光照強(qiáng)度對(duì)西藏虎頭蘭幼苗生長及光合特性的影響*

朱舒靖，秦惠珍，許愛祝，鄧麗麗，劉世勇，蔣 強(qiáng)，柴勝豐**

(1.廣西壯族自治區(qū)中國科學(xué)院廣西植物研究所，廣西植物功能物質(zhì)研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541006；2.廣西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣西桂林 541006；3.廣西雅長蘭科植物國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理中心，廣西百色 533209)

西藏虎頭蘭(CymbidiumtracyanumL.Castle)又稱黃蟬蘭、大花虎頭蘭，為蘭科蘭屬多年生草本植物。野生資源主要分布在廣西西南部、四川西南部、貴州西南部、云南和西藏東南部[1]。西藏虎頭蘭屬于附生蘭花，靠根附著在樹干或巖石上生長，根部常暴露在空氣中，對(duì)空氣濕度的要求較高，喜歡日溫差大的環(huán)境條件[2]。因生境特殊，野生資源少，該物種已被列入《國家重點(diǎn)保護(hù)野生植物名錄》。西藏虎頭蘭花大，花色艷麗，香氣襲人，花期長達(dá)40多天，觀賞價(jià)值頗高，深受國人青睞[3,4]。因具有較高的觀賞價(jià)值，近幾十年來西藏虎頭蘭遭到人為毀滅性采挖，其生態(tài)環(huán)境被破壞，種群數(shù)量急劇減少，受到巨大生存威脅[5]，因此，開展西藏虎頭蘭的野生資源引種栽培顯得尤為重要。目前，關(guān)于西藏虎頭蘭的研究主要集中在組織培養(yǎng)與快繁[6,7]、花香成分分析[8]等方面，而關(guān)于西藏虎頭蘭光合特性方面的研究較少。匡美齡等[9]研究發(fā)現(xiàn)，西藏虎頭蘭中存在環(huán)式電子，該環(huán)式電子傳遞的激發(fā)程度高，有助于西藏虎頭蘭在強(qiáng)光下進(jìn)行光保護(hù)。Li等[10]發(fā)現(xiàn)西藏虎頭蘭的光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)對(duì)低溫-光脅迫比光系統(tǒng)Ⅰ(PSⅠ)更敏感。在長期低溫脅迫下,循環(huán)電子流(CEF)對(duì)西藏虎頭蘭PSⅠ和PSⅡ的光保護(hù)有利。而關(guān)于西藏虎頭蘭在不同光照強(qiáng)度下的生長狀況及光合特性未見相關(guān)報(bào)道。本研究以西藏虎頭蘭為研究對(duì)象，期望通過探究西藏虎頭蘭在不同光照強(qiáng)度下的生長狀況及光合特性，揭示其對(duì)不同光照強(qiáng)度的適應(yīng)性，為西藏虎頭蘭的合理栽培與有效保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于廣西植物所桂林植物園蘭科植物種質(zhì)資源圃(25°05′27″N，110°18′03″E)，氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)區(qū)，冬冷夏熱，年均氣溫19.2℃。1月為最冷月，平均氣溫約8.2℃；7月為最熱月，平均氣溫約28.4℃。極端最高氣溫40℃，極端最低氣溫-5.5℃[11]。年相對(duì)濕度78.0%，具有明顯的干濕季。

1.2 試驗(yàn)材料及處理

選擇生長健壯、苗齡為2 a的西藏虎頭蘭植株，株高為(25.15±0.23) cm、分株基徑(1.25±0.11) cm、冠幅(22.52±0.30) cm。西藏虎頭蘭稍喜陰，但在陽光直射的地方也能生長良好[12]。根據(jù)該特性，本研究通過搭建遮蔭棚設(shè)置4種光照處理：8%、20%、45%和100%全光照，8%光照強(qiáng)度為對(duì)照。除光照強(qiáng)度不同外，其余栽培管理一致。6月初將長勢基本一致的苗木放置于不同遮蔭棚下，每種處理6盆。3個(gè)月后對(duì)西藏虎頭蘭在不同光照強(qiáng)度下的光合日變化、光響應(yīng)曲線、葉綠素含量和生長指標(biāo)等進(jìn)行測定，每種處理重復(fù)3次。由于西藏虎頭蘭幼苗不耐強(qiáng)光，100%光照強(qiáng)度下的植株全部死亡，因此未測定這一處理下的光合指標(biāo)。

1.3 方法

1.3.1 生長指標(biāo)測定

使用游標(biāo)卡尺對(duì)不同光照條件下的植株生長指標(biāo)進(jìn)行測定，測量指標(biāo)包括株高、分株基徑、冠幅和最大葉長，每個(gè)指標(biāo)重復(fù)3次，記錄每次測量數(shù)據(jù)。

1.3.2 葉綠素含量的測定

取無病蟲害且健康完整的葉片0.1 g，剪碎后放入25 mL試管中，加入95%乙醇10 mL，避光浸泡24 h，待葉片全部變?yōu)榘咨珪r(shí)取上清液5 mL，乙醇定容至25 mL，以95%乙醇為空白對(duì)照進(jìn)行比色測定。采用紫外可見分光光度計(jì)Alpha 1502(上海譜元儀器有限公司)分別測定波長470 nm、649 nm、665 nm時(shí)的吸光度，計(jì)算葉綠素a (Chl a)、葉綠素b (Chl b)、類胡蘿卜素(Car)的含量及Chl a/Chl b、Car/Chl (a+b)。每個(gè)處理3次重復(fù)，記錄每次測定含量。

1.3.3 光合日變化的測定

選擇晴朗天氣，于8:00-17:00，利用Li-6400便攜式光合作用儀(Li-Cor,Lincoln,Nebraska,USA)的自然光葉室，測定不同光照強(qiáng)度下西藏虎頭蘭的光合指標(biāo)和環(huán)境因子日變化，測定參數(shù)包括空氣CO2濃度(Ca)、光合有效輻射(PAR)、空氣相對(duì)濕度(RH)和空氣溫度(Ta)、凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)等。每個(gè)光照強(qiáng)度取同一葉位的無病蟲害且健康完整的葉片進(jìn)行測量，重復(fù)3次，記錄每次測定數(shù)據(jù)。

1.3.4 光響應(yīng)曲線的測定

光響應(yīng)曲線采用Li-6400便攜式光合儀LED紅藍(lán)光源葉室測定，測定時(shí)間為9：00-11：30，選擇每株葉片中段成熟、無病蟲害的葉片進(jìn)行測量。光照強(qiáng)度從大到小依次設(shè)置為1 200 μmol·m-2·s-1、1 000 μmol·m-2·s-1、800 μmol·m-2·s-1、600 μmol·m-2·s-1、400 μmol·m-2·s-1、200 μmol·m-2·s-1、150 μmol·m-2·s-1、100 μmol·m-2·s-1、75 μmol·m-2·s-1、50 μmol·m-2·s-1、20 μmol·m-2·s-1、0 μmol·m-2·s-1；使用CO2鋼瓶控制CO2濃度為400 μmol·m-2·s-1，測量前將葉片置于600 μmol·m-2·s-1光照強(qiáng)度下進(jìn)行誘導(dǎo)，每個(gè)光照強(qiáng)度重復(fù)3次，記錄每次測量數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016對(duì)生長指標(biāo)、光合色素含量、光合日變化、光響應(yīng)曲線參數(shù)等進(jìn)行初步分析，采用SPSS軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析和顯著性分析，用最小顯著性差異性法(LSD法)進(jìn)行多重比較。采用葉子飄的光合計(jì)算軟件4.1.1雙曲線修正模型對(duì)光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合[12]，并得出光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)、光飽和點(diǎn)(LSP)、表觀量子效率(AQY)、暗呼吸速率(Rd)、最大凈光合速率(Pmax)等參數(shù)。使用Origin 2021a進(jìn)行相關(guān)圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要環(huán)境因子日變化規(guī)律

由圖1可知，3組光照強(qiáng)度處理下的光合有效輻射日變化曲線均為“單峰”型，峰值出現(xiàn)在12：30，45%光照強(qiáng)度PAR最大，為470.68 μmol·m-2·s-1；20%光照強(qiáng)度次之，為285.68 μmol·m-2·s-1；對(duì)照(8%光照強(qiáng)度)的PAR最小，為175.74 μmol·m-2·s-1?？諝釩O2濃度(Ca)在上午8：00最高，隨后下降并稍有波動(dòng)，Ca大小總體上表現(xiàn)為對(duì)照>20%光照強(qiáng)度>45%光照強(qiáng)度。3組光照強(qiáng)度處理下的Ta均于15：30出現(xiàn)最高峰，隨后呈下降趨勢；Ta大小表現(xiàn)為45%光照強(qiáng)度>20%光照強(qiáng)度>對(duì)照。3組光照強(qiáng)度下RH整體變化與Ta相反，基本呈“V”型變化。

圖1 環(huán)境因子日變化過程

2.2 光照強(qiáng)度對(duì)虎頭蘭生長指標(biāo)的影響

由表1可知，西藏虎頭蘭在不同光照強(qiáng)度下的生長量不同，其中在20%光照強(qiáng)度下的西藏虎頭蘭各生長指標(biāo)均處于最佳狀態(tài)，其株高和冠幅均顯著高于45%光照強(qiáng)度(P<0.05)，但與對(duì)照處理差異不顯著(P>0.05)；20%光照強(qiáng)度下分株基徑和最大葉長顯著高于其他2個(gè)光照強(qiáng)度處理(P<0.05)。不同光照強(qiáng)度處理下西藏虎頭蘭生長狀況如圖2所示，可以明顯看到20%光照強(qiáng)度下西藏虎頭蘭長勢最好，對(duì)照次之，45%光照強(qiáng)度長勢最差，葉片出現(xiàn)枯萎現(xiàn)象。

表1 不同光照強(qiáng)度對(duì)西藏虎頭蘭生長的影響

Left:8% light intensity;middle:20% light intensity;right:45% light intensity

2.3 光照強(qiáng)度對(duì)西藏虎頭蘭光合色素含量的影響

由表2可知，葉片Chl a、Chl b和Car含量均隨著光照強(qiáng)度的增加而顯著下降(P<0.05)，與對(duì)照相比，20%光照強(qiáng)度的Chl a、Chl b和Car含量分別下降36.14%、35.29%、18.75%，45%光照強(qiáng)度的Chl a、Chl b和Car含量分別下降68.67%、70.59%、56.25%。隨著光照強(qiáng)度的增加，Chl a/Chl b在各處理間無顯著差異，Car/Chl (a+b)隨著光照強(qiáng)度的增加而增加，這有助于減少西藏虎頭蘭葉片對(duì)光能的吸收，減輕強(qiáng)光造成的損害。

表2 不同光照強(qiáng)度下西藏虎頭蘭光合色素含量

2.4 光照強(qiáng)度對(duì)西藏虎頭蘭光合日變化的影響

西藏虎頭蘭Pn日變化如圖3(a)所示，對(duì)照和20%光照強(qiáng)度下的Pn日變化曲線呈“單峰”型，峰值出現(xiàn)在11：00，分別為0.84 μmol·m-2·s-1和1.16 μmol·m-2·s-1，隨后Pn呈下降趨勢。45%光照強(qiáng)度的Pn日變化曲線呈“雙峰”型，表現(xiàn)出光合“午休”現(xiàn)象，峰值分別出現(xiàn)在9：30和15：30，其大小分別為0.43 μmol·m-2·s-1和0.38 μmol·m-2·s-1，前一個(gè)峰值大于后一個(gè)峰值。8%、20%、45%光照強(qiáng)度下西藏虎頭蘭的日均凈光合速率分別為0.55 μmol·m-2·s-1、0.78 μmol·m-2·s-1和0.23 μmol·m-2·s-1，可見20%光照強(qiáng)度下西藏虎頭蘭光合作用能力最強(qiáng)。

西藏虎頭蘭Tr和Gs的日變化規(guī)律分別如圖3(b)和圖3(c)所示，對(duì)照和20%光照強(qiáng)度下的Tr和Gs日變化曲線基本呈“單峰”型，均在11：00出現(xiàn)峰值，變化趨勢基本一致；45%光照強(qiáng)度下的Tr和Gs日變化曲線呈“雙峰”型，峰值分別出現(xiàn)在9：30和15：30。在8%、20%、45%光照強(qiáng)度下，西藏虎頭蘭日均Tr分別為0.19 μmol·m-2·s-1、0.15 μmol·m-2·s-1、0.17 μmol·m-2·s-1，對(duì)照的Tr最大，表明其蒸騰失水能力最強(qiáng)。西藏虎頭蘭日均Gs大小為20%光照強(qiáng)度(0.003 7 μmol·m-2·s-1)>對(duì)照(0.003 6 μmol·m-2·s-1)>45%光照強(qiáng)度(0.003 0 μmol·m-2·s-1)。

圖3 光合日變化

西藏虎頭蘭Ci日變化曲線如圖3(d)所示，對(duì)照和20%光照強(qiáng)度下的Ci日變化曲線與Pn日變化曲線相反，早晚的Ci處于較高水平，整體趨勢為先下降后上升，呈“V”型曲線，在11：00出現(xiàn)谷值。45%光照強(qiáng)度下的Ci的變化趨勢為“W”型，在9：30和15：30出現(xiàn)谷值。

從表3可以看出，對(duì)照的西藏虎頭蘭Pn與Ci呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.809)、與PAR呈極顯著正相關(guān)(r=0.883)，表明影響Pn的主要因素是Ci與PAR，其中PAR的影響更為顯著。在20%光照強(qiáng)度下，Pn與Gs呈顯著正相關(guān)(r=0.858)、與Ci呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.868)、與Tr呈顯著正相關(guān)(r=0.816)，Gs與Tr呈極顯著正相關(guān)(r=0.975)，Ta與RH、Ca呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.990，r=-0.896)，Ca與RH呈極顯著正相關(guān)(r=0.878)，表明在一定的光照條件下，Pn同時(shí)受到自身多個(gè)光合指標(biāo)因素的影響，而光合指標(biāo)也受到環(huán)境因素的影響。在45%光照強(qiáng)度下，Pn主要受到PAR的影響(r=0.850)，Ta對(duì)Gs產(chǎn)生顯著影響(r=-0.758)，Ci也受到PAR的影響(r=-0.786)。

表3 光合指標(biāo)與環(huán)境因子相關(guān)性分析

2.5 光照強(qiáng)度對(duì)光響應(yīng)曲線的影響

從表4可知，45%光照強(qiáng)度與20%光照強(qiáng)度、對(duì)照的光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)具有顯著性差異，而20%光照強(qiáng)度的LCP與對(duì)照無顯著性差異。20%光照強(qiáng)度下西藏虎頭蘭的LCP最低，為8.86 μmol·m-2·s-1。不同光照強(qiáng)度下西藏虎頭蘭的光飽和點(diǎn)(LSP)具有顯著性差異，20%光照強(qiáng)度的LSP為607.67 μmol·m-2·s-1，顯著高于對(duì)照(424.03 μmol·m-2·s-1)和45%光照強(qiáng)度(220.37 μmol·m-2·s-1)，表明光照強(qiáng)度過低(對(duì)照)和過高(45%)都削弱了西藏虎頭蘭對(duì)光的利用能力。表觀量子效率(AQY)越高，植株對(duì)弱光利用能力越強(qiáng)。本研究中，20%光照強(qiáng)度下的AQY顯著高于對(duì)照與45%光照強(qiáng)度，說明在20%光照強(qiáng)度下的西藏虎頭蘭對(duì)弱光的利用效率最高。在3組不同光照強(qiáng)度下，20%光照強(qiáng)度下的西藏虎頭蘭的暗呼吸速率(Rd)最小，僅為0.18 μmol·m-2·s-1。由圖4可知，不同光照強(qiáng)度下西藏虎頭蘭的光響應(yīng)曲線變化趨勢基本一致。最大凈光合速率(Pmax)由大到小順序?yàn)?0%光照強(qiáng)度>8%光照強(qiáng)度>45%光照強(qiáng)度。20%與45%光照強(qiáng)度下的Pmax與對(duì)照相比分別升高115.56%和下降31.85%(表4)，表明適當(dāng)增大光照強(qiáng)度有利于提高西藏虎頭蘭光合作用的能力，而過高光照強(qiáng)度會(huì)使西藏虎頭蘭光合作用受到一定程度抑制。

表4 不同光照強(qiáng)度下西藏虎頭蘭光響應(yīng)曲線參數(shù)比較

圖4 不同光照強(qiáng)度對(duì)凈光合速率的影響

3 討論

植物的生長狀況反映了其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力[13]，當(dāng)環(huán)境對(duì)其生長不利時(shí)，植物的生長會(huì)受到不同程度的影響。葉片是植物光能的直接受體，一般情況下，隨著光照強(qiáng)度的減弱，植物會(huì)通過增大葉長、葉寬來增加葉面積以適應(yīng)弱光條件[14,15]。當(dāng)光照不能滿足植物生長需求時(shí)，植物會(huì)將光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物優(yōu)先分配于其地上部分，使植株地上部分優(yōu)先生長，使得植物能獲得更多的光能[16]。本研究結(jié)果表明，對(duì)西藏虎頭蘭進(jìn)行適當(dāng)遮蔭處理，能促進(jìn)其生長，這是植株對(duì)弱光環(huán)境的適應(yīng)性表現(xiàn)[17]，此結(jié)果與李雨霏等[18]對(duì)青錢柳的研究結(jié)果一致，不同遮蔭處理在其他植物樹高和葉長的研究中也有相同的發(fā)現(xiàn)，如珠子參和半夏生[19,20]。

葉綠素是植物捕獲光能量子和傳遞能量的光合色素，其值高低反映植物光合作用和光吸收作用的強(qiáng)弱[21]。有研究認(rèn)為，植物在弱光照強(qiáng)度下，為能捕獲更多的光量子，通常會(huì)通過增加葉綠素含量來適應(yīng)弱光條件[22]。葉綠素b在弱光環(huán)境能吸收藍(lán)紫光進(jìn)行光合作用，因此當(dāng)植物生長在弱光環(huán)境時(shí)，可通過增加單位面積葉綠素(a+b)的含量，尤其是增加葉綠素b的含量來適應(yīng)弱光環(huán)境[23]。本研究結(jié)果表明，隨著光照強(qiáng)度的減弱，葉綠素(a+b)和葉綠素b含量均顯著升高，各處理間差異顯著，在8%光照強(qiáng)度下達(dá)到最大值，說明西藏虎頭蘭在弱光環(huán)境下，通過增加葉綠素含量來增強(qiáng)光照的吸收和適應(yīng)弱光環(huán)境。葉綠素a/b是反映植物光合作用能力大小的指標(biāo)，其值越低，說明對(duì)光照的利用能力越強(qiáng)[24]。本研究中葉綠素a/b隨著光照強(qiáng)度的增加，表現(xiàn)為先減少后增加，其中20%光照強(qiáng)度下的葉綠素a/b達(dá)到最小值，表明西藏虎頭蘭在20%光照強(qiáng)度下對(duì)光的利用能力最強(qiáng)，此結(jié)果與王建華等[25]對(duì)連翹的研究結(jié)果一致。

光合作用是植物在生長發(fā)育中重要且復(fù)雜的一個(gè)過程，光合作用受到植物自身內(nèi)部因素如蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度等的影響，同時(shí)也受外界因素如空氣相對(duì)濕度、空氣溫度、空氣二氧化碳濃度和光合有效輻射的影響[26]。對(duì)照和20%光照強(qiáng)度下的Pn日變化基本相似，呈“單峰”型曲線，隨著PAR逐漸增高，Pn增大，在11：00達(dá)到最大值，隨后迅速下降，未出現(xiàn)光合“午休”現(xiàn)象，在同一PAR下，Pn大小表現(xiàn)為20%光照強(qiáng)度>對(duì)照，表明過低的光照強(qiáng)度會(huì)使西藏虎頭蘭的光合能力受到限制，這與夏嬋等[27]對(duì)赤皮青岡幼苗的研究結(jié)果一致。在45%光照強(qiáng)度下的西藏虎頭蘭由于午間溫度和PAR過高，Pn日變化呈“雙峰”型曲線，出現(xiàn)光合“午休”現(xiàn)象。45%光照強(qiáng)度與對(duì)照、20%光照強(qiáng)度相比，日均Pn最低，表明過高的光強(qiáng)可能會(huì)對(duì)西藏虎頭蘭的光合細(xì)胞造成破壞，產(chǎn)生光抑制，導(dǎo)致凈光合速率降低，對(duì)植株的生長產(chǎn)生影響，出現(xiàn)植株矮小、葉片面積過小的現(xiàn)象。這與高秋美等[28]對(duì)多花黃精的研究結(jié)果一致。

光照強(qiáng)度對(duì)植物的形態(tài)建成和生長具有重要意義，同時(shí)也影響著植物的光合指標(biāo)[29]。LCP和LSP反映植物需光特性和需光量，LSP越高，表明植物能利用更高強(qiáng)度的光照進(jìn)行光合作用[30]。西藏虎頭蘭在不同光照強(qiáng)度下的LSP和LCP存在顯著性差異，但LSP均在607.67 μmol·m-2·s-1及以下，表現(xiàn)出耐陰植物的特點(diǎn)[31]。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，西藏虎頭蘭能通過調(diào)整其光合生長特性來適應(yīng)不同的光照強(qiáng)度。西藏虎頭蘭在20%光照強(qiáng)度下其株高、冠幅和基徑等生長指標(biāo)最佳，表明20%光照強(qiáng)度下西藏虎頭蘭的長勢最好。此外，西藏虎頭蘭在20%光照強(qiáng)度下的光補(bǔ)償點(diǎn)最低，光飽和點(diǎn)、表觀量子效率和最大凈光合速率最高，表明20%光照強(qiáng)度下西藏虎頭蘭光合作用能力最強(qiáng)。由此可見，20%光照強(qiáng)度為西藏虎頭蘭的適宜生長光照強(qiáng)度。因此在西藏虎頭蘭栽培繁殖過程中，注意遮蔭的同時(shí)也應(yīng)該提供一定的光照來促進(jìn)西藏虎頭蘭的生長。