不同類型接穗銀杏苗生長和光合特性的比較研究

吳孝紅，任 重，汪貴斌，曹福亮，郁萬文

（南京林業(yè)大學 a.南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心；b.江蘇省農業(yè)種質資源保護與利用平臺，江蘇 南京 210037）

銀杏Ginkgo biloba屬于銀杏科銀杏屬，集藥用、經濟和觀賞等價值于一體的植物，具有極高的開發(fā)價值。銀杏幼苗有生長緩慢和優(yōu)良品種的選育等問題，一定程度上影響了銀杏產業(yè)的發(fā)展，而嫁接技術的應用則可在一定程度上緩解這一問題[1]。嫁接可以保持和發(fā)展銀杏的優(yōu)良種性，實現(xiàn)早期豐產和提高果樹抗逆境能力，有利于提高產量等。1991年，Del Tredici[2]首次提出銀杏的位置效應概念，即銀杏無性繁殖的斜向生長現(xiàn)象。1998年，邢世巖等[3]研究發(fā)現(xiàn)，銀杏嫁接成活后，由于接穗取自母樹不同部位和樹齡等原因，造成嫁接苗新梢的生長狀況和角度不同，進而嚴重影響到嫁接苗的質量。因此，在銀杏嫁接育苗中，會根據(jù)目的樹形選取不同類型接穗?；诖?，對不同類型接穗的嫁接苗進行光合性能的研究具有一定的意義。

光合指標和葉綠素熒光參數(shù)能夠很好地反映植物的光合能力，在植物生長發(fā)育及良種選育等研究中具有重要參考價值。因此，研究砧木或接穗對銀杏嫁接苗光合作用的影響具有重要的意義。目前，研究表明嫁接苗的生長發(fā)育除受環(huán)境因子影響之外，還受接穗和砧木各自遺傳特性及砧穗互作效應的影響。優(yōu)良砧木對嫁接苗的葉綠素含量、光合作用、生長勢等有顯著的提升[4-5]，同時對嫁接苗非光化學淬滅的降低、光能的吸收和利用率均有顯著作用[6-7]。李小飛等[8]對美國山核桃的研究發(fā)現(xiàn)，砧木年齡越大，嫁接苗光合能力越強。同時，大量研究表明，接穗和砧木之間存在遺傳物質的相互交換，如葉綠體基因組在砧穗間的相互傳遞[9]，接穗與砧木的基因互作會形成可遺傳性狀等[10]。因此，不同類型接穗會由于自身遺傳特性及與砧木互作效應影響嫁接苗的光合特性。有關接穗對嫁接苗生長發(fā)育和光合特性影響的研究較少，任平等[11]發(fā)現(xiàn)不同長勢接穗對番茄嫁接苗相關光合基因的表達及光合性能有顯著的影響，進而影響植株生長發(fā)育。而未曾見有關銀杏不同類型接穗對嫁接苗的光合作用與葉綠素熒光參數(shù)等方面的研究報告。因此，本試驗研究了接穗來自銀杏實生樹不同部位和年齡的嫁接苗生長指標、光合作用和葉綠素熒光參數(shù)等指標的差異，探討不同類型接穗嫁接苗在一天中的光合能力和光合機構性能的變化，以期為選育優(yōu)良銀杏嫁接苗及其光合特性的研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料及處理

2018年3月上旬，選取邳州市銀杏種質資源圃內2棵樹干基部有大量萌條的10年生和30年生狀況良好的實生樹作為母樹，品種為‘梅核’。采集2棵母樹樹冠中部與樹干基部狀況良好的枝條作為嫁接材料，每個接穗上保留2～3個飽滿芽，砧木品種為泰興‘大佛指’3年生銀杏實生幼苗，長勢及大小基本一致，砧木株行距為45 cm×60 cm。

2018年3月底，在砧木高為60 cm處采用插皮法嫁接，嫁接地點為邳州市銀杏種質資源圃。將接穗來源10年生母樹樹冠、10年生母樹樹干基部、30年生母樹樹冠和30年生母樹樹干基部的嫁接苗分別記為G10嫁接苗、J10嫁接苗、G30嫁接苗和J30嫁接苗，共4種嫁接苗。每個處理分為3個小區(qū)，每小區(qū)嫁接15株。2019年5月上旬，對各處理進行測定。

1.2 測定項目及方法

1.2.1 新梢生長指標的測量

每個處理每個重復中隨機挑選11株，對新梢生長角度、梢長和基徑進行測量。角度測量以逆重力方向為0°，使用量角器測量新梢與接穗主干的夾角；使用卷尺測量新梢梢頂至基部的長度，使用游標卡尺測量新梢距離主干1 cm處的基徑。

1.2.2 光合參數(shù)日變化的測定

測量儀器為英國漢莎科學儀器有限公司的CIRAS-3光合儀，于測量日8:00—18:00，每隔2 h測定1次4種嫁接苗葉片的光合參數(shù)，每組處理隨機測3株嫁接苗。光合生理參數(shù)為：凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、胞間二氧化碳濃度（Ci）等。環(huán)境因素包括：光合有效輻射（PAR）、空氣溫度（Ta）、空氣相對濕度（RH）、大氣CO2濃度（Ca）等。

1.2.3 光響應曲線的測定

用CIRAS-3光合儀測定4種嫁接苗葉片的光響應曲線，每種嫁接苗隨機選取3株進行測定。光源采用CIRAS-3光合儀內置式紅藍光，光照強度梯度設置為0、50、100、150、200、300、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 700、2 000 μmol·m-2s-1，溫度控制在（25±0.5）℃之間。

1.2.4 葉綠素熒光參數(shù)日變化的測定

測量儀器為英國漢莎科學儀器有限公司生產的FMS-2便攜調制式熒光儀，具體測量方法參照文獻[12]，且與光合指標的測量同時進行。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗所得數(shù)據(jù)的分析與作圖使用Excel 2016軟件，雙因素方差分析與顯著性差異分析使用SPSS 20.0軟件。

2 結果與分析

2.1 嫁接苗新梢生長指標

雙因素方差分析表明，接穗部位對嫁接苗新梢的角度和梢長均有顯著影響（P＜0.05），接穗年齡和二者交互作用對角度和梢長無顯著影響（P＞0.05），而接穗部位、年齡和二者交互作用對嫁接苗的基徑均無顯著影響（P＞0.05）（表1）。表2表明，J10嫁接苗和J30嫁接苗的新梢角度顯著小于G10嫁接苗和G30嫁接苗（P＜0.05），J30嫁接苗的梢長顯著大于G10嫁接苗（P＜0.05），其它各處理之間梢長則無顯著差異（P＞0.05），4種嫁接苗之間基徑亦無顯著差異（P＞0.05）。新梢角度從大到小依次為G10嫁接苗＞G30嫁接苗＞J10嫁接苗＞J30嫁接苗，梢長和基徑從大到小依次為J30嫁接苗＞J10嫁接苗＞G30嫁接苗＞G10嫁接苗。

表1 接穗的年齡和部位對嫁接苗生長指標影響的雙因素方差分析Table 1 Two-factor analysis of variance for the effects of scion age and location on growth indexes of grafted seedlings

表2 接穗來自不同年齡和部位的嫁接苗的生長指標?Table 2 Growth indicators of grafted seedlings from different ages and parts

2.2 環(huán)境因子日變化

由圖1可知，PAR和Ta日變化均呈單峰曲線，PAR在12:00左右出現(xiàn)峰值，達到1 569 μmol·m-2s-1；Ta的最大值出現(xiàn)在14:00，達到27.5 ℃；Ca和RH的變化呈V形，分別于12:00和14:00左右出現(xiàn)谷值。

2.3 嫁接苗光合參數(shù)日變化的比較

對各時間段進行雙因素方差分析可知，在上午和下午，接穗部位對嫁接苗的Pn具有顯著影響（P＜0.05），而接穗年齡和二者交互作用對嫁接苗的Pn沒有顯著影響（P＞0.05）。

由圖2可以看出，上午，J10嫁接苗和J30嫁接苗的Pn分別顯著高于G10嫁接苗和G30嫁接苗（P＜0.05），12:00后則相反。同時，4種嫁接苗的Pn在12:00有大幅度的下降。J10嫁接苗和J30嫁接苗的Gs呈先下降后上升再下降的趨勢，且在14:00達到谷點，16:00有一定幅度的增加，之后逐漸下降。而G10嫁接苗和G30嫁接苗的Gs在10:00有一定幅度的下降，10:00—16:00沒有顯著變化，在18:00有大幅度的下降。在8:00—18:00之間，4種嫁接苗的Tr均呈先上升后下降的趨勢，于12:00達到最高值，且在10:00—14:00期間，G30嫁接苗和J30嫁接苗的Tr始終高于G10嫁接苗和J10嫁接苗。4種嫁接苗的Ci日變化呈W型，G10嫁接苗和J10嫁接苗2個谷值的時間為10:00和16:00，G30嫁接苗和J30嫁接苗則為10:00和14:00。

圖1 光合有效輻射（PAR）、大氣CO2濃度（Ca）、空氣相對濕度（RH）和空氣溫度（Ta）的日變化規(guī)律Fig.1 Diurnal variation of photosynthetic active radiation (PAR), atmospheric CO2 concentration (Ca), air relative humidity (RH) and air temperature (Ta)

圖2 接穗來自不同年齡和部位的嫁接苗光合參數(shù)的日變化Fig.2 Diurnal variation of photosynthetic parameters of grafted seedlings that scion from different age and parts

2.4 嫁接苗光響應曲線的比較

圖3表明，當PAR＜200 μmol·m-2s-1時，4種嫁接苗的Pn幾乎呈直線上升趨勢，而當200 μmol·m-2s-1＜PAR＜600 μmol·m-2s-1時，Pn上升趨勢逐漸放緩，之后隨著PAR的增加，G10嫁接苗、J10嫁接苗和G30嫁接苗的Pn變化較小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，而J30嫁接苗的Pn則持續(xù)緩慢上升。當PAR＜600 μmol·m-2s-1時，G10嫁接苗和J10嫁接苗的Pn均高于G30嫁接苗和J30嫁接苗；當PAR＞600 μmol·m-2s-1時，4種嫁接苗中J30嫁接苗的Pn增長幅度最大。嫁接苗Pn在光強＞1 200 μmol·m-2s-1后一直為J30嫁接苗＞J10嫁接苗＞G10嫁接苗＞G30嫁接苗。

通過非直角雙曲線模型的擬合，得到決定系數(shù)R2均大于0.99的Pn-PAR擬合曲線。同時，計算得到4種嫁接苗的最大凈光合速率（Pnmax）、表觀量子效率（AQY）、暗呼吸速率（Rd）、光補償點（PLC）、光飽和點（PLS）和初始斜率（a）等相關光合作用參數(shù)（表3）。經雙因素方差分析可知，接穗部位、年齡和二者交互作用均對嫁接苗的Pnmax、AQY和Rd有顯著影響（P＜0.05），對PLC和PLS有顯著影響的因素只有接穗部位。由表3可知，接穗來自樹干基部的J10嫁接苗和J30嫁接苗的Pnmax、Rd、PLS和AQY分別大于G10嫁接苗和G30嫁接苗，且J30嫁接苗與G30嫁接苗之間差異顯著，J10嫁接苗與G10嫁接苗之間僅Pnmax差異顯著（P＜0.05）。比較接穗是同一部位不同年齡的嫁接苗，J30嫁接苗和G30嫁接苗的Pnmax、Rd、PLS和PLC分別大于J10嫁接苗和G10嫁接苗，且J30嫁接苗與J10嫁接苗、G30嫁接苗與G10嫁接苗差異顯著（P＜0.05）。

圖3 接穗來自不同年齡和部位的嫁接苗Pn-PAR響應曲線的擬合Fig.3 Fitting of Pn-PAR response curves of grafted seedlings that scion from different ages and parts

表3 接穗來自不同年齡和部位的嫁接苗光合作用相關參數(shù)?Table 3 Relevant parameters of photosynthesis of scion grafted seedlings that scion from different ages and parts

2.5 葉綠素熒光參數(shù)日變化的比較

對各時間段進行雙因素方差分析可知，在8:00—12:00期間，接穗部位對嫁接苗PSⅡ最大光化學效率（Fv/Fm）和PSⅡ潛在活性（Fv/Fo）有顯著影響（P＜0.05），接穗年齡對非光化學淬滅系數(shù)（NPQ）和PSⅡ實際光化學效率（ΦPSⅡ）有顯著影響（P＜0.05），因素之間無交互作用。

圖4 接穗來自不同年齡和部位的嫁接苗葉綠素熒光參數(shù)的日變化Fig.4 Diurnal variation of chlorophyll fluorescence parameters of grafted seedlings that scion from different ages and locations

由圖4可知，4種嫁接苗的Fv/Fm和Fv/Fo均呈先下降后上升的趨勢。上午，J10嫁接苗和J30嫁接苗的Fv/Fm和Fv/Fo均高于G10嫁接苗和G30嫁接苗，到12:00和14:00則相反，4種嫁接苗的Fv/Fm均于18:00達到最高值。4種嫁接苗的NPQ變化呈單峰型，12:00達到峰值，且此時G10嫁接苗和J10嫁接苗的NPQ高于G30嫁接苗和J30嫁接苗，傍晚達到最低值。上午，J10嫁接苗和J30嫁接苗的光化學淬滅系數(shù)（qp）分別高于G10嫁接苗和G30嫁接苗，12:00—14:00則相反，18:00均大幅度下降達到最低值。4種嫁接苗的ΦPSⅡ變化趨勢均為雙峰型，上午，J10嫁接苗和J30嫁接苗的ΦPSⅡ分別大于G10嫁接苗和G30嫁接苗，且兩個峰值出現(xiàn)于10:00和16:00。

3 結論與討論

接穗來自樹干基部的嫁接苗新梢生長較為直立，接穗來自樹冠的嫁接苗則為斜向生長。這種斜向生長的現(xiàn)象可能與銀杏原始的發(fā)育系統(tǒng)有關[3]。同時，4種嫁接苗的新梢梢長和基徑之間無顯著差異，僅J30嫁接苗的新梢梢長顯著大于G10嫁接苗。整體而言，4種嫁接苗的生長量在生長前期未表現(xiàn)出明顯的差異，之后的生長受光合作用的影響。

光合作用為植物提供大量營養(yǎng)和干物質，對植物的生長發(fā)育及果實的產量、品質起決定性作用[13-14]。研究表明，不同類型接穗嫁接后水分和礦質營養(yǎng)等運輸效率不同，導致接穗葉片葉綠素和營養(yǎng)物質等含量存在差異，也會對光合酶Rubisco小亞基和果糖-1,6-二磷酸酶等基因的表達有顯著影響，進而引起光合作用的不同[11,15]。本試驗結果表明，上午J10嫁接苗和J30嫁接苗的Pn更高，而午后則為G10嫁接苗和G30嫁接苗更高，表明接穗來自基部的嫁接苗在上午光合能力更強，正午后則相反，接穗來自樹冠的嫁接苗抗光抑制能力強于接穗來自基部的嫁接苗。

光響應曲線反映了植物凈光合速率與光強的關系[16]。參數(shù)Pnmax反映了植物葉片光合能力的強弱，Rd的大小則代表了呼吸作用對光合產物消耗的大小，AQY可作為植物對弱光利用效率的指標，其值越高對弱光能利用效率越高，而PLC和PLS為光的補償點和飽和點，分別反映了對弱光和強光的利用效率[17-18]。本研究表明，接穗來自基部的嫁接苗的Pnmax顯著高于來自同棵樹樹冠的，結果與4種嫁接苗凈光合速率大小一致。接穗來自30年生母樹的嫁接苗PLS顯著高于來自10年生母樹，PLC值則相反，說明接穗來自30年生母樹的嫁接苗對強光利用能力更高，接穗來自10年生母樹的嫁接苗對弱光利用能力更強。

葉綠素熒光是探究植物光合作用效率有效的技術手段，葉綠素熒光參數(shù)可作為反映光合內部情況的重要指標[19-20]。Fv/Fm反映了PSⅡ反應中心光能轉換效率，其值越低發(fā)生光抑制程度越高，而Fv/Fo反映了PSII反應中心的潛在光化學活性[21]。本研究表明，上午接穗來自基部的嫁接苗的Fv/Fm和Fv/Fo高于接穗來自樹冠的嫁接苗，正午后則相反，說明上午其光合機構活性優(yōu)于接穗來自樹冠的嫁接苗，而正午則為接穗來自樹冠的嫁接苗光合能力更強。推測是母樹樹冠枝條相比基部所處環(huán)境光照更強和溫度更高，導致樹冠枝條正午時抗光抑制能力更強，而嫁接苗會遺傳接穗生活方式[22]，所以接穗來自樹冠的嫁接苗在中午光合機構活性更高。NPQ反映了以熱耗散形式消耗的部分光能，植物受到光抑制后通過熱耗散消耗過剩激發(fā)能進行自我保護[23-25]。本試驗發(fā)現(xiàn)，正午接穗來自10年生母樹的嫁接苗比來自30年生母樹嫁接苗的NPQ值更大，說明前者通過熱耗散進行自我保護能力更強。qp代表光化學反應淬滅系數(shù)，數(shù)值越大說明PSII中心開放程度越大，ΦPSⅡ則代表PSII反應中心的實際光化學效率[26]。本試驗發(fā)現(xiàn)8:00—10:00，接穗來自基部的嫁接苗的PSII中心開放程度高于來自同棵樹樹冠的嫁接苗，而正午后則相反。說明上午接穗來自基部的嫁接苗光合機構反應中心活性更強，正午其活性受到光抑制后顯著下降。而接穗來自基部和樹冠的嫁接苗的葉綠素熒光參數(shù)的差異及日動態(tài)變化，推測是由砧穗互作效應、接穗遺傳特性和環(huán)境等因素共同導致。目前，有關接穗對嫁接苗的光合機構影響機理尚不清楚，有待進一步研究。

綜上所述，接穗來自樹干基部的嫁接苗的新梢生長更直立，其光合能力在上午優(yōu)于接穗來自同棵樹樹冠的嫁接苗，午間則相反，接穗來自30年生母樹的嫁接苗對強光利用能力更強，接穗來自10年生母樹的嫁接苗對弱光利用能力更強。

雖然本研究發(fā)現(xiàn)不同類型接穗嫁接苗生長和光合特性等方面有明顯差異，但由于影響嫁接苗生長和光合特性的因素有砧木特性、接穗特性、砧穗互作效應和環(huán)境因子等多種因素，未能驗證具體是什么因素導致及哪種因素起主要影響作用。因此，在未來研究不同接穗對嫁接苗生長時，可以從接穗遺傳特性、砧穗之間相關遺傳物質的互作和環(huán)境因子等方面進行實驗設計來探究原因。