赤皮青冈幼苗对低磷胁迫的光合生理响应

陈雯彬， 欧阳泽怡， 欧阳硕龙， 李志辉， 何友军 ， 刘 球

(1.湖南省林业调查规划设计院，湖南 长沙 410007；2.湖南省森林植物园，湖南 长沙 410116; 3.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004；4.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004)

赤皮青冈Cyclobalanopsisgilva又名红椆[1]，适应环境的能力较强，在涵蓄水源、保持水土方面也有较好的表现，是湖南本土的珍贵硬木乡土树种[2]。赤皮青冈的成片天然林较少，因此需要对其进行科学繁育，扩大其人工造林规模，以满足市场需求[3]。

我国南部省份的土壤类型绝大多数为典型缺磷红土壤[4]，在这些地区推广栽培赤皮青冈的过程中必定会面临土壤缺磷的问题。针对这一问题，传统应对措施是加大林地养分供应和改良营林方法[5]。然而这些应对措施没有深入研究该树种的生理特性，所以并没有收到理想的效果。

磷直接参与了植物光合作用的各个环节，如光合产物的形成和运输、能量传递、物质转化、同化物形成、同化物运输等[6]。在低磷逆境中，植物同化物的运输受到一定的抑制，植物叶片的净光合速率会降低[7]。众多研究表明[8-11]，不同树种的磷素利用效率存在较大差异，在光合生理方面亦会有所体现。所以，研究低磷胁迫下赤皮青冈的光合生理响应很有必要。

1 试验区概况

试验地设在湖南省天际岭国家森林公园内。该区与苗木来源地同属亚热带季风气候区，无霜期超过274d，春秋季很短，春季气温起伏大，夏季特别炎热而漫长，冬季结冰少但体感较冷，年平均气温为17.2℃[13]。

2 材料与方法

2.1 试验材料

以来自湖南省通道侗族自治县的1年生、2年生赤皮青冈幼苗为试材。1年生苗的苗高为15±0.5cm，地径为1.9±0.1cm；2年生苗的苗高为37±0.2cm，地径为3.5±0.2cm。苗木来源地位于109°36′E，26°16′N。该地区的降水较充裕，夏日少炎热，冬季少酷寒，早晚温差明显[12]。

2.2 试验设计

水培试验于2017年5—10月在湖南省天际岭国家森林公园的玻璃温室内进行，营养液按照霍格兰配方[14]，用去离子水配制。5月初在苗圃内对赤皮青冈苗进行移植，选择大小各自基本一致的1年生和2年生赤皮青冈幼苗，将其根系轻轻地冲洗干净，先用自来水冲洗，再用重蒸水冲洗，并对幼苗进行适当的修剪，然后移栽到黑色塑料培养槽里。培养槽内需提前注入配制的营养液。幼苗培养1周后进行磷胁迫处理。低磷胁迫试验设置8个磷浓度水平，其P浓度分别为0.000、0.001、0.005、0.010、0.050、0.100、0.500、1.000(CK)mmol·L-1。用KH2PO4配制成不同P浓度水平的营养液，在改变P浓度时用KCl来调节营养液中k+浓度平衡，其他营养元素浓度保持相同。每个培养穴内放置1株1年生或2年生赤皮青冈幼苗，各重复3次，各处理每重复3株，共144株，其中1年生的和2年生的各72株。在胁迫试验过程中保证2 4h不间断通气，并及时用0.1mol·L-1氯化氢和0.1 mol·L-1氢氧化钠溶液调整营养液的pH值至5.8。为确保营养充足，每培养3 d要倒掉使用过的营养液，注入新配制的营养液，测定相关指标的频率是每30 d测1次。

2.3 光合生理指标测定

2.3.1 赤皮青冈幼苗叶绿素含量的测定 参照高俊凤[15]的叶绿素浸提法。早上8:00—8:30采集1年生、2年生赤皮青冈幼苗的新鲜叶片，在冰袋保存下立即带回实验室，用微微湿润的干净毛巾拭净污垢，剪去中脉，把剩下的叶片剪为细丝状，用天平称取0.1g放入锥形瓶。浸提溶液用95%的乙醇和无水丙酮按1∶1比例配制，用25ml移液管吸取浸提溶液于各锥形瓶中，摇匀后迅速转移至黑暗处，浸提24h，期间摇动若干次，直到样品全部变成白色。摇匀锥形瓶中液体后，注入比色皿。对照样品也是用95%的乙醇和无水丙酮配制的浸提液，二者的比例为1∶1，用紫外线分光光度计测出各样品的吸光值(波长663nm和645nm)。

根据以下公式(1、2、3、4)计算总叶绿素、叶绿素a和叶绿素b的含量：

Ca(mg·ml-1)=12.7A663-2.69A645

(1)

Cb(mg·ml-1)=22.9A645-4.68A663

(2)

CT(mg·ml-1)=Ca+Cb

(3)

(4)

式中：P为样品叶绿素含量(mg·g-1)；C为样品叶绿素浓度(mg·ml-1)；V为浸提液体积(ml)；R为稀释倍数，M为样品鲜质量(g)。重复3次，取平均值。

2.3.2 赤皮青冈幼苗气体交换参数的测定 低磷胁迫120d后，在早上8:30—11:30用LI-6400光合测定仪(LI-COR公司生产)测定1年生、2年生赤皮青冈幼苗低磷胁迫下的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和细胞间隙CO2浓度(Ci)。调控CO2浓度为400μmol·mol-1。设定光强度为1000μmol·m-2·s-1。每个样品测节位相同、叶龄适中的叶3片，每种磷浓度处理样品共测6株，其中1年生与2年生赤皮青冈幼苗各测3株，室温维持在25℃。

2.4 数据处理

运用 Microsoft Excel 2003软件进行数据统计和作图；使用 SPSS 20.0 进行数据分析。

3 结果与分析

3.1 低磷胁迫下赤皮青冈幼苗叶绿素含量的变化

从图1、图2可以看出：1年生赤皮青冈幼苗6、7、8、9月叶片叶绿素a含量分别介于1.98～2.70、1.70～2.75、1.35～2.52、1.25～2.24mg·g-1之间。2年生幼苗6、7、8、9月叶片叶绿素a含量分别介于2.38～3.05、2.11～3.02、1.85～2.89、1.80～2.85 mg·g-1之间。

从图3、图4可以看出：1 年生赤皮青冈幼苗6、7、8、9月叶片叶绿素b含量分别介于0.61～0.92、0.52～0.95、0.36～0.83、0.33～0.81mg·g-1之间。2 年生的幼苗6、7、8、9月叶片叶绿素b含量分别介于0.79～1.05、0.67～1.06、0.56～0.98、0.53～0.97 mg·g-1之间。

从图5、图6可以看出：1 年生赤皮青冈幼苗6、7、8、9月叶片总叶绿素含量分别介于2.59～3.62、2.22～3.66、1.71～3.35、1.58～3.18 mg·g-1之间。2 年生幼苗6、7、8、9月叶片总叶绿素含量介于3.17～4.10、2.78～4.08、2.41～3.87、2.33～3.82 mg·g-1之间。

从图1至图6还可以看出：1年生、2年生赤皮青冈幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量均低于对照的，均随着胁迫时间的延长而降低；2年生幼苗叶片的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量均高于1 年生幼苗的。1年生赤皮青冈幼苗7、8、9月的和2年生幼苗6、7、8、9月的叶片叶绿素a含量以及1年生、2年生幼苗6、7、8、9月叶片叶绿素b、总叶绿素含量，在0.000、0.001、0.005、0.010、0.050、0.100 mmol·L-1的P浓度下，均与对照存在显著差异(P<0.05)。

图1 低磷胁迫下1年生赤皮青冈幼苗叶片叶绿素a含量比较Fig.1 Comparison with chlorophyll a content of annual Cyclobalanopsis gilva seedlings under low phosphorus stress注：数据系平均值±标准差；处理之间差异显著性用a、b、c等字母表示，不同字母表示差异显著(P<0.05)；误差线表示标准误。图2至图10同。

图2 低磷胁迫下2年生赤皮青冈幼苗叶片叶绿素a含量比较Fig.2 Comparison with chlorophyll a content of biennial Cyclobalanopsis gilva seedlings under low phosphorus stress

图3 低磷胁迫下1年生赤皮青冈幼苗叶片叶绿素b含量比较Fig.3 Comparison with chlorophyll b content of annual Cyclobalanopsis gilva seedlings under low phosphorus stress

图4 低磷胁迫下2年生赤皮青冈幼苗叶片叶绿素b含量比较Fig.4 Comparison with chlorophyll b content of biennial Cyclobalanopsis gilva seedlings under low phosphorus stress

图5 低磷胁迫下1年生赤皮青冈幼苗叶片总叶绿素含量比较Fig.5 Comparison with total chlorophyll content of annual Cyclobalanopsis gilva seedlings under low phosphorus stress

图6 低磷胁迫下2年生赤皮青冈幼苗叶片总叶绿素含量比较Fig.6 Comparison with total chlorophyll content of biennial Cyclobalanopsis gilva seedlings under low phosphorus stress

3.2 低磷胁迫下赤皮青冈幼苗的光合生理响应

从图7可以看出：对照处理的1年生、2年生赤皮青冈幼苗叶片的净光合速率分别为7.48、7.61μmol·m-2·s-1；在0.000～0.100mmol·L-1低磷胁迫时，净光合速率较对照显著降低(P<0.05)；在0.000mmol·L-1低磷胁迫时，净光合速率下降幅度最大，1 年生幼苗叶片净光合速率的最大下降幅度达33.69%，2 年生的最大下降幅度达29.43%，2 年生的下降幅度明显低于1 年生的。

图7 1、2年生赤皮青冈幼苗叶片净光合速率对低磷胁迫的响应Fig.7 Response of low phosphorus stress on net photosynthetic rate of annual and biennial Cyclobalanopsis gilva seedlings

蒸腾速率和净光合速率的变化规律基本一致。从图8可以看出：对照处理的1年生、2年生赤皮青冈幼苗叶片的蒸腾速率分别为2.72、2.81mmol·m-2·s-1；在0.000～0.100mmol·L-1低磷胁迫时，蒸腾速率较对照显著降低(P<0.05)；在0.000mmol·L-1低磷胁迫时，1 年生幼苗叶片蒸腾速率的最大下降幅度达33.69%，2 年生的最大下降幅度达29.43%，2 年生的下降幅度明显低于1 年生的。

图8 低磷胁迫对1、2年生赤皮青冈幼苗叶片蒸腾速率的影响Fig.8 Effects of low phosphorus stress on transpiration rateof annual and biennial Cyclobalanopsis gilva seedlings

从图9、图10可以看出：在0.000～0.100mmol·L-1的低磷胁迫下，1年生、2年生赤皮青冈幼苗叶片的气孔导度较对照显著降低(P<0.05)；2 年生幼苗叶片的气孔导度明显高于1 年生的。胞间CO2浓度与气孔导度相比，变化规律完全相反；与对照相比，在0.000mmol·L-1低磷胁迫下，1年生、2年生幼苗叶片胞间CO2上升幅度达到最大，分别为31.67%、19.22%，2 年生的上升幅度明显低于1 年生的。

图9 低磷胁迫对1、2年生赤皮青冈幼苗叶片气孔导度的影响Fig.9 Effects of low phosphorus stress on stomatal conductance of annual and biennial Cyclobalanopsis gilva seedlings

图10 低磷胁迫对1、2年生赤皮青冈幼苗叶片胞间CO2的影响Fig.10 Effects of low phosphorus stress onleaf internal CO2 concentrationof annual and biennial Cyclobalanopsis gilva seedlings

3.3 不同苗龄赤皮青冈幼苗气体交换参数相关性

由表1可知：在低磷胁迫试验中，1年生赤皮青冈幼苗的气体交换参数比2年生的表现出更大相关性。1年生、2年生幼苗叶片的净光合速率与蒸腾速率、气孔导度均呈极显著正相关(P<0.01)；1 年生幼苗叶片的净光合速率与胞间CO2浓度呈极显著负相关(P<0.01)，2年生幼苗叶片的净光合速率与胞间CO2浓度呈弱度负相关(P>0.05)；1年生、2年生幼苗叶片的蒸腾速率均与气孔导度呈极显著正相关(P<0.01)；1 年生幼苗叶片的蒸腾速率和气孔导度均与胞间CO2浓度呈极显著负相关(P<0.01)，2年生幼苗叶片的蒸腾速率和气孔导度均与胞间CO2浓度呈显著负相关(P<0.05)。

表1 低磷胁迫下1、2年生赤皮青冈幼苗叶片气体交换参数的偏相关性Tab.1 Partial correlation of gas exchange parameters of annual and biennial Cyclobalanopsis gilva seedlings under lowphos-phorus stress控制变量指标苗龄净光合速率蒸腾速率气孔导度胞间CO2浓度净光合速率1年生10.896**0.978**-0.796**2年生10.871**0.707**-0.302蒸腾速率1年生1.0000.969**-0.759**2年生1.0000.933**-0.504*磷浓度气孔导度1年生1.000-0.724**2年生1.000-0.493*胞间CO2浓度1年生1.0002年生1.000 注:*和**分别代表差异达显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)。

4 结论与讨论

4.1 结论

赤皮青冈幼苗的叶片对低磷胁迫有明显的光合生理响应。在低磷胁迫下，与对照相比，赤皮青冈幼苗叶片的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量均明显降低；在光合作用的功能方面，因低磷胁迫使叶片的气孔导度变小，净光合速率下降，胞间CO2浓度上升；在0.000mmol·L-1的磷胁迫时，除胞间CO2浓度外，所有指标的下降幅度均达到最大，与对照相比，1年生、2年生幼苗叶片的净光合速率分别下降了33.69%、29.43%。在磷元素缺乏的环境下，2年生幼苗比1年生的具有更高的光合功能，适应能力更强。

4.2 讨论

(1)光合作用产物是植物物质累积的主要来源，而叶绿素对植物光能传递与转换有十分重要的影响，在逆境环境，叶绿体会遭到损伤，从而使光合作用无法正常进行，植物不能正常生长发育[7，16-18]，而且大部分研究[8-11]发现，低磷胁迫下，叶绿素含量会减少，因此，可以把这一表现视为植物响应逆境胁迫的生理特征。本试验发现，在低磷胁迫下，赤皮青冈幼苗叶片的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量均随磷元素浓度的降低而减少，说明低磷胁迫使赤皮青冈幼苗叶片叶绿素合成降低，分解加快，叶绿素总含量减少，光合作用无法充分进行，植物体内物质累积量减少，从而减少其磷元素含量的消耗来适应低磷逆境。不同苗龄赤皮青冈叶片的叶绿素变化存在一定的差异，2 年生赤皮青冈幼苗叶片叶绿素含量普遍高于1 年生的，且叶绿素含量降低幅度明显小于1 年生的，在一定程度上可以说明在同等的低磷胁迫下，2 年生赤皮青冈幼苗叶片叶绿素受到破坏的程度低于1 年生的。8、9月对照处理的叶绿素含量有所降低，可能与当时气温过高有关。

(2)光合作用是构成植物生产力的最重要的部分，低磷逆境会损坏植物叶肉细胞，抑制与光合反应相关的酶活性，关闭部分气孔，从而使植物光合速率下降。本研究表明，随着低磷胁迫程度的增强，1年生、2年生赤皮青冈幼苗叶片的净光合速率均呈现降低的趋势，说明低磷逆境使赤皮青冈叶片气孔部分闭合，CO2的获取受到抑制，从而净光合速率下降；赤皮青冈的蒸腾速率及气孔导度的降低，说明其可以通过减少水分蒸发和降低气孔导度来适应低磷胁迫；胞间CO2浓度的升高，表明赤皮青冈幼苗叶片的净光合速率受气孔因素和非气孔因素共同制约。在本试验中，2年生赤皮青冈幼苗叶片蒸腾速率始终都维持在较低的水平，较1年生幼苗表现出更高的净光合速率，说明2年生赤皮青冈幼苗叶片在磷元素缺乏的环境下较1年生幼苗具有更强的光合功能，比1年生幼苗具有更强的适应能力。