, CO2diffusion from the atmosphere to the site of carboxylation, and specific activity of the photosynthetic enzymes. The objective of this study was to describe the inherent PNUE variation in leaves ofManglietiaglaucaseedlings grown under varying light environments. An improved understanding of this process is of great importance forM.glaucaseedling cultivation and artificial pure forest modification. The results showed thatAmaxofM.glaucaseedlings grown under 60% shade (6.03 μmol m-2s-1) was higher than that under other shading levels, mainly because of a higher maximum carboxylation rate (32.93 μmol m-2s-1) and a higher maximum electron transport rate (61.83 μmol m-2s-1). Thus, moderate shading may assist in the cultivation and planting ofM.glaucaseedlings becauseAmaximprovement could significantly enhance their growth rate. No significant differences were observed in intercellular and chloroplast CO2concentrations inM.glaucaseedlings grown under different shading levels. Mesophyll conductance and stomatal conductance ofM.glaucaseedlings grown under 90% shade were lower than those under other shading levels. No significant difference was observed in the PNUE ofM.glaucaseedlings grown under different shading levels, becauseNareachanged synchronously withAmax, which was largely attributed to the lack of significant difference in the proportion of total leaf nitrogen allocated to Rubisco and bioenergetics in such seedlings. Shading significantly enhanced the proportion of total leaf nitrogen allocated to light-harvesting machinery (PL) in the following order: 90% shade (0.296 g/g) > 60% (0.216 g/g) > 0 (0.132 g/g). However, enhancedPLunder increased shade did not improve the PNUE. The proportion of total leaf nitrogen allocated to the photosynthetic apparatus (PP) was higher than that allocated to the cell wall (PCW); forM.glaucaseedlings grown under 0, 60%, and 90% shade:PPwas, respectively, 3.3, 5.8, and 6.0 fold higher than that ofPCW. ThePPofM.glaucaseedlings grown under 90% shade was higher than that observed under 60% shade, and the lowestPPwas observed under 0 shade. No significant difference inPCWwas observed in seedlings grown under the different shading levels. The proportion of total nitrogen allocated to other plant organs (1-PP-PCW:POther) was higher thanPPandPCWunder all shading levels in the following order: 0 shade (0.755 g/g) > 60% (0.683 g/g) > 90% (0.596 g/g). The relatively highPOtherunder all shading levels implied sufficient nitrogen supply in the leaf for Rubisco, bioenergetics, light-harvesting machinery, and the cell wall. Thus, there was no relative change in the proportion of total nitrogen allocated to these components, and thePLincrease was attributed to other nitrogen pools. In conclusion, for artificial pure forests whereM.glaucaseedlings are planted, forest gaps should be restricted, because the species is adapted to a moderately shaded light environment. In addition, when subject to shading,M.glaucaseedlings should receive additional nitrogen to replenish leaf nitrogen consumption.

photosynthetic nitrogen-use efficiency;Manglietiaglauca; shading; nitrogen allocation; CO2conductance

國家自然科學(xué)基金項目(31290223, 31570240); 中國科學(xué)院碳專項(XDA05060100)

2016- 09- 11; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 07- 12

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shizm@caf.ac.cn

10.5846/stxb201609111838

唐敬超, 史作民, 羅達, 劉世榮.遮蔭處理對灰木蓮幼苗葉片光合氮利用效率的影響.生態(tài)學(xué)報,2017,37(22):7493- 7502.

Tang J C, Shi Z M, Luo D, Liu S R.Photosynthetic nitrogen-use efficiency ofManglietiaglaucaseedling leaves under different shading levels .Acta Ecologica Sinica,2017,37(22):7493- 7502.