金叶银杏叶表型及光合特征对遮阴的响应

关键词：金叶银杏；遮阴；细胞结构；叶绿素荧光

中图分类号：S664.3 文献标志码：A 文章编号：1003—8981（2024）03—0177—11

光照是影响植物生长的重要环境因子，不仅为植物进行光合作用提供能量，还对植物的生长发育和形态建成有重要影响[1-3]。强光对植物生长，尤其是幼苗生长有抑制作用，适当遮阴会促进植物生长[4-5]。杨礼旦等[6] 对粗壮女贞Ligustrumrobustum 的研究结果表明，叶片在全光照下常出现皱纹、卷曲并向中间闭合等现象，在遮阴条件下叶片生长良好。适当遮阴也能够促进金莲花Trollius chinensis 的生长发育，株高、叶片数量、叶面积等指标增大[7]。遮阴对植物的叶片结构也有明显的影响，遮阴处理下栅栏组织细胞变短，栅栏组织和叶片上下表皮厚度均减小[8-9]。遮阴对‘红叶’南天竹Nandina domestica ‘Hongye’ 叶片色素含量及比例的影响明显，叶片呈色与光合色素合成有关，色素是决定其叶色变化的直接因素[10-11]。植物通过调整叶绿素含量来适应光照环境的变化：强光下，植物通过降低叶绿素含量来减少叶片对光能的吸收，从而降低强光对叶片的伤害；弱光下，植物通过升高光合色素含量来提高光能利用效率，以适应弱光环境，促进苗木生长发育[12-13]。叶绿素荧光是研究植物光合变化及其对外界环境胁迫响应的重要参数，能直接反映不同环境下植物的光能分配、光合结构与功能等[14]。

银杏Ginkgo biloba 为我国特有的孑遗树种，集食用、药用、材用和观赏等价值于一身[15]。金叶银杏G. biloba ‘Golden leaves’ 为银杏的芽变品系，其生活习性与普通银杏相近，同时具有较高的观赏价值[16]。金叶银杏叶片在4 月萌芽时呈鲜明的金黄色，6 月后逐渐转绿，10 月后再转至黄色[17]。目前，已有关于金叶银杏叶面积和含水量的年动态变化[18]、叶色参数及色素含量的变化[19-20]以及光合生理特性[21] 等方面的研究报道，初步明确其呈色机制及表型对外界环境的响应[16，18-20]。然而，有关金叶银杏对光照适应性方面的研究鲜见报道，尚不清楚其对遮阴的响应特征。本研究中以4 年生金叶银杏实生苗为试验材料，人工设置了4 种遮阴强度，通过测定金叶银杏叶片表型指标及光合相关参数，探索适宜的光照环境，明确金叶银杏与光强间的效应，旨在为完善金叶银杏的人工栽培技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于南京林业大学校内。南京（118°22′～119°14′E，31°14′ ～ 32°37′N） 的年平均温度为15.7 ℃，年降水量1 106.5 mm，属亚热带季风气候。

1.2 材 料

试验材料为5 年生金叶品系（Y）和绿叶品系（G）银杏实生苗，2 个品系为同株金叶银杏母树上的种子分化而来。实生苗的平均株高为150.4 cm，地径为2.88 cm。单株栽植于上口径28 cm、下口径22 cm、深度31 cm 的塑料加仑盆中。栽培基质为常规有机营养土，有机质含量不小于50%，腐殖酸含量高（氮、磷、钾含量均不小于2.5%）。

1.3 试验设计

利用不同针数的黑色遮阴网设置4 个遮阴处理：CK（自然光）、L1（30% 遮阴率）、L2（50%遮阴率）、L3（70% 遮阴率），并用光量子计（3415，Spectrum，美国）验证。采用单因素随机区组设计，每处理12 盆，共48 盆。试验从5 月初开始，至6月底结束，试验结束后采样，用于测定各项指标，试验期间定期进行常规水肥管理。

1.4 指标测定

1.4.1 叶片表型及解剖结构

用叶面积测量仪（YMJ-D，托普云农，中国）测量叶长、叶宽、叶柄长及叶面积，每处理在植株中部以上随机选择9 片成熟叶，每片叶重复测量3 次。采用石蜡切片法（切片厚度为5 μm，中性树胶封片），制成叶片解剖结构永久玻片，在光学显微镜（BX53，Olympus，日本）下，每处理随机选取15 个清晰的视野进行观测，测量叶片的栅栏组织厚度、海绵组织厚度、上表皮厚度、下表皮厚度及叶片总厚度。

1.4.2 叶色参数

每处理在植株中部以上随机选择5 片成熟叶，使用X-Rite 色差仪（TsD010，爱色丽，美国）测定叶色参数，每片叶重复测定3 次，共15 个生物学重复，测定参数包括明度属性L^*、红绿属性a^*、黄蓝属性b^*。

1.4.3 色素含量

将叶片剪成宽约1 mm 的长条，称取0.1 g 置于指形管，加入10 mL 的95% 乙醇溶液，置于黑暗处48 h。待叶片完全变白后，用分光光度计（UVmini-1240 型，岛津，日本）测定其在665、649、470 nm 波长下的吸光值，计算叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素及类胡萝卜素的质量分数，每个处理9 次重复。

1.4.4 光合参数和荧光参数

8：30—11：30，选取植株上部成熟健康的叶片，使用便携式光合仪（Li-6400XT，LI-COR，美国）测定净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO摩尔分数。测定光合参数的同时，使用植物效率分析仪（Handy PEA，科隆，英国）测定叶绿素荧光参数，每处理9 次重复。

1.5 数据处理

使用Excel 2016 软件整理数据， 使用SPSSStatistics 26.0 软件进行统计学分析处理，包括各性状差异性分析、相关性分析和主成分分析，并用Origin 2021 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 遮阴处理对叶片表型的影响

相同遮阴处理下，绿叶品系叶片表型值大于金叶品系（表1）。金叶品系中，叶柄长在不同遮阴处理下无显著差异，叶长、叶宽、叶面积均呈极显著差异性（P ＜ 0.01），随着遮阴强度增加，值逐渐增大，在L3 处理达最大值，其中L1 与L2这2 组处理的差异不显著。绿叶品系中，叶长、叶宽、叶柄长和叶面积均呈显著差异（P ＜ 0.05），在CK 条件下最大。

2.2 遮阴处理对叶片解剖结构的影响

金叶品系中，叶片厚度呈极显著差异（P ＜0.01），栅栏组织厚度和海绵组织厚度呈显著差异（P ＜ 0.05），均随遮阴强度增加而增加，在L3 处理下达最大值；下表皮厚度也呈显著性差异（P ＜ 0.05），但无明显规律变化。绿叶品系中，叶片厚度、下表皮厚度、栅栏组织厚度和海绵组织厚度均呈极显著差异（P ＜ 0.01），上表皮厚度呈显著差异（P ＜ 0.05），随遮阴强度增加均呈先升后降的趋势，在L2 处理下达最大值（表2）。

2.3 遮阴处理对叶色参数的影响

CIE Lab表色系统由国际照明委员会推出，其中：L^* 值表示光泽明亮度；a^* 值表示红绿属性，正值越大则红色越深，负值越小则绿色越深；b*的正值表示黄色程度，负值表示蓝色程度[22]。金叶品系叶片的L^* 值和b^* 值在相同遮阴强度下均大于绿叶品系，且在CK 条件下，金叶品系叶片的L^* 值和b^* 值分别是绿叶品系的1.34、1.56 倍；2个品系的L^* 值、a^* 值和b* 值在均CK 条件下最大（图1）。金叶品系叶片L^* 值和b* 值随着遮阴强度增大逐渐减小，a^* 值呈先降后升趋势；绿叶品系叶片的L^* 值、a^* 值和b^* 值均随着遮阴强度增大逐渐减小。

2.4 遮阴处理对叶片色素含量的影响

任何遮阴处理下，绿叶品系叶片的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素的含量均显著高于金叶品系，2 个品系叶片的色素含量随遮阴强度增加先提高后下降（图2）。在L2 处理下，金叶品系叶片的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量比CK 分别提高了58.3%、88.5%、62.6% 和34.3%，绿叶品系分别提高了24.1%、25.7%、24.5% 和13.3%。2 个品系中，类胡萝卜素与总叶绿素的含量比值均先降后升；叶绿素a与叶绿素b 的含量比值随遮阴强度增加逐渐降低。

2.5 遮阴处理对光合参数的影响

金叶品系和绿叶品系中，净光合速率、蒸腾速率、气孔导度均在CK条件下最大。在CK条件下，绿叶品系的净光合速率和气孔导度高于金叶品系，蒸腾速率低于金叶品系，这3 个指标值均随遮阴强度增加逐渐下降；胞间CO摩尔分数呈先升后降的趋势（图3）。说明遮阴导致净光合速率下降，而胞间CO 摩尔分数随遮阴强度增加而递增，在L3 处理条件下降低，推测是由于弱光胁迫下叶片发育较弱。

2.7 金叶银杏叶色参数与色素含量的相关性

由表3 可知，金叶银杏叶片的L^* 值与a^* 值均与叶绿素含量和类胡萝卜素含量呈极显著负相关，b^* 值与叶绿素b 含量和类胡萝卜素含量呈显著负相关，即色素含量越高，叶片亮度和黄色程度越低，绿色程度越高。进一步分析发现，b* 值与类胡萝卜素和总叶绿素的含量比值显著正相关，L^* 值、a^* 值则是极显著正相关，说明类胡萝卜素和总叶绿素的含量比值越低，叶片亮度和黄色程度越低，绿色程度越高，叶片整体呈现绿色，相反则呈现黄色。

2.8 遮阴处理对金叶银杏核心评价指标影响的综合评价

金叶银杏作为良好的药用植物，其选育的最终目标是尽可能多提供药用物质，叶片的生物量、形态和药用物质含量是评价叶用树种药用价值的重要依据。根据相关性分析的结果及药用选育目标，共选择7 个指标作为核心评价指标进行主成分分析，结果见表4。其中3 个主成分的贡献率分别为39.241%、32.934%、19.685%， 而3 个主成分的累计贡献率达91.860%。

通过计算其3个主成分得分，并根据所选主成分的方差贡献率对主成分得分进行加权平均，结果见表5。由表5 可以看出：绿叶品系在L1（30%遮光率）处理下生长效果最佳，综合得分排第1位；金叶品系在L2（50% 遮光率）处理下生长效果最佳，综合得分排第3 位。

3 结论与讨论

光照过强会导致植物出现光抑制，过弱的光环境不利于植物生长发育。本研究中发现，在适度遮阴条件下，银杏会通过扩大叶面积，增加叶片厚度和海绵组织厚度，以及提高色素含量等多种生长策略来提高光能利用效率，从而适应弱光环境，促进养分的吸收积累和苗木的生长。根据主成分分析结果，可以看出金叶品系在50% 遮光率条件下生长效果最佳，绿叶品系在30% 遮光率时生长效果最优。在实际生产过程中，可通过使用适当遮阴强度的遮阴网，营造更适合银杏幼树生长的光照环境。

叶片表型的变化是植物对外部环境响应的结果，植物会通过改变自身形态来适应其生存的光环境[22-23]。蔡锡安等[24] 对梅叶冬青Ilex asprella进行遮阴处理，发现叶长、叶宽和叶面积均明显增大。本研究中，随着遮阴强度的增加，叶长、叶宽以及叶面积均表现出增长的趋势，在70% 遮阴率下达到最大值，这说明在弱光条件下，植物会通过增加叶面积而争取更多光照，来保证其正常生长，这与张培等[25]、Cardillo 等[26]、杨瑀鑫[27]的研究结果一致。

叶肉是植物叶片内最发达和最重要的细胞组织，是植物进行光合作用的场所，也是对外环境十分敏感的叶内组织。当外界光照较强时，植物叶片厚度增加，表皮结构和栅栏组织发达；叶片变薄、海绵组织疏松是叶片对弱光的适应特性，能提高其对光的利用能力[28-29]。本研究中金叶品系的叶片厚度、栅栏组织厚度和海绵组织厚度随遮阴强度的增加逐渐增大，绿叶品系呈现先升后降的趋势，说明在一定弱光条件下，发达的栅栏组织和海绵组织更有利于其对弱光环境的适应[30]，这与薛黎等[31] 的研究结果基本一致。

植物叶片的呈色受本身基因和环境因素的共同影响，一般通过改变色素的种类、含量及分布区域来控制叶色变化，叶绿素使植物叶片呈绿色，类胡萝卜素使植物叶片呈黄色[32-33]。本研究中，随着遮阴强度增加，类胡萝卜素与总叶绿素的含量比值逐渐降低，说明随着遮阴强度增加，叶片绿色属性逐渐增加，与朱倩玉等[34] 的研究结果一致。杨露等[35] 研究了遮阴对风箱果Physocarpusopulifolius 的影响， 结果表明： 紫叶风箱果P. opulifolius ‘Summer Wine’ 的叶色参数a^* 值随遮阴度的增加而逐渐降低，尤其在80% 遮阴处理下达到负值，叶片呈绿色；在80% 遮阴处理下，金叶风箱果P. opulifolius ‘Lutein’ 的L^* 值和b^* 值远低于对照组，说明遮阴使叶片亮度降低，黄色逐渐褪去。本研究中，遮阴条件下银杏金叶品系和绿叶品系的L^* 值、a^* 值和b^* 值均小于CK 处理，说明遮阴处理导致叶片亮度和黄色属性降低，绿色属性增加，叶片逐渐变绿，这与黄亚丽等[11]对华金叶榆Ulmus pumila ‘Jinye’的研究结果相似。

叶绿素是光合作用中光能吸收、传递和转化的物质基础，植物利用叶绿体中的光合色素将光能转化为生长所需的能量，光合色素的含量在一定程度上直接影响植物的光合效率[36-37]。在一定的弱光胁迫下，植物可通过提高类胡萝卜素的含量，增加对可见光的吸收，把光能传递给叶绿素，从而提高光合速率，促进光吸收和光保护，叶绿素b 主要吸收蓝紫光，其含量的增加有助于植物在弱光环境下捕获更多的光能，提高植物对弱光环境的适应性[38-39]。张琰等[40] 经研究发现，随着遮阴强度增加，鸡爪槭Acer palmatum 的叶绿素和类胡萝卜素含量逐渐上升，当光照强度过低时，则下降，这与本研究结果一致。叶绿素a 与叶绿素b 的含量比值较小的植物具有较强的耐阴性[24]，说明绿叶品系较金叶品系更耐阴；随着遮阴程度的提高，叶绿素a 与叶绿素b 的含量比值下降，这与黄亚丽等[11]、杨露等[35] 的研究结果一致。

净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO 摩尔分数是用来评判植物光合作用强度的基本指标，可反映植物对外界环境的适应能力[41]。本研究中发现，随着遮阴强度增加，净光合速率、蒸腾速率和气孔导度呈降低趋势，这与对苎麻Boehmeria nivea[42] 和花生Arachis hypogaea[43] 的研究结果一致。一般来说，气孔限制和非气孔限制均会降低植物的光合能力[44]。在本研究中，遮阴降低了叶片的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度，但增加了胞间CO 摩尔分数，表明遮阴胁迫通过非气孔限制降低了叶片的光合能力，这与对大麦Hordeum vulgare[45] 的研究结果相似。

植物在生长过程中受多种环境因子的影响，仅研究遮阴（光照强度）对金叶银杏生长的影响，有一定的局限性，不能全面反映适合金叶银杏生长的环境。在未来的研究中，可进行双因素或多因素综合分析评价，如遮阴与温度、土壤水分、施肥等的互作，也可以进一步从分子水平深入研究其响应遮阴的机制。