光照强度对西藏虎头兰幼苗生长及光合特性的影响*

朱舒靖，秦惠珍，许爱祝，邓丽丽，刘世勇，蒋 强，柴胜丰**

(1.广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所，广西植物功能物质研究与利用重点实验室，广西桂林 541006；2.广西师范大学生命科学学院，广西桂林 541006；3.广西雅长兰科植物国家级自然保护区管理中心，广西百色 533209)

西藏虎头兰(CymbidiumtracyanumL.Castle)又称黄蝉兰、大花虎头兰，为兰科兰属多年生草本植物。野生资源主要分布在广西西南部、四川西南部、贵州西南部、云南和西藏东南部[1]。西藏虎头兰属于附生兰花，靠根附着在树干或岩石上生长，根部常暴露在空气中，对空气湿度的要求较高，喜欢日温差大的环境条件[2]。因生境特殊，野生资源少，该物种已被列入《国家重点保护野生植物名录》。西藏虎头兰花大，花色艳丽，香气袭人，花期长达40多天，观赏价值颇高，深受国人青睐[3,4]。因具有较高的观赏价值，近几十年来西藏虎头兰遭到人为毁灭性采挖，其生态环境被破坏，种群数量急剧减少，受到巨大生存威胁[5]，因此，开展西藏虎头兰的野生资源引种栽培显得尤为重要。目前，关于西藏虎头兰的研究主要集中在组织培养与快繁[6,7]、花香成分分析[8]等方面，而关于西藏虎头兰光合特性方面的研究较少。匡美龄等[9]研究发现，西藏虎头兰中存在环式电子，该环式电子传递的激发程度高，有助于西藏虎头兰在强光下进行光保护。Li等[10]发现西藏虎头兰的光系统Ⅱ(PSⅡ)对低温-光胁迫比光系统Ⅰ(PSⅠ)更敏感。在长期低温胁迫下,循环电子流(CEF)对西藏虎头兰PSⅠ和PSⅡ的光保护有利。而关于西藏虎头兰在不同光照强度下的生长状况及光合特性未见相关报道。本研究以西藏虎头兰为研究对象，期望通过探究西藏虎头兰在不同光照强度下的生长状况及光合特性，揭示其对不同光照强度的适应性，为西藏虎头兰的合理栽培与有效保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于广西植物所桂林植物园兰科植物种质资源圃(25°05′27″N，110°18′03″E)，气候属中亚热带季风区，冬冷夏热，年均气温19.2℃。1月为最冷月，平均气温约8.2℃；7月为最热月，平均气温约28.4℃。极端最高气温40℃，极端最低气温-5.5℃[11]。年相对湿度78.0%，具有明显的干湿季。

1.2 试验材料及处理

选择生长健壮、苗龄为2 a的西藏虎头兰植株，株高为(25.15±0.23) cm、分株基径(1.25±0.11) cm、冠幅(22.52±0.30) cm。西藏虎头兰稍喜阴，但在阳光直射的地方也能生长良好[12]。根据该特性，本研究通过搭建遮荫棚设置4种光照处理：8%、20%、45%和100%全光照，8%光照强度为对照。除光照强度不同外，其余栽培管理一致。6月初将长势基本一致的苗木放置于不同遮荫棚下，每种处理6盆。3个月后对西藏虎头兰在不同光照强度下的光合日变化、光响应曲线、叶绿素含量和生长指标等进行测定，每种处理重复3次。由于西藏虎头兰幼苗不耐强光，100%光照强度下的植株全部死亡，因此未测定这一处理下的光合指标。

1.3 方法

1.3.1 生长指标测定

使用游标卡尺对不同光照条件下的植株生长指标进行测定，测量指标包括株高、分株基径、冠幅和最大叶长，每个指标重复3次，记录每次测量数据。

1.3.2 叶绿素含量的测定

取无病虫害且健康完整的叶片0.1 g，剪碎后放入25 mL试管中，加入95%乙醇10 mL，避光浸泡24 h，待叶片全部变为白色时取上清液5 mL，乙醇定容至25 mL，以95%乙醇为空白对照进行比色测定。采用紫外可见分光光度计Alpha 1502(上海谱元仪器有限公司)分别测定波长470 nm、649 nm、665 nm时的吸光度，计算叶绿素a (Chl a)、叶绿素b (Chl b)、类胡萝卜素(Car)的含量及Chl a/Chl b、Car/Chl (a+b)。每个处理3次重复，记录每次测定含量。

1.3.3 光合日变化的测定

选择晴朗天气，于8:00-17:00，利用Li-6400便携式光合作用仪(Li-Cor,Lincoln,Nebraska,USA)的自然光叶室，测定不同光照强度下西藏虎头兰的光合指标和环境因子日变化，测定参数包括空气CO2浓度(Ca)、光合有效辐射(PAR)、空气相对湿度(RH)和空气温度(Ta)、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)等。每个光照强度取同一叶位的无病虫害且健康完整的叶片进行测量，重复3次，记录每次测定数据。

1.3.4 光响应曲线的测定

光响应曲线采用Li-6400便携式光合仪LED红蓝光源叶室测定，测定时间为9：00-11：30，选择每株叶片中段成熟、无病虫害的叶片进行测量。光照强度从大到小依次设置为1 200 μmol·m-2·s-1、1 000 μmol·m-2·s-1、800 μmol·m-2·s-1、600 μmol·m-2·s-1、400 μmol·m-2·s-1、200 μmol·m-2·s-1、150 μmol·m-2·s-1、100 μmol·m-2·s-1、75 μmol·m-2·s-1、50 μmol·m-2·s-1、20 μmol·m-2·s-1、0 μmol·m-2·s-1；使用CO2钢瓶控制CO2浓度为400 μmol·m-2·s-1，测量前将叶片置于600 μmol·m-2·s-1光照强度下进行诱导，每个光照强度重复3次，记录每次测量数据。

1.4 数据处理

采用Excel 2016对生长指标、光合色素含量、光合日变化、光响应曲线参数等进行初步分析，采用SPSS软件进行Pearson相关性分析和显著性分析，用最小显著性差异性法(LSD法)进行多重比较。采用叶子飘的光合计算软件4.1.1双曲线修正模型对光响应曲线进行拟合[12]，并得出光补偿点(LCP)、光饱和点(LSP)、表观量子效率(AQY)、暗呼吸速率(Rd)、最大净光合速率(Pmax)等参数。使用Origin 2021a进行相关图表制作。

2 结果与分析

2.1 主要环境因子日变化规律

由图1可知，3组光照强度处理下的光合有效辐射日变化曲线均为“单峰”型，峰值出现在12：30，45%光照强度PAR最大，为470.68 μmol·m-2·s-1；20%光照强度次之，为285.68 μmol·m-2·s-1；对照(8%光照强度)的PAR最小，为175.74 μmol·m-2·s-1。空气CO2浓度(Ca)在上午8：00最高，随后下降并稍有波动，Ca大小总体上表现为对照>20%光照强度>45%光照强度。3组光照强度处理下的Ta均于15：30出现最高峰，随后呈下降趋势；Ta大小表现为45%光照强度>20%光照强度>对照。3组光照强度下RH整体变化与Ta相反，基本呈“V”型变化。

图1 环境因子日变化过程

2.2 光照强度对虎头兰生长指标的影响

由表1可知，西藏虎头兰在不同光照强度下的生长量不同，其中在20%光照强度下的西藏虎头兰各生长指标均处于最佳状态，其株高和冠幅均显著高于45%光照强度(P<0.05)，但与对照处理差异不显著(P>0.05)；20%光照强度下分株基径和最大叶长显著高于其他2个光照强度处理(P<0.05)。不同光照强度处理下西藏虎头兰生长状况如图2所示，可以明显看到20%光照强度下西藏虎头兰长势最好，对照次之，45%光照强度长势最差，叶片出现枯萎现象。

表1 不同光照强度对西藏虎头兰生长的影响

Left:8% light intensity;middle:20% light intensity;right:45% light intensity

2.3 光照强度对西藏虎头兰光合色素含量的影响

由表2可知，叶片Chl a、Chl b和Car含量均随着光照强度的增加而显著下降(P<0.05)，与对照相比，20%光照强度的Chl a、Chl b和Car含量分别下降36.14%、35.29%、18.75%，45%光照强度的Chl a、Chl b和Car含量分别下降68.67%、70.59%、56.25%。随着光照强度的增加，Chl a/Chl b在各处理间无显著差异，Car/Chl (a+b)随着光照强度的增加而增加，这有助于减少西藏虎头兰叶片对光能的吸收，减轻强光造成的损害。

表2 不同光照强度下西藏虎头兰光合色素含量

2.4 光照强度对西藏虎头兰光合日变化的影响

西藏虎头兰Pn日变化如图3(a)所示，对照和20%光照强度下的Pn日变化曲线呈“单峰”型，峰值出现在11：00，分别为0.84 μmol·m-2·s-1和1.16 μmol·m-2·s-1，随后Pn呈下降趋势。45%光照强度的Pn日变化曲线呈“双峰”型，表现出光合“午休”现象，峰值分别出现在9：30和15：30，其大小分别为0.43 μmol·m-2·s-1和0.38 μmol·m-2·s-1，前一个峰值大于后一个峰值。8%、20%、45%光照强度下西藏虎头兰的日均净光合速率分别为0.55 μmol·m-2·s-1、0.78 μmol·m-2·s-1和0.23 μmol·m-2·s-1，可见20%光照强度下西藏虎头兰光合作用能力最强。

西藏虎头兰Tr和Gs的日变化规律分别如图3(b)和图3(c)所示，对照和20%光照强度下的Tr和Gs日变化曲线基本呈“单峰”型，均在11：00出现峰值，变化趋势基本一致；45%光照强度下的Tr和Gs日变化曲线呈“双峰”型，峰值分别出现在9：30和15：30。在8%、20%、45%光照强度下，西藏虎头兰日均Tr分别为0.19 μmol·m-2·s-1、0.15 μmol·m-2·s-1、0.17 μmol·m-2·s-1，对照的Tr最大，表明其蒸腾失水能力最强。西藏虎头兰日均Gs大小为20%光照强度(0.003 7 μmol·m-2·s-1)>对照(0.003 6 μmol·m-2·s-1)>45%光照强度(0.003 0 μmol·m-2·s-1)。

图3 光合日变化

西藏虎头兰Ci日变化曲线如图3(d)所示，对照和20%光照强度下的Ci日变化曲线与Pn日变化曲线相反，早晚的Ci处于较高水平，整体趋势为先下降后上升，呈“V”型曲线，在11：00出现谷值。45%光照强度下的Ci的变化趋势为“W”型，在9：30和15：30出现谷值。

从表3可以看出，对照的西藏虎头兰Pn与Ci呈显著负相关(r=-0.809)、与PAR呈极显著正相关(r=0.883)，表明影响Pn的主要因素是Ci与PAR，其中PAR的影响更为显著。在20%光照强度下，Pn与Gs呈显著正相关(r=0.858)、与Ci呈显著负相关(r=-0.868)、与Tr呈显著正相关(r=0.816)，Gs与Tr呈极显著正相关(r=0.975)，Ta与RH、Ca呈极显著负相关(r=-0.990，r=-0.896)，Ca与RH呈极显著正相关(r=0.878)，表明在一定的光照条件下，Pn同时受到自身多个光合指标因素的影响，而光合指标也受到环境因素的影响。在45%光照强度下，Pn主要受到PAR的影响(r=0.850)，Ta对Gs产生显著影响(r=-0.758)，Ci也受到PAR的影响(r=-0.786)。

表3 光合指标与环境因子相关性分析

2.5 光照强度对光响应曲线的影响

从表4可知，45%光照强度与20%光照强度、对照的光补偿点(LCP)具有显著性差异，而20%光照强度的LCP与对照无显著性差异。20%光照强度下西藏虎头兰的LCP最低，为8.86 μmol·m-2·s-1。不同光照强度下西藏虎头兰的光饱和点(LSP)具有显著性差异，20%光照强度的LSP为607.67 μmol·m-2·s-1，显著高于对照(424.03 μmol·m-2·s-1)和45%光照强度(220.37 μmol·m-2·s-1)，表明光照强度过低(对照)和过高(45%)都削弱了西藏虎头兰对光的利用能力。表观量子效率(AQY)越高，植株对弱光利用能力越强。本研究中，20%光照强度下的AQY显著高于对照与45%光照强度，说明在20%光照强度下的西藏虎头兰对弱光的利用效率最高。在3组不同光照强度下，20%光照强度下的西藏虎头兰的暗呼吸速率(Rd)最小，仅为0.18 μmol·m-2·s-1。由图4可知，不同光照强度下西藏虎头兰的光响应曲线变化趋势基本一致。最大净光合速率(Pmax)由大到小顺序为20%光照强度>8%光照强度>45%光照强度。20%与45%光照强度下的Pmax与对照相比分别升高115.56%和下降31.85%(表4)，表明适当增大光照强度有利于提高西藏虎头兰光合作用的能力，而过高光照强度会使西藏虎头兰光合作用受到一定程度抑制。

表4 不同光照强度下西藏虎头兰光响应曲线参数比较

图4 不同光照强度对净光合速率的影响

3 讨论

植物的生长状况反映了其对环境的适应能力[13]，当环境对其生长不利时，植物的生长会受到不同程度的影响。叶片是植物光能的直接受体，一般情况下，随着光照强度的减弱，植物会通过增大叶长、叶宽来增加叶面积以适应弱光条件[14,15]。当光照不能满足植物生长需求时，植物会将光合作用产生的有机物优先分配于其地上部分，使植株地上部分优先生长，使得植物能获得更多的光能[16]。本研究结果表明，对西藏虎头兰进行适当遮荫处理，能促进其生长，这是植株对弱光环境的适应性表现[17]，此结果与李雨霏等[18]对青钱柳的研究结果一致，不同遮荫处理在其他植物树高和叶长的研究中也有相同的发现，如珠子参和半夏生[19,20]。

叶绿素是植物捕获光能量子和传递能量的光合色素，其值高低反映植物光合作用和光吸收作用的强弱[21]。有研究认为，植物在弱光照强度下，为能捕获更多的光量子，通常会通过增加叶绿素含量来适应弱光条件[22]。叶绿素b在弱光环境能吸收蓝紫光进行光合作用，因此当植物生长在弱光环境时，可通过增加单位面积叶绿素(a+b)的含量，尤其是增加叶绿素b的含量来适应弱光环境[23]。本研究结果表明，随着光照强度的减弱，叶绿素(a+b)和叶绿素b含量均显著升高，各处理间差异显著，在8%光照强度下达到最大值，说明西藏虎头兰在弱光环境下，通过增加叶绿素含量来增强光照的吸收和适应弱光环境。叶绿素a/b是反映植物光合作用能力大小的指标，其值越低，说明对光照的利用能力越强[24]。本研究中叶绿素a/b随着光照强度的增加，表现为先减少后增加，其中20%光照强度下的叶绿素a/b达到最小值，表明西藏虎头兰在20%光照强度下对光的利用能力最强，此结果与王建华等[25]对连翘的研究结果一致。

光合作用是植物在生长发育中重要且复杂的一个过程，光合作用受到植物自身内部因素如蒸腾速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度等的影响，同时也受外界因素如空气相对湿度、空气温度、空气二氧化碳浓度和光合有效辐射的影响[26]。对照和20%光照强度下的Pn日变化基本相似，呈“单峰”型曲线，随着PAR逐渐增高，Pn增大，在11：00达到最大值，随后迅速下降，未出现光合“午休”现象，在同一PAR下，Pn大小表现为20%光照强度>对照，表明过低的光照强度会使西藏虎头兰的光合能力受到限制，这与夏婵等[27]对赤皮青冈幼苗的研究结果一致。在45%光照强度下的西藏虎头兰由于午间温度和PAR过高，Pn日变化呈“双峰”型曲线，出现光合“午休”现象。45%光照强度与对照、20%光照强度相比，日均Pn最低，表明过高的光强可能会对西藏虎头兰的光合细胞造成破坏，产生光抑制，导致净光合速率降低，对植株的生长产生影响，出现植株矮小、叶片面积过小的现象。这与高秋美等[28]对多花黄精的研究结果一致。

光照强度对植物的形态建成和生长具有重要意义，同时也影响着植物的光合指标[29]。LCP和LSP反映植物需光特性和需光量，LSP越高，表明植物能利用更高强度的光照进行光合作用[30]。西藏虎头兰在不同光照强度下的LSP和LCP存在显著性差异，但LSP均在607.67 μmol·m-2·s-1及以下，表现出耐阴植物的特点[31]。

4 结论

本研究结果表明，西藏虎头兰能通过调整其光合生长特性来适应不同的光照强度。西藏虎头兰在20%光照强度下其株高、冠幅和基径等生长指标最佳，表明20%光照强度下西藏虎头兰的长势最好。此外，西藏虎头兰在20%光照强度下的光补偿点最低，光饱和点、表观量子效率和最大净光合速率最高，表明20%光照强度下西藏虎头兰光合作用能力最强。由此可见，20%光照强度为西藏虎头兰的适宜生长光照强度。因此在西藏虎头兰栽培繁殖过程中，注意遮荫的同时也应该提供一定的光照来促进西藏虎头兰的生长。