遮阴处理对粗肋草生长、光合特性和养分质量分数的影响1)

郑雪燕

(福建省洋口国有林场，南平，353211)

粗肋草(Aglaonemacommutatun)又名广东万年青、亮丝草，天南星科(Araceae)观叶植物，原产于亚洲热带地区，主要分布于马来西亚、菲律宾等地，是近年来我国引进的多年生彩叶植物[1]。“如意”是彩叶粗肋草中较受欢迎的品种之一，其茎通直不分叉，叶片狭长且色彩斑斓，极具观赏价值，具有较高的开发利用价值以及市场潜力[2-3]。近年来随着人们生活水平的不断提高，市场上对彩叶粗肋草的需求不断增加，同时对包括叶色在内的植株的苗木质量要求更高，因此，如何培育高质量彩叶粗肋草苗木满足日益增长的市场需求已成为当前亟待解决的问题。通过传统的良种选育和杂交育种是获得具有优良性状后代的一种常用方法，但这些方法存在周期长等问题。近年来越来越多研究表明，基于光环境管理的苗木培育是一种十分有效苗木培育方法，通过改变植物生长环境的光照条件，改变叶片中光合色素含量和比例，进而对植物光合能力和叶色产生调控，最终影响苗木的生长和叶片的观赏性[4-7]。因此基于光环境调控的苗木培育已成为一些观叶植物苗木优质栽培的主要方法。尽管目前已有一些粗肋草“如意”的研究报道，但这些研究主要集中在组培[2-3]、叶色形成[8]、抗寒性[9]和叶片解剖结构[10]等方面，有关不同光照强度对“如意”生长的影响及其对不同光环境的适应性机制如何尚不清楚。有鉴于此，本研究以粗肋草“如意”品种为试验材料，采用人工遮阴的方法，从生长、光合生理和养分元素积累角度探讨“如意”对光环境变化的响应规律，筛选适宜“如意”生长的光照条件，揭示其在不同光环境下的适应机制，从而最终为“如意”苗木的优质高效培育提供理论依据。

1 材料与方法

“如意”幼苗由福建省鑫闽种业公司提供的驯化好的1个月龄的优良无性系植株。

1.1 试验设计

本试验地位于福建省洋口国有林场苗圃，年平均温度18.5 ℃，属亚热带季风性气候，气候温暖湿润，年平均气温18.5 ℃，年平均日照时间1 740.7 h，年平均降水量1 880.2 mm，无霜期达230 d。将1月龄“如意”幼苗于林场圃地中培养适应1个月，随后选取健康且长势一致的“如意”植株移栽入盆口直径8 cm，盆底直径6 cm，盆高7 cm，装有V(蛭石)∶V(珍珠岩)∶V(粗沙)=3∶2∶1基质的塑料小盆中。经2个月培养后，将植株移入不同遮阴处理中：CK(全光照)、T1(25%遮阴)和T2(50%遮阴)，每个处理3个重复每个重复10株幼苗，共90株。遮阴处理60 d后，调查不同处理下植株生长情况，根据生长调查结果从每个重复中选取1株作为标准株，每个处理共3株。随后利用标准株先进行无损指标如光响应曲线以及叶绿素荧光参数测定，随后收获植株，进行鲜质量测定，同时分析叶片光合色素质量分数，余下部分装入信封烘干称其质量用于养分元素质量分数分析。

1.2 测定方法

生物量测定：遮阴处理结束后，将标准株分为根和地上部，用纯水清洗干净后，吸水纸吸干水分，称其质量，接着将称好的样品装入信封中，置于烘箱中在105 ℃下杀青30 min，随后将温度调至75 ℃烘干至恒质量，称其质量。

根系形态测定：遮阴处理结束后，将标准株根系洗净，用吸水纸吸干水分后，不同处理下“如意”植株根系形态用根系扫描仪(STD1600 Epson)进行扫描，随后用根系分析软件(WinRhizo)对扫描图像进行分析，统计根长、根表面积、根直径和根系总体积根系形态指标[11]。

叶片光合色素质量分数的测定：遮阴处理结束后，从不同遮阴处理下“如意”的标准植株中选取成熟的叶片，将叶片用纯水洗净后，用剪刀去掉主脉，并将剩余叶片剪碎混匀。准确称取0.2 g叶片，加入95%乙醇充分研磨，并置于暗处静置提取15 min(期间手动颠倒提取液3次)，提取结束过滤离心取上清，沉淀用5 mL提取液清洗，合并上清液定容至25 mL。用紫外分光光度计测定在663、645、470 nm处溶液吸光值，随后根据相应公式计算光合色素质量分数[12]。

叶片叶绿素荧光动力学参数的测定：遮阴处理结束后，选取标准株成熟叶片，采用PAM-2500便携式叶绿素荧光测定仪，分析不同光照强度处理下“如意”植株成熟叶片的叶绿素荧光参数。叶绿素荧光测试方法按照李茂等[13]的方法进行。

叶片光响应曲线的测定：遮阴处理结束后，选取标准株成熟叶片，用LI-6400便携式光合仪(Li-Cor，Lincolin，USA)进行光响应曲线测定。光响应曲线测定法参照蔡建国等[14]方法进行。光响应曲线拟合采用直角双曲线修正模型[15-16]：Pn(I)=(α(1-βI)/(1+γI)I)-Rd，其中，Pn为净光合速率，I为光合有效辐射，α为初始量子效率，β和γ为系数，Rd为暗呼吸速率。根据模型利用DPS软件参考李晓宇等[17]方法计算表观量子效率、最大净光合速率、光饱和点和光补偿点等指标。

植株养分元素质量分数测定：遮阴处理结束后在测完上述指标后，将选出的标准植株根与地上部分离，分别洗净，并用吸水纸吸干随后烘干至恒质量。粉碎、过筛，称量后用硝酸-高氯酸混合液对植株样品进行高温消煮。使用ICP-MS(Perkin 8000)测定养分元素质量分数[18]。

1.3 数据处理

采用DPS 8.5软件对试验结果进行方差分析(P<0.05)和多重比较(LSD)，采用Origin8.5对结果进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同遮阴处理对“如意”生长的影响

如图1所示，不同遮阴处理下粗肋草“如意”的生长表型存在较大差异。其中，CK处理下“如意”植株叶片直立生长且泛黄，根的数量相对较少；而提高遮阴率至25%(T1处理)“如意”植株则生长良好，叶色鲜艳，根系发达；进一步提高遮阴率至50%(T2处理)，植株根系生长明显受抑。随着遮阴程度的增加，“如意”植株的地上部和根系生物量均表现为“先升后降”的趋势，且在T1处理下达到峰值。不同处理间根和地上部生物量由大到小均表现为T1、T2、CK，其中T1处理下的地上部和根生物量分别较CK提高126.08%和90.91%(表1)。可见，适宜的光照强度对“如意”生长至关重要，过高或者过低的光照强度均不适合其生长。

图1 不同遮阴处理对“如意”生长表型的影响

表1 不同遮阴强度时“如意”苗木生物量

2.2 不同遮阴处理对“如意”根系形态的影响

由表2可看出，不同遮阴处理对“如意”根系形态同样存在显著影响。随着遮阴程度的增加，不同处理“如意”根长、根表面积和根总体积均表现出“先升后降”的趋势，且均在T1处理达到最大值。与CK相比，T1处理中根长、根表面积和根总体积均显著高于前者(P<0.05)，分别较前者提高66.25%、39.16%和65.58%。此外，不同遮阴处理对“如意”平均根直径的影响不大，不同处理间根平均直径均不存在显著差异。

表2 不同遮阴强度时“如意”根系形态

2.3 不同遮阴处理对“如意”叶片光合色素质量分数的影响

如表3所示，遮阴处理能不同程度促进“如意”叶片光合色素质量分数的积累。“如意”叶片叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜质量分数对不同遮阴处理响应的规律类似，随着遮阴程度的提高，不同处理下上述光合色素质量分数表现由大到小为T2、T1、CK，且除T1和T2处理间叶绿素a质量分数不存在显著性差异外，不同处理之间光合色素质量分数均存在显著差异(P<0.05)，其中T2处理下叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素分别较CK提高103.19%和55.94%和52.05%。与CK相比，尽管遮阴处理也能提高w(叶绿素a)∶w(叶绿素b)值，但随着遮阴程度的增加，w(叶绿素a)∶w(叶绿素b)值呈“先升后降”的趋势，且在T1处达到峰值。其中T1处理下w(叶绿素a)∶w(叶绿素b)值显著高于CK(P<0.05)，较后者提高49.82%。因此，不同的遮阴处理能不同程度改善“如意”植株的生长状况，提高叶片光合色素质量分数，进而增强植物光合作用。

表3 不同遮阴强度时“如意”叶片光合色素质量分数

2.4 不同遮阴处理对“如意”光合-光响应曲线的影响

从图2可看出，在不同遮阴处理下，“如意”Pn随光合有效辐射(RPA)增加的变化规律类似，但RPA<200 μmol·m-2·s-1时，不同遮阴处理下Pn迅速增加。当RPA介于200～500 μmol·m-2·s-1时，Pn增速放缓，而当RPA>500 μmol·m-2·s-1时，Pn的变化趋势趋于平缓(T2处理)，甚至表现出逐渐下降的趋势(CK和T1)。整体而言，在RPA>200 μmol·m-2·s-1的光强条件下，相同光强条件下Pn大小均表现为：T1、T2、CK。由表4可知，遮阴处理降低了暗呼吸速率(Rd)和光补偿点(LCP)，而提高了光饱和点(LSP)。不同处理下表观量子效率(AQY)和最大净光合速率(Pnmax)的大小顺序均表现为T1、T2、CK。与CK相比，T1和T2处理下“如意”叶片表观量子效率分别提高31.25%和93.7，Pnmax分别提高50.86%和1.59%，光饱和点分别提高103.03%和147.48%，Rd分别下降46.00%和43.33%，光补偿点分别下降25.91%和34.35%。

图2 不同遮阴处理时“如意”叶片光合-光响应曲线

表4 不同遮阴强度时“如意”叶片光合—光响应参数

2.5 不同遮阴处理对“如意”叶片叶绿素荧光动力学参数的影响

由图表5可知，随着遮阴率的增加，粗肋草“如意”叶片的初始荧光值(Fo)逐渐降低，且不同处理间Fo值存在显著差异(P<0.05)。随着遮阴程度的增加，最大荧光(Fm)和可变荧光(Fv)值均呈“先升后降”的趋势，并在T1处理达到最大值，不同处理间Fm和Fv值均存在显著差异(P<0.05)，其中T1处理Fm和Fv值较CK提高49.20%和74.28%。与CK相比，遮阴处理能显著提高PSⅡ潜在光化学效率(Fv/Fo)值(P<0.05)，其中T1和T2处理Fv/Fo值分别较CK增加110.79%和121.67%。随着遮阴程度的增加，PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、非光化学猝灭(QNP)、光化学猝灭系数(qP)和PSⅡ实际光化学效率(YQ)均呈增加的趋势，且除YQ外，T1和T2处理中其余指标均显著大于CK(P<0.05)，其中T1和T2处理中Fv/Fm、NPQ和QP分别较CK增加16.74%和17.65%、55.80%和61.16%以及17.77%和15.00%(表5)。

表5 不同遮阴强度时“如意”叶片叶绿素荧光参数

2.6 不同遮阴处理对“如意”植株养分元素质量分数的影响

如表6所示，遮阴处理显著降低了“如意”根中磷和钙质量分数(P<0.05)，其中T1、T2处理中磷和钙质量分数分别较CK下降20.51%、27.66%和29.24%、25.80%。遮阴处理对“如意”根中镁质量分数没有显著影响，但与CK相比，T1处理显著降低了植株根中钾质量分数。遮阴处理对植株地上部中镁和磷质量分数没有显著影响，但显著提高了植株地上部中钾质量分数(P<0.05)，其中T1和T2处理地上部中钾质量分数分别较CK提高164.35%和109.39%(表6)。此外，T1处理下“如意”地上部中钙质量分数显著低于CK，较后者下降18.59%(P<0.05)，而T2和CK之间钙质量分数不存在显著差异。

表6 不同遮阴强度时“如意”植株养分质量分数

3 讨论与结论

光照是植物生长发育的重要生态因子之一，也是植物碳同化产物积累的主要能量来源[19]。光照强度过低，植物无法获得足够的光能，降低光合速率，从而不利于光合产物的合成，而光照强度过高，又会诱导活性氧在叶片中大量积累，损害光合机构，抑制光合作用，同样也不利于光合产物的积累。因此，适宜的光照强度对植物的正常生长至关重要。在本研究我们也发现不同的光照强度对“如意”的生长的影响存在较大差异。在适宜的光照强度下(T1处理)，植株叶色鲜艳，根系发达，且具有较大的生物量，而在高光强下植株地上和根系生长均受显著抑制，叶色泛黄，叶片直立内卷，这可能是该种植物在强光条件下为避免接收更多的阳光主动采取的一种减少阳光接收面积的适应性策略。类似地，过度遮阴(T2处理)同样不利于“如意”的生长，尽管其叶色较CK鲜艳，生物量也较CK处理要大，但是与T1处理相比，其生物量显著下降。这与梁永富等[20]关于多花黄精(Polygonatumcyrtonema)的研究结果相类似，表明适当遮阴有利于促进植株地上部分和地下部分的生长，而过高或者过低的光强均不利于其生长。与生物量结果类似，除根系平均直径外，T1处理下其余根系形态指标均显著高于CK处理，这可能主要由于该处理下植株具有较高的地上部生物量，为维持其正常生长植物需摄取更多的水分和养分，因此在该处理下植物通过将更多同化产物转运至根部促进其生长，以满足其生长对养分和水分的需求，因此这也是“如意”通过改变根系形态来适应遮阴条件的一种适应性策略。

作为光合色素的主要成分，叶绿素在植物光合作用中主要负责光能的吸收和转化[21]。植物叶片光合效率的高低一定程度上与叶绿素含量密切相关，研究表明一些植物在遮阴处理下会通过增加叶绿素含量来提高其在弱光环境中捕获能力，从而增强植物在弱光条件下的光合能力[22]。本研究发现，随着遮阴程度的加剧“如意”叶片叶绿素a和叶绿素b质量分数均呈显著增加的趋势，这与堇叶紫金牛(Ardisiaviolacea)[23]和疏叶骆驼刺(Alhagisparsifolia)[24]的研究结果一致，说明遮阴条件下“如意”同样能通过提高叶绿素质量分数来增强其对光能的捕获能力。类胡萝卜素除了参与光能捕获外，研究表明它还可作为内源活性氧清除剂，清除光合过程中产生过量活性氧，保护光合机构免受活性氧破坏[25]。本研究中发现与CK相比，遮阴处理叶片类胡萝卜素质量分数显著增加，该结果与不同处理下叶片表型结果一致，CK处理下叶片泛黄，而遮阴处理下叶片呈鲜艳绿色。导致这种结果的部分原因可能就是由于CK处理抑制了类胡萝卜素的合成，导致叶片清除活性氧的能力下降，无法耗散过多的光能，导致活性氧大量积累，造成叶绿素降解光合机构受损，从而表现出叶片发黄的表型。上述结果与闽楠(Phoebebournei)[22]和长叶榧(Torreyajackii)[26]的研究结果类似。w(叶绿素a)∶w(叶绿素b)反映了植物对弱光利用能力的高低，一般而言，该值越低在弱光条件下其对光能利用能力越强，植物越耐阴[20，27]。尽管随着遮阴程度的增加，“如意”w(叶绿素a)∶w(叶绿素b)同样表现出下降趋势，但是二者明显高于CK。尽管导致遮阴处理w(叶绿素a)∶w(叶绿素b)值高于CK的确切原因尚不清楚，但部分原因可能由于“如意”对强光较为敏感，全光照处理导致叶绿素降解，从而对w(叶绿素a)∶w(叶绿素b)产生一定的干扰。

植物光响应曲线的研究对于揭示植物光化学效率具有重要意义[23]。表观量子效率用于衡量光能转化效率的一种指标，该值越大表明植物在弱光环境下对光能的利用能力越强[22]。与CK相比，遮阴处理提高了“如意”叶片表观量子效率，但T2处理中表观量子效率与CK差异不大，说明“如意”对弱光环境具有一定的适应性。与表观量子效率类似，随着遮阴程度的增加“如意”叶片最大净光合速率也呈“先升后降”趋势，且T2处理下该值与CK差异也不大，该结果进一步说明对“如意”而言，适度遮阴有利于提高其光合效率促进植株生长，而过度遮阴则会降低其光合效率。光饱和点和光补偿点分别代表叶片对强光和弱光的利用能力[14]。遮阴处理显著提高“如意”叶片光饱和点，降低光补偿点，表明遮阴处理增强“如意”对强光和弱光的利用能力，这与闽楠(P.bournei)[22]和绣球(Hydrangeamacrophylla)[14]等研究结果类似。此外，遮阴处理还显著降低“如意”叶片暗呼吸值。因此，上述结果共同说明适宜的遮阴处理下，“如意”通过提高表观量子效率、光饱和点，降低光补偿点和暗呼吸速率来促进光合碳同化产物的积累，维持其在低光强条件下的碳平衡，促进其生长。这与黄波椤(Phellodendronamurense)[28]和连翘(Forsythiasuspensa)[29]等的研究结果类似。叶绿素荧光研究植物叶片内光合生理状态与环境胁迫关系的理想探针，任何因素对光合作用的影响都可以通过叶绿素荧光参数反映出来[30]。逆境胁迫会引起PSⅡ反应中心的不可逆破坏以及可逆失活，从而导致初始荧光升高，同时还会引起最大荧光降低，使PSⅡ反应中心的电子传递无法正常进行[31]。与CK相比，遮阴处理中初始荧光值显著降低，而显著提高最大荧光值，表明遮阴处理有利于促进PSⅡ反应中心电子传递顺利进行，保护其免受破坏。PSⅡ最大光化学效率Fv/Fm和PSⅡ潜在光化学效率Fv/Fo主要用于表征PSⅡ原初光能转换效率高低和潜在光化学活性的大小，即具有活性的反应中心数量的重要指标，同时也是衡量植物是否发生光抑制的重要参数[32]。随着遮阴程度的增加Fv/Fm和Fv/Fo均显著提高，说明遮阴处理下“如意”叶片通过提高具有活性反应中心数量，增强叶片对光能的转换效率。正常生长条件下，对于不同植物而言Fv/Fm通常稳定维持在0.80～0.85[14]，而在胁迫条件下，该值会出现明显下降。本研究发现，在CK条件下该值为0.72，而遮阴处理下则维持在0.84～0.85，说明在CK条件下“如意”植株受到了强光胁迫，发生了光抑制现象，这与该条件下“如意”叶片直立泛黄的表型结果相一致。该研究结果与堇属植物(Corydalis)[27]和堇叶紫金牛(A.violacea)[23]的研究结果一致。非光化学猝灭是植物为防止过剩光能对自身造成破坏的一种将过剩光能耗散的自我保护机制[11]。与CK相比，遮阴显著提高叶片非光化学猝灭值，说明遮阴处理可增强叶片热耗散能力从而保护光合机构免受过剩光能损害，而全光照处理下由于叶片无法耗散过剩光能导致其光合机构受损，这与该处理下“如意”叶片具有较高初始荧光值和较低类胡萝卜素质量分数结果相一致。因为类胡萝卜素在耗散过剩光能中同样起着重要作用。光化学猝灭系数和PSⅡ实际光化学效率分别用于反映PSⅡ反应中心电子传递活性和效率[13]，遮阴处理显著提高光化学猝灭系数和PSⅡ实际光化学效率值，说明遮阴有利于维持PSⅡ反应中心结构的完整性或使其免受破坏，从而提高光合电子的传递活性和效率。

养分元素的吸收积累对于植物正常生长至关重要。整体而言，除钾元素外，遮阴处理中其他元素质量分数与CK间要么没有显著差异要么显著低于CK，导致这一现象部分原因可能由于养分浓缩效应造成的，特别对于T1处理来讲更是如此。因为T1处理下不同养分元素质量分数较CK下降幅度介于18.59%～29.24%，而该处理下植株地上部和根生物量分别较CK提高126.08%和90.90%，因此，如果从养分元素积累量来看，T1处理养分元素总量要显著高于CK。值得注意的是，遮阴处理改变了钾元素在植株体内的分配情况，促进钾离子向地上部转运。这可能与钾广泛参与植物体内各种生理过程密切相关，特别是钾作为关键元素参与叶片气孔开度调控，因此可以通过气孔开闭调节胞间二氧化碳体积分数，进而影响光合作用过程[33]。此外，它也参与光合电子传递链，因此缺钾会导致叶片发黄，显著降低叶片光合能力[34]。

综上所述，T1处理是最适宜“如意”生长的光照强度，在该条件下，“如意”通过促进光合色素的积累，进而提高叶片对光能的传递和利用效率，增强光合产物的合成，促进植株的生长和根系的发育以及养分元素的积累。