不同光照强度下玫瑰光合生理特性

吕伟伟，田俊德，郭郁娇，于忠亮，苑景淇，王丽丽，初 艳，孙 勇

(1.吉林市林业科学研究院，吉林 吉林 132013；2.吉林省林业科学研究院，吉林 长春 130033)

玫瑰(RosarugosaThunb.)隶属蔷薇科(Rosaceae)蔷薇属(RosaL.)落叶灌木，树高约2 m，枝干针刺，奇数羽状复叶，花紫红色或白色，果期8—9月.玫瑰原产于中国、日本和俄罗斯等地，是重要的园艺植物之一[1].野生玫瑰在我国多分布于吉林、辽宁、山东等地[2].随着环境恶化和人为干扰，野生玫瑰数量急剧减少，1992年被《中国植物红皮书》列为国家二级保护植物[3].目前，对玫瑰的研究主要集中在繁殖繁育[4-7]、种群生态学[8-9]、遗传变异[10-12]、病虫害防治[13-15]、内含物质[16-18]、园林应用[19-20]等方面.

植物生长与光密不可分，光合作用强弱反映了植物的生长状况，通过研究光合因子，可为植物生长繁育研究提供理论基础[21].植物光合作用主要来源于叶片，叶片可以通过多种途径调节光合作用来适应光环境的变化[22-23].随着光照强度的改变，叶片内的叶绿素、类胡萝卜素、可溶性蛋白和可溶性糖等生理指标会随之改变[24-25].诸多光合因子和生理生态因子均会对植物光合产生作用，并且绝大多数因子间存在信息重叠，因此，使用单一因子进行光合作用分析会导致评价结果不科学[26-27]；而通过隶属函数及权重加权求和计算综合评价值，可确定植物生长的最佳光照强度.为解决吉林省野生玫瑰资源不足的问题，合理开发利用这一珍贵树种资源，研究团队经过10余年的引种驯化，选育出适应本地气候的抗寒玫瑰优良无性系.为进一步验证该抗寒无性系的稳定性及适应性，本次研究利用方差分析、相关性分析、主成分分析及综合评价方法，开展不同光照条件下玫瑰扦插光合生理特性研究，以期确定玫瑰最适光照强度，为玫瑰生长及新品种培育提供科学依据，为园林绿化提供优质材料.

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验材料为人工多年培育筛选出的玫瑰优良抗寒无性系1#，现种植于吉林省吉林市龙潭区新山苗木合作社基地.该地属温带大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季酷冷干燥，年平均降雨量710.655 mm，无霜期125 d，年平均气温5.329 ℃.2019年6月，利用两针和三针遮阴网对多年生玫瑰扦插苗进行遮阴处理，包括全光照L0(CK)、轻度遮阴L1(25%±3%)、中度遮阴L2(50%±3%)、重度遮阴L3(75%±3%).透光率通过希玛AS803照度计(深圳市浚海中仪科技有限公司)测定，每组处理5棵长势相同或相近的多年生扦插苗.

1.2 研究方法

1.2.1 叶片光合色素含量测定

在苗木处理的第30、60、90天，每组选取3～5片新鲜叶片，立即带回实验室称重.取0.1 g叶片，剪碎后放入25 mL试管中，加入95%乙醇10 mL，避光浸泡24 h，待叶片全部变为白色时取上层液5 mL乙醇定容25 mL，以95%乙醇为空白对照进行比色测定.采用紫外可见光光度计Alpha1502(上海谱元仪器有限公司)分别测定波长470、649、665 nm时的吸光度，参照文献[28]测定总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的含量，每组重复3次.

1.2.2 叶片光合日变化测定

2019年7月14—18日，选择3 d晴朗无风天，利用Li-6400便携式光合作用仪(北京力高泰科技有限公司)每个方位测定1片无病虫害、健康完整的叶片，3次重复.测定时间为6：00—18：00，光合因子为净光合速率(Pn)、光合有效辐射(PAR)、胞间CO2浓度(Ci)、大气CO2浓度(Ca)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、空气温度(Ta)等，气孔限制值Ls=(Ca-Ci)/Ca×100%.

1.3 数据处理与分析

2 结果与分析

2.1 不同光照强度下玫瑰光合色素含量

玫瑰叶片光合色素含量随光照强度的变化见图1.由图1可知：随着光照强度的减弱，叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素的含量逐渐升高.L3光照强度下叶片光合色素含量在整个生长过程的90 d内积累最多，其中，叶绿素a和类胡萝卜素在试验中期(8月)积累量最大，分别为5.546、1.091 mg/g，是同时期全光照L0条件下的3.257、1.987倍；而叶绿素b和总叶绿素含量则表现出在试验后期(9月)积累量最大，分别为2.766、7.815 mg/g，是同时期全光照条件下的3.440、3.213倍，并且与L2、L1两组光照强度下的光合色素含量差异显著，说明遮阴有利于玫瑰叶片光合色素的积累.遮阴试验结果显示，叶绿素a/b在4种光照强度下的最大值均出现在试验中期(8月)，分别为3.733(L0)、2.606 (L1)、2.067(L2)、2.661(L3)，说明玫瑰为适应光照强度变化利用弱光的能力开始加强，但玫瑰叶片长时间生活在透光率不足的条件下利用弱光的能力随之减弱.

不同小写字母表示差异显著.图1 不同光照强度下玫瑰叶片光合色素含量Fig.1 Photosynthetic pigment content in Rosa rugosa Thunb.leaves under different light intensities

2.2 不同光照强度下玫瑰光合日变化

2.2.1 光合有效辐射与空气温度

4种光照强度下的PAR曲线均呈单峰型(图2)，L1和L2光照强度下的PAR最大值出现在10：00，分别为926.586、520.637 μmol/(m2·s)，10：00以后迅速下降，最小值仅为95.815 μmol/(m2·s)；L0光照强度下11：00时的PAR最大，为1 007.179 μmol/(m2·s)；L3光照强度下的PAR最大值出现在12：00，为407.533 μmol/(m2·s).

不同光照强度下的空气温度均呈现出先上升后下降的趋势(图3)，全天在26.9～43.7 ℃变化，最高温度均出现在13：00，且18：00时温度要高于6：00时温度，属于典型的干热天气.

图2光合有效辐射日变化Fig.2Diurnal changes of photosynthetic radiation图3空气温度日变化Fig.3Diurnal changes of air temperature

2.2.2 净光合速率

净光合速率日变化见图4.由图4可见：L3、L1、L0光照强度下玫瑰的Pn日变化为单峰曲线，不存在光合午休现象；而L2光照强度下玫瑰的Pn日变化为小双峰曲线，存在短暂的光合午休.L1光照强度下的Pn值要高于其他3种光照强度下的Pn值，在8：00达到最大，为8.935 μmol/(m2·s)，此后Pn开始下降，最小值为3.885 μmol/(m2·s)，与L0光照强度下的Pn日变化曲线变化趋于一致；L2光照强度下的玫瑰在6：00—10：00的Pn处于上升阶段，在10：00达到最大，为6.534 μmol/(m2·s)，10：00—13：00的Pn处于迅速下降阶段，在13：00达到最小，为3.132 μmol/(m2·s)，此后在小幅上升后趋于平缓；L3光照强度下的Pn日变化曲线上下浮动不明显，一天中的最大值与最小值差仅为1.540 μmol/(m2·s)，在6：00—13：00，曲线多处于水平状态，13：00后略有下降.可以看出，重度遮阴严重影响了玫瑰的净光合速率，不利于光合生产.6：00—18：00，L1光照强度下的Pn均高于其他3组，表现出了高光合效率特性.

图4 净光合速率日变化Fig.4 Diurnal changes of net photosynthetic rate

2.2.3 胞间CO2浓度和气孔限制值

由图5可知：4种光照强度下玫瑰Ci的日变化趋于一致，6：00—8：00急速下降，8：00—14：00趋于平缓或小幅上升，14：00—18：00快速上升，日变化曲线呈“V”形，其中L3光照强度下的Ci在全天各个时段均高于其他3种光照强度下的Ci，最大值出现在6：00，为410.088 μmol/mol.

由图6可知：4种光照强度下玫瑰Ls的日变化可分为两个阶段：6：00—10：00为上升阶段，10：00—18：00为下降阶段，整体曲线呈倒“V”形.其中，L3光照强度下的Ls在全天的各个时段均低于其他3种光照强度下的Ls，最小值出现在6：00，为0.052%.由此看出，Ci的日变化与Ls的日变化恰恰相反.

图5胞间CO2浓度日变化Fig.5Diurnal changes of intercelluar CO2 concentration图6气孔限制值日变化Fig.6Diurnal changes of limitation value

2.3 相关性分析、主成分分析及综合评价

2.3.1 相关性分析

玫瑰叶片光合作用生理指标相关性系数见表1.结果显示：Pn与Gs、PAR呈极显著正相关，相关系数分别为0.974、0.835；与Ls、Tr呈显著正相关，相关系数分别为0.774、0.580；与Ci呈显著负相关，相关系数为-0.672.由此可知，Pn与这5种光合生理因子密切相关，其中，与Gs关联程度最大；PAR与Gs、Ls呈显著正相关，相关系数分别为0.788、0.701；Ci与Ls呈极显著负相关，相关系数为-0.945，与Gs呈显著负相关，相关系数为-0.668；Gs与Ls、Tr呈显著正相关，相关系数分别为0.765、0.569；其余光合生理指标间的相关性不显著.

表1 玫瑰叶片光合作用生理指标相关性系数Tab.1 Correlation coefficient of photosynthetic physiological indexes in Rosa rugosa Thunb.leaves

2.3.2 主成分分析

玫瑰叶片光合作用生理指标主成分分析结果见表2.由表2可知：前两个主成分的累计贡献率达87.167%.第1主成分的累计贡献率为64.600%，其中，Pn、Ls和PAR的特征向量较高，是第1主成分的主导因子；第2主成分的累计贡献率为22.576%，其中，Tr的特征向量较高，是第2主成分的主导因子.由此说明，Pn、Ls、PAR和Tr可代表玫瑰光合作用的绝大部分信息.

表2 玫瑰叶片光合作用生理指标主成分分析结果Tab.2 Principal component analysis results of photosynthetic physiological indexes in Rosa rugosa Thunb.leaves

2.3.3 综合评价

通过郭松等[29]的权重系数公式计算得出玫瑰光合作用中的Pn(x1)、PAR(x2)、Ci(x3)、Ls(x4)、Gs(x5)、Tr(x6)等6个光合指标的权重系数依次为0.325、0.342、-0.226、0.280、0.303、0.339，构建综合得分函数：

yi=0.325xi1+0.342xi2-0.226xi3+0.280xi4+0.303xi5+0.339xi6，

其中：yi为第i个光照强度下的综合得分，xi1至xi6分别为第i个光照强度下6个光合因子的标准化数值.不同光照强度下玫瑰叶片光合作用的综合评价结果见表3.由表3可见：不同光照强度下玫瑰叶片光合作用的综合得分由高到低依次为L1(轻度遮阴)光照强度(0.964)、L0(CK)光照强度(0.325)、L2(中度遮阴)光照强度(-0.166)、L3(重度遮阴)光照强度(-0.956)，说明在这4种光照条件下，轻度遮阴最有利于玫瑰进行光合作用.

表3 不同光照强度下玫瑰叶片光合作用的综合评价结果Tab.3 Comprehensive evaluation results of photosynthesis of Rosa rugosa Thunb.leaves under different light intensities

3 结论与讨论

光作为植物生长、发育的重要生态因子，通过环境信号形式作用于植物，利用光合色素调节逆境生长中植物的适应性，其中，叶绿素可吸收、传递和转化光能，类胡萝卜素负责捕光和光防御任务[30-32].本试验中，随着光照强度的降低，玫瑰的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素含量逐渐升高，在遮阴90 d后，重度遮阴下玫瑰的叶绿素含量显著高于中度遮阴、轻度遮阴和对照组，这与邓明明等[24]对米槁(CinnamomummigaoH.W.Li)、孟衡玲等[33]对通关藤(MarsdeniatenacissimaW.)、唐星林等[34]对闽楠(PhoebebourneiY.)等的研究结果一致.叶绿素a/b含量比值的下降表明，玫瑰为适应光照强度变化，利用弱光的能力开始加强.正常光照强度下玫瑰的叶绿素a/b为2.565，介于耐阴植物(叶绿素a/b≈2.3)和喜光植物(叶绿素a/b≈3)[35]，由此看出，轻度遮阴更利于玫瑰的生长发育.

重度遮阴、轻度遮阴和正常光照强度下玫瑰没有光合“午休”，而中度遮阴下有短暂的光合“午休”.限制Pn的因素主要为气孔因素和非气孔因素，通过判断Ci和Ls的变化方向可以确定Pn降低的主要原因：Ci降低和Ls升高表明气孔因素是主要原因，Ci升高和Ls降低表明非气孔因素是主要原因[36-37].结合PAR、Pn、Ci和Ls的日变化趋势可以判断，在6：00—10：00，随着大气温度的升高及PAR的加强，引起玫瑰Pn变化的主要因素为气孔因素，Gs作为反映气孔开闭程度的光合因子，其变化将直接影响Ci及植物胞间水分，最终影响植物光合作用[38].相关性分析表明：Pn与Gs呈显著正相关，相关系数最高，为0.974，这段时间内，光合作用会随着气孔导度的增大而逐步提高；在10：00—18：00，随着Ci的加强和Ls的减弱，引起玫瑰Pn变化的主要因素为非气孔因素，PAR的下降限制了光合碳同化量，从而引起叶肉阻力等非气孔因素的增强，最终导致Pn下降.气孔因素和非气孔因素中的众多因子均对玫瑰光合作用产生或多或少的影响，本文主成分分析超过85%的贡献率中，Pn、Ls、PAR和Tr对玫瑰光合作用的影响最为显著，可代表玫瑰光合作用的绝大部分信息.

本次研究结果显示：随着光照强度的降低，玫瑰的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素含量逐渐升高，由叶绿素a/b(2.565)确定玫瑰为阳性植物，但与耐阴植物(叶绿素a/b≈2.3)接近.综合评价发现，在L1(轻度遮阴25%)光照强度下玫瑰光合作用表现最优，建议在苗木生长过程中进行25%左右轻度遮阴处理，更有利于玫瑰的生长发育，可为日后园林绿化提供优质苗木.