王博軼，王齊，吳訓(xùn)鋒，劉強(qiáng)，邢海濤

(云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 云南 昆明 650224)

光是影響植物生長及種群更新的重要生態(tài)因子，對植物的生長、發(fā)育和形態(tài)建成具有極其重要的作用[1]。光合作用是植物生長的重要前提，不同光環(huán)境對植物的光合作用和生產(chǎn)力都有重要的影響。一般而言，喜陽植物適宜于強(qiáng)光下生長，喜陰植物適于弱光下生長。遮陰通過降低葉面溫度和土壤溫度，提高空氣濕度和土壤中水分含量等，進(jìn)而影響植物的光合作用[2]。植物種類不同，需光特性也不同，隨光環(huán)境的改變，不同種類植物光合特性的響應(yīng)及適應(yīng)能力也存在差異。這些往往能反映植物在生長發(fā)育過程中對不同生態(tài)因子的需求，從而為植物的人工繁育、引種栽培以及進(jìn)一步的開發(fā)利用提供依據(jù)[3]。近年來，光環(huán)境影響瀕危植物更新的研究，也為瀕危植物的生境保護(hù)及恢復(fù)提供了科學(xué)的參考依據(jù)[4-5]。

李冬林等[4]通過遮光對連香樹(Cercidiphyllumjaponicum)幼苗光合特性及其葉片解剖結(jié)構(gòu)影響的研究發(fā)現(xiàn)，連香樹具有一定的光忍耐性和喜光性，對光照條件的生態(tài)幅較寬，但強(qiáng)度遮光對連香樹幼苗氣體交換參數(shù)和光合響應(yīng)特征產(chǎn)生了顯著影響。李小琴等[5]研究了遮陰對瀕危植物風(fēng)吹楠(Horsfieldiaglabra)幼苗葉形態(tài)和光合參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)遮陰處理使風(fēng)吹楠的最大凈光合速率、表觀量子效率、光飽和點(diǎn)顯著降低，光補(bǔ)償點(diǎn)和暗呼吸速率也相應(yīng)改變，強(qiáng)光照下風(fēng)吹楠并未發(fā)生明顯光抑制和“午休現(xiàn)象”。表明光照充足的環(huán)境適合其正常生長，較大程度的遮陰使幼苗生長嚴(yán)重受阻。所以，研究瀕危樹種幼苗期對光照的需求和適應(yīng)性，有助于了解植物的耐陰性，探索其保護(hù)措施以及如何提高幼苗的競爭力，以促進(jìn)其野生種群的自然更新和演替。

景東翅子樹(PterospermumkingtungenseC.Y.Wu ex Hsue)為梧桐科(Sterculiaceae)翅子樹屬(Pterospermum)植物，是中國滇中地區(qū)石灰?guī)r山地常綠闊葉林中的特有種，屬國家Ⅱ級保護(hù)的極度瀕危物種[6]。在該植物的本底調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)景東縣境內(nèi)共分布有景東翅子樹約2 432株，分為9個居群，涉及5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。景東翅子樹僅分布于景東縣境內(nèi)河谷沿線石灰?guī)r地區(qū)，海拔1 440～1 530 m，物種對生境的選擇十分嚴(yán)格，且成年植株較少，自然結(jié)實(shí)率低。按IUCN瀕危等級標(biāo)準(zhǔn)評價屬于“極危種(CR)”。景東翅子樹大多分布在保護(hù)區(qū)以外，絕大多數(shù)分布在社區(qū)村民的山林內(nèi)(集體林或自留山)、農(nóng)地旁，或者縣級主干道公路的沿線，常遭人砍伐當(dāng)作薪柴，或受到公路維修的影響或破壞[7]。目前，關(guān)于景東翅子樹的研究僅限于種群分布、年齡結(jié)構(gòu)[7]，以及扦插生根等方面的報道[8]。而對其光合特性等方面的研究尚未見報道。本研究通過不同遮陰處理，從葉綠素?zé)晒馓匦院凸夂仙硖匦缘确矫嫜芯烤皷|翅子樹幼苗對不同光照條件的響應(yīng)機(jī)制，以期為景東翅子樹的瀕危原因和種質(zhì)資源保護(hù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院(25°02′11″N，102°42′31″E，海拔約2 000 m)進(jìn)行。該地屬北亞熱帶至中亞熱帶半濕潤山地氣候，年均溫14.5 ℃，極端最高溫33.1 ℃，極端最低溫-9.2 ℃；年均降水量1 008.9 mm，一年中有明顯的干季(11月—翌年4月)和雨季(5—10月)之分，降雨多集中在雨季，約占全年降水量89%。土壤以山地紅壤為主。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計

選擇長勢基本一致且生長健壯的景東翅子樹1 a生實(shí)生苗(苗高45 cm，地徑5 mm)，于2019年3月定植，經(jīng)過3個月緩苗生長，當(dāng)年6月置于學(xué)院試驗(yàn)大棚進(jìn)行遮光處理。不同遮陰處理采用黑色遮陽網(wǎng)進(jìn)行，共4個處理：3個陰棚內(nèi)的相對光強(qiáng)分別為自然光強(qiáng)的50%(大林窗中的光強(qiáng)，L1)、36%(小林窗中的光強(qiáng)，L2)以及12.5%(林下的光強(qiáng)，L3)，以及不加遮陽網(wǎng)，即全光照處理(對照組，CK)。各處理下設(shè)置3盆幼苗，容器上口徑19 cm，下口徑16 cm，高20 cm，栽培基質(zhì)一致。苗期常規(guī)管理，確保不同處理間管護(hù)方式一致。試驗(yàn)處理5個月后，于2019年11月對其光合參數(shù)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)進(jìn)行測定。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定

用FMS2.01 型脈沖調(diào)制熒光儀(Hansatech公司，英國)于晴天測定不同光處理下光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)最大光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)的日變化。每株選取向陽中部正常生長的成熟葉片，葉位一致，葉柄標(biāo)記。第一次測定時間為上午7:00，之后每隔2 h測定1次，直至當(dāng)天19:00，每次測定前對葉片測定部位充分暗適應(yīng)30 min。以Fv/Fm為指標(biāo)判斷光抑制是否發(fā)生，以NPQ為指標(biāo)判斷植物熱耗散的多少[9-10]。

1.3.2 光響應(yīng)曲線的測定

用Li-6400便攜式光合作用測定儀(Li-Cor， Lincoln， 美國)進(jìn)行光響應(yīng)曲線(Pn-PAR)的測定，使用光合儀配備LED紅藍(lán)光源，測定時間為上午9:00—11:30，重復(fù)測定3次。測定時使用開放氣路，空氣流速為0.5 L/min，溫度25 ℃，相對濕度40%～50%，CO2濃度360 μmol/mol。光合有效輻射(PAR)為2 000、1 500、1 000、800、600、400、200、100、50和0 μmol/(m2·s)，每個光強(qiáng)下穩(wěn)定3 min后記錄數(shù)據(jù)。測定前葉片在800 μmol/(m2· s)光強(qiáng)下誘導(dǎo)30 min。Pn-PAR曲線擬合采用非直角雙曲線修正模型[11]，其模型表達(dá)式為,

Pn=α (1-βPAR)/1+γPAR·PAR-Rd

式中:α為光響應(yīng)曲線的初始斜率；β和γ為系數(shù)，Rd為暗呼吸。

計算出最大凈光合速率(Pmax)、暗呼吸速率(Rd)和表觀量子效率(AQY)。光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)和光飽和點(diǎn)(LSP)利用低光條件下(PAR≤200 μmol/(m2·s)的Pn與PAR構(gòu)建線性方程進(jìn)行估算：

Pn= mPAR+ n,LCP=- n/m,LSP=(Pmax-n)/m。

1.3.3 光合日變化的測定

選擇連續(xù)晴朗無風(fēng)天氣，所選取樣葉與用于葉綠素?zé)晒鈪?shù)日變化測定的葉片為相同葉片。利用Li-6400便攜式光合系統(tǒng)從8:00—18:00，每隔2 h 測定1 次葉片的氣體交換特性，連續(xù)測定3 d，測定時均使用自然光源，標(biāo)準(zhǔn)葉室。自動記錄PAR、氣溫(Ta)、大氣相對濕度(RH)、CO2濃度(Ca)等環(huán)境參數(shù)，測定指標(biāo)為凈光合速率(Pn，μmol·m-2·s-1)。

1.3.4 葉片氣體交換參數(shù)的測定

用Li-6400便攜式光合作用測定儀進(jìn)行氣體交換參數(shù)的測定，測定時間與各參數(shù)設(shè)置與光響應(yīng)曲線一致。光強(qiáng)設(shè)為1 000μ mol/(m2· s)，葉片選擇方法同上，測定參數(shù)包括蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計軟件IBM SPSS statistics 20進(jìn)行分析，處理間比較采用方差分析和LSD檢驗(yàn)。統(tǒng)計圖采用Sigmaplot 12.5繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生長環(huán)境光強(qiáng)對景東翅子樹葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

不同生長環(huán)境光強(qiáng)下，其光合有效輻射值的變化基本相同，8:00開始隨時間的增加逐步增加，于12:00—14:00達(dá)到最高，之后下降(圖1)。

圖1 不同遮光條件下光合有效輻射(PAR)的日變化Fig.1 The diurnal variation of photosynthetically active radiation(PAR)under different shading treatment

一天當(dāng)中各種不同遮光條件下，黎明Fv/Fm最高，隨日間光強(qiáng)的升高，F(xiàn)v/Fm降低，下午(14:00左右)光最強(qiáng)時Fv/Fm降到最低點(diǎn)，之后隨光強(qiáng)的減弱緩慢回升，19:00光照強(qiáng)度較弱時，各光強(qiáng)下Fv/Fm仍未恢復(fù)到天亮前的水平，表明在日間不同光強(qiáng)下均發(fā)生了光抑制，全光照CK處理下光抑制最嚴(yán)重，在下午14:00左右Fv/Fm只有0.68左右(圖2)。L1和L2處理下，下午14:00Fv/Fm最低，分別為0.72和0.76左右。

圖2 不同光強(qiáng)下生長的景東翅子樹幼苗光系統(tǒng)Ⅱ最大光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)的日變化Fig.2 The diurnal variation of maximum efficiency of PSⅡ photochemistry(Fv/Fm)for seedlings of P.kingtungense grown under different light regimes

不同光強(qiáng)下生長的景東翅子樹幼苗非光化學(xué)猝滅系數(shù)NPQ的日變化表明熱耗散隨日間光強(qiáng)的增大而增多。全光照(CK)下的熱耗散明顯高于遮陰下L1、L2和L3處理的值(圖3)。

圖3 不同光強(qiáng)下生長的景東翅子樹幼苗非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)的日變化Fig.3 The diurnal variation of non-photochemical quenching efficiency(NPQ)for seedlings of P.kingtungense grown under different light regimes

2.2 不同生長光強(qiáng)下景東翅子樹凈光合速率(Pn)的日變化

從圖4可以看出，景東翅子樹幼苗Pn日變化曲線在不同光強(qiáng)下呈現(xiàn)出不同的類型。全自然光(CK)和50%自然光(L1)下，日變化呈“雙峰”曲線。CK處理下，上午10:00左右出現(xiàn)第一個Pn高峰值，中午12:00左右出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象，Pn只有0.8 μmol/(m2·s)左右，之后Pn回升，但幅度不大，到下午16:00左右出現(xiàn)第二個高峰值，隨后下降，但峰值遠(yuǎn)低于第一個峰值?？梢钥闯鋈庹誄K處理下，景東翅子樹幼苗受到了嚴(yán)重的光抑制。在L1處理下的變化與CK類似，但其變化較為緩和，在中午13:00點(diǎn)左右出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象。 L2、 L3處理下均呈現(xiàn)“單峰”曲線，略呈“幾”字形變化，Pn高峰值出現(xiàn)在上午11:00左右。

圖4 不同光強(qiáng)下生長的景東翅子樹幼苗凈光合速率(Pn)的日變化Fig.4 The diurnal variation of net photosynthetic rates (Pn)for seedlings of P.kingtungense grown under different light regimes

2.3 不同生長光強(qiáng)對景東翅子樹幼苗光響應(yīng)曲線及其參數(shù)的影響

不同光強(qiáng)下生長的景東翅子樹幼苗的光合-光響應(yīng)(Pn-PAR)曲線(圖5)顯示，當(dāng)光合有效輻射PAR≤ 200 μmol/(m2·s)時，各光強(qiáng)處理下的Pn均隨PAR的增加而迅速增加，L2、L3處理下Pn上升速度比全光照CK處理下要快，說明對弱光的利用效率較高。各光處理下，當(dāng)PAR升高至400～600 μmol/(m2·s)后，Pn逐漸趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)光飽和狀態(tài)。L2、L3處理下，在PAR增至1 600 μmol/(m2·s)時，Pn有明顯下降，說明遮陰處理下景東翅子樹幼苗Pn易受強(qiáng)光抑制(表1)。

圖5 不同光強(qiáng)下生長的景東翅子樹幼苗的光合-光響應(yīng)(Pn-PAR)曲線Fig.5 Pn -PAR response curves for seedlings of P. kingtungense grown under different light regimes

從表1可知，遮陰處理顯著提高了景東翅子樹的Pmax，L3處理下Pmax比CK、L1、L2處理下分別增長了45%，34%和8%。但所有遮光處理下，景東翅子樹的Pmax都比較低，最高值僅為4 μmol/(m2·s)左右，這可能也是景東翅子樹生長緩慢，植株自我恢復(fù)能力差的一個原因。隨遮光率的增加AQY升高，L2處理下AQY達(dá)到最高，L3處理下又有所下降。另外，光飽和點(diǎn)(LSP)在各光強(qiáng)處理之間無顯著性差異。L2和L3處理下光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)差異不大，但是明顯比CK和L1處理下的LCP要低。暗呼吸速率(Rd)在L2處理下最低，L3遮光條件下有回升，但均明顯低于CK和L1處理光強(qiáng)下的值。

表1 不同相對光強(qiáng)下生長的景東翅子樹幼苗光響應(yīng)曲線的特征參數(shù)Tab.1 Photosynthetic parameters of Pn -PAR response curves of Pterospermum kingtungense seedlings grown under different light regimes

從表2可知，CK處理下氣孔導(dǎo)度(Gs)明顯低于各遮陰處理下的值，L3處理下Gs最高。L2和L3處理下的胞間CO2濃度(Ci)差異不大，但是明顯比CK和L1處理下的Ci要低。蒸騰速率(Tr)也有同樣的變化趨勢，L2和L3處理下的Tr沒有差異，但均明顯高于CK和L1處理光強(qiáng)下的值。

表2 不同相對光強(qiáng)下生長的景東翅子樹幼苗的氣體交換參數(shù)Tab.2 Gas exchange parameters of P.kingtungense seedlings grown under different light regimes

3 討論與結(jié)論

植物在長期適應(yīng)不同光環(huán)境的過程中，不同植物所接受的太陽輻射量存在明顯差異，因此形成了自身特有的需光特性[12-14]。喜光植物喜歡在強(qiáng)光環(huán)境下生長，如山黃麻(Tremaorientalis)[15]、風(fēng)吹楠[5]等；而喜陰植物適宜生長在低光強(qiáng)的林下環(huán)境，如玉蕊(Barringtoniamacrostachya)[16]，謝君魔芋(Amorphophallusxiei)[17]等。

熒光參數(shù)Fv/Fm反映了PSⅡ反應(yīng)中心光能轉(zhuǎn)化效率，其下降是光抑制的重要特征。在未遭受光抑制并經(jīng)過充分暗適應(yīng)的植物葉片的Fv/Fm值一般介于0.80～0.83[18]。本研究中，只有在L2和L3處理下，早上8:00以前的Fv/Fm在0.80～0.82左右，其余任何光照處理下的任何時段均低于0.80，葉片光合作用均受到了光抑制。尤其在全光照CK處理下，14:00左右Fv/Fm值僅為0.68，光抑制程度最高。除L3處理，18:00之后Fv/Fm可基本恢復(fù)至0.80水平，其余光照條件下，直至晚上19:00均在0.78以下，未恢復(fù)至天亮前的水平，光抑制明顯。非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)反映了葉片對激發(fā)能利用的情況，尤其是熱耗散可以防御光抑制的破壞，是植物保護(hù)PSⅡ的重要機(jī)制[9]。景東翅子樹葉片熱耗散隨光照強(qiáng)度的升高顯著增多，CK處理下其NPQ值達(dá)4左右。全光下熱耗散的增加可以有效地保護(hù)光合機(jī)構(gòu)免受強(qiáng)光的破壞[9,19]。

表觀量子效率(AQY)是光合作用中光能轉(zhuǎn)化效率的一種量度，代表葉片對弱光的利用能力，其值越大，葉片吸收與轉(zhuǎn)換光能的色素蛋白復(fù)合體越多，利用弱光的能力也就越強(qiáng)，AQY降低是光合作用光抑制的顯著特征之一[9]。通常植物的AQY在0.03～0.05之間[20]。本研究中，全光照CK處理下，景東翅子樹AQY為0.02，顯然受到了光抑制。隨遮光率的增加AQY升高，L2處理下AQY最高0.06，之后L3處理下降低至0.03，仍在正常范圍內(nèi)。說明遮陰條件下，光抑制降低，且其利用弱光的能力增強(qiáng)。這也與梁文斌等[21]和唐星林等[22]的研究結(jié)果一致。

光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)和光飽和點(diǎn)(LSP)代表植物葉片對弱光的利用能力。LCP低，表明植物對弱光的利用能力強(qiáng)，LSP低表明植物隨光強(qiáng)增大很快達(dá)到最大凈光合效率。暗呼吸速率(Rd)反映光照條件下葉片的線粒體呼吸作用大小。本研究中，遮陰處理下，景東翅子樹光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)和光飽和點(diǎn)(LSP)分別在20 μmol/(m2·s)左右和200 μmol/(m2·s)左右，為典型的喜陰植物，LSP低的喜陰植物更容易因光抑制而受傷害[21]。景東翅子樹LSP在各光強(qiáng)處理之間無顯著性差異，即LSP基本不受遮陰強(qiáng)度的影響。L2和L3處理下的LCP明顯比CK和L1處理下的LCP值要低。而且，Rd在L2遮光條件下最低，雖L3處理下有所回升，但兩者均明顯低于CK和L1處理光強(qiáng)下的Rd值。弱光條件下景東翅子樹通過降低LCP來提高對弱光的利用能力，通過降低Rd來減少有機(jī)物的消耗維持碳平衡，對弱光環(huán)境表現(xiàn)出一定的適應(yīng)性。景東翅子樹通過提高AQY，降低LCP和Rd等來適應(yīng)弱光條件，這與劉柿良等[23]、李珍等[17]、蔡建國等[24]和王佳佳等[25]的研究結(jié)果相類似。

在CK與L1條件下，景東翅子樹幼苗葉片均出現(xiàn)光合午休現(xiàn)象，而在L2和L3處理下卻未出現(xiàn)此現(xiàn)象，說明在CK與L1處理下，景東翅子樹葉片發(fā)生了光抑制現(xiàn)象。遮陰處理提高了景東翅子樹的最大凈光合速率Pmax，但所有光處理下景東翅子樹的Pmax都比較低，最高值僅為4 μmol/(m2·s)左右，這可能也是景東翅子樹生長緩慢，種群自我恢復(fù)能力差的一個原因。Gs可以反映葉片內(nèi)CO2擴(kuò)散阻力對光合速率的限制。本研究中，景東翅子樹葉片CK處理下Gs最低，高光強(qiáng)影響了葉片的氣體交換能力，而L3處理下Gs最大，說明遮陰條件下景東翅子樹葉肉細(xì)胞內(nèi)CO2的擴(kuò)散阻力較小，光合速率增大。L2和L3處理下的Ci和Tr均與CK和L1處理下的值差異顯著?？梢钥闯?，遮陰條件下，景東翅子樹Ci降低，并伴隨較高的Tr，Ci降低說明葉片固碳的能力提高。景東翅子樹在遮陰后，葉片會通過增加Tr和提高CO2同化力來提高其光合速率。進(jìn)一步證實(shí)弱光環(huán)境反而有利于景東翅子樹增強(qiáng)其光合作用能力。

本研究結(jié)果可以看出，強(qiáng)光下景東翅子樹幼苗對光抑制敏感，其通過增加熱耗散，消耗掉過剩光能，在一定程度上保護(hù)了光合機(jī)構(gòu)免受強(qiáng)光的破壞。景東翅子樹有較低的Pmax、LSP、LCP和Rd等，以適應(yīng)弱光環(huán)境。總之，由其光合特征與葉綠素?zé)晒馓匦詠砜?，景東翅子樹幼苗是一種典型的喜陰植物，在育苗期進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣陉幪幚碛欣谄渖L發(fā)育。