遮阴对多花黄精光合特性的影响1)

童龙 张磊 刘小明 李彬 耿养会 陈丽洁 陈桂兰 曾小英

(重庆市林业科学研究院,重庆,400036) (重庆市忠县林业局) (重庆市林业科学研究院)

植物光合—光响应曲线在一定程度上能够反映植物的净光合速率随光强变化而变化的特性[1]，通过拟合植物光响应曲线从而得到的一些生理参数，对于了解植物光合效率及其影响因素有着非常重要的指导意义[2]。植物光响应曲线在一定程度上可以间接地反映其光合特性的相关生理参数，如植物的最大净光合速率(Pnmax)、暗呼吸速率(Rd)、表观量子效率(ηA，Q，Y)、光饱和点(LS，P)及光补偿点(LC，P)等一些重要的生理指标参数[3]，这些生理参数能够反映出植物的光合作用机构是否在正常的运转，从而可以用于判别植物在不同光照环境条件下的光适应能力及光合作用能力等[4]。因此，通过测定植物的光合作用光响应曲线来确定植物光合生理生态特性，已成为当前科研工作者研究的热点内容[5-8]。

多花黄精(PalygunaumcyrtonemaHua)是百合科(Liliaceae)黄精属(Polygonatum)的多年生草本植物，其主要分布在长江以南各省区，如陕西、湖北等地的灌丛、林下和山坡阴处，为中国所特有的常用中药植物。该植物主要含蒽醌、皂苷、多糖、低聚糖、黄酮、木脂素等多种化合物，具有补脾益气，养阴润肺，滋肾填精和提高免疫力等功效[9-10]，在药膳、保健品、化妆品、食品、园林花卉及饲料添加剂等方面也具有很高的开发价值，市场前景广阔[11]。当前，关于多花黄精的研究主要集中在光照对多花黄精生长、光合和叶绿素荧光参数特性的影响[12]，多花黄精根茎芽高效组培增殖和生根体系研究[13]，毛竹林下多花黄精种群生长特性及影响因子[14]以及多花黄精的药用价值研究[15]等，但对于遮阴处理下多花黄精光响应特性的研究还很少见到。研究不同遮阴处理下植物的光响应特性，对于揭示其光合生理特性具有重要意义。因此，本研究以多花黄精为研究对象，设置4种遮阴梯度，从块茎开始做不同的遮阴处理(因为在实际生产应用中多花黄精均是从不同密度的林子下生长的)，通过测定不用遮阴条件下多花黄精叶片光响应特性，来探讨不同遮阴处理下多花黄精的光响应特性，从而为多花黄精的人工栽培提供一定的理论依据。

1 研究地区概况

试验地位于重庆市林业科学研究院内，地处重庆市沙坪坝区歌乐山镇歌乐山。歌乐山属于大巴山系华蓥山脉的分支中梁山，中梁山南延入重庆沙坪坝区后称为歌乐山。歌乐山介于东经106°23′52″～106°26′42″，北纬29°29′30″～29°44′50″。歌乐山的气候属亚热带季风湿润气候区，具有雨量充沛，四季分明，雨热同季，湿度大，风力小的气候特点。常年平均气温为18.3 ℃；年平均降水量1 085.3 mm；日照时间平均为1 233.7 h。

2 材料与方法

2017年12月份选择质量为(15±1)g的多花黄精2年生块茎栽植于上口直径27 cm、下口直径25 cm、高度27 cm的塑料盆中，每盆放置多花黄精块茎1块，每个处理100盆。盆栽基质为V(红壤)∶V(细沙)=3∶2，pH值为5.0，有机质质量分数为21.22 g·kg-1，全氮、全磷和全钾的质量分数分别为0.91、0.85和8.22 g·kg-1，速效氮、速效磷和速效钾质量分数分别为47.88、5.69和46.72 mg·kg-1。试验过程中定期浇水和除草，保证多花黄精苗能够健康成长。同一时间对各处理下的多花黄精进行遮阴，试验设置4个遮阴处理：以全光照(遮阴率为0)为对照(CK)；1层黑色遮阴网(透光率为83%±5%)为T1处理；2层黑色遮阴网(透光率为61%±5%)为T2处理；3层黑色遮阴网(透光率为38%±5%)为T3处理。

光合色素的测定：随机取4个遮阴处理下多花黄精的健康且成熟的叶片各10 g左右，采用V(乙醇)∶V(丙酮)=1∶1混合液提取法，利用紫外分光光度计测定波长470、645、663 nm的吸收值，并根据公式计算叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素质量浓度。

Ca=12.72D663-2.59D645；

Cb=22.88D645-4.67D663；

Cc=(1 000D470-3.27Ca-104Cb)/229。

式中：Ca为叶绿素a质量浓度(mg·L-1)；Cb为叶绿素b质量浓度(mg·L-1)；Cc为类胡萝卜素质量浓度(mg·L-1)；D470、D645、D663分别为470、645和663 nm波长下的吸光值。

根据公式计算叶片光合色素质量分数。

叶绿素a(Chla)质量分数=(Ca×V×N)/(1 000W)；

叶绿素b(Chlb)质量分数=(Cb×V×N)/(1 000W)；

类胡萝卜素(Car)质量分数=(Cc×V×N)/(1 000W)。

式中：V为光合色素提取液体积(mL)；W为样品质量(g)；N为稀释倍数。

每个处理重复测定3次，检测方法和检测过程与张磊等[16]所述相符。

光响应曲线的测定及拟合：多花黄精光响应曲线于2017年7月中旬开始测定，采用Li-6400便携式光合仪(Li-Cor 6400，Li-Cor Inc.，Lincoln，USA)，在晴朗的天气09:00—12:00进行多花黄精叶片原位测定光响应曲线[17]。采用Li-6400红蓝光源，空气流速为500 μmol·s-1，叶室温度为25 ℃，大气CO2摩尔分数为400 μmol·moL-1。测定光合有效辐射梯度为2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、500、200、150、120、80、50、20、0 μmol·m-2·s-1，每个叶片在各种处理的光强下记录的数值进行3次重复。以光合有效辐射(RA，R)为横轴，净光合速率Pn为纵轴绘制出光响应曲线，并采用直角双曲线修正模型进行曲线方程拟合[18]：

Pn=α(1-βRA，R)/(1+γRA，R)·RA，R-Rd。

式中：α为光响应曲线的初始斜率；β和γ为系数；RA，R为光合有效辐射；Rd为暗呼吸速率。

数据处理与分析：用Excel 2003整理不同遮阴处理下多花黄精各指标的数值并作表，在Origin 8.0中对不同遮阴处理下多花黄精各指标数值进行作图，用SPSS 19.0对不同遮阴处理下多花黄精各指标进行One-way ANOVA方差分析和LSD(P<0.05)多重比较。所有测定值都为均值±标准差。

3 结果与分析

3.1 遮阴处理对多花黄精光合色素质量分数的影响

由表1可知，遮阴处理对多花黄精叶片光合色素质量分数具有明显影响，表现为随着遮阴强度的增加，多花黄精叶片叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素质量分数均呈增加趋势。其中，不同遮阴处理下多花黄精叶片叶绿素a质量分数均与对照(CK)达到差异显著水平(P<0.05)，但不同遮阴处理间差异不显著，T3处理多花黄精叶片叶绿素a质量分数最高，CK处理最低，T3处理比CK处理高了44.83%。不同处理间多花黄精叶片叶绿素b质量分数与类胡萝卜素质量分数均表现为T1与T2处理之间差异不显著(P>0.05)，而与CK和T3处理达到差异显著水平(P<0.05)，T3处理多花黄精叶片叶绿素b质量分数(叶绿素b质量分数最高)比CK处理(叶绿素b质量分数最低)高了43.48%，T3处理多花黄精叶片类胡萝卜素质量分数(类胡萝卜素质量分数最高)比CK处理(类胡萝卜素质量分数最低)高了25.00%。多花黄精w(叶绿素a)∶w(叶绿素b)在遮阴后均有所增加，以T1处理下最大，各处理间差异均不显著(P>0.05)。不同遮阴处理间色素总质量分数均随着遮阴强度的增加而增加，且不同处理间表现为T1和T2处理间差异不显著，但均与CK和T3处理间达到差异显著水平(P<0.05)。

表1 不同遮阴处理下多花黄精光合色素质量分数

3.2 遮阴处理对多花黄精光合特性的影响

3.2.1 遮阴处理对多花黄精光响应曲线的影响

由图1可知，遮阴与全光环境下多花黄精光响应过程呈现较大差异，遮阴处理间多花黄精光响应过程也略有不同，表现为同一光合有效辐射(RA，R)下，净光合速率(Pn)由大到小的顺序为T2、T1、T3、CK。随着光合有效辐射的增强，对照处理(CK)更快达到光饱和点(RA，R≈900 μmol·m-2·s-1)，而后趋于稳定，其净光合速率也相对微弱(Pn=0.26 μmol·m-2·s-1)；遮阴处理T1、T2及T3对光合有效辐射的响应过程基本相似，即在0～600 μmol·m-2·s-1阶段，随着光合有效辐射的不断增强，净光合速率迅速增加，当光合有效辐射达到约1 300 μmol·m-2·s-1以后，不同遮阴处理下多花黄精净光合速率增加逐渐减缓并逐渐趋于稳定。

3.2.2 遮阴处理对多花黄精光合参数的影响

由表2可知，遮阴处理能够显著增加多花黄精叶片的净光合速率，各处理间最大净光合速率(Pnmax)随着透光率降低先增大后减小，由大到小的顺序为T2、T1、T3、CK，且不同处理间表现为T1和T2处理差异不显著(P>0.05)，但均与CK处理和T3处理间达到差异显著水平(P<0.05)；光饱和点(LS，P)和表观量子效率(ηA，Q，Y)随着遮阴网层数增加均呈现“N”字型的变化趋势，且各参数由大到小的顺序均表现为T3、T1、T2、CK；光饱和点(LS，P)表现为T1和T2处理差异不显著(P>0.05)，但均与CK和T3处理达到差异显著水平(P<0.05)；表观量子效率(ηA，Q，Y)表现为T1和T3处理差异不显著(P>0.05)，但均与T2和CK处理达到差异显著水平(P<0.05)；光补偿点(LC，P)和暗呼吸速率(Rd)随着遮阴网层数增加均呈现先降低后增加的趋势，且各参数由大到小的顺序均表现为CK、T3、T1、T2，光补偿点(LC，P)和暗呼吸速率(Rd)均表现为不同处理间达到差异显著水平(P<0.05)。对各参数综合考虑得出，多花黄精在2层遮阴网下多花黄精能够具有最大Pnmax，同时又维持最低的Rd和LC，P值，保证了较高的光合产物同化能力。

表2 不同遮阴处理下多花黄精光合参数

4 结论与讨论

植物的叶绿素对不同波段的光照具有一定的选择性吸收特性，植物叶绿素a在红光部分的吸收带偏向长光波方向，植物叶绿素b则在蓝紫光部分的吸收带相对较宽[19]。因此，w(叶绿素a)∶w(叶绿素b)相对改变，可使植物增强利用蓝紫光的能力，强化弱光环境下的生存能力。同时，光合色素总质量分数的增加和w(叶绿素a)∶w(叶绿素b)的下降是植物对弱光利用能力增强的重要指标[20-21]。本研究中发现，随着遮阴强度增强，多花黄精叶片光合色素质量分数均显著增加，这一结果与大多数研究者利用遮阴处理所获得的光合色素质量分数变化趋势基本一致。体现植物弱光利用能力的w(叶绿素a)∶w(叶绿素b)随着遮阴强度增加先增后减，在一层遮阴网(T1)处理下达到最大，但处理间差异不显著(P>0.05)，表明遮阴环境没有显著改善多花黄精弱光利用能力的机制。

植物的光响应曲线对于描述植物光化学进程中的光化学效率具有非常重要的意义[22]。表观量子效率在一定程度上能够反映出植物在弱光环境下对光能捕捉的能力，表观量子效率的值越大，表明植物叶片可能拥有越多的色素蛋白复合体，对弱光有着越强的吸收与转换能力[23]。本研究中，遮阴明显增大了多花黄精的ηA，Q，Y和净光合速率，从多花黄精的Pnmax和ηA，Q，Y出发，认为T1和T2处理具有明显的光合效率提升。在光合有效辐射(RA，R)相同的情况下，T1与T2处理具有更高的净光合速率，表现为适度遮阴(透光率为61%～83%)具有更好的光合能力，但与研究中叶绿素质量分数随遮阴强度增加递增不同，表明光合色素质量分数并非是多花黄精光合速率增长的唯一限制因素，这与部分研究者提出的叶绿素质量分数高低是叶片在对弱光环境适应后产生的形态适应，其高低并不能代表光合特性这一结论相符合[24]。光补偿点(LC，P)对反应植物利用光能能力有一定体现，通常能够较快到达LC，P的植物具有更强的弱光竞争能力[25]。常见的阳生植物，其LC，P一般为50～100 μmol·m-2·s-1；阴生植物一般为20 μmol·m-2·s-1以下[26-27]。本研究中，LC，P的值随着遮阴程度改变展现出较大差异，在全光环境(CK)下，其光补偿点为73.83 μmol·m-2·s-1，表现为明显的阳生植物特性，而在遮阴处理后其光补偿点均小于10 μmol·m-2·s-1，又展现较强的弱光利用能力；同时，在遮阴后多花黄精净光合速率明显增高，相对于全光照处理(CK)下净光合速率有明显改善，说明全光照环境明显抑制了多花黄精的光合能力，而在适度遮阴后其强光抑制明显削弱，光合能力得到恢复。Pnmax、LS，P和LC，P是决定植物光合能力“宽度”及“高度”的主要指标，各处理多花黄精在遮阴后，其LS,P均明显提高，表现出较强的光环境忍耐上限，然而在透光率小于38%，RA，R往往很难达到要求，这部分过度的“强光忍耐”意义较小。

对影响多花黄精光合特性的光合色素质量分数及决定其光合特性的Pnmax、LS，P、LC，P、Rd和ηA，Q，Y几个重要参数的综合考虑。本研究认为，遮阴能够明显改善多花黄精光合能力，而全光照环境对其产生强烈抑制，在遮阴处理中以T2表现最好，在获得最大净光合速率的同时，保证了较低的光补偿点，具有更明显的竞争优势。