陳 斌， 薛 晴， 李子葳， 楊宇佳， 楊小梅， 薄 杉， 李 強(qiáng)， 何 淼

(東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

紫鴨跖草(Commelinapurpurea)、‘花葉’水竹草(Tradescantiaflurnuensis‘Variegata’)、吊竹梅(Tradescantiazebrina)、‘綠葉’水竹草(Tradescantiaflurnuensis‘Vairidia’)是鴨跖草科(Commelinaceae)的4種植物，植株低矮、葉色豐富、耐瘠薄、莖多呈匍匐狀、莖節(jié)處易生氣生根、繁殖能力強(qiáng)、成坪覆蓋速度快且價(jià)格低廉，現(xiàn)已經(jīng)作為地被植物在園林綠化中應(yīng)用，具有較強(qiáng)的光適應(yīng)能力，但每種植物的適光策略目前尚不清晰。因此，本試驗(yàn)通過(guò)人工模擬不同立地條件下的光強(qiáng)，通過(guò)遮光網(wǎng)設(shè)置5種光環(huán)境對(duì)紫鴨跖草、‘花葉’水竹草、吊竹梅和‘綠葉’水竹草進(jìn)行光處理，測(cè)定不同光強(qiáng)下4種植物的生理生化指標(biāo)和葉肉細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)，揭示4種植物的適光策略和潛能，以期為其在園林中栽培應(yīng)用和進(jìn)一步大范圍的推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2019年3—7月在黑龍江省哈爾濱市東北林業(yè)大學(xué)花卉研究所苗圃進(jìn)行。以紫鴨跖草、‘花葉’水竹草、吊竹梅、‘綠葉’水竹草為材料(表1)，3月初選取當(dāng)年生健壯的枝條，剪取頂部長(zhǎng)約5 cm的莖段作為插條，基質(zhì)采用75%腐殖土+25%蛭石混合，經(jīng)120℃高溫滅菌后裝入直徑12 cm高18 cm的花盆中，采用浸盆法充分浸潤(rùn)盆中的栽培基質(zhì)，然后進(jìn)行扦插。每盆扦插2個(gè)莖段，每種試驗(yàn)材料各60盆。扦插完畢后放置在育苗室內(nèi)緩苗，緩苗期間的環(huán)境條件為：溫度24～26℃，相對(duì)濕度60%～70%，12 h光照，白天光強(qiáng)為480 μmol·m-2·s-1。緩苗1個(gè)月后，選取長(zhǎng)勢(shì)旺盛，無(wú)病蟲害的植株進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 植物材料

1.2 試驗(yàn)方法

于2019年4月30在苗圃內(nèi)利用不同密度的黑色尼龍遮光網(wǎng)設(shè)置5種光強(qiáng)梯度(分別為自然光強(qiáng)的100%，75%，50%，25%，5%)，每個(gè)處理間隔50 cm，頂部遮光網(wǎng)距植株體頂端30 cm，每個(gè)光強(qiáng)梯度每種植物材料各處理12盆，3個(gè)重復(fù)。每隔5 d澆水一次，處理45 d后，進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

二氨基聯(lián)苯胺法(diaminobenzidine，DAB)染色測(cè)定H2O2：摘取莖頂部第3～5片成熟完整的葉片，放入pH為5.8的DAB染色液(1 mg·mL-1)中，在28℃下過(guò)夜避光保存，然后放入80%的乙醇中水浴煮沸若干次，直至葉片顏色完全脫去，并用相機(jī)拍照。

葉片超微結(jié)構(gòu)的觀察：取健壯植株的第3片功能葉，在葉脈兩側(cè)各取1 mm×3 mm的矩形小塊，每組處理取3片。用濃度為2.5%的戊二醛溶液和1%的鋨酸進(jìn)行雙固定，固定后用pH6.8的磷酸緩沖液漂洗；然后用不同濃度的乙醇及丙酮溶液依次脫水，并用環(huán)氧樹脂包埋；采用LKB-5型超薄切片機(jī)進(jìn)行切片，切片經(jīng)醋酸鈾-枸櫞酸鉛雙染色后，于H7650型透射電子顯微鏡下對(duì)材料進(jìn)行觀察并拍照[17]，每個(gè)處理取10個(gè)視野，統(tǒng)計(jì)每個(gè)視野中每個(gè)葉肉細(xì)胞內(nèi)的葉綠體、線粒體、淀粉粒數(shù)量，并在每個(gè)視野中隨機(jī)選取5個(gè)葉綠體，統(tǒng)計(jì)每個(gè)葉綠體中嗜鋨顆粒數(shù)量。

1.4 數(shù)據(jù)整理與分析

用Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和作圖，利用SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，用Duncan法進(jìn)行多重比較(P<0.05)，并對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行雙因素(ANOVAs)分析。參照李京蓉等[18]的方法對(duì)4種植物采用隸屬函數(shù)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 光強(qiáng)對(duì)滲透調(diào)節(jié)物含量的影響

不同的光強(qiáng)對(duì)4種鴨跖草科植物的SS含量影響不同(圖1)。CP的SS含量在L0～L3光強(qiáng)間無(wú)顯著差異，而在L4光強(qiáng)下顯著降低(P<0.05)，TF的SS含量隨光強(qiáng)的降低顯著降低(P<0.05)，與L0相比，在L4條件下降低了58.91%，而TV的SS含量在L0～L2光強(qiáng)間無(wú)顯著差異，但均顯著高于L3和L4條件。TZ的SS含量隨光強(qiáng)的降低呈先升高后降低的趨勢(shì)，在L3條件下上升到最高值，在L4條件下降到最低值，與最高值相比顯著降低了22.06%(P<0.05)；

在不同的光強(qiáng)下，4種植物的SP含量呈相同的變化趨勢(shì)(圖1)，均隨光強(qiáng)的降低而顯著降低(P<0.05)。與L0條件相比，CP，TF，TZ和TV在L4條件的SP含量分別降低了48.68%，65.31%，70.28%，57.39%，其中TZ的降低幅度最大。

圖1 不同光強(qiáng)對(duì)滲透調(diào)節(jié)物含量的影響

4種植物的Pro含量隨光強(qiáng)的降低呈先降低后增加的趨勢(shì)，且在L0和L4條件下的Pro含量均高于L1，L2和L3光強(qiáng)條件，但TF和TV在各處理間的差異均不顯著(圖1)。CP在L0條件下達(dá)到峰值，是最低值(L3條件下)的1.06倍，TZ在L4條件下達(dá)到峰值，是最低值(L1條件下)的1.11倍。

2.2 光強(qiáng)對(duì)MDA含量的影響

不同的光強(qiáng)下，4種植物的MDA含量的變化趨勢(shì)相同，均隨光強(qiáng)的降低而顯著降低(P<0.05)(圖2)。與L0相比，CP，TF，TZ和TV在L4條件的MDA含量分別降低了42.60%，36.87%，73.65%，43.44%，且TZ和TV在L0～L3條件下的MDA含量高于CP和TF，這表明強(qiáng)光條件導(dǎo)致4種植物產(chǎn)生了膜脂過(guò)氧化反應(yīng)，且TZ和TV的膜系統(tǒng)損傷更大。

2.3 光強(qiáng)對(duì)H2O2和含量的影響

圖2 不同光強(qiáng)對(duì)丙二醛含量的影響

圖3 不同光強(qiáng)對(duì)H2O2和的含量影響

圖4 不同光強(qiáng)對(duì)葉片H2O2(DAB染色檢驗(yàn))和(NBT染色檢驗(yàn))的影響

2.4 光強(qiáng)對(duì)抗氧化酶活性的影響

隨光強(qiáng)的降低，CP和TV的SOD活性均呈“高-低-高”的變化趨勢(shì)(圖5)，在L0條件下活性最高，且都在L3條件下降到最低值，與L0相比分別顯著降低了13.86%，17.93%(P<0.05)；TF在L0和L1條件下的SOD活性顯著高于L2～L4條件(P<0.05)，TZ在L0條件下的SOD活性顯著高于L1～L4條件(P<0.05)。

4種植物的CAT活性在不同的光強(qiáng)下呈不同的變化趨勢(shì)(圖5)。CP的CAT活性在各處理間無(wú)顯著差異，TF和TV的CAT活性隨光強(qiáng)的降低呈“高-低-高”的變化趨勢(shì)，其中，TF在L3條件下降到最低值，與L0相比，顯著將低了60.09% (P<0.05)，TV在L2條件下降到最低值，與L0相比，顯著降低了35.49%；TZ的CAT活性與光強(qiáng)正相關(guān)，在L4條件下降到最低，與L0相比，顯著降低了40.63%。

4種植物的POD活性隨光強(qiáng)的降低顯著降低(P<0.05)(圖5)，其中CP在L4條件下降到最低值，顯著降低了50.29%(P<0.05)；TF，TZ和TV均在L3條件下降到最低值，與L0相比分別顯著降低了70.39%，56.80%，60.15%。

2.5 光強(qiáng)對(duì)葉肉細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響

不同的光強(qiáng)對(duì)4種植物葉肉細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)形態(tài)產(chǎn)生了不同程度的影響(圖6、圖7、圖8)。CP在L0條件下，細(xì)胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了嚴(yán)重的損傷，細(xì)胞膜解體并與細(xì)胞壁分離；葉綠體發(fā)生嚴(yán)重的形變，基粒片層和基質(zhì)片層蜷曲，排列松散且片層間隙大，細(xì)胞器無(wú)規(guī)律的散布在細(xì)胞中，淀粉粒體積大，幾乎占據(jù)整個(gè)葉綠體。在L1～L4條件下，細(xì)胞質(zhì)壁結(jié)構(gòu)完好并結(jié)合緊密，葉綠體無(wú)溶解破碎現(xiàn)象，各片層結(jié)構(gòu)排列緊密，呈紡錘形緊密貼合在細(xì)胞壁上，無(wú)堆疊擠壓的情況出現(xiàn)，淀粉粒體積也逐漸變小。不同的光環(huán)境對(duì)CP的葉綠體、淀粉粒、嗜鋨顆粒數(shù)量產(chǎn)生了顯著的影響。葉綠體個(gè)數(shù)隨著光強(qiáng)的減小而顯著增加(P<0.05)，與L0相比，在L4條件下增加了39.57%；淀粉粒個(gè)數(shù)在L0條件下達(dá)到峰值，顯著高于其他光環(huán)境(P<0.05)，是最低值L4條件的3.47倍；嗜鋨顆粒數(shù)量隨光強(qiáng)的降低呈先降低后增加的趨勢(shì)(圖8)，在L3條件下數(shù)量最少；線粒體個(gè)數(shù)在不同的光環(huán)境下無(wú)顯著差異。

圖5 不同光強(qiáng)對(duì)抗氧化酶的影響

TF的細(xì)胞質(zhì)壁結(jié)構(gòu)在5種不同光強(qiáng)下結(jié)合緊密，界限清晰。在L0條件下，葉綠體部分解體，多個(gè)疊合分布在細(xì)胞壁邊緣，淀粉粒體積大,占據(jù)整個(gè)葉綠體結(jié)構(gòu)的3/4左右；隨著光強(qiáng)的降低，淀粉粒體積逐漸變小，葉綠體也由寬圓形變?yōu)殚L(zhǎng)紡錘形，單個(gè)獨(dú)立分布在細(xì)胞壁邊緣，但在L4條件下，部分葉綠體也發(fā)生了形變，雖然葉綠體在不同光環(huán)境下產(chǎn)生了不同的變化，但基質(zhì)片層和基粒片層始終排列規(guī)則緊密。不同的光強(qiáng)對(duì)葉綠體、淀粉粒、線粒體和嗜鋨顆粒數(shù)量產(chǎn)生了顯著的影響(P<0.05)。L0條件下的葉綠體數(shù)量顯著低于其他光環(huán)境(P<0.05)，在L3條件下達(dá)到峰值，而L0條件下的淀粉粒個(gè)數(shù)又顯著高于其他光照條件，其中淀粉粒個(gè)數(shù)在L3條件下降到最小值，嗜鋨顆粒隨光強(qiáng)的降低而顯著降低(P<0.05)，在L3條件下數(shù)量最少，僅為L(zhǎng)0條件下的34.78%，L1條件下的線粒體數(shù)量顯著高于其他光條件(P<0.05)。

TZ的細(xì)胞質(zhì)壁結(jié)構(gòu)在L0和L1條件下出現(xiàn)了嚴(yán)重的損壞，與細(xì)胞質(zhì)界限不清，部分細(xì)胞膜解體，在L2,L3和L4條件下結(jié)構(gòu)完好。L0和L1條件下的葉綠體結(jié)構(gòu)破損，質(zhì)膜溶解，部分基質(zhì)片層和基粒片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)解體現(xiàn)象，呈長(zhǎng)圓形游離在細(xì)胞壁邊緣，淀粉粒體積大且出現(xiàn)空泡現(xiàn)象，在L2～L4條件下，葉綠體結(jié)構(gòu)完好，片層結(jié)構(gòu)緊密，緊貼細(xì)胞壁分布，淀粉粒體積也逐漸變小，在L4條件下消失。不同的光強(qiáng)對(duì)TZ的葉綠體、淀粉粒和嗜鋨顆粒數(shù)量產(chǎn)生了顯著的影響(P<0.05)，與L0相比，在L4條件下葉綠體數(shù)量增加了30.73%，淀粉粒數(shù)量降低了79.15%，嗜鋨顆粒數(shù)量隨光強(qiáng)的降低而顯著降低，在L0條件下數(shù)量最多，在L2條件下最少，顯著降低了58.58%，線粒體數(shù)量在各處理下無(wú)顯著變化。

TV的細(xì)胞質(zhì)壁結(jié)構(gòu)在L0條件下發(fā)生了質(zhì)壁分離的現(xiàn)象，但與細(xì)胞質(zhì)界限清晰，在其他光環(huán)境下質(zhì)壁結(jié)構(gòu)完好。葉綠體在L0和L1條件下質(zhì)膜解體，變?yōu)閳A形，出現(xiàn)了堆疊現(xiàn)象，少量片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)卷曲現(xiàn)象，但排列仍較為緊密，整個(gè)葉綠體被淀粉粒充斥。在L2～L4條件下，葉綠體結(jié)構(gòu)完好，基質(zhì)片層和基粒片層排列規(guī)則緊密，緊貼細(xì)胞壁分布，但仍有部分葉綠體發(fā)生形變現(xiàn)象，淀粉粒體積逐漸變小。不同的光強(qiáng)對(duì)TV的葉綠體、線粒體和嗜鋨顆粒數(shù)量產(chǎn)生了顯著的影響(P<0.05)，葉綠體數(shù)量在L2條件下最多，在L4條件下最少。線粒體數(shù)量在L0條件下最少，顯著低于L1和L2條件(P<0.05)，而其他處理間無(wú)顯著差異。嗜鋨顆粒數(shù)量隨光強(qiáng)的降低顯著降低(P<0.05)，在L3條件下最少，與L0相比，顯著降低了48.42%。

圖7 不同光強(qiáng)對(duì)葉綠體結(jié)構(gòu)的影響(12000×)

2.6 物種和光強(qiáng)對(duì)不同指標(biāo)的雙因素方差分析

圖8 不同光強(qiáng)對(duì)葉肉細(xì)胞指標(biāo)的影響

表2 物種和光強(qiáng)對(duì)不同指標(biāo)的雙因素方差分析

2.7 4種植物的適光性綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)隸屬函數(shù)法對(duì)4種鴨跖草科植物的適光能力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)(表3)，結(jié)果表明適光性強(qiáng)弱的的順序?yàn)椋旱踔衩?紫鴨跖草>‘花葉’水竹草>‘綠葉’水竹草。

表3 不同光強(qiáng)下4種植物生理指標(biāo)的隸屬函數(shù)值

3 討論

滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在植物抵抗非生物脅迫時(shí)發(fā)揮著舉足輕重的作用。當(dāng)產(chǎn)生的活性氧超過(guò)抗氧化物清除能力時(shí)，細(xì)胞質(zhì)膜會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的膜脂過(guò)氧化反應(yīng)，此時(shí)植物細(xì)胞膜的通透性就會(huì)變大，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)外滲，造成植物生理代謝紊亂[19]，此時(shí)植物就會(huì)通過(guò)調(diào)整SS,SP,Pro等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量來(lái)減輕逆境脅迫引起的細(xì)胞失水，以維持細(xì)胞滲透壓平衡，從而降低逆境傷害的程度[20]。SS和SP既是重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，又參與植物細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)過(guò)程[21]，其中SS還可清除液泡和葉綠體中的ROS[22]，可間接激活抗氧化酶系統(tǒng)。Pro被證明是一種有效的自由基清除劑，對(duì)穩(wěn)定原生質(zhì)膠體、細(xì)胞代謝過(guò)程、維持滲透調(diào)節(jié)平衡等方面起重要作用[23-24]。本研究發(fā)現(xiàn)‘花葉’水竹草和‘綠葉’水竹草的SS含量和SP含量均隨光強(qiáng)的降低而顯著降低，這表明這兩種植物在強(qiáng)光脅迫下均能通過(guò)增加SS含量和SP含量，以清除液泡和葉綠體中的ROS，并通過(guò)碳代謝途徑和氮代謝途徑協(xié)同作用進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，維持細(xì)胞膨壓；而紫鴨跖草和吊竹梅的SS含量隨著光強(qiáng)的降低呈先升高后降低的趨勢(shì)，SP含量則隨光強(qiáng)的降低而顯著降低，這表明這2種植物在強(qiáng)光脅迫下氮代謝途徑對(duì)滲透調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn)比碳代謝途徑大，而在75%～25%自然光強(qiáng)中，碳代謝途徑對(duì)滲透調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn)大于氮代謝途徑。4種植物的SS含量和SP含量均在L4條件下降到最低，這可能是由于光強(qiáng)不足，葉片的光合作用急劇下降，SS和SP合成受阻，最終會(huì)導(dǎo)致植物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)短缺，對(duì)生長(zhǎng)造成不利影響。‘花葉’水竹草和‘綠葉’水竹草的Pro含量在各處理間無(wú)顯著差異，這表明這2種植物的Pro含量穩(wěn)定，始終保持相對(duì)較高的含量，清除植物細(xì)胞內(nèi)的自由基，并抵消光強(qiáng)因素對(duì)細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)的影響，而紫鴨跖草和吊竹梅的Pro含量隨光強(qiáng)的降低呈先降后增的趨勢(shì)，這表明Pro在極端弱光中仍能很好的發(fā)揮滲透調(diào)節(jié)的作用。

4 結(jié)論