雙升普,張金燕,寸 竹,武洪敏,孟珍貴,李龍根,陳軍文,*

1 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)西南中藥材種質(zhì)創(chuàng)新與利用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,昆明 650201 2 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)云南省藥用植物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650201 3 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院,昆明 650201

光作為光合作用能量的來(lái)源,其強(qiáng)度會(huì)影響植物的形態(tài)建成、光合生理及生物量的產(chǎn)生與分配等過(guò)程,從而影響植物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程[1—2]。而根據(jù)植物對(duì)光照強(qiáng)度的需求性不同,可以分為喜光植物與喜陰植物[3]。然而在自然界中,光照強(qiáng)度是高度異質(zhì)化的,植物必須以固著的方式響應(yīng)光照環(huán)境的異質(zhì)性[4—5]。在沒(méi)有發(fā)生遺傳變異的情況下,植物主要通過(guò)表型可塑性適應(yīng)異質(zhì)化的光環(huán)境[6—7]。表型可塑性是植物在形態(tài)建成、生長(zhǎng)特征和生理功能等方面發(fā)生變化從而響應(yīng)異質(zhì)環(huán)境的一種生態(tài)策略[8—10]。可塑性指標(biāo)的大小可以反映植物對(duì)環(huán)境變化適應(yīng)能力的強(qiáng)弱[11—12]。因此,植物表型的可塑性是植物光響應(yīng)研究的主要指標(biāo)之一。

光合生理是最先被光照強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)來(lái)響應(yīng)變化的生理特征[13—16]。喜光植物通過(guò)較高的凈光合速率(Pn)、光飽和點(diǎn)(LSP)和光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)等來(lái)增強(qiáng)自身潛在的光合能力,因此能忍受較高的光照強(qiáng)度[17—19]。低光下,喜光植物風(fēng)吹楠(Horsfieldiaglabra)Pn較低,此時(shí)其通過(guò)降低LCP和暗呼吸速率(Rd)來(lái)減少消耗從而適應(yīng)遮陰環(huán)境；而在高光下可通過(guò)增加Pn來(lái)適應(yīng)高光環(huán)境[13]。但是,較高的Pn意味著單位面積上需要投入更多的葉綠體、光合蛋白及有機(jī)物等物質(zhì)來(lái)構(gòu)建較厚的葉片[20—21]。喜陰植物由于光合能力較弱,導(dǎo)致用于構(gòu)建葉片厚度的生物量較少,因此其高光適應(yīng)能力較弱。另一方面,喜陰植物自身潛在的Pn、LSP、LCP以及Rd相對(duì)較低[17—19],當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí),其光合生理如何在較小的變化幅度內(nèi)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)調(diào)整是值得研究的問(wèn)題。

植物對(duì)不同光照強(qiáng)度的響應(yīng)最終表現(xiàn)在形態(tài)建成上。當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)減弱時(shí),植物通過(guò)增大植株冠幅和增加單片葉面積等方式向著更有利于捕獲光能的方向發(fā)生改變；而在高光照條件下,植物通過(guò)減小單株葉面積和葉片數(shù)量等地上部分形態(tài)特征來(lái)減少光能的吸收[10,22—23]。此外,光照強(qiáng)度對(duì)植物地上部分的調(diào)節(jié)會(huì)影響植株碳的獲取,從而調(diào)節(jié)根系生物量的積累,使其更好的適應(yīng)地上部光環(huán)境的變化[1]。前人研究發(fā)現(xiàn)喜陰植物可通過(guò)形態(tài)特征的變化來(lái)較快地響應(yīng)不同的光照環(huán)境,但其形態(tài)可塑性與喜光植物相比變化幅度較小[10]。因此,了解喜陰植物形態(tài)建成如何在有限的變化范圍內(nèi)較快響應(yīng)異質(zhì)光環(huán)境對(duì)于分析其響應(yīng)策略是非常必要的。

生物量的積累和分配作為植物在異質(zhì)光環(huán)境中內(nèi)在和外在聯(lián)系的橋梁,其變化會(huì)影響相對(duì)生長(zhǎng)速率(RGR),是植物響應(yīng)光照環(huán)境的另一重要策略,尤其是不同光照環(huán)境下葉生物量比(LMR)、葉面積比(LAR)、比葉面積(SLA)等生物量分配的改變[24—26],其中SLA是與RGR變化相關(guān)的主要因子[27—28]。在低光環(huán)境下,較大的SLA使得有效葉面積增加,光合碳收獲增強(qiáng),最終引起植物RGR增加[29]。然而SLA對(duì)光的適應(yīng)性調(diào)整也是有限度的,當(dāng)遮陰過(guò)度時(shí)喜陰植物總的生物量減少,此時(shí)分配到地上部分的生物量雖然比例有所增加但數(shù)量卻有所減少,使得植物捕獲的光能相對(duì)較少,導(dǎo)致RGR降低。生產(chǎn)實(shí)踐上,都會(huì)追求植物的最大RGR,以達(dá)到高產(chǎn)目的,因此,當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)發(fā)生變化時(shí),陰生植物生物量如何優(yōu)化分配調(diào)整來(lái)使RGR尤其是經(jīng)濟(jì)器官的RGR保持較大是十分重要的。

三七(Panaxnotoginseng)為五加科人參屬多年生的典型陰生植物,以根和根狀莖入藥,是中國(guó)傳統(tǒng)的名貴中藥材,在種植過(guò)程中需要采用遮陰栽培[30—31]。傳統(tǒng)道地產(chǎn)區(qū)的三七種植中有“三分陽(yáng),七分陰”之說(shuō),認(rèn)為三七在30%透光率(LT)下生長(zhǎng)較好,但試驗(yàn)證據(jù)相對(duì)缺乏。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)透光率為9.6%—11.5%時(shí),三七具有較高的Pn,同時(shí)在1%透光率下三七也能生存,表現(xiàn)出較強(qiáng)適應(yīng)低光的能力[31—33]。此外,有研究發(fā)現(xiàn),一年生三七通過(guò)提高Pn、降低蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)以及降低株高和葉面積來(lái)適應(yīng)高光照環(huán)境[34—35],但實(shí)驗(yàn)使用的材料是處于種苗階段的一年生三七。本課題組研究還發(fā)現(xiàn),兩年生三七會(huì)通過(guò)降低根冠比(RSR)、根生物量比(RMR),增加莖生物量比(SMR)和LMR以獲取更多的光能,從而更好地適應(yīng)低光照環(huán)境；而在高光照下則是通過(guò)葉片變厚變小來(lái)減少光能捕獲,并增加根重比來(lái)適應(yīng)環(huán)境[36—38]。然而,以往的相關(guān)工作都是對(duì)不同生長(zhǎng)光照強(qiáng)度下三七形態(tài)特征或生理生態(tài)特性中某一方面的研究,從形態(tài)、生理和生長(zhǎng)角度綜合深入分析三七對(duì)長(zhǎng)期光照環(huán)境變化的響應(yīng)特征的研究相對(duì)較少,且以前相關(guān)研究生長(zhǎng)環(huán)境光強(qiáng)設(shè)置的范圍較小。因此,本文以兩年生三七為實(shí)驗(yàn)材料,設(shè)置一系列的生長(zhǎng)環(huán)境光照強(qiáng)度(46.5% LT、21.8% LT、9.70% LT、5.10% LT和2.80% LT),對(duì)生長(zhǎng)于不同光照強(qiáng)度下三七的形態(tài)特征、生物量積累及分配和光合生理特性進(jìn)行分析,并進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)性、可塑性和主成分分析,進(jìn)而闡明三七對(duì)不同光照環(huán)境的響應(yīng)策略,為三七的優(yōu)質(zhì)高效種植提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)設(shè)于文山州硯山縣盤(pán)龍鄉(xiāng)(104°32′E,23°53′N(xiāo))苗鄉(xiāng)三七實(shí)業(yè)有限公司三七科技示范園內(nèi)。硯山縣位于云南省東南部,103°35′—104°45′E、23°18′—23°59′N(xiāo)之間,海拔1539 m,年平均降雨量1200 mm,年平均氣溫約16 ℃,最冷月平均溫度9 ℃,最熱月平均溫度21 ℃,全年無(wú)霜期大于300 d,日均氣溫10 ℃以上,積溫為5000 ℃,屬于亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候[39]。硯山縣是三七的主要傳統(tǒng)產(chǎn)區(qū)和道地產(chǎn)區(qū),同時(shí)也是三七最適宜生長(zhǎng)的地區(qū)之一,被譽(yù)為“中國(guó)三七之鄉(xiāng)”。

1.2 試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

在空曠地使用三七專用遮陽(yáng)網(wǎng)搭建5種不同透光率的蔭棚,蔭棚長(zhǎng)4 m、寬4 m、高2 m,設(shè)有紗網(wǎng),通風(fēng)透氣。選擇晴天,使用Li-190R 量子傳感器(棚內(nèi)和棚外各三個(gè))和Li-1500 光量子記錄儀(Li-Cor,USA),于6:00—19:00每隔10 s采集一次每個(gè)蔭棚內(nèi)的光照強(qiáng)度；同時(shí)測(cè)量全日照強(qiáng)度作為對(duì)照。以測(cè)量時(shí)間段內(nèi)蔭棚光照強(qiáng)度(三個(gè)量子傳感器的平均值)占同一時(shí)刻透光率強(qiáng)度百分比的平均值作為三七生長(zhǎng)環(huán)境光強(qiáng)的指標(biāo)；經(jīng)測(cè)量,5個(gè)處理的平均環(huán)境光照強(qiáng)度分別為：46.5% LT、21.8% LT、9.70% LT、5.10% LT、2.80% LT(圖1)。在前期研究發(fā)現(xiàn),透光率為9.6%—11.5%時(shí)三七生長(zhǎng)發(fā)育良好,透光率高于30%三七就會(huì)受到顯著的高光抑制,而透光率只有3%左右時(shí)三七將受到明顯的低光限制[36],因此,本實(shí)驗(yàn)中9.70%透光率代表前期發(fā)現(xiàn)的適宜光照條件,5.10%、2.80%的透光率代表低光條件,46.5%和21.8%的透光率代表高光條件。實(shí)驗(yàn)采取盆栽進(jìn)行,花盆內(nèi)徑30 cm、深25 cm,盆栽土壤為當(dāng)?shù)厣?紅壤),其土壤基本理化性狀如表1所示。于1月份選取生長(zhǎng)良好、大小一致的三七種苗進(jìn)行移栽,每個(gè)處理下劃分為15個(gè)重復(fù)小區(qū),每個(gè)小區(qū)放置5盆,每盆3株。試驗(yàn)期間三七常規(guī)田間管理措施統(tǒng)一按文山三七科技示范園的三七規(guī)范化種植技術(shù)規(guī)程進(jìn)行。

圖1 不同透光率和全日照下的光量子通量密度Fig.1 Representative diurnal time courses of photosynthetic photon flux density in different light transmittance (LT) and the full sunlight

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1形態(tài)指標(biāo)的測(cè)量

于12月份三七(兩年生)收獲期,將不同透光率蔭棚下的三七進(jìn)行取樣。取樣時(shí),將三七整株取出,用水洗凈,每個(gè)處理選15株(每個(gè)小區(qū)1株)進(jìn)行測(cè)量,每株重復(fù)3次。用電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量莖粗(mm)；用直尺測(cè)量株高(cm)、每片小葉的長(zhǎng)和寬(測(cè)葉片最寬的地方,cm),將葉片看作橢圓形,計(jì)算每個(gè)葉片的葉面積(葉面積=葉長(zhǎng)×葉寬×0.75 cm2)[40],并統(tǒng)計(jì)出三七的單株葉面積(cm2)；然后統(tǒng)計(jì)植株的葉片數(shù)及分枝數(shù)。

1.3.2生物量及分配的測(cè)量

每個(gè)處理選15株三七(每個(gè)小區(qū)1株),然后將根、莖、葉分開(kāi)放在105 ℃下的烘箱中殺青1 h,然后在60 ℃下烘干至恒重。用電子天平稱量根生物量(根重,g)、莖生物量(莖重,g)、葉生物量(葉重,g)；并統(tǒng)計(jì)出總生物量(Mt)、根生物量比(RMR,根重/植株總重)、莖生物量比(SMR,莖重/植株總重)、葉生物量比(LMR,葉重/植株總重)、葉面積比(LAR,總?cè)~面積/植株總重cm2/g)和比葉面積(SLA,總?cè)~面積/葉重cm2/g)。并且在移栽時(shí)也需要對(duì)三七種苗進(jìn)行取樣,烘干后測(cè)量其總生物量(M0),用于計(jì)算相對(duì)生長(zhǎng)速率(RGR)[41]：

RGR=(lnMt-lnM0)/t

其中,Mt表示兩年生三七的總生物量(g),M0表示移栽時(shí)測(cè)定的三七種苗的總生物量(g),t表示兩次測(cè)定的時(shí)間間隔(d)。

1.3.3氣體交換參數(shù)的測(cè)量

于生長(zhǎng)旺盛期,使用Li-6400XT光合-熒光記錄儀(Li-Cor,USA)測(cè)定不同蔭棚下三七葉片的光響應(yīng)曲線。使用CO2注入系統(tǒng)將CO2濃度控制為400 μmol/mol,夾上葉片后于500 μmol m-2s-1光強(qiáng)下穩(wěn)定一段時(shí)間,待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后啟動(dòng)自動(dòng)測(cè)量程序,光照強(qiáng)度從大到小依次設(shè)為：800、500、400、300、200、150、100、80、60、40、20、10、0 μmol m-2s-1,每個(gè)光強(qiáng)下穩(wěn)定2—3 min,采集氣體交換參數(shù)值。以光照強(qiáng)度(Photosynthetic photon flux density,PPFD)為橫軸,Pn為縱軸繪制光響應(yīng)曲線(Pn-PPFD曲線)。據(jù)Bassman的方法擬合Pn-PPFD曲線方程[42]：

Pn=Pn-max-Pn-maxC0e-αPPFD/Pn-max

式中,Pn-max為最大凈光合速率,α為表觀量子效率(AQY),C0為度量弱光下凈光合速率趨近于0的指標(biāo)。從中可得到單位面積最大凈光合速率(Pn-max/area)、單位面積氣孔導(dǎo)度(Gs/area)、單位面積暗呼吸速率(Rd/area)=Pn-max-Pn-maxC0、單位面積光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP/area,μmol m-2s-1)=Pn-maxln(C0)/α。然后基于SLA計(jì)算單位質(zhì)量最大凈光合速率(Pn-max/mass)=(Pn-max/area)×SLA×1000/10000、單位質(zhì)量氣孔導(dǎo)度(Gs/mass)=(Gs/area)×SLA×1000/10000、單位質(zhì)量暗呼吸速率(Rd/mass)=(Rd/area)×SLA×1000/10000、單位質(zhì)量光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP/mass,nmol g-1s-1)=(LCP/area)×SLA×1000/10000。實(shí)驗(yàn)中使用統(tǒng)一校準(zhǔn)后隨機(jī)分配的5臺(tái)Li-6400XT光合儀(Li-Cor,USA)同時(shí)測(cè)量5個(gè)處理,每個(gè)處理選取15株(每個(gè)小區(qū)1株)進(jìn)行測(cè)量,每株選取1葉片,葉片空間取向和角度盡量一致。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 25.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)及差異顯著性分析(n=15),用Pearson法對(duì)三七RGR與各指標(biāo)間的相關(guān)性進(jìn)行分析；用Sigmaplot 14.0和Origin 2020b軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光照強(qiáng)度對(duì)三七生長(zhǎng)及形態(tài)特征的影響

在高光和低光下,三七各形態(tài)特征參數(shù)都有所降低(圖2)。其中,株高、莖粗和單株葉面積在透光率為9.70% 時(shí)最高,且顯著高于46.5% 和2.80% (P<0.05)；葉片數(shù)量和分枝數(shù)量在透光率為9.70% 的條件下最多,且顯著高于46.5% (P<0.05)?？偟膩?lái)看,在透光率為9.70% 時(shí)三七形態(tài)特征最好,高光或低光都會(huì)顯著降低其形態(tài)的生長(zhǎng)發(fā)育。

圖2 不同透光率對(duì)三七株高、莖粗、葉片數(shù)量、分枝數(shù)量和單株葉面積的影響Fig.2 Effects of different light transmittance on plant height,stem diameter,leaf number,branche number and leaf area per plant of P. notoginseng不同字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2 不同光照強(qiáng)度對(duì)三七生物量分配的影響

高光和低光條件下三七各部分生物量都有所降低(圖3)。單株根生物量、單株莖生物量、單株葉生物量和單株總生物量在不同透光率下的變化趨勢(shì)一致,都在透光率為9.70%時(shí)最高,其次是21.8%,這兩種條件的各部分生物量都顯著高于其他透光率(P<0.05),且透光率為2.80%時(shí)各部分生物量最少?？偟目磥?lái),透光率為9.70%條件下的各部分生物量和單株的總生物量都具有最大值,而透光率為2.80%時(shí)最低,并且顯著低于其他幾個(gè)透光率(P<0.05),表明低光下生物量積累較少。

圖3 不同透光率對(duì)三七單株根生物量、單株莖生物量、單株葉生物量和單株總生物量的影響Fig.3 Effects of different light transmittance on root biomass per plant,stem biomass per plant,leaf biomass per plant and total biomass per plant of P. notoginseng

由圖4可知,三七LAR和SLA都在透光率為2.80%下最大,且顯著高于其他幾個(gè)透光率(P<0.05),表明低光下植物會(huì)通過(guò)增加LAR和SLA來(lái)獲取更多的光能。另外,不同透光率下三七RMR、SMR和LMR是存在一定差異的。其中,RMR隨著透光率的降低而降低,而SMR和LMR則是隨著透光率的降低而逐漸增加,且三者在透光率為46.5%、21.8%和9.70%時(shí)差異都不顯著,但都顯著低于其他兩個(gè)透光率；并且RGR在透光率為9.70%時(shí)最大,并顯著高于其他幾個(gè)透光率(P<0.05)。表明低光和高光都會(huì)影響植物各部分生物量的分配比例,并抑制植物生長(zhǎng)。

圖4 不同透光率對(duì)三七生物量分配的影響Fig.4 Effects of different light transmittance on biomass allocation of P. notoginseng

2.3 不同光照強(qiáng)度對(duì)三七光合能力的影響

由圖5可以看出,不同透光率下三七Pn-max/area、Gs/area、Rd/area、LCP/area和Pn-max/mass、Gs/mass、Rd/mass、LCP/mass是存在差異的。與透光率9.70%相比,高光(46.5% LT和21.8% LT)水平下的Pn-max/area、Gs/area、LCP/area和Pn-max/mass、Gs/mass、LCP/mass略高,但與對(duì)照差異不顯著；低光(5.10% LT和2.80% LT)水平下,上述參數(shù)則顯著低于9.70% LT下的(P<0.05),且隨著透光率的降低而減小。而Rd/area和Rd/mass都是隨著透光率的降低而逐漸上升,與透光率9.70%相比,除21.8% LT條件下的Rd/mass與其差異性不顯著外,其余參數(shù)在高光下都顯著下降(P<0.05)；而低光下則都顯著較高(P<0.05)。這些結(jié)果表明9.70%的透光率下三七的光合能力較好,而高光下三七會(huì)制造和消耗較多的有機(jī)物,低光下有機(jī)物的制造和消耗較少。

圖5 不同透光率對(duì)三七光合生理的影響Fig.5 Effects of different light transmittance on photosynthetic physiology of P. notoginsengPn-max/area：?jiǎn)挝幻娣e最大凈光合速率Maximum net photosynthetic rate unit area；Gs/area：?jiǎn)挝幻娣e氣孔導(dǎo)度Stomatal conductance unit area；Rd/area：?jiǎn)挝幻娣e暗呼吸速率Dark respiration rate unit area；LCP/area：?jiǎn)挝幻娣e光補(bǔ)償點(diǎn)Light compensation point unit area；Pn-max /mass：?jiǎn)挝毁|(zhì)量最大凈光合速率Maximum net photosynthetic rate unit mass；Gs/mass：?jiǎn)挝毁|(zhì)量氣孔導(dǎo)度Stomatal conductance unit mass；Rd/mass：?jiǎn)挝毁|(zhì)量暗呼吸速率Dark respiration rate unit mass；LCP/mass：?jiǎn)挝毁|(zhì)量光補(bǔ)償點(diǎn)Light compensation point unit mass

2.4 不同光照強(qiáng)度下三七形態(tài)和生理特征與RGR的相關(guān)性分析

2.4.1形態(tài)特征與RGR的相關(guān)性分析

RGR與株高、莖粗以及單株葉面積呈正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平(P<0.01),但相關(guān)性系數(shù)較低,分別為0.116、0.093和0.270,其中RGR與單株葉面積相關(guān)性最大,而與葉片數(shù)量的相關(guān)性則不顯著(圖6)。這些結(jié)果說(shuō)明,在形態(tài)特征方面,單株葉面積是影響三七生長(zhǎng)發(fā)育的主要因素,但形態(tài)特征各參數(shù)的相關(guān)性系數(shù)相對(duì)較小,表明與光合生理及生物量分配相比,形態(tài)特征對(duì)三七生長(zhǎng)發(fā)育的影響較弱。

圖6 三七株高、莖粗、葉片數(shù)量、單株葉面積與相對(duì)生長(zhǎng)速率的相關(guān)性Fig.6 Correlation between plant height,stem diameter,leaf number,leaf area per plant and relative growth rate (RGR) of P. notoginseng

2.4.2生物量分配與RGR的相關(guān)性分析

RGR與LAR、SLA、SMR、LMR呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平(P<0.01),其相關(guān)系數(shù)分別為0.493、0.461、0.390、0.472,而與RMR則是極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)相關(guān)系數(shù)為0.553。說(shuō)明RGR與RMR相關(guān)性最大,和LAR的相關(guān)性次之(圖7)?？偟膩?lái)看,生物量分配對(duì)三七的生長(zhǎng)發(fā)育有著較大的影響,其中又以控制分配到根部生物量的RMR和調(diào)控有機(jī)物生產(chǎn)和積累的LAR的影響最大。說(shuō)明生物量分配中三七主要通過(guò)RMR和LAR來(lái)響應(yīng)不同光照強(qiáng)度。

圖7 三七葉面積比、比葉面積、根生物量比、莖生物量比、葉生物量比與相對(duì)生長(zhǎng)速率的相關(guān)性Fig.7 Correlation between leaf area rate,specific leaf area,root mass ratio,stem mass ratio,leaf mass ratio and relative growth rate of P. notoginseng

2.4.3氣體交換參數(shù)與RGR的相關(guān)性分析

由圖8可知,RGR與Pn-max/area、Gs/area、LCP/area、Pn-max/mass、Gs/mass、LCP/mass呈正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平(P<0.01),相關(guān)系數(shù)分別為0.581、0.558、0.574、0.350、0.274、0.300,而與Rd/area、Rd/mass則是極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)相關(guān)系數(shù)分別是0.472、0.333；說(shuō)明RGR與Pn-max/area相關(guān)性最大,和Gs/area、LCP/area的相關(guān)性次之。總之,三七的RGR與Pn、Gs、LCP、Rd有很大的關(guān)聯(lián),說(shuō)明光合生理是植物響應(yīng)光照環(huán)境的一個(gè)重要策略,是影響三七生長(zhǎng)發(fā)育的主要因素。

圖8 三七單位面積最大凈光合速率(Pn-max/area)、單位面積氣孔導(dǎo)度(Gs/area)、單位面積暗呼吸速率(Rd/area)、單位面積光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP/area)和單位質(zhì)量最大凈光合速率(Pn-max/mass)、單位質(zhì)量氣孔導(dǎo)度(Gs/mass)、單位質(zhì)量暗呼吸速率(Rd/mass)、單位質(zhì)量光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP/mass)與相對(duì)生長(zhǎng)速率的相關(guān)性Fig.8 Correlation between maximum net photosynthetic rate unit area (Pn-max/area),stomatal conductance unit area (Gs/area),dark respiration rate unit area (Rd/area),light compensation point unit area (LCP/area),maximum net photosynthetic rate unit mass (Pn-max /mass),stomatal conductance unit mass (Gs/mass),dark respiration rate unit mass (Rd/mass),light compensation point unit mass (LCP/mass) and relative growth rate of P. notoginseng

2.5 不同光照強(qiáng)度下三七形態(tài)和生理特征的可塑性

由圖9可知,在所有性狀指標(biāo)中,莖粗的可塑性指數(shù)最小,單株根生物量可塑性指數(shù)最大；從形態(tài)特征、生長(zhǎng)特征和生理特征三方面來(lái)看,形態(tài)特征中沒(méi)有一個(gè)參數(shù)的可塑性指數(shù)大于0.5,其可塑性最小,生理特征參數(shù)的可塑性指數(shù)大于0.5的最多,其可塑性最大；而從形態(tài)特征分組可以看出,各參數(shù)的可塑性指數(shù)均小于0.5,其中單株葉面積的可塑性最高；在生長(zhǎng)特征分組中,單株根生物量及LAR的可塑性指數(shù)大于0.5,其中單株根生物量的可塑性最大,RGR的可塑性最??；生理特征中可塑性指數(shù)大于0.5的參數(shù)最多,有5項(xiàng)(Pn-max/area、Gs/area、Rd/area、LCP/area、Rd/mass)占比62.5%,其中Rd/area的可塑性最大,Gs/mass的可塑性最小。這些結(jié)果表明三七主要是通過(guò)改變光合生理、根的生物量以及LAR來(lái)響應(yīng)光照強(qiáng)度的變化。

圖9 三七形態(tài)特征、生長(zhǎng)特征和生理特征等各參數(shù)的表型可塑性指數(shù)Fig.9 Phenotypic plasticity index of parameters of morphological characteristics,growth characteristics,and physiological characteristics of P. notoginseng

2.6 不同光強(qiáng)響應(yīng)特征的主成分分析

對(duì)不同光照強(qiáng)度下三七的23個(gè)形態(tài)特征、生長(zhǎng)特征和生理特征參數(shù)進(jìn)行主成分分析,得到各主成分對(duì)三七響應(yīng)不同光強(qiáng)的特征值和貢獻(xiàn)率(表2)。從表中可以看出,PC1和PC2的累計(jì)貢獻(xiàn)度達(dá)70.61%,且特征

表2 各成分初始特征值及累積貢獻(xiàn)率Table 2 The initial eigenvalues and the accumulated variance contribution of each component

值都大于1,因此這兩個(gè)主成分能有效反映參數(shù)特征和有效解釋三七的響應(yīng)特征。

由圖10可知,PC1中光合生理特征參數(shù)(Pn-max/area、Gs/area、Rd/area、LCP/area、Pn-max/mass、Gs/mass、Rd/mass、LCP/mass)和生長(zhǎng)特征參數(shù)(單株根生物、單株總生物量、RMR、SMR、LMR、LAR、SLA、RGR)權(quán)重系數(shù)較大；PC2中生長(zhǎng)特征參數(shù)(單株莖生物量、單株葉生物量)和形態(tài)特征參數(shù)(株高、莖粗、葉片數(shù)量、分枝數(shù)量、單株葉面積)權(quán)重系數(shù)較大。實(shí)驗(yàn)點(diǎn)在PC1/PC2平面上較好的集聚為五簇,分別代表五個(gè)不同光強(qiáng)處理。同時(shí)PC1非常明顯的將透光率2.80%與其他四個(gè)透光率分離開(kāi),將透光率5.10%與透光率46.5%、21.8%、9.70%明顯分離開(kāi),而透光率46.5%、21.8%、9.70%三者間沒(méi)有明顯的區(qū)分,表明低光與其他幾個(gè)光強(qiáng)之間有著明顯的差異,而高光與透光率9.70%的差異較小。由載荷系數(shù)可以看出,Pn-max/area、Gs/area、LCP/area、RGR、根生物量、總生物量與PC1有著正相關(guān)關(guān)系,且對(duì)PC1的貢獻(xiàn)較大；而LAR、Rd/area對(duì)PC1也有著較大的貢獻(xiàn),但為負(fù)相關(guān)關(guān)系；葉片數(shù)量、分枝數(shù)量、單株葉面積與PC2為負(fù)相關(guān)關(guān)系,并且對(duì)其貢獻(xiàn)較大。并且Pn-max/area、Gs/area、LCP/area、RMR、根部生物量及總生物量與RGR相關(guān)性較高,且為正相關(guān)關(guān)系,而Rd/area、LAR與RGR則有著較高的負(fù)相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明在不同光照強(qiáng)度下三七主要靠調(diào)整光合生理特征、LAR、根生物量以及RMR來(lái)響應(yīng)變化。

圖10 不同透光率下三七形態(tài)和生理指標(biāo)的主成分分析Fig.10 Principal component analysis of morphological and physiological indexes of P. notoginseng under different light transmittance LAR：葉面積比Leaf area rate;SLA：比葉面積Specific leaf area;RMR：根生物量比Root mass ratio;SMR：莖生物量比Stem mass ratio;LMR:葉生物量比Leaf mass ratio;圖中點(diǎn)的顏色代表不同透光率；橢圓為不同透光率下各參數(shù)的置信區(qū)間；箭頭代表各指標(biāo)與主成分的關(guān)系

3 討論

3.1 高光環(huán)境下陰生植物三七采取快速碳獲得和碳消耗的冒險(xiǎn)響應(yīng)策略

形態(tài)特征作為判斷植物生長(zhǎng)發(fā)育狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo),可以直觀反映植株對(duì)不同強(qiáng)度光照環(huán)境的適應(yīng)性[43]。植物形態(tài)特征的改變是通過(guò)生物量積累和局部特化的生物量分配變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因此,生物量在各器官間的分配反映植物生長(zhǎng)策略的調(diào)整[22,44]。高光環(huán)境下陰生植物三七LMR、SMR、SLA和LAR較低,RMR較高(圖4),這與魏巍等研究發(fā)現(xiàn)高光下陽(yáng)生植物薇甘菊(Mikaniamicrantha)SLA 、LAR降低一致[24]。較低的SLA和LAR使葉片變厚變小,即單位生物量所承載的光合葉面積減少,使其捕光面積降低[45]。較厚的葉片在強(qiáng)光下單位面積葉片的光合能力較強(qiáng)[46],從而三七在高光下保持較高的Pn(圖5),消耗更多的光能,生產(chǎn)更多的有機(jī)物。同時(shí)高光下三七Rd較大(圖5),使得有機(jī)物消耗較多,從而維持Pn在一個(gè)較高水平來(lái)利用更多的光能,防止光合機(jī)構(gòu)遭受破壞[42,47],這些特征有利于植物在強(qiáng)光下保持較高的生存能力,提高對(duì)強(qiáng)光的適應(yīng)性。與此同時(shí),SLA和LAR降低表明植物生物量分配發(fā)生變化,高光下較多的生物量分配到三七地下部分,抑制地上部分的生長(zhǎng),提高RMR,有利于吸收更多的水分和無(wú)機(jī)物,為植物蒸騰和光合作用提供更多的原料,這與葉片變小時(shí)三七蒸騰失水減少相互協(xié)調(diào),成為陰生植物三七響應(yīng)高光環(huán)境的重要策略[45,48]?？偟膩?lái)看,高光下三七較高的Pn可以制造更多的有機(jī)物,而Rd較大則會(huì)消耗大量的光合產(chǎn)物,并且此時(shí)生物量積累較少(圖3),這說(shuō)明高光下陰生植物三七同時(shí)進(jìn)行快速碳獲得和碳消耗的冒險(xiǎn)策略[49]。

3.2 低光下陰生植物三七采取緩慢碳獲得和碳消耗的保守響應(yīng)策略

低光下由于光能不足,導(dǎo)致碳獲得顯著下降(圖5),此時(shí)各部分的生物量和總生物量的積累都顯著降低(圖3),這與陽(yáng)生植物大豆(Glycinemax)在遮陰處理下光合作用減弱,導(dǎo)致生物量積累減少的結(jié)果相一致[50]。遮陰過(guò)度時(shí),三七吸收的光能無(wú)法滿足其正常光合作用所需,因此Pn降低,產(chǎn)生和積累的有機(jī)物減少,營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)受到抑制,最終導(dǎo)致株高和葉面積降低(圖2),此時(shí)Rd降低,有機(jī)物的消耗減少,這與較低的光合速率相匹配。此外,三七通過(guò)減少根生物量的分配,將更多的資源分配到地上的莖和葉部分,增加SLA和LAR(圖4),植株葉面積增大,使其在低光下捕獲更多的光能,合成更多的光合產(chǎn)物來(lái)提高其耐陰性,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)弱光環(huán)境的適應(yīng)[51—53]。另一方面,LCP的高低可以反映植物對(duì)弱光的利用能力,低光下三七具有較低的LCP,降低了對(duì)光強(qiáng)利用和凈碳獲得的閾值,這也是植物對(duì)低光環(huán)境的一種響應(yīng)策略。因此,低光下陰生植物三七通過(guò)減少呼吸消耗來(lái)應(yīng)對(duì)較少的光合有機(jī)物產(chǎn)量,從而維持碳平衡,此時(shí),三七采取緩慢的碳獲得和碳消耗的保守策略來(lái)響應(yīng)低光環(huán)境。

3.3 陰生植物三七光合生理活性及生物量分配的改變是其響應(yīng)光強(qiáng)變化的主要策略

RGR與植物形態(tài)特征、生理特征及生物量的積累與分配等有著密切關(guān)系。前人研究發(fā)現(xiàn),RGR受光合碳獲得和LAR的共同影響,較高的Pn和LAR均可提高RGR[54]。在本研究中,Pn、Gs和LCP與RGR呈正相關(guān)關(guān)系,Rd與RGR呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖8),這與前人研究發(fā)現(xiàn),陽(yáng)生植物麻櫟(Quercusacutissima)有著較高的Pn和較低的Rd從而使得生長(zhǎng)速率較快的結(jié)果相一致,這是因?yàn)楦叩腜n能夠使植物制造更多的光合產(chǎn)物,低的Rd則有利于減少對(duì)有機(jī)物的消耗,最終獲得最大的碳積累,使植物生物量積累和生長(zhǎng)更快[19,55]。但在本研究中LAR與RGR呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖7),這與喜光植物榿木(Alnuscremastogyne)較大的LAR使其表現(xiàn)出較高的RGR有所差異[56],可能是因?yàn)殛幧参锶邽榱诉m應(yīng)低光照環(huán)境而增大LAR,但此時(shí)光照強(qiáng)度過(guò)于偏低,植物光合效率較低,使得有機(jī)物的產(chǎn)生和積累減少,從而導(dǎo)致RGR降低。此外,本研究中RMR與RGR呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖7),較高RMR意味著植物將更多的生物量分配到根部,使得根部生長(zhǎng)發(fā)育健壯,能吸取更多的水分和養(yǎng)分,而根部通常被認(rèn)為是用于儲(chǔ)存有機(jī)碳的器官,增強(qiáng)RMR有利于有機(jī)物的積累[57],且三七是根莖類(lèi)藥材,因此RMR與RGR有著較大的相關(guān)性?？傊?陰生植物三七的Pn、Gs、LCP、Rd、LAR和RMR對(duì)RGR的影響較大。

植物依賴于自身的表型可塑性來(lái)調(diào)整對(duì)自然界中各種資源的獲取和消耗,以維持自身正常的生長(zhǎng)和代謝,從而響應(yīng)不同的環(huán)境條件[58]?？伤苄灾笖?shù)可以直觀反映植物對(duì)環(huán)境變化適應(yīng)能力的大小[8—10]。研究發(fā)現(xiàn),陽(yáng)生植物比陰生植物表現(xiàn)出較大的表型可塑性,且可塑性方式存在差異[59]。張常隆等研究表明,陽(yáng)生植物紫莖澤蘭(Ageratinaadenophora)的葉面積、株高、冠寬、分枝數(shù)、LAR以及莖、葉生物量等指標(biāo)的可塑性指數(shù)較大,這說(shuō)明其主要通過(guò)調(diào)節(jié)植株形態(tài)特征以及生物量積累與分配來(lái)響應(yīng)不同的環(huán)境[7]。本研究中,由可塑性分析(圖9)和主成分分析(圖10)發(fā)現(xiàn),典型陰生植物三七與陽(yáng)生植物有所差異,三七的形態(tài)特征可塑性相對(duì)較小,與RGR相關(guān)性不顯著,而其光合生理(Pn-max/area、Gs/area、Rd/area、LCP/area)、LAR和根生物量可塑性指數(shù)較高,在主成分上的載荷較大。這是因?yàn)槿呷~片形態(tài)、光合生理及生物量分配對(duì)光強(qiáng)的變化是十分敏感的,尤其是光合生理(Pn-max/area、Gs/area、Rd/area、LCP/area)和LAR。而三七根部作為碳儲(chǔ)存的器官和經(jīng)濟(jì)器官,其生物量的積累對(duì)環(huán)境的變化也較為敏感。總的來(lái)看,陰生植物主要依賴于光合生理及生物量分配的改變來(lái)響應(yīng)光環(huán)境的變化。

3.4 10% LT左右的光照條件最有利于三七生長(zhǎng)發(fā)育

三七作為一種典型的陰生植物,其對(duì)光照環(huán)境十分敏感[60],在有關(guān)三七栽培的資料中,有人認(rèn)為“三分陽(yáng)、七分陰”(即透光率在30%左右)的光照條件適宜三七的生長(zhǎng)[35]。另外,早期也有研究指出三七生長(zhǎng)適宜的透光率為40%—60%[62]；而前期研究認(rèn)為,從光合生理角度判斷,當(dāng)透光率為9.6%—11.5%時(shí),三七的光合生理表現(xiàn)較好[31—33]。本研究結(jié)果表明,三七在透光率為9.70%時(shí),株高、莖粗和單株葉面積等形態(tài)特征明顯優(yōu)于其他光照條件下的,同時(shí)各部分生物量和總生物量積累最高,高光或低光都會(huì)顯著影響其形態(tài)的生長(zhǎng)發(fā)育和生物量的積累(圖2、圖3)。此外,與透光率9.70%相比,高光照水平下植株的Pn-max/area、Gs/area、LCP/area雖差異不顯著,但仍表現(xiàn)出一個(gè)較低的值；透光率低于9.7%時(shí),隨著透光率降低,凈光合速率明顯減小。從形態(tài)特征、光合生理及生長(zhǎng)特征綜合看來(lái),陰生植物三七在透光率9.70%時(shí)各特征都表現(xiàn)優(yōu)良。因此,建議在三七種植實(shí)踐中應(yīng)該采取“一分陽(yáng),九分陰”(即透光率為10%左右)的光照強(qiáng)度管理措施。

4 結(jié)論

綜上所述,在光照強(qiáng)度變化的生長(zhǎng)環(huán)境中,陰生植物三七形態(tài)可塑性較小,光合生理和生物量分配可塑性較大,且Pn-max、Gs、LCP、LAR與RGR相關(guān)性較強(qiáng),表明三七光合生理特性、LAR和根生物量的變化是光照強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)的主要響應(yīng)特征。綜合看來(lái),9.70%左右的透光率下三七生長(zhǎng)發(fā)育良好,因此在栽培管理中建議采取透光率為10%左右的光照環(huán)境,即“一分陽(yáng),九分陰”。對(duì)于不利的生長(zhǎng)環(huán)境光照強(qiáng)度,陰生植物三七通過(guò)提升捕光能力和采取緩慢的碳獲得和碳消耗的保守策略適應(yīng)低光環(huán)境；在高光條件下則會(huì)降低捕光面積、增加根部生物量,并采取快速的碳獲得和碳消耗的冒險(xiǎn)策略。