光强对4种鸭跖草科植物叶片生理特性和超微结构的影响

陈 斌， 薛 晴， 李子葳， 杨宇佳， 杨小梅， 薄 杉， 李 强， 何 淼

(东北林业大学园林学院， 黑龙江 哈尔滨 150040)

紫鸭跖草(Commelinapurpurea)、‘花叶’水竹草(Tradescantiaflurnuensis‘Variegata’)、吊竹梅(Tradescantiazebrina)、‘绿叶’水竹草(Tradescantiaflurnuensis‘Vairidia’)是鸭跖草科(Commelinaceae)的4种植物，植株低矮、叶色丰富、耐瘠薄、茎多呈匍匐状、茎节处易生气生根、繁殖能力强、成坪覆盖速度快且价格低廉，现已经作为地被植物在园林绿化中应用，具有较强的光适应能力，但每种植物的适光策略目前尚不清晰。因此，本试验通过人工模拟不同立地条件下的光强，通过遮光网设置5种光环境对紫鸭跖草、‘花叶’水竹草、吊竹梅和‘绿叶’水竹草进行光处理，测定不同光强下4种植物的生理生化指标和叶肉细胞的超微结构，揭示4种植物的适光策略和潜能，以期为其在园林中栽培应用和进一步大范围的推广提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2019年3—7月在黑龙江省哈尔滨市东北林业大学花卉研究所苗圃进行。以紫鸭跖草、‘花叶’水竹草、吊竹梅、‘绿叶’水竹草为材料(表1)，3月初选取当年生健壮的枝条，剪取顶部长约5 cm的茎段作为插条，基质采用75%腐殖土+25%蛭石混合，经120℃高温灭菌后装入直径12 cm高18 cm的花盆中，采用浸盆法充分浸润盆中的栽培基质，然后进行扦插。每盆扦插2个茎段，每种试验材料各60盆。扦插完毕后放置在育苗室内缓苗，缓苗期间的环境条件为：温度24～26℃，相对湿度60%～70%，12 h光照，白天光强为480 μmol·m-2·s-1。缓苗1个月后，选取长势旺盛，无病虫害的植株进行试验。

表1 植物材料

1.2 试验方法

于2019年4月30在苗圃内利用不同密度的黑色尼龙遮光网设置5种光强梯度(分别为自然光强的100%，75%，50%，25%，5%)，每个处理间隔50 cm，顶部遮光网距植株体顶端30 cm，每个光强梯度每种植物材料各处理12盆，3个重复。每隔5 d浇水一次，处理45 d后，进行各项指标的测定。

1.3 指标测定

二氨基联苯胺法(diaminobenzidine，DAB)染色测定H2O2：摘取茎顶部第3～5片成熟完整的叶片，放入pH为5.8的DAB染色液(1 mg·mL-1)中，在28℃下过夜避光保存，然后放入80%的乙醇中水浴煮沸若干次，直至叶片颜色完全脱去，并用相机拍照。

叶片超微结构的观察：取健壮植株的第3片功能叶，在叶脉两侧各取1 mm×3 mm的矩形小块，每组处理取3片。用浓度为2.5%的戊二醛溶液和1%的锇酸进行双固定，固定后用pH6.8的磷酸缓冲液漂洗；然后用不同浓度的乙醇及丙酮溶液依次脱水，并用环氧树脂包埋；采用LKB-5型超薄切片机进行切片，切片经醋酸铀-枸橼酸铅双染色后，于H7650型透射电子显微镜下对材料进行观察并拍照[17]，每个处理取10个视野，统计每个视野中每个叶肉细胞内的叶绿体、线粒体、淀粉粒数量，并在每个视野中随机选取5个叶绿体，统计每个叶绿体中嗜锇颗粒数量。

1.4 数据整理与分析

用Excel 2016对数据进行整理和作图，利用SPSS 22.0对数据进行方差分析，用Duncan法进行多重比较(P<0.05)，并对处理结果进行双因素(ANOVAs)分析。参照李京蓉等[18]的方法对4种植物采用隶属函数法进行综合评价。

2 结果与分析

2.1 光强对渗透调节物含量的影响

不同的光强对4种鸭跖草科植物的SS含量影响不同(图1)。CP的SS含量在L0～L3光强间无显著差异，而在L4光强下显著降低(P<0.05)，TF的SS含量随光强的降低显著降低(P<0.05)，与L0相比，在L4条件下降低了58.91%，而TV的SS含量在L0～L2光强间无显著差异，但均显著高于L3和L4条件。TZ的SS含量随光强的降低呈先升高后降低的趋势，在L3条件下上升到最高值，在L4条件下降到最低值，与最高值相比显著降低了22.06%(P<0.05)；

在不同的光强下，4种植物的SP含量呈相同的变化趋势(图1)，均随光强的降低而显著降低(P<0.05)。与L0条件相比，CP，TF，TZ和TV在L4条件的SP含量分别降低了48.68%，65.31%，70.28%，57.39%，其中TZ的降低幅度最大。

图1 不同光强对渗透调节物含量的影响

4种植物的Pro含量随光强的降低呈先降低后增加的趋势，且在L0和L4条件下的Pro含量均高于L1，L2和L3光强条件，但TF和TV在各处理间的差异均不显著(图1)。CP在L0条件下达到峰值，是最低值(L3条件下)的1.06倍，TZ在L4条件下达到峰值，是最低值(L1条件下)的1.11倍。

2.2 光强对MDA含量的影响

不同的光强下，4种植物的MDA含量的变化趋势相同，均随光强的降低而显著降低(P<0.05)(图2)。与L0相比，CP，TF，TZ和TV在L4条件的MDA含量分别降低了42.60%，36.87%，73.65%，43.44%，且TZ和TV在L0～L3条件下的MDA含量高于CP和TF，这表明强光条件导致4种植物产生了膜脂过氧化反应，且TZ和TV的膜系统损伤更大。

2.3 光强对H2O2和含量的影响

图2 不同光强对丙二醛含量的影响

图3 不同光强对H2O2和的含量影响

图4 不同光强对叶片H2O2(DAB染色检验)和(NBT染色检验)的影响

2.4 光强对抗氧化酶活性的影响

随光强的降低，CP和TV的SOD活性均呈“高-低-高”的变化趋势(图5)，在L0条件下活性最高，且都在L3条件下降到最低值，与L0相比分别显著降低了13.86%，17.93%(P<0.05)；TF在L0和L1条件下的SOD活性显著高于L2～L4条件(P<0.05)，TZ在L0条件下的SOD活性显著高于L1～L4条件(P<0.05)。

4种植物的CAT活性在不同的光强下呈不同的变化趋势(图5)。CP的CAT活性在各处理间无显著差异，TF和TV的CAT活性随光强的降低呈“高-低-高”的变化趋势，其中，TF在L3条件下降到最低值，与L0相比，显著将低了60.09% (P<0.05)，TV在L2条件下降到最低值，与L0相比，显著降低了35.49%；TZ的CAT活性与光强正相关，在L4条件下降到最低，与L0相比，显著降低了40.63%。

4种植物的POD活性随光强的降低显著降低(P<0.05)(图5)，其中CP在L4条件下降到最低值，显著降低了50.29%(P<0.05)；TF，TZ和TV均在L3条件下降到最低值，与L0相比分别显著降低了70.39%，56.80%，60.15%。

2.5 光强对叶肉细胞超微结构的影响

不同的光强对4种植物叶肉细胞的超微结构形态产生了不同程度的影响(图6、图7、图8)。CP在L0条件下，细胞结构产生了严重的损伤，细胞膜解体并与细胞壁分离；叶绿体发生严重的形变，基粒片层和基质片层蜷曲，排列松散且片层间隙大，细胞器无规律的散布在细胞中，淀粉粒体积大，几乎占据整个叶绿体。在L1～L4条件下，细胞质壁结构完好并结合紧密，叶绿体无溶解破碎现象，各片层结构排列紧密，呈纺锤形紧密贴合在细胞壁上，无堆叠挤压的情况出现，淀粉粒体积也逐渐变小。不同的光环境对CP的叶绿体、淀粉粒、嗜锇颗粒数量产生了显著的影响。叶绿体个数随着光强的减小而显著增加(P<0.05)，与L0相比，在L4条件下增加了39.57%；淀粉粒个数在L0条件下达到峰值，显著高于其他光环境(P<0.05)，是最低值L4条件的3.47倍；嗜锇颗粒数量随光强的降低呈先降低后增加的趋势(图8)，在L3条件下数量最少；线粒体个数在不同的光环境下无显著差异。

图5 不同光强对抗氧化酶的影响

TF的细胞质壁结构在5种不同光强下结合紧密，界限清晰。在L0条件下，叶绿体部分解体，多个叠合分布在细胞壁边缘，淀粉粒体积大,占据整个叶绿体结构的3/4左右；随着光强的降低，淀粉粒体积逐渐变小，叶绿体也由宽圆形变为长纺锤形，单个独立分布在细胞壁边缘，但在L4条件下，部分叶绿体也发生了形变，虽然叶绿体在不同光环境下产生了不同的变化，但基质片层和基粒片层始终排列规则紧密。不同的光强对叶绿体、淀粉粒、线粒体和嗜锇颗粒数量产生了显著的影响(P<0.05)。L0条件下的叶绿体数量显著低于其他光环境(P<0.05)，在L3条件下达到峰值，而L0条件下的淀粉粒个数又显著高于其他光照条件，其中淀粉粒个数在L3条件下降到最小值，嗜锇颗粒随光强的降低而显著降低(P<0.05)，在L3条件下数量最少，仅为L0条件下的34.78%，L1条件下的线粒体数量显著高于其他光条件(P<0.05)。

TZ的细胞质壁结构在L0和L1条件下出现了严重的损坏，与细胞质界限不清，部分细胞膜解体，在L2,L3和L4条件下结构完好。L0和L1条件下的叶绿体结构破损，质膜溶解，部分基质片层和基粒片层结构出现解体现象，呈长圆形游离在细胞壁边缘，淀粉粒体积大且出现空泡现象，在L2～L4条件下，叶绿体结构完好，片层结构紧密，紧贴细胞壁分布，淀粉粒体积也逐渐变小，在L4条件下消失。不同的光强对TZ的叶绿体、淀粉粒和嗜锇颗粒数量产生了显著的影响(P<0.05)，与L0相比，在L4条件下叶绿体数量增加了30.73%，淀粉粒数量降低了79.15%，嗜锇颗粒数量随光强的降低而显著降低，在L0条件下数量最多，在L2条件下最少，显著降低了58.58%，线粒体数量在各处理下无显著变化。

TV的细胞质壁结构在L0条件下发生了质壁分离的现象，但与细胞质界限清晰，在其他光环境下质壁结构完好。叶绿体在L0和L1条件下质膜解体，变为圆形，出现了堆叠现象，少量片层结构出现卷曲现象，但排列仍较为紧密，整个叶绿体被淀粉粒充斥。在L2～L4条件下，叶绿体结构完好，基质片层和基粒片层排列规则紧密，紧贴细胞壁分布，但仍有部分叶绿体发生形变现象，淀粉粒体积逐渐变小。不同的光强对TV的叶绿体、线粒体和嗜锇颗粒数量产生了显著的影响(P<0.05)，叶绿体数量在L2条件下最多，在L4条件下最少。线粒体数量在L0条件下最少，显著低于L1和L2条件(P<0.05)，而其他处理间无显著差异。嗜锇颗粒数量随光强的降低显著降低(P<0.05)，在L3条件下最少，与L0相比，显著降低了48.42%。

图7 不同光强对叶绿体结构的影响(12000×)

2.6 物种和光强对不同指标的双因素方差分析

图8 不同光强对叶肉细胞指标的影响

表2 物种和光强对不同指标的双因素方差分析

2.7 4种植物的适光性综合评价

通过隶属函数法对4种鸭跖草科植物的适光能力进行了综合评价(表3)，结果表明适光性强弱的的顺序为：吊竹梅>紫鸭跖草>‘花叶’水竹草>‘绿叶’水竹草。

表3 不同光强下4种植物生理指标的隶属函数值

3 讨论

渗透调节物质在植物抵抗非生物胁迫时发挥着举足轻重的作用。当产生的活性氧超过抗氧化物清除能力时，细胞质膜会发生严重的膜脂过氧化反应，此时植物细胞膜的通透性就会变大，导致细胞质外渗，造成植物生理代谢紊乱[19]，此时植物就会通过调整SS,SP,Pro等渗透调节物质的含量来减轻逆境胁迫引起的细胞失水，以维持细胞渗透压平衡，从而降低逆境伤害的程度[20]。SS和SP既是重要的营养物质，又参与植物细胞的渗透调节过程[21]，其中SS还可清除液泡和叶绿体中的ROS[22]，可间接激活抗氧化酶系统。Pro被证明是一种有效的自由基清除剂，对稳定原生质胶体、细胞代谢过程、维持渗透调节平衡等方面起重要作用[23-24]。本研究发现‘花叶’水竹草和‘绿叶’水竹草的SS含量和SP含量均随光强的降低而显著降低，这表明这两种植物在强光胁迫下均能通过增加SS含量和SP含量，以清除液泡和叶绿体中的ROS，并通过碳代谢途径和氮代谢途径协同作用进行渗透调节，维持细胞膨压；而紫鸭跖草和吊竹梅的SS含量随着光强的降低呈先升高后降低的趋势，SP含量则随光强的降低而显著降低，这表明这2种植物在强光胁迫下氮代谢途径对渗透调节的贡献比碳代谢途径大，而在75%～25%自然光强中，碳代谢途径对渗透调节的贡献大于氮代谢途径。4种植物的SS含量和SP含量均在L4条件下降到最低，这可能是由于光强不足，叶片的光合作用急剧下降，SS和SP合成受阻，最终会导致植物的营养物质短缺，对生长造成不利影响。‘花叶’水竹草和‘绿叶’水竹草的Pro含量在各处理间无显著差异，这表明这2种植物的Pro含量稳定，始终保持相对较高的含量，清除植物细胞内的自由基，并抵消光强因素对细胞渗透调节的影响，而紫鸭跖草和吊竹梅的Pro含量随光强的降低呈先降后增的趋势，这表明Pro在极端弱光中仍能很好的发挥渗透调节的作用。

4 结论