王 剛,孫志鵬,李亞平,余雨紅,唐淑琴,劉 茜,郭 騏,蒲尚饒,王 剛

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,成都 611130;2.國家林業(yè)草原紅豆杉西南工程技術(shù)研究中心,成都 611130;3.四川省林業(yè)科學(xué)研究院,成都 610081; 4.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 風(fēng)景園林學(xué)院, 成都 611130)

光照作為重要的環(huán)境因子,不僅對植物的生長發(fā)育具有重要的作用,而且影響植物的次生代謝過程,有利于藥用植物次生代謝產(chǎn)物累積的調(diào)控[1-5]。紅豆杉是一種具有重要經(jīng)濟(jì)價值的珍貴木本植物[6],被列為中國《主要林木育種科技創(chuàng)新規(guī)劃(2016-2025年)》中珍貴樹種育種工程的特色樹種,是當(dāng)今工業(yè)化生產(chǎn)抗癌藥物紫杉醇及其衍生物(多西紫杉醇、卡巴他賽等)的唯一原料和世界第一抗癌植物,其紫杉醇全球市場規(guī)模預(yù)計將在2020年至2025年的預(yù)測期內(nèi)年增長率為8.2%[7-11]。隨著紫杉醇市場的巨大需求,同時為了更好地保護(hù)野生紅豆杉資源[12-13],紅豆杉被大量人工栽培和開發(fā)利用,但不同光照條件對藥用植物紅豆杉的品質(zhì)差異較大[14-15]。因此,關(guān)于紅豆杉栽培的研究受到廣大科研人員的普遍關(guān)注。鄧哲等[16]在研究不同土壤含水率對太行紅豆杉生長及相關(guān)品質(zhì)的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),80%～90%和60%～70%的土壤含水量分別有利于太行紅豆杉的生長和多糖量的積累。孫志鵬等[17]通過測定不同海拔、不同季節(jié)和不同采收期的云南紅豆杉(Taxusyunnanensis)枝葉中10-去乙?；涂?亭Ⅲ(10-DAB)含量及枝葉生物量,結(jié)果表明,生長年限、生物量、季節(jié)和海拔均顯著影響云南紅豆杉的單株10-DAB累積量。此外,已有研究[18-20]分別以曼地亞紅豆杉(Taxusmedia)和南方紅豆杉(Taxuswallichianavar.mairei)為研究對象,研究不同處理方式對紅豆杉的生長生理和主要次生代謝物積累的影響。目前,雖然國內(nèi)外學(xué)者在營養(yǎng)元素、樹齡等方面對紅豆杉生長和次生代謝產(chǎn)物的影響進(jìn)行了相關(guān)研究,但缺少在光照強(qiáng)度和采收期方面的探討,尤其是光照對云曼紅豆杉的生長和次生代謝產(chǎn)物的影響尚鮮見報道。

云曼紅豆杉(Taxusmadia×T.yunnanensis‘Yunman’)良種是近年來選育的新品種,苗木(樹齡<4a)枝葉中紫杉醇、10-DAB含量高于我國現(xiàn)有紅豆杉,是生產(chǎn)天然紫杉醇和優(yōu)質(zhì)10-DAB的最好原料之一。因此,通過評價光照條件和采收時間對云曼紅豆杉生長和主要次生代謝產(chǎn)物積累的影響,探究云曼紅豆杉生長性狀及其紫杉醇和10-DAB累積對不同光照環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制,為云曼紅豆杉營建短周期優(yōu)質(zhì)藥用原料林確立最佳光照條件及采收期提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)地位于四川省都江堰市胥家鎮(zhèn)(東經(jīng)103°41′42″,北緯31°0′30″),土壤類型為黃壤土。地勢平整,平均海拔680 m,屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,四季分明,無極端天氣,年均降水量1 243 mm,年均溫17.1 ℃,年均日照時數(shù)1 045 h,無霜期269 d。

1.2 試驗(yàn)材料

選用2 a生云曼紅豆杉實(shí)生苗,由國家林業(yè)草原紅豆杉西南工程技術(shù)研究中心提供,平均地徑2.59 mm,平均苗高22.64 cm,單株生物量平均值為3.76 g。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

2019年12月,將云曼紅豆杉苗木移栽至地勢平坦且土壤水分和溫度等生境條件均勻一致的實(shí)驗(yàn)地,栽植株行距0.55 m×0.50 m。利用不同遮陽網(wǎng)處理(0層、1層、2層、3層)進(jìn)行光照梯度設(shè)置,共分為4個光區(qū)域,分別為0%遮光、30%遮光、60%遮光和90%遮光,遮陽網(wǎng)設(shè)置光區(qū)域長12 m、寬2 m、離地面1 m。苗木生長期間養(yǎng)分、水分持續(xù)供應(yīng)充足,按照常規(guī)技術(shù)管理,定期除草,避免光照條件與其他環(huán)境因子的交互作用影響。自2020年3月中旬起,每間隔3個月,分別在4塊不同光區(qū)域中隨機(jī)測量和采集長勢均勻的2 a生云曼紅豆杉苗木,3株為1個重復(fù),重復(fù)5次,每組采樣15株/次,4組共計60株/次。

1.4 測定項目及方法

苗木地徑、苗高分別采用電子游標(biāo)卡尺和鋼卷尺測定,測定結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后兩位。生物量(干質(zhì)量)測定用烘干箱70 ℃將樣品烘干至恒重,然后1/100電子天平精確稱量,采用HPLC法測定活性成分紫杉醇和10-DAB含量[17,21],累積量即生物量和含量的乘積。2020年7月下旬選擇晴朗天氣,采用LD-GH80便攜式光合儀從 6:00 時到18:00 時每間隔2 h測定1次不同處理的云曼紅豆杉葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、CO2濃度(Ci)等指標(biāo)。每處理重復(fù)測定3次。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2017軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,運(yùn)用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析,采用Duncan’s法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),使用Origin 8.0進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 遮光對云曼紅豆杉苗木生長的的影響

由表1可知,遮光和生長時間對云曼紅豆杉苗木地徑、苗高及生物量存在不同的影響。從光照強(qiáng)度來看,隨著遮光的增強(qiáng),各時期不同生長指標(biāo)均呈先升高后降低的趨勢,總體上60%遮光高于30%遮光、90%遮光和0%遮光。其中3月,60%遮光的苗木地徑、苗高、生物量依次是0%遮光的1.18倍、1.08倍、1.25倍,30%遮光的1.01倍、1.02倍、1.05倍,90%遮光的 1.07倍、1.06倍、1.21倍。從生長時期來看,隨著時間的增加,各生長指標(biāo)逐漸升高,其中在0%遮光下,苗木地徑、苗高、生物量分別在3月增長0.13 mm、1.10 cm、0.32 g,6月增長1.33 mm、3.76 cm、3.85 g,9月增長0.98 mm、1.80 cm、2.13 g,12月增長0.35 mm、0.98 cm、0.58 g。12月與3月相比在0%遮光下,苗木地徑、苗高、生物量分別增長 97.8%、27.5%、1.61倍,30%遮光下分別增長 131.1%、51.4%、200.4%,60%遮光下分別增長1.43倍、54.5%、2.07倍,90%遮光下分別增長97.0%、35.7%、2.18倍。由此可得,2 a生云曼紅豆杉苗木在60%遮光生長較好,6-9月是其生長旺盛期,12月各生長指標(biāo)達(dá)到最大。

表1 不同遮光下苗木生長動態(tài)變化

2.2 遮光對云曼紅豆杉苗木光合特性的影響

從圖1可以看出,在不同遮光處理下,云曼紅豆杉苗木的Pn在30%和90%遮光下日變化呈現(xiàn)“雙峰型”曲線,有明顯的“光午休”現(xiàn)象,受到了光抑制。其中:90%遮光下最明顯,在8:00 時出現(xiàn)第1峰值為 7.96 μmol/(m2·s),之后隨著光合有效輻射的增強(qiáng),空氣相對濕度逐漸下降,氣溫逐漸上升,Pn開始下降;在16:00時出現(xiàn)第2峰值為4.04 μmol/(m2·s),比第1峰值下降 49.25%。在60%遮光和0%遮光下,光合有效輻射相對較弱,未達(dá)到其光飽和點(diǎn),苗木未發(fā)生“光午休”現(xiàn)象,其Pn日變化均為單峰曲線。對比云曼紅豆杉苗木的Pn與Gs的日變化趨勢,可以發(fā)現(xiàn)Pn與Gs有顯著的正相關(guān)并且與其“光午休”對應(yīng),說明Pn對Gs具有反饋調(diào)節(jié)作用,當(dāng)Gs增大時利于葉片的光合作用,相反,Gs減小不利于葉片的光合作用。不同遮光處理下Tr與Pn、Gs日變化趨勢基本一致。此外,Ci在午間有所上升,Pn和Gs降低,Ci升高,這是一種非氣孔 限制。

圖1 不同遮光下苗木葉片光合參數(shù)日變化

2.3 遮光對云曼紅豆杉苗木次生代謝產(chǎn)物的 影響

2.3.1 對云曼紅豆杉苗木紫杉醇含量及單株累積量的影響 由圖2-A可知,遮光對云曼紅豆杉苗木枝葉中紫杉醇含量存在極顯著差異(P< 0.01),隨著遮光的增強(qiáng),紫杉醇含量降低。4個遮光條件下的云曼紅豆杉苗木枝葉中紫杉醇含量為 0.020%～0.036%,6月,各遮光下的云曼紅豆杉苗木枝葉中紫杉醇含量均表現(xiàn)為最高,分別比3月、9月和12月同遮光增加7.58%、 7.57%、12.70%,有顯著性差異(P<0.05)。由圖2-B可知,遮光對云曼紅豆杉單株紫杉醇累積量影響差異極顯著(P<0.01)。4個遮光下的云曼紅豆杉苗木枝葉中單株紫杉醇累積量為 1.15～4.51 mg;各遮光條件下苗木枝葉中單株紫杉醇累積量最高值均出現(xiàn)在9月,其中60%遮光最高,是0%遮光條件下的1.36倍。從生長時期來看,各測定月份間枝葉單株紫杉醇累積量差異極顯著,4個遮光條件下的云曼紅豆杉苗木單株紫杉醇累積量在9月都出現(xiàn)最高值,其次分別為12月、6月和3月。由此可得,不同遮光強(qiáng)度對云曼紅豆杉苗木紫杉醇的合成具有一定影響,6月全光照條件更有利于苗木枝葉紫杉醇的合成;60%遮光有利于苗木單株紫杉醇的積累,9月是紫杉醇利用的最佳采收時間。

*表示差異顯著(P<0.05);**表示差異極顯著(P<0.01)。下同

2.3.2 對云曼紅豆杉苗木10-DAB含量及單株累積量的影響 由圖3-A可知,遮光對云曼紅豆杉苗木枝葉中10-DAB含量差異不顯著,3月和9月,10-DAB含量隨遮光增強(qiáng)而緩慢降低,6月和12月,10-DAB含量變化不明顯。4個遮光條件下的云曼紅豆杉苗木枝葉中10-DAB含量為 0.328%～0.383%,9月0%遮光達(dá)到峰值,分別是3月、6月和12月最低值的1.17倍、1.07倍和 1.08倍。由圖3-B可知,遮光對云曼紅豆杉苗木單株10-DAB累積量有顯著影響。除3月外,60%遮光與0%遮光相比,單株10-DAB累積量存在極顯著差異(P<0.01)。12月云曼紅豆杉單株10-DAB累積量依次是:60%遮光>30%遮光>90%遮光>0%遮光,60%遮光是0%遮光下的1.46倍。從生長時間上看,6月、9月和12月與3月相比,苗木單株10-DAB累積量差異變化明顯。分析相同遮光不同生長時期的單株10-DAB累積量可以發(fā)現(xiàn):4個遮光條件的苗木單株10-DAB累積量均在12月出現(xiàn)較高峰值,其次分別為9月、6月和3月,這與苗木生長相似,均隨著時間的增長而增加。由此可得,不同遮光強(qiáng)度對苗木枝葉10-DAB的合成具有一定影響,9月全光照條件更有利于苗木枝葉10-DAB的合成;60%遮光有利于苗木10-DAB的積累,12月是10-DAB利用的最佳采收時期。

圖3 不同遮光下苗木10-DAB含量和單株累積量的動態(tài)變化

3 討 論

3.1 不同光照下苗木生長節(jié)律的變化

不同遮光強(qiáng)度和生長時間對云曼紅豆杉苗木的地徑、苗高以及生物量積累存在顯著影響。從遮光強(qiáng)度來看,總體60%遮光條件下地徑、苗高、生物量最大,其增長量在不同季節(jié)依次高于30%遮光、90%遮光和0%遮光,這是由于適度遮光使到達(dá)地表的太陽總輻射量降低,同時冠層的溫度、濕度及土壤等也會發(fā)生相應(yīng)的變化[22];從生長時間來看,苗木的地徑、苗高、生物量均隨著時間的變化而變化,6月的3個生長指標(biāo)的增長量在4個遮光下均大于其他月份,最佳光照的云曼紅豆杉苗木地徑增長達(dá)全年生長的53%,苗高增長占全年生長49%,生物量增長達(dá)全年生長的51%。其次為9月,生長最慢的是12月。這可能是因?yàn)橄募局参镄玛惔x和光合作用增強(qiáng),遮光降低了土壤中水分蒸騰及蒸發(fā),從而為云曼紅豆杉的生長發(fā)育提供適宜的光照水分條件。冬季氣溫較低,含水量減少,不利于植物的生長等原因[23]。本試驗(yàn)得出60%遮光適合2 a生云曼紅豆杉生長,6月和9月是其生長旺盛期,這與彭曉邦[24]50%的光照適合商洛丹參生長吻合,與王磊等[25]關(guān)于須彌紅豆杉在6-9月生長旺盛期的研究結(jié)果一致,可能原因是適度的遮光改善了空氣相對濕度與二氧化碳濃度[26],使云曼紅豆杉具有較高的相對生長率。

3.2 不同光照下苗木光合特性的變化

不同遮光強(qiáng)度和測定時間對云曼紅豆杉的光合特性存在明顯差異。30%遮光和90%遮光下的Pn日變化均呈現(xiàn)“雙峰型”曲線,有明顯的“光午休”現(xiàn)象。0%遮光條件下,其Pn日變化曲線為單峰曲線,光合有效輻射較弱,未達(dá)到其光飽和點(diǎn),可能原因是強(qiáng)光、低濕、高溫這種脅迫導(dǎo)致植物大量合成ABA等信號物質(zhì),植物為了自我保護(hù)關(guān)閉氣孔,限制氣體交換速率,從而Pn等光合參數(shù)降低[27];與30%遮光相比,60%遮光下云曼紅豆杉各時刻葉片Pn、Tr、Gs均表現(xiàn)出不同程度的下降,但Ci升高,這可能是由于遮光條件下光照不足,葉片同化效率降低所致[28]。4個遮光處理下的云曼紅豆杉Ci日變化在早晨和傍晚較高,但在中間時刻卻相對較低,這正是云曼紅豆杉通過光合作用利用CO2的重要體現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)氣孔限制是引起某一時段云曼紅豆杉光合作用降低的原因,這與前人的研究結(jié)論基本一致[29-30],光照通過直接或間接作用影響植物光合作用[31-32]。隨著光照強(qiáng)度增加,會導(dǎo)致光抑制的發(fā)生,同時會影響溫度和空氣相對濕度的變化。鑒于云曼紅豆杉苗木生長對光照強(qiáng)度的響應(yīng)特點(diǎn),在造林時,宜進(jìn)行林下種植或與其他樹種進(jìn)行混交栽植。因此,適度的遮光處理可降低溫度和蒸騰量,減輕“光午休”現(xiàn)象,為云曼紅豆杉快速生長創(chuàng)造良好的光照環(huán)境。

3.3 不同光照下苗木次生代謝產(chǎn)物的變化

不同遮光強(qiáng)度和生長時間對云曼紅豆杉苗木的枝葉紫杉醇、10-DAB含量和單株累積量差異顯著:全光照條件更有利于苗木枝葉紫杉醇、10-DAB的合成,但不利于其單株累積量的提高;9月,雖然60%遮光下枝葉紫杉醇含量偏低,但生物量較大。因此,60%遮光條件下苗木單株紫杉醇累積量最高,是對應(yīng)0%遮光條件下的1.36 倍;12月,60%的遮光有利于苗木單株10-DAB累積量的積累,是對應(yīng)0%遮光條件下的1.46倍;從生長時間上看,4個不同遮光處理下苗木枝葉紫杉醇、10-DAB含量及單株累積量年變化趨勢基本上為先升高后降低,夏秋兩季含量偏高,冬春兩季含量偏低,這與曾小珂[33]關(guān)于云南紅豆杉紫杉烷類化合物的動態(tài)變化規(guī)律研究結(jié)果類似。根據(jù)藥用林木的栽培目的,綜合考慮遮光強(qiáng)度以及采收時間,60%遮光有利于苗木紫杉醇和10-DAB含量累積,9-12月是最佳采收季節(jié)。本試驗(yàn)的次生代謝產(chǎn)物含量變化規(guī)律與孫志鵬等[17]、馮永林等[21]的研究結(jié)論基本一致,但紫杉醇單株累積量在9月達(dá)到最高的結(jié)論與楊逢建等[34]認(rèn)為南方紅豆杉枝葉中紫杉醇產(chǎn)量在11月末期達(dá)到最高不一致,可能原因是研究對象和采樣時間不同,另外,光照強(qiáng)度影響紅豆杉紫杉醇的生物合成及相關(guān)酶基因的表達(dá)[35],這也是影響紫杉烷類化合物累積量的重要因素。

4 結(jié) 論

光照對植物生長生理和次生代謝產(chǎn)物具有重要的作用。文章以云曼紅豆杉苗木在不同光照強(qiáng)度開展生長和次生代謝產(chǎn)物動態(tài)變化研究,總體來看,2 a生云曼紅豆杉實(shí)生苗木最適光照強(qiáng)度為60%遮光,生長旺盛期為6-9月,最佳采收時期為9-12月。研究結(jié)果對于云曼紅豆杉良種的高效栽培與利用具有重要意義和應(yīng)用價值。本研究僅利用光照單因素處理對云曼紅豆杉苗木開展生長和主要次生代謝產(chǎn)物分析,未來將瞄準(zhǔn)光照與施肥、水分等多因素交互作用對其生長代謝影響,開展更系統(tǒng)、深入的研究,揭示云曼紅豆杉對不同環(huán)境的響應(yīng),為高品質(zhì)云曼紅豆杉培育管理和林下復(fù)合種植提供科學(xué)依據(jù)。