低温弱光胁迫对设施黄瓜叶片面积与干物质量的影响

唐卫东，刘振文，刘冬生，胡雪华

(井冈山大学 a.农作物生长重点实验室；b.电子与信息工程学完；c.生命科学学院，江西 吉安 343009)

低温弱光是设施农作物越冬和早春季节生产中最具威胁性的逆境之一。研究表明，低温弱光胁迫对黄瓜等喜温作物生育期叶片的形态功能影响较大，可导致叶片大小、比叶质量与叶绿素含量等变化出现异常。由于叶性状特征能够较好地反映作物生长发育状况及其与外部环境之间的作用关系，从不同角度研究叶性状特征及其与环境因子的相互关系，以便进一步探索作物生长对环境变化的适应性，是近年来国内外学者广为关注的问题。随着精细农业与数字农业等技术的快速发展，深入探索低温弱光胁迫下叶片形态变化有助于作物生长动态的定量分析与实时监测。

为探究叶性状对环境变化的适应性，人们常根据叶性状生理特征的变化来探寻满足作物生长所需的温光环境等。陈春宏等研究了光合有效辐射对黄瓜叶片光合作用、器官发育、干物质累积与分配等的影响。有文献研究了温度变化对黄瓜叶片光合速率、蒸腾速率、叶绿素组成结构与含量的影响，进而探寻了光强对黄瓜叶片光合产物积累与代谢功能的影响。已有成果较好地研究了外部环境因子对叶性状特征及其变化的作用规律，但是多数以单因素对叶性状特性的影响研究为主。例如，现有研究大部分致力于温度或光照对叶片形态参数、光合特性等性状的作用，但实际上温度往往与光照等其他环境因子共同影响叶性状的变化，而探究多因素对叶性状及其特性变化的影响尚不够深入。目前大多成果主要集中于探究黄瓜叶性状及其受外部环境因子影响规律，缺乏在多重逆境下针对不同叶龄叶片形态变化的深入研究。研究表明，与单一逆境胁迫相比，作物在低温弱光等多重逆境作用下其叶片大小、形状、叶柄大小与叶片表面附属结构特征之间呈现出一定的相关性。

国内外学者对大田作物低温弱光胁迫响应研究方面做了大量工作，但是目前有关低温弱光对设施园艺作物叶片形态变化的影响研究较少，尤其是低温弱光对黄瓜不同叶龄叶片面积与干物质量变化的影响尚未见报道。探讨低温弱光对黄瓜不同叶龄叶片面积与干物质量变化的影响，既可以为逆境下作物叶性状特征的分析和预测提供支持，也能为温室环境管理与优化调控提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以水果型黄瓜品种碧玉3号为试材，该品种为全雌无限生长型。通过组培育苗，待黄瓜幼苗长至2叶1心时，选取长势一致的幼苗定植于温室中，缓苗2周后开始进行低温弱光胁迫试验。黄瓜栽培采用枕式袋装，袋内基质为珍珠岩与蛭石(质量比为2∶1)。每袋种植4株，栽培密度为2.4株·m，株行间距均匀。在黄瓜栽培管理时，除植株第3节以下，其余节位均保留1个花芽，及时摘除侧枝和卷须。试验采用营养液滴灌并按照设施无土栽培技术要求进行常规管理。

1.2 试验设计

试验于2018年11月—2019年3月在井冈山农业园人工可控温室内进行。每个温室顶高4.5 m，肩高4.0 m，宽6.0 m，长20.0 m。在温室内搭架并在其上覆盖黑色遮阳网，架高2.5 m。按照温度变化范围设置1个对照与3个低温胁迫处理，昼温分3个时段(即4-6-4 h)设定，夜温不变(10 h)。各处理及其温度设定分别为：对照组(CK)，昼温20-25-20 ℃，夜温20 ℃；轻度低温胁迫(T1)，昼温15-20-15 ℃，夜温15 ℃；中度低温胁迫(T2)，昼温10-15-10 ℃，夜温10 ℃；重度低温胁迫(T3)，昼温5-10-5 ℃，夜温5 ℃。

同时，用遮阳网对自然光进行遮光处理，在每个低温胁迫处理下按照光量子通量密度(photosynthetic photon flux density，PPFD)变化范围设置1个对照与3个弱光胁迫，同样，白天分3个时段(即4-6-4 h)进行遮光处理，夜间恒定(10 h)。各处理及其PPFD分别设定为：对照(CL)，白天500-600-500 μmol·m·s，夜间400 μmol·m·s；轻度弱光胁迫(L1)，白天300-400-300 μmol·m·s，夜间200 μmol·m·s；中度弱光胁迫(L2)，白天150-200-150 μmol·m·s，夜间100 μmol·m·s；重度弱光胁迫(L3)，白天50-100-50 μmol·m·s，夜间50 μmol·m·s。

采用正交试验设计方法研究温度和光照组合对黄瓜叶片面积与干物质量变化的影响。采用2因素4水平的正交试验，温度的1、2、3、4水平分别与CK、T1、T2、T3一致，光照的1、2、3、4水平同CL、L1、L2、L3一致。正交试验组合见表1，共设16个复合处理，每个处理3次重复，共48个试验小区。CO释放由CO人工钢瓶提供，浓度控制在(400±5)μmol·mol，相对湿度控制在75%。在上述不同处理下分别随机选取长势相当的3棵植株作为样本进行观测。

表1 正交试验设计Table 1 Orthogonal design of experiment

1.3 观测指标

考虑到黄瓜叶片在生育期内的形态变化特性，且单叶从出叶到定形大约15～25 d，分别对叶龄为5、10、15、20、25 d且叶序为15的叶片进行监测，测量叶面积、叶和植株的干物质量。

温室内外的温度、光照、湿度等环境信息主要通过温室环境测控系统的相应传感器获得。叶片形态结构信息采取破坏性和非破坏性方式并通过常规观测方法获得。采用托普云农叶面积测定仪采取非破坏性方式测定样本的叶面积，采取破坏性方式测定叶片与植株干物质量，先将采摘的新鲜叶片、根茎等器官放入干燥箱中，105 ℃杀青30 min后，60 ℃干燥至质量恒定，冷却后再用天平称量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件整理数据和绘图，利用SPSS 16.0软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同光照条件下叶面积与干物质量的变化

从图1可以看出，温度为CK条件下，当弱光等级相同时，叶片叶面积随着叶龄增长逐渐增大，不同叶龄叶片面积存在显著差异(<0.05)，当叶龄超过15 d后，叶面积增加缓慢，超过20 d，叶面积基本不再增加。随着弱光胁迫的加剧(由L1到L3)，不同叶龄叶面积均呈减少趋势。

温度为CK条件下，当弱光等级相同时，叶片与植株的干物质量随着叶龄增长均呈显著(<0.05)增加趋势。相较于其他不同叶龄，当叶龄为5～20 d时干物质量增长幅度较大，当叶龄为20～25 d时的干物质量增长幅度较小。随着弱光胁迫的加剧(由L1到L3)，不同叶龄的叶片与植株干物质量均呈减少趋势，表明叶片与植株的干物质量随叶龄增长和弱光胁迫的减弱而不断增加，但当叶龄增长到一定程度时，叶片与植株的干物质量增长幅度下降。

同处理各叶龄后不同小写字母表示显著差异(P<0.05)，下同。Different lowercase letters behind the leaf ages in the same treatment indicated significant differences (P<0.05).The same as below.图1 CK条件下弱光胁迫对不同叶龄叶片面积与干物质量的影响Fig.1 Effects of weak light stress on leaf area and dry matter of different leaf ages under CK

轻度低温胁迫下(处理T1)，各弱光胁迫的黄瓜不同叶龄叶片叶面积、叶干物质量和植株干物质量变化规律基本与CK处理条件下变化情况一致(图2)。

图2 轻度低温处理下弱光胁迫对不同叶龄叶片面积与干物质量的影响Fig.2 Effects of weak light stress on leaf area and dry matter of different leaf ages under mild low temperature

在中度低温胁迫下(T2处理)，不同叶龄叶片的叶面积与CK、T1处理相比均有一定程度下降，如图3所示。当弱光等级相同且叶龄为5～15 d时，叶面积随着叶龄增长均呈显著(<0.05)增加趋势；当叶龄为15～25 d时，叶面积增长变缓。此外，随着弱光胁迫的加剧(由L1到L3)，不同叶龄的叶面积均呈减少趋势。以上结果表明，叶面积随叶龄增长与弱光胁迫的减弱而不断增加，但当叶龄增长到一定程度时(超过15 d)，叶面积基本不再增加。

图3 中度低温处理下弱光胁迫对不同叶龄叶片面积与干物质量的影响Fig.3 Effects of weak light stress on leaf area and dry matter of different leaf ages under moderate low temperature

在中度低温胁迫下(T2处理)，当弱光等级相同时，叶片与植株的干物质量随着叶龄增长呈增加趋势。叶龄为5～15 d时干物质量增长幅度较大，各处理差异显著(<0.05)；叶龄为15～25 d时干物质量增长幅度较小。随着弱光胁迫的加剧(由L1到L3)，不同叶龄的叶片与植株干物质量均呈降低趋势。表明叶片与植株干物质量随叶龄增长与弱光胁迫的减弱而不断增加，但当叶龄增长到一定程度时(超过15 d)，叶片与植株干物质量增长幅度下降。

重度低温胁迫下(T3处理)，不同叶龄叶片的叶面积与CK、T1、T2处理相比均有一定程度下降(图4)。当弱光等级相同且叶龄为5～10 d时，叶片的叶面积随着叶龄增长呈显著(<0.05)增加趋势；当叶龄为10～25 d时，叶片的叶面积增长减缓。此外，随着弱光胁迫的加剧(由L1到L3)，不同叶龄的叶面积均呈减少趋势。这表明叶面积随叶龄增长与弱光胁迫的减弱而不断增加，但当叶龄增长到一定程度时(超过10 d)，叶面积基本不再增加。当弱光等级相同时，叶片与植株的干物质量随着叶龄增长呈增加趋势。5～10 d叶龄的干物质量增长幅度较大，10～25 d叶龄的干物质量增加缓慢。随着弱光胁迫的加剧(由L1到L3)，不同叶龄的叶片与植株干物质量均呈降低趋势。这表明叶片与植株干物质量随叶龄增长和弱光胁迫的减弱而不断增加，但当叶龄增长到一定程度时(超过10 d)，叶片与植株干物质量增长幅度较小。

图4 重度低温处理下弱光胁迫对不同叶龄叶片面积与干物质量的影响Fig.4 Effects of weak light stress on leaf area and dry matter of different leaf ages under severe low temperature

2.2 不同温度条件下叶面积与干物质量的变化

与CK相比，轻度低温胁迫下(T1处理)，不同弱光胁迫下不同叶龄的叶片叶面积均降低；其中，L1、L2条件下，叶龄为5～20 d的叶面积下降幅度相对较小(最大为15.8%)，叶龄为20～25 d的叶面积下降幅度小于3%。中度低温胁迫下(T2处理)，不同弱光胁迫下不同叶龄的叶片叶面积与CK相比均降低；其中，L1、L2条件下，叶龄为5～15 d的叶片叶面积下降幅度较大(最大为19.5%)，而叶龄为15～25 d的叶片叶面积下降幅度相对较小(小于6.8%)；在L3条件下，与CK对比，相较于其他叶龄，叶龄为5～15 d的叶片叶面积下降幅度均相对较大(达到28.8%)。重度低温胁迫下(T3处理)，与CK对比，叶龄为5～20 d的叶面积下降幅度均相对较大(达到25.2%)。这表明叶片从发育初期到迅速伸展期(叶龄为5～15 d)，叶片叶面积受低温弱光胁迫影响较大，而当叶片发育成熟后(叶龄为15～25 d)叶面积受低温弱光胁迫影响较小，变化幅度较小。

与CK中不同弱光胁迫的叶片干物质量相比，不同程度的低温胁迫下(T1～T3处理)不同叶龄的叶片干物质量均降低，且变化规律与对应的叶面积一致，只是变化幅度相对较小。其中，L1和L2处理(PPFD大于100 μmol·m·s)中，叶龄为5～20 d的叶片干物质量下降幅度较大(最大为10.6%)，而叶龄为20～25 d的叶片干物质量下降幅度相对较小(小于2%)。L3处理(重度弱光胁迫)与CK相比，叶龄为5～20 d的叶片干物质量下降幅度均相对较大(达到20.3%)。表明叶片从发育初期到迅速伸展期，叶片干物质量受低温弱光胁迫影响较大，而当叶片发育成熟后，叶片干物质量受低温弱光胁迫影响较小。

3 讨论

3.1 连续弱光对不同叶龄叶片形态变化的影响

叶片在生育期不同阶段对光照需求与敏感程度不一样。叶片在发育初期主要依靠其他源器官合成的同化物来保证其正常生长，此时外部光照对叶片生长影响较小。当叶片进入迅速伸展期，叶片从吸收有机物(同化物)的库器官开始逐渐转变为提供同化物的源器官，此时外部光照对叶片生长影响较为显著。本研究中，在满足一定温度前提下，当叶龄小于5 d时，弱光胁迫对叶片叶面积增长与干物质量积累影响较小；当叶龄为5～15 d时，随着弱光胁迫的加剧，叶片叶面积与干物质量不断下降且变化明显。当叶龄大于15 d时，由于叶片生长逐渐成熟，此时，随着弱光胁迫的加剧，叶片叶面积增长幅度较小且干物质量呈下降趋势。这表明叶片进入成熟期后叶面积受到弱光胁迫的影响较小，而且弱光促使叶片将光合产物向其他库器官输送同化物的能力显著增强，这与前人相关研究结果基本一致。

3.2 不同程度的低温弱光胁迫对叶片形态变化的影响

受植物器官种类与生育期特性等因素影响，叶片在生长过程中对温度、光照的敏感性和需求水平有所差异。因此，为避免因外部环境胁迫导致叶片生长出现异常，及时掌握叶片在不同生育期所需的温度与光照条件对于植物生长及其环境监测至关重要。常温下适度的光照不仅有利于黄瓜叶片进行光合作用而且也是确保作物正常生长发育的必要条件，低温下弱光使得光合速率下降，并对叶片光合功能造成一定伤害，从而导致叶片形态变化受到抑制。本研究中，PPFD大于200 μmol·m·s时，温度为15～25 ℃能够确保不同叶龄的叶片正常生长，表明轻度低温胁迫基本不影响叶片的正常生长发育；当PPFD小于200 μmol·m·s，温度过低(中度低温胁迫)对叶片形态变化有一定影响，此时处于迅速伸展期(叶龄5～15 d)的叶片由于低温下受到光抑制影响，叶面积增长量明显减少，但叶片与植株的干物质量有所增加，这与前人的研究结果基本一致。在重度低温胁迫下，当光照由中度弱光(L2)转为重度弱光(L3)时，虽然叶片叶面积无明显变化，但叶片与植株的干物质量有所减少。这表明当温度为5～10 ℃，PPFD为0～100 μmol·m·s时，虽然叶片光合生产能力下降，但并未导致叶片生长代谢过程出现停滞，反而在一定程度上促进了叶片形成的光合产物在不同器官之间的输送与分配。

4 结论

轻度的低温弱光(15～20 ℃，PPFD为200～400 μmol·m·s)胁迫对黄瓜叶片的正常发育不构成显著威胁；在中度低温(10～15 ℃)与弱光(PPFD为100～200 μmol·m·s)胁迫下，处于伸展期(叶龄5～15 d)的叶片叶面积增长量明显减少，叶干物质量有所增加；而重度低温(5～10 ℃)与弱光(0～100 μmol·m·s)条件下叶龄小于15 d的叶片形态发育基本停滞。由此可知，黄瓜生产中应避免中度以上低温弱光胁迫(5～15 ℃，PPFD为0～200 μmol·m·s)对黄瓜生长发育的影响。