光質和光周期對山白蘭苗木生長、生理的影響

謝慈江, 何福英, 劉 莉, 韋秋梅, 楊 梅*

(1. 廣西大學 林學院, 南寧 530004; 2. 廣西南寧良鳳江國家森林公園, 南寧 530031 )

光照作為植物生長最關鍵的自然環境因子,在整個生命周期中起著重要作用(李雨霏等,2021)。因存在獨特的光譜吸收特性,植物在不同生長階段所需要的最適光周期不同(王玉卓等,2019),不同光質對植物的影響也具有差異。前人在紅藍光質及其多種復合光質組合處理對植物生長、生理等方面進行了廣泛研究。例如,紅藍組合光質對朱頂紅(郄亞微,2020)和石蒜幼苗(李青竹等,2019)的生長、葉片光合色素合成和生物量積累都起到了積極的促進作用,在紅藍組合光中添加綠光不利于茄子幼苗(楊玉凱等,2018)和人參果組培苗(王玉英等,2020)葉綠素的合成,紫光處理使黃色甜椒幼苗葉片株高、生物量、光合色素較白光大幅下降(白生文等,2017);而在紅藍組合光中增加25%的綠光(2R1B1G)顯著促進了白及葉片生長和提高了葉綠素含量(王婷婷等,2021),在紅藍光基礎上適宜增加紫光提高了水培芹菜的產量和品質(劉玉兵等,2020),補充紫綠光且光周期為16 h·d-1對紅心杉組培苗的生長生理特性具有積極作用(徐圓圓,2017)。由此可見,在人工光源下,紅藍光是設施栽培中應用最多的復合光質,對植物生長具有促進作用,而其他光質對植物的作用效果并不一致。目前,關于植物對光源響應的研究較多集中在蔬菜、果樹以及特色經濟林,針對林木尤其是珍貴樹種的研究并不多見,不同光質組合對林木生長的影響還需要進一步探討。

山白蘭(Micheliabaillonii)修訂名為合果木,別名擬含笑、山桂花等,屬于木蘭科中的寡種屬(合果木屬),珍稀常綠闊葉高大喬木,自然分布于我國云南,近年來引種至廣西和福建等地。山白蘭樹形筆直挺拔,木材耐腐抗蛀、紋理天然美觀,是南方優良的用材及景觀樹種(申禮鳳等,2011)。由于山白蘭種子發芽率低,自然更新能力差,并且生境受到較多的人為干擾及環境變化,其天然種群數量逐漸減少,因此需要通過提升山白蘭的種苗人工繁育技術以擴大其種群數量。目前,關于山白蘭苗期的研究主要集中在生長特性(劉永剛等,2019)、施肥效應(黃振聲,2015)和育苗容器(邱瓊等,2018)等方面,山白蘭苗期高光強適應能力不足(郭昉晨等,2015),晴朗天氣下的光強或輕度遮陰(透光率72.3%)一般有利于幼苗生長(馬小英和焦根林,2008;劉金熾等,2020),但不同光質對其生長的影響尚不清楚。光質影響植株的形態建成、光合生理和物質代謝等過程。紅光和藍光可被光合色素更有效地吸收,紅光促進莖增長、提高葉面積,促進植株地上部分質量增加和碳水化合物的合成;藍光促進氣孔的開放和根系增長,調控葉綠素的合成(嚴宗山等,2020);綠光可以誘導植物葉柄伸長的避蔭應答(吳艷等,2020)和PEPC基因的表達(王婷婷等,2021);紫光能夠延緩植株衰老,提高氮代謝相關酶活性,促進氮素吸收(劉玉兵等,2020)。為探討山白蘭對光質和光周期的響應,本研究以一年生山白蘭為對象,以發光二極管(light-emitting diode,LED)為人工光源,設置紅藍復合光(8R1B、6R1B)、紅藍紫綠復合光(8R1B1P1G、6R1B1P1G)以及兩個光周期(12、16 h·d-1),分析山白蘭苗木生長特點、光合色素和內源激素的變化及其相關性,探討其對不同光質、光周期的響應,為利用人工光源進一步優化容器育苗、組培快繁技術提供依據,對于開展山白蘭光環境適應性、更新機制的研究具有重要的參考價值。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為廣西良鳳江國家森林公園(108°21′ E、22°40′ N)提供的生長健康、長勢均勻的一年生山白蘭幼苗 [平均株高(20.16 ± 1.86) cm、平均地徑(7.05 ± 0.23) mm],移植于直徑10 cm、高15 cm的育苗杯中,每杯中定植1株,置于苗圃大棚內培養,苗木培養基質為70%森林土+20%椰糠+10%珍珠巖。LED燈管(T5 2835L,深圳偉信力光電有限公司)規格為1 200 mm×24 mm,每根燈管功率為16 W,光質配比由燈珠數量決定。

1.2 設計

2017年4月10日—9月10日在廣西大學林學院苗圃示范基地(108°22′ E、22°48′ N)進行試驗。鑒于610～720 nm和400～510 nm為植物吸收可見光的主要波段,而較少集中于510～610 nm(周錦業,2013),光照環境處理設白光(W)為對照,紅藍復合光(8R1B、6R1B)、紅藍紫綠復合光(8R1B1P1G、6R1B1P1G)與12、16 h·d-1光周期(光期/暗期分別為12 h/12 h、16 h/8 h)兩兩組合,不同光質配比是基于Xu等(2020)的研究確定,共10個處理,具體設計見表1,設置3個重復,每個重復10株苗木。全鋼架結構人工培養棚內設有可調節的人工光源,每個處理設2個燈管,燈管垂直高度為75～85 cm(可調節,具體高度以光照強度相同時為宜),光照強度為(350±10) μmol·m-2·s-1(利用MQ-500 手持式光量子測量儀測定計算,Apogee Instruments 公司,美國),設遮光材料于不同處理之間避免光源彼此干擾。光周期采用定時器調控,12、16 h·d-1光周期光照時間分別為7:00—19:00、5:00—21:00。育苗期間進行常規苗期管理,每隔兩天通風1次(20:00—23:00)。

表1 不同LED光處理設計配比與參數Table 1 Design ratios and parameters of different LED light treatments

1.3 測定指標和方法

1.3.1 生長、生物量指標測定 植株苗高采用0.1 cm精度直尺測定,地徑采用0.02 mm精度游標卡尺測定。苗高、地徑增長量為最終值(2017年9月10日測得)與初始值(2017年4月10日測得)的差值。葉面積采用YMJ-B便攜式葉面積儀(河南云飛科技有限公司,中國)測定生長中等水平的完全展開葉。2017年9月選取3株平均木進行植株總鮮重測定,殺青烘干至恒重后用電子天平進行稱量,測得根、莖、葉等器官的干重和苗木總干重。苗木質量指數(seedling quality index,SQI)計算公式如下:

SQI=苗木總干重/[(苗高最終值/地徑最終值)+(莖干重/根干重)]。

1.3.2 葉綠素、內源激素測定 每個重復隨機選2株苗木,從各個部位采集不同成熟程度的葉片,將其混合后用以測定生理指標。葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的含量參照邱念偉等(2016)的方法:稱取1 g樣品,采用80%丙酮∶乙醇=2∶1的混合液提取葉綠素,放置黑暗中24 h后采用分光光度計分別在波長470、649、665 nm下測定吸光值,根據相關公式計算色素含量。

稱取0.5 g混合樣品,液氮磨粉后,加入2 mL含50 mg聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone,PVP)的80%甲醇進行提取,弱光冰浴研磨后,轉入10 mL離心管置4 ℃下提取12 h后離心(8 000 r·min-1,20 min),C-18萃取后采用酶聯免疫法(enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)測定植物生長素(indoleacetic acid,IAA)、赤霉素(gibberellins,GA3)、玉米素(zeatin riboside,ZR)、脫落酸(abscisic acid,ABA)的含量,并計算相關內源激素比值,試劑盒購自南京建成科技有限公司。

1.3.3 數據處理 光質、光周期不僅單獨影響山白蘭苗木質量,而且彼此之間存在交互作用。因此,采用模糊數學的隸屬函數法,綜合評價不同光質和光周期處理的培育效果。隸屬函數計算公式如下:

隸屬值U(Xi)=(Xi-Ximin)/(Ximax-Ximin)。

式中:Xi為指標測定值;Ximax和Ximin為所有處理中某項指標的最大值和最小值。

若某指標與苗木生長呈負相關,該指標隸屬值通過反隸屬函數計算,計算各個處理下不同指標的隸屬值平均值,平均值越大表明苗木培育效果越好(張樂華等,2014)。反隸屬值計算公式如下:

反隸屬值U(Xi)=1-(Xi-Ximin)/(Ximax-Ximin)。

通過Microsoft Excel 2016軟件對試驗所得數據進行整理,利用IBM SPSS Statistics 26.0軟件進行數據統計與分析(雙因素方差分析、差異顯著性檢驗以及Pearson相關系數計算),使用Origin 2021軟件進行圖表繪制,圖表中數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 光質和光周期對山白蘭苗木生長指標的影響

光質、光周期及其交互作用對苗高增長量、葉面積和總鮮重影響極顯著(P<0.01),但光周期及其交互作用未對地徑增長量產生明顯影響(表2)。由圖1可知,同一光質處理下,16 h·d-1光周期下,山白蘭苗木的總干重和苗木質量指數均比12 h·d-1光周期大。16 h·d-1光周期下,8R1B處理下的苗高增長量顯著高于其他光質處理,葉面積和植株重量與6R1B處理在一個較高的水準,顯著大于W和6R1B1P1G處理;8R1B1P1G處理下的苗高增長量、地徑增長量、葉面積、植株重量和苗木質量指數較6R1B1P1G處理高。其中,16×8R1B處理下的苗高增長量、葉面積和苗木質量指數最大,分別為21.84 cm、158.39 cm2和2.43,總鮮重(59.88 g)和總干重(13.14 g)則在16×6R1B處理下達到最大。

不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著(P<0.05)。下同。Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P<0.05). The same below.圖1 不同光質及光周期下山白蘭苗生長變化Fig. 1 Changes of growth of Michelia baillonii seedlings under different light qualities and photoperiods

表2 不同光質和光周期下山白蘭苗生長指標的雙因素方差分析Table 2 Two-way ANOVA analysis on growth indexes of Michelia baillonii seedlings under different light qualities and photoperiods

2.2 光質和光周期對山白蘭苗木光合色素含量的影響

光質及其交互作用對山白蘭葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a/b和類胡蘿卜素的影響顯著(P<0.05),光周期對葉綠素a影響極顯著(P<0.01)(表3)。由圖2可知,同一光質處理下,16 h·d-1光周期下的山白蘭苗木葉綠素a總體高于12 h·d-1光周期下的。16 h·d-1光周期下, 8R1B和6R1B為較有利于山白蘭合成葉綠素a和類胡蘿卜素的光質,8R1B處理下的葉綠素a/b顯著高于W、6R1B1P1G和8R1B1P1G處理的。8R1B1P1G處理下的葉綠素a、類胡蘿卜素和葉綠素a/b均較6R1B1P1G處理下的高。其中,16×8R1B處理下的葉綠素a、類胡蘿卜素和葉綠素a/b最大,分別為3.88、0.48 mg·g-1和2.32,葉綠素b(3.23 mg·g-1)在16×6R1B1P1G處理下達到最大。

表3 不同光質和光周期下山白蘭苗光合色素含量的雙因素方差分析Table 3 Two-way ANOVA analysis on photosynthetic pigment contents of Michelia baillonii seedlings under different light qualities and photoperiods

Chl a. 葉綠素a; Chl b. 葉綠素b; Chl a+b. 葉綠素a+b; Chl a/b. 葉綠素a/b。下同。Chl a. Chlorophyll a; Chl b. Chlorophyll b; Chl a+b. Chlorophyll a+b; Chl a/b. Chlorophyll a/b. The same below.圖2 不同光質及光周期下山白蘭苗光合色素變化Fig. 2 Changes of photosynthetic pigment of Michelia baillonii seedlings under different light qualities and photoperiods

2.3 光質和光周期對山白蘭苗木內源激素含量的影響

光質、光周期及其交互作用對ZR、ABA以及(IAA+GA3+ZR)/ABA影響極顯著(P<0.01),光質對GA3和IAA / ABA影響顯著(P<0.05),光周期對IAA和IAA/ABA影響極顯著(P<0.01)(表4)。由圖3可知,同一光質處理下,16 h·d-1光周期下山白蘭苗木具有較高的IAA、ZR、內源激素比值和較低的ABA。16 h·d-1光周期下,8R1B1P1G處理下所有內源激素類指標較6R1B1P1G均有不同程度的提升,8R1B處理下ZR顯著高于6R1B。其中,16×6R1B處理下的IAA、IAA/ABA和(IAA+GA3+ZR)/ABA最大,分別為67.19 ng·g-1、1.43和1.75,16×8R1B1P1G處理下GA3最高,為10.95 ng·g-1,ZR(6.94 ng·g-1)和ABA(45.07 ng·g-1)在16×8R1B下分別達到最大值和最小值。

圖3 不同光周期和光質下山白蘭苗內源激素的變化Fig. 3 Changes of endogenous hormone of Michelia baillonii seedlings under different light qualities and photoperiods

表4 不同光質和光周期下山白蘭苗內源激素含量的雙因素方差分析Table 4 Two-way ANOVA analysis on endogenous hormone contents of Michelia baillonii seedlings under different light qualities and photoperiods

2.4 山白蘭苗木指標相關性分析及綜合評價

使用Pearson相關系數,對不同光環境下各生長和生理指標進行關聯性特征比較,由圖4可知,除苗高增長量、葉面積和植株重量與葉綠素a+b以外,所有生理指標均顯著相關,而地徑增長量與光合色素和內源激素的相關性較弱。苗高增長量與ZR、IAA/ABA、(IAA+GA3+ZR)/ABA的相關系數較高(r>0.80),葉面積和植株重量與IAA/ABA、(IAA+GA3+ZR)/ABA也存在較高的相關系數(r>0.75),同時植株重量與葉綠素b(|r|>0.75),苗高增長量、葉面積與ABA(|r|>0.82)之間呈顯著負相關。

右側刻度為相關系數(r)。Scale on the right side is the correlation coefficient (r).圖4 山白蘭苗木生長指標與葉綠素和內源激素相關性分析 Fig. 4 Correlation analysis between growth indexes and chlorophyll and endogenous hormone of Michelia baillonii seedlings

由于單個指標無法全面反映苗木的生長狀況,因此文中在分析各個指標相關性的基礎上,采用隸屬值來反映苗木各部分之間的協調與平衡關系(張樂華等,2014;姚甲寶等,2019),本研究從16個指標中,選出苗高和地徑增長量、葉面積、總干重以及光合色素和內源激素等11個指標對不同光環境的培育效果進行綜合評價,以選出最有利于促進山白蘭苗木生長的光環境。由表5可知,隸屬值最高的處理是16×8R1B,說明該光環境下山白蘭苗木各生理指標平衡,生長明顯優于對照處理,表明高比例紅光和較長光周期有利于促進山白蘭苗木生長發育,而紫、綠光的添加無顯著影響。

表5 光質和光周期處理山白蘭苗木的指標隸屬函數分析(截取綜合排名前6的處理)Table 5 Membership function analysis of indexes of Michelia baillonii seedlings treated with different light qualities and photoperiods (treatments of the overall Top 6 treatments are selected)

3 討論

3.1 山白蘭苗木生長、生物量對光質和光周期的響應

植物主要通過紅/遠紅光受體、藍光/近紫外光受體、紫外光受體等來感知光信號,對生長發育、生理代謝進行調節(Su et al., 2014; Ouzounis et al., 2015; Manivannan et al., 2015)。當光周期為16 h·d-1時,8R1B光質處理下的苗高增長量、葉面積、苗木質量指數顯著高于8R1B1P1G;較6R1B11P1G處理,6R1B處理下苗高增長量、葉面積、植株重量和苗木質量指數更高,可見,紅藍組合光更有利于山白蘭苗木的生長,這可能是由于山白蘭幼苗對紫光、綠光的需求量小,而紅光與葉綠素(640～663 nm)、光敏色素(600～700 nm)的最大吸收波長接近,參與調節植物光合機構運營和同化物運輸(Appelgren, 1991; Baroli et al., 2008),藍光可調控植物氣孔開放(Christie, 2007; Gruszecki et al., 2010)。同時,高比例的紅光更有利于山白蘭苗高的增長和生物量的累積,而隨著藍光比例的增加,其苗高增長量與葉面積減小,這與桑樹幼苗(胡舉偉等,2018)、紅樹莓(郭芳等,2016)和香果樹(肖志鵬等,2020)對光質的響應相似。而紅藍組合光中紫綠光質的添加對山白蘭生長影響不大,這可能與植物對光質的響應具有一定的物種特性有關,吳芳蘭等(2022)在研究光環境對另一個木蘭科樹種香梓楠幼苗生長時也發現類似規律。光周期能夠誘導、調控并促進營養生長相關基因的表達,姚寧等(2022)研究發現延長光周期可提高櫟屬植物的相對生長速率。本研究結果表明,光質一定時,延長光周期(16 h·d-1)可提高山白蘭的苗高增長量、葉面積及總干重,這是由于植物合成與分配光合作用同化物的時長受光周期的影響(Dong et al., 2016),山白蘭進行光合作用的時間隨著光周期的延長而增加,表現為足量的有機物得以合成,生長發育和生物量累積加快,但山白蘭地徑增長量對光周期響應不顯著,說明山白蘭光合作用制造的同化物在苗期時很大程度消耗在株高和葉片的生長上。

3.2 山白蘭苗木光合色素含量對光質和光周期的響應

光合色素通過吸收、傳遞光能促進植株生長發育,主要包括葉綠素和類胡蘿卜素,其合成受外界光環境影響顯著(邢阿寶等,2018),而植物對光能的利用程度可以通過葉綠素a/b來表現。光周期為16 h·d-1時,8R1B較8R1B1P1G、6R1B較6R1B1P1G的葉綠素a/b更高,可見山白蘭對紅藍光質光能的利用程度更高。同時,高比例的紅光有利于山白蘭葉綠素a、類胡蘿卜素含量的提升,隨著藍光比例的增大,植株葉綠素b含量增加,而楓香幼苗(王冬雪等,2019)表現出與山白蘭相反的趨勢,這可能是物種差異對不同光譜組合適應性差異的體現。復合光質對植物的作用機理并不是單純疊加,12×8R1B1P1G、16×6R1B1P1G處理下的葉綠素b含量顯著高于12×8R1B和16×6R1B,表明植物葉綠素受光質加性效應的影響,該效應隨著光質種類的豐富更加突出,紫綠光質能夠延緩山白蘭葉片葉綠素b的降解從而增加其含量,轉基因741楊葉片(張文林等,2016)同樣發現加性效應的存在。此外,光質一定時,光周期的延長有利于山白蘭葉綠素a含量的提升,適宜的光周期有利于山白蘭提高光合色素含量和光能利用能力。

3.3 山白蘭苗木內源激素對光質和光周期的響應

光環境能通過影響植物體內內源激素含量的高低和平衡(韓東花等,2021)來調控植株生長發育(王海波等,2017)。ABA具有促進植物衰老的作用,而IAA、GA3、ZR能夠延緩衰老(Jibran et al., 2013),IAA/ABA和(IAA+GA3+ZR)/ABA的變化可以作為調控衰老過程的重要生理信號(Ohashi-Kaneko et al., 2007)。光周期為16 h·d-1時,8R1B1P1G處理下山白蘭IAA、GA3的含量、IAA/ABA和(IAA+GA3+ZR)/ABA的比值顯著高于 6R1B1P1G,8R1B處理下ZR含量顯著高于 6R1B。可見光周期一定時,高紅光比例的復合光更有利于山白蘭葉片促生類激素的合成,這是由于紅光能夠利用光敏色素調控促生類激素合成酶的活性,而藍光對吲哚乙酸(IAA)氧化酶的活性有促進作用,在觀光木(劉濤等,2022)和桑樹(胡舉偉等,2018)對光質的響應中也發現類似規律。光質一定時,16 h·d-1光周期下山白蘭IAA、ZR的含量、 IAA/ABA和 (IAA+GA3+ZR)/ABA的比值較12 h·d-1提升明顯,光周期的延長有利于山白蘭的促生類激素含量的提高,可能是由于綠色植物的主要光受體PHYB(樊文娜等,2014)通過光周期來調控內源激素合成和平衡。

3.4 山白蘭苗木對光環境響應的綜合評價

植物對外界環境的適應能力無法通過單一指標來體現,研究中常通過苗木的隸屬值進行綜合評價(汪叢嘯等,2022)。本研究中,16×8R1B處理下山白蘭苗木的隸屬值(0.908)和苗木質量指數(2.43)最高,該處理下的山白蘭苗木苗高增長量(21.84 cm)與葉面積(158.39 cm2)最高,同時具有最高的ZR(6.94 ng·g-1)和最低的ABA(45.07 ng·g-1)含量,可見通過選擇合適的光周期和光質,可以改善山白蘭苗木內源激素水平,促進苗期山白蘭的生長發育,提升苗木品質。同時,苗高增長量、葉面積和植株重量與葉綠素a、類胡蘿卜素、IAA、GA3、ZR的含量、葉綠素a/b、IAA/ABA和(IAA+GA3+ZR)/ABA的比值間均存在顯著正相關,說明葉綠素、類胡蘿卜素和內源激素與山白蘭苗木生長關系密切,光周期和光質可以直接影響山白蘭苗木的光合色素和內源激素,從而對苗木生長進行調控,但具體作用機制有待進一步研究。

4 結論

不同光質和光周期通過對山白蘭幼苗光合色素和內源激素的影響,調控其苗木生長,苗高增長量、葉面積和植株重量與葉綠素a、類胡蘿卜素、IAA、GA3、ZR的含量、葉綠素a/b、IAA/ABA和(IAA+GA3+ZR)/ABA的比值間均存在顯著正相關。高紅光比例的紅藍復合光源和延長光周期有利于山白蘭的生長發育,而紅藍紫綠復合光對促進其生長無顯著影響。因此,16 h·d-1×8R1B處理是山白蘭苗木培育較為適宜的光環境,該處理下山白蘭幼苗光合色素、內源激素的含量均保持在較高水平,有利于改良山白蘭幼苗品質。