光质对杉木幼苗新叶叶绿素荧光规律的影响

汪星星, 陈 钢, 戴嘉豪, 曹光球,2, 曹世江,2

(1.福建农林大学林学院;2.国家林业局杉木工程技术研究中心，福建 福州 350002)

植物通过叶绿素进行光合作用，太阳辐射是其主要能量来源，而植物吸收太阳辐射基本集中在蓝光区( 425～490 nm) 和红光区( 600～700 nm)[1].近年来，单一光质以及红蓝混合光对植物生长发育的影响逐渐成为研究热点[2],目前，叶绿素荧光参数常常被作为植物对逆境响应的重要指标[3]，本试验研究了叶绿素荧光中的暗下最大荧光(Fm)、固定荧光(Fo)、最大可变荧光(Fv)等参数，分析了生长在不同光质下的杉木幼苗的叶绿素参数值，为进一步研究杉木幼苗新叶的生长发育提供依据.

有研究表明[4]，杉木幼苗叶片 Fo总体表现为红光处理最高，蓝光与白光处理较低；木荷和杉木幼苗叶片 Fv均表现为白光处理显著高于蓝光和红光处理；杉木幼苗叶片 Fm总体表现为白光处理最高，红光与蓝光处理较低.但是缺少对组合光质下的叶绿素各个参数的研究.周成波等[5]研究表明，小白菜在各种组合光处理下的Fv/Fm(暗适应下PSⅡ最大光化学效率)与单质光处理下的值无明显差异.黄希等[6]研究表明，滇重楼叶片混合光(橙光∶蓝光=4∶1)处理，Fv/Fm、Fv′/Fm′最高，同时光质也影响着PSⅡ对光能的分配，红蓝组合光下光化学猝灭系数最低，而非光化学猝灭系数(non-photochemical quenching)则是在紫光和红蓝紫复合光下最小，但对于 PSⅡ 最大光化学量子产量(Fv/Fm)无显著影响[7].本研究测定杉木幼苗新叶各生长阶段的叶绿素荧光参数，并进行显著性分析，为进一步研究杉木在生长发育过程中遇到的问题提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验材料

以 1年生的优良无性系020扦插苗为试验材料，该材料由福建省顺昌洋口林场提供，其平均株高21.50 cm，地径0.52 cm.培养基质由福建省南平市森科种苗有限公司提供，主要原料为泥炭土、珍珠岩.基质基本理化性质为：容重0.2 g·cm-3，总孔隙度19.7%，含水率35.1%，pH 4.6，全N 14.8 g·kg-1，有效磷102.2 mg·kg-1，速效钾136.6 mg·kg-1.LED灯由福州南瑞生物科技有限公司提供，用美国 Apogee MQ-500手持式光合辐射计测定光强.

材料最初通过纱布袋转入基质中，前期对基质进行浇水处理，目的是为了保持基质的湿润，经过3个月缓苗后移植到福建农林大学田间实验室，实验室地处东经120°，北纬27°，属亚热带季风气候，年平均气温20～25 ℃，年平均降雨量1 000～2 000 mm[8]，期间对苗木进行精细管理，保持土壤湿度约70%，选择1 200株，分为4个处理组，每个处理组300株，取样时间为杉木幼苗生长到30、60、90、120、150、180 d.

1.2 测定方法

选择杉木幼苗成熟健康的新叶作为试验材料，设置白(W)、红(R)、蓝(B)、红蓝比(R∶B)(1∶1)4种光质处理，分别对杉木幼苗进行30、60、90、120、150、180 d的培育，并且采用叶绿素荧光分析仪测定各个生长阶段的叶绿素荧光参数值，取各个阶段叶绿素参数的平均值，计算标准误差和标准偏差.

1.3 数据处理

试验数据利用SPSS 26.0软件进行整理和处理，对不同光质处理对各个阶段杉木幼苗新叶的叶绿素荧光参数值的影响进行单因素方差分析，并比较各个生长阶段参数值的差异显著性.

2 结果与分析

2.1 光质对杉木幼苗新叶叶绿素荧光Fm变化规律的影响

在杉木生长发育过程中(图1)，叶绿素荧光Fm除B处理之外均呈上升趋势，并且30与180 d的叶绿素荧光Fm都呈现出显著性差异(P<0.05).Fm在整个杉木生长阶段虽然呈现出波动变化，在60 d出现最大值，但随着杉木的发育，后期的Fm呈现出平稳的趋势，其它3种光质处理下的杉木Fm与初始值相比，皆呈升高趋势，分别升高113%、122%和118%.在整个杉木发育阶段中，W处理下的叶绿素荧光Fm与其它不同光质处理下的Fm从差异不显著到最终呈显著差异(P<0.05)，而且4种光质处理下的杉木Fm在60～90 d的生长阶段中均呈现不同程度的下降趋势，但是在90～120 d出现上升现象.

不同大写字母表示同一处理不同生长发育天数间差异显著(P<0.05); 不同小写字母表示同一生长发育时间内不同处理间差异显著(P<0.05).图1 不同光质处理下杉木幼苗新叶发育过程中叶绿素荧光参数Fm的变化Fig.1 Changes of chlorophyll fluorescence parameter Fm during new leaf development of Chinese fir seedlings under different light quality treatments

以光质为固定变量，研究杉木生长发育的时间对叶绿素荧光Fm的影响，4种光质处理下的杉木幼苗新叶的Fm都呈现出不同程度上的波动变化，其中，以R处理的变动幅度最大，虽然B处理下的杉木新叶的Fm总体呈现下降趋势，但是变动幅度最小.除B处理外，其它处理下的杉木新叶Fm均在180 d内出现最大值，表明随着杉木生长发育时间的延长，其幼苗新叶的Fm呈现稳定的上升趋势.

2.2 光质对杉木幼苗新叶叶绿素荧光Fo变化规律的影响

Fo为固定荧光、最小荧光，又称碱性荧光，是光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心完全开放时的荧光产额，与叶片叶绿素浓度有关[9-10].在杉木生长发育的整个阶段，幼苗新叶Fo总体呈现上升态势(图2)，4种光质处理下的杉木幼苗Fo均呈上升趋势.其中，除B处理外，各处理下的杉木Fo最大值均出现在180 d，表明杉木幼苗Fo随着杉木的生长发育而升高.在初始周期中，4种光质处理下的杉木幼苗的Fo的差异性并不显著(P>0.05)，而在生长发育后期，4种光质处理下Fo增长速率的大小表现为R∶B(159%)>R(144%)>W(137%)>B(106%)，四者差异达到显著水平(P<0.05).

不同大写字母表示同一处理不同生长发育天数间差异显著(P<0.05); 不同小写字母表示同一生长发育时间内不同处理间差异显著(P<0.05).图2 不同光质处理下杉木幼苗新叶Fo的变化Fig.2 Changes of chlorophyll fluorescence parameter Fo during new leaf development of Chinese fir seedlings under different light quality treatments

以光质为固定变量，4种处理下的杉木幼苗Fo均呈现“升高—降低—升高”的趋势，尽管4种处理的升高幅度不一致，但是相较于研究初期均有一定的增长趋势.其中，混合光质增长速度高于其它3种单色光质处理，说明混合光质处理对于杉木幼苗新叶Fo的影响较大.而且，在杉木发育的中后期，Fo在混合光质下呈现较快的增长趋势，后期与其它光质处理的差异显著(P<0.05).B处理在整个杉木发育过程中Fo的增长趋势不显著，与其它光质处理相比，增长幅度较小.混合光质与单一光质处理下的杉木幼苗Fo比值从最初的94%～103%到后期的114%～140%,随着杉木幼苗的生长，Fo的差异显著增大.

2.3 光质对杉木幼苗新叶叶绿素荧光Fv变化规律的影响

Fv是Fm与Fo的差值，反映PSⅡ最初的受体QA的氧化还原反应状况[11].参数值过低，则对PSⅡ原始电子受体的还原会造成不同程度的抑制作用，叶片的光合系统中心发生光化学反应的“域”由Fv反映.Fv还反映PSⅡ原初电子受体QA的还原情况[12].

在杉木整个发育阶段，4种处理下的Fv呈现出波动变化(图3)，除B处理外，其它光质处理下的杉木幼苗的Fv呈现出升高趋势，而B处理下杉木生长周期虽然出现波动变化，但是从杉木生长60 d开始出现降低趋势.Fv升高幅度最大的是W处理和R处理.在杉木生长后期，W、R处理的Fv出现最大值，而在杉木生长前期，B、R∶B处理的Fv达到最大值.

不同大写字母表示同一处理不同生长发育天数间差异显著(P<0.05); 不同小写字母表示同一生长发育时间内不同处理间差异显著(P<0.05).图3 不同光质处理下杉木幼苗新叶Fv的变化Fig.3 Changes of chlorophyll fluorescence parameter Fv during new leaf development of Chinese fir seedlings under different light quality treatments

将杉木生长周期作为研究变量，W、B处理下的杉木幼苗Fv呈现出“升高—降低—升高—降低—升高”的变化，而R、R∶B处理则出现“升高—降低—升高”的变化.在30 d时，4种光质处理下的杉木Fv差异性不显著(P>0.05)，到杉木发育到180 d时，4种光质处理下的杉木Fv差异显著(P<0.05).

2.4 光质对杉木幼苗新叶叶绿素荧光Fv/Fm变化规律的影响

Fv/Fm是衡量光抑制程度的重要参数，反映PSⅡ原初光能转换效率的高低，参数值越小，植物受到的光抑制越大[13].Fv/Fm是指PSⅡ最大原初光化学量子效率，是光化学反应的重要参数，反映光化学效率，常常用来衡量PSⅡ原初光能转换效率[14].

4种光质处理下的杉木幼苗Fv/Fm明显出现降低趋势，其中降低幅度最大的是混合光，不同光质下同一生长周期的杉木幼苗Fv/Fm和同一光质不同生长周期的Fv/Fm呈现出不同规律.同种光质条件时，在杉木幼苗生长发育的前中期，W处理的Fv/Fm差异不显著(P>0.05)，而发育后期的Fv/Fm差异显著(P<0.05).在总体的生长发育阶段，R、B、R∶B处理的Fv/Fm也呈现降低趋势，但是在90～120 d和30～60 d表现出升高，表明随着杉木生长发育时间的延长，其Fv/Fm会呈现出降低趋势.而观察整个杉木发育时间，4种处理的规律表现为“W>R>B>R∶B”,在整个杉木生长阶段，混合光质处理的Fv/Fm均低于单色光处理(表1).

表1 不同光质处理下杉木幼苗新叶发育过程中Fv/Fm的变化1)Table 1 Changes of Fv/Fm in the development of new leaves of Chinese fir seedings under different light quality

2.5 光质对杉木幼苗新叶叶绿素荧光Fv/Fo变化规律的影响

与杉木幼苗的Fv/Fm趋势一致，杉木幼苗Fv/Fo呈显著降低趋势，其中降低幅度最大的是混合光，不同光质下同一生长周期的杉木幼苗Fv/Fo和同一光质不同生长周期的Fv/Fo呈现出不同规律.以同种光质来观察，在杉木幼苗生长发育阶段的前中期，W处理的Fv/Fm差异不显著(P>0.05)，而发育后期的杉木幼苗Fv/Fo差异显著(P<0.05).在杉木整个生长发育时段，R、B、R∶B处理的Fv/Fo也出现显著性差异(P<0.05)，随着杉木生长发育时间延长，其Fv/Fo呈降低趋势，虽然在30～60 d时间段，B和R∶B处理的Fv/Fo升高，但是总体呈降低趋势(表2).观察杉木整个生长发育阶段，4种处理的规律表现为“W>R>B>R∶B”，混合光质处理的Fv/Fm均低于单色光处理.

表2 不同光质处理下杉木幼苗新叶发育过程中Fv/Fo变化1)Table 2 Changes of Fv/Fo in the development of new leaves of Chinese fir seedings under different light quality

3 讨论与结论

同一培养时间，不同光质处理对杉木幼苗新叶的Fm影响方面，除B处理外，杉木幼苗生长后期的Fm高于前期的水平，且4种光质处理表现呈现出波动变化的特点. 分析结果表明：除B处理外，其它光质处理下杉木幼苗新叶的Fm表现与初期Fm差异显著(P<0.05)，杉木幼苗新叶在W处理下的Fm高于其他的光质处理，处于较高水平，前期与其它光质处理下的Fm差异不显著(P>0.05)，但后期与其他光质之间差异显著(P<0.05)，而且在杉木幼苗新叶发育的前90 d中，其Fm基本会呈现出B>W>R>R∶B的规律.在杉木幼苗新叶的Fo方面，B处理下的新叶Fo平缓升高，而其它光质处理下的Fo升高幅度较大，杉木幼苗发育到中后期，R∶B的Fo显著高于其它处理下(P<0.05). 在杉木幼苗发育的前期，单色光处理的Fo高于混合光处理，但是差异不显著(P>0.05)，而在杉木幼苗发育后期，混合光质处理的Fo显著升高.该结果与游云飞[15]的结果不同，该文认为W处理下，幼苗新叶的Fo、Fm都呈现出较高的水平，可能是由于光质的波长不一致，此文的光质波长为R(400～500 nm)、B(600～700 nm).

总体来看，W处理下的Fv均会呈现出较高水平，在杉木发育的前期，与同一生长阶段的其它光质相比差异不显著(P>0.05)，发展到后期阶段时，无论与同一光质处理下的初期Fv还是与同一生长阶段的其它Fv相比，差异均显著(P<0.05)，此结果与徐圆圆[16]的结果不一致，该文证明了单色光与混合光处理下的Fo和Fv等叶绿素荧光参数无显著差异(P>0.05)，造成两种结果不一致的原因可能是因为光质处理不一致.

从杉木幼苗发育的整个阶段来看，不同光质处理下的Fv/Fm都呈现出降低趋势，但是4种光质处理下的Fv/Fm降低比例不同.同一生长阶段，Fv/Fm大致呈现出W>R>B>R∶B的规律，无论是同一生长阶段不同光质处理下的Fv/Fm，还是同一光质处理下的不同生长阶段的Fv/Fm相比，W处理都呈现出较高水平，而且单色光处理的Fv/Fm均高于混合光处理，表明混合光质下，植物受到的光抑制比单色光质下更大.此结果与姜晓君等[17]的结果不一致，该文认为混合光值下的Fv/Fm和Fv/Fo都比其它单色光质下的高，原因有可能是由于杉木是裸子植物，而黄瓜属于被子植物，马建伟等[18]对比了17种植物叶片叶绿素荧光特征得知，裸子植物的荧光值参数相较于被子植物的荧光值参数，整体呈现出较高的水平；杉木幼苗整个生长阶段的Fv/Fo和Fv/Fm的变化趋势一致，W处理呈现出较高的水平，单色光处理与混合光处理的差异也比较显著(P<0.05).此结果与刘青青等[4]研究结果一致.本试验4种处理下的杉木幼苗新叶Fv/Fm为0.80～0.85，说明这4种处理对杉木幼苗新叶的Fv/Fm影响较小.有研究表明[19]，与红光、蓝光处理相比，白光处理下的黄瓜幼苗Fv/Fm最高；在白光处理下，乌塌菜的Fv/Fm高于其他光质处理[20]，这与本研究结果相一致.

本研究表明，杉木新叶经过不同生长期和光质的处理，其Fo、Fm、Fv等均出现差异，说明不同光质与生长周期对于杉木幼苗新叶生长产生比较显著的影响.杉木幼苗新叶的Fv/Fo在不同处理之间也存在显著差异，这说明不同光质配比对杉木新叶的生长发育起到了一定的调控作用，但在杉木幼苗新叶的Fv/Fm方面差异不显著，说明光质对杉木幼苗新叶光合反应中心Ⅱ的原初光能转化效率和潜在活性的影响较小.