陸奇豐，駱文華

(廣西壯族自治區(qū)中國科學(xué)院廣西植物研究所，廣西 桂林 541006)

廣西火桐(Firmianakwangsiensis)為廣義錦葵科(Malvaceae s.l.)梧桐亞科(Sterculioideae)梧桐屬(Firmiana)落葉喬木，國家一級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生植物[1-2]。該物種對(duì)研究梧桐屬植物、亞非大陸間的物種親緣關(guān)系以及植物區(qū)系地理分布方面具有重要的科研價(jià)值[3]。廣西火桐為中國特有種，其樹形優(yōu)美、花色艷麗，具有極高的觀賞價(jià)值，是珍貴的園林觀賞樹種[4]。此外，廣西火桐生境區(qū)域極為狹窄，破碎化分布于我國廣西中部至南部喀斯特地區(qū)，且由于人類的生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)和過度開發(fā)利用，導(dǎo)致其野外種群和個(gè)體數(shù)量不斷萎縮，已處于極度瀕危狀態(tài)[5]。目前，對(duì)廣西火桐的研究主要集中于資源分布狀況[6]、育苗技術(shù)[7-9]、光合特性[10]、遺傳多樣性[11]、傳粉媒介[12]和葉綠體基因組系統(tǒng)進(jìn)化[13-14]等方面。尚未見有光照對(duì)該物種幼苗生長和生理影響方面的相關(guān)報(bào)道，而該方面相關(guān)研究對(duì)探討廣西火桐的瀕危機(jī)制具有重要意義。

光照是植物進(jìn)行光合作用的能量來源，其不僅影響植物生長發(fā)育，還是影響種群更新的重要環(huán)境因子[15-17]。幼樹幼苗對(duì)光照極為敏感，過強(qiáng)或過弱的光照均會(huì)影響幼樹幼苗的生長發(fā)育，導(dǎo)致其生長停滯甚至死亡[16，18-19]。因此，研究探討珍稀瀕危物種的光適應(yīng)性對(duì)其保護(hù)具有重要科學(xué)意義。了解珍稀瀕危植物的光照需求，有助于對(duì)其進(jìn)行科學(xué)搶救和制定有效管理措施[20-21]。物種的光適應(yīng)性可通過其對(duì)不同光照條件下的形態(tài)和生理響應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，其不僅廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、生態(tài)、園藝等領(lǐng)域，還被廣泛運(yùn)用于瀕危植物最適生境條件的評(píng)估[16，21-22]。目前，已有研究通過該方法分析珍稀瀕危植物對(duì)光照的適應(yīng)性，如梓葉槭(Acercatalpifolium)[16]、Boltoniadecurrens[20]、Linderamelissifolia[22]、地楓皮(Illiciumdifengpi)[23]、閩楠(Phoebebournei)[24]等。

在前期野外調(diào)查中，項(xiàng)目組發(fā)現(xiàn)廣西火桐不存在生殖障礙，種子能正常萌發(fā)，但幼苗保存率低，種群內(nèi)幼樹數(shù)量極少，且幼苗、幼樹多分布于郁閉度較高的林下或巖隙內(nèi)，其生境的透光率較低，幼苗生長狀況較差。由此，引出如下相關(guān)問題：弱光對(duì)廣西火桐幼苗生長及生理生化影響如何、光照是否是影響其更新的重要環(huán)境因子？對(duì)該問題的探討不僅有助于深入了解廣西火桐致瀕的機(jī)制，亦可為廣西火桐野外種群復(fù)壯和回歸提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)所用種子為2021年7月采自廣西河池都安縣金竹村弄盾屯(24°05′29″N、108°04′10″E)廣西火桐成年健壯母樹。種子采后及時(shí)脫粒，使用5‰高錳酸鉀水溶液消毒，蒸餾水沖洗、晾干后貯藏于4 ℃冰箱中備用。同年8月，將種子置于培養(yǎng)皿中催芽，種子發(fā)芽后置于至高23 cm、口徑20 cm的塑料盆中，基質(zhì)均為采種地附近石山上的石灰土且重量一致，而后將其移至廣西植物研究所試驗(yàn)用塑料大棚內(nèi)。

1.2 試驗(yàn)方法及指標(biāo)測定

將發(fā)芽2 d后的廣西火桐種子栽植盆分別置于以下4種不同光照強(qiáng)度環(huán)境中：一層遮陰網(wǎng)(L1)、二層遮陰網(wǎng)(L2)、三層遮陰網(wǎng)(L3)和無遮陰網(wǎng)(CK)。遮陰網(wǎng)材料為市場上常售的3針黑色遮陰網(wǎng)(遮陽率約為60%)，并利用照度計(jì)(testo 540，德國)測定晴朗天氣1300時(shí)各處理的照度，分別為5 362、2 413、584、183 Lux。每個(gè)光照處理組均放置30盆(每盆含1粒發(fā)芽的種子)，苗期保持一致的常規(guī)管護(hù)措施。

于2021年12月開展相關(guān)試驗(yàn)測定：每種遮光處理隨機(jī)選擇5株無病蟲害、長勢均勻的個(gè)體，利用MC-100葉綠素儀(Apogee，美國)測定葉片葉綠素含量指數(shù)(chlorophyll content index，CCI)，然后計(jì)算葉片葉綠素含量(LC= 43.17e0.044CCI，μmol/m2)[25]；測定其株高、基徑和葉片數(shù)；整株收獲，自來水沖洗根部，獲取整體根系，測量主根長度及統(tǒng)計(jì)大于5 cm的側(cè)根數(shù)；將葉片取下，利用葉面積儀(Scan Maker i800 plus，上海中晶科技有限公司)測量其面積及葉片長寬比；而后將所有樣品置于烘箱干燥至恒重，計(jì)算不同光照條件下廣西火桐幼苗的地上和地下部分生物量分配比。

另選擇各處理組10株幼苗，取其上部成熟葉(1～3片)，去除主葉脈后，用錫箔紙包裹并裝入已編號(hào)的自封袋中，放入液氮中速凍，帶回實(shí)驗(yàn)室后置于-80 ℃超低溫冰箱保存，用于后續(xù)的生理生化指標(biāo)測定。

根據(jù)李合生方法[26]測定廣西火桐幼苗葉片的以下生理生化指標(biāo)：愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性、氮藍(lán)四唑光還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性、紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)活性、硫代巴比妥酸比色法測定丙二醛(MDA)含量、磺基水楊酸法測定游離脯氨酸(Free proline)含量、考馬斯亮藍(lán)法測定可溶性蛋白質(zhì)(Soluble protein)含量?？扇苄蕴?Soluble sugar)含量則采用硫酸-蒽酮法[27]測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖，運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件單因素方差分析(one-way ANOVA)及最小顯著性差異法(least-significant difference，LSD)分析比較不同光照條件下廣西火桐幼苗形態(tài)和生理指標(biāo)的差異顯著性(a=0.05)。圖中的數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光照條件對(duì)廣西火桐幼苗形態(tài)特征的影響

2.1.1 對(duì)生物量積累及分配的影響

光照對(duì)廣西火桐幼苗的生物量積累有顯著影響，見圖1。

圖1 不同光照條件對(duì)廣西火桐幼苗生物量的影響

由圖1可知，廣西火桐幼苗的總生物量、地上部分生物量和根部生物量均隨著光照的減弱呈降低趨勢。與 CK相比，遮陰處理組的廣西火桐幼苗總生物量、地上部分生物量和根部生物量均顯著降低，分別下降了約75%(P<0.05)、85%(P<0.05)和91%(P<0.05)。表明在遮陰環(huán)境下，廣西火桐幼苗的生長受到了極大的限制。然而，遮陰處理組的廣西火桐幼苗地上部分和根的生物量分配比與CK無顯著差異(P>0.05)，在遮陰處理組內(nèi)，除L2和L3呈現(xiàn)顯著差異外(P<0.05)，而其余遮陰處理組間無顯著差異(P>0.05)。

2.1.2 對(duì)幼苗生長特征的影響

光照顯著影響廣西火桐幼苗的地上部分生長特征(圖2)。株高和基徑是反映植物生長發(fā)育的重要指標(biāo)。遮陰處理組的廣西火桐幼苗的株高和基徑均顯著低于CK(P<0.05)。在其他遮陰處理組中，株高和基徑的變化趨勢均為L1>L2>L3，其中L2的株高顯著低于L1(P<0.05)，但與L3無顯著差異(P>0.05)；在基徑方面，L2與L1、L3無顯著差異(P>0.05)，而L1顯著大于L3(P<0.05)。

圖2 不同光照條件對(duì)廣西火桐幼苗地上部分的影響

另外，光照也對(duì)葉片數(shù)量、葉形狀和平均葉面積產(chǎn)生顯著影響。隨著光照的減弱，幼苗的葉片數(shù)顯著減少(P<0.05)，其中L3的幼苗僅有1片葉。遮陰處理組的平均葉面積顯著小于CK(P<0.05)，且隨著光照的減弱而逐漸減小，其中L1顯著大于L3(P<0.05)，但L2與L1、L3間均無顯著差異(P>0.05)。然而，隨著光照的減弱，幼苗葉片長寬比逐漸增大，且CK顯著小于遮陰處理組(P<0.05)；L3的葉片長寬比與L2無顯著差異(P>0.05)，但兩者均顯著大于L1處理組(P<0.05)。

2.1.3 對(duì)根部特征的影響

由圖3可知，廣西火桐幼苗的主根長和側(cè)根數(shù)(長度>5 cm)均隨著光照減弱而減小。其中，CK的主根長和側(cè)根數(shù)均顯著大于遮陰處理組(P<0.05)；而在遮陰處理組內(nèi)，L3與L2的主根長和側(cè)根數(shù)無顯著差異(P>0.05)，但顯著小于L1(P<0.05)。雖然L2的主根長與L1無顯著差異(P>0.05)，但其側(cè)根數(shù)顯著小于L1(P<0.05)。

圖3 不同光照條件對(duì)廣西火桐幼苗根部特征的影響

2.2 不同光照條件對(duì)廣西火桐幼苗生理的影響

2.2.1 對(duì)葉綠素含量的影響

廣西火桐幼苗的葉綠素含量隨光照的減弱呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(圖4)。其中L1的葉綠素含量最高，為(77.88±3.69)μmol/m2，顯著高于CK(110.07%，P<0.05)和L3處理組(110.60%，P<0.05)，而與L2無顯著差異(P>0.05)；其余組葉綠素含量變化則表現(xiàn)為L2>CK>L3，且三者無顯著差異(P>0.05)。

圖4 不同光照條件對(duì)廣西火桐幼苗葉綠素含量的影響

2.2.2 對(duì)葉片丙二醛積累的影響

由圖5可知，CK的廣西火桐幼苗葉片丙二醛(MDA)含量最低，為(11.23±0.24)nmol/g，顯著低于各遮陰處理組(P<0.05)。在遮陰處理組中，L1和L2的MDA含量分別為(25.67±2.37)nmol/g和(24.06±3.23)nmol/g，且兩者間無顯著差異(P>0.05)。L3的MDA含量最大，顯著高于L1和L2(P<0.05)，為(35.53±1.48)nmol/g。表明在弱光環(huán)境下，廣西火桐幼苗受到一定的脅迫作用。

2.2.3 對(duì)抗氧化酶活性的影響

廣西火桐幼苗葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性隨光照減弱而逐漸升高(圖6)。其中，以L3的SOD活性最高，為(694.68±62.89)U/g，顯著高于CK(222.75%，P<0.05)、L1(133.29%，P<0.05)和L2(133.63%，P<0.05)。另外，L1和L2的SOD活性較CK分別增加67.12%(P<0.05)和66.69%(P<0.05)。

圖6 不同光照條件對(duì)廣西火桐幼苗抗氧化酶活性的影響

隨著光照的減弱，過氧化物酶(POD)活性呈“下降—上升—下降”的趨勢，以L3的POD活性最低，為(797.58±45.41)U/g，較CK、L1和L2處理組分別下降了49.71%、34.17%和78.84%(P<0.05)。另外，L2的POD活性上升急劇，較CK上升了2.37倍(P<0.05)；而L1處理組顯著低于CK，下降了23.61%(P<0.05)。

過氧化氫酶(CAT)活性隨著光照的減弱呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。其中以L1活性最大，為(1 656.40±164.66)U/g，顯著大于L2(23.12%，P<0.05)、L3(90.92%，P<0.05)和CK(127.40%，P<0.05)；L2次之，顯著高于L3(55.06%，P<0.05)和CK(84.69%，P<0.05)；L3較CK有所上升，但兩者無顯著差異(P>0.05)。

2.2.4 對(duì)葉片可溶性物質(zhì)積累的影響

光照對(duì)廣西火桐幼苗的可溶性物質(zhì)積累有顯著的影響，見圖7。

圖7 不同光照條件下對(duì)廣西火桐幼苗的可溶性物質(zhì)含量的影響

由圖7可知，隨著光照的減弱，可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、游離脯氨酸含量呈現(xiàn)不同變化。可溶性蛋白隨著光照的減弱而顯著升高，與CK相比，L1、L2和L3的可溶性蛋白含量分別升高了34.14%(P<0.05)、127.55%(P<0.05)和167.07%(P<0.05)，且各遮陰組間也存在顯著差異(P<0.05)。遮陰處理組的葉片可溶性糖含量均顯著低于CK(P<0.05)，其中以L3降幅最大，達(dá)到48.79%(P<0.05)；L1組次之(34.59%，P<0.05)；而L2降幅較小(23.86%，P<0.05)。另外，游離脯氨酸含量隨著光照的減弱呈先下降后上升的趨勢，其中L1和L2的游離脯氨酸含量均顯著低于CK，降幅分別為27.78%(P<0.05)和26.57%(P<0.05)。而L3顯著高于CK，增幅為28.84%(P<0.05)。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

自然條件下，植物的生長發(fā)育過程受到諸多的環(huán)境因子的影響。有研究表明，光照是影響林下幼苗幼樹生長發(fā)育和繁殖的重要環(huán)境因子[16，28-29]。然而，過強(qiáng)或過弱的光照環(huán)境均會(huì)影響植物正常的光合作用，進(jìn)而影響其株高、地徑和生物量的積累等，導(dǎo)致植物生長量下降[30-31]。本研究結(jié)果顯示，廣西火桐幼苗遮陰處理組的株高、基徑、根系發(fā)達(dá)程度、總生物量、地上部分和根部的生物量均顯著低于對(duì)照組，且隨著光照的減弱呈逐漸減小的趨勢，表明廣西火桐幼苗期的生長需較充足的光照。另外，光照對(duì)廣西火桐幼苗的生物量分配影響較小，進(jìn)一步證明“異速分配”理論，即植物生物量在各器官間的分配與環(huán)境變化無關(guān)，是僅與植物大小有關(guān)的冪函數(shù)。這與Liu等[32]對(duì)蒿屬(Artemisia)植物的研究結(jié)果一致。

植物葉片是響應(yīng)環(huán)境變化的敏感器官[33-34]。在弱光脅迫下，植物通過增加葉片面積以獲取更多的光資源[35-36]。然而，本研究結(jié)果顯示，廣西火桐幼苗的葉片數(shù)量和平均葉面積均隨著光照減弱而逐漸減少，且遮陰處理組顯著低于對(duì)照組，進(jìn)一步表明光照不足對(duì)廣西火桐幼苗的生長產(chǎn)生抑制作用，這與王虹妍等[37]對(duì)米奴塔睡蓮(Nymphaeaminuta)的研究結(jié)果一致。本研究還發(fā)現(xiàn)廣西火桐幼苗的葉片長寬比隨光照的減弱而顯著升高，說明在弱光下，廣西火桐幼苗改變?nèi)~片形狀，使得其變得“細(xì)長”，這與閆旭等[24]復(fù)層林對(duì)閩楠幼樹葉片形態(tài)影響的研究結(jié)果相似。

光脅迫還會(huì)引起植物細(xì)胞內(nèi)氧自由基的快速積累，細(xì)胞膜損傷加劇，導(dǎo)致丙二醛(MDA)大量積累；而MDA會(huì)破壞細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，其含量變化可反映植株細(xì)胞質(zhì)膜受脅迫的程度[38]。在本研究中，遮陰條件下的廣西火桐幼苗MDA含量均顯著高于對(duì)照組，且重度遮陰下的MDA表現(xiàn)最高，表明弱光環(huán)境加劇細(xì)胞膜的氧化分解，導(dǎo)致MDA大量積累，幼苗的細(xì)胞質(zhì)膜受到顯著脅迫。

通常植物在受到逆境的脅迫后，往往會(huì)通過升高可溶性蛋白、可溶性糖和游離脯氨酸含量，以穩(wěn)定其細(xì)胞膜完整性，進(jìn)而緩解脅迫所帶來的損傷[39]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，遮陰處理組的可溶性糖含量顯著低于對(duì)照組，說明遮陰已引起廣西火桐幼苗光合效率不足，導(dǎo)致其碳水化合物的積累下降。游離脯氨酸作為植物細(xì)胞中主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，在逆境中，植物細(xì)胞內(nèi)游離氨基酸含量升高有助于維持膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和細(xì)胞滲透壓平衡[40]。重度遮陰條件下的廣西火桐幼苗游離脯氨酸含量最高，而其他遮陰處理組卻顯著低于對(duì)照組。本研究發(fā)現(xiàn)廣西火桐幼苗的可溶性蛋白隨光照的減弱而顯著升高，在重度遮陰下含量達(dá)到最大，且幼苗在此條件下生長受到嚴(yán)重抑制，由此說明可溶性蛋白是廣西火桐幼苗應(yīng)對(duì)弱光脅迫的主要滲透調(diào)節(jié)物。因此，在光照嚴(yán)重不足的環(huán)境下，可溶性蛋白和游離脯氨酸含量上升可增加廣西火桐幼苗細(xì)胞滲透勢，進(jìn)一步維持其細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)。

此外，SOD、POD和CAT活性可以有效清除細(xì)胞內(nèi)的自由基和過氧化物，提高植物抗逆性[41-42]。本研究結(jié)果表明，SOD、POD和CAT沒有表現(xiàn)出一致性的變化，SOD活性隨著遮陰程度的升高而升高，在重度遮陰處理組中其活性達(dá)到最大，而POD和CAT最大活性分別出現(xiàn)在中度遮陰和輕度遮陰處理組。這說明不同的酶對(duì)于光照強(qiáng)度的敏感性和適應(yīng)性不同，但三者共同協(xié)助幼苗抵御不良的環(huán)境。重度遮陰條件下SOD活性最高、POD和CAT活性最低，表明該條件下廣西火桐幼苗不能夠及時(shí)清除細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的過氧化物和過氧化氫，導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)進(jìn)一步被破壞，MDA加速積累。結(jié)合廣西火桐幼苗的生長性狀，說明重度遮陰極不利于廣西火桐幼苗的生長。

綜合上述分析可發(fā)現(xiàn)，光照是影響廣西火桐幼苗生長發(fā)育的重要環(huán)境因素。當(dāng)幼苗處于光照不足的環(huán)境時(shí)，表現(xiàn)出相應(yīng)受脅迫狀況：一方面表現(xiàn)為生長受到抑制，光合效率下降，株高、基徑、葉片數(shù)量、葉面積和生物量積累等生長指標(biāo)下降；另一方面表現(xiàn)為細(xì)胞內(nèi)過氧化作用加劇，MDA大量積累，滲透壓平衡受到破壞。為應(yīng)對(duì)弱光脅迫帶來的損傷，幼苗細(xì)胞內(nèi)的可溶性蛋白和抗氧化物酶活性均呈現(xiàn)不同程度升高。表明廣西火桐幼苗耐陰能力較差，環(huán)境中的光照越弱，其生長受到的抑制就越嚴(yán)重。

3.2 結(jié)論

廣西火桐為強(qiáng)陽性樹種，其幼苗生長需較充足的光照，弱光會(huì)明顯抑制生長，因而光照是影響廣西火桐野生種群幼苗更新的重要環(huán)境因子。林下郁閉程度較高的廣西火桐天然群落中，種子雖能大量萌發(fā)但幼苗保存率卻極低，這與處于下層的幼苗獲得光能較少密切相關(guān)。因此，在進(jìn)行廣西火桐種苗繁育時(shí)，除加強(qiáng)肥水管理外，適當(dāng)增加透光率有助于苗木的生長；在開展廣西火桐野生種群恢復(fù)時(shí)，通過人工干預(yù)減少林內(nèi)郁閉度以增加林下透光率，促進(jìn)幼苗幼樹的生長，有助于種群復(fù)壯；在開展廣西火桐野外回歸時(shí)，宜選擇無遮陰或林緣等生境。