不同葉位對(duì)蓖麻葉片葉綠素含量和光響應(yīng)曲線的影響

魏海林，王小卉，李緒孟，黃 璜

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

光合生產(chǎn)貢獻(xiàn)了90%以上的干物重積累[1-2]，其中，葉片是植物光合生產(chǎn)的最主要器官。前人有關(guān)蓖麻RicinuscommunisL.葉片光合生產(chǎn)能力的研究多集中在環(huán)境和生育時(shí)期引起的變化上，如賈娟霞[3]研究發(fā)現(xiàn)生育期內(nèi)蓖麻單株葉片面積和光合速率均呈單峰曲線變化，而葉綠素含量則呈雙峰曲線變化，其中，光合能力在開(kāi)花現(xiàn)果期達(dá)到最高水平。單株葉片面積、葉綠素含量和單葉凈光合速率均隨著密度增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。然而，在一定密度和施肥量條件下，蓖麻群體的葉片面積、光合生產(chǎn)隨密度和施肥增加而呈增加趨勢(shì)，但過(guò)量的施肥和過(guò)高密度栽培則均可能會(huì)引起葉片面積和群體光合的下降，干物質(zhì)積累向果實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)變慢，并且不合理的冠層結(jié)構(gòu)會(huì)造成倒伏風(fēng)險(xiǎn)[4]。目前針對(duì)蓖麻形態(tài)結(jié)構(gòu)與葉片生產(chǎn)功能的關(guān)聯(lián)報(bào)道還較少，有關(guān)蓖麻植株形態(tài)結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的葉片生產(chǎn)能力在空間和時(shí)間上的差異還不是十分清楚。植株不同部位葉片的光溫條件和碳氮代謝的變化反映著生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程的轉(zhuǎn)變[5-6]。例如，在植株生育前期，以葉片伸展和莖稈生長(zhǎng)為主的生長(zhǎng)器官需要更多的綠色葉面積進(jìn)行光合物質(zhì)生產(chǎn)，而到植株生育晚期由于物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)，或者生育期內(nèi)出現(xiàn)肥水條件限制等逆境因素，一般出現(xiàn)下部葉片衰老、上部新葉發(fā)黃、生產(chǎn)功能下降等現(xiàn)象。在棉花作物中，董合忠等[7]發(fā)現(xiàn)大田棉花不同葉齡的葉片光合日變化均呈雙峰曲線，具有明顯的光合“午休”現(xiàn)象，但因葉齡差異，其“午休”現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)間早晚和時(shí)長(zhǎng)存在差異。在老葉、功能葉和幼葉中，其光補(bǔ)償點(diǎn)存在差異，并且功能葉的凈光合速率要高于老葉和幼葉。在黃瓜葉片中的情況與棉花較為類似，即中上部葉片光合能力最高，上部和下部次之[8]。葉片光合功能隨葉片位置的變化與最終產(chǎn)量是存在對(duì)應(yīng)關(guān)系的。例如，在玉米上發(fā)現(xiàn)，隨葉位從上向下，葉片對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)作用在果穗最大，向上和向下均逐漸減少[9]。然而，與前述作物不同的是，在小麥、水稻和紫花苜蓿中的研究均表明，在花后葉片光合速率和葉片中的葉綠素水平隨葉位下降呈下降趨勢(shì)[10-12]。其他有關(guān)葉片位置與生產(chǎn)功能的研究已經(jīng)在諸如小麥[13]、大麥[14]、水稻[15-16]、棉花[17]、大豆[18]、茶樹(shù)[19]、百合[20]、胡椒[21]和葡萄[22]等多種作物中屢見(jiàn)報(bào)道，關(guān)于蓖麻植株不同位置葉片生產(chǎn)功能變化的報(bào)道還很少。本研究根據(jù)兩年的田間試驗(yàn)，利用不同蓖麻品種和不同種植密度明確了蓖麻葉片位置與葉片葉綠素含量(SPAD值)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)，針對(duì)特定品種不同位置的葉片和不同品種特定葉片完全展開(kāi)前后(約1周)的光響應(yīng)曲線進(jìn)行了測(cè)定，了解蓖麻植株結(jié)構(gòu)中葉片位置變化導(dǎo)致的光合生產(chǎn)能力差異。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文用A、B、C、D分別表示淄蓖5號(hào)、淄蓖7號(hào)、淄蓖8號(hào)、中蓖雜2號(hào)[23]蓖麻品種，以此4個(gè)蓖麻品種為研究對(duì)象，針對(duì)葉綠素和光響應(yīng)曲線設(shè)置了試驗(yàn)。

1.1.1 不同葉位對(duì)葉綠素含量的影響 2017年10月5日，選擇A、B和C 3個(gè)品種分別測(cè)定其單一分支不同葉位的SPAD值； 2018年8月5日，選擇D品種，測(cè)定了其分支不同葉位的SPAD值。

1.1.2 不同葉位對(duì)光響應(yīng)曲線的影響 為了明確蓖麻植株形態(tài)結(jié)構(gòu)不同位置葉片的光合能力差異，于2017年10月5日，選擇A、B和C品種，測(cè)定了A品種分支葉不同葉片位置的光合響應(yīng)曲線差異，還測(cè)定了A、B和C品種分支待展開(kāi)葉片在展開(kāi)前后(約1周)的光相應(yīng)曲線變化。

1.1.3 不同林分密度、不同葉位對(duì)葉綠素含量的影響 2018年8月5日，選擇A品種，測(cè)定了D1、D2、D3(其中： D1為1.2 m×0.8 m；D2為0.8m×0.6 m；D3為0.3 m×0.3 m)等3種蓖麻種植密度下主莖葉片SPAD值隨位置變化的變化趨勢(shì)。

1.2 數(shù)據(jù)測(cè)量

采用SPAD-502葉綠素測(cè)定儀測(cè)定葉片SPAD值，以此表征葉片葉綠素水平。測(cè)定時(shí)選擇代表性植株或葉片，在每片葉的不同位置隨機(jī)測(cè)定8～10次，并計(jì)算平均值作為該次測(cè)定的生物學(xué)重復(fù)，2017年重復(fù)3次，2018年重復(fù)5次。

采用美國(guó)Li 6400便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定葉片光響應(yīng)曲線，在晴好天氣條件下，選擇代表性植株或葉片測(cè)定。采用標(biāo)準(zhǔn)葉室(2 cm × 3 cm)，設(shè)定流速(500 μmol ·s-1)，參比CO2濃度(400 μmol·mol-1)，葉室溫度(20℃)，內(nèi)置光源，光源設(shè)定為紅藍(lán)LED光，光照強(qiáng)度梯度為2000、1800、1600、1400、1200、1000、800、600、400、200、150、100、50、25、0 μmol ·m-2· s-1。最小等待時(shí)間和最大等待時(shí)間分別設(shè)定為60 s和300 s。測(cè)定各光照強(qiáng)度下的凈光合速率(μmol·m-2· s-1)、氣孔導(dǎo)度(Cond，mmol·m-2·s-1)、胞間二氧化碳濃度(μmol· mol-1)和蒸騰速率(mmol· m-2· s-1)。PAR為光照強(qiáng)度，單位為μmol·m-2·s-1。

采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同葉位葉片SPAD值變化趨勢(shì)

為明確蓖麻分支葉片SPAD值隨葉位順序的變化趨勢(shì)，分別選用2017年的3個(gè)品種(A、B和C)和2018年的1個(gè)品種(D)進(jìn)行SPAD值測(cè)定。以最上部展開(kāi)葉計(jì)作0葉位，由上向下葉位依次計(jì)為-1，-2，-3，-4，-5，-6，-7葉位。結(jié)果表明，不同品種葉片SPAD值在38.9至57.2之間變化。整體上，隨葉位上升，葉綠素值呈先升高后下降的趨勢(shì)，但不同品種的SPAD峰值出現(xiàn)的葉位不盡一致。同一品種不同葉位葉片SPAD值變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

本研究還就同一品種不同密度下，葉片葉綠素含量在不同葉位之間的變化進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，與不同品種的結(jié)果相似的是，隨葉位由低到高的變化，葉片SPAD值呈先升高后降低的趨勢(shì)。不同種植密度的葉片SPAD值在29.5到60.7之間變化，但SPAD峰值所處葉位和數(shù)值存在一定的差異，其中，低(D1)、中(D2)和高(D3)密度條件下SPAD峰值的葉位分別出現(xiàn)在倒5葉(-5)、倒4葉(-4)和倒3葉(-3)，數(shù)值分別為58.8、60.7和51.7?？梢?jiàn)，隨著密度的增加，葉片葉綠素峰值葉位呈上升趨勢(shì)(圖2)。

2.2 不同葉位葉片光響應(yīng)曲線差異

針對(duì)蓖麻品種A，選擇典型植株分支，用同一光合測(cè)定儀同一天(視為無(wú)差異)進(jìn)行了不同葉位葉片光響應(yīng)曲線測(cè)定。需要說(shuō)明的是，與SPAD值測(cè)定不同，光響應(yīng)曲線測(cè)定過(guò)程中我們將最上部完全展開(kāi)葉定為0葉位，上部未完全展開(kāi)新葉依次記為+1和+2葉位，下部完全展開(kāi)老葉依次記作-1、-2和-3葉位。測(cè)定結(jié)果顯示：凈光合速率隨光照強(qiáng)度提升先呈快速升高趨勢(shì)(上升期)，而后趨于穩(wěn)定甚至稍有下降(平臺(tái)期)，但是不同葉位凈光合速率平臺(tái)期出現(xiàn)時(shí)的光照強(qiáng)度存在差異(圖3A)。說(shuō)明隨植株結(jié)構(gòu)的變化，不同位置葉片的飽和光強(qiáng)不一。其中，偏上部的完全展開(kāi)葉如0、-1和-2葉位的飽和光強(qiáng)約在1200 μmol·m-2·s-1左右，而上部的新展葉和偏下部的完全展開(kāi)老葉則在約800 μmol· m-2·s-1時(shí)達(dá)到飽和光強(qiáng)。此外，凈光合速率值對(duì)光照強(qiáng)度變化的響應(yīng)存在明顯差異，其中最上部完全展開(kāi)葉(0葉位)的凈光合速率在各測(cè)定光強(qiáng)下均處在較高水平(圖3A)。不同葉位各光照強(qiáng)度下的平均凈光合速率值排序依次為：0 > -1≈-2 > +1≈+2 > -3。

不同葉位氣孔導(dǎo)度受光照強(qiáng)度變化的誘導(dǎo)也存在明顯差異，但變化規(guī)律與凈光合速率有所不同(圖2B)。除最下部完全展開(kāi)老葉(-3)外，其他葉位平均氣孔導(dǎo)度排序基本隨葉位由下向上逐漸減小。

不同葉片位置胞間二氧化碳濃度隨光照強(qiáng)度增加呈逐漸下降趨勢(shì)，主要是因?yàn)楣夂献饔孟牡亩趸荚龆唷２煌~位的胞間二氧化碳濃度變化較為接近，差異不明顯(圖3C)。

葉片蒸騰速率隨光照強(qiáng)度增加呈上升趨勢(shì)，與氣孔導(dǎo)度趨勢(shì)相近，并且不同葉片位置的蒸騰速率變化規(guī)律也與氣孔導(dǎo)度較為一致。

2.3 特定葉片不同時(shí)間的光響應(yīng)曲線變化

葉片在生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程中，隨著生育進(jìn)程變化，葉片所處的冠層位置也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化，進(jìn)而光照條件出現(xiàn)差異，因此，其光合生產(chǎn)功能也可能存在一定差異。通過(guò)對(duì)3個(gè)蓖麻品種(A、B和C)固定葉片在展開(kāi)前后(間隔時(shí)間約1周)的光響應(yīng)曲線進(jìn)行比較，進(jìn)一步明確葉片位置差異伴隨的葉片光合生產(chǎn)能力變化。結(jié)果表明：不同蓖麻品種特定葉片在完全展開(kāi)前后的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度和蒸騰速率隨光照強(qiáng)度變化的響應(yīng)曲線趨勢(shì)較為一致，但數(shù)值上存在差異。這種趨勢(shì)也與前述不同葉位的光響應(yīng)結(jié)果類似(圖4-圖7)。不同品種對(duì)光照強(qiáng)度(尤其是達(dá)到平臺(tái)期后更高的光照強(qiáng)度)的響應(yīng)存在差異，其中品種A在高光照如1 800 μmol·m-2·s-1和2000 μmol·m-2·s-1條件下，出現(xiàn)了明顯的凈光合速率下降現(xiàn)象,而蓖麻品種B和C則均維持在較高水平(圖4)。

葉片位置變化前后比較而言，基本上，完全展開(kāi)后的葉片在不同光照水平下的凈光合速率均高于或明顯高于展開(kāi)前(圖4)。葉片氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的比較結(jié)果與光合速率一致(圖5，圖7)。胞間二氧化碳之間未見(jiàn)較多差別(圖6)。這些差異結(jié)果進(jìn)一步印證了前述的同一植株不同位置葉片由低到高的光相應(yīng)曲線變化差異。

對(duì)特定葉片凈光合速率在完全展開(kāi)前后比較發(fā)現(xiàn)，盡管大部分光照條件下完全展開(kāi)后的光合速率高于展開(kāi)前，但除了B品種外，均顯示完全展開(kāi)后的葉片凈呼吸作用均明顯或略高于未展開(kāi)時(shí)(圖4)。這表明了葉位變化不僅對(duì)應(yīng)著葉片生產(chǎn)功能的變化，同時(shí)可能對(duì)應(yīng)著葉片呼吸消耗的變化。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)不同品種蓖麻植株不同位置葉片的葉綠素SPAD值測(cè)定，和不同位置葉片或特定葉片冠層位置變化前后的光響應(yīng)曲線變化分析，進(jìn)一步闡明了植株形態(tài)結(jié)構(gòu)變化與生理功能間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。主要結(jié)果如下：

(1) 不同位置葉片葉綠素水平隨葉片位置由低到高呈先逐漸升高后下降的趨勢(shì)。

(2)不同位置葉片光響應(yīng)曲線存在較大差異，其中最上部完全展開(kāi)葉的光合能力最強(qiáng)，依次向下和向上的葉片光合生產(chǎn)能力依次減弱。

(3)對(duì)于固定葉片而言，其在完全展開(kāi)前后的過(guò)程中，隨著葉片的發(fā)育階段和葉片所處的冠層位置的變化，相應(yīng)的光合生產(chǎn)能力也存在較大差異。完全展開(kāi)后的葉片光合能力強(qiáng)于展開(kāi)前，這一結(jié)果與不同位置葉片光響應(yīng)曲線結(jié)果一致。