树形结构对梨叶片叶绿素荧光特性的影响

谢 鹏，牛自勉，蔚 露，林 琭

（山西省农业科学院现代农业研究中心，山西太原030031）

梨树高光效开心树形是我国北方乔化梨园树形改造中应用较多的新树形[1]，而成龄果园树形改造过程中需要通过配合实施果园间伐技术，以获得理想的果园群体光照环境。国内现有的研究表明，果园间伐后叶幕微环境的太阳辐射显著增加[2]、光合作用效率提高[3]、叶绿素荧光特性也得到改善[4-5]，从而提高了叶片光合效率。叶绿素荧光参数是研究植物光合作用的快速无损伤探针，与表观性的气体交换参数相比，叶绿素荧光参数更具有反映内在性的特点[6]，有助于揭示光合作用的内在机制。

本试验以间伐之后形成的梨树高光效开心树形为基础，通过影响树形结构的主枝数量的变化研究了叶绿素荧光参数的相应变化，包括潜在的光能利用能力、光能利用特性日变化、光能利用适应性、光系统Ⅱ的光能传递特性以及光能过剩时热耗散途径的变化，分析了主枝数差异对梨树叶片叶绿素荧光参数的影响，以期为梨树高光效树形模式优化提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2016 年5 月在山西省隰县习礼村梨树示范果园进行。试验树树龄18 a，砧木为杜梨（Pyrus betulaefolia Bunge.），嫁接品种为玉露香梨（Pyrus bretschneideri Rehd.），树形为小冠开心形，间伐后株行距4 m×6 m，南北行向。果园土壤为沙壤土，地面自然生草，肥水管理水平较高。

试验树形按照永久性主枝数量多少，依次分为3，4，5，6 主枝开心树形，其中，3，4，5 主枝树形处理为山西省农业科学院现代农业研究中心果树课题组提出的新树形，6 主枝处理（对照）为当地乔化成龄梨园的树形。

1.2 试验方法

叶绿素荧光特性测定在晴朗无云的白天进行。待测叶片为树冠东部1 年生延长枝的中上部叶片，测定仪器为WALZ 公司的PAM-2500 调制叶绿素荧光仪，每处理重复3 次。

1.2.1 潜在的光能利用能力 在9：00—11：00 进行测定。待测叶片用DLC-8 叶夹暗适应30 min，分别给定0.1 μmol/（m2·s）测量光和12 000 μmol/（m2·s）饱和脉冲光，自动记录潜在的光化学效率（Fv/Fm）。

1.2.2 光能利用特性的日变化 在8：00，10：00，12：00，14：00，16：00 测定光能利用特性。待测叶片自然光下分别给定0.1 μmol/（m2·s）测量光和12 000 μmol/（m2·s）饱和脉冲光，自动记录光合有效辐射（PAR，μmol/（m2·s））、电子传递速率（ETR，μmol/（m2·s））。

1.2.3 光能利用适应性 在9：00—11：00 进行测定。方法同1.2.1，作用光强度依次为0，64，165，290，494，796，1 212，1 680，2 372，3 402 μmol/（m2·s），自动记录电子传递速率（ETR，μmol/（m2·s））。参照文献[7]的方法拟合出快速光曲线（RLC）并得到快速光曲线的初始斜率（α，e-/hv）、最大电子传递速率（ETRmax，μmol/（m2·s））、最小饱和光强（IK，μmol/（m2·s））。

1.2.4 光系统Ⅱ的光能传递特性 其在9：00—11：00测定。方法同1.2.1，自动记录照射饱和脉冲光后1 s内的荧光信号变化，绘制出OJIP 快相曲线并得到4 个特征点荧光值Fo、Fj、Fi、Fp。

1.2.5 光能过剩时热耗散途径 在9：00—11：00进行测定。待测叶片暗适应30 min 后进行荧光诱导动力学慢相曲线＋暗驰豫恢复曲线的测定。参照文献[8]的方法计算热耗散（qN）及其3 组分qE、qT、qI。

1.3 数据统计分析

试验数据用SAS 软件进行差异显著性分析，以不同小写字母表示5%显著性差异，并用Excel 作图。

2 结果与分析

2.1 不同主枝数对梨树潜在的光能利用能力的影响

由图1 可知，主枝数的差异并未对梨树叶片的Fv/Fm 产生影响，各主枝数梨树叶片的Fv/Fm 在0.791～0.801，不同主枝数间没有显著性差异，表明主枝数差异对梨树叶片潜在的光能利用能力并未产生影响。

2.2 不同主枝数对梨树光能利用特性的日变化的影响

梨树叶片的PAR 在一天中随着时间的变化先升高后降低，在12：00 左右达到峰值，且随着主枝数的减少，梨树叶片的PAR 在一天中逐渐升高，3，4，5，6 主枝数梨树叶片的PAR 峰值分别为2 054，1 807，1 347，421 μmol/（m2·s）（图2）。说明减少主枝数有利于梨树叶片接收光合有效辐射。

ETR 与梨树叶片PAR 一天中的变化趋势相似（图2），各主枝数梨树叶片的ETR 在一天中也呈现出先升高后下降的趋势，且同样在12：00 左右达到峰值。并且随着主枝数的减少，梨树叶片的ETR 在一天中逐渐升高，3，4，5，6 主枝数梨树叶片ETR 的峰值分别为387，349，242，70 μmol/（m2·s）。可以表明，随着主枝数的减少，一天中梨树叶片的光合电子传递速率逐渐升高。

2.3 不同主枝数对梨树光能利用适应性的影响

由图3 可知，随着主枝数的增加，梨树叶片的α 逐渐升高，可从3 主枝梨树叶片的0.115 e-/hv 升至6 主枝的0.254 e-/hv，且各主枝间均存在显著性差异。表明主枝数越多，梨树叶片适应弱光的能力越强。

ETRmax与α 的变化趋势相反，随着主枝数的减少，梨树叶片的ETRmax逐渐升高，由6 主枝的32 μmol/（m2·s）升至3 主枝的112 μmol/（m2·s），且各主枝数梨树叶片的ETRmax间同样存在显著性差异（图3）。可以说明，主枝数的减少有利于梨树叶片光合作用途径中最大电子传递速率的提高。

由图3 可知，主枝数越少，梨树叶片的IK就越高，这与ETRmax随着主枝数增减的变化趋势相似，而且各主枝数梨树叶片的IK之间均存在显著性差异，IK可从6 主枝的121 μmol（m2·s）上升至3 主枝的453 μmol/（m2·s）。这表明随着主枝数的减少，梨树叶片适应强光的能力越来越强。

2.4 不同主枝数对梨树光系统Ⅱ的光能传递特性 的影响

由图4 可知，3，4，5，6 主枝数梨树叶片的Fo 分别为0.295，0.291，0.293，0.293，主枝数的差异并未使梨树叶片的Fo 产生显著性差异。表明主枝数差异对梨树叶片PSⅡ天线色素的含量和作用中心的活性状态没有影响。不同主枝数梨树叶片的Fj 间均无显著性差异，3，4，5，6 主枝数梨树叶片的Fj 分别为1.051，1.045，1.033，1.035。说明不同主枝数梨树叶片PSⅡ的QB 还原反应中心数量差异不显著。表明主枝数的差异并未造成梨树叶片Fi 的显著性差异，各主枝数梨树叶片的Fi 在1.112～1.140。表明主枝数的差异并未对梨树叶片PSⅡ的PQ 库异质性产生影响。

不同主枝数梨树叶片的Fp 之间并无显著性差异，3，4，5，6 主枝数梨树叶片的Fp 在1.347～1.370（图4）。表明主枝数的不同并未对梨树叶片PSⅡ的天线色素能量耗散产生影响。

2.5 不同主枝数对梨树光能过剩时热耗散途径的影响

从图5 可以看出，随着主枝数的减少，梨树叶片的qN 也逐渐降低，从6 主枝的0.910 降至3 主枝的0.667，各主枝数梨树叶片的qN 间也存在显著性差异。表明随着主枝数的减少，梨树叶片光合作用中的热耗散总量逐渐减少。

主枝数的减少引起了梨树叶片qE 的下降，由6 主枝的0.662 降至3 主枝的0.412，不同主枝数梨树叶片的qE 间也存在显著性差异（图5）。由此可知，梨树叶片依赖于能量和类囊体膜质子梯度的热耗散随着主枝数的减少而降低。

主枝数的差异并未造成梨树叶片qT 之间的显著 性 差 异，3，4，5，6 主 枝 数 梨 树 叶 片 的qT 在0.075～0.077（图5）。这表明，主枝数差异并未造成梨树叶片的依赖于状态转换的热耗散的不同。

由图5 可知，各主枝数梨树叶片的qI 之间没有显著性差异，各主枝数梨树叶片的qI 在0.170～0.179。这可以说明，梨树叶片依赖于光抑制的热耗散并未因主枝数的不同而产生差异。

3 讨论

已往的研究表明，减少主枝数能提高梨树叶幕的光合有效辐射[9]，从而提高叶片的光合速率[10-11]，并使最终产量增加[12]。同时，随光合作用研究的深入，叶绿素荧光分析技术也能够提供植物光合器官结构和功能的丰富信息[13]。

光系统Ⅱ潜在的光能利用能力能够通过Fv/Fm反映出来。本试验结果表明，主枝数差异并未造成梨树叶片Fv/Fm 的显著性差异，没有遭受环境胁迫的植物叶片其光系统Ⅱ潜在的光能利用能力一般比较恒定[14]。ETR 的高低与PAR 有关，由于主枝数的减少使梨树叶片所处环境的PAR 得到极大的提高，ETR 也提高，促进与之相耦联的光合磷酸化，ATP和NADPH 生成增加，可以为暗反应提供更多还原力[15]。由此可见，在考察植物光合能力时，同样需要考察ETR 与PAR 的相关性，这与Pn-PAR 曲线意义相同，都可以反映出叶片的光合速率[16]。

已往的研究发现，生境不同的吉首蒲儿根的RLC 拟合参数α、ETRmax、IK间存在着显著性差异[17]，这与本研究中主枝数差异造成RLC 拟合参数差异的结果相似。叶绿素荧光快相曲线（OJIP 曲线）可以全面反映出位于类囊体膜上的光系统Ⅱ的光反应过程、效率和结果[18]。经典的OJIP 曲线有O、J、I、P等相，光系统Ⅱ中电子传递的情况可以通过这些相点反映出来，从而达到植物光合性能无损伤监测的效果[19-20]。本试验中，3，4，5，6 主枝数梨树叶片OJIP曲线4 个特征点的荧光值Fo、Fj、Fi、Fp 均无显著差异，可以说明主枝数差异并未造成梨树叶片光系统Ⅱ内电子传递特性的差异。通过暗驰豫动力学的分析方法可知，热耗散qN 由3 个组分：qE（快相）、qT（中相）、qI（慢相）组成[8]。大多数高等植物中最主要的组分便是依赖于能量和类囊体膜质子梯度的qE[21]。随着主枝数的减少，梨树叶片的qN 与qE 也同样降低，并存在显著性差异，但qT 与qI 则没有显著性差异，这一结果与草莓叶片对强光响应中的热耗散特性[22]比较相似。由qN＝qE＋qT＋qI，可推断出，主枝数减少造成的梨树叶片热耗散总量（qN）的显著下降主要是由依赖于能量和类囊体膜质子梯度的热耗散（qE）的显著减少引起的，而与依赖于状态转换的热耗散（qT）及依赖于光抑制的热耗散（qI）没有显著关联。以往研究表明，遮光处理能够增加玉米叶片依赖于能量和类囊体膜质子梯度的热耗散（qE），从而引起热耗散总量（qN）的上升[23]，这与本研究结果得出的推论类似。

综上所述，间伐后开心形梨树主枝数量的减少使得叶片一天中接收到的光合有效辐射增加，进而提高了光合作用过程中电子传递速率。减少主枝数量也能通过提高叶片光合作用中最大电子传递速率与适应强光能力来提高叶片对环境光的适应能力。主枝数的减少还使得光合作用过程中依赖于能量和类囊体膜质子梯度的热耗散降低，从而减少了叶片热耗散总量，并最终提高了叶片对光能的综合利用效率。因此，就光合作用中叶片对光能的利用效率来说，3，4，5 主枝为间伐后开心形梨树中较优的树形。