不同光照对油桐幼苗生长、光合日变化及叶绿素荧光参数的影响

石　凯，李　泽，张伟建，何　潇，曾艳玲，谭晓风

（中南林业科技大学 a.经济林培育与保护省部共建教育部重点实验室；b.经济林育种与栽培国家林业局重点实验室，湖南 长沙 410004）

光是影响植物生长、分布的重要生态因子，它以环境信号的形式作用于植物，通过光敏色素等作用途径调节植物生长、发育和形态建成，使植物更好地适应外界环境[1-2]。遮阴影响了植物正常光合作用，限制了叶片的碳同化，使得碳水化合物的含量降低，从而影响了植物正常生长[3]。当对植物进行遮阴处理时，为了适应弱光环境，植物一般会产生一些形态和生理变化，如叶片变薄使得叶绿体能更充分地发挥吸收光能的作用[4-5]，同时，叶片呼吸速率降低，叶绿素b的含量增加及叶绿素a/b的值变小，使得植物吸收更多的短波长光线的能量[6]。马慧丽等[7]研究表明，遮阴环境下降低了苹果叶片的羧化效率，同时，叶片的栅栏组织、海绵组织以及叶片总厚度均降低。王建华等[8]研究了不同遮阴对连翘光合特性和叶绿素荧光参数的影响，结果表明，随着遮阴程度增加，连翘叶片的最大净光合速率、光饱和点、光补偿点及暗呼吸速率均降低。另外，张颖聪等[9]研究表明红叶石楠和洒金桃叶珊瑚在轻度遮阴（60%光照）处理下光合速率均有不同程度的提高。梁曼曼等[10]对遮阴条件下的‘绿岭’核桃品质及产量进行了研究，遮阴显著降低了核桃产量和油脂含量。

油桐为大戟科Euphorbiaceae油桐属植物的统称，是中国特有的经济树种，已有千年的栽培历史，与油茶、核桃和乌桕并称我国四大木本油料树种[11-12]。从油桐种子提取的桐油是制造优质油漆的最好原料，具有干燥快、附着力强、富光泽、耐酸、耐碱、耐高温等优良特性[13]。近年来，能源危机和生态建设得到了人们的高度重视，而油桐在缓解我国生物能源危机方面有着重要的作用。油桐是一种喜光植物，它生长快，成林早，3 a即可结果，这与它的光合作用密切相关[14]。近年来，油桐在我国南方地区栽培面积逐渐增加，在生长季节经常遇到阴雨天气，油桐生长较快，树冠较大，造成下层枝条及叶片处于遮阴状态，影响了叶片的光环境，出现了大量的枯枝现象，从而影响了油桐的正常生长及产量。目前，关于油桐光合作用研究主要集中在油桐二代优树及控制授粉子代光合特性的比较研究[15]、根外追肥对油桐幼苗光合作用及叶绿素荧光参数的影响[16]、不同品种光合特性的比较，镁对油桐光合生理方面的影响及干旱胁迫等对油桐生长的影响等方面进行了研究[17-18]，而关于油桐对不同光照条件响应方面的研究还未见报道。本研究以‘葡萄桐’幼苗为材料，采用盆栽试验的方法，利用遮阴网模拟生产中在生长季油桐中下枝叶片经常处于弱光的状况，探讨不同光照强度对油桐幼苗的生长、光合日变化及叶绿素荧光特性的影响，以定量确定最适宜油桐生长及限制油桐正常生长的光照强度，为油桐育苗及栽培管理提供参考依据。

1　材料与方法

1.1　试验地概况及试验设计

试验于2016年在中南林业科技大学生命科学楼顶进行，属于亚热带季风气候，全年无霜期约275 d，试验进行的8月、9月平均气温25～29.5 ℃，月平均降水量88 mm。试验材料为油桐Vernicia fordii采自湖南湘西永顺县青坪镇国家油桐种质资源保存库，2015年11月采集成熟种子，室内阴干于次年1月上旬沙藏，本试验所用的油桐幼苗为种子萌发1个月后的实生苗。本试验设置4个光照处理，用LI-6400便携式光合系统测量透光度，用不同黑色遮阳网层数控制光密度，4个处理的相对光强分别为全光光照100% （CK，L1）、透光75% （L2）、透光50% （L3）、透光20% （L4），2016年5月10日，选择大小长势基本一致的油桐实生苗移栽到内径24 cm、深为23 cm的塑料盆中（营养土与石英砂各1/2），每个处理18盆，4个处理总共72盆，正常水分管理40 d后进行遮阴试验。植株试验期间定时用Aron全浓度配方进行营养液供给，每周浇一次营养液，每株每次浇500 mL，均在正常水分充足的条件下生长。分别于8月15日至20日，9月15日至20日测定生长量、叶绿素含量、光合日变化及叶绿素荧光参数。

1.2　叶绿素含量的测定

叶绿素含量测定采用丙酮乙醇混合液提取法[19]，在光合作用测定的同时采取叶片，去除主脉称量0.2 g叶片剪成细丝，浸泡在30 mL丙酮乙醇（V∶V=1∶1）溶液中遮光提取24 h，按照Arnon的方法[20]在分光光度计663 nm和645 nm处读光密度（OD值），计算叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总量，每个处理重复3次。

1.3　生长指标的测定

苗高和地径分别用卷尺和游标卡尺测定，每个处理测定9株。鲜质量和干质量的测定：从盆中取植株用自来水冲洗根系的砂土，冲洗干净后用吸水纸吸干根系表面的水分，在根系和地径处剪开地上部分和地下部分，在天平上分别称地上部分鲜质量和根系鲜质量，然后在 110 ℃杀青30 min，75 ℃下烘 24 h 左右至恒质量，称得各部分的干质量，每个处理测定6株。

1.4　光合日变化的测定

8月15—20日、9月15—20日选择晴朗无风的天气，用LI-6400XT便携式光合仪（Li-COR，USA）对幼苗进行光合日变化的测定。从7:00—19:00，每2 h测定一次。测定时选取叶位及长势基本一致的叶片，保持叶片自然生长角度，每个处理测定6株，每株测定1枚叶片，重复3次（连续测定3 d）。测定的指标有：光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、胞间CO2浓度（Ci）等参数。

1.5　叶绿素荧光参数的测定

在光合日变化测定结束后用LI-6400XT光合仪（LI-COR，USA）荧光叶室6400-40测定叶绿素荧光参数，参考LI-6400XT操作手册，在当天下午在每个处理选取成熟的功能叶，挂好标签标记，21:00—23:00测定初始荧光Fo，然后施加饱和脉冲为 7 200 μmol·m-2s-1的光强下 0.8 s，测得暗适应下最大荧光Fm，根据Fo和Fm，计算最大光化学效率（Fv/Fm），Fv/Fm= (Fm-Fo)/Fm荧光参数的计算参照Rohácek的方法。天亮后在叶室内光活化30 min以上，直接测定最小初始荧光Fo、最大荧光Fm、有效光化学量子产量Fv′/Fm′、实际光化学量子效率ΦPSII、光化学猝灭系数qP及电子传递效率ETR等参数。

1.6　数据统计与分析

用Excel 2007软件对数据进行处理及作图，采用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析及其差异显著性分析。

2　试验结果与分析

2.1　不同光强对油桐叶绿素含量的影响

由表1可知，随着光强的减弱，油桐幼苗的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量都呈现增加的趋势，而叶绿素a/b值则逐渐减小。8月叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总量在L4遮阴处理达到最大，比L1分别增加了41.54%、64.21%、47.82%，差异显著（P＜0.05），9月份叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总量也是在L4遮阴处理达到最大，比L1分别增加了42.07%、64.36%、48.44%，差异显著（P＜0.05）。

表 1　不同光照强度对油桐幼苗叶绿素含量的影响†Table 1　Effects of different light intensities on the contents of chlorophyll of tung tree seedling

2.2　不同光照强度对油桐幼苗生长的影响

2.2.1不同光照强度对油桐幼苗株高和地径的影响

由图1可知，在4个光照条件下，L3的苗高在8月和9月均是最高的，分别为52.56 cm和 82.50 cm。8月 分 别 比 L1、L2、L4增 加 了32.72%、46.76%、 27.03%，9月相比L1、L2、L4分别增加了35.66%、56.23%、45.05%，差异显著（P＜0.05）。由图1b可知，油桐幼苗地径随着光照强度的减弱逐渐降低，L2、L3、L4在8月分别比L1降低了20.22%、28.57%、42.45%，九月份分别比L1降低了34.12%、35.06%、56.94%，差异显著（P＜0.05），说明随着光照的减弱，地径逐渐降低，而苗高先升高后降低，主要原因是在一定的遮阴度下油桐幼苗通过增加苗高而争取更多光照。

2.2.2不同光照强度对油桐幼苗地上部分的鲜质量和干质量的影响

图1　不同光照强度对油桐幼苗株高和地径的影响Fig. 1　Effects of different light intensities on the height and basal diameter growth of tung tree seedlings

由图2可知，随着光照强度的减小，油桐的地上部分鲜质量、地上部分干质量都呈现下降的趋势。8月 L2、L3、L4的地上部分鲜质量分别比L1降低了77.69%、66.85%、87.13%，地上部分干质量分别比L1降低了80.84%、68.81%、89.25%，差异显著（P＜0.05）。9月，L2、L3、L4的地上部分鲜质量分别比L1降低了81.88%、76.95%、96.10%，地上部分干质量分别比L1降低了82.71%、81.26%、93.48%，差异显著（P＜0.05）。

图2　不同光照强度对油桐地上部分鲜质量和地上部分干质量的影响Fig. 2　Effects of different light intensities on the ground part of fresh and dry weight of tung tree seedlings

2.2.3不同光照强度对油桐幼苗根系鲜质量和干质量的影响

由图3可知，随着光照强度的减弱，油桐的根系鲜质量和根系干质量呈减小的趋势，8月，L2、L3、L4的根系鲜质量分别比L1降低了66.68%、50.73%、87.52%，根系干质量分别比L1降低了77.49%、63.66%、91.99%，差异显著（P＜0.05）。9月，L2、L3、L4的根系鲜质量分别比L1降低了59.52%、76.77%、94.82%，根系干质量分别比L1降低了60.76%、72.93%、94.97%，差异显著（P＜0.05）。

2.3　不同光强对油桐幼苗光合日变化的影响

2.3.1净光合速率（Pn）的日变化

从图4可知，在不同光照条件下，油桐Pn的日变化呈单峰曲线，8月L1、L2和L3的Pn在早上11:00左右达到峰值，L4在下午15:00达到峰值，然后持续下降，至19:00左右降到最低点，L1处理的Pn在17:00之前均高于其它3个处理。 9月L1在中午13:00达到峰值，L2、L3、L4在早上11:00左右达到峰值，L1处理的Pn均高于L2、L3、L4。

2.3.2气孔导度（Gs）的日变化

图3　不同光照强度对油桐根系鲜质量和根系干质量的影响Fig. 3　Effects of different light intensities on the root of fresh and dry weight of tung tree seedlings

图4　不同光照强度下油桐净光合速率（Pn）的日变化Fig. 4　Diurnal changes of net photosynthetic rate of tung tree under different light intensities

植物与外界的气体交换主要是通过气孔进行的，植物的光合作用和蒸腾作用与气孔导度（Gs）密切相关。由图5可知，8月L1的Gs在11:00后下降，L2在9:00后开始下降，L3在9:00后呈现先降低后升高再降低，L4在11:00后呈现先降低后升高再降低,说明在遮阴处理下，油桐叶片在中午时出现不同程度的气孔关闭现象。

图5　不同光照强度下油桐气孔导度（Gs）的日变化Fig. 5　Diurnal changes of stomatal conductance of tung tree under different light intensities

2.3.3蒸腾速率（Tr）的日变化

图6　不同光照强度下油桐蒸腾速率（Tr）的日变化Fig. 6　Diurnal changes of transpiration rate of tung tree under different light intensities

由图6可知，Tr的日变化与Pn基本相似，8月L1和L4在早上11:00达到最大值，之后开始逐渐下降，L2和L3在中午13:00达到最大值，之后逐渐降低。9月L1在11:00后开始下降，L3在11:00达到峰值后下降，13:00后开始上升后又下降，各处理与L1相比均有显著差异（P＜0.05）。

2.4　油桐的胞间CO2浓度（Ci）的日变化

由图7可知4个处理的胞间CO2浓度变化无明显趋势，从早上7:00—11:00随着光合作用的升高而逐渐降低，11:00以后变化无明显的规律。结合图1Pn的日变化可以看出，各处理的Ci与Pn的变化整体呈负相关关系，随着光强的增加，Ci呈现下降趋势，且不同处理下Ci最低值的出现时间段不一致。

图7　不同光照强度下油桐胞间CO2浓度（Ci）的日变化Fig. 7　Diurnal changes of intercellular CO2concentration of tung tree under different light intensities

2.5　不同光照强度对油桐叶绿素荧光参数的影响

张守仁研究[21]表明，Fo为初始荧光，它的大小与叶绿素浓度有关，Fm为PSII反应中心处于完全关闭的荧光产量，反应了PSII的电子传递情况。由图8-a可知，随着遮阴程度的增加，油桐幼苗的最小初始荧光Fo逐渐升高，L4处理最大，8月L2、L3、L4比L1的Fo升高了4.90%，21.42%，25.23%，差异显著（P＜0.05）。图8-b可知，Fm的变化整体与Fo的变化相反，随着遮阴程度增加而降低，L4处理最低。Fv/Fm反映了PSII最大光化学效率，Fv/Fm越大，PSII的最大光能转换效率越大[22]。由图8-c可知4个处理的Fv/Fm随着遮阴程度的增加而降低，9月L2、L3、L4处理的Fv/Fm比L1降低了4.88%、6.10%、11.19%，差异显著（P＜0.05）。

ETR是光合电子传递效率，它的大小反应了植物光合电子传递是否正常，ΦPSII表示PSII的实际光化学效率，它的大小反映了吸收的光子供给PSII反应中心的效率。由图8-d和e可见，8月的ETR和ΦPSII随着遮阴强度的增加而降低，L4处理最低，L2、L3、L4的ΦPSII分 别 比 L1降低 了 7.60%、19.14%、19.72%，差异显著（P＜0.05）。

qP为光化学猝灭系数，它反映的是PSII天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额。如图8-f可见，qP随着遮阴强度的增加而降低，8月L2、L3、L4相比L1降低了34.09%、34.29%、40.76%，差异显著（P＜0.05）。通过以上数据分析可知，遮阴降低了油桐叶片叶绿素分子捕获激发能的效率，影响了油桐内部的生理功能，且随着遮阴程度的增加而更明显。

图8　不同光照强度对油桐叶片Fo，Fm，Fv/Fm，ETR，ΦPSII和qP的影响Fig. 8　Effects of different light intensities on theFo,Fm,Fv/Fm,ETR,ΦPSIIandqPof tung tree seedlings

3　结论与讨论

叶绿素是光合作用的光敏催化剂，是植物进行光合作用的主要色素，通过测定叶绿素的含量能够反应油桐光合速率的高低。叶绿素中的两个重要成分叶绿素a和叶绿素b能够吸收不同的光谱，叶绿素 a 在红光部分的吸收带偏向长光波方面，叶绿素b 则在蓝紫光部分的吸收带较宽，因此，叶绿素b的提高可以使植物提高蓝紫光的利用效率，适应于遮阴条件下生长[23-25]。前人研究发现，叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b增加，叶绿素a/b降低，是植物适应弱光环境的表现[26]。本研究发现，遮阴处理下的油桐幼苗的叶绿素a、叶绿素b及叶绿素a+b的含量随着遮阴程度的增加而呈现上升的趋势（见表1），均显著高于L1处理，叶绿素a/b则呈现下降的趋势，这是油桐幼苗适应弱光环境的表现。研究结果发现不同光照环境对油桐幼苗的苗高、地径和生物量有明显的影响。 遮阴显著增加了油桐幼苗的苗高，这与 Poorter[26]在雨林植物研究中认为弱光环境下植物纵向生长较快，尤其是苗高的生长，主要原因是通过增加苗高从而获得更多的光能进行光合作用。 全光处理L1的幼苗的苗高较低，遮阴处理的幼苗较高，但是全光处理的地径比遮阴处理的油桐幼苗分别高34.12%、35.06%、56.94%，差异显著（P＜0.05），L4处理地径最小，株高是最小的，严重影响了幼苗的生长。Gardiner研究说明[27]，在光照发生变化之后，太阳辐射能量不足是限制苗木生长的主要因子，植物通过改变生物量的分配方式，更多的光合产物积累到地上部分，提高植物捕捉光能的能力，这与本研究的结果相一致。

光是植物生长的必需环境因子之一，对植物的生长发育和生理变化起着重要的作用，Farquhar研究表明[28]，植物在逆境下，光合作用的限制因子分为气孔限制和非气孔限制,如果Pn下降的同时，胞间CO2浓度与气孔导度也下降，主要是由气孔限制引起的，如果Pn的降低伴随着胞间CO2浓度升高，光合作用的主要限制因素则是非气孔因素。遮阴处理改变了光强、温度等外界条件，进而影响了植物的光合特征。本研究表明，L1处理的油桐幼苗的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）及蒸腾速率（Tr）均显著高于遮阴处理，L4处理的Pn处于最低水平，比对照L1低68%，差异显著（P＜0.05），因此可以说明重度遮阴条件下光合速率的降低主要是油桐幼苗光合机受到损伤导致的。

植物叶绿素吸收光能主要通过光合电子传递、叶绿素荧光发射和热耗散来消耗，因此,叶绿素荧光的特征是目前研究植物光合作用效率的技术手段，通过对荧光的检测可以探究光合作用和热耗散的情况[29-30]。在遮阴条件下，Fo值的升高主要是PSⅡ部分光合机构失活导致的，Fv/Fm的降低是植物叶片受到光抑制的重要特征（Pererson1998），Björkman & Demming[31]表明植物在没有光呼吸下，Fv/Fm一般在0.80～0.83之间，其值会随着光呼吸及外界环境胁迫的增加而降低，本研究发现，L1和L2的Fv/Fm无明显变化，L3和L4会降低到0.72和0.70，差异显著（P＜0.05），差异显著，说明过度遮阴条件下，油桐幼苗受到光抑制从而导致光合机构收到损伤。光化学淬灭系数qP反映PSⅡ吸收光能用于光化学电子传递的份额，能够说明PSⅡ反应中心的开放程度和电子传递活性的大小[32]，遮阴处理的油桐幼苗的ETR，qP显著降低，Fo显著升高，说明了遮阴条件下电子传递受阻，热耗散增加，反应中心进入了关闭状态，从而降低了油桐幼苗的光合效率，这与王楠[33]在杂交泡桐中的研究相一致。油桐是喜光植物，具有较高的光合效率。在正常光照条件下幼苗生长及干物质的积累显著高于遮阴条件下，遮阴显著降低了油桐幼苗的净光合速率及生物量的积累，但遮阴增加了油桐幼苗的苗高和叶面积。在L2遮阴处理下，Pn的降低主要是由气孔关闭的气孔因素引起的，而在L3遮阴条件下，Pn的降低是由气孔和非气孔因素共同引起的，已经限制了油桐幼苗的生长，在L4的遮阴条件下，油桐幼苗叶片光合机构活性受到严重破坏，不适宜油桐正常生长。本实验受控于场地因素，只设计了3个遮阴处理，要找到一个适合油桐幼苗生长的遮阴范围，还需要增加不同程度的遮阴条件来继续探讨。在遮阴处理后还需要增加时间间隔来进行测定，遮阴处理一年后，在对遮阴的油桐幼苗的叶片结构进行解剖学实验，更微观的表明不同遮阴情况对油桐幼苗的影响。