遮荫对橡胶草生理特性的影响

阿布都克尤木·阿不都热孜克，高 强，徐 麟，张学超，王 莉，严青青，张 龑 ，古丽米拉·艾克拜尔 ，聂秋海

(1.新疆农业科学院农作物品种资源研究所，乌鲁木齐 830091；2.伊犁哈萨克自治州农业科学研究所，新疆伊宁 835000；3.新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052；4.北京玲珑蒲公英科技发展有限公司，北京 100000)

0 引 言

【研究意义】橡胶草(Taraxacumkok-saghyzRodin，TKS)，又称俄罗斯蒲公英，菊科蒲公英属多年生宿根草本植物，是一种天然产胶植物[1-2]，喜冷凉气候，适应性强，我国新疆、西北、华北、东北等地均有栽培，哈萨克斯坦及欧洲也有分布[3]。因其根部提取的橡胶产物，与巴西橡胶树中提取的天然橡胶在结构和性能上均非常相似，被认为是最理想的天然橡胶替代资源[4]，在橡胶生产中具有一定的发展前景。【前人研究进展】近年来，随着我国橡胶草行业的快速发展和相关项目的增多，橡胶草的研究主要集中在植物分类、形态学、种植密度[5]、室内组织培养[6-8]、生理生化、育种应用、转基因及分子机制[9-12]等方面，对于遮荫条件下橡胶草的光合及生理响应特性研究较少。【本研究切入点】试验选取新疆特有的2个橡胶草品系为材料，分析在不同遮荫条件下，2个橡胶草农艺性状和物质含量的变化情况，以研究光照强度对橡胶草光合性能和生理特性的影响。【拟解决的关键问题】遮荫条件下，研究橡胶草光合产物分配和根部物质含量积累的内在生理机制，为橡胶草高产优质高效栽培和耐弱光品系选育提供理论支持与技术指导。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2019年在新疆农业科学院安宁渠综合试验场进行。该试验场属干旱、半干旱荒漠气候，土壤为新疆北部典型土类(灰漠土)，有机质含量13.5 g/kg、速效氮51.6 mg/kg、速效磷22.2 mg/kg和速效钾435 mg/kg。选用新疆农业科学院农作物品种资源研究所新疆作物种质资源库提供的昭苏1-1(Zhaosu1-1)和哈引2-6(Hayin2-6)2个品系的种子，2019年2月8日播种在育苗盘中，2019年5月8日待橡胶草长到四叶一心时，将植株生长一致、健壮和无病虫害的橡胶草苗移栽到试验小区，进行不同程度的遮荫处理试验。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验设不遮荫(作物相对光照率CRLR 100%)、轻度遮荫(作物相对光照率CRLR 80%)和重度遮荫(作物相对光照率CRLR 60%)3个处理，随机区组设计，共6个小区，各小区面积8 m×4.5 m=36.0 m2，小区总面积216 m2。采用膜下滴灌种植方式，1膜4行，各小区3膜12行，行株距配置[(20+50+20)+60]cm×10 cm。田间管理：杀虫0次，杀菌3次，施肥2次，灌溉6次。遮阳网高度约1.9 m，使各小区冠层上部空气的温、湿度基本一致。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 光合指标

在橡胶草幼苗期、现蕾期、开花期和成熟期4个生育期进行光合指标的测定。选择在天气晴朗的10:00-12:00，选择各处理长势均匀一致的健康橡胶草，测试叶片一般采用位于整株靠近中心的第2层叶片(上数第4～6片叶)测定。用LI-6400型光合仪(美国LI-COR公司)测定橡胶草的净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)。每个处理重复5次，每张叶片测定3次，取其平均值。测定时光合仪使用开放式气路，测定光源内置光源，光强为1 500 μmol/(m2·s)。

1.2.2.2 SPAD值

在测定光合指标的同时，每个处理选取9个长势均匀一致的植株，用SPAD 502叶绿素计测定位于整株靠近中心的第2层叶片(上数第4～6片叶)的SPAD值，记录数据，每片叶再取从里到外5个点进行测定，测定时避开叶片主叶脉，取5个值平均数作为该叶片的SPAD值。

1.2.2.3 农艺性状

成熟期调查测定橡胶草的株高、茎粗、叶片数，并测量其叶片长度、叶片宽度、地上鲜重和干重等农艺性状。其中：叶片长度、叶片宽度均为橡胶草从生长点向下的第3～5片叶，茎粗为真叶往下1 cm处，株高为花葶的高度；取50株植物样品带回实验室，测定地上部叶片、叶柄的鲜重后，置于烘箱105℃下30 min杀青，然后80℃烘干24 h后测定干重。

1.2.2.4 叶片和根系物质含量

选择成熟期的橡胶草叶片和根部置于烘箱105℃下30 min杀青，然后80℃烘干24 h后保存。干样送至中国林业科学研究院亚热带林业研究所南方经济林产品质检中心(杭州)，检测叶片和根系中柠檬酸、酒石酸、苹果酸、丁二酸、草酸、总黄酮、总酚、绿原酸和咖啡酸的含量。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2007软件进行数据处理及制图，用SPSS 19.0统计分析软件进行方差分析，以P<0.05作为差异显著的标准。

2 结果与分析

2.1 不同遮荫处理对橡胶草光合特性的影响

2.1.1 不同遮荫处理对橡胶草SPAD值的影响

研究表明，橡胶草叶片的SPAD值随生育期的变化呈先升高后降低的趋势。昭苏1-1的SPAD值变化范围为17.2～49.8，哈引2-6的SPAD值变化范围为16.8～48.3。不同程度的遮荫处理对橡胶草不同生长期SPAD值有一定的影响。与正常光照相比，当作物相对光照率在CRLR 80%时，橡胶草SPAD值有所增加；但当作物相对光照率在CRLR 60%时，其SPAD值有所下降，不同品系间的趋势相同。轻度遮荫弱光会增加橡胶草叶片的叶绿素含量，而重度遮荫弱光会显著降低其叶绿素含量。图1

注：CRLR 100%，自然光照处理；CRLR 80%表示作物相对光照80%；CRLR 60%表示作物相对光照60%。下同

2.1.2 不同遮荫处理对橡胶草光合参数的影响

研究表明，不同程度的遮荫处理对橡胶草叶片的光合参数影响显著。与正常光照相比，遮荫条件下橡胶草净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)均有不同程度的下降，但胞间CO2浓度(Ci)随着遮荫程度的增加呈先下降后上升的趋势。这说明，试验遮荫条件下橡胶草净光合速率的下降不是由气孔限制因素引起的。轻度遮荫和重度遮荫处理下橡胶草的光合参数均低于不遮荫处理，且在幼苗期最为明显。随着橡胶草植株的生长，净光合速率呈上升的趋势，且在开花期的净光合速率最大，2个品系的需光特性有明显差异，在同一遮荫条件下，昭苏1-1的Pn、Gs和Tr都较哈引2-6低，其对光照程度的要求较低并且具有较强的光能利用能力。图2～5

图2 不同程度遮荫处理下橡胶草叶片净光合速率(Pn)变化Fig.2 Effects of different shading on the chlorophyll Pn of TKS

图3 不同程度遮荫处理下橡胶草叶片气孔导度(Gs)变化Fig.3 Effects of different shading on the chlorophyll cond of TKS

图4 不同程度遮荫处理下橡胶草叶片蒸腾速率(Tr)变化Fig.4 Effects of different shading on the chlorophyll Tr of TKS

图5 不同程度遮荫处理下橡胶草叶片胞间CO2浓度(Ci)变化Fig.5 Effects of different shading on the intercellular CO2 concentration of TKS

2.2 不同遮荫处理对橡胶草农艺性状及生物量的影响

研究表明，与正常光照相比，橡胶草的株高、叶片长度、茎粗、地上部鲜重和干重在作物相对光照率80%处理时最高，当作物相对光照率60%时，降低光照强度没有明显影响橡胶草的叶片宽度和叶片数，却明显抑制了橡胶草的叶片的增长。重度遮荫不利于橡胶草的增高及叶片增长。表1

表1 不同遮荫处理下蒲公英农艺性状变化Table 1 Effects of different shading on the agronomic traits of TKS

2.3 不同遮荫处理对橡胶草物质含量的影响

研究表明，随着遮阴程度的增加橡胶草根系和叶片中柠檬酸、苹果酸、丁二酸、草酸、总黄酮、总酚、绿原酸、咖啡酸物质含量呈先增加后下降的趋势。在轻度遮荫处理时，橡胶草根系和叶片中柠檬酸、苹果酸、丁二酸、草酸、总黄酮、总酚、绿原酸、咖啡酸物质含量明显高于其它处理。表明轻度遮荫可以促进橡胶草植株体内的柠檬酸、苹果酸、丁二酸、草酸、总黄酮、总酚、绿原酸、咖啡酸等物质的合成，进而促进橡胶草的生长，延缓橡胶草植株的衰老。但在重度遮荫条件下，橡胶草地上和地下生物量明显低于正常光照处理，重度遮荫导致橡胶草的生长受到抑制，进而抑制了橡胶草的生物代谢功能。2个品系间比较，昭苏1-1在轻度遮荫和重度遮荫的条件下物质含量都高于哈引2-6，且各处理的农艺性状均达差异显著水平，其对光照的要求较低并且具有较强的光能利用能力。表2

表2 不同遮荫处理下橡胶草物质含量变化Table 2 Effects of different shading on the Substance content of TKS

3 讨 论

3.1 橡胶草SPAD值对遮荫的响应特征

植株的光合作用是对光源最敏感的生理过程之一，对植株产生弱光胁迫，降低光照强度，直接影响植株对光的捕获能力，进而影响植株的光合作用。叶绿素是植物进行光合作用重要的光合色素之一，主要功能是对光的吸收、传递和转化，对植物的正常生长十分重要[13]。植物叶片SPAD值与叶绿素含量呈极显著正相关[14]，其大小可以表示叶片叶绿素含量的高低[15-16]。而橡胶草叶绿素含量的多少又可以间接反映植株光合作用的大小，因此，可根据叶片SPAD值的大小来判定不同遮荫强度处理对植株叶绿素含量及光合作用的影响。试验中，随着橡胶草生长发育，SPAD值呈先升高后降低的趋势，且最大值出现在开花期。研究结果表明：与正常光照相比，轻度遮荫条件下，2个品系的橡胶草SPAD值均增加，但在重度遮荫条件下，2个品系的橡胶草SPAD值却都有所降低，表明轻度遮荫可增加橡胶草叶绿素含量，但光照过低会进一步减少橡胶草的叶绿素含量，与光照强度对蒲公英叶绿素含量的影响研究结果一致[17]。

3.2 橡胶草光合速率对遮荫的响应特征

植物对光的吸收、传递和转化受多方面因素的影响，其中光源强弱、光照强度、光照时间长短等都会直接影响植物对光的吸收、对光能的利用率，植株生长过程中光合作用是植株能量的主要来源。气孔导度(Gs)大小反映了空气环境中CO2通过叶片气孔进入叶肉细胞叶绿体羧化部位多少的限制程度，Gs增大有利于CO2通过扩散作用进入植物叶片内部，表现为叶肉细胞原生质和叶绿体基质中CO2浓度(Ci)增加，Ci的上升可提高净光合速率(Pn)。试验中，轻度遮荫能够增加橡胶草的净光合速率和气孔导度，降低胞间CO2浓度。轻度遮荫条件下，气孔导度增加，叶片SPAD值上升，增加了叶绿素含量，一定程度上提高了光能转化率，增加了反应中CO2利用率，因此，光合反应底物CO2的浓度降低，而净光合速率增加。这与前人[18]研究光照强度对蒲公英光合特性的影响结果一致。在重度遮荫胁迫条件下，橡胶草净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)均不同程度的下降，但胞间CO2浓度(Ci)上升。这说明过多的遮荫导致了气孔导度下降，碳源受限，而胞间CO2浓度上升，可能是生成叶绿素受阻，叶绿素含量降低，以及橡胶草光合碳同化物形成时所需的ATP和NADP等同化力受到影响，抑制了光合作用的正常进行，导致胞间CO2利用率降低，因此，胞间CO2浓度上升。

3.3 橡胶草生长发育对遮荫的响应特征

从不同遮荫处理对橡胶草生长的影响来看，适当的低光照可以促进橡胶草的生长，特别是对于橡胶草地上部鲜重的正面影响更为显著。与前人[19]研究蒲公英生长对不同遮荫处理的生长响应结果一致。因此，生产上可考虑在适当时期创造适宜的弱光环境，增加局部环境的空气湿度，减缓蒸腾作用，降低光合作用对植株生长的影响，促进橡胶草植株的生长。

3.4 橡胶草物质含量对遮荫的响应特征

光合作用是植物光合物质生产积累的前提，光合能力越强，植物就能贮藏更多的营养物质，提供植株本身生长的能量，因此，高光合速率植物一直是研究的热点。橡胶草的根系是产胶的主要器官，根系的生长营养一部分来自光能产物的分配，一部分是根系自身吸收的营养。根系和叶片物质含量从侧面反映了橡胶草植株营养的分配比例。橡胶草适应环境的能力对其产量形成是非常关键的，但是不同品系的橡胶草由于适应生长形态和适应环境能力的差异，产量上也会存在很大差异。研究表明，橡胶草的化学成分主要是黄酮类、酚酸类、萜类、甾醇类、蒲公英色素、香豆素类等[20-22]，而黄酮类则是橡胶草中主要的活性成分[23]。轻度遮荫条件下橡胶草根系和叶片中柠檬酸、酒石酸、苹果酸、丁二酸、草酸、总黄酮、总酚、绿原酸和咖啡酸的含量均上升，遮荫胁迫在影响橡胶草的光能利用能力的同时也在影响碳同化能力，原因可能是轻度遮荫胁迫下，橡胶草叶绿素含量增加，使其光合性能增强，进而进一步增加了物质含量。重度遮荫条件下，各物质含量显著下降，可能是重度光胁迫抑制了光合产物的合成能力，进一步阻碍了有机酸和其他物质含量的合成，致使植株体内化学物质含量下降，从而影响了维持植株正常生长的代谢能力。与前人[24]研究光照强度对橡胶草生长的影响是一致的。

4 结 论

橡胶草在轻度遮荫环境下，叶片SPAD值和叶绿素含量的升高，增强了植株的光合速率和蒸腾降温作用，提升了光反应系统捕捉和利用光能的能力，也促进了光能在叶绿体中的分配，促进了光合同化产物的生产，增加了橡胶草光合性能和物质含量，最终影响了橡胶草的生长生理特性。在光照强度比较高的地区和季节的生产过程中可适当遮光，优化栽培环境，使得橡胶草的光合速率较高，促进橡胶草的生长。但过低的光照条件对于橡胶草的生长仍然是不利的，光照过低会造成橡胶草光合性能的下降，影响正常的生长发育。由于植株正常生长对光合作用的需要，过低光照会造成叶片变薄，植株叶面积增大，使得植株对光胁迫产生应激响应，而根系生长分配也会受到抑制，同时也不耐贮运，在生产中不采用更低的光照强度。在整个遮荫处理过程中，昭苏1-1的光合特性和物质含量等综合性状表现较为优良，反映了不同橡胶草品系在耐受遮荫胁迫上存在差异不仅受栽培条件影响，而且与品系的遗传特性有关，通过长期定向选择培育耐弱光的专用生态型橡胶草品系是可能的。