姚 寧，劉建鋒＊，江澤平,2，常二梅，趙秀蓮，謝 瑞，王 奇

(1.中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所，國家林業(yè)和草原局林木培育重點實驗室，北京 100091；2.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室，北京 100091)

自然條件下，林下光環(huán)境是林下更新的重要驅(qū)動因子之一，對林下幼苗建成、生長及生物量分配具有重要影響[1-4]。同時，溫室育苗過程中容易形成弱光環(huán)境，影響葉片的光合同化過程，不利于植株的形態(tài)建成[5]。因此，研究人工補光措施對林木培育有重要意義。近年來，許多學者已針對光環(huán)境對樹木生長的影響做了大量的研究[6-10]。光周期作為季節(jié)性休眠的誘導因子[9]，影響葉片對光合有效輻射（PAR）吸收積累的時間長度，會對物質(zhì)生產(chǎn)產(chǎn)生顯著影響[11]；而光質(zhì)以觸發(fā)植物體內(nèi)的光信號受體的方式，影響植物體內(nèi)相關(guān)激素含量和相關(guān)酶活性[12-13]，進而影響植物的物質(zhì)合成、新陳代謝和生長發(fā)育等[8]。在自然光環(huán)境下，在高密度環(huán)境下生長的植物可感知入射光紅光遠紅光比率（R∶FR）降低，這是由于冠層葉片吸收紅光和來自鄰近植物的遠紅光反射所致，而低R∶FR 會誘導植物產(chǎn)生避陰反應（SAS），即在冠層下方遮陰處或有較高鄰近植物的環(huán)境中生長的植物在感應到低R∶FR后，表現(xiàn)出如莖和葉柄伸長、葉面積增加等現(xiàn)象[1,14-16]，促其葉片投射到日光未衰減的區(qū)域。此外，植物對不同光周期或光質(zhì)條件的生理響應也存在種間和種內(nèi)差別[17-21]。然而，目前針對植物幼苗對光周期和光質(zhì)及其交互作用機制的研究還較少，需要進一步研究來確定其對植物光合及生長的影響機理。

櫟屬（QuercusL.）是北半球天然分布最廣的木本植物類群之一。我國擁有豐富的櫟屬植物資源，據(jù)第九次森林資源清查[22]，我國櫟類林在森林面積和蓄積量均列10 大樹種組的首位；櫟類樹種作為我國暖溫帶和溫帶森林的重要建群種[23]，在涵養(yǎng)水源、保持水土和維持生物多樣性等方面發(fā)揮了重要功能。同時，由于櫟屬植物普遍具有較高的抗逆性[24]，在困難立地造林和園林綠化中應用廣泛[25]。然而，大量研究[26]表明，在櫟類天然林分中，由于種子及幼苗有較大比例被動物取食[27]，且幼苗早期生長受到林分密度[28]、光照[7]等微環(huán)境的限制，導致天然更新困難；而在人工育苗實踐中，不同櫟類樹種幼苗的適宜受光條件尚缺乏深入研究。在櫟類樹種中，栓皮櫟（Q.variabilis）和短柄枹櫟（Q.glandulifera）分布較廣，在我國大部分地區(qū)均有分布[29]；蒙古櫟（Q.mongolica）則主要分布在東北及華北。因此，本研究以3個落葉櫟屬植物為例，通過LED 人工光源的誘導，來探討不同光周期與光質(zhì)比對櫟屬植物幼苗的生長及葉綠素熒光參數(shù)的影響及種間和種內(nèi)的響應差異，為櫟屬植物育苗壯苗及人工輔助更新提供科學參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

2018 年9—10 月，選擇5 個不同緯度的櫟屬植物天然林分收集種子，包括3個栓皮櫟種源（Qv）：遼寧大連（LN，北方種源）、陜西太白（SX，中部種源）、云南安寧（YN，南方種源）；1個蒙古櫟種源（Qm，黑龍江加格達奇）和1個短柄枹櫟種源（Qg，河南內(nèi)鄉(xiāng)）（表1）。各種源地地理氣候信息見表2。將采集到的種子用60℃溫水浸泡2 h 殺蟲處理后陰干至表面干燥，然后將種子儲存至4℃冰箱。2019 年春，選擇健康且大小均一的種子進行催芽以縮短發(fā)芽時間。發(fā)芽后于同一天播種于定制育苗容器（內(nèi)徑7 cm，深度36 cm）內(nèi)預培養(yǎng)2 個月，每容器播1 粒，培養(yǎng)基質(zhì)為珍珠巖。預培養(yǎng)期間，每3 日澆1 次1/2 倍濃度的Hoagland 標準營養(yǎng)液來提供幼苗生長所需養(yǎng)分，同時觀測生長動態(tài)。試驗在中國林科院科研溫室中進行（40°0′10′′ N，116°14′38′′ E），溫室晝夜溫度約為25/20℃，濕度約為70%/85%，透光度為50%～60%。

表1 主要縮略詞中英對照Table 1 List of main abbreviations

表2 各櫟屬種的種源地地理位置與氣候概況Table 2 Geographic location and climate characteristics of different provenances

1.2 試驗設(shè)計

將5 個種源幼苗分別進行不同光周期處理[日夜時長分別為10 h/14 h（短光周期，S），14 h/10 h（中光周期，M），18 h/6 h（長光周期，L）]，并照射不同紅光/遠紅光比（R :FR）的光照[分別為0.83 ± 0.04（低光質(zhì)比，D）、1.37 ± 0.04（正常光質(zhì)比，N）、4.69 ± 0.04（高光質(zhì)比，H）]，不同光質(zhì)比（R :FR）的值是基于Ballaré[30]等和Smith[31]等研究確定。每個處理每個種（源）隨機分配4 株幼苗，3 次重復。通過智能定時開關(guān)（GND-1，Bull，China）來控制不同照光時長。不同的光質(zhì)比由220 W 的定制LED 補光燈（APO，深圳市聯(lián)邦重科電子科技有限公司）來實現(xiàn)，每種補光燈由不同比例的白光燈珠、紅光燈珠、遠紅光燈珠組合而成。白光燈珠為全光譜，紅光（R）燈珠波長為660 nm，遠紅光（FR）燈珠波長為730 nm。用照度計（LI-250A，LI-COR，USA）測得低光質(zhì)比（D）和正常光質(zhì)比（N）的PAR 均為513 ± 3 μmol·m-2·s-1（在植株高度）；高光質(zhì)比（H）下，PAR 為495 ± 3 μmol·m-2·s-1。在高光質(zhì)比（H）下，由于補光燈光強略低，燈的位置略微降低以達到相同PAR。不同處理之間用四面包圍的遮光布隔開，頂部設(shè)置補光燈，留有通風口，底部為育苗容器，容器放置在透氣的鐵絲網(wǎng)苗床上。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 相對生長速率（RGR）利用游標卡尺（0.01 mm）和直尺（0.1 cm）對每株幼苗進行2 次基徑（cm）和株高（cm）的測量，每處理測3 個重復，兩次測量間隔15 天。進而計算相對生長速率（RGR），計算公式如下[32]：

其中，d1、h1、t1分別為第1 次測量時幼苗的基徑、株高和測量時間，d2、h2、t2分別為第2 次測量時幼苗的基徑、株高和測量時間，t2-t1為2 次測量的時間間隔（月）。

1.3.2 葉綠素熒光參數(shù) 選擇長勢良好的幼苗暗適應20 min 后，用FluorPen-FP100 手持式熒光儀（Photon System Instruments，Drasov，Czech Republic）測定葉片的OJIP 曲線，OJIP 曲線由3 000 μmol·m-2·s-1的脈沖 紅光誘 導，每處理 測3 個 重復。按照每次重復OJIP 曲線各時間點的熒光強度求其平均值，按照平均值繪制OJIP 曲線，曲線橫坐標以對數(shù)形式表示。其中20 μs 測量的熒光強度為O 相熒光強度（Fo），2 ms 測量的熒光強度J 相熒光強度（Fj），30 ms 測量的熒光強度I 相熒光強度（Fi），最后達到最大熒光強度P 相（Fm）。通過JIP-test 分析并計算得出葉片的PSII 最大光化學效率（Fv/Fm）、光合性能指數(shù)（PIABS）、單位反應中心活性（ABS/RC）等參數(shù)[33]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)用RStudio 軟件（Version 1.3.109 3，http://www.rstudio.com）進行三因素（種源、光周期和光質(zhì)）方差分析、多重比較，以及顯著性檢驗（α=0.05），用RStudio 及OriginPro 2019b 制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 相對生長速率（RGR）

栓皮櫟的不同種源間（指栓皮櫟種源遼寧大連LN、陜西太白SX、云南安寧YN 之間，以下簡稱為“種源間”）的RGR 有顯著差異（p＜ 0.05）（表3）。光周期對RGR 有顯著影響，短光周期S 下的RGR 分別比中光周期M、長光周期L 低8.11%、37.84%（p＜ 0.05）（圖1）。3 個種源的RGR 均隨著光周期延長而呈現(xiàn)增加的趨勢，種源LN 的RGR 則在中光周期M 下最高。光質(zhì)比處理對種源間RGR 無顯著影響（p＞ 0.05）。

圖1 相對生長速率（RGR）對不同處理的響應Fig.1 Response of relative growth rate (RGR) to different treatments

表3 光周期、光質(zhì)比及不同種源/種對RGR 與基礎(chǔ)熒光參數(shù)的三因素方差分析Table 3 Two-way ANOVA on RGR and basic fluorescence parameters by photoperiod，light quality ratio and different provenances/species(F value)

3 個櫟屬植物種間（指栓皮櫟Qv、蒙古櫟Qm、短柄枹櫟Qg 之間，以下簡稱為“種間”；栓皮櫟Qv 數(shù)據(jù)為栓皮櫟3 個種源LN、SX、YN 數(shù)據(jù)取均值）的RGR 有顯著差異（p＜ 0.05）（表3）。光周期對種間RGR 無顯著影響，光周期S 下的RGR 雖然分別比光周期M、L 低26.67 %、26.67 %但差異不顯著（圖1）。光周期處理對栓皮櫟Qv、蒙古櫟Qm 的RGR 無顯著影響，但短柄枹櫟的RGR 隨光周期延長而升高。光質(zhì)比處理對種間RGR 無顯著影響（p＞ 0.05）。

光周期與光質(zhì)比的交互效應僅在栓皮櫟種源間顯著（表3）。在中光周期M 下，低光質(zhì)比D 的RGR 最高，且顯著高于正常光質(zhì)比；但短光周期S 與長光周期L 下，均是正常光質(zhì)比N 下RGR 最高（圖2）。

圖2 栓皮櫟種源間不同光周期幼苗的RGR對光質(zhì)比處理的響應Fig.2 Response of RGR of Qv seedlings under different photoperiods to light quality ratios

2.2 葉綠素熒光誘導動力學

2.2.1 OJIP 曲線及基礎(chǔ)熒光參數(shù) 光周期、光質(zhì)比以及種源對O、J、I、P4 個拐點的熒光強度（Fo、Fj、Fi、Fm）均有顯著或極顯著影響，但3 個因素的交互作用均不顯著（表3）。光周期處理中，中光周期M 的Fo、Fj、Fi、Fm值顯著高于長光周期L（p＜ 0.05）；光質(zhì)比處理中，低光質(zhì)比D 下Fj、Fi、Fm均顯著高于正常光質(zhì)比N 和高光質(zhì)比H（p＜ 0.05）。在種間，除光質(zhì)比處理對初始熒光（Fo）無顯著影響外，光周期、光質(zhì)比以及種對O、J、I、P4 個拐點的熒光強度（Fo、Fj、Fi、Fm）均有顯著或極顯著影響，但3 個因素的交互作用均差異不顯著（表3）。由于篇幅限制，僅展示部分處理組合下（固定兩個因素，對第三個因素進行比較）的OJIP 曲線圖（見圖3）。

圖3 不同處理下的OJIP 曲線Fig.3 OJIP curve under different treatments

在種源水平，光周期處理主要影響Vj、Vi和Mo，如中光周期M 處理下的Mo、Vi、Vj分別比長光周期L 高10.34 %、2.25 %、6.25 %（p＜ 0.05）（圖4）。光質(zhì)比處理主要影響Fv/Fo值，正常光質(zhì)比N 處理下的Fv/Fo比高光質(zhì)比H 高5.41 %（N：3.51；H：3.48）。

光周期處理在種間對基礎(chǔ)熒光參數(shù)均有顯著影響，中光周期M、長光周期L 處理下的Fv/Fo顯著高于短光周期S（S：3.06；M：3.37；L：3.41），短光周期S 下Mo（S：1.36；L：1.24）、Vi（S：0.91；L：0.9）、Vj（S：0.53；L：0.5）均顯著高于長光周期L（p＜ 0.05），中光周期M 下的Vi也顯著高于長光周期L（M：0.91；L：0.9）（圖4）。光質(zhì)比對Vj、Vi、Fv/Fo以及Mo作用均不顯著。

在種源間（圖4），南方種源YN 在長光周期L 下的的Fv/Fo、Fv/Fm顯著高于短光周期S（p＜0.05），Mo顯著低于短光周期S（p＜ 0.05），中光周期M 下Vi最高。但種源LN、SX 在不同光周期下Fv/Fo、Fv/Fm、Mo、Vi、Vj均差異不顯著（p＞0.05）。各種源幼苗的Fv/Fo、Fv/Fm、Mo、Vi、Vj對光質(zhì)比處理的響應均不顯著。

在種間（圖4），短柄枹櫟的Fv/Fo、Fv/Fm在短光周期S 下均顯著低于光周期M、L，Vj、Vi顯著高于光周期L；但栓皮櫟的Fv/Fo、Fv/Fm、Mo、Vj對光周期處理響應均不顯著，Vi在中光周期M 下最高。蒙古櫟的Fv/Fm、Mo、Vi、Vj對光周期處理響應均不顯著，F(xiàn)v/Fo在短光周期S 下顯著低于光周期M、L。3 個櫟屬種的Fv/Fo、Fv/Fm、Mo、Vi、Vj對光質(zhì)比處理的響應均不顯著。

圖4 部分基礎(chǔ)熒光參數(shù)對不同處理的響應Fig.4 Response of some basic fluorescence parameters to different treatments

2.2.2 PSII 反應中心活性 光周期處理對種源間各能量分配參數(shù)無顯著影響，但對Ψo、φEo有顯著影響（p＜ 0.05）。長光周期L 的Ψo（S：0.51；M：0.49；L：0.52）、φEo（S：0.39；M：0.38；L：0.41）顯著高于中光周期M（p＜ 0.05）（圖5）。光質(zhì)比處理對種源間各能量分配參數(shù)及量子產(chǎn)額參數(shù)均無顯著影響。

圖5 不同光周期處理下PSII 反應中心活性和電子傳遞的變化Fig.5 Changes of PSII reaction center activity and electron transfer under different photoperiod

除ETo/RC 以及TRo/RC 外，光周期對種間各能量分配參數(shù)及量子產(chǎn)額參數(shù)均有顯著影響（p＜0.05）。短光周期S 下ABS/RC（S：3.43；M：3.31；L：3.24）、DIo/RC（S：0.9；M：0.78；L：0.76）顯著高于長光周期L（p＜ 0.05），雖也高于中光周期M 但差異不顯著。長光周期L 的Ψo（S：0.47；M：0.48；L：0.5）、φEo（S：0.35；M：0.37；L：0.39）顯著高于短光周期S（p＜ 0.05）。中光周期M、長光周期L 的φDo顯著低于短光周期S（S：0.25；M：0.23；L：0.23）（p＜ 0.05）。此外，長光周期L 的PIAbs顯著高于短光周期S 和中光周期M（S：0.87；M：1.02；L：1.18）。光質(zhì)比處理對種間的各能量分配參數(shù)及量子產(chǎn)額參數(shù)均無顯著影響。

3 討論

光周期作為環(huán)境信號因子激活植物體內(nèi)的不同信號途徑的發(fā)生，同時通過影響葉片光合作用制造同化物的時長來影響同化物合成和分配[34-35]。本研究結(jié)果表明，延長光周期可提高櫟屬植物的相對生長速率RGR，這與前人關(guān)于光周期[36-37]的研究結(jié)果一致。如朱開元等[37]的研究也表明，延長光周期顯著增加了羅漢松（Podocarpus macrophylus(Thunb.)D.Don）和雞爪槭（Acer palmatumThunb.）的株高，表明光合作用制造的同化物主要用在了植物莖的高生長上；縮短光周期會導致干物質(zhì)積累不足，導致幼苗高生長緩慢。光質(zhì)比處理對櫟屬植物幼苗RGR 均無顯著影響。但在中光周期下，低光質(zhì)比的幼苗RGR 最高，且顯著高于正常光質(zhì)比，表明避陰反應（即低光質(zhì)比會促進莖伸長的現(xiàn)象）并非在任何環(huán)境下均有效，在本實驗中僅在中光周期下表現(xiàn)出了明顯的避陰反應，縮短、延長光周期均會使這一效應不明顯，進一步說明光周期對避陰反應存在介導效應。這可能是由于短光周期下干物質(zhì)積累不足，無法供應莖伸長所需養(yǎng)分，而長光周期下莖生長速度均已達到較高水平，無需光質(zhì)比信號的誘導就有充足的養(yǎng)分供應高生長。鄭芬等[4]通過監(jiān)測天然林林下光照及幼樹株高等指標，也發(fā)現(xiàn)R/FR 變化對林下幼樹的高徑比無顯著影響，認為復雜的天然林生境下植株高生長會更多地受到其他因素（如凋落物和種子特性等）的影響[38]。因此，雖然許多研究[1,39-42]表明植物存在避陰反應，但不同植物對其敏感度不同，同種植物在不同環(huán)境條件下（如光周期、凋落物等）也會對避陰反應有不同的響應。

熒光的快速上升反映了光合電子傳遞鏈中幾種不同氧化還原反應的動力學所影響的的濃度。因此，OJIP 瞬態(tài)可用于表征PSII 光化學的量子產(chǎn)率和電子傳遞活性[43]。本研究中，延長光周期會導致櫟屬植物幼苗的Fo、Fj、Fi、Fm值的降低，表明延長光周期會影響光合機構(gòu)的功能，比如增加反應中心復合體的數(shù)量、增加QA到QB的電子傳遞速率等。φPo（Fv/Fm）和PIABS是研究植物光合生理狀態(tài)的重要指標，F(xiàn)v/Fm反映了植物葉片PSII 原初光能轉(zhuǎn)化效率[43]，PIABS可從光能吸收、捕獲和電子傳遞3 方面綜合反映光系統(tǒng)II 的活性[44]。本研究中，除縮短光周期會顯著降低櫟屬植物種水平的Fv/Fm外，其他光周期處理下Fv/Fm均變化不明顯，表明縮短光周期會阻礙葉片轉(zhuǎn)化能力。延長光周期會提高PIABS，表明延長光周期會增強PSII 反應中心活性。Mo、Vj、ψo、φEo等參數(shù)可以反映出葉片PSII 供體側(cè)變化[45]。例如，Vj可以反映QA到QB的積累量[46-48]。本研究發(fā)現(xiàn)，延長光周期處理會使得Vj和Mo明顯降低，說明QA被還原的速率下降，積累量減少甚至無積累。延長光周期會促進PSIIQA向QB的電子傳遞更通暢?？s短光周期導致φDo增加，說明縮短光周期會增加熱耗散比例，降低PSII 電子傳遞速率。與此同時，延長光周期造成ψo、φEo增加，這進一步促進了PSII 中的電子傳遞。在種水平上的ABS/RC、DIo/RC隨著光周期的延長逐漸降低，但光周期處理對TRo/RC、ETo/RC 均無顯著影響，表明隨著光周期的延長，單位反應中心吸收的光能逐漸降低，但光合系統(tǒng)會通過降低熱耗散的方式，優(yōu)先保障傳遞到QA的能量以及QA傳遞到QB的能量，來維持光合作用的能力。李冬梅等[49]和劉杰等[50]的研究也表明，縮短光周期會降低φPo、ψo、PIABS，這與本研究發(fā)現(xiàn)的變化規(guī)律一致。綜上，葉片的光合過程對光周期較為敏感，隨著光周期延長，QA被還原的速率下降，積累量減少甚至無積累，PSIIQA向QB的電子傳遞更通暢，增加PSII 電子傳遞速率。雖然單位反應中心吸收的光能逐漸降低，但光合系統(tǒng)通過降低熱耗散，優(yōu)先保障傳遞到QA的能量以及QA傳遞到QB的能量，來維持光合作用的能力。

有研究認為在植物對干旱等外界環(huán)境變化不敏感時，F(xiàn)o和Fm可能發(fā)生相同趨勢的變化，進而維持Fv/Fm值不變[51]，這與本研究的結(jié)果一致。降低光質(zhì)R/FR 比值會導致不同種源栓皮櫟幼苗的Fo、Fj、Fi、Fm值的升高，F(xiàn)v/Fm則無顯著差異。因此可以認為在種源水平上葉片對光質(zhì)比變化不敏感。光質(zhì)比處理對櫟屬植物幼苗的能量分配參數(shù)及量子產(chǎn)額參數(shù)均無顯著影響，表明光質(zhì)比處理并未顯著影響光合作用的結(jié)構(gòu)?？傮w上，本研究中南部分布的種（短柄枹櫟和栓皮櫟）或種源（如栓皮櫟南方種源YN）相比北方分布的種（如蒙古櫟）或種源對光周期處理更敏感，延長光周期會顯著提高南方種或種源的Fv/Fo、Fv/Fm，增加PSII 光能轉(zhuǎn)換效率和潛在活性，促進光系統(tǒng)線性電子傳遞，進而提高光合同化效率。這與本課題組前期的研究結(jié)果相吻合[52]，即當栓皮櫟南方種源（適應于當?shù)囟倘照窄h(huán)境）移植到北方環(huán)境（長日照）后，其羧化效率、光化學猝滅系數(shù)和相對生長速率均顯著高于南方環(huán)境。

4 結(jié)論

本研究通過對櫟屬植物幼苗生長及熒光參數(shù)對光周期和光質(zhì)比的響應分析，發(fā)現(xiàn)其對光周期和光質(zhì)比存在種內(nèi)和種間差別。栓皮櫟南方種源對光周期變化響應較之中部與北部種源更加敏感，延長光周期會顯著增加南方種源的Fv/Fo、Fv/Fm及RGR。在種間水平上，短柄枹櫟和栓皮櫟較之蒙古櫟對光周期的響應更強烈，縮短光周期會顯著降低短柄枹櫟的Fv/Fm及RGR，延長光周期顯著提高了栓皮櫟和短柄枹櫟的RGR，但蒙古櫟的Fv/Fm及RGR 對光周期的響應均不顯著。R/FR 比值降低會導致櫟屬植物幼苗的Fo、Fj、Fi、Fm值同步升高，但Fv/Fm不變，對各能量分配參數(shù)、量子產(chǎn)額參數(shù)及RGR也無顯著影響。櫟屬植物幼苗總體對光質(zhì)比處理不敏感。此外，光質(zhì)比與光周期對RGR 存在顯著交互效應。在中光周期下，幼苗表現(xiàn)出明顯的避陰反應，即低光質(zhì)比下RGR 最高，且顯著高于正常光質(zhì)比和高光質(zhì)比。