波動(dòng)光下棉花葉片比葉重對光合生產(chǎn)能力的調(diào)控

王婧璇，雷長英，張玉潔，韓吉梅，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)

引言

光是植物進(jìn)行光合作用的基礎(chǔ)。在自然環(huán)境中，由于太陽高度角和云層的變化，植物葉片一直處在波動(dòng)光的環(huán)境下[1]。盡管波動(dòng)光只持續(xù)幾秒鐘到幾分鐘，但它占葉片接受總太陽光能的20%～80%，能被葉片有效吸收和利用[2-3]。植物通常通過調(diào)整葉片結(jié)構(gòu)和功能來適應(yīng)波動(dòng)光環(huán)境[4-6]。

研究[7-13]表明，波動(dòng)光降低了植物葉片光能利用效率。同時(shí)，Cao[14]研究表明波動(dòng)光降低了葉片CO2同化速率從而抑制了馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)植株的生長；研究[9,15-16]也表明波動(dòng)光下，水稻(Rice)葉片光合速率的降低導(dǎo)致葉片面積、葉片厚度、葉片數(shù)目和生物量顯著降低。然而，也有研究[8,17]發(fā)現(xiàn)一些植物葉片的光合能力未受到波動(dòng)光的影響。

有研究指出，比葉重是調(diào)控植物光合能力的重要因素。Vialet-Chabrand[12]研究表明波動(dòng)光未改變擬南芥(Arabidopsisthaliana)葉片單位面積的飽和凈光合速率(Asat)，同時(shí)降低了單位面積最大光合速率(Amax)，但基于單葉質(zhì)量Asat和Amax均顯著增大。除此以外，并不是所有植物對波動(dòng)光的響應(yīng)都呈現(xiàn)上述變化，一些研究顯示波動(dòng)光下生長的番茄[13](Solanumlycopersiumcv.Cappricia)、擬南芥[18]和非洲菊[9](Gerberajamesonii)等植物的最大凈光合速率顯著增強(qiáng)。表明，波動(dòng)光下不同植物類型的光合作用響應(yīng)機(jī)制存在差異。

棉花具有喜光特性，然而未見針對波動(dòng)光下棉花光合作用的研究工作。本文針對波動(dòng)光下棉花光合生理機(jī)制的變化，研究波動(dòng)光下棉花葉片結(jié)構(gòu)及生理特征的變化，揭示波動(dòng)光下棉花光合特征的適應(yīng)機(jī)制，研究結(jié)果將豐富棉花光能利用理論，為進(jìn)一步提高棉花的光能利用效率奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 植物材料和生長條件

在人工氣候室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，供試材料為常規(guī)抗病中早熟陸地棉品種“欣抗4號”。在土壤∶蛭石∶珍珠巖體積之比為1∶1∶1的花盆中種植棉花，花盆直徑18 cm，高約25 cm。人工氣候室日間溫度(27±2) ℃，夜間溫度(25±2) ℃。光周期為日間12 h，夜間12 h，濕度范圍為50%～75%。每周施用營養(yǎng)液1次(1∶100 dilution,20-5-10-2 N-P-K-Mg，霍格蘭營養(yǎng)液)，每2 d澆水1次，使植物保持良好的生長狀態(tài)。

1.2 波動(dòng)光處理

本試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)光處理：恒定光強(qiáng)(對照組，CK)，生長光強(qiáng)為1000 μmol·m-2·s-1；每2 h恒定光間隔5 min低光(低光的平均光照強(qiáng)度為80～100 μmol·m-2·s-1)(T1)；每2 h恒定光間隔10 min低光(T2)，CK 為恒定光處理，T1和T2為波動(dòng)光處理。恒定光和波動(dòng)光處理下的植物每日接收總光能相同(43.2 mol·m-2·d-1)。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 氣體交換測定

光響應(yīng)曲線的測定：用LI-6800便攜式光合測定系統(tǒng)和熒光葉室測定，空氣流速為500 μmol·s-1， CO2濃度設(shè)定為400 μmol·mol-1。測定時(shí)光強(qiáng)由強(qiáng)到弱，依次設(shè)定光合有效量子通量密度(PPFD)為1000、900、700、500、400、300、200、150、100、50、0 μmol·m-2·s-1。測定時(shí)每1光強(qiáng)下停留1～3 min，待gs恒定時(shí)記錄數(shù)據(jù)。每處理測定3～4個(gè)葉片。采用Photo assistant軟件對測得的光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，并計(jì)算其光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)、光飽和點(diǎn)(LSP)、飽和凈光合速率(Asat)和表觀量子效益(AQY)。

1.3.2 比葉重的測定

用面積0.36 cm2的打孔器避開葉片主葉脈，隨機(jī)打5個(gè)葉圓片，裝入牛皮紙袋中，在80 ℃烘箱中烘干48 h，用電子天平進(jìn)行稱重，計(jì)算比葉重(LMA)。比葉重=葉圓片干重/圓片面積。每個(gè)處理設(shè)4～5個(gè)重復(fù)。

1.3.3 單位葉片質(zhì)量A的計(jì)算

將生長4周后單位葉片面積上的凈光合速率(A)轉(zhuǎn)化為單位葉片質(zhì)量上的葉片凈光合速率(Amass)：

1.3.4 葉面積和生物量的測定

棉花植株生長至8周，光處理35 d，每個(gè)處理選取長勢均勻一致的植株4～5株，將每株全部的葉片取下并用葉面積儀LI-3100(USA)掃描葉片面積，并記錄數(shù)值。每個(gè)處理選取4～5株。將棉株于105 ℃下殺青30 min，80 ℃下烘干至恒重后稱重測定其單株生物量。

1.3.5 每日葉片碳預(yù)算A24;mmol·d-1)：

A24=[(Aavg×12)-(R×12)]×(3600/1000)×LA

(1)

Aavg(μmol·m-2·s-1)是每個(gè)處理重復(fù)間在12 h光周期中測得的凈葉光合速率的平均值。R(μmol·m-2·s-1)是葉片暗呼吸，暗適應(yīng)下葉片的凈光合速率。LA(m2)是葉片的面積。Aavg和R分別乘以光周期(12 h)和暗周期(12 h)，從每秒的速率變化到每小時(shí)的速率(3600 s)，從μmol到mmol (1000)。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

通過單因素方差分析,比較各處理間棉花生長參數(shù)的差異。利用Duncan法對不同光處理下棉花的比葉重、生物量進(jìn)行多重比較(顯著度為0.05)。所有的分析均在SPSS22.0軟件(SPSS Statistics22.0,SPSS Inc.,USA)和Sigmaplot12.5軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 波動(dòng)光下棉花葉片特征和光合物質(zhì)積累的變化

由表1可以看出，與恒定光條件相比，在波動(dòng)光條件下棉花生長受到了抑制，表現(xiàn)為葉片面積和干物質(zhì)重量均顯著降低。分析葉片的比葉重可以看出，不同處理?xiàng)l件下的比葉重存在顯著差異，恒定光下的比葉重顯著高于波動(dòng)光處理，同時(shí)波動(dòng)頻率快的比葉重也高于波動(dòng)頻率慢的處理。進(jìn)一步將比葉重分解為葉片厚度和密度可以看出，波動(dòng)光對葉片厚度未見顯著影響，但是波動(dòng)光下葉片密度發(fā)生較大的變化。

表1 不同處理下棉花葉片特性和生物量的變化Tab.1 Changes of leaves characteristics and biomass (DW) of cotton under different treatments(Mean±SD,n=3-4)

2.2 波動(dòng)光下棉花氣體交換參數(shù)的變化

在不同光處理下測定的棉花光響應(yīng)曲線(圖1 A)可以看出，當(dāng)PPFD在200 μmol·m-2·s-1以下時(shí)，生長在這3種不同光處理下的棉花有著相似的單位葉面積凈光合速率。而隨著光強(qiáng)梯度的升高，3種光條件下的棉花對光強(qiáng)的響應(yīng)逐漸產(chǎn)生差異。在PPFD達(dá)到400 μmol·m-2·s-1時(shí)，恒定光下的凈光合速率顯著高于波動(dòng)光處理，在同一光強(qiáng)下，波動(dòng)頻率快的光合值也高于波動(dòng)頻率慢的處理。單位面積凈光合速率在3個(gè)處理間存在顯著差異，當(dāng)其轉(zhuǎn)換為單位葉片質(zhì)量凈光合速率時(shí)，波動(dòng)光下的光合速率升高，但在不同光照處理下未見明顯差異(圖1B)。

圖1 不同處理下棉花葉片的A-Q響應(yīng)曲線及單位葉片質(zhì)量凈光合速率(Amass) (平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=3-4)Fig.1 The A-Q response curve and photosynthesis per unit of leaf volume(Amass) in different treatments of cotton leaves(Mean±SD,n=3-4)

由表2可知，與CK相比，波動(dòng)光處理下的葉片的Asat、LSP顯著降低，LCP在T2處理下與恒定光處理之間存在明顯差異，而在3種光條件下棉花葉片的AQY未呈現(xiàn)出顯著差異。

表2 不同處理下棉花葉片光響應(yīng)曲線擬合參數(shù)的變化Tab.2 Changes of light response curve fitting parameters in different treatments of cotton leaves(Mean±SD,n=3-4)

2.3 波動(dòng)光下棉花生長的碳預(yù)算

通過計(jì)算植株葉片碳預(yù)算(A24,mmol·d-1)，確定了整株植物的光能利用效率的差異。由表3可知，在波動(dòng)光下生長的葉片Aavg比在恒定光下生長的葉片低29%和38%，而在3個(gè)光處理中，棉株的R幾乎相同。根據(jù)Vialet-Chabrand等[12]人提出的計(jì)算公式計(jì)算棉花的每日碳預(yù)算，結(jié)果顯示，波動(dòng)光下的碳增益顯著低于恒定光下的值，而這種差異是由較低的凈光合速率以及由于較小的葉片(表1)導(dǎo)致。

表3 不同處理下植物葉片的每日碳預(yù)算Tab.3 Daily leaf carbon budget (A24,mmol·d-1) of plants growing under different treatments,as calculated by Eqn.1.

3 討論

3.1 波動(dòng)光下棉花光合物質(zhì)生產(chǎn)能力降低

植株生物量的積累通常受到總?cè)~片面積與比葉重的影響[33]。本研究表明，與恒定光相比，波動(dòng)光減弱了棉花的光合物質(zhì)生產(chǎn)能力，且波動(dòng)頻率越低對生物量的積累抑制越強(qiáng)(表1)。這與波動(dòng)光下棉花光合作用降低導(dǎo)致的葉片面積的減少，比葉重的降低有關(guān)。波動(dòng)光下生長的植物葉片明顯變小變薄[9,12-13]。通過對各處理的碳固定進(jìn)行估算可以看出，雖然各個(gè)處理接受的總光能是相同，但波動(dòng)光下生長的光合能力和整體光能利用率均較低[10-12]，導(dǎo)致棉株的碳固定損失較多，最終光合物質(zhì)生產(chǎn)能力降低(表3)。

植物的生長與其碳固定能力密切相關(guān)；當(dāng)總光能相同時(shí)，波動(dòng)光下生長的植株碳同化能力通常低于恒定光照下生長的植株[14,19]。本研究表明，不論是在低光還是高光下，波動(dòng)光下棉花的A、Asat均顯著降低(圖2)，這說明波動(dòng)光下棉花的光合能力確實(shí)受到了抑制。同時(shí)，有研究[6,18]表明，光合能力的大小也依賴于高和低光強(qiáng)度之間的轉(zhuǎn)換頻率，即較短的光波動(dòng)引起的響應(yīng)比較長的光波動(dòng)小，低強(qiáng)度波動(dòng)光引起的反應(yīng)小于高強(qiáng)度波動(dòng)光。在高光生長的植物中觀察到的更高的Asat值，這通常與光合組分的數(shù)量有關(guān)，包括Rubisco，細(xì)胞色素f，H+-ATPase和反應(yīng)中心[20]。在本研究中，與恒定光照相比，波動(dòng)光下棉花凈碳增益和地上總生物量較低，可能是由于較低的氣孔導(dǎo)度(圖2)和光合響應(yīng)時(shí)間比光強(qiáng)變化率慢[9]。本研究中，在波動(dòng)和恒定的光照下，植物葉片的最大表觀量子產(chǎn)量沒有發(fā)現(xiàn)差異，這表明當(dāng)植物沒有受到脅迫時(shí)，量子產(chǎn)量都是相似的[21]。

3.2 波動(dòng)光下棉花葉片比葉重的調(diào)控

研究[22]表明，比葉重是與葉片的光合作用，生長和生活史策略相關(guān)的關(guān)鍵功能性狀。比葉重是一個(gè)復(fù)合的生理結(jié)構(gòu)參數(shù),與葉片的很多解剖結(jié)構(gòu)有關(guān),因此對光合作用有潛在影響[23-24]。大量研究[25-27]發(fā)現(xiàn)植物在適應(yīng)光環(huán)境的過程中主要通過調(diào)整葉片形態(tài)和結(jié)構(gòu)來適應(yīng)光照的變化，主要表現(xiàn)在比葉重的增大或減小。研究[28]認(rèn)為，葉片比葉重的形成與每日光累積以及光照強(qiáng)度瞬時(shí)變化有關(guān)。與12 h/12 h的光/暗(方波光)條件相比，擬南芥的比葉重在波動(dòng)的光線下降低[12]，表明在波動(dòng)光下有效光能積累量減少。本研究表明，波動(dòng)光下棉花的比葉重與恒定光處理下的相比顯著降低，說明在一定總光能范圍內(nèi)，光照供給形式的改變也會(huì)影響植物比葉重的形成。波動(dòng)光下棉花光能利用效率降低，單位葉片面積上的光合速率下降，這與比葉重的研究結(jié)果基本一致，而波動(dòng)光下的單位葉片質(zhì)量凈光合速率(Amass)與恒定光下的相比有明顯的上升趨勢[12,29-30]。這表明比葉重是構(gòu)成波動(dòng)光下棉花光合能力改變的重要因素。

葉片厚度和密度是決定植物比葉重大小的主要因素[31]。本研究發(fā)現(xiàn)，葉片厚度在不同光照處理下無明顯差異，但葉片密度與比葉重呈現(xiàn)一樣的變化規(guī)律，這說明本試驗(yàn)條件下比葉重主要受到葉片密度的調(diào)控，從而導(dǎo)致棉花的光合能力減弱[32-33]。有研究表明，高光條件下葉片密度的變化與葉脈密度有關(guān)[34]；另外，可能還與柵欄組織細(xì)胞排列的緊密程度及植物非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(TNC)濃度的變化有關(guān)[33]。因此，葉片密度的大小也是影響植物光合作用的重要因素，但仍需進(jìn)一步試驗(yàn)探究與葉片密度變化相關(guān)的指標(biāo)。

綜上所述，波動(dòng)光下，葉片的光合適應(yīng)過程本身是一個(gè)復(fù)雜而連續(xù)的現(xiàn)象。本研究表明，波動(dòng)光抑制棉花的光合能力，導(dǎo)致其光合物質(zhì)生產(chǎn)能力降低，同時(shí)降低葉片比葉重來調(diào)控波動(dòng)光下棉花的光合能力。