低温弱光胁迫对设施黄瓜叶片形态变化的影响

唐卫东，刘振文，刘冬生

(1.井冈山大学电子与信息工程学院，江西 吉安 343009；2.江西省农作物生长重点实验室，江西 吉安 343009)

【研究意义】叶片不仅是构成植株冠层结构的重要部分，也是影响农作物生产的重要器官。低温弱光是温室越冬和早春季节生产中最具威胁性的逆境之一[1-3]，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，可导致叶性状变化出现异常[4-5]。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。【前人研究进展】为了探究叶性状对外境变化的适应性，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。例如，Pan和Paula等[6-7]探究了基于温度、光强等环境因子作用的黄瓜叶片光饱和点、最大光合速率及表观量子效率等变化规律；熊宇等[8]根据不同光照下黄瓜叶片的光合参数和荧光参数，发现遮光使得叶片中叶绿素含量升高，而类胡萝卜素含量变化不大，且叶片气孔导度和蒸腾速率均下降，而净光合速率降低。叶片功能性状虽然能间接地反映叶器官对外部环境的生理适应性但比较抽象，而叶片形态性状既是生理功能的外在表现，又能够直观地表征叶器官对外部环境变化的适应性。例如，Skupien和Georgios等[9-10]探究了温度变化对黄瓜叶片光合速率、蒸腾速率以及叶绿素组成结构与含量的影响；陈春宏等[11]从光合有效辐射对黄瓜叶片光合作用、器官发育及干物质累积与分配等方面研究了光照强度对不同生育阶段黄瓜叶片的影响规律；李丹丹等[12]探究了光照强度对黄瓜叶片光合产物积累及代谢功能的生理影响。以上相关成果较好地探寻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[13-14]。例如，已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它环境因子共同影响叶性状特性的变化，而探究多因素对叶性状及其特性变化的影响尚不够深入。此外，针对黄瓜叶性状在逆境下的变化规律，目前大多成果主要集中于探究叶性状特性及其受外部环境因子影响规律[15-16]，而缺乏在多重逆境下针对不同叶序、叶龄叶片与叶片形态性状特征变化及其相互关系的深入研究。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性状特征及参数之间呈现出一定的相关性[17-19]。例如，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，但在低温下光照将使得光合速率出现下降，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[20-21]。【本研究切入点】随着精细农业及数字农作等技术的快速发展[22-23]，深入探索低温弱光胁迫下叶片性状特征变化及其相互关系，不仅有助于更好地对作物生长动态进行定量分析与实时监测，还有利于进一步揭示作物-环境互作规律。【拟解决的关键问题】本文通过研究低温弱光胁迫对黄瓜不同叶序叶片形态变化的影响，探寻叶面积、叶干物质量等叶片形态特征对不同程度低温弱光胁迫的响应规律，既为逆境下作物叶性状特征的分析和预测提供支持，也为温室环境管理及优化调控提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验选用常见的水果型黄瓜品种“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可控温室中，缓苗两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(2∶1配比)。每袋种植4株，栽培密度为2.4株/m2，株行间距均匀。在黄瓜栽培管理时，除植株第3节以下，其余节位均保留一个花芽，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月至2019年3月分别在4个相同规格的单体可控温室内进行，每个温室顶高4.5 m，肩高4 m，宽6 m，长20.0 m。在温室内采取搭架并在其上覆盖黑色遮阳网，架高2.5 m。试验按照温度变化范围设置1个对照处理与3个低温胁迫处理，即：温度20～25 ℃为适温生长(CK，即对照处理)、温度15～20 ℃为轻度低温胁迫(T1)、温度10～15 ℃为中度低温胁迫(T2)、温度5～10 ℃为重度低温胁迫(T3)。同时，通过遮阳网对自然光进行遮光处理，并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个对照等级(CL)与3个弱光胁迫等级(L1、L2及L3)，即：PPFD值400～600 μmol/(m2·s)为对照等级(CL)、PPFD值200～400 μmol/(m2·s)为轻度弱光胁迫(L1)、PPFD值100～200 μmol/(m2·s)为中度弱光胁迫(L2)、PPFD值0～100 μmol/(m2·s)为重度弱光胁迫(L3)。每个低温弱光处理15株幼苗，重复3次。CO2的释放由CO2人工钢瓶提供，浓度控制在(400±5) μmol/mol范围内，相对湿度控制在75%。在上述不同处理下分别随机选定长势相当的5棵植株作为样本进行试验观测，将处理T1、T2、T3下的试验观测数据分别与对照处理CK下的试验观测值进行比较分析。

1.3 观测指标

考虑到黄瓜叶片在生育期内形态变化特性且单叶从出叶到定形大约15～25 d，本文主要对生育期内不同叶序叶片的叶面积、叶干物质量等形态参数变化进行观测。针对所选定的试验样本，依次将不同叶序叶片作为观测对象。考虑到叶片形态随主茎上不同叶序叶片分布变化的影响，为了掌握植株不同叶序叶片形态特征变化规律，分别在植株样本上间隔选取叶序为5、10、15、20、25且叶龄为15的叶片进行监测，并对相应叶序叶片的叶面积、叶干物质量等叶片形态指标进行数据采集。对以上不同处理下的样本观测结果取平均值，将其作为黄瓜叶片形态参数观测值，并用于实验对比分析。

1.4 数据采集方法

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。其中，针对试验样本的叶面积采用托普云农叶面积测定仪进行实时监测,并采取非破坏性方式进行测定；而叶片干物质量则是采取破坏性方式进行测定，即先将采摘的新鲜叶片放入干燥箱中，在105 ℃下杀青30 min后，调温于60 ℃干燥至干质量恒定，冷却后再用天平称重。

1.5 相关参数计算公式

为了便于描述不同低温弱光胁迫对黄瓜叶片形态变化的影响，本文将不同处理下获得的叶片叶面积、干物质量分别与对照处理CK下的相应指标观测值进行对比，并依次采用叶面积相对变化率、叶片干物质量相对变化率表示。叶面积相对变化率计算公式为:

(1)

式中，vs为叶面积相对变化率；sC为对照处理CK下的叶片叶面积(cm2)；sT为各处理(T1、T2、T3)下的叶片叶面积(cm2)。

叶片干物质量相对变化率计算公式为：

(2)

式中，vg为叶片干物质量相对变化率；gC为对照处理CK下的叶片干物质量(g)；gT为各处理(T1、T2、T3)下的叶片干物质量(g)。

1.6 数据处理方法

采用Microsoft Excel 2010记录数据，SPSS 16.0统计分析数据，采用Microsoft Excel 2010绘图。

2 结果与分析

2.1 不同部位叶片的形态变化

在处理CK下，从不同叶序的叶片(叶龄为15 d)叶面积实验观测结果得知(图1)，处于植株中部位置的叶序为15的叶片叶面积明显比处于植株两端的叶序为5、25的叶片叶面积更大，且随着光量子通量密度(PPFD)的不断下降，不同叶序叶片的叶面积均呈下降趋势，其中，越接近植株中下部的叶片叶面积下降尤为显著，处于植株下部的叶序为5的叶片叶面积下降幅度最大。同时，从不同叶序的叶片干物质量实验测定结果得知，当PPFD值为400～600 μmol/(m2·s)(CL)时，不同叶序叶片的干物质量总体相差较小。而随着弱光胁迫的增加，不同叶序叶片的干物质量均呈下降趋势，其中，越接近植株中上部的叶片干物质量下降尤为显著，处于植株上部(叶序为25)的叶片干物质量下降幅度最大。

图1 处理CK下不同叶序叶片的形态变化Fig.1 Morphological changes of different leaf sequences under CK treatment

由试验观测结果发现，轻度低温胁迫下(处理T1)，不同叶序的叶片叶面积、干物质量变化规律基本上与处理CK相似(图2)。

图2 处理T1下不同叶序叶片的形态变化Fig.2 Morphological changes of different leaf sequences under T1 treatment

在中度低温胁迫下(处理T2)，不同叶序叶片的叶面积与处理CK、T1相比均有一定程度下降(图3)。处于植株中部位置的叶序为15的叶片叶面积比处于植株两端的叶序为5、25的叶片叶面积略大。随着弱光胁迫的增强，植株中下部的叶片相对上部叶片的叶面积下降幅度更大。同时，不同叶序叶片的干物质量与处理CK、T1相比均有一定程度下降。随着弱光胁迫的加剧，不同叶序叶片的干物质量均呈相应的下降趋势。

图3 处理T2下不同叶序叶片的形态变化Fig.3 Morphological changes of different leaf sequences under T2 treatment

当出现重度低温胁迫(处理T3)，不同叶序叶片的叶面积与处理CK、T1、T2相比均有一定程度下降(图4)。植株上不同叶序叶片叶面积差异不大，而随着弱光胁迫的不断加剧，植株各部位叶片的叶面积下降显著(最大下降幅度为40.3%)。同时，不同叶序叶片的干物质量与处理CK、T1、T2相比均有一定程度下降，且随着弱光胁迫的加大，植株各部位叶片的干物质量下降幅度显著增大(最大下降幅度为20.6%)。

图4 处理T3下不同叶序叶片的形态变化Fig.4 Morphological changes of different leaf sequences under T3 treatment

2.2 连续低温对不同部位叶片形态变化的影响

从不同叶序叶片的形态变化规律得知，与对照处理CK相比，从处理T1到T3，随着低温胁迫的不断加剧，叶片叶面积、干物质量都呈下降趋势。当温度为10～20 ℃时(轻度、中度低温胁迫)，紧邻植株中部位置的叶片叶面积明显比处于植株两端的叶片叶面积更大；而温度为5～10 ℃时(重度低温胁迫)，植株上不同叶序位置的叶片形态变化较小且彼此差异不明显。同时，叶片干物质量与叶面积变化类似。在连续低温处理下，当弱光等级为L2时不同叶序叶片叶面积及干物质量对比结果(图5)。这表明分布在植株不同叶序位置的叶片形态随温度变化存在一定差异。

图5 连续低温对不同叶序叶片形态变化的影响Fig.5 Effects of continuous low temperature on leaf morphology of different leaf sequences

2.3 与对照处理CK下的叶片形态变化比较

与对照处理CK中不同弱光胁迫下的叶片叶面积相比，轻度低温胁迫下(处理T1)，不同叶序的叶片叶面积均呈相应的下降趋势，如表1所示。其中，植株中下部的叶片叶面积下降幅度相对较大，尤其是当弱光胁迫达到最大(L3)时，叶序为5的叶片叶面积下降幅度最大(达到25.5%)。同时，与对照处理CK中不同弱光胁迫下的叶片干物质量相比，不同叶序的叶片干物质量也总体呈现对应的下降趋势，但是下降幅度均不大(小于10%)。

与对照处理CK中不同弱光胁迫下的叶片叶面积相比，中度低温胁迫下(处理T2)，不同叶序的叶片叶面积均呈相应的下降趋势，如表1所示。其中，植株中下部的叶片叶面积下降幅度逐渐增大，当出现重度弱光(即L3)时，叶序为5的叶片叶面积下降幅度达到30.5%。同时，与对照处理CK中不同弱光胁迫下的叶片干物质量相比，不同叶序的叶片(叶龄为15 d)干物质量也总体呈现对应的下降趋势，下降幅度相比处理T1有所增加(最大为14.8%)。而且，随着弱光胁迫的不断加剧，处于植株中上部的叶片干物质量下降增幅相比植株下部更大。这表明随着低温弱光胁迫的加剧，叶片光合同化物出现较大程度的减少，并在植株不同叶序位置的叶片分配上也存在较大差异。

表1 低温弱光胁迫对不同叶序叶片形态变化的影响

与对照处理CK中不同弱光胁迫下的叶片叶面积相比，重度低温胁迫下(处理T3)，不同叶序的叶片叶面积均呈相应的下降趋势(表1)。其中，植株中下部的叶片叶面积下降幅度逐渐增大，当弱光胁迫最大(L3)时，叶序为5的叶片叶面积下降幅度达到40.3%。同时，与对照处理CK中不同弱光胁迫下的叶片干物质量相比，不同叶序的叶片干物质量也总体呈现对应的下降趋势，下降幅度相比处理T2有所增加(最大为20.6%)。而且，随着弱光胁迫的不断加剧，处于植株中上部的叶片干物质量下降增幅相比植株下部更大。这表明随着低温弱光胁迫的加剧，叶片光合同化物出现较大程度的减少，并在植株不同叶序位置的叶片分配上也存在较大差异。

3 讨 论

从不同低温处理试验结果得知，在一定温度范围内，轻度低温胁迫对黄瓜植株上不同叶序叶片形态发育基本没有影响，且靠近植株中部位置的叶片表现出较强的光合生产与同化物转化能力，从而使得叶面积增长、干物质积累速率均比植株两端叶片更大。张红梅等[20]研究发现，过低的温度(重度低温胁迫)使得叶片的呼吸作用降低、同化物运输的有效能量减少。本研究实验结果也进一步表明，当低温胁迫由中度转为重度时，不同叶序叶片叶面积及干物质量增长均出现下降，这表明低温胁迫的加剧对叶片光合生产及同化物分配能力会产生较大影响。针对连续弱光对不同叶序叶片形态变化的影响，当弱光胁迫不断加剧(由L1到L3)，黄瓜叶片形态经历了较为复杂的变化。处于植株中下部的叶片由于受到遮光影响而使其光合能力下降，而呼吸作用及同化物转化能力则得到增强，因此，其叶面积相比植株中上部叶片更小，而干物质量则更大。而且，弱光等级相同时，与叶片干物质量相比，叶面积随叶序变化更明显。这表明当PPFD在0～400 μmol/(m2·s)变化时，黄瓜叶片叶面积变化与叶序关系较为显著，而当PPFD一定时不同叶序叶片干物质量差异较小。

此外，针对不同程度的低温弱光胁迫对叶片形态变化的影响，LIISA等[24]通过研究得知受植物器官种类及生育期特性等因素影响，叶片在生长过程中对温度及光照的敏感性及需求水平有所差异。因此，为避免因外部环境胁迫而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。从本文在低温弱光胁迫下的黄瓜叶片生长实验结果中发现，当PPFD大于200 μmol/(m2·s)，温度为15～25 ℃能够确保不同叶序及叶龄的叶片正常生长，且紧邻植株中部的叶片长势更好；而温度为10～15 ℃时，叶龄小于15 d的不同叶序叶片形态变化较小且彼此差异不大。这表明轻度低温胁迫基本上不影响叶片的正常生长发育，但当PPFD小于200 μmol/(m2·s)，并在中度弱光胁迫(L2)下，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，而叶片干物质量有所增加，这与前人开展的研究结果基本一致[25]。此外，从以上实验观测结果发现，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，但叶片干物质量有所减少。这进一步表明当温度为5～10 ℃时，PPFD值0～100 μmol/(m2·s)虽然使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[18]。

4 结 论

低温弱光胁迫对黄瓜植株叶片的叶面积、干物质量均有不同程度影响，其中，植株中下部的叶片叶面积下降较为显著，而植株中上部的叶片干物质量下降较为显著。植株中部的叶片叶面积受轻、中度低温胁迫影响显著，而重度低温胁迫对不同叶序叶片形态变化影响较小且彼此差异不明显。弱光胁迫导致叶片叶面积随叶序变化较大，而当光量子通量密度一定时叶片干物质量随叶序变化较小。虽然低温弱光胁迫对黄瓜植株中下部叶片形态影响较大，但轻度低温弱光胁迫不影响黄瓜叶片的正常发育。本研究表明，轻度低温胁迫对黄瓜植株不同叶序叶片形态发育基本没有影响，且靠近植株中部位置的叶片表现出较强的光合生产与同化物转化能力。