遮荫对福建柏幼苗生理特性和叶绿素荧光特性的影响

陈 乾, 邓智文, 黄丽婷, 刘 凯, 荣俊冬, 陈礼光, 郑郁善

(福建农林大学林学院，福建 福州 350002)

光照是生态系统中最基本的环境组成部分，是影响植物生长发育与分布的重要因素，也是植物生长的能量来源，它除了对植物生长和生产力起调节作用外，还决定着生理变化和同化作用[1-3].近些年来，大气臭氧层破坏和人为干扰促使生态系统光环境异质性增加，导致植物生长的光环境也发生了改变，植物为了适应改变的光环境，不得不发挥出自身的适应机制，主要表现在形态特征和生理特性变化上[4-7].

在南方夏季晴天，自然光照强度较高，植物幼苗无法适应生境内的高光照，在遮荫条件下，太阳辐射和蓄热量会显著降低，空气湿度增加，遮荫处理在一定程度上可以减轻植物幼苗受到的负面影响[8-10].在野外，植物经历高光照，通常伴随着高温，这些条件通常抑制它们的生理代谢活动，对农林业生产构成了严重威胁[11].在植物光合机制中，光系统Ⅱ(PSⅡ)及其反应中心对光胁迫较敏感，也主要表现在叶绿素荧光特性变化上，叶绿素荧光参数信息对研究植物生长、反应机制和应对光胁迫的适应机制具有重要意义[1,12-13].我国对植物耐荫性的系统研究起步较晚，在之前主要是凭借经验来判断植物的耐荫性，缺乏科学的数据支持，随着生物技术发展、生态环境建设及森林植物高效培育的热潮，对植物耐荫性研究日益成为人们关注的焦点[7,14].

福建柏(FokieniahodginsiiH.)，属柏科(Cupressaceae)福建柏属的我国二级重点保护的单型属常绿濒危树种，具有树形优美、生长快、适应性强等特点，为优良的园林绿化和造林树种，主要分布在越南及中国西南部、南部至东部的海拔350～700 m的林地，在我国以福建中部最多，同时也被国际自然保护联盟列为濒危物种[15-17].大量研究表明，中等强度的光照有利于木本植物幼苗的生长，而过强的光照对幼苗生长则有一定抑制作用，因此适宜的遮荫能够促进植物的生长[18-19].早年间，我国已经对福建柏耐荫性进行了一定的研究，但主要是采用苗高、地径、分枝数、主根长、侧根数及苗木保存数等基本形态指标评价其耐荫性[20-21].然而，不同遮荫强度对福建柏苗期叶绿素含量、叶绿素荧光参数及生化特性等生理的影响研究甚少.因此，本研究通过不同遮荫强度控制光照条件，对福建柏幼苗在不同遮荫条件下的生理特性和叶绿素荧光特性变化进行探讨，为福建柏育苗、栽培管理和森林培育提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地点

试验材料为种子，采自云南红河天然种群，由福建省南平市森科种苗有限公司培育的达到出圃要求的1.5年生福建柏播种苗，并采用育苗基质营养袋装育苗，育苗后期给予光照适应，育苗过程中水肥病虫害管理条件一致，并于2019年3月从南平市森科种苗有限公司运至福建农林大学田间试验地光照1个月.育苗地南平市森科种苗有限公司地处南平市延平区，位于福建省中部偏北，介于26°15′—26°52′N，117°50′—118°40′E之间，属中亚热带季风气候，年均气温17.3 ℃，年降水量1 669 mm.试验地位于福建农林大学田间试验地，地处福州城区南部，地理位置26°9′N、119°27′E，该地区属于中亚热带季风气候，年均气温23 ℃，年降水量可达1 900 mm，全地区日照时间可达1 972 h.

1.2 试验设计

采用盆栽试验方法，2019年4月选取240株长势良好且一致的福建柏苗木，采用每盆2.5 kg的70%园土+30%泥炭进行盆栽，盆口直径16.5 cm，盆底直径13 cm，盆高15.5 cm，花盆底部具孔，保证处理过程中养分供给充足，土壤通气透气性良好，苗木根系保持正常形态，解除营养袋的束缚和局限性.每盆栽植1株苗木，缓苗1个月后测定其平均苗高为17.66 cm，平均地径为0.23 cm，再均分为4组.试验设置4个处理：自然光(对照)、透光率50.0%、透光率25.0%、透光率12.5%处理，每个处理3个重复，每个重复20盆随机排列，并保持一定株行距.2019年5—11月采用黑色遮阳网搭设遮荫棚进行人工遮荫处理，并利用照度计测定每个处理遮荫棚下的多位点光照，确保各处理光照达到试验要求.搭建的各处理遮荫网无相互遮光，每周随机调整盆的位置，以确保各处理内的光照条件一致，遮荫网底部距地面10 cm以保证四周通风，各处理后期进行统一水肥、除草管理.遮荫处理后于2019年11月3日测定福建柏幼苗生长及叶色特征(表1).

表1 遮荫处理下福建柏幼苗生长及叶色特征Table 1 Growth and leaf color characteristics of F.hodginsii seedlings under shading

1.3 指标测定与方法

1.3.1 叶绿素荧光参数与叶绿素含量测定 于2019年11月4日晴朗无风的上午，采用OS5P调制叶绿素荧光仪对4个处理实生苗叶片活体进行测定.从每个处理每个重复中选取长势处于平均水平的幼苗3株，每个处理共选择9株，每株选择3个处于中间位置的小枝功能叶并做上标记，对叶片进行暗适应处理至少20 min，进行Fv/Fm模式测量时，使叶片均匀夹于暗适应夹内，测后拿掉暗适应夹并间隔一定时间，对标记叶片进行Yield模式与Kinetic模式测量，测定的叶绿素荧光参数包括光系统Ⅱ(PSⅡ)最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ潜在的光化学活性(Fv/Fo)、PSⅡ电子传递效率(Fm/Fo)、光适应下PSⅡ实际光量子产额(YⅡ)、光抑制时最大光合电子传递效率(maximum photosynthetic electron transport rate in photoinhibition，ETR)、光化学猝灭系数(qP)、非光化学猝灭系数(qN).11月4日下午剪取每株标记叶片并剪碎成混合样，采用纯丙酮∶无水乙醇∶蒸馏水=4.5∶4.5∶1的混合提取液在黑暗条件下浸提一段时间，待肉眼观察叶组织完全变白时，用混合液作空白对照，然后用紫外分光光度计测定叶绿素在663和645 nm波长下的光密度(D)，并计算叶绿素a(Chla)含量、叶绿素b(Chlb)含量、叶绿素总量(Chla+b).

计算公式为：

Chla/(mg·g-1)=(12.7×D663 nm-2.69×D645 nm)×V/(1 000×W)

(1)

Chlb/(mg·g-1)=(22.9×D645 nm-4.68×D663 nm)×V/(1 000×W)

(2)

Chla+b/(mg·g-1)=(20.2×D645 nm+8.02×D663 nm)×V/(1 000×W)

(3)

式中：V是浸提液的最终体积，W为叶片鲜重，D663 nm、D645 nm分别为在波长663 nm、645 nm处的光密度值.

1.3.2 生化指标测定 于11月4日下午采摘每个处理每个重复长势处于平均水平的3株幼苗的成熟功能叶，液氮冷冻后置于-80 ℃超低温冰箱中保存，用于生化指标测定.超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性采用氮蓝四唑法试剂盒测定，过氧化物酶(peroxidase，POD)活性采用过氧化物酶试剂盒测定，过氧化氢酶(catalase，CAT)活性采用钼酸铵比色法试剂盒测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法蛋白含量测定试剂盒测定，可溶性糖含量采用植物可溶性糖含量蒽酮比色法试剂盒测定，脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法试剂盒测定.

1.4 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2010录入试验数据及初步处理，利用SPSS 17.0对所得数据进行统计分析，采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)进行显著性检验(P<0.05)，同时采用LSD最小显著差法进行多重比较,表中数值均为平均值±标准误.

2 结果与分析

2.1 遮荫对福建柏幼苗叶片叶绿素含量的影响

相比于自然光，遮荫处理下福建柏幼苗叶绿素含量均有不同程度提高，随着遮荫强度的增加，福建柏幼苗叶片中叶绿素a(Chl a)含量、叶绿素b(Chl b)含量及总叶绿素(Chl a+b)含量均呈不断升高的趋势.透光率50.0%、25.0%、12.5%处理相比于自然光Chl a含量分别增加了5.11%、30.44%、35.04%；Chl b含量分别增加了5.36%、20.71%、31.07%；Chl a+b含量分别增加了1.54%、24.91%、31.32%(表2).

表2 遮荫强度对苗期福建柏叶片叶绿素含量的影响1)Table 2 Effects of shading intensity on the chlorophyll content of leaves of F.hodginsii seedlings mg·g-1

自然光处理组与透光率50.0%处理组的Chl a、Chl a+b含量与透光率25.0%、12.5%处理组均存在显著性差异(P<0.05)，透光率25.0%的Chl a、Chl a+b含量比透光率50.0%处理组分别显著提高了24.21%、23.10%；Chl b含量在自然光与透光率25.0%、12.5%间差异显著(P<0.05)，透光率50%与12.5%间差异也达到显著水平(P<0.05)，其他光照处理间差异不显著，说明自然光与弱光对Chl b含量的影响较为显著.每个光照处理下均有Chla、Chlb及Chla+b含量之间存在极显著差异(P<0.01)，且Chl b

2.2 遮荫对福建柏幼苗叶片叶绿素荧光特性的影响

福建柏苗期叶绿素荧光特性随遮荫强度变化存在一定差异，部分遮荫处理间差异达到显著水平(表3).Fv/Fm的变化反映PSⅡ的光能转换效率，常与光抑制程度相关，在正常条件下，该值范围在0.80～0.84，该值越高，反映出植物受到光抑制的程度越低[22-23]；Fv/Fo值反映潜在光化学活性的高低；Fm/Fo代表PSⅡ电子传递效率.相比于自然光，其他3种遮荫处理Fv/Fm，Fv/Fo，Fm/Fo均有不同程度升高，透光率50.0%、25.0%、12.5%处理Fv/Fm分别提高8.00%、5.33%、2.67%；Fv/Fo分别提高41.88%、27.92%、14.29%；Fm/Fo分别提高了31.6%、21.08%、10.78%.由此可知，Fv/Fm，Fv/Fo，Fm/Fo最大值也均出现透光率50.0%处理处，透光率50.0%处理Fm/Fo相对较高，PSⅡ潜在光化学活性Fv/Fo也较高，说明有活性的PSⅡ反应中心的数量较多，能把所捕获的光能有效地转化为所需的化学能；Fv/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo在自然光与透光率50.0%、25.0%，透光率50.0%与12.5%之间差异均达到显著水平(P<0.05).

表3 遮荫强度对福建柏幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响1)Table 3 Effects of shading intensity on the chlorophyll fluorescence parameters of leaves of F.hodginsii seedlings

在自然光照下，Fv/Fm值仅为0.75，显著低于其它遮荫处理,而透光率50%处理的Fv/Fm值则在0.80以上，表明适度遮荫有利于维持福建柏叶片光合器官的正常功能和苗期生长.qP代表PSⅡ吸收的光能转化为化学能的效率，反映了PSⅡ反应中心的光合活性的高低与开放程度[24]；qN表示植物PSⅡ反应中心的叶绿体耗散能量的一种途径，主要耗散掉的是不能用于光合电子传递的光能，是保护光合部位的一种机制.相比于自然光，透光率50.0%、25.0%处理的qP均增加了33.33%、而透光率12.5%处理的qP降低了38.89%，而qN分别降低了2.41%、61.00%、16.87%.qP最大值出现在透光率50.0%(25.0%)处；相比于自然光，其他遮荫处理qN有所下降；qP，qN均在透光率12.5%与透光率25.0%、50.0%间存在显著差异(P<0.05)，自然光的qN与透光率12.5%处理差异也达到显著水平(P<0.05).

YⅡ代表光环境下PSⅡ实际光量子产额，反映的是对光能的有效转化能力，该值越大表明PSⅡ光能转换率越高，PSⅡ活性越强[25]；ETR反映光抑制时最大潜在相对电子传递效率，即实际光照下表观电子传递效率；相比于自然光，透光率50.0%、25.0%、12.5%处理YⅡ分别升高了8.7%、7.25%、7.25%；ETR分别升高了6.82%、6.96%、6.96%.YⅡ、ETR最大值均出现在透光率50.0%处理下，自然光与其他3个遮荫处理间均存在显著差异(P<0.05)，其他处理间YⅡ、ETR差异不显著(P>0.05).

2.3 遮荫对福建柏幼苗叶片抗氧化酶活性与渗透调节物质的影响

由表4知，相比于自然光，遮荫处理CAT、POD、SOD活性均显著降低，随着遮荫强度增加，福建柏幼苗叶片CAT、POD、SOD活性均先降低再上升，且均在自然光照下表现为最高，透光率50.0%处理下最低.

表4 遮荫强度对福建柏幼苗叶片抗氧化酶活性与渗透调节物质的影响1)Table 4 Effects of shading intensity on the antioxidant enzyme activities and osmoregulation substances of leaves of F.hodginsii seedlings

经方差分析和多重比较，4种处理间CAT、SOD活性均达到极显著差异，POD活性则达到显著差异，自然光与其他3种遮荫处理CAT、SOD活性均存在显著差异.透光率12.5%、25.0%、50.0%处理CAT活性较自然光分别降低了17.03%、31.76%、42.21%，POD活性分别降低了10.31%、14.70%、22.04%，SOD活性分别降低了38.45%、40.78%、43.93%，且均在透光率50%处理处最低.植物受到环境胁迫时，会启动体内一系列的生理响应机制应对胁迫的伤害，通过积累渗透调节物质来增加细胞液的浓度，降低渗透势，保持细胞的正常形态，缓解环境胁迫对植物造成的伤害[26].

由表4可知，相比于自然光，遮荫处理可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸含量均存在一定程度下降，随着遮荫强度增加，福建柏幼苗叶片可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸含量变化表现为以下特征：相比于自然光，透光率50.0%、25.0%、12.5%处理可溶性蛋白含量降低了24.38%、22.61%、13.43%；可溶性糖含量分别降低了15.94%、19.73%、28.02%；脯氨酸含量分别降低了25.1%、18.2%、5.71%.可溶性蛋白、脯氨酸含量在透光率50.0%处理下表现为最低，可溶性糖含量则一直降低.透光率50.0%、25.0%的可溶性蛋白含量与自然光均存在显著差异(P<0.05)，脯氨酸含量在透光率50.0%处理下比自然光降低了20.06%，4种光照处理间的脯氨酸(Pro)含量存在极显著性差异(P<0.01)；可溶性糖含量在透光率25.0%、12.5%与自然光的差异均达到显著水平(P<0.05).

3 讨论

3.1 遮荫对福建柏苗期光合生理相关特性的影响

在正常的环境中，植物会维持叶片正常的光合色素含量和有条不紊的调节光能，并维持正常的光合生理代谢.而逆境则会打破PSⅡ实际光化学量子产量与光合电子需求的平衡，使PSⅡ反应中心与光合结构体受损，较高的光化学量子产额有利于碳同化的运转[27].叶片是植物进行光合作用等生理代谢活动、产生及积累有机物的重要器官，而且对环境变化最为敏感[28]，栽培在不同光照条件下的福建柏幼苗在光合能力和代谢物质含量上都表现出一定的差异性，采用遮荫在降低光照强度的同时也改变了光谱组成，一般会使蓝光比例增高[29].

随着遮荫强度增加，福建柏幼苗叶片中Chla、Chlb及Chla+b含量增加，相比于自然光下黄褐色的叶色，透光率50.0%、25.0%、12.5%处理使叶色不同程度向绿色变化，且分别表现为浅绿色、绿色和深绿，这与戴晓会对遮阴条件下红花檵木叶色变化的研究相类似[30].遮荫处理下Chla与Chla+b含量相比于自然光显著升高，表明遮荫条件对福建柏幼苗Chla和Chla+b的影响显著，同时Chla对Chla+b含量的影响较大，这与童龙等研究结果[31]相一致.遮荫条件下Chlb含量与自然光相比差异显著，说明遮荫会通过增加Chlb含量来提高叶片对漫射光中蓝光的利用率[29].

环境胁迫下叶绿素荧光特性的研究，对于了解叶片光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等方面具有重要意义[32].本研究中，除透光率50%处理使叶片Fv/Fm保持在0.80～0.85，其他处理均显著降低，表明自然光与弱光条件显著降低了叶片的 PSⅡ最大光化学效率，福建柏幼苗受到了光胁迫，发生一定程度的光抑制[33].随着遮荫强度增加，Fv/Fo、Fm/Fo与Fv/Fm均先增加后降低，在透光率50.0%遮荫处理下达到最大值，自然光与弱光条件Fm/Fo相对较低，PSⅡ潜在光化学活性Fv/Fo也较低，反映出有活性的PSⅡ反应中心数量较少，捕获及转化所需光能的能力较差[34].透光率12.5%相比于自然光条件，非光化学猝灭系数(qN)显著降低，自然光相比于其他遮荫处理，YⅡ、ETR显著降低，表明自然光下福建柏幼苗叶片PSⅡ反应中心活性和开放程度明显降低，叶片的能量耗散机制受到抑制，光合机构受损，从而导致光能利用能力降低.

3.2 遮荫对福建柏苗期抗氧化酶活性与渗透调节物质的影响

本研究表明，栽培在不同遮荫条件下的福建柏幼苗在抗氧化酶活性和代谢物质含量上都表现出一定的差异性；4种处理间CAT、SOD活性均达到极显著差异，POD活性则达到显著差异.自然光与其他3种遮荫处理CAT、SOD活性均存在显著差异；相比于自然光，遮荫显著降低了SOD、CAT和POD活性，且随着遮荫强度增加，叶片CAT、POD和SOD活性先降低再增加，均在透光率50.0%遮荫处活性最小，说明自然光和重度遮荫都会对福建柏幼苗抗氧化系统造成一定损害，适当遮荫可以调节抗氧化酶活性，最终降低幼苗细胞活性氧含量，维持细胞内氧化还原平衡，提高福建柏幼苗对光胁迫适应能力，这与孟祥海等[38]的研究结果相一致.

可溶性蛋白和可溶性糖不仅是植物体内主要的有机物质，还是有效的细胞渗透调节物质，主要在渗透调节和活性氧自由基清除方面发挥重要作用，一般在逆境条件下植物体内可溶性蛋白和可溶性糖含量会发生累积.脯氨酸也作为一种渗透调节物质，可缓解环境胁迫对细胞膜和抗氧化酶带来的损害，清除活性氧毒性，保护细胞膜系统的完整性[35-36].本研究表明，与自然光相比，遮荫处理可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸含量均明显降低，在透光率50%遮荫时，福建柏幼苗积累更少的渗透物质.说明适当的遮荫处理能维持苗木正常的生理功能，达到更好的生长效果，而自然光需要增加渗透物质来缓解高光照带来的胁迫伤害.

福建柏在高温季节生长缓慢，5—9月的苗高生长量仅占全年生长量的25%～30%，9—12月则占全年生长量的40%[20]，本研究仅进行了1次生理指标测定，从生理角度初步探索不同遮荫条件下福建柏幼苗叶绿素含量、渗透调节物质、抗氧化酶活性及叶绿素荧光特性的变化特征及差异，但随着遮荫时间延长，福建柏幼苗相应生理生化特性在不同处理间变化规律及差异是否依然保持不变，每个处理福建柏幼苗生理生化特性是否会随着时间变化而发生改变，还需增加相应生理指标测定次数进一步探究.

综上所述，遮荫能显著影响苗期福建柏生理特性及叶绿素荧光特性.遮荫处理下福建柏幼苗叶绿素含量显著提高，以提升光的利用能力，叶色也由黄褐色向绿色变化.相比于自然光，遮荫处理能显著提高福建柏幼苗Fv/Fm、YⅡ、ETR等荧光参数，增强幼苗光合能力；遮荫处理还能显著降低SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性，可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸等渗透调节物质含量也显著降低，福建柏幼苗在遮荫环境下可通过调节它们的含量调节细胞渗透压，缓解细胞膜受到的胁迫压力.在透光率50.0%的遮荫处理下幼苗生理胁迫较小，光合能力强，抗氧化酶活性及渗透调节物质含量低，说明透光率50.0%的遮荫措施更有利于福建柏幼苗的生长.