不同光強對6個歐美楊無性系苗期生長及光合特性的影響

王明援，劉 寧，李 波，劉成功，丁昌俊，黃秦軍

(林木遺傳育種國家重點實驗室，國家林業和草原局林木培育重點實驗室，中國林業科學研究院林業研究所，北京 100091)

光是植物生長最重要的生態因子之一，植物適應光環境變化的能力決定了它的分布模式和物種豐度[1-3]。光照強度影響植物的光合作用，進而影響植物的形態和生理生化特征[4-5]。有研究表明：適度遮陰有助于植物苗高和地徑的生長，隨著光照強度的降低，植物的凈光合速率、氣孔導度、水分利用效率和蒸騰速率逐漸減小[6-9]。

楊樹(Populus L.)因其生長快，生態適應范圍廣，成為我國人工林的主要造林樹種之一[10]。隨著經濟的發展，我國對短周期工業用材林的需求越來越高，通過雜交得到的優良楊樹無性系，可以有效提高人工林木材產量，緩解木材供應短缺問題[11]。歐美楊在我國東北、華北和長江流域等地區廣泛種植，是速生豐產用材林建設的重要樹種之一，具有很高的經濟、社會和生態效益。縮短選育優良楊樹品種的時間是楊樹育種工作者的目標。通過對6個不同地點的試驗林數據篩選，以得到的6個生長差異明顯的歐美楊雜交無性系為試驗材料進行遮陰試驗，分析歐美楊雜交無性系對不同光強的響應差異，以期為歐美楊苗期快速選育高光效優良品種提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為基因型不同的6個雜交歐美楊無性系，編號分別為：11-21-8、11-26-4、11-26-8、11-26-9、11-32-1、11-36-26，親本對照表見表 1。2018年3月中旬用1年生植株硬枝扦插，在溫室培養。2018年5月下旬將生長良好且苗高一致的植株移植至中國林業科學研究院林業研究所通州試驗基地。

表 1 歐美楊無性系親本對照表Table 1 Comparison table of Populus × euramericana clones

1.2 遮陰處理

在移植苗充分緩苗后，于2018年7月中旬進行遮陰處理。用不同密度的遮陰網搭建高為2 m的遮陰棚。8：00—17：00每隔1.5 h使用光照計在3個處理下隨機多點測量距離地面1.5 m處的光照強度，連續3 d測量后進行光強計算得出：CK（全光照，100%自然光強）、L1（3針遮陰網，55%自然光強）和L2（6針遮陰網，20%自然光強）。每處理各無性系幼苗30株，3次重復，株行距為50 cm×60 cm。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 形態指標測定 處理開始時測量每株無性系苗高作為起始值，每隔15 d測定1次苗高，計算幼苗高增長量(ΔH)。在遮陰處理30 d時，每個處理每個無性系摘取3株平均株的第5～7片功能葉，使用Yaxin-1241葉面積儀，測量葉片葉面積、葉長和葉寬，烘干稱質量，計算葉片葉形指數及比葉面積。

葉形指數=葉長/葉寬

比葉面積=葉面積/葉干質量

1.3.2 光合相關指標測定 遮光處理40 d時，在晴天上午9：00—11：00使用LI-6400便攜式光合測定儀（Li-COR公司生產，使用紅藍光源，設定光量子密度為 1 200 μmol·m-2s-1，CO2濃度為400 μmol·mol-1）。測定平均株的第 5～7 片功能葉的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度 (Ci)和蒸騰速率 (Tr)。于夜間 22：00—23：00使用MINI-PAM-II（德國WALZ公司生產）測定平均株葉片葉綠素熒光參數Fv/F0和Fv/Fm。

1.3.3 葉片葉綠素含量及鉀、鈣、鎂元素含量測定

遮光處理45 d時，取平均株的第5～7片功能葉，稱取0.10 g新鮮葉片，用95%乙醇提取過夜，在665.0、649.0 nm下測定吸光率并換算葉綠素a、葉綠素b含量[12]。將葉片烘干研磨，用原子吸收光譜法測量葉片中鉀、鈣、鎂元素含量。

1.4 數據處理

利用SPSS 21.0軟件進行多重比較，用Duncan新復極差法進行顯著性分析；使用OriginPro 8.5繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同光強對無性系幼苗形態指標的影響

2.1.1 不同光強對苗高增長量的影響 由圖1可知：在L1和L2處理下，無性系苗高增長量最大與最小的無性系分別為11-21-8、11-36-26。L1、L2處理下的苗高增長量與CK相比，11-36-26的苗高減少量最大，11-26-9的苗高減少量最小。除11-26-9無性系在L1處理下總苗高增長量大于CK外，其他無性系總苗高增長量隨光強的降低呈下降趨勢。

圖 1 無性系苗高增長量Fig. 1 High growth of clones

2.1.2 不同光強對葉片形態的影響 表2表明：無性系的單葉面積在3個光強處理間均存在差異，不同無性系葉片形態對光強變化響應不一；11-26-4、11-36-26無性系的單葉面積隨光強的降低而減小，11-21-8、11-26-9、11-32-1的葉面積在L1處理下最大。同一處理不同無性系的葉面積間對比，在CK和L1處理下，11-26-4的葉面積最大；在L2處理下，11-26-8的葉面積最大。3個光強下，各無性系間葉片葉形指數及比葉面積均存在差異；11-32-1的葉形指數最小，11-26-4的比葉面積最小，11-26-9的葉面積最大。光照強度的變化對11-26-4、11-32-1的葉形指數影響最小。無性系的比葉面積在不同光強處理間大部分差異顯著，隨著光照強度的減弱，無性系的比葉面積呈增加趨勢，11-36-26無性系的比葉面積變化幅度最大，L2比CK增加了70.51%。

表 2 不同光強對歐美楊無性系葉片形態的影響Table 2 Effects of different light intensity on leaf morphology of Populus ×euramericana clones

2.2 不同光強對歐美楊光合特性的影響

2.2.1 不同光強對歐美楊光合參數的影響 圖2-A表明：不同無性系的凈光合速率在不同光強處理間具有顯著差異，且同一處理不同無性系間也存在差異。11-26-8的凈光合速率在CK和L2處理為同處理所有無性系中最大，但在L1處理下最小。3個光強處理間，L2處理各無性系的凈光合速率最小；11-26-8無性系的凈光合速率在CK最大，其他5個無性系的凈光合速率在L1處理下最大。

圖2-B表明：同一光強處理下，不同無性系間的氣孔導度存在差異；11-26-8無性系在3個光強下的氣孔導度值均最大；CK、L1和L2處理，氣孔導度最小的無性系分別是11-36-26、11-21-8和11-32-1。光強的變化對11-21-8、11-26-8的氣孔導度影響不顯著；11-21-8、11-26-9、11-36-26的氣孔導度值均為L1＞L2＞CK；11-26-4的氣孔導度隨光強的降低而增加，但11-32-1正好相反。

圖 2 不同光強對6個歐美楊無性系光合參數的影響Fig. 2 Effect of different light intensity on photosynthetic parameters of 6 Populus×euramericana clones

注：小寫字母表示同一光強處理下無性系間的顯著差異，大寫字母表示同一無性系在不同光強處理間的顯著差異，顯著性水平為0.01，下同。Notes: The lowercase letter represents the significant difference between clones treated with the same light intensity, and the capital letter represents the significant difference between clones treated with different light intensity, the significance level was 0.01, the same below.

圖2-C表明：胞間CO2濃度隨著光強的降低，總體呈上升趨勢；僅11-32-1對光強變化的響應不顯著，其他5個無性系均差異顯著。6個無性系的胞間CO2濃度在同一光強下存在差異，11-36-26在CK下胞間CO2濃度最小，但L2處理下值最大；11-26-8的胞間CO2濃度在CK與L1下最大。

圖2-D表明：無性系間的蒸騰速率在CK與L2下存在差異，在L1下差異不顯著；在L1與L2下，11-26-4的蒸騰速率均最大，與蒸騰速率最小的11-21-8 和 11-26-9 分別相差 1.00、2.37 mmol·m-2·s-1；隨著光強的降低，各無性系的蒸騰速率呈不同的變化趨勢，11-21-8、11-26-9的蒸騰速率隨著光強的降低呈下降趨勢，11-26-4呈上升趨勢。

2.2.2 不同光強對歐美楊葉綠素熒光參數的影響圖3表明：3個光強處理下，無性系間的PSⅡ潛在光化學活性(Fv/F0)與最大光化學效率（Fv/Fm）均存在差異；光強的變化對11-26-4、11-26-8、11-32-1和 11-36-26的 Fv/F0、Fv/F0產生較大影響。圖3-A表明：在CK下，11-26-4的Fv/F0值最大；在L1、L2下，11-26-9的Fv/F0值均最大；11-21-8、11-26-4、11-32-1、11-36-26 無性系的 Fv/F0值隨著光強的降低而下降；11-32-1在各處理間差異顯著。圖3-B表明：在CK下，11-36-26的Fv/Fm值最小；在L1、L2下，11-26-9的Fv/Fm最大；除11-26-9外，其他無性系的Fv/Fm值隨光強降低呈下降趨勢。

2.3 不同光強對葉片葉綠素含量的影響

圖4表明：所有無性系的葉綠素b含量與葉綠素總含量呈相同的變化趨勢；在CK、L1下，11-26-9的葉綠素a和葉綠素b含量均最小，但在L2下葉綠素a含量為最大；在3個處理下，11-36-26在各光處理下的葉綠素a和葉綠素b含量均大于無性系整體的均值；除11-21-8外，其它5個無性系的總葉綠素含量隨著光強降低而增加。

圖 3 不同光強對歐美楊無性系Fv/F0、Fv/Fm的影響Fig. 3 Effect of different light intensity on Fv/F0、Fv/Fm of 6 Populus ×euramericana clones

圖 4 不同光強處理對葉綠素含量的影響Fig. 4 Effect of different light intensity on chlorophyll content

2.4 不同光強對葉片鉀、鈣和鎂元素含量的影響

表3表明：光強的變化對無性系的元素含量有較大影響，僅11-32-1的鉀元素含量在3個處理間差異不顯著；隨著光強降低，無性系葉片鉀元素含量逐漸增加，11-21-8的鉀元素含量增幅最大；在CK與L1下，11-21-8的鉀元素含量最小，但在L2下最大。11-21-8、11-26-4、11-26-8和 11-36-26的鈣元素含量隨著光強降低逐漸升高；11-26-9、11-32-1的鈣元素含量在3個處理間排序為L2＞CK＞L1。在 CK、L2下，11-32-1的鎂元素含量最大；11-21-8的鎂元素含量在3個處理間的大小 為 L1＞L2＞CK， 11-26-4、 11-26-8、 11-26-9 與11-36-26的鎂元素含量隨著光強的降低而增加。

3 討論

光強作為重要的環境生態因子之一，與植物的形態建成和生長都有著密切的關系[13-14]。本試驗結果表明：隨著光強的降低，多數無性系的苗高總生長量逐漸降低；在遮陰處理15 d時，所有無性系的苗高增長量均為L1＞CK＞L2；在遮陰處理45 d時，僅11-26-9的苗高總增長量在L1處理下最大，短期適當降低光強有助于無性系的苗高生長，但幼苗長期處于弱光環境中，嚴重影響其高生長。光照不足可能會降低植物的光合作用強度，進而影響植物的生長速率和碳元素積累[15]。L2處理下的11-36-26在30～45 d內封頂，可能是該無性系對光強變化較敏感，生長勢較弱，降低光強易改變其生長節律。隨著光強的降低，不同無性系的葉片形態變化趨勢不一，無性系間的葉面積、葉形指數及比葉面積差異顯著；在CK與L1處理下，11-26-4的葉面積最大，由于其具有較大的葉面積，比葉面積較小；在L1和L2處理下，11-32-1的葉面積、葉形指數均為同處理所有無性系的最小值，其葉片的寬度均大于長度。光強的變化對11-26-4的葉面積影響顯著，該無性系的L2比CK處理下的葉面積降低了37.22%。隨著光強的降低，無性系的比葉面積呈增加趨勢。在3個光強處理下，比葉面積最大的無性系是11-26-9，可能因為其具有較大的比葉面積，所以，在L1、L2處下具有較大的高增長量。

凈光合速率(Pn)是衡量植物在逆境條件下光合生理應激能力的重要參數[16]。Pn的大小可用來衡量植物的光合能力，導致Pn下降的主要原因既可能是氣孔限制，也可能是非氣孔限制[17-18]。本試驗結果顯示：在L2處理下無性系的Pn最低，而Ci最高，由此可以推斷，L2處理Pn下降的主要原因是非氣孔限制。這可能是長期弱光處理導致葉肉細胞光合活性降低，CO2同化效率下降，所以，無性系在L2的Ci最高。在CK、L2處理下，11-26-8的Pn最大，其高增長量較大；11-36-26的Pn最小，其高增長量較小。各無性系的氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)隨光強的減弱呈不同的變化趨勢。不同光處理間，11-21-8、11-26-8和11-26-9無性系的Tr均是CK下最大。有研究表明，在強光條件下，植物可通過大量蒸騰失水來降低植物體內的溫度為體內生理活動的正常進行創造條件[19]。這3個無性系可能通過強蒸騰作用來降低溫度，以維持正常的生理活動。11-26-4和11-36-26的Gs與Tr在不同處理間呈相同的變化趨勢，可能是Gs的增加促使這2個無性系的蒸騰速率上升。

表 3 不同光照強度對歐美楊無性系葉片礦質元素的影響Table 3 Effects of different light intensity on mineral element of Populus ×euramericana clones

對于植物的光合作用機理及植物對環境響應機理的研究，葉綠素熒光參數分析是一種反應靈敏、操作簡便且對植物無侵擾的方法[20]。本試驗無性系的PSⅡ潛在光化學活性(Fv/F0)及光能轉化率(Fv/Fm)在3個光強處理間呈現相同的變化趨勢。正常情況下，沒有遭受環境脅迫并經過充分暗適應植物葉片的Fv/Fm是比較恒定的，一般為0.80～0.85[21]。本試驗處理下的所有無性系的Fv/Fm值均大于0.80，降低光強沒有破壞無性系的PSⅡ結構。不同光處理間，11-26-9的Fv/F0、Fv/Fm在L1最大，說明該無性系的PSⅡ在L1活性最高，且11-26-9的苗高增長量、Pn及Gs也在L1處理最大，顯示其在適度降低光強的條件下，光合生理活性較優。植物通過光合色素捕獲光能進行光合作用，光照強度的大小會影響色素的形成和分布，進而影響光合作用[22-23]。除11-21-8無性系外，無性系的總葉綠素含量隨光強的降低而升高；在CK與L2處理下，11-26-9、11-26-4的總葉綠素含量均較少，11-36-26最高，但11-36-26的高增長量與Pn沒有呈現相同的趨勢，可能是無性系的基因型不同。有研究表明，降低光強會減少色素的光氧化傷害和改變葉綠體結構，無性系的葉綠體含量增多是為了捕獲更多的光能[24-25]。3個處理間相比，11-21-8的總葉綠素含量為L2＞CK＞L1，與凈光合速率的變化趨勢相反，雖然在L1處理下葉綠素a和葉綠素b含量降低，但沒有影響該無性系的凈光合速率。

光為礦質營養的吸收與代謝過程提供能量[26]，因此，光強的變化必然會對植物營養元素的吸收運輸與分配產生影響。鉀、鈣、鎂元素是植物生長不可缺少的礦質元素，它們是細胞結構的物質組成成分、滲透調節物質和細胞信號轉導信使等[27]。本試驗結果顯示：隨著光強的降低，多數無性系的鉀、鈣、鎂元素含量呈上升趨勢；11-21-8的鈣元素含量變幅最大，11-36-26的鎂元素含量增加最多。不同無性系的礦質營養元素對光強變化的響應不同，鉀、鈣元素含量的升高對細胞滲透勢調節有重要作用。降低光強，11-26-4、11-26-8、11-26-9與11-36-26無性系的鎂元素升高，葉綠素含量也增加。

4 結論

通過對6個雜交歐美楊無性系的光強控制試驗，發現適當短期降低光強有助于提高多數無性系的高生長，但長期的弱光條件影響無性系的高生長。不同無性系對光強變化的適應策略不同，部分無性系的高生長與光合參數隨光強的降低而逐漸減小；降低光強沒有破壞無性系的PSⅡ結構，多數無性系的總葉綠素含量、礦質元素含量隨著光強的降低而升高；11-36-26無性系的生長勢及抗弱光能力較弱。根據本研究結論，篩選高光效雜交歐美楊無性系，不能僅以高生長為主要參照指標，需結合無性系的凈光合速率、葉綠素含量及礦質營養元素含量指標綜合評定。高增長量大、凈光合速率高、葉綠素含量低、礦質營養元素含量高的無性系對光的利用效率較高。