海島棉葉片翹曲導(dǎo)致葉片光合能力的異質(zhì)性

張玉潔，韓吉梅，雷長(zhǎng)英，孟浩峰，張亞黎*

（石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003）

葉片作為光合作用的主要器官，對(duì)環(huán)境變化極為敏感[1-2]。受到植物自身發(fā)育和光照強(qiáng)度等環(huán)境條件的影響，植物葉片的形態(tài)、結(jié)構(gòu)及生理特征均表現(xiàn)出顯著的異質(zhì)性[3]，如青楊葉片的氣孔分布及氣體交換特性存在葉面區(qū)域異質(zhì)性[4]，海芋葉片和芭蕉葉片中間區(qū)域的生理機(jī)能顯著優(yōu)于葉緣[5-6]，棉花葉片的色素含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)存在較大的變異度[3]，寶山堇菜、紫花地丁及水稻等植物葉片的葉尖部分的光合性能顯著優(yōu)于葉基[7-8]。這一方面可能是由于葉片從葉基部分開(kāi)始生長(zhǎng)，致使葉基組織較年輕，而葉尖組織處于成熟階段，導(dǎo)致整體葉片結(jié)構(gòu)與功能的異質(zhì)性；另一方面，可能是由于葉尖長(zhǎng)期處于較高光照條件下，而葉基處于弱光環(huán)境，截獲的光能不同，從而使葉片的結(jié)構(gòu)與功能存在較大異質(zhì)性。光能是葉片光合作用的能量來(lái)源，光環(huán)境的變化對(duì)葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)與生理功能產(chǎn)生較大影響[1，9-13]。在形態(tài)結(jié)構(gòu)上，弱光可抑制葉片厚度的增加，促進(jìn)柵欄組織向海綿組織的過(guò)度；在光合性能上，弱光環(huán)境會(huì)使降低植物的光合速率、光飽和點(diǎn)、光補(bǔ)償點(diǎn)、羧化速率及核酮糖二磷酸（RUBP）羧化酶再生速率等。

葉片長(zhǎng)期所處光環(huán)境的異質(zhì)性會(huì)引起形態(tài)和光合生理功能的異質(zhì)性[3]，存在翹曲現(xiàn)象的植物葉片，如海島棉葉片其主脈兩側(cè)所接受的光能會(huì)存在較大的差異。目前對(duì)翹曲性葉片主脈兩側(cè)對(duì)稱部位所截獲光能的量化分析鮮見(jiàn)報(bào)道，且對(duì)葉片光合異質(zhì)性的研究主要集中在同一葉片不同部位生育進(jìn)程差異導(dǎo)致的葉片異質(zhì)性[3-8]。另外，對(duì)于存在翹曲的植物葉片沿主脈兩側(cè)葉片各部位的生育進(jìn)程基本一致，而接受的光能存在差異時(shí)，這種差異是否會(huì)導(dǎo)致葉片的光合異質(zhì)性有待進(jìn)一步的研究。因此，本文研究以海島棉為例，研究葉片主脈兩側(cè)對(duì)稱部位所截獲的光能與其形態(tài)及光合能力之間的關(guān)系，揭示葉片翹曲導(dǎo)致葉片光合能力異質(zhì)性的生理機(jī)制，可為植物生理生態(tài)研究過(guò)程中保證植株葉片取樣的一致性和可比性奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗(yàn)的測(cè)定品種為海島棉品種新海25號(hào)。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在2016年5月在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站（45°19′N，86°03′E） 進(jìn)行，試驗(yàn)小區(qū)面積 60 m2，試驗(yàn)重復(fù)3次。每公頃留苗1.8×105株，播前深施用有機(jī)肥1500 kg/hm2，氮素240 kg/hm2，三料磷肥150 kg/hm2作基肥，全生育期隨水滴施氮素260 kg/hm2。化學(xué)調(diào)控6次，縮節(jié)胺用量為300 g/hm2。其他田間管理措施同膜下滴灌棉田。

在棉花花鈴期系統(tǒng)測(cè)定海島棉主莖上倒數(shù)第2片葉角分別向正東（E）、正西(W)、正南(S)和正北(N)4個(gè)方位的完全展開(kāi)葉的葉片主脈兩側(cè)相關(guān)指標(biāo)（圖1）。海島棉葉片呈深度翹曲，深裂為3部分，測(cè)定時(shí)選取葉片中間裂葉部分的左右兩側(cè)對(duì)稱部位進(jìn)行測(cè)定。

圖1 海島棉葉片翹曲表型圖Fig.1 The phenotype of leaf cupping of pima cotton

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.2.1 光照日輻射量的測(cè)定

分別選取東（E）、西（W）、南（S）及北（N）4個(gè)方向的葉片各8個(gè)，測(cè)定其葉中部分的葉片夾角和葉傾角后取平均值，人工模擬海島棉葉片。從8：00-20：00，用 PAM-2100便攜式調(diào)制熒光儀配2030-B微型光量子/溫度傳感器（Walz，德國(guó)）每隔1 h測(cè)定E、W、S、N 4個(gè)方向葉片主脈兩側(cè)接受的光量子通量密度和葉片溫度。采用循環(huán)測(cè)定方式對(duì)不同方向葉片進(jìn)行測(cè)定。

1.2.2.2 氣體交換參數(shù)的測(cè)定

采用Li-6400便攜式光合儀測(cè)定系統(tǒng)和6400-02LED紅藍(lán)光源葉室（Li-COR，USA）對(duì)海島棉葉片不同部位進(jìn)行測(cè)定。分別測(cè)定東（E）、西（W）、南（S）及北（N）4個(gè)方向葉片主脈兩側(cè)葉基、葉中及葉尖部分的氣體交換參數(shù)，光強(qiáng)設(shè)定為2000 μmol/（m2/s）（田間飽和光強(qiáng)），CO2濃度設(shè)定為 400 μmol/（m2/s），控制溫度在（32±2） ℃，氣體流速控制在500 μmol/s，每個(gè)處理重復(fù) 4次。

1.2.2.3 色素含量的測(cè)定

用打孔器 (直徑 0.5 cm)分別在不同方向海島棉葉片主脈兩側(cè)葉片中部打取8個(gè)圓片，放入10 mL具塞試管中，用10 mL 80%的丙酮提取。將試管用黑布遮蓋嚴(yán)實(shí)，放在暗處，定時(shí)振蕩，到圓片呈白色狀，搖勻后用UV-2041型分光光度計(jì)(日本島津)分別在在663 nm和 645 nm 2個(gè)波長(zhǎng)下測(cè)定OD值，用80%丙酮作為空白對(duì)照。利用Amon法計(jì)算葉綠素 a，b的含量（mg/L）：

Chla=12.7A663-2.69A645；Chlb=22.9A645-4.68A663；

Chl(a+b)=20.21A645+8.02A663。

最后將提取液中的葉綠素濃度換算為基于質(zhì)量的葉綠素含量 (mg/g鮮重)。每處理4次重復(fù)。

1.2.2.4 葉面積的測(cè)定

分別將東、西、南、北4個(gè)方向的海島棉葉片和面積為1 cm2的金屬片放在一張白布上，用較高分辨率的相機(jī)垂直拍照獲取海島棉葉片和金屬片的圖像后用 Photoshop CS5軟件對(duì)圖像進(jìn)行測(cè)定，得到葉片的像素?cái)?shù)和單位面積的像素?cái)?shù)，通過(guò)計(jì)算分別得到葉片主脈兩側(cè)部分的面積。每處理選取4個(gè)葉片。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS（Version 18.0）對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較（P=0.05）。

2 結(jié)果

2.1 不同方位葉片主脈兩側(cè)對(duì)稱部位接受光能的異質(zhì)性

結(jié)果（圖2）顯示：

（1）日進(jìn)程中，隨太陽(yáng)高度角的變化，東、西、南、北4個(gè)方向的海島棉葉片的主脈兩側(cè)所截獲的光量子通量密度（PPFD）均呈單峰曲線。其中：東、西向葉片主脈兩側(cè)的峰值存在較大差異，分別高達(dá)60%和65%；南、北向葉片主脈兩側(cè)部分的峰值無(wú)顯著差異，差值分為3%和1%。

（2）日進(jìn)程中，東、西、南、北4個(gè)方向葉片主脈兩側(cè)的葉片溫度變化趨勢(shì)與幅度基本一致。

圖2 不同方向海島棉葉片主脈兩側(cè)的光量子通量密度和葉片溫度日變化Fig.2 Changes in the levels of diurnal time course of photon flux density(PPFD)and temperature on both sides of leaf main vein at different orientations

由圖3a可知：東、西向葉片的主脈兩側(cè)對(duì)稱部位（E-L和E-R及W-L和W-R）所截獲的光照日輻射量在顯著差異，其差值分別高達(dá)63%和62%，而南北方向向葉片的主脈兩側(cè)對(duì)稱部位（S-L和S-R及N-L和N-R）所截獲的太陽(yáng)日輻射量差值僅分別為8%和13%。

分別將不同方向海島棉葉片主脈兩側(cè)對(duì)稱部位所截獲的太陽(yáng)日輻射量進(jìn)行平均，觀察其整個(gè)葉片所接受的太陽(yáng)日輻射量。圖3b顯示：南向葉片接受的太陽(yáng)日輻射量最高，北向葉片所接受的較低，東、西向葉片居中，且無(wú)顯著差異。

圖3 不同方向海島棉葉片主脈兩側(cè)對(duì)稱部位的光照日輻射量Fig.3 Changes of daily photo irradiance(DPI)of the symmetrical parts in leaf main vein at different orientations.

2.2 不同方位海島棉葉片主脈各部分光合速率的變化

分別測(cè)定不同方向海島棉葉片主脈兩側(cè)的葉基、葉中及葉尖部分的凈光合速率，將此三部分作為整體做箱式圖，結(jié)果（圖4）表明：東西向葉片主脈兩側(cè)部分的凈光合速率存在顯著差異：E-R顯著高于E-L，W-L顯著高于W-R，而南北向葉片主脈兩側(cè)無(wú)顯著差異。

圖4 不同方向海島棉葉片主脈兩側(cè)對(duì)稱部位凈光合速率的變化Fig.4 Changes of net photosynthetic rate(Pn)of the symmetrical parts in leaf main vein at different orientations

2.3 不同方位海島棉葉片主脈兩側(cè)對(duì)稱部位色素含量的變化

結(jié)果（表1）表明：東西向葉片主脈兩側(cè)對(duì)稱部位的葉綠素a、葉綠素b及葉綠素（a+b）的含量存在較大異質(zhì)性，光截獲量較少一側(cè)（E-L和W-R）顯著高于另一側(cè)，葉綠素a/b的含量無(wú)顯著差異，而南北向葉片主脈兩側(cè)對(duì)稱部位的葉綠素含量均無(wú)顯著差異。

表1 海島棉不同方向葉片主脈兩側(cè)對(duì)稱部位葉綠素色素含量的變化Tab.1 Changes of chlorophyll content of the symmetrical parts in leaf main vein at different orientations

2.4 不同方位海島棉葉片主脈兩側(cè)葉片面積的變化

結(jié)果（圖5）表明：海島棉東西向葉片主脈兩側(cè)的葉片面積呈現(xiàn)較大的異質(zhì)性，截獲光能較少的一側(cè)的葉片面積顯著小于另一側(cè)，而南北向葉片主脈兩側(cè)葉片面積無(wú)顯著差異，且南向葉片的葉片面積顯著高于北向葉片。

圖5 海島棉不同方向葉片主脈兩側(cè)葉片面積的變化Fig.5 Changes of leaf area on both sides of leaf main vein at different orientations

3 討論

3.1 海島棉葉片翹曲對(duì)葉片接受光能的影響

在日進(jìn)程中，光量子通量密度隨太陽(yáng)高度角的變化而發(fā)生變化。由于不同朝向葉片受光角度的不同，造成海島棉不同方位葉片截獲光能存在差異（圖2）；而葉片翹曲較明顯又導(dǎo)致主脈兩側(cè)對(duì)稱部分接受光能的差異，具體表現(xiàn)為東西向葉片的主脈兩側(cè)接受總光能差異最大，南北向葉片差異較小。這是由于隨著太陽(yáng)高度角的變化，光線照射在葉片上的角度發(fā)生變化，海島棉葉片“橫向日性”運(yùn)動(dòng)能力較弱[14-15]，加劇了東西向葉片主脈兩側(cè)近軸面的自我遮蔭以及相互遮蔭，從而導(dǎo)致主脈兩側(cè)部分截獲的光能存在顯著差異。因此，在海島棉葉片或者具有類似翹曲現(xiàn)象的葉片上研究其受光環(huán)境時(shí)，不但應(yīng)考慮到不同方位葉片受光的異質(zhì)性，還需要考慮到葉片不同部位的受光異質(zhì)性。雖然本試驗(yàn)只進(jìn)行了葉片接受光能差異的短期測(cè)定，然而可以推測(cè)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的累積效應(yīng)，葉片受光異質(zhì)性的問(wèn)題更需要受到重視。

3.2 海島棉葉片接受光能與其光合異質(zhì)性的關(guān)系

植物的葉片形態(tài)與其所處的光環(huán)境密切相關(guān)。部分學(xué)者認(rèn)為，植物葉片處于弱光環(huán)境中，葉片面積顯著增加，有利于其截獲更多的光能來(lái)維持植物的生長(zhǎng)發(fā)育[16-17]。也有學(xué)者認(rèn)為弱光環(huán)境下植物葉片變小，弱光環(huán)境對(duì)植物的生長(zhǎng)有抑制作用[10-11，18]。本研究結(jié)果表明，沿主脈兩側(cè)葉片的大小與其接受的光能是正相關(guān)的關(guān)系，即當(dāng)部分葉片處于相對(duì)低光環(huán)境中，其葉片面積會(huì)相應(yīng)降低。這可能是海島棉葉片對(duì)環(huán)境的一種適應(yīng)性調(diào)節(jié)，通過(guò)減小弱光部分葉片的葉片面積，來(lái)降低其對(duì)光照較強(qiáng)部分葉片的遮蔭，從而使整體截獲更多的光能。

在自然環(huán)境下，植物所處的光環(huán)境決定著其光合生產(chǎn)力的大小[19]，葉片的光合能力對(duì)環(huán)境變化比較敏感，其光合速率的大小容易受到其自身所處的光環(huán)境、葉片形態(tài)以及色素含量的影響[1，20-21]。葉綠素是光合作用過(guò)程中負(fù)責(zé)吸收和利用光能的主要光合色素[22]。本研究結(jié)果表明，在異質(zhì)性光照條件下，沿主脈兩側(cè)葉片的色素含量呈現(xiàn)異質(zhì)性，葉片可以通過(guò)增加單位面積的光合色素的含量來(lái)捕獲更多光能。進(jìn)一步分析光合能力可以看出，葉片不同方位葉片的不同部位受到自身所處光環(huán)境、形態(tài)及色素含量的影響，導(dǎo)致其光合能力存在較大的異質(zhì)性。海島棉東西向葉片截獲光能較少的一側(cè)整體水平上的凈光合速率顯著低于截獲光能較多一側(cè)，說(shuō)明葉片翹曲現(xiàn)象對(duì)整個(gè)葉片的光合能力存在異質(zhì)性影響。因此，在進(jìn)行葉片光合性能等相關(guān)研究時(shí)，考慮相同葉位的同時(shí)，還必須充分考慮到取樣時(shí)葉片的方位以及同一方位葉片的不同部位的差異，以增加試驗(yàn)結(jié)果的可比性和可靠性。若不考慮以上因素，取樣本身將導(dǎo)致相關(guān)數(shù)據(jù)存在顯著差異，如東西向葉片主脈兩側(cè)部分的速率差異就分別達(dá)到了22%和26%。

4 結(jié)論

具有葉片翹曲現(xiàn)象的海島棉，其不同方位葉片之間及同一葉片不同部位之間均存在接受光能的異質(zhì)性，從而導(dǎo)致其光合性能的異質(zhì)性。