遮荫对七子花幼苗光合特性和非结构性碳水化合物含量的影响

魏春燕 李月灵* 金则新 罗光宇，3 陈 超，3 单方权

（1. 浙江省植物进化生态学与保护重点实验室，台州 318000；
2. 台州学院生态研究所，台州 318000；
3. 上海师范大学生命科学学院，上海 200234；
4. 台州市绿心旅游开发促进中心，台州 318000）

光是影响植物存活、生长发育和分布的重要环境因子之一，同时也是光合作用的主要驱动力，可改变碳同化和分配［1］。植物与光环境之间的生存-生长权衡关系一直是生态学研究的热点问题［2-3］。在自然条件下，植物生命周期要经历不同程度的遮荫环境，幼苗期对光照的耐受和适应能力是其生长和种群更新演替的关键。近年来，有关光环境对珍稀濒危植物种群更新和生长繁育影响的研究日益得到关注，如连香树（Cercidiphyllum japonicum）、长序榆（Ulmus elongata）等一些喜光植物，其幼苗期呈现对光照有较高的需求及一定的耐荫性，当光照不足时会影响植株的生长更新［4-5］。但对于一些耐荫植物而言，如堇叶紫金牛（Ardisia violacea）、金花茶（Camellia nitidissima）等，轻度或重度遮荫更有利于其生长，植株会增加光合色素含量、比叶面积和叶片氮含量，降低光补偿点、暗呼吸速率，改变碳水化合物的分配格局等，以适应较低光量子密度的环境［6-7］。这说明不同植物及同一植物对不同光环境的需求、响应与适应特性存在较大差异。非结构性碳水化合物（Non-structur⁃al carbohydrate，NSC）是植物生长代谢过程中重要的能量物质，其主要由淀粉和可溶性糖组成，是植物适应胁迫环境的一个重要指标［8］。植物可通过增加NSC 的投入和不同器官的储存和分配以应对光环境的变化。研究濒危植物光合生理变化和NSC 含量对不同光环境的响应，可以了解其在分布环境中碳水化合物的供应状况及适应机制，对于濒危植物的保护及复壮具有重要意义。

七子花（Heptacodium miconioides）是忍冬科（Caprifoliaceae）七子花属（Heptacodium）的落叶小乔木，是我国特有单种属植物，主要分布于浙江天台、磐安和安徽宜城、泾县等少数地区，为国家II级重点保护植物［9-10］。七子花在研究忍冬科系统发育及冰川气候变迁等方面具有重要科研价值，同时也是优良的园林观赏植物［11-12］。目前对七子花的研究主要集中在种群与群落生态学［13］、繁殖生物学［14］、遗传多样性［15］和生理特性［16］等方面，对其濒危机制有一定的了解，而有关七子花幼苗培育和种群更新紧密相关的光环境适应的光合生理生态方面研究较少。野外调查发现七子花多呈集群分布，大多分布在乔木层和少量灌木层中，其种群的年龄结构为中衰型，成年植株数量最多，小树次之，幼苗和幼树储备严重不足，在林下几乎未观察到天然更新幼苗［12］。因此，林下遮荫环境可能是限制七子花幼苗更新的主要环境因子，不同光环境对七子花幼苗生长与更新的影响尚不明确。基于此，本研究以2 年生七子花幼苗为研究对象，通过人工模拟遮荫处理，对幼苗不同遮荫环境下叶片的光合特性和非结构性碳含量进行比较研究，以期了解七子花幼苗在不同光环境中的适应能力与生长策略，为七子花引种栽培和保护提供理论依据。

1.1 试验材料与设计

研究区域位于浙江台州学院临海校区濒危植物园基地（28°87′N，121°17′E）。该地区属于亚热带季风气候，光照充足，温暖湿润，四季分明。选取长势一致的2 年生七子花扦插幼苗进行盆栽试验，每个花盆栽种1 株，花盆上口径23.50 cm、下口径20.80 cm、高26.30 cm。供试土壤由泥炭土、黄壤土和河沙（体积比为6∶3∶1）混合而成。土壤的基本理化性质：pH（6.89±0.03），硝态氮（0.01±0.00）mg·kg-1，全 氮（2.34±0.13）mg·g-1，速 效 磷（0.03±0.00）mg·kg-1，全磷（0.41±0.00）mg·g-1，速效钾（1.00±0.02）mg·kg-1，全钾（3.31±0.09）g·kg-1，有机质（85.76±4.63）g·kg-1。

于2019 年3 月上旬，将七子花幼苗分别搬至不同孔径和层数的遮阳网下进行光照控制试验，分别设置全光照（100%光照）、中度遮荫（60%遮荫）和重度遮荫（90%遮荫）3 种处理。3 种光环境处理的光合有效辐射（PAR）和大气温度（Ta）日变化如图1 所示，均呈“倒V 型”曲线。其中在中午12：00 前各处理的Ta值差异显著，而到中午12：00左右达到最高值，随后各处理的Ta值无显著差异。试验采用单因素完全随机设计，每个处理5 个重复。遮荫处理4 个月后对植株相关指标进行测定。

图1 不同光环境条件下光合有效辐射（A）和大气温度（B）的日变化Fig.1 The diurnal changes of photosynthetically active radiation（A），air temperature（B）under different light conditions

1.2 测定指标与方法

1.2.1 光合日进程测定

于2019 年7 月上旬进行光合参数测定，选择晴朗的天气，用Li-6400XT 便携式光合作用系统（Li-Cor，USA）从06：00—18：00 每2 h 测定叶片的光合指标。测定时选择长势一致、健壮的植株，从上往下第3 对功能叶，共3 个重复。测定参数包括净 光 合 速 率（Pn，μmol·m-2·s-1）、气 孔 导 度（Gs，mmol·m-2·s-1）、胞间CO2摩尔分数（Ci，μmol·mol-1）和蒸腾速率（Tr，mmol·m-2·s-1），计算水分利用效率（WUE，mmol·mol-1），WUE=Pn/Tr。同时记录不同处理的环境因子参数，包括光合有效辐射（PAR，μmol·m-2·s-1）、大气温度（Ta，℃）等。

1.2.2 光合-光响应曲线测定

采用Li-6400XT 测定叶片光响应曲线，通过LED 红蓝光源设置13 个光合有效辐射，分别为2 000、1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50、20 和0 μmol·m-2·s-1，设置CO2摩尔分数400 μmol·mol-1，叶室温度25 ℃，相对湿度（65±5）%，气体流速500 μmol·s-1，测定前用1 500 μmol·m-2·s-1的诱导光强对叶片进行15 min 左右的光诱导，每个测量光强下稳定2 min 后记录数据。不同处理随机选取3株，每株测量3个叶片，取平均值。根据Ye［17］的新型指数方程对光响应曲线进行拟合，同时计算出最大净光合速率（Pnmax，μmol·m-2·s-1）、光补偿点（LCP，μmol·m-2·s-1）、光饱和点（LSP，μmol·m-2·s-1）、暗呼吸速率（Rd，μmol·m-2·s-1）、表观量子效率（AQY，μmol·mol-1）等参数。

1.2.3 光合-CO2响应曲线测定

利用Li-6400XT测定叶片CO2响应曲线，设置测定光强为1 500 μmol·m-2·s-1，该光强接近叶片的饱和光强，控制条件与光响应测定条件相同，以小钢瓶内液态CO2为气源，设置CO2摩尔分数梯度为1 500、1 200、1 000、800、600、400、300、200、100、50 μmol·mol-1，每个CO2梯度稳定2 min后记录数据。不同处理随机选取3株，每株测量3个叶片，取平均值。CO2响应曲线根据非直角曲线模型进行拟合，根据Farquhar等［18］、Long 等［19］修正后的生化模型，用Photosyn Assistant 1.1.2 软件计算得到最大羧化速率（Vcmax，μmol·m-2·s-1）、最大电子传递速率（Jmax，μmol·m-2·s-1）、磷酸丙糖利用率（TPU，μmol·m-2·s-1）。

1.2.4 非结构性碳水化合物测定

采集七子花叶片后进行105 ℃杀青15 min，并于75 ℃烘干至恒重，随后研磨过100目筛标记备用。称取研磨样品0.05 g，加入蒸馏水10 mL，沸水浴10 min后4 000 r·min-1离心10 min，上清液采用蒽酮法，利用紫外可见分光光度计测定625 nm下可溶性糖的吸光值，并计算其含量，通过沉淀物测定样品中淀粉含量［20］。非结构性碳水合物含量为可溶性糖与淀粉含量之和。

1.3 数据处理

用单因素方差分析（One-way ANOVA）比较不同光环境处理对植株各参数指标的差异，若方差齐性用多重比较（LSD）进行显著性分析，若方差不齐性用Tamhane’s T2 显著性分析。用Pearson 相关性分析植株的可溶性糖、淀粉、非结构性碳水化合物、光合特性指标等参数之间的相关性。采用Excel 2010和Origin 8.5对数据进行统计分析及作图。

2.1 遮荫对七子花幼苗叶片光合作用参数的影响

图2表明，不同光环境处理下七子花幼苗叶片的净光合速率（Pn）日变化均呈“单峰型”曲线。整体而言，全光照和60%遮荫处理间无明显差异，但90%遮荫处理下各时间段的Pn均显著低于全光照和60%遮荫处理。此外，胞间CO2摩尔分数（Ci）的日变化曲线与其Pn相反，呈“V 型”曲线。其中全光照处理的Ci在08：00—14：00显著高于60%遮荫处理，而90%遮荫处理的Ci在各时间段均显著高于全光照和60%遮荫处理。全光照和60%遮荫处理的气孔导度（Gs）日变化为“双峰型”曲线，而90%遮荫处理的Gs日变化呈“单峰型”。各光环境处理的蒸腾速率（Tr）日变化均呈“单峰型”。

图2 不同光环境条件下七子花叶片净光合速率（A）、胞间CO2摩尔分数（B）、气孔导度（C）和蒸腾速率（D）的日变化图中数据为平均值±标准误差；
下同Fig.2 The diurnal changes of net photosynthetic rate（A），intercellular CO2 concentration（B），stomatal conductance（C），and transpiration rate（D）in leaves of H.miconioides seedlings under different light conditions Data in figure are mean±standard error；
The same as below

从表1可知，各光环境处理中植株的Pn日均值大小顺序为全光照>60%遮荫>90%遮荫，90%遮荫较全光照和60%遮荫处理分别下降了67.87%、65.28%。各处理中植株的Ci日均值大小顺序为90%遮荫>全光照>60%遮荫，Gs日均值为全光照>90%遮荫>60%遮荫，Tr日均值为90%遮荫最大，而全光照和60%遮荫差异不显著。90%遮荫植株的水分利用效率日均值与全光照处理相比下降了80.06%，与60%遮荫处理相比下降了74.53%。

表1 不同光环境条件对七子花叶片光合参数日均值的影响Table 1 Effects of different light conditions on daily mean value of photosynthetic parameters of H.miconioides

2.2 遮荫对七子花幼苗叶片光合-光响应参数的影响

3 种光环境处理下七子花光响应曲线的变化趋势基本一致（见图3），随着光合有效辐射的增加，Pn均表现为先增加后趋向稳定，当PAR>400 μmol·m-2·s-1时，Pn的变化趋于平缓。光响应参数表明，与全光照相比，60%遮荫处理下植株叶片的光补偿点和暗呼吸速率均显著降低，分别减少了64.86%、61.78%，而最大净光合速率、光饱和点、表观量子效率无显著差异（见表2）。90%遮荫处理下植株的Pnmax和LSP显著低于全光照处理，分别下降了34.11%、28.55%。与60%遮荫相比，90%遮荫处理下植株的Pnmax显著下降了25.26%，而LSP则差异不显著。

图3 不同光环境条件对七子花叶片光响应曲线的影响Fig.3 Effects of different light conditions on light response curves of H.miconioides

表2 不同光环境条件对七子花叶片光响应特征参数的影响Table 2 Effects of different light conditions on light response parameters of H.miconioides

2.3 遮荫对七子花幼苗叶片光合-CO2响应参数的影响

七子花叶片光合-CO2响应曲线如图4 所示，不同光环境处理下植株的Pn均随着Ci浓度的增加而增大，当达到CO2饱和后，增加趋势逐渐减慢，Pn趋于平缓。3 种处理中，60%遮荫条件下CO2响应曲线值最高，其次是全光照，90%遮荫最低。不同遮荫处理对植株的CO2响应参数产生影响（见表3），其中90%遮荫植株的最大羧化速率、最大电子传递速率、磷酸丙糖利用率分别较全光照处理减少了30.72%、29.85%、51.28%，较60%遮荫处理减少了29.63%、27.63%、48.36%。整体而言，全光照和60%遮荫处理下植株的CO2响应参数均无显著差异。

图4 不同光环境条件对七子花叶片CO2响应曲线的影响Fig.4 Effects of different light conditions on CO2 response curves of H.miconioides

表3 不同光环境条件对七子花叶片CO2响应特征参数的影响Table 3 Effects of different light conditions on CO2 response parameters of H.miconioides

2.4 遮荫对七子花幼苗叶片非结构性碳水化合物含量的影响

由图5可知，不同光环境处理下七子花植株叶片淀粉、可溶性糖和非结构性碳水化合物含量变化趋势相似。在各处理中，60%遮荫植株叶片的可溶性糖、淀粉和NSC 含量最高，分别为90%遮荫的1.23倍、1.88倍、1.45倍，且差异显著。而全光照与60%遮荫处理下叶片的可溶性糖、淀粉和NSC含量无显著差异。

图5 不同光环境条件对七子花幼苗淀粉（A）、可溶性糖（B）和非结构性碳水化合物质量分数（C）的影响Fig.5 Effects of different light conditions on starch（A），soluble sugar（B）and non-structural carbohydrate content（C）of H.miconioides

2.5 遮荫处理下七子花幼苗光合参数与非结构性碳水化合物含量的相关性

由表4相关性分析表明，叶片的Pn与Vcmax、Jmax、可溶性糖含量、淀粉含量呈显著正相关，与TPU和NSC含量呈极显著正相关。NSC含量与Vcmax、Jmax呈显著正相关，与TPU和淀粉含量呈极显著正相关。

表4 不同光环境条件下七子花叶片光合参数与非结构性碳水化合物含量的相关性Table 4 Correlations coefficients of photosynthetic parameters and non-structural carbohydrate content of H.miconioi‐des under different light conditions

光合作用是一系列复杂的生理过程，植物能通过改变自身光合特性来适应光环境的变化，其中叶片的光合能力与植株生长的速度密切相关［21］。本研究发现，3种光环境处理下七子花幼苗叶片的Pn日变化呈明显“单峰型”曲线，且在全光照环境下七子花幼苗具有相对较高的Pn日均值，未出现光合“午休”现象，表明夏季中午的自然强光并未对七子花幼苗光合器官造成明显影响。这与连香树［4］、长序榆［5］和堇叶紫金牛［6］等濒危植物的研究结果相似，说明七子花幼苗对强光具有较强的耐受性和喜光性。60%遮荫处理下，虽然七子花幼苗所处环境中光合有效辐射下降明显，但幼苗仍能保持相对较高的日均Pn和WUE，表明七子花幼苗对外界光环境的变化也具有一定可塑性和适应能力。这与七子花种群野外自然分布的生境基本一致，对浙江天台山七子花的群落结构调查发现，植株一般多居群落中乔木层第2 亚层，少量个体分布于乔木层第1亚层和灌木层中，种群呈斑块状分布于林内，存在一定程度的遮荫环境［22］。但随着遮荫程度的增加，在重度遮荫处理下七子花叶片的Pn下降更显著，此时光合有效辐射是幼苗光合作用的主要限制因子，说明七子花幼苗不耐荫，在自然环境中林下幼苗的生长处于不利地位，常因光照不足而更新困难。

不同光照条件下七子花幼苗的光响应曲线特征值明显不同。LCP反映植物对弱光的利用能力，LCP越低，植物呼吸消耗的能量少，有利于植物同化产物的积累；
LSP反映植物对强光的利用能力，LSP越高，植物的耐光性越强，同时也表明植物在受到强光刺激时，不容易发生光抑制现象［23］。本研究中，不同光照处理下七子花幼苗的LSP为1 178.53～1 649.56 μmol·m-2·s-1，LCP为6.02～21.66 μmol·m-2·s-1，遮荫处理下植株仍保持相对较高的LSP，表明七子花叶片对强光的利用能力较强。这与刘鹏等［16］对野外片段化生境中七子花最适光强（350～650 μmol·m-2·s-1）的研究结果不一致，这可能是野外七子花所处生境的湿度、光照、温度等环境因子差异和长期光适应的结果导致，与本研究控制试验条件不同，从而间接影响了植株的光合特性。通常认为，LCP和Rd是植物在弱光下的一种适应机制，在较低光照强度下叶片降低Rd和LCP来减少光合产物的消耗以维持碳平衡［24］。七子花幼苗在60%遮荫处理下的LCP和Rd显著低于全光照，且Pnmax无显著差异，说明七子花幼苗具有一定的耐荫性，适度遮荫下植株增强对弱光的利用能力和减弱了呼吸作用的能量消耗。这与栓皮栎（Quercus variabilis）和刺槐（Robinia pseudoacacia）在不同光环境下的光合作用研究结果相似，林内叶片的Rd、LCP明显低于林缘，其主要是通过减少碳损耗来适应较低的光合速率［25］。

植物的光合速率同时还受光合作用的基本底物CO2浓度的影响，其中Vcmax、Jmax以及TPU反应了植物对CO2的利用能力［26］。植物碳同化与Rubisco活性和RuBP 再生速率有关，叶片Vcmax的速率大小受到固定CO2的Rubisco 酶活性、数量的影响，叶片Jmax代表着RuBP 再生能力，为RuBP 再生的电子传递速率［26］。对濒危植物闽楠（Phoebe bournei）的研究发现，遮荫环境显著增加了叶片Vcmax、Jmax，低光环境下这些指标的变化与叶绿素含量、光捕获效率、Rubisco 酶活性和数量的提高密切相关［27］。但也有研究表明，光照不足会显著影响植株叶片的Vcmax、Jmax和TPU，导致碳同化效率下降［5］。本研究中，重度遮荫处理显著降低了七子花幼苗叶片的Vcmax、Jmax和TPU，而60%遮荫下各指标变化不明显。说明七子花幼苗叶片在适应光环境变化过程中，适当遮荫环境对其叶片碳同化效率影响不显著。但随着遮荫程度的加剧，重度遮荫对叶绿体内固定CO2的Rubisco酶的活性或数量产生显著抑制作用，较低的电子传递链使光合磷酸化和NADPH 的合成受阻，从而影响RuBP 再生能力，不利于碳同化进程。

NSC 是植物生长代谢过程中重要的能量供应物质，其含量的高低是植物响应不良环境或潜在胁迫的一个重要策略［8］。遮荫会打破植物体内NSC 的动态收支平衡，不同植物表现出不同适应策略。对耐荫植物而言，其生存机制主要是通过提高光截获能力、养分存储，降低呼吸强度、比叶面积、潜在相对生长率等维持体内一定的NSC 浓度［3，28］。对非耐荫植物而言，由于低光环境限制了幼苗NSC 的获取，植株体内碳的供需关系发生改变，导致碳饥饿不利于其生长发育［29］。刘青青等［30］研究表明轻度遮荫处理下杉木（Cunning⁃hamia lanceolata）幼苗的NSC 含量能维持在一定水平，而在重度遮荫下幼苗因碳收支平衡被破坏而影响幼苗的生长和生存。锐齿槲栎（Quercus ali⁃enavar.acuteserrata）幼苗在严重遮荫环境下植株的NSC 浓度均显著低于对照处理，但光斑环境可缓解遮荫对其幼苗碳储备的不利影响［31］。本研究也有相似结果，60%遮荫处理下七子花幼苗叶片淀粉、可溶性糖及NSC 含量较高，且LCP和Rd显著低于全光照，故消耗的干物质少从而可积累更多NSC，说明适度遮荫有利于非结构性碳的转化与光合产物的积累。但随着遮荫程度的增加，淀粉、可溶性糖及NSC 含量显著降低，90%遮荫处理下由于幼苗碳同化水平降低、较强的呼吸作用，导致碳消耗增加，从而不利于七子花幼苗的生长发育，这可能是七子花幼苗在天然种群更新困难，幼苗存活率低的原因之一。

夏季七子花幼苗具有一定喜光性和耐荫能力。随着遮荫程度的增加，七子花幼苗通过降低LCP和Rd等来适应弱光环境，维持较高的光合能力和NSC 含量。但重度遮荫下七子花幼苗由于光合能力下降和碳收支不平衡，从而不利于植株的生长。光照不足可能是林下七子花幼苗更新困难的主要限制因子之一。因此，为满足七子花幼苗生长发育的需求，夏季在人工繁殖育苗与迁地保护过程中建议有效光强辐射应保持在自然光照的40%以上。