赤皮青岡幼苗對低磷脅迫的光合生理響應(yīng)

陳雯彬， 歐陽澤怡， 歐陽碩龍， 李志輝， 何友軍 ， 劉 球

(1.湖南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，湖南 長沙 410007；2.湖南省森林植物園，湖南 長沙 410116; 3.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004；4.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004)

赤皮青岡Cyclobalanopsisgilva又名紅椆[1]，適應(yīng)環(huán)境的能力較強(qiáng)，在涵蓄水源、保持水土方面也有較好的表現(xiàn)，是湖南本土的珍貴硬木鄉(xiāng)土樹種[2]。赤皮青岡的成片天然林較少，因此需要對其進(jìn)行科學(xué)繁育，擴(kuò)大其人工造林規(guī)模，以滿足市場需求[3]。

我國南部省份的土壤類型絕大多數(shù)為典型缺磷紅土壤[4]，在這些地區(qū)推廣栽培赤皮青岡的過程中必定會面臨土壤缺磷的問題。針對這一問題，傳統(tǒng)應(yīng)對措施是加大林地養(yǎng)分供應(yīng)和改良營林方法[5]。然而這些應(yīng)對措施沒有深入研究該樹種的生理特性，所以并沒有收到理想的效果。

磷直接參與了植物光合作用的各個環(huán)節(jié)，如光合產(chǎn)物的形成和運(yùn)輸、能量傳遞、物質(zhì)轉(zhuǎn)化、同化物形成、同化物運(yùn)輸?shù)萚6]。在低磷逆境中，植物同化物的運(yùn)輸受到一定的抑制，植物葉片的凈光合速率會降低[7]。眾多研究表明[8-11]，不同樹種的磷素利用效率存在較大差異，在光合生理方面亦會有所體現(xiàn)。所以，研究低磷脅迫下赤皮青岡的光合生理響應(yīng)很有必要。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地設(shè)在湖南省天際嶺國家森林公園內(nèi)。該區(qū)與苗木來源地同屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，無霜期超過274d，春秋季很短，春季氣溫起伏大，夏季特別炎熱而漫長，冬季結(jié)冰少但體感較冷，年平均氣溫為17.2℃[13]。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

以來自湖南省通道侗族自治縣的1年生、2年生赤皮青岡幼苗為試材。1年生苗的苗高為15±0.5cm，地徑為1.9±0.1cm；2年生苗的苗高為37±0.2cm，地徑為3.5±0.2cm。苗木來源地位于109°36′E，26°16′N。該地區(qū)的降水較充裕，夏日少炎熱，冬季少酷寒，早晚溫差明顯[12]。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計

水培試驗(yàn)于2017年5—10月在湖南省天際嶺國家森林公園的玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行，營養(yǎng)液按照霍格蘭配方[14]，用去離子水配制。5月初在苗圃內(nèi)對赤皮青岡苗進(jìn)行移植，選擇大小各自基本一致的1年生和2年生赤皮青岡幼苗，將其根系輕輕地沖洗干凈，先用自來水沖洗，再用重蒸水沖洗，并對幼苗進(jìn)行適當(dāng)?shù)男藜?，然后移栽到黑色塑料培養(yǎng)槽里。培養(yǎng)槽內(nèi)需提前注入配制的營養(yǎng)液。幼苗培養(yǎng)1周后進(jìn)行磷脅迫處理。低磷脅迫試驗(yàn)設(shè)置8個磷濃度水平，其P濃度分別為0.000、0.001、0.005、0.010、0.050、0.100、0.500、1.000(CK)mmol·L-1。用KH2PO4配制成不同P濃度水平的營養(yǎng)液，在改變P濃度時用KCl來調(diào)節(jié)營養(yǎng)液中k+濃度平衡，其他營養(yǎng)元素濃度保持相同。每個培養(yǎng)穴內(nèi)放置1株1年生或2年生赤皮青岡幼苗，各重復(fù)3次，各處理每重復(fù)3株，共144株，其中1年生的和2年生的各72株。在脅迫試驗(yàn)過程中保證2 4h不間斷通氣，并及時用0.1mol·L-1氯化氫和0.1 mol·L-1氫氧化鈉溶液調(diào)整營養(yǎng)液的pH值至5.8。為確保營養(yǎng)充足，每培養(yǎng)3 d要倒掉使用過的營養(yǎng)液，注入新配制的營養(yǎng)液，測定相關(guān)指標(biāo)的頻率是每30 d測1次。

2.3 光合生理指標(biāo)測定

2.3.1 赤皮青岡幼苗葉綠素含量的測定 參照高俊鳳[15]的葉綠素浸提法。早上8:00—8:30采集1年生、2年生赤皮青岡幼苗的新鮮葉片，在冰袋保存下立即帶回實(shí)驗(yàn)室，用微微濕潤的干凈毛巾拭凈污垢，剪去中脈，把剩下的葉片剪為細(xì)絲狀，用天平稱取0.1g放入錐形瓶。浸提溶液用95%的乙醇和無水丙酮按1∶1比例配制，用25ml移液管吸取浸提溶液于各錐形瓶中，搖勻后迅速轉(zhuǎn)移至黑暗處，浸提24h，期間搖動若干次，直到樣品全部變成白色。搖勻錐形瓶中液體后，注入比色皿。對照樣品也是用95%的乙醇和無水丙酮配制的浸提液，二者的比例為1∶1，用紫外線分光光度計測出各樣品的吸光值(波長663nm和645nm)。

根據(jù)以下公式(1、2、3、4)計算總?cè)~綠素、葉綠素a和葉綠素b的含量：

Ca(mg·ml-1)=12.7A663-2.69A645

(1)

Cb(mg·ml-1)=22.9A645-4.68A663

(2)

CT(mg·ml-1)=Ca+Cb

(3)

(4)

式中：P為樣品葉綠素含量(mg·g-1)；C為樣品葉綠素濃度(mg·ml-1)；V為浸提液體積(ml)；R為稀釋倍數(shù)，M為樣品鮮質(zhì)量(g)。重復(fù)3次，取平均值。

2.3.2 赤皮青岡幼苗氣體交換參數(shù)的測定 低磷脅迫120d后，在早上8:30—11:30用LI-6400光合測定儀(LI-COR公司生產(chǎn))測定1年生、2年生赤皮青岡幼苗低磷脅迫下的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和細(xì)胞間隙CO2濃度(Ci)。調(diào)控CO2濃度為400μmol·mol-1。設(shè)定光強(qiáng)度為1000μmol·m-2·s-1。每個樣品測節(jié)位相同、葉齡適中的葉3片，每種磷濃度處理樣品共測6株，其中1年生與2年生赤皮青岡幼苗各測3株，室溫維持在25℃。

2.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用 Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和作圖；使用 SPSS 20.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 低磷脅迫下赤皮青岡幼苗葉綠素含量的變化

從圖1、圖2可以看出：1年生赤皮青岡幼苗6、7、8、9月葉片葉綠素a含量分別介于1.98～2.70、1.70～2.75、1.35～2.52、1.25～2.24mg·g-1之間。2年生幼苗6、7、8、9月葉片葉綠素a含量分別介于2.38～3.05、2.11～3.02、1.85～2.89、1.80～2.85 mg·g-1之間。

從圖3、圖4可以看出：1 年生赤皮青岡幼苗6、7、8、9月葉片葉綠素b含量分別介于0.61～0.92、0.52～0.95、0.36～0.83、0.33～0.81mg·g-1之間。2 年生的幼苗6、7、8、9月葉片葉綠素b含量分別介于0.79～1.05、0.67～1.06、0.56～0.98、0.53～0.97 mg·g-1之間。

從圖5、圖6可以看出：1 年生赤皮青岡幼苗6、7、8、9月葉片總?cè)~綠素含量分別介于2.59～3.62、2.22～3.66、1.71～3.35、1.58～3.18 mg·g-1之間。2 年生幼苗6、7、8、9月葉片總?cè)~綠素含量介于3.17～4.10、2.78～4.08、2.41～3.87、2.33～3.82 mg·g-1之間。

從圖1至圖6還可以看出：1年生、2年生赤皮青岡幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量均低于對照的，均隨著脅迫時間的延長而降低；2年生幼苗葉片的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量均高于1 年生幼苗的。1年生赤皮青岡幼苗7、8、9月的和2年生幼苗6、7、8、9月的葉片葉綠素a含量以及1年生、2年生幼苗6、7、8、9月葉片葉綠素b、總?cè)~綠素含量，在0.000、0.001、0.005、0.010、0.050、0.100 mmol·L-1的P濃度下，均與對照存在顯著差異(P<0.05)。

圖1 低磷脅迫下1年生赤皮青岡幼苗葉片葉綠素a含量比較Fig.1 Comparison with chlorophyll a content of annual Cyclobalanopsis gilva seedlings under low phosphorus stress注：數(shù)據(jù)系平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；處理之間差異顯著性用a、b、c等字母表示，不同字母表示差異顯著(P<0.05)；誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)誤。圖2至圖10同。

圖2 低磷脅迫下2年生赤皮青岡幼苗葉片葉綠素a含量比較Fig.2 Comparison with chlorophyll a content of biennial Cyclobalanopsis gilva seedlings under low phosphorus stress

圖3 低磷脅迫下1年生赤皮青岡幼苗葉片葉綠素b含量比較Fig.3 Comparison with chlorophyll b content of annual Cyclobalanopsis gilva seedlings under low phosphorus stress

圖4 低磷脅迫下2年生赤皮青岡幼苗葉片葉綠素b含量比較Fig.4 Comparison with chlorophyll b content of biennial Cyclobalanopsis gilva seedlings under low phosphorus stress

圖5 低磷脅迫下1年生赤皮青岡幼苗葉片總?cè)~綠素含量比較Fig.5 Comparison with total chlorophyll content of annual Cyclobalanopsis gilva seedlings under low phosphorus stress

圖6 低磷脅迫下2年生赤皮青岡幼苗葉片總?cè)~綠素含量比較Fig.6 Comparison with total chlorophyll content of biennial Cyclobalanopsis gilva seedlings under low phosphorus stress

3.2 低磷脅迫下赤皮青岡幼苗的光合生理響應(yīng)

從圖7可以看出：對照處理的1年生、2年生赤皮青岡幼苗葉片的凈光合速率分別為7.48、7.61μmol·m-2·s-1；在0.000～0.100mmol·L-1低磷脅迫時，凈光合速率較對照顯著降低(P<0.05)；在0.000mmol·L-1低磷脅迫時，凈光合速率下降幅度最大，1 年生幼苗葉片凈光合速率的最大下降幅度達(dá)33.69%，2 年生的最大下降幅度達(dá)29.43%，2 年生的下降幅度明顯低于1 年生的。

圖7 1、2年生赤皮青岡幼苗葉片凈光合速率對低磷脅迫的響應(yīng)Fig.7 Response of low phosphorus stress on net photosynthetic rate of annual and biennial Cyclobalanopsis gilva seedlings

蒸騰速率和凈光合速率的變化規(guī)律基本一致。從圖8可以看出：對照處理的1年生、2年生赤皮青岡幼苗葉片的蒸騰速率分別為2.72、2.81mmol·m-2·s-1；在0.000～0.100mmol·L-1低磷脅迫時，蒸騰速率較對照顯著降低(P<0.05)；在0.000mmol·L-1低磷脅迫時，1 年生幼苗葉片蒸騰速率的最大下降幅度達(dá)33.69%，2 年生的最大下降幅度達(dá)29.43%，2 年生的下降幅度明顯低于1 年生的。

圖8 低磷脅迫對1、2年生赤皮青岡幼苗葉片蒸騰速率的影響Fig.8 Effects of low phosphorus stress on transpiration rateof annual and biennial Cyclobalanopsis gilva seedlings

從圖9、圖10可以看出：在0.000～0.100mmol·L-1的低磷脅迫下，1年生、2年生赤皮青岡幼苗葉片的氣孔導(dǎo)度較對照顯著降低(P<0.05)；2 年生幼苗葉片的氣孔導(dǎo)度明顯高于1 年生的。胞間CO2濃度與氣孔導(dǎo)度相比，變化規(guī)律完全相反；與對照相比，在0.000mmol·L-1低磷脅迫下，1年生、2年生幼苗葉片胞間CO2上升幅度達(dá)到最大，分別為31.67%、19.22%，2 年生的上升幅度明顯低于1 年生的。

圖9 低磷脅迫對1、2年生赤皮青岡幼苗葉片氣孔導(dǎo)度的影響Fig.9 Effects of low phosphorus stress on stomatal conductance of annual and biennial Cyclobalanopsis gilva seedlings

圖10 低磷脅迫對1、2年生赤皮青岡幼苗葉片胞間CO2的影響Fig.10 Effects of low phosphorus stress onleaf internal CO2 concentrationof annual and biennial Cyclobalanopsis gilva seedlings

3.3 不同苗齡赤皮青岡幼苗氣體交換參數(shù)相關(guān)性

由表1可知：在低磷脅迫試驗(yàn)中，1年生赤皮青岡幼苗的氣體交換參數(shù)比2年生的表現(xiàn)出更大相關(guān)性。1年生、2年生幼苗葉片的凈光合速率與蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；1 年生幼苗葉片的凈光合速率與胞間CO2濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，2年生幼苗葉片的凈光合速率與胞間CO2濃度呈弱度負(fù)相關(guān)(P>0.05)；1年生、2年生幼苗葉片的蒸騰速率均與氣孔導(dǎo)度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；1 年生幼苗葉片的蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度均與胞間CO2濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，2年生幼苗葉片的蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度均與胞間CO2濃度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

表1 低磷脅迫下1、2年生赤皮青岡幼苗葉片氣體交換參數(shù)的偏相關(guān)性Tab.1 Partial correlation of gas exchange parameters of annual and biennial Cyclobalanopsis gilva seedlings under lowphos-phorus stress控制變量指標(biāo)苗齡凈光合速率蒸騰速率氣孔導(dǎo)度胞間CO2濃度凈光合速率1年生10.896**0.978**-0.796**2年生10.871**0.707**-0.302蒸騰速率1年生1.0000.969**-0.759**2年生1.0000.933**-0.504*磷濃度氣孔導(dǎo)度1年生1.000-0.724**2年生1.000-0.493*胞間CO2濃度1年生1.0002年生1.000 注:*和**分別代表差異達(dá)顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

赤皮青岡幼苗的葉片對低磷脅迫有明顯的光合生理響應(yīng)。在低磷脅迫下，與對照相比，赤皮青岡幼苗葉片的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量均明顯降低；在光合作用的功能方面，因低磷脅迫使葉片的氣孔導(dǎo)度變小，凈光合速率下降，胞間CO2濃度上升；在0.000mmol·L-1的磷脅迫時，除胞間CO2濃度外，所有指標(biāo)的下降幅度均達(dá)到最大，與對照相比，1年生、2年生幼苗葉片的凈光合速率分別下降了33.69%、29.43%。在磷元素缺乏的環(huán)境下，2年生幼苗比1年生的具有更高的光合功能，適應(yīng)能力更強(qiáng)。

4.2 討論

(1)光合作用產(chǎn)物是植物物質(zhì)累積的主要來源，而葉綠素對植物光能傳遞與轉(zhuǎn)換有十分重要的影響，在逆境環(huán)境，葉綠體會遭到損傷，從而使光合作用無法正常進(jìn)行，植物不能正常生長發(fā)育[7，16-18]，而且大部分研究[8-11]發(fā)現(xiàn)，低磷脅迫下，葉綠素含量會減少，因此，可以把這一表現(xiàn)視為植物響應(yīng)逆境脅迫的生理特征。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在低磷脅迫下，赤皮青岡幼苗葉片的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量均隨磷元素濃度的降低而減少，說明低磷脅迫使赤皮青岡幼苗葉片葉綠素合成降低，分解加快，葉綠素總含量減少，光合作用無法充分進(jìn)行，植物體內(nèi)物質(zhì)累積量減少，從而減少其磷元素含量的消耗來適應(yīng)低磷逆境。不同苗齡赤皮青岡葉片的葉綠素變化存在一定的差異，2 年生赤皮青岡幼苗葉片葉綠素含量普遍高于1 年生的，且葉綠素含量降低幅度明顯小于1 年生的，在一定程度上可以說明在同等的低磷脅迫下，2 年生赤皮青岡幼苗葉片葉綠素受到破壞的程度低于1 年生的。8、9月對照處理的葉綠素含量有所降低，可能與當(dāng)時氣溫過高有關(guān)。

(2)光合作用是構(gòu)成植物生產(chǎn)力的最重要的部分，低磷逆境會損壞植物葉肉細(xì)胞，抑制與光合反應(yīng)相關(guān)的酶活性，關(guān)閉部分氣孔，從而使植物光合速率下降。本研究表明，隨著低磷脅迫程度的增強(qiáng)，1年生、2年生赤皮青岡幼苗葉片的凈光合速率均呈現(xiàn)降低的趨勢，說明低磷逆境使赤皮青岡葉片氣孔部分閉合，CO2的獲取受到抑制，從而凈光合速率下降；赤皮青岡的蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度的降低，說明其可以通過減少水分蒸發(fā)和降低氣孔導(dǎo)度來適應(yīng)低磷脅迫；胞間CO2濃度的升高，表明赤皮青岡幼苗葉片的凈光合速率受氣孔因素和非氣孔因素共同制約。在本試驗(yàn)中，2年生赤皮青岡幼苗葉片蒸騰速率始終都維持在較低的水平，較1年生幼苗表現(xiàn)出更高的凈光合速率，說明2年生赤皮青岡幼苗葉片在磷元素缺乏的環(huán)境下較1年生幼苗具有更強(qiáng)的光合功能，比1年生幼苗具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。