辽东栎幼苗生长和生理特性对光照强度的响应

张 兰，王 静，张金峰，邓晓娟，罗永红，闫兴富

（北方民族大学 a.生物科学与工程学院；b.黄河流域农牧交错区生态保护国家民委重点实验室，宁夏 银川 750021）

光是影响植物生长、存活和分布的重要生态因子，也是森林树种幼苗更新和个体增补的主要限制因子。强光有利于植物幼苗的生长[1-2]，幼苗在强光下对地下部分生长投入更大而具有更为完善的根系[3]，从而有利于提高幼苗对水分和养分的竞争力和干物质积累能力[4]。然而，更多研究发现适度遮荫更有利于幼苗提高相对生长率[5]和积累生物量[5-8]，因为强光可能抑制幼苗生长[9]。因此，多数树种幼苗更新的适宜森林生境是中等面积大小的林窗或林窗边缘[10]，尤其耐荫树种幼苗可在自林窗中央至林窗边缘的多种光强下更新，例如麻栎Quercus acutissima幼苗可在3%～25%自然全光照（natural sunlight,NS）下生长良好[11]。

植物在不同光强下的形态和生理特征差异是其对不同光环境的适应性变化[2]，通过形态和生理可塑性对异质性光资源条件的反应有利于植物提高光能利用效率并避免强光伤害[12]。植物幼苗可通过形态学可塑性适应环境中光照强度的变化[13]，在强光下分配更多生物量至地下部分以增加对水分和养分的吸收[2,4,14]，而在荫蔽条件下分配更多生物量至地上部分以提高捕获光资源的能力[14]。植物在弱光下还可通过增大比叶面积而提高光合能力[2]，从而补偿光合有效辐射降低造成的损失[15]。植物可在一定光强范围内随光强变化调节抗氧化酶活性[6-7,16]，例如遮阴处理的格木Erythrophleum fordii[7]和猕猴桃Actinidia chinensis[17]幼苗叶片超氧物歧化酶（Superoxide dismutase,SOD）、过氧化物酶（Peroxidase,POD）和过氧化氢酶（Catalase,CAT）活性均高于全光照下幼苗的，但兴安落叶松Larix gmelinii针叶CAT 活性在50%和25% NS 下均显著降低[16]。超过适宜光强范围的强光和弱光都可能降低抗氧化酶活性[18]，并引起膜脂过氧化[19]和丙二醛（Malondialdehyde,MDA）大量积累[7]；植物体内可溶性蛋白（Soluble protein,SP）和游离脯氨酸（Free proline,FPro）含量提高可在一定程度上缓解不适宜光环境造成的生理伤害[7,17]。

辽东栎是我国暖温带落叶阔叶林重要的优势树种之一，实生苗更新有利于维持其遗传多样性和群落结构的稳定。林下光照不足是辽东栎实生更新的主要限制因素，相对较强的光照有利于辽东栎幼苗生长[20-21]，但其还具有较强的耐荫性[13]，辽东栎幼苗生长及生理特性对不同光照强度的响应是值得探索的重要科学问题。以盆栽辽东栎幼苗为材料，将生长于荫蔽条件下的幼苗转移至较强光照下，研究幼苗生长、生理特性及其可塑性对光强变化的响应，研究结果可为辽东栎次生林的人工辅助实生更新和退化森林生态系统的恢复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 种子采集与处理

2016年9月中旬，在宁夏六盘山林业局所属龙潭林场的辽东栎灌丛群落，选择冠层生长健壮的辽东栎植株采集较大种子，鲜质量为3.05±0.38 g (n=100)。将种子带回实验室贮藏约1 周后用于播种和幼苗繁育。

1.2 幼苗繁育和试验设计

2016年9月下旬，取高25 cm、内径20 cm的塑料花盆27 个，在玻璃温室内的2 层遮阴棚下（相对光强5.5%自然全光照（Natural sunlight,NS）培育幼苗。将种子去皮后播入花盆内的沙土中，每盆播种25 粒，播种后覆盖厚约2 cm 的沙土，待出苗结束后，每盆选留大小基本一致的幼苗6～10 株定苗，定苗时株高、基径分别为9.35±0.53 cm、1.92±0.21 mm (n=26)。

采用单因素（光照强度）试验设计，在室外设置3 层、2 层、1 层遮阴棚和空旷地4 个不同光强处理（相对光强分别为5.3% NS、16.0% NS、37.2%NS 和100% NS）。将上述定苗后的27 盆幼苗在室外3 层遮阴棚下生长适应2 周后，收获3 盆幼苗作为3 次重复进行初始生长量测定。将剩余的24 盆幼苗平均分为4 组（每组6 盆），其中3 组分别转移至16.0% NS (T1)、37.2% NS (T2)和100% NS (T3)下，1 组留于5.3% NS 下作为对照(CK)，具体试验设计见表1。试验期间适时浇水以保证幼苗的正常需水，并定期进行松土和除草等日常管理。

1.3 幼苗收获和生长参数测定

2017年7月15日，按照上述表1的设计方案，收获其中3 盆幼苗用于生长参数测定，将幼苗挖出并清洗干净后用滤纸吸干表面水珠，测定株高（shoot height,SH） (cm)、基茎（Basal stem diameter,BSD）(mm)、叶片数（Leaf number,LN）、单株叶面积（美国产Li-3000 叶面积仪测定）（leaf area per plant,LAPP）(cm2)和主根长（taproot length,TRL）(cm)，然后将根、茎和叶单独装入纸袋内，于85℃数字控温干燥箱中烘干48 h后电子天平分别称质量。根据测定数据计算幼苗总干质量（total dry mass,TDS）、根冠比（root-shoot ratio,RSR）、比叶面积（specific leaf area,SLA）(cm2·g-1)、相对生长率（relative growth rate,RGR）(g·g-1) 和净同化率（net assimilation rate,NAR）(g·cm-2d-1)。按以下公式计算：RSR=根干质量/(茎干质量+叶干质量)。SLA=叶面积/叶干质量。RGR=(lnW2-lnW1)/(T2-T1)，式 中W2、W1、T1和T2分别为试验结束和开始时幼苗总干质量(g)和时间(d)。NAR=(W2-W1)×(lnA2-lnA1)/(T2-T1)×(A2-A1)，式中W2、W1、A2、A1、T2和T1分别为试验结束和开始时幼苗总干质量(g)、单株叶面积(cm2)和时间(d)。另外3 盆作为3 次重复用于叶片生理指标测定（同一花盆幼苗的叶片混合取样）。

表1 试验设计和幼苗处理†Table 1 Experiment design and seedling treatments

1.4 叶片生理指标测定

将每盆幼苗叶片剪碎混匀后取样测定生理指标，参照李合生[22]的方法，分别用氮蓝四唑光还原法、愈创木酚法和紫外吸收法测定SOD、POD和CAT 活性；分别用硫代巴比妥酸法、考马斯亮蓝G-250 法和茚三酮染色法测定MDA、可溶性蛋白含量和游离脯氨酸含量；用95%乙醇提取法测定叶绿素含量。

1.5 数据处理

用单因素方差分析的最小显著差异法(LSD)分析不同光照强度下幼苗生长和生理参数的差异显著性，全部数据统计分析均在SPSS 13.0 软件中进行。用Excel 2007 软件和SigmaPlot 10.0 软件辅助制作图表。

2 结果与分析

2.1 光照强度对幼苗生长的影响

由图1可以看出，幼苗株高在16.0% NS、37.2% NS 和100% NS 分别为12.39、12.81和11.78 cm，分别比对照幼苗（11.50 cm）高32.5%、37.0%和26.0%，但各光强处理及其与对照间差异均不显著。基径、叶片数和单株叶面积均随光强提高先增大后减小，且都在37.2% NS 下最大（分别为2.87 mm、4.59 和25.99 cm2），其中基径在37.2% NS 和16.0% NS 处理均显著大于对照（2.27 mm）（P＜0.05），叶片数在37.2%NS 处理和16.0% NS 处理均显著大于对照（3.22）和100% NS 处理（3.77）（P＜0.05），单株叶面积在37.2% NS 处理的最大值和16.0% NS 处理（24.56 cm2）也均显著大于对照（17.52 cm2）和100% NS 处理（21.99 cm2） （P＜0.05）。

图1 光照强度对辽东栎幼苗株高、基径、叶片数、单株叶面积、主根长、总干质量、根冠比和比叶面积的影响Fig.1 Effects of light intensity on the shoot height,basal stem diameter,leaf number,leaf area per plant,taproot length,total dry mass,root-shoot ratio,and specific leaf area of Quercus wutaishanica seedlings

幼苗主根长在16.0% NS最大（14.14 cm），显著大于对照（10.32 cm） 和100% NS 处理（10.98 cm）（P＜0.05），但与37.2% NS 处理（13.93 cm）间差异不显著。总干质量在16.0%NS 和37.2% NS 处理均为0.45 g，其中前者显著大于对照（0.34 g）和100% NS 处理（0.39 g）（P＜0.05），37.2% NS 处理与对照间也差异显著（P＜0.05）。幼苗根冠比也随光照增强呈先增大后减小的变化，在对照、16.0% NS 和100% NS 处理分别为0.60、0.61 和0.57，其中37.2% NS处理（0.69）与100% NS 处理间差异显著（P＜0.05）。幼苗比叶面积随着光照的增强逐渐减小，分别为208.06、192.28、192.41 和177.86 cm2·g-1，其中100% NS 处理与对照间差异显著（P＜0.05）。

2.2 不同光强下幼苗的相对生长率和净同化率

从图2可以看出，37.2% NS 处理幼苗相对生长率的最大值为5.42×10-3g·d-1，16.0% NS 处理幼苗次之（5.20×10-3g·d-1），两者分别约为对照幼苗（0.62×10-3g·d-1）的8.7 倍和8.4 倍（P＜0.05），其中16.0% NS、37.2% NS 和100% NS 处理均显著大于对照（P＜0.05），16.0% NS 处理还显著大于100% NS 处理（2.77×10-3g·d-1）（P＜0.05）。净同化率也在37.2% NS 处理最大（1.08×10-5g·cm-2d-1），其与16.0% NS 处理（1.07×10-5g·cm-2d-1）均约为对照幼苗（0.13×10-5g·cm-2d-1）的8.3 倍（P＜0.05），100% NS 处理（0.56×10-5g·cm-2d-1）也显著大于对照（P＜0.05）。

图2 光照强度对辽东栎幼苗相对生长率和净同化率的影响Fig.2 Effects of light intensity on the relative growth rate and net assimilation rate of Quercus wutaishanica seedlings

2.3 光照强度对幼苗生理特性的影响

由图3可以看出，幼苗叶片SOD 活性随随光照的增强逐渐减小，在对照和各光强处理分别为48.15、41.86、36.30 和30.22 U·g-1，其中在100%NS 处理显著低于对照37.6% （P＜0.05），其他光强处理及其与对照间无显著差异。对照幼苗的叶片POD 活性最大（197.22 U·g-1），且随着光照的增强而减小，在100% NS 处理（127.78 U·g-1）显著低于对照 35.2%（P＜0.05），16.0% NS 处理（161.11 U·g-1）与37.2% NS 处理（144.44 U·g-1）及其与对照间均差异不显著。叶片CAT 活性在对照和各光强处理分别为42.22、36.67、30.00 和25.56 U·g-1，其中100% NS 和37.3% NS 处理均显著低于对照和16.0% NS 处理（P＜0.05）。对照幼苗的叶片MDA 含量最大（19.95 nmol·g-1），且随光照增强逐渐减小，100% NS 处理的最小值（10.80 nmol·g-1）显著小于对照和16.0% NS 处理（P＜0.05），37.3% NS 处理（17.10 nmol·g-1）与对照及其他处理间均差异不显著。

图3 光照强度对辽东栎幼苗叶片抗氧化酶活性和MDA 含量的影响Fig.3 Effects of light intensity on the activity of leaf anti-oxidant enzymes and content of MDA of Quercus wutaishanica seedlings

由图3可以看出，幼苗叶片可溶性蛋白含量也随光照增强逐渐减小，在对照和各光强处理下分别为13.48、9.27、5.04 和2.65 μg·g-1，在100% NS处理的最小值仅约为对照的20%，各光强处理及其与对照处理间均差异显著（P＜0.05）。叶片游离脯氨酸含量也在对照处理最大（19.14 μg·g-1），16.0% NS 处理（15.17 μg·g-1）、37.3% NS 处理（13.67 μg·g-1）和100% NS 处理（11.60 μg·g-1）分别显著小于对照20.8%、28.6%和39.4%（P＜0.05），16.0% NS 与100% NS 处理间也差异显著（P＜0.05）。叶片叶绿素总量在16.0% NS 处理（13.21 mg·g-1） 略高于对照（13.10 mg·g-1），37.3% NS 和100% NS 处理分别为7.07、9.39 mg·g-1，两者均显著小于对照和16.0% NS 处理（P＜0.05），100% NS 与37.3% NS 处理间也差异显著（P＜0.05）。

图4 光照强度对辽东栎幼苗叶片可溶性蛋白、游离脯氨酸含量和叶绿素总量的影响Fig.4 Effects of light intensity on the contents of leaf soluble protein,free proline and total chlorophyll of Quercus wutaishanica seedlings

3 结 论

1）辽东栎幼苗自荫蔽条件转移至强光下后，株高、基径、叶片数、单株叶面积、主根长、总干质量和根冠比等生长参数均随光强的提高呈先增大后减小趋势，其中株高、基径、叶片数、单株叶面积、总干质量和根冠比均在37.2% NS 处理最大，主根长在16.0% NS 处理最大，基径、叶片数、单株叶面积和主根长在16.0% NS 和37.2% NS 处理均显著大于对照（P＜0.05），总干质量在所有光强处理均显著大于对照（P＜0.05）。

2）辽东栎幼苗在不同光强下具有较大的形态学可塑性，根冠比在37.2% NS 处理显著大于100% NS 处理（P＜0.05），比叶面积随光照增强逐渐减小；相对生长率和净同化率在37.2% NS和16.0% NS 处理均约为对照的8 倍以上。

3）随着光照强度的提高，辽东栎幼苗叶片SOD、POD、CAT 活性和MDA 含量均逐渐降低，3 种抗氧化酶活性在100% NS 处理均显著低于对照（P＜0.05），MDA 含量在100% NS 处理显著低于对照和16.0% NS 处理（P＜0.05）。叶片可溶性蛋白、游离脯氨酸含量和Chl 总量均随光照增强呈降低趋势，其中可溶性蛋白和游离脯氨酸含量在各光强处理均显著低于对照（P＜0.05），Chl 总量在37.3% NS 和100% NS 处理显著低于对照和16.0% NS 处理（P＜0.05）。

4 讨 论

幼苗是植物生活史中对森林群落更新演替具有重要意义的阶段[23]。光照是影响林下幼苗更新、存活与生长的重要因素，很多树种的幼苗更新在高度郁闭的林下生境因光照不足而受到限制，必须依赖林窗形成后的充足光资源才能实现个体增补进入林冠层。森林冠层林窗形成后光照条件的改善有利于局部范围异质生境中幼苗的生长和个体更新[1]。本研究中，辽东栎幼苗除比叶面积外的其他生长参数均在37.2% NS 或16.0% NS 处理最大，表明幼苗生长可对光照强度的变化做出反应，这与许中旗等[1]和李东胜等[2]以蒙古栎Q.mongolica幼苗为材料的研究结果类似。陈志成等[24]研究发现，锐齿栎Q.alienavar.acuteserrata幼苗甚至可利用林下光斑的短期光资源缓解碳储备的不足，烟草Nicotiana tabacum幼苗生长对光强反应更为敏感，自荫蔽环境中转移至较强光照下4 d后即达相同稳定光强下的生长水平[25]。有研究结果显示，子午岭地区的辽东栎[21]和秦岭北坡的栓皮栎Q.variabilis[10]幼苗生长发育的适宜生境均为中等大小面积林窗，本研究的结果可从这些研究者的结论中得到一定程度的佐证，即较强的光照有利于辽东栎幼苗的生长，且其能够对不同的光照强度做出响应。另一方面，在荫蔽条件下处于生长抑制状态的幼苗突然暴露于强光下可能会遭受强光抑制[9]，即叶片吸收的过多光能因无法及时利用或耗散而引起光合能力降低。因此，一些研究者认为适度遮荫比强光照更有利于幼苗生长[6-7,10]，本研究中辽东栎幼苗弱光环境转移至强光环境中也表现出类似的生长特征，即光照相对较弱的16.0% NS 和37.2% NS 处理更有利于幼苗生长，而100% NS 的全光照对幼苗生长具有一定程度的抑制作用。

形态学可塑性是植物受不同强度遮荫和遮荫时间长短调节而对光照强度的一种适应性反应[13,15]，也是植物通过表型可塑性变化提高种群适合度和资源获取能力的重要方式。本研究发现，辽东栎幼苗根冠比在37.2% NS 处理显著大于100% NS 处理，而比叶面积随光照增强逐渐减小，相对生长率和净同化率均在37.2% NS 处理最大，16.0% NS 处理次之，表明辽东栎幼苗自荫蔽条件转移至强光下可通过形态学可塑性应对光强的快速变化。幼苗在强光下将更多光合产物分配至地下以增大根冠比，从而确保根系充分发育和对水分及养分的吸收[3,14]，例如生长于全光照、轻度和中度遮荫下的蒙古栎幼苗的根冠比显著高于重度遮荫处理幼苗[2]，本研究中辽东栎幼苗根冠比在100% NS 处理减小可能是强光下光合作用受到抑制[9]而使地上部分生长过度依赖根系贮藏的营养而造成的；相反，在弱光下植物增大生物量向地上部分分配的比例以提高截获光资源的能力[14]。比叶面积增大也是植物补偿弱光下光合有效辐射降低的重要适应方式[15]，例如多花山矾Symplocos ramosissima幼苗比叶面积在森林生境和人工遮阴下均随光照的减弱而增大[26]。比叶面积增大有助于增强植物在弱光下对光资源的捕获能力，从而提高相对生长率和净同化率，本研究中辽东栎幼苗获得最大相对生长率的相对光强接近于Veenendaal 等[5]报道的15 种木本植物幼苗最大相对生长率的相对光强范围（16%～27% NS），对照处理辽东栎幼苗相对生长率和净同化率均最小，表明幼苗通过形态学可塑性仅能在一定程度上缓解弱光下碳供应的不足，而且在弱光下幼苗形态学可塑性可能还要以减少根系生物量积累为代价。因此，始终处于生长抑制状态的对照幼苗的相对生长率和净同化率最低，尽管幼苗在强光下可通过增加生物量向地下部分的分配来提高对水分和养分的吸收能力，但幼苗通过形态学可塑性产生的这一生长优势也可能会被强光下较高的光补偿点和耗水生长成本所抵消。

植物的抗氧化酶系统可有效清除细胞内的活性氧，具有提高植物抗逆性并保护细胞免受胁迫伤害的作用。SOD、POD 和CAT 是植物细胞内的主要保护酶，各种酶对逆境胁迫和活性氧积累的响应及其协调性决定了保护酶系统对环境胁迫的整体防御能力[27]。弱光下植物细胞活性氧代谢失调和膜系统损伤可导致膜脂过氧化和透性增大[19]，从而使膜脂过氧化产物MDA 在细胞内大量积累[7]。本研究发现，辽东栎幼苗自弱光条件下转移至较强光照条件下以后，叶片SOD、POD、CAT 活性和MDA 含量均随光照增强逐渐降低，幼苗的抗氧化酶活性随着叶片发育成熟和酶系统的完善而提高，自弱光下转移至强光下可使弱光抑制在一定程度上得以解除，从而降低了酶活性，但一直生长于弱光下的对照幼苗因持续遭遇弱光胁迫仍保持较高的抗氧化酶活性，反映了辽东栎幼苗对弱光具有较强的耐受性[13]，但转移至强光下后因弱光抑制在一定程度上得以解除而降低了抗氧化酶活性。另一方面，自弱光下转移至强光下后叶片抗氧化酶活性随光照增强而持续降低又反映出辽东栎幼苗喜光性的一面，MDA 含量随光照增强而持续降低也从另一侧面为这一推测提供了佐证，喜光的台湾桤木Alnus formosana幼苗叶片MDA含量在弱光胁迫下也表现为类似的变化趋势[28]。其他木本植物幼苗抗氧化酶活性也有随光照的增强而降低[7]或表现出完全相反的变化趋势的现象[6]，甚至有同一树种的不同酶活性呈现完全相反的变化趋势的报道[16]。

可溶性蛋白和游离脯氨酸等渗透调节物质含量的变化也是植物应对逆境胁迫的生理可塑性的重要组成部分，本研究中辽东栎幼苗叶片可溶性蛋白和游离脯氨酸含量均随光照增强逐渐降低，表明幼苗对弱光具有较强的耐受性，即在弱光下依赖高浓度的渗透调节物质维持较低的细胞渗透势来缓解弱光伤害[17]，但随着光照条件的改善即弱光胁迫的解除，细胞内渗透调节物质含量逐渐降低，尤其是可溶性蛋白含量在不同光强间的差异均达到显著水平。叶片Chl 含量可作为植物耐弱光能力的重要指标，在一定光强范围内，生长于自然森林生境和人工遮阴条件下的幼苗叶片Chl含量均随光照减弱而提高[7,29-30]，从而有利于缓解光资源不足对生长造成的影响，且弱光下也可在一定程度上使高温胁迫得以缓解而有利于叶绿素的合成[18]。本研究中辽东栎幼苗叶片Chl 总量随光照的增强逐渐降低，37.3% NS 和 100% NS 处理显著低于对照和16.0% NS 处理，表明幼苗可在荫蔽条件下快速合成Chl 以应对光资源的不足[27-28]，并根据光照强度的差异调节Chl 含量。因此，幼苗在弱光下可维持一定量的Chl 储备以确保植株对光能的吸收和在荫蔽环境中的同化能力[30]，而在强光下则降低Chl 含量以避免吸收过量光能而引起强光抑制。

本研究以盆栽辽东栎幼苗为材料，在人工遮阴条件下研究了幼苗生长、生理特性对不同光照强度的响应，但人工遮阴难以真实模拟森林群落的高度异质性光照条件，将这一研究结果外推至野外森林群落生境可能存在较大的局限性，未来要结合对森林群落不同大小的林窗中幼苗库生长和生理监测，围绕林窗形成后的光强及其他环境因子变化对幼苗生长和生理特性的影响等方面开展长期的跟踪研究，为辽东栎次生林的人工辅助实生更新和森林生态系统的科学管理提供依据。