吳 艷， 榮 熔， 陳 放， 徐 鶯

(四川大學生命科學學院生物資源與生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室， 成都 610065)

1 引 言

在植物的生命周期中，光是對其影響最為顯著的環(huán)境因子.光照強度、光質以及光周期都會對植物的生長發(fā)育、光合作用以及生理生化特性等方面均有較大的調控作用[1-3].

珙桐(Davidiainvolucrata)是我國特有的單型屬珍稀樹種，有植物界的“活化石”之稱，被列為國家一級保護植物.珙桐是一種著名的觀賞植物，因其有一對白色的大苞片，形如白鴿的翅膀，所以珙桐又名鴿子樹[4-5]；此外，珙桐還具有較高的經濟價值，其種子和果皮可以用于榨取食用油或工業(yè)油、果核可提取營養(yǎng)蛋白質、果內皮可制香精以及樹皮果皮可制成活性炭等[6].作為瀕危珍稀物種，一方面珙桐對生長環(huán)境的要求較為嚴格[7]，；另一方面，珙桐的生長習性尤為特殊：其幼苗生長緩慢，喜陰濕的生長環(huán)境，適宜生長在林蔭下，成苗趨于喜光，可知光照對珙桐植株的生長有關鍵影響.早前的研究對珙桐生長產生影響的因子主要有溫度[8]、光強[9]等，但有關于光質影響珙桐生長的研究卻未見報道.本試驗探討了不同弱光光質對珙桐幼苗生長形態(tài)及生理特性的影響，以期為其種質資源的保護、栽培引種技術及園林應用方面提供相關的理論依據(jù).

2 材料與方法

2.1 材 料

本研究的供試植物材料為野生型光葉珙桐，種子采摘于四川省江油市吳家后山.

2.2 方 法

2.2.1 培養(yǎng)條件 本試驗選取顆粒飽滿的珙桐種子于人工氣候培養(yǎng)箱中進行萌發(fā)和培養(yǎng)，條件設置為溫度 24 ℃，光照強度3 000～4 000 lx，光照周期14 h光照/10 h黑暗，相對空氣濕度為80%.

2.2.2 光質處理 本試驗一共設置了4種不同LED光質處理，分別為白色(W)、藍色(B)、紅色(R)、綠色(G)，光照強度保持一致(3 000 lx)，光周期14 h光照/10 h黑暗.每個處理重復3次，每次重復3～5棵苗，培養(yǎng)周期為35 d.

2.2.3 形態(tài)指標測定 選取相同位置、方向一致的葉片測定相關的形態(tài)指標.以葉片長度大于5 cm算作真葉的有效準則，統(tǒng)計幼苗的真葉數(shù).測定株高、上胚軸長度(子葉與第一片真葉之間的距離)、莖粗(子葉以下1 cm處的部位)、葉長、葉寬、葉柄長度，利用掃描儀(EPSON scan)對幼苗葉片進行掃描，之后再采用Photoshop CS4軟件測定葉片面積.

2.2.4 光合色素含量測定 葉綠素含量采用95%乙醇提取法[10]進行測定，利用打孔器將葉片打成直徑1 cm的小圓片，稱取0.1～0.2 g左右的葉片材料，將材料快速放入裝有事先配置好的95%酒精的塑料試管中，暗處理72 h之后至葉片完全不呈綠色，利用酶標儀(Molecular Devices，USA)分別測定波長665 nm、649 nm、440 nm、652 nm下的吸光值，計算得到葉綠素a (Ca)、葉綠素b (Cb)、葉綠素總含量(CT)、類胡蘿卜素(Cx.c)，

計算公式如下：Ca=(12.7×OD665-2.59×OD649)×L/(1000×M);Cb=(22.9×OD649-4.67×OD665) ×L/(1000×M);CT=Ca+Cb;Cx.c= (1000×OD470-2.05×Ca-114.8×Cb) /245×L/(1000×M).

公式中L：混合液體積(mL)，M：樣品質量(g).

2.2.5 葉綠素熒光參數(shù)測定 將待測的珙桐幼苗經過20 min暗處理之后，MINI-IMAGING-PAM熒光成像儀(德國WALZ 公司)測定葉綠素熒光成像參數(shù)PSⅡ最大光量子產量(Fv/Fm)、PSⅡ實際光量子產量Y(Ⅱ)、光化學淬滅系數(shù)qP、非光化學淬滅系數(shù)qN、PSⅡ調節(jié)性能量耗散的量子產量Y(NPQ)、非調節(jié)性能量耗散的量子產量Y(NO)及快速光曲線，并通過快速光曲線計算得到初始斜率α、最大潛在電子傳遞速率rETRm、半飽和光強Ik.

2.2.7 統(tǒng)計學處理 試驗數(shù)據(jù)用EXCEL 2010軟件進行整理，利用DPS7.05軟件進行顯著性分析，Duncan新復極差法進行多重比較.

3 結果與分析

3.1 不同光質對珙桐幼苗形態(tài)建成的影響

本研究首先測定了不同光質下的珙桐幼苗及其葉片的形態(tài)學參數(shù)(表1，圖1).在植株形態(tài)方面，白光下的珙桐幼苗株高最高，其次是藍光和綠光，紅光處理下株高最小，但是幼苗的上胚軸和莖的直徑在藍光處理下達到最大值.在葉片數(shù)量和形態(tài)方面，藍光與白光處理下的幼苗真葉數(shù)均顯著高于綠光和紅光，白光處理下葉片的長度、寬度及葉面積均顯著高于其他處理，且葉片最為舒展寬闊，而藍、紅、綠三種處理下的葉片形態(tài)依次變得越來越狹長，但葉片長寬比卻是在綠光和紅光處理下達到最大且顯著高于另外兩組處理.綠光下幼苗的葉柄長度顯著高于其他三組處理，其次是紅光，白光和藍光下葉柄最短.這些結果表明，在不同光質環(huán)境中生長時，珙桐幼苗植株的形態(tài)建成會對環(huán)境條件做出不同的響應.

表1 不同光質處理后珙桐幼苗的形態(tài)建成指標

(a) 經不同光照處理35 d后的珙桐幼苗; (b) 經不同光照處理35 d后的珙桐幼苗葉片. (W, 白光; B, 藍光; R, 紅光; G, 綠光.)

Fig.1 Plants and leaves morphology of seedlings treated with different light quality

(a) Plants morphology; (b) leaves morphology.(W, white light; B, blue light; R, red light; G, green light.)

3.2 不同LED光質對珙桐幼苗光合色素含量的影響

不同光質條件下，珙桐幼苗葉片的葉綠素總含量、類胡蘿卜素含量以及葉綠素a、葉綠素b的含量均呈紅光>綠光>白光>藍光依次遞減的趨勢，且紅光和綠光處理的幼苗色素含量顯著高于其他兩組處理.而葉綠素a與葉綠素b的比值卻與葉綠素a和葉綠素b的含量恰恰相反，呈現(xiàn)出藍光>白光>綠光>紅光依次遞減的趨勢.這表明紅光和綠光更有利于幼苗光合色素的累積和光合作用的進行(圖2).

3.3 不同LED光質對珙桐幼苗葉綠素熒光特性的影響

由圖3可知，白光處理的珙桐幼苗，其PSⅡ最大量子產量Fv/Fm和PSⅡ實際量子產量Y(Ⅱ)都達到最大值，并且顯著高于其他光質處理，而經藍光處理的幼苗這兩項參數(shù)值最低.四種不同光質處理后幼苗的光化學淬滅系數(shù)qP和非光化學淬滅系數(shù)qN呈現(xiàn)出完全相反的兩種結果，光化學淬滅系數(shù)qP在白光和綠光處理的幼苗中較高，而非光化學淬滅系數(shù)qN卻在這兩種光質處理下較低，反而在藍光和紅光處理的幼苗中較高.不同光質處理后，PSⅡ處調節(jié)性能量耗散的量子產量Y(NPQ)和PSⅡ處非調節(jié)性能量耗散的量子產量Y(NO)的結果呈一定的正相關性，Y(NPQ)和Y(NO)在藍光和紅光處理下均顯著高于白光和綠光處理.

此外，快速光曲線初始斜率α在白光與綠光處理下顯著高于藍光和紅光處理，白光和綠光處理間無顯著差異，藍光和紅光處理間同樣無差異(圖4a)；半飽和光強Ik在藍光處理下達到最大值，且顯著高于其他處理；其次是綠光和白光處理，兩者間不存在差異；紅光處理下Ik最低，顯著低于其他處理(圖4b)；最大潛在電子傳遞速率rETRm白光和綠光處理下較高，且顯著高于其他處理，其次是藍光處理，而紅光處理則最低(圖4c).

(a) The content of total chlorophyll and carotenoids of treated seedings; (b) the content of chlorophyll a, chlorophyll b and the ratio of chlorophyll a/b.(CT,total chlorophyll;Cx.c,carotenoid;Ca,chlorophylla;Cb,chlorophyll b.)

(a) PSⅡ最大量子產量(Fv/Fm); (b) PSⅡ實際量子產量Y(Ⅱ); (c) 光化學淬滅系數(shù)qP; (d) 非光化學淬滅系數(shù)qN; (e) PSⅡ處調節(jié)性能量耗散的量子產量Y(NPQ); (f) PSⅡ處非調節(jié)性能量耗散的量子產量Y(NO).

Fig.3 Chlorophyll fluorescence parameters of seedling leaves treated with different light quality

(a)Fv/Fm(optimal quantum yield of PSⅡ); (b)Y(Ⅱ)(Actual photochemical efficiency of PSⅡ); (c)qP(Photochemical quenching coefficient); (d)qN(Non-photochemical quenching coefficient); (e)Y(NPQ)(quantum yield of energy dissipation by PS Ⅱ regulatory); (f)Y(NO)(Quantum yield of non-regulatory energy dissipation).

(a) The initial slopeαof the rapid light curve; (b) the half-saturated light intensityIk; (c) the maximum potential electron transfer raterETRm.

Fig.5 The content of parameters related to reactive oxygen metabolism in seedlings after different light quality treatment

(a) Hydrogen peroxide (H2O2) content; (b) superoxide anion (O2) content; (c) malondialdehyde (MDA) content; (d) SOD activity.

3.4 不同LED光質對珙桐幼苗活性氧代謝的影響

4 討 論

光照是影響植物形態(tài)建成和生長發(fā)育的重要外界環(huán)境因素。植物不僅能對光照強度做出響應[11]，也能對不同光質或者光周期做出應答。作為國家一級保護植物，珙桐的致危因素包括自身內部因素和外界環(huán)境因素[12]. 以往的研究主要針對于光照強度對珙桐幼苗生長的影響[9,13]，本研究則探討了白、藍、綠、紅4種光質對珙桐實生幼苗的光形態(tài)建成和光合生理特性的影響，結果發(fā)現(xiàn)珙桐幼苗對不同光質的響應存在較大差異.

在避蔭條件下，被子植物主要表現(xiàn)出加快節(jié)間和葉柄的伸長速度、減少葉片區(qū)域和厚度、減少分枝、提前開花等避蔭反應[14-15].本研究中紅光處理的珙桐幼苗株高值最低，說明紅光最有利于珙桐幼苗的光形態(tài)建成，這與此前報道的研究結果一致[16]. 藍光對植物的伸長生長具有抑制作用， 但本實驗中藍光處理的珙桐幼苗株高相對較高，可能是藍光引起了珙桐幼苗的避蔭效應而導致.研究發(fā)現(xiàn)，綠光可以誘導擬南芥葉柄伸長的避蔭應答[17]，在本研究中綠光處理的珙桐幼苗葉柄長度顯著長于其他處理，同時該處理下珙桐幼苗的葉長、葉寬及葉面積均達到最小值，且葉長與葉寬的比值最高，狹長的珙桐幼苗葉片同樣說明綠光處理誘發(fā)了避蔭效應.研究指出，適宜珙桐幼苗生長的光照強度為10 000～17 000 lx[18]，而本研究所采用的試驗光強(3 000 lx)遠遠達不到該水平.該強度的白光下的珙桐幼苗最高，這可能是由于紅光僅占其中的一小部分，綠光和低強度藍光又具有誘導避蔭反應能力共同作用的結果.研究發(fā)現(xiàn)的在3 000 lx的各種光質處理下的珙桐幼苗葉片面積較生長在光強為10 000 lx的環(huán)境中的幼苗葉片面積低，這與早前報道的植物葉片在弱光環(huán)境下葉面積下降一致. 這些結果表明，在不同弱光光質處理下，珙桐幼苗葉片的生長發(fā)育受到一定的影響，但其中不同光信號的具體分子調控機制還有待進一步研究.

光合色素是綠色植物光合作用的基礎.一般而言，藍光有利于提高葉綠素a與葉綠素b的比值，而藍光培養(yǎng)的植株一般具有陽性植物的特性,而紅光培養(yǎng)的植株與陰性植物相似[19].本實驗中在藍光處理下珙桐幼苗葉綠素a與葉綠素b的比值達到最大值，這說明珙桐是一種典型的陽性植物. 在紅光和綠光處理后，珙桐幼苗葉綠素a與葉綠素b的比值下降，表明珙桐幼苗具有一定的耐蔭能力，可以通過提高葉綠素b的相對含量來捕獲有限的光能來適應弱光環(huán)境.Fv/Fm反映植物的潛在最大光合能力，Y(Ⅱ)反映植物的實際光合能力[20]. 本研究結果顯示在白光處理下，珙桐幼苗的Fv/Fm和Y(Ⅱ)均達到最大值，說明在弱光條件下，白光仍能保證珙桐幼苗的光合能力，而其他處理下珙桐幼苗的光合能力都有不同程度的下降，其中藍光處理下的珙桐幼苗光合能力顯著低于紅光和綠光處理，這與前期的研究結果一致[21]. 一方面，藍光有利于提高光合電子傳遞鏈PSⅠ受體端的自動氧化酶類活性，促進了Mehler反應從而會生成更多的超氧化物[22]，本研究中實驗結果與此相符；另一方面，藍光處理下珙桐幼苗葉片的ROS水平最高，導致其MDA含量也同樣顯著高于別的處理.此外，藍光下珙桐幼苗可能具有SOD機制之外的抗氧化自我修復能力，能保證植株新陳代謝正常運行，所以藍光下珙桐幼苗的形態(tài)生長狀態(tài)仍然較佳.

綜上所述，在不同光質條件下，珙桐幼苗的形態(tài)特征和生理特征存在著顯著差異，即使在同一種光照條件下，各種形態(tài)和生理指標的響應效果也不盡相同.具體表現(xiàn)為珙桐幼苗在紅光處理下伸長生長最緩慢，光合色素累積最高而光和能力最低，這表明紅光對植株的光形態(tài)建成有顯著影響；白光處理的幼苗株高最高，光合色素積累少，但光和能力最強，此外ROS水平及MDA含量較低，且SOD活性達到最大值，說明白色弱光處理對珙桐幼苗的光合作用及生理代謝影響較??；弱光環(huán)境下綠光和藍光處理的珙桐幼苗都能表現(xiàn)出避蔭效應，這對于珙桐幼苗的生長發(fā)育有一定的積極作用.

珙桐是珍稀瀕危的木本植物，實驗材料數(shù)量的局限使得實驗也受到諸多限制，以后還需要在有限的實驗材料的前提下，從形態(tài)解剖學和基因表達的角度探討珙桐的光響應；此外，從分子水平上去對其進行分析研究光質對珙桐影響的具體機制也更具有說服力.