不同光照條件對虎皮蘭氣孔特征及氣體交換參數的影響

郭麗麗， 張運鑫， 張 浩， 郝立華， 李 菲， 聶 唯， 楊 彬， 胡曄暉， 曹 旭， 鄭云普，3

(1.河北工程大學水電學院，河北邯鄲 056038； 2.邯鄲學院生命科學與技術學院，河北邯鄲 056005； 3.中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室，北京 100101； 4.中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083； 5.中國水利水電科學研究院水利研究所，北京 100048)

氣孔為植物葉片上由2個保衛細胞組成的孔狀結構[1-2]，是植物與大氣之間進行CO2和水分交換的重要器官[3]，對于調節生態系統碳、水循環過程具有極其重要的作用和意義[4-6]。眾多研究結果表明，氣孔能夠根據環境因素的變化調整氣孔開度、氣孔大小、氣孔頻度(氣孔密度和氣孔指數)以及空間分布格局來最優化其氣體交換參數，進一步提高其抗逆能力[7-8]。植物葉片氣孔的發育過程受許多因素的影響，如轉錄因子、負調控因子、環境因素(溫度、CO2、光照、激素等)均參與和影響著氣孔的發育過程，且在各個發育階段承擔著關鍵的調節作用[9-12]。

通常而言，植物葉片的光合作用受光照、二氧化碳濃度、溫度、礦質元素、水分等因素影響[13]。光能是植物進行光合作用的驅動力[14]，同時光照在葉片氣孔的形成和發育過程中也起到極其關鍵的誘導和調節作用，從而影響植物葉片的光合作用效率[10，12-13]。光照對氣孔結構特征的影響機理非常復雜，至今還沒有一致的結論[7，13]。相關研究結果發現，冠層濃厚樹木葉片的氣孔密度隨光照的增強而升高，但是樹冠稀薄樹木的氣孔密度隨著光照增強而降低[15]。同一葉片在不同軸面上的氣孔密度對光照變化的響應也不盡相同[16]。虎皮蘭(SansevieriatrifasciataPrain)隸屬于百合科虎尾蘭屬，為多年生常綠草本植物，以其易繁殖、生長速度快、吸收室內甲醛和室外汽車尾氣等優點逐漸成為一種集觀賞、綠化和人體保健于一體的重要園藝植物[17-18]。近年來，盡管許多學者對于虎皮蘭的食用價值和空氣甲醛凈化能力等方面進行了初步的研究[19-20]，但光照如何通過改變虎皮蘭的氣孔結構及分布狀況，影響虎皮蘭的氣體交換過程至今沒有得到較好的結論。本試驗通過不同遮陰處理研究光照對虎皮蘭氣孔特征及空間分布格局的影響，旨在闡明光照條件下氣孔特性和氣體交換參數之間的關系。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

在花卉市場購買長勢相同、生長健壯的虎皮蘭9盆(每盆3棵)。塑料花盆高10 cm，直徑14 cm，盆底鋪無紡布以防澆水時基質外滲，盆栽基質為花卉栽培通用營養土，主要成分配比為氮(N)600 mg/L、磷酐(P2O5)270 mg/L、氧化鉀(K2O)360 mg/L。

1.2 試驗設計與實施

將塑料遮陽網剪成1 m×1 m的正方形用于虎皮蘭的遮陰處理，將上述購買的虎皮蘭分別置于不同的光照條件下進行處理。于2016年3月10日至4月10日，試驗期間每隔 4 d 測定1次，觀測時間為09：00—11：00，每株虎皮蘭取3張葉片觀測。利用光度計(型號759S，棱光科技有限公司，中國上海)測定不同遮陰條件下虎皮蘭冠層的光照度，即無遮擋的自然光強度代表100%光照[約1 000 μmol/(m2·s)PAR]，利用1層遮陽網遮擋的自然光強度為50%光照[500 μmol/(m2·s)PAR]，2層遮陽網遮擋的自然光強度為25%光照[250 μmol/(m2·s)PAR]。在培養期間利用溫度計和濕度計每天記錄試驗處理區的日平均氣溫和相對空氣濕度，保證不同光照處理間的溫度、相對空氣濕度一致。培養期間每3 d澆水1次(每盆約500 mL)，以防止干旱脅迫的發生。

1.3 印記法取樣及光學顯微鏡觀察

隨機從每株上選取3張葉片，利用無色透明的指甲油涂于虎皮蘭葉片的中部，采集氣孔印記樣品用于葉片氣孔參數的測量。將葉片印跡玻片在裝備有照相機的顯微鏡(DM2500，LeicaCorp，Germany)下觀察并拍照。隨機選擇3個不同的顯微視野，每個視野下拍3張照片，即得到9張氣孔的顯微照片，再從9張照片中選取5張來計算氣孔密度。利用AutoCAD 2010軟件分別測量氣孔的長度、寬度、周長、面積以及形狀指數。形狀指數是指通過計算單一氣孔形狀與相同面積的圓之間的偏離程度來測量，當葉片氣孔的形狀為圓形時，形狀指數為1，即氣孔的形狀越扁長，則氣孔形狀指數就越大。形狀指數的計算公式為：

(1)

式中：S表示葉片氣孔形狀指數；P表示氣孔周長；A表示氣孔面積。

1.4 氣孔的空間格局分析

隨機選取3個光學顯微照片(放大5倍)用于研究遮陰對葉片氣孔空間分布格局的影響，每個氣孔都是葉片表面上分布的單點，氣孔開口的最中間位置為該單點的位置。首先利用空間分布軟件ArcGIS 10.0將顯微照片相同的坐標下進行數字化處理，得到每個氣孔的坐標值。再運用空間統計分析方法Ripley’s K方程對表征氣孔分布狀況的點進行空間分析[21]。Ripley’s K方程是一個分布累加的函數，該函數利用所有單點距離的二階矩陣探究這些點在不同尺度上的二維空間分布格局。分析結果由最小鄰域距離Lhat(d)值來表達：

(2)

式中：K(d)表示任何個體在一定空間尺度內對其他個體的期望值；d表示空間尺度。

當分布格局為隨機分布時，所有的d值到的距離均相等。為了確定95%的可信任區間，采用蒙特卡洛算法模擬隨機分布點1 000次。假如葉片表面的氣孔在給定尺度d下為隨機分布，則計算出來的值應該位于95%可信任區間之內。假如值大于95%可信任區間，則氣孔在該尺度為簇狀分布。否則，當值小于95%可信任區間時，氣孔在該尺度下為規則分布[21]。

1.5 氣體交換參數測定

利用便攜式光合測定系統(Lcpro-SD，ADC BioScientific Ltd. Hoddesdon，UK)測定虎皮蘭葉片的氣體交換參數即葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、細胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)。利用光合測定系統分別測量不同光照處理下3盆虎皮蘭葉片的氣體交換參數，共測8次，并分別對8組數據求出平均值代表氣體交換參數。

1.6 統計分析

試驗數據均利用單因素方差分析，然后在利用Duncans Multiple Range Test比較處理間的差異顯著性，統計分析均利用SPSS13.0(Chicago，IL)統計軟件完成。

2 結果與分析

2.1 不同光照條件對氣孔密度的影響

從表1可以看出，不同的光照度對虎皮蘭的氣孔密度產生很大影響，隨著光照的減弱，虎皮蘭的氣孔密度逐漸增加，在25%光照下氣孔密度最高。50%光照比100%光照時虎皮蘭葉片的氣孔個數增加15.9%，而25%光照比100%光照的氣孔個數增加63.5%。結果表明，不同光照處理對虎皮蘭葉片上氣孔個數產生了顯著影響。25%光照與100%光照下的氣孔密度差異顯著，但在50%光照與25%、100%光照處理間的氣孔密度差異不顯著。

表1 不同光照條件對虎皮蘭葉片氣孔特征的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 不同光照條件對氣孔開度和形狀的影響

虎皮蘭葉片上氣孔的長度、寬度、面積、周長均隨光照的減弱呈先上升后降低的趨勢，而虎皮蘭葉片上的氣孔形狀指數隨光照的增加呈先降低后上升的趨勢(表1)。在50%光照下的氣孔長度和25%下的氣孔長度有顯著差異，而100%光照下的氣孔長度與50%、25%光照處理間差異不顯著。不同光照處理對氣孔寬度、氣孔面積、氣孔周長及形狀面積處理間差異不顯著。氣孔面積指數(SAAI)隨著光照程度的加深而增大，25%光照下的SAAI最高，比100%光照下的SAAI增加了59%，虎皮蘭葉片在不同光照處理間SAAI差異顯著。

2.3 不同光照條件對氣孔空間分布格局的影響

不同光照處理，虎皮蘭的氣孔在小尺度范圍80～130 μm為規則分布，而在大尺度范圍400～500 μm呈現隨機分布(圖1)。在100%光照下，虎皮蘭的氣孔分布比50%、25%光照的氣孔分布更加規則，因為在相同尺度下100%光照的Lhat(d)值更小。25%光照下的氣孔分布格局在小尺度約100 μm時為隨機分布，50%光照下的氣孔分布在尺度 230 μm 左右為隨機分布，而后隨著尺度的不斷增大，25%、50%光照下的氣孔在隨機分布和規則分布之間切換。而100%光照下的氣孔分布在更大尺度400 μm左右顯示為隨機分布。在尺度為430～500 μm時不同的光照處理結果，氣孔的空間分布均為隨機分布。對照不同光照處理下虎皮蘭氣孔分布格局最規則的空間分布格局發生在尺度約170 μm處，此時100%光照的最小Lhat(d)為-18，50%光照的最小Lhat(d)為-14.20，25%光照的最小Lhat(d)為-9.82。

2.4 不同光照條件對葉片氣體交換參數的影響

虎皮蘭葉片的凈光合速率在25%光照下最高，其次是50%光照，而在100%光照下最低，且差異顯著。隨著光照度的加深，虎皮蘭葉片的細胞間CO2濃度、蒸騰速率均是先升高后降低，在50%光照下達到最高，胞間CO2濃度50%光照處理與25%、100%光照處理間差異顯著，蒸騰速率25%、50%、100%光照處理間差異顯著。而虎皮蘭在3種不同的光照處理下氣孔導度差異不顯著(表2)。表明蒸騰速率、凈光合速率的改變并不受氣孔導度影響，而是受氣孔寬度、氣孔長度等其他參數的影響。

表2 不同光照條件對虎皮蘭葉片氣體交換參數的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3 討論與結論

3.1 不同光照處理對虎皮蘭葉片氣孔特征的影響

氣孔是植物葉片上許多小的開口[22]，它是植物與外界環境進行CO2氣體和水分交換的主要通道[9，23]。植物通過改變氣孔開度來響應短期的環境變化，這種響應方式也被稱為氣孔運動[24-26]。除了對短期環境變化響應的氣孔運動外，長期的環境變化如氣候變暖也可能會影響到單個氣孔的大小、氣孔頻度以及氣孔空間分布格局[27-28]。目前，有關光照對植物葉片氣孔頻度及大小等方面影響研究還沒有一致的結論。前人研究結果表明，氣孔密度隨著光照度的增加而升高，且冠層頂部葉片的氣孔密度高于冠層底部葉片[29-30]。孟雷等的研究發現，光照度導致水稻葉片氣孔密度減少，遮陰處理使水稻葉片氣孔密度顯著減少[31]。張大鵬研究指出，弱光可能有利于植物葉原基階段氣孔發育和形成，從而提高植物葉片的氣孔密度[32]。相關研究還發現，同一物種不同軸面氣孔密度對光照的響應也不盡相同。Mott等研究發現，豚草(AmbrosiaartemisiifoliaL.)在遮陰環境下近軸面氣孔密度會隨著光照的增強而降低，而遠軸面氣孔密度隨著光照的增強而增加[33]。此外，光照對氣孔密度的影響還同植物的生長狀況存在密切的關系。馬冬雪等對不同光照條件下HB柚(CitrusmaximaMerr)氣孔的特征進行研究，發現氣孔密度與樹木的生長狀況存在密切關系，生長狀況較好樹木的氣孔密度會隨著光照的增強而增加，生長狀況較差樹木的氣孔密度則隨著光照的增強而減少[15]。本研究通過對虎皮蘭不同的遮陰程度發現，虎皮蘭葉片氣孔密度隨著光照的減弱而增加，表明光照是虎皮蘭氣孔密度的負調控因子。前人研究結果發現，植物葉片上氣孔個數由氣孔發育過程所決定，而氣孔的發育和形成過程又會受多種轉錄因子的調控，包括bHLH轉錄因子、MYB轉錄因子、Dof轉錄因子等[9-10]。同時，SPCH、MUTE、FAMA等3種基因均決定著氣孔的發育和形成過程[34-35]。總之，光照通過影響轉錄因子、受體、激酶和蛋白等來調控氣孔的形成和發育過程。然而，光因子對氣孔發育過程產生影響的分子調控機制至今還并不清楚，將成為未來氣孔發育學亟待解決的熱點和難點問題之一。

3.2 不同光照處理對虎皮蘭葉片氣孔空間分布格局的影響

氣體交換效率除受氣孔大小、氣孔寬度以及氣孔頻度以外，還與氣孔分布格局有關[3，36]。前人研究發現，細胞分裂和分化過程影響和改變植物葉片上氣孔的空間分布格局。同時，細胞的分裂和分化過程也會受到遺傳信號和環境因素的影響[37-40]。基因學方面關于氣孔的研究發現，SDDI、EPFI、TMM和ERECTA等基因共同決定著氣孔的空間分布格局[9，34]。光照不僅會改變氣孔的大小、形狀指數以及氣孔密度，同時還會影響氣孔的空間分布格局。本研究發現，光照度越高，氣孔分布越規則，100%光照下的氣孔分布格局在大尺度(約400 μm)時為隨機分布，而25%光照下的氣孔分布格局在小尺度內(約100 μm)呈現為隨機分布，表明隨著光照的增強可能會提高虎皮蘭葉片的氣孔交換效率，這主要是由于氣孔在植物葉片上分布得越規則，葉片的氣體交換效率可能會越高。本研究中25%、50%光照條件下，氣孔在100～400 μm 空間尺度內以隨機和規則2種分布格局交替出現，這可能是虎皮蘭在通過改變自身的氣孔分布來逐漸適應不同的光照環境，從而提高其氣體交換的效率的原因。

3.3 不同光照處理對虎皮蘭氣體交換參數的影響

眾所周知，植物的光合作用過程會受到光照度的影響[39-40]，光照度太高或太低都會降低植物光合反應速率，即植物的光合反應速率只有在最佳光照度下才能達到最大值[41-43]。吳安娜等研究發現，光照度增強有利于月季試管苗干物質的積累，但該效應僅在一定光照度范圍內產生，若超過該光照范圍就會對植物生長產生負效應[44]。Lees等研究發現，鐵線蓮試管苗隨著光照的增強，光合作用和量子小效率均降低，可能是太高的光照對植物進行光合作用的器官造成損傷[45]。另外，光照對植物光合作用過程的影響還會通過氣孔導度的變化來實現[46-47]。Whitehead等的研究發現，對火炬松進行遮光處理導致其氣孔導度降低39%，從而使光合反應速率也下降58%[48]。馬書榮等的研究也發現，裂葉沙參(AdenophoralobophyllaHong)光合速率與氣孔導度的相關系數極顯著[49]。本研究卻發現不同光照度對虎皮蘭的氣孔導度沒有產生影響。這可能是由于氣孔面積指數(單位葉面積上氣孔的總面積)的增加同氣孔空間分布格局變得不規則的效應相抵消，以至于氣孔結構和分布狀況并未對氣孔導度產生影響。

參考文獻：

[1]Woodward F I. Stomatal numbers are sensitive to increases in CO2from pre-industrial levels[J]. Nature，1987，327(6123)：617-618.

[2]Bergmann D C，Sack F D. Stomatal development[J]. Annual Review of Plant Biology，2007，58(1)：163-181.

[3]Hetherington A M，Woodward F I. The role of stomata in sensing and driving environmental change[J]. Nature，2003，424(6951)：901-908.

[4]Franks P J，Beerling D J. Maximum leaf conductance driven by CO2effects on stomatal size and density over geologic time[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2009，106(25)：10343-10347.

[5]Haworth M，Heath J，Mcelwain J C. Differences in the response sensitivity of stomatal index to atmospheric CO2among four genera ofCupressaceaeconifers[J]. Annals of Botany，2010，105(3)：411-418.

[6]Taylor S H，Franks P J，Hulme S P，et al. Photosynthetic pathway and ecological adaptation explain stomatal trait diversity amongst grasses[J]. New Phytologist，2012，193(2)：387-396.

[7]Kouwenberg L L R，Kürschner W M，Mcelwain J C. Stomatal frequency change over altitudinal gradients：prospects for Paleoaltimetry[J]. Reviews in Mineralogy & Geochemistry，2007，66(12)：215-241.

[8]Fraser L H，Greenall A，Carlyle C，et al. Adaptive phenotypic plasticity ofPseudoroegneriaspicata：response of stomatal density，leaf area and biomass to changes in water supply and increased temperature[J]. Annals of Botany，2009，103(5)：769-775.

[9]崔國新，韓寶達，趙瀟男，等. 氣孔發育及其調控[J]. 植物生理學報，2012，48(9)：829-836.

[10]吳 丁. 氣孔的構造及類型在生理上的意義[J]. 九江學院學報(社會科學版)，1997(6)：39-43.

[11]劉 俊，郭志富. 植物氣孔發育分子機制研究進展[J]. 安微農業科學，2015，43(35)：12-15.

[12]劉 婧，王寶山，謝先芝. 植物氣孔發育及其調控研究[J]. 遺傳，2011，33(2)：131-137.

[13]Berry J，Bjorkman O. Photosynthetic response and adaptation to temperature in higher plants[J]. Plant Physiology，1980(31)：491-543

[14]Pallardy S G，Kozlowski T T. Stomatal response of populus clones to light Intensity and vapor pressure deficit[J]. Plant Physiology，1979(64)：112-114.

[15]馬冬雪，劉仁林. 不同光照條件下HB柚氣孔數量特征研究[J]. 安微農業科學，2011，39(19)：6983-6985.

[16]蔡志全，齊 欣，曹坤芳. 七種熱帶雨林樹苗葉片氣孔特征及其可塑性對不同光照強度的響應[J]. 應用生態學報，2004，15(2)：201-204.

[17]李澤鴻，劉樹英，安佰明，等. 虎皮蘭色素提取條件的研究[J]. 北方園藝，2008(1)：134-136.

[18]郭銘偉，壟 萍，陶榮琴，等. 盆栽蘆薈和虎皮蘭對室內空氣甲醛凈化及耐受能力的研究[J]. 實用預防醫學，2012，19(10)：1462-1464.

[19]李澤鴻，劉樹英，李 闖，等. 虎皮蘭營養成分的測定[J]. 北方園藝，2008(2)：131-132.

[20]熊 纓，蘇志剛. 五種常見裝飾植物對甲醛的吸收能力比較研究[J]. 環境科學與管理，2009，34(1)：45-48.

[21]Zheng Y，Xu M，Hou R，et al. Effects of experimental warming on stomatal traits in leaves of maize (ZeaMayL.)[J]. Ecology and Evolution，2013，3(9)：3095-3111.

[22]Xu M. The optimal atmospheric CO2concentration for the growth of winter wheat (Triticumaestivum)[J]. Plant Physiology，2015(184)：89-97.

[23]Young J J，Mehta S，Israelsson M，et al. CO2signaling in guard cells：calcium sensitivity response modulation，a Ca2+-independent phase，and CO2insensitivity of thegca2 mutant[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2006，103(19)：7506-7511.

[24]Shimazaki K I，Doi M，Assmann S M，et al. Light regulation of stomatal movement[J]. Annual Review of Plant Biology，2007(58)：219-247.

[25]Shang Z，Laohavisit A，Davies J M. Extracellular ATP activates an Arabidopsis plasma membrane Ca2+-permeable conductance[J]. Plant Signaling & Behavior，2009，4(10)：989-991.

[26]Anderson V J，Brisk D D. Stomatal distribution，density and conductance of three perennial grasses native to the southern true trairie of Texas[J]. American Midland Naturalist，1990(123)：152-159.

[27]Lammertsma E I，de Boer H J，Dekker S C，et al. Global CO2rise leads to reduced maximum stomatal conductance in Florida vegetation[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2011，108(10)：4035-4040.

[28]山本昭夫. 土壤水分和光照強度對氣孔密度的影響[J]. 日本作物學會紀事，1984，53(4)：463-471.

[29]Ciha A J，Bron W A. Stomatal size and frequency in soybeans[J]. Crop Science，1975(15)：309-313.

[30]Chen W，Cheng H，Liu L，et al. A new method for studying the stomatal character of rice leaf[J]. Review of China Agricultural Science of Technology，2000，2(2)：58-62.

[31]孟 雷，陳溫福，李磊鑫，等. 減弱光照強度對水稻葉片氣孔性狀的影響[J]. 沈陽農業大學學報，2002，33(2)：87-89.

[32]張大鵬. 水稻葉片氣孔的研究Ⅱ.不同生態條件下的氣孔動態[J]. 福建農學院學報，1989，18(3)：302-307.

[33]Mott K A，Gibson A C，O’leary J W. The adaptive significance of atmphistomatic leaves[J]. Plant，Cell & Environment，1982(5)：455-460.

[34]朱燕化，康宏樟，劉春江. 植物葉片氣孔性狀變異的影響及其研究方法[J]. 應用生態學報，2012，2(1)：250-256.

[35]林植芳，李雙順，林桂珠. 葉片氣孔的分布于光合途徑[J]. 植物學報，1986(4)：153-160.

[36]Wang J C，Duan B L，Zhang Y B. Effects of experimental warming on growth，biomass allocation，and needle chemistry ofAbiesfaxonianain even-aged monospecific stands[J]. Plant Ecology，2012，213(1)：47-55.

[37]Shpak E D，Mcabee J M，Pillitteri L J，et al. Stomatal patterning and differentiation by synergistic interactions of receptor kinases[J]. Science，2005，309(5732)：290-293.

[38]Nadeau J A，Sack F D. Control of stomatal distribution on the Arabidopsis leaf surface[J]. Science，2002，296(5573)：1697-1700.

[39]Juarez M T，Twigg R W，Timmermans M C. Specification of adaxial cell fate during maize leaf development[J]. Development，2004，131(18)：4533-4544.

[40]Wang H，Ngwenyama N，Liu Y，et al. Stomatal development and patterning are regulated by environmentally responsive mitogen-activated protein kinases inArabidopsis[J]. The Plant Cell，2007，19(1)：63-73.

[41]Hunt L，Bailey K J，Gray J E. The signalling peptide EPFL9 is a positive regulator of stomatal development[J]. New Phytologist，2010，186(3)：609-614.

[42]何松林，蔣要衛，王 政，等. 外施CO2時光照度對大花蕙蘭試管苗生長和葉片氣孔特征的影響[J]. 河南農業大學學報，2009，43(6)：625-629.

[43]王 政，劉藝平，張春麗，等. LED不同光照度對大花蕙蘭試管苗生長和葉片氣孔特征的影響[C]// 中國觀賞園藝研究進展. 2013：324-328.

[44]吳安娜，朱建鏞. 光和蔗糖對玫瑰花組織培養培殖體光自養生長的影響[J]. 中國園藝，1999，45(4)：345-352.

[45]Lees R P，Evanse H，Nicholas J R. Effects of the light environment on photosynthesis and growthinvitro[M]. Netherlands：Springer，1994.

[46]Woods D B，Turner N C. Stomatal response to changing light by four tree species of varying shade tolerance[J]. New Phytologist，1971(70)：77-84.

[47]Liu T，Ohashi-Ito K，Bergmann D C. Orthologs ofArabidopsisthalianastomatalbHLHgenes and regulation of stomatal development in grasses[J]. Development，2009，136(13)：2265-2276.

[48]Whitehead D，Teskey R O. Dynamic response of stomata to changing irradiance in loblolly pine (PinustaedaL.)[J]. Tree Physiology，1995，15(4)：245-251.

[49]馬書榮，楊紅藝，閻秀峰，等. 不同光照處理裂葉沙參和泡參氣孔行為與光合特性的關系[J]. 東北林業大學學報，2000，28(6)：36-39.