王博軼，王齊，吳訓鋒，劉強，邢海濤

(云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學院， 云南 昆明 650224)

光是影響植物生長及種群更新的重要生態(tài)因子，對植物的生長、發(fā)育和形態(tài)建成具有極其重要的作用[1]。光合作用是植物生長的重要前提，不同光環(huán)境對植物的光合作用和生產(chǎn)力都有重要的影響。一般而言，喜陽植物適宜于強光下生長，喜陰植物適于弱光下生長。遮陰通過降低葉面溫度和土壤溫度，提高空氣濕度和土壤中水分含量等，進而影響植物的光合作用[2]。植物種類不同，需光特性也不同，隨光環(huán)境的改變，不同種類植物光合特性的響應及適應能力也存在差異。這些往往能反映植物在生長發(fā)育過程中對不同生態(tài)因子的需求，從而為植物的人工繁育、引種栽培以及進一步的開發(fā)利用提供依據(jù)[3]。近年來，光環(huán)境影響瀕危植物更新的研究，也為瀕危植物的生境保護及恢復提供了科學的參考依據(jù)[4-5]。

李冬林等[4]通過遮光對連香樹(Cercidiphyllumjaponicum)幼苗光合特性及其葉片解剖結(jié)構(gòu)影響的研究發(fā)現(xiàn)，連香樹具有一定的光忍耐性和喜光性，對光照條件的生態(tài)幅較寬，但強度遮光對連香樹幼苗氣體交換參數(shù)和光合響應特征產(chǎn)生了顯著影響。李小琴等[5]研究了遮陰對瀕危植物風吹楠(Horsfieldiaglabra)幼苗葉形態(tài)和光合參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)遮陰處理使風吹楠的最大凈光合速率、表觀量子效率、光飽和點顯著降低，光補償點和暗呼吸速率也相應改變，強光照下風吹楠并未發(fā)生明顯光抑制和“午休現(xiàn)象”。表明光照充足的環(huán)境適合其正常生長，較大程度的遮陰使幼苗生長嚴重受阻。所以，研究瀕危樹種幼苗期對光照的需求和適應性，有助于了解植物的耐陰性，探索其保護措施以及如何提高幼苗的競爭力，以促進其野生種群的自然更新和演替。

景東翅子樹(PterospermumkingtungenseC.Y.Wu ex Hsue)為梧桐科(Sterculiaceae)翅子樹屬(Pterospermum)植物，是中國滇中地區(qū)石灰?guī)r山地常綠闊葉林中的特有種，屬國家Ⅱ級保護的極度瀕危物種[6]。在該植物的本底調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)景東縣境內(nèi)共分布有景東翅子樹約2 432株，分為9個居群，涉及5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。景東翅子樹僅分布于景東縣境內(nèi)河谷沿線石灰?guī)r地區(qū)，海拔1 440～1 530 m，物種對生境的選擇十分嚴格，且成年植株較少，自然結(jié)實率低。按IUCN瀕危等級標準評價屬于“極危種(CR)”。景東翅子樹大多分布在保護區(qū)以外，絕大多數(shù)分布在社區(qū)村民的山林內(nèi)(集體林或自留山)、農(nóng)地旁，或者縣級主干道公路的沿線，常遭人砍伐當作薪柴，或受到公路維修的影響或破壞[7]。目前，關(guān)于景東翅子樹的研究僅限于種群分布、年齡結(jié)構(gòu)[7]，以及扦插生根等方面的報道[8]。而對其光合特性等方面的研究尚未見報道。本研究通過不同遮陰處理，從葉綠素熒光特性和光合生理特性等方面研究景東翅子樹幼苗對不同光照條件的響應機制，以期為景東翅子樹的瀕危原因和種質(zhì)資源保護提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學院(25°02′11″N，102°42′31″E，海拔約2 000 m)進行。該地屬北亞熱帶至中亞熱帶半濕潤山地氣候，年均溫14.5 ℃，極端最高溫33.1 ℃，極端最低溫-9.2 ℃；年均降水量1 008.9 mm，一年中有明顯的干季(11月—翌年4月)和雨季(5—10月)之分，降雨多集中在雨季，約占全年降水量89%。土壤以山地紅壤為主。

1.2 試驗材料與設(shè)計

選擇長勢基本一致且生長健壯的景東翅子樹1 a生實生苗(苗高45 cm，地徑5 mm)，于2019年3月定植，經(jīng)過3個月緩苗生長，當年6月置于學院試驗大棚進行遮光處理。不同遮陰處理采用黑色遮陽網(wǎng)進行，共4個處理：3個陰棚內(nèi)的相對光強分別為自然光強的50%(大林窗中的光強，L1)、36%(小林窗中的光強，L2)以及12.5%(林下的光強，L3)，以及不加遮陽網(wǎng)，即全光照處理(對照組，CK)。各處理下設(shè)置3盆幼苗，容器上口徑19 cm，下口徑16 cm，高20 cm，栽培基質(zhì)一致。苗期常規(guī)管理，確保不同處理間管護方式一致。試驗處理5個月后，于2019年11月對其光合參數(shù)及葉綠素熒光參數(shù)進行測定。

1.3 指標測定

1.3.1 葉綠素熒光參數(shù)的測定

用FMS2.01 型脈沖調(diào)制熒光儀(Hansatech公司，英國)于晴天測定不同光處理下光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)最大光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)和非光化學猝滅系數(shù)(NPQ)的日變化。每株選取向陽中部正常生長的成熟葉片，葉位一致，葉柄標記。第一次測定時間為上午7:00，之后每隔2 h測定1次，直至當天19:00，每次測定前對葉片測定部位充分暗適應30 min。以Fv/Fm為指標判斷光抑制是否發(fā)生，以NPQ為指標判斷植物熱耗散的多少[9-10]。

1.3.2 光響應曲線的測定

用Li-6400便攜式光合作用測定儀(Li-Cor， Lincoln， 美國)進行光響應曲線(Pn-PAR)的測定，使用光合儀配備LED紅藍光源，測定時間為上午9:00—11:30，重復測定3次。測定時使用開放氣路，空氣流速為0.5 L/min，溫度25 ℃，相對濕度40%～50%，CO2濃度360 μmol/mol。光合有效輻射(PAR)為2 000、1 500、1 000、800、600、400、200、100、50和0 μmol/(m2·s)，每個光強下穩(wěn)定3 min后記錄數(shù)據(jù)。測定前葉片在800 μmol/(m2· s)光強下誘導30 min。Pn-PAR曲線擬合采用非直角雙曲線修正模型[11]，其模型表達式為,

Pn=α (1-βPAR)/1+γPAR·PAR-Rd

式中:α為光響應曲線的初始斜率；β和γ為系數(shù)，Rd為暗呼吸。

計算出最大凈光合速率(Pmax)、暗呼吸速率(Rd)和表觀量子效率(AQY)。光補償點(LCP)和光飽和點(LSP)利用低光條件下(PAR≤200 μmol/(m2·s)的Pn與PAR構(gòu)建線性方程進行估算：

Pn= mPAR+ n,LCP=- n/m,LSP=(Pmax-n)/m。

1.3.3 光合日變化的測定

選擇連續(xù)晴朗無風天氣，所選取樣葉與用于葉綠素熒光參數(shù)日變化測定的葉片為相同葉片。利用Li-6400便攜式光合系統(tǒng)從8:00—18:00，每隔2 h 測定1 次葉片的氣體交換特性，連續(xù)測定3 d，測定時均使用自然光源，標準葉室。自動記錄PAR、氣溫(Ta)、大氣相對濕度(RH)、CO2濃度(Ca)等環(huán)境參數(shù)，測定指標為凈光合速率(Pn，μmol·m-2·s-1)。

1.3.4 葉片氣體交換參數(shù)的測定

用Li-6400便攜式光合作用測定儀進行氣體交換參數(shù)的測定，測定時間與各參數(shù)設(shè)置與光響應曲線一致。光強設(shè)為1 000μ mol/(m2· s)，葉片選擇方法同上，測定參數(shù)包括蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計軟件IBM SPSS statistics 20進行分析，處理間比較采用方差分析和LSD檢驗。統(tǒng)計圖采用Sigmaplot 12.5繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生長環(huán)境光強對景東翅子樹葉綠素熒光參數(shù)的影響

不同生長環(huán)境光強下，其光合有效輻射值的變化基本相同，8:00開始隨時間的增加逐步增加，于12:00—14:00達到最高，之后下降(圖1)。

圖1 不同遮光條件下光合有效輻射(PAR)的日變化Fig.1 The diurnal variation of photosynthetically active radiation(PAR)under different shading treatment

一天當中各種不同遮光條件下，黎明Fv/Fm最高，隨日間光強的升高，F(xiàn)v/Fm降低，下午(14:00左右)光最強時Fv/Fm降到最低點，之后隨光強的減弱緩慢回升，19:00光照強度較弱時，各光強下Fv/Fm仍未恢復到天亮前的水平，表明在日間不同光強下均發(fā)生了光抑制，全光照CK處理下光抑制最嚴重，在下午14:00左右Fv/Fm只有0.68左右(圖2)。L1和L2處理下，下午14:00Fv/Fm最低，分別為0.72和0.76左右。

圖2 不同光強下生長的景東翅子樹幼苗光系統(tǒng)Ⅱ最大光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)的日變化Fig.2 The diurnal variation of maximum efficiency of PSⅡ photochemistry(Fv/Fm)for seedlings of P.kingtungense grown under different light regimes

不同光強下生長的景東翅子樹幼苗非光化學猝滅系數(shù)NPQ的日變化表明熱耗散隨日間光強的增大而增多。全光照(CK)下的熱耗散明顯高于遮陰下L1、L2和L3處理的值(圖3)。

圖3 不同光強下生長的景東翅子樹幼苗非光化學猝滅系數(shù)(NPQ)的日變化Fig.3 The diurnal variation of non-photochemical quenching efficiency(NPQ)for seedlings of P.kingtungense grown under different light regimes

2.2 不同生長光強下景東翅子樹凈光合速率(Pn)的日變化

從圖4可以看出，景東翅子樹幼苗Pn日變化曲線在不同光強下呈現(xiàn)出不同的類型。全自然光(CK)和50%自然光(L1)下，日變化呈“雙峰”曲線。CK處理下，上午10:00左右出現(xiàn)第一個Pn高峰值，中午12:00左右出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象，Pn只有0.8 μmol/(m2·s)左右，之后Pn回升，但幅度不大，到下午16:00左右出現(xiàn)第二個高峰值，隨后下降，但峰值遠低于第一個峰值?？梢钥闯鋈庹誄K處理下，景東翅子樹幼苗受到了嚴重的光抑制。在L1處理下的變化與CK類似，但其變化較為緩和，在中午13:00點左右出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象。 L2、 L3處理下均呈現(xiàn)“單峰”曲線，略呈“幾”字形變化，Pn高峰值出現(xiàn)在上午11:00左右。

圖4 不同光強下生長的景東翅子樹幼苗凈光合速率(Pn)的日變化Fig.4 The diurnal variation of net photosynthetic rates (Pn)for seedlings of P.kingtungense grown under different light regimes

2.3 不同生長光強對景東翅子樹幼苗光響應曲線及其參數(shù)的影響

不同光強下生長的景東翅子樹幼苗的光合-光響應(Pn-PAR)曲線(圖5)顯示，當光合有效輻射PAR≤ 200 μmol/(m2·s)時，各光強處理下的Pn均隨PAR的增加而迅速增加，L2、L3處理下Pn上升速度比全光照CK處理下要快，說明對弱光的利用效率較高。各光處理下，當PAR升高至400～600 μmol/(m2·s)后，Pn逐漸趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)光飽和狀態(tài)。L2、L3處理下，在PAR增至1 600 μmol/(m2·s)時，Pn有明顯下降，說明遮陰處理下景東翅子樹幼苗Pn易受強光抑制(表1)。

圖5 不同光強下生長的景東翅子樹幼苗的光合-光響應(Pn-PAR)曲線Fig.5 Pn -PAR response curves for seedlings of P. kingtungense grown under different light regimes

從表1可知，遮陰處理顯著提高了景東翅子樹的Pmax，L3處理下Pmax比CK、L1、L2處理下分別增長了45%，34%和8%。但所有遮光處理下，景東翅子樹的Pmax都比較低，最高值僅為4 μmol/(m2·s)左右，這可能也是景東翅子樹生長緩慢，植株自我恢復能力差的一個原因。隨遮光率的增加AQY升高，L2處理下AQY達到最高，L3處理下又有所下降。另外，光飽和點(LSP)在各光強處理之間無顯著性差異。L2和L3處理下光補償點(LCP)差異不大，但是明顯比CK和L1處理下的LCP要低。暗呼吸速率(Rd)在L2處理下最低，L3遮光條件下有回升，但均明顯低于CK和L1處理光強下的值。

表1 不同相對光強下生長的景東翅子樹幼苗光響應曲線的特征參數(shù)Tab.1 Photosynthetic parameters of Pn -PAR response curves of Pterospermum kingtungense seedlings grown under different light regimes

從表2可知，CK處理下氣孔導度(Gs)明顯低于各遮陰處理下的值，L3處理下Gs最高。L2和L3處理下的胞間CO2濃度(Ci)差異不大，但是明顯比CK和L1處理下的Ci要低。蒸騰速率(Tr)也有同樣的變化趨勢，L2和L3處理下的Tr沒有差異，但均明顯高于CK和L1處理光強下的值。

表2 不同相對光強下生長的景東翅子樹幼苗的氣體交換參數(shù)Tab.2 Gas exchange parameters of P.kingtungense seedlings grown under different light regimes

3 討論與結(jié)論

植物在長期適應不同光環(huán)境的過程中，不同植物所接受的太陽輻射量存在明顯差異，因此形成了自身特有的需光特性[12-14]。喜光植物喜歡在強光環(huán)境下生長，如山黃麻(Tremaorientalis)[15]、風吹楠[5]等；而喜陰植物適宜生長在低光強的林下環(huán)境，如玉蕊(Barringtoniamacrostachya)[16]，謝君魔芋(Amorphophallusxiei)[17]等。

熒光參數(shù)Fv/Fm反映了PSⅡ反應中心光能轉(zhuǎn)化效率，其下降是光抑制的重要特征。在未遭受光抑制并經(jīng)過充分暗適應的植物葉片的Fv/Fm值一般介于0.80～0.83[18]。本研究中，只有在L2和L3處理下，早上8:00以前的Fv/Fm在0.80～0.82左右，其余任何光照處理下的任何時段均低于0.80，葉片光合作用均受到了光抑制。尤其在全光照CK處理下，14:00左右Fv/Fm值僅為0.68，光抑制程度最高。除L3處理，18:00之后Fv/Fm可基本恢復至0.80水平，其余光照條件下，直至晚上19:00均在0.78以下，未恢復至天亮前的水平，光抑制明顯。非光化學猝滅系數(shù)(NPQ)反映了葉片對激發(fā)能利用的情況，尤其是熱耗散可以防御光抑制的破壞，是植物保護PSⅡ的重要機制[9]。景東翅子樹葉片熱耗散隨光照強度的升高顯著增多，CK處理下其NPQ值達4左右。全光下熱耗散的增加可以有效地保護光合機構(gòu)免受強光的破壞[9,19]。

表觀量子效率(AQY)是光合作用中光能轉(zhuǎn)化效率的一種量度，代表葉片對弱光的利用能力，其值越大，葉片吸收與轉(zhuǎn)換光能的色素蛋白復合體越多，利用弱光的能力也就越強，AQY降低是光合作用光抑制的顯著特征之一[9]。通常植物的AQY在0.03～0.05之間[20]。本研究中，全光照CK處理下，景東翅子樹AQY為0.02，顯然受到了光抑制。隨遮光率的增加AQY升高，L2處理下AQY最高0.06，之后L3處理下降低至0.03，仍在正常范圍內(nèi)。說明遮陰條件下，光抑制降低，且其利用弱光的能力增強。這也與梁文斌等[21]和唐星林等[22]的研究結(jié)果一致。

光補償點(LCP)和光飽和點(LSP)代表植物葉片對弱光的利用能力。LCP低，表明植物對弱光的利用能力強，LSP低表明植物隨光強增大很快達到最大凈光合效率。暗呼吸速率(Rd)反映光照條件下葉片的線粒體呼吸作用大小。本研究中，遮陰處理下，景東翅子樹光補償點(LCP)和光飽和點(LSP)分別在20 μmol/(m2·s)左右和200 μmol/(m2·s)左右，為典型的喜陰植物，LSP低的喜陰植物更容易因光抑制而受傷害[21]。景東翅子樹LSP在各光強處理之間無顯著性差異，即LSP基本不受遮陰強度的影響。L2和L3處理下的LCP明顯比CK和L1處理下的LCP值要低。而且，Rd在L2遮光條件下最低，雖L3處理下有所回升，但兩者均明顯低于CK和L1處理光強下的Rd值。弱光條件下景東翅子樹通過降低LCP來提高對弱光的利用能力，通過降低Rd來減少有機物的消耗維持碳平衡，對弱光環(huán)境表現(xiàn)出一定的適應性。景東翅子樹通過提高AQY，降低LCP和Rd等來適應弱光條件，這與劉柿良等[23]、李珍等[17]、蔡建國等[24]和王佳佳等[25]的研究結(jié)果相類似。

在CK與L1條件下，景東翅子樹幼苗葉片均出現(xiàn)光合午休現(xiàn)象，而在L2和L3處理下卻未出現(xiàn)此現(xiàn)象，說明在CK與L1處理下，景東翅子樹葉片發(fā)生了光抑制現(xiàn)象。遮陰處理提高了景東翅子樹的最大凈光合速率Pmax，但所有光處理下景東翅子樹的Pmax都比較低，最高值僅為4 μmol/(m2·s)左右，這可能也是景東翅子樹生長緩慢，種群自我恢復能力差的一個原因。Gs可以反映葉片內(nèi)CO2擴散阻力對光合速率的限制。本研究中，景東翅子樹葉片CK處理下Gs最低，高光強影響了葉片的氣體交換能力，而L3處理下Gs最大，說明遮陰條件下景東翅子樹葉肉細胞內(nèi)CO2的擴散阻力較小，光合速率增大。L2和L3處理下的Ci和Tr均與CK和L1處理下的值差異顯著?？梢钥闯觯陉帡l件下，景東翅子樹Ci降低，并伴隨較高的Tr，Ci降低說明葉片固碳的能力提高。景東翅子樹在遮陰后，葉片會通過增加Tr和提高CO2同化力來提高其光合速率。進一步證實弱光環(huán)境反而有利于景東翅子樹增強其光合作用能力。

本研究結(jié)果可以看出，強光下景東翅子樹幼苗對光抑制敏感，其通過增加熱耗散，消耗掉過剩光能，在一定程度上保護了光合機構(gòu)免受強光的破壞。景東翅子樹有較低的Pmax、LSP、LCP和Rd等，以適應弱光環(huán)境?？傊?，由其光合特征與葉綠素熒光特性來看，景東翅子樹幼苗是一種典型的喜陰植物，在育苗期進行適當?shù)卣陉幪幚碛欣谄渖L發(fā)育。