金葉銀杏葉表型及光合特征對遮陰的響應

關鍵詞：金葉銀杏；遮陰；細胞結構；葉綠素熒光

中圖分類號：S664.3 文獻標志碼：A 文章編號：1003—8981（2024）03—0177—11

光照是影響植物生長的重要環境因子，不僅為植物進行光合作用提供能量，還對植物的生長發育和形態建成有重要影響[1-3]。強光對植物生長，尤其是幼苗生長有抑制作用，適當遮陰會促進植物生長[4-5]。楊禮旦等[6] 對粗壯女貞Ligustrumrobustum 的研究結果表明，葉片在全光照下常出現皺紋、卷曲并向中間閉合等現象，在遮陰條件下葉片生長良好。適當遮陰也能夠促進金蓮花Trollius chinensis 的生長發育，株高、葉片數量、葉面積等指標增大[7]。遮陰對植物的葉片結構也有明顯的影響，遮陰處理下柵欄組織細胞變短，柵欄組織和葉片上下表皮厚度均減小[8-9]。遮陰對‘紅葉’南天竹Nandina domestica ‘Hongye’ 葉片色素含量及比例的影響明顯，葉片呈色與光合色素合成有關，色素是決定其葉色變化的直接因素[10-11]。植物通過調整葉綠素含量來適應光照環境的變化：強光下，植物通過降低葉綠素含量來減少葉片對光能的吸收，從而降低強光對葉片的傷害；弱光下，植物通過升高光合色素含量來提高光能利用效率，以適應弱光環境，促進苗木生長發育[12-13]。葉綠素熒光是研究植物光合變化及其對外界環境脅迫響應的重要參數，能直接反映不同環境下植物的光能分配、光合結構與功能等[14]。

銀杏Ginkgo biloba 為我國特有的孑遺樹種，集食用、藥用、材用和觀賞等價值于一身[15]。金葉銀杏G. biloba ‘Golden leaves’ 為銀杏的芽變品系，其生活習性與普通銀杏相近，同時具有較高的觀賞價值[16]。金葉銀杏葉片在4 月萌芽時呈鮮明的金黃色，6 月后逐漸轉綠，10 月后再轉至黃色[17]。目前，已有關于金葉銀杏葉面積和含水量的年動態變化[18]、葉色參數及色素含量的變化[19-20]以及光合生理特性[21] 等方面的研究報道，初步明確其呈色機制及表型對外界環境的響應[16，18-20]。然而，有關金葉銀杏對光照適應性方面的研究鮮見報道，尚不清楚其對遮陰的響應特征。本研究中以4 年生金葉銀杏實生苗為試驗材料，人工設置了4 種遮陰強度，通過測定金葉銀杏葉片表型指標及光合相關參數，探索適宜的光照環境，明確金葉銀杏與光強間的效應，旨在為完善金葉銀杏的人工栽培技術提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于南京林業大學校內。南京（118°22′～119°14′E，31°14′ ～ 32°37′N） 的年平均溫度為15.7 ℃，年降水量1 106.5 mm，屬亞熱帶季風氣候。

1.2 材 料

試驗材料為5 年生金葉品系（Y）和綠葉品系（G）銀杏實生苗，2 個品系為同株金葉銀杏母樹上的種子分化而來。實生苗的平均株高為150.4 cm，地徑為2.88 cm。單株栽植于上口徑28 cm、下口徑22 cm、深度31 cm 的塑料加侖盆中。栽培基質為常規有機營養土，有機質含量不小于50%，腐殖酸含量高（氮、磷、鉀含量均不小于2.5%）。

1.3 試驗設計

利用不同針數的黑色遮陰網設置4 個遮陰處理：CK（自然光）、L1（30% 遮陰率）、L2（50%遮陰率）、L3（70% 遮陰率），并用光量子計（3415，Spectrum，美國）驗證。采用單因素隨機區組設計，每處理12 盆，共48 盆。試驗從5 月初開始，至6月底結束，試驗結束后采樣，用于測定各項指標，試驗期間定期進行常規水肥管理。

1.4 指標測定

1.4.1 葉片表型及解剖結構

用葉面積測量儀（YMJ-D，托普云農，中國）測量葉長、葉寬、葉柄長及葉面積，每處理在植株中部以上隨機選擇9 片成熟葉，每片葉重復測量3 次。采用石蠟切片法（切片厚度為5 μm，中性樹膠封片），制成葉片解剖結構永久玻片，在光學顯微鏡（BX53，Olympus，日本）下，每處理隨機選取15 個清晰的視野進行觀測，測量葉片的柵欄組織厚度、海綿組織厚度、上表皮厚度、下表皮厚度及葉片總厚度。

1.4.2 葉色參數

每處理在植株中部以上隨機選擇5 片成熟葉，使用X-Rite 色差儀（TsD010，愛色麗，美國）測定葉色參數，每片葉重復測定3 次，共15 個生物學重復，測定參數包括明度屬性L^*、紅綠屬性a^*、黃藍屬性b^*。

1.4.3 色素含量

將葉片剪成寬約1 mm 的長條，稱取0.1 g 置于指形管，加入10 mL 的95% 乙醇溶液，置于黑暗處48 h。待葉片完全變白后，用分光光度計（UVmini-1240 型，島津，日本）測定其在665、649、470 nm 波長下的吸光值，計算葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素及類胡蘿卜素的質量分數，每個處理9 次重復。

1.4.4 光合參數和熒光參數

8：30—11：30，選取植株上部成熟健康的葉片，使用便攜式光合儀（Li-6400XT，LI-COR，美國）測定凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間CO摩爾分數。測定光合參數的同時，使用植物效率分析儀（Handy PEA，科隆，英國）測定葉綠素熒光參數，每處理9 次重復。

1.5 數據處理

使用Excel 2016 軟件整理數據， 使用SPSSStatistics 26.0 軟件進行統計學分析處理，包括各性狀差異性分析、相關性分析和主成分分析，并用Origin 2021 軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 遮陰處理對葉片表型的影響

相同遮陰處理下，綠葉品系葉片表型值大于金葉品系（表1）。金葉品系中，葉柄長在不同遮陰處理下無顯著差異，葉長、葉寬、葉面積均呈極顯著差異性（P ＜ 0.01），隨著遮陰強度增加，值逐漸增大，在L3 處理達最大值，其中L1 與L2這2 組處理的差異不顯著。綠葉品系中，葉長、葉寬、葉柄長和葉面積均呈顯著差異（P ＜ 0.05），在CK 條件下最大。

2.2 遮陰處理對葉片解剖結構的影響

金葉品系中，葉片厚度呈極顯著差異（P ＜0.01），柵欄組織厚度和海綿組織厚度呈顯著差異（P ＜ 0.05），均隨遮陰強度增加而增加，在L3 處理下達最大值；下表皮厚度也呈顯著性差異（P ＜ 0.05），但無明顯規律變化。綠葉品系中，葉片厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度均呈極顯著差異（P ＜ 0.01），上表皮厚度呈顯著差異（P ＜ 0.05），隨遮陰強度增加均呈先升后降的趨勢，在L2 處理下達最大值（表2）。

2.3 遮陰處理對葉色參數的影響

CIE Lab表色系統由國際照明委員會推出，其中：L^* 值表示光澤明亮度；a^* 值表示紅綠屬性，正值越大則紅色越深，負值越小則綠色越深；b*的正值表示黃色程度，負值表示藍色程度[22]。金葉品系葉片的L^* 值和b^* 值在相同遮陰強度下均大于綠葉品系，且在CK 條件下，金葉品系葉片的L^* 值和b^* 值分別是綠葉品系的1.34、1.56 倍；2個品系的L^* 值、a^* 值和b* 值在均CK 條件下最大（圖1）。金葉品系葉片L^* 值和b* 值隨著遮陰強度增大逐漸減小，a^* 值呈先降后升趨勢；綠葉品系葉片的L^* 值、a^* 值和b^* 值均隨著遮陰強度增大逐漸減小。

2.4 遮陰處理對葉片色素含量的影響

任何遮陰處理下，綠葉品系葉片的葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素的含量均顯著高于金葉品系，2 個品系葉片的色素含量隨遮陰強度增加先提高后下降（圖2）。在L2 處理下，金葉品系葉片的葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素含量比CK 分別提高了58.3%、88.5%、62.6% 和34.3%，綠葉品系分別提高了24.1%、25.7%、24.5% 和13.3%。2 個品系中，類胡蘿卜素與總葉綠素的含量比值均先降后升；葉綠素a與葉綠素b 的含量比值隨遮陰強度增加逐漸降低。

2.5 遮陰處理對光合參數的影響

金葉品系和綠葉品系中，凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度均在CK條件下最大。在CK條件下，綠葉品系的凈光合速率和氣孔導度高于金葉品系，蒸騰速率低于金葉品系，這3 個指標值均隨遮陰強度增加逐漸下降；胞間CO摩爾分數呈先升后降的趨勢（圖3）。說明遮陰導致凈光合速率下降，而胞間CO 摩爾分數隨遮陰強度增加而遞增，在L3 處理條件下降低，推測是由于弱光脅迫下葉片發育較弱。

2.7 金葉銀杏葉色參數與色素含量的相關性

由表3 可知，金葉銀杏葉片的L^* 值與a^* 值均與葉綠素含量和類胡蘿卜素含量呈極顯著負相關，b^* 值與葉綠素b 含量和類胡蘿卜素含量呈顯著負相關，即色素含量越高，葉片亮度和黃色程度越低，綠色程度越高。進一步分析發現，b* 值與類胡蘿卜素和總葉綠素的含量比值顯著正相關，L^* 值、a^* 值則是極顯著正相關，說明類胡蘿卜素和總葉綠素的含量比值越低，葉片亮度和黃色程度越低，綠色程度越高，葉片整體呈現綠色，相反則呈現黃色。

2.8 遮陰處理對金葉銀杏核心評價指標影響的綜合評價

金葉銀杏作為良好的藥用植物，其選育的最終目標是盡可能多提供藥用物質，葉片的生物量、形態和藥用物質含量是評價葉用樹種藥用價值的重要依據。根據相關性分析的結果及藥用選育目標，共選擇7 個指標作為核心評價指標進行主成分分析，結果見表4。其中3 個主成分的貢獻率分別為39.241%、32.934%、19.685%， 而3 個主成分的累計貢獻率達91.860%。

通過計算其3個主成分得分，并根據所選主成分的方差貢獻率對主成分得分進行加權平均，結果見表5。由表5 可以看出：綠葉品系在L1（30%遮光率）處理下生長效果最佳，綜合得分排第1位；金葉品系在L2（50% 遮光率）處理下生長效果最佳，綜合得分排第3 位。

3 結論與討論

光照過強會導致植物出現光抑制，過弱的光環境不利于植物生長發育。本研究中發現，在適度遮陰條件下，銀杏會通過擴大葉面積，增加葉片厚度和海綿組織厚度，以及提高色素含量等多種生長策略來提高光能利用效率，從而適應弱光環境，促進養分的吸收積累和苗木的生長。根據主成分分析結果，可以看出金葉品系在50% 遮光率條件下生長效果最佳，綠葉品系在30% 遮光率時生長效果最優。在實際生產過程中，可通過使用適當遮陰強度的遮陰網，營造更適合銀杏幼樹生長的光照環境。

葉片表型的變化是植物對外部環境響應的結果，植物會通過改變自身形態來適應其生存的光環境[22-23]。蔡錫安等[24] 對梅葉冬青Ilex asprella進行遮陰處理，發現葉長、葉寬和葉面積均明顯增大。本研究中，隨著遮陰強度的增加，葉長、葉寬以及葉面積均表現出增長的趨勢，在70% 遮陰率下達到最大值，這說明在弱光條件下，植物會通過增加葉面積而爭取更多光照，來保證其正常生長，這與張培等[25]、Cardillo 等[26]、楊瑀鑫[27]的研究結果一致。

葉肉是植物葉片內最發達和最重要的細胞組織，是植物進行光合作用的場所，也是對外環境十分敏感的葉內組織。當外界光照較強時，植物葉片厚度增加，表皮結構和柵欄組織發達；葉片變薄、海綿組織疏松是葉片對弱光的適應特性，能提高其對光的利用能力[28-29]。本研究中金葉品系的葉片厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度隨遮陰強度的增加逐漸增大，綠葉品系呈現先升后降的趨勢，說明在一定弱光條件下，發達的柵欄組織和海綿組織更有利于其對弱光環境的適應[30]，這與薛黎等[31] 的研究結果基本一致。

植物葉片的呈色受本身基因和環境因素的共同影響，一般通過改變色素的種類、含量及分布區域來控制葉色變化，葉綠素使植物葉片呈綠色，類胡蘿卜素使植物葉片呈黃色[32-33]。本研究中，隨著遮陰強度增加，類胡蘿卜素與總葉綠素的含量比值逐漸降低，說明隨著遮陰強度增加，葉片綠色屬性逐漸增加，與朱倩玉等[34] 的研究結果一致。楊露等[35] 研究了遮陰對風箱果Physocarpusopulifolius 的影響， 結果表明： 紫葉風箱果P. opulifolius ‘Summer Wine’ 的葉色參數a^* 值隨遮陰度的增加而逐漸降低，尤其在80% 遮陰處理下達到負值，葉片呈綠色；在80% 遮陰處理下，金葉風箱果P. opulifolius ‘Lutein’ 的L^* 值和b^* 值遠低于對照組，說明遮陰使葉片亮度降低，黃色逐漸褪去。本研究中，遮陰條件下銀杏金葉品系和綠葉品系的L^* 值、a^* 值和b^* 值均小于CK 處理，說明遮陰處理導致葉片亮度和黃色屬性降低，綠色屬性增加，葉片逐漸變綠，這與黃亞麗等[11]對華金葉榆Ulmus pumila ‘Jinye’的研究結果相似。

葉綠素是光合作用中光能吸收、傳遞和轉化的物質基礎，植物利用葉綠體中的光合色素將光能轉化為生長所需的能量，光合色素的含量在一定程度上直接影響植物的光合效率[36-37]。在一定的弱光脅迫下，植物可通過提高類胡蘿卜素的含量，增加對可見光的吸收，把光能傳遞給葉綠素，從而提高光合速率，促進光吸收和光保護，葉綠素b 主要吸收藍紫光，其含量的增加有助于植物在弱光環境下捕獲更多的光能，提高植物對弱光環境的適應性[38-39]。張琰等[40] 經研究發現，隨著遮陰強度增加，雞爪槭Acer palmatum 的葉綠素和類胡蘿卜素含量逐漸上升，當光照強度過低時，則下降，這與本研究結果一致。葉綠素a 與葉綠素b 的含量比值較小的植物具有較強的耐陰性[24]，說明綠葉品系較金葉品系更耐陰；隨著遮陰程度的提高，葉綠素a 與葉綠素b 的含量比值下降，這與黃亞麗等[11]、楊露等[35] 的研究結果一致。

凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO 摩爾分數是用來評判植物光合作用強度的基本指標，可反映植物對外界環境的適應能力[41]。本研究中發現，隨著遮陰強度增加，凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度呈降低趨勢，這與對苧麻Boehmeria nivea[42] 和花生Arachis hypogaea[43] 的研究結果一致。一般來說，氣孔限制和非氣孔限制均會降低植物的光合能力[44]。在本研究中，遮陰降低了葉片的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度，但增加了胞間CO 摩爾分數，表明遮陰脅迫通過非氣孔限制降低了葉片的光合能力，這與對大麥Hordeum vulgare[45] 的研究結果相似。

植物在生長過程中受多種環境因子的影響，僅研究遮陰（光照強度）對金葉銀杏生長的影響，有一定的局限性，不能全面反映適合金葉銀杏生長的環境。在未來的研究中，可進行雙因素或多因素綜合分析評價，如遮陰與溫度、土壤水分、施肥等的互作，也可以進一步從分子水平深入研究其響應遮陰的機制。