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光是植物进行光合作用的重要因素之一,对植物的生长发育及形态建成具有重要影响[1]。长期庇荫必然影响阳性植物的生长发育,但适度遮光则有利于阴性植物的更新繁育和进展演替。在不同的光环境下,植物往往会在形态结构、生长发育、光合作用、生理生化和形态解剖等方面发生相应的可塑性改变,以维持其正常的生命活动[2]。叶片可塑性的大小是衡量植物对异质环境适应能力的重要指标,叶片可塑性常与植物对环境具有高的潜在适应能力紧密联系[3]。因此,研究遮光条件下植物生理特点和解剖结构的变化,可以反映某种特定植物对光照强度的反应,进而推断其对庇荫环境的忍耐性,这对于指导农林业生产,提高种苗繁育的成活率和保存率,改进生产管理措施具有重要意义。连香树Cercidiphyllum japonicum是连香树科Cercidiphyllaceae连香树属Cercidiphyllum植物,中国特有第三纪孑遗单科属植物。该种雌雄异株,结实较少,天然更新困难,资源稀少,已濒临灭绝状态,因此被列入国家Ⅱ级重点保护野生植物种[4-5]。在中国,连香树分布于山西西南部、河南、陕西、甘肃、安徽、浙江、江西、湖北及四川等地[6],但多零星分布,成片资源很少。近年来,由于大规模旅游开发和人为干扰的影响,中国连香树资源趋于萎缩,亟待采取人为措施予以保护。目前,连香树自然结实率低,天然更新困难,林下幼树极少,种群的挽救和保护依然存在一定困难。有关连香树的生物学特性已有一定文献报道,但多集中在形态解剖[7]、种群结构[8]、种子萌发[9]及群落遗传[10]等方面。与种群更新和保育紧密相关的需光性及耐荫性研究较少。本研究以2年生实生苗为研究对象,通过人为遮光创造不同梯度的光环境,分析夏季遮光条件下连香树幼苗生理生态参数和叶片超微结构的变化,旨在为连香树种苗培育和野生种群的更新保护提供一定的参考。
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从表1和图1可见:遮光对连香树幼苗的叶片发育有显著影响。遮光与全光照相比,其SLA有显著差异(P<0.05),表现为遮光后个体SLA显著增大,尤以L3处理的SLA最大(34.88 cm2),为全光下SLA的2.024倍,L1和L2处理的SLA与全光下相比也有显著差异(P<0.05)。全光下单叶鲜质量(mSLWf)与L1、L2差异不显著(P>0.05)。单叶干质量(mSLWd)也呈现类似的变化。从叶片含水量(CLWC)的变化来看,随着遮光强度的增强,叶片CLWC显著增加(P<0.05),这可能与遮光后林内气温下降、相对湿度适量增加有关。
处理 单叶面积(SLA)/cm2 单叶鲜质量(mSLWf)/g 单叶干质量(mSLWd)/g 叶片含水量(CLWC)/% 比叶重(mLMA)/(g·dm−2) 比叶面积(SLAM)/(dm2·g−2) L0 17.26±5.31 b 0.36±0.11 a 0.14±0.04 a 159.27±6.46 c 0.81±0.19 a 1.27±0.27 b L1 29.65±6.03 a 0.45±0.15 a 0.16±0.06 a 190.97±18.52 b 0.52±0.09 b 1.96±0.38 a L2 28.36±3.93 a 0.41±0.02 a 0.13±0.01 a 210.45±19.29 a 0.47±0.04 b 2.14±0.17 a L3 34.88±3.11 a 0.45±0.08 a 0.14±0.03 a 221.22±7.38 a 0.40±0.05 b 2.55±0.38 a 说明:数据为平均值±标准差,同列不同字母表示差异显著(P<0.05) Table 1. Changes of leaf water content and morphology indexes of C. japonicum leaves under different shading treatments
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比叶重(mLMA)为单位面积叶干质量,反映了叶片干物质积累的多少[14]。从表1可见:遮光对mLMA和SLAM的影响较大,表现为随着遮光强度的增强mLMA日趋减小,而SLAM则日渐增大,呈现出显著差异(P<0.05)。遮光引起幼苗SLA和mSLWd的改变,进而导致了mLMA和SLAM的显著变化。
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全光和遮光处理下Pn呈现出不同的变化特征(图2A)。比较而言,全光下Pn变化呈现不对称的“几”字形,12:00之前处于高位变化,而且最大值出现在14:00,14:00后急剧下降;L1处理下Pn的变化与L0类似,但其变化较为缓和,峰值出现在12:00;L2和L3处理下Pn则呈现近对称的“几”形变化。由于遮光的影响,林内光合辐射下降,12:00时 Pn最大值仅为全光下0.61和0.42倍。日均Pn从大到小排序为L0、L1、L2、L3。方差分析表明:不同处理下日均Pn有显著差异(P<0.05)。
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一般而言,气孔导度反映大气二氧化碳和水汽与植物叶片传导、交换能力的高低。由图2B可见:遮光处理下Gs呈现先升高后降低的变化特征,但与对照相比起伏较小。遮光处理下,11:00时之前叶片中Gs基本是缓慢升高的,12:00呈现最大值,午后开始下降,这一点与Pn的变化基本相似,表明其变化与Pn呈一定相关性。从全光下Gs的日变化进程来看,10:00之前略有下降,但10:00之后就迅速升高,14:00达最大值,在所有时间段内Gs一直高于其他遮光处理。日均Gs从大到小排序也为L0、L1、L2、L3。方差分析表明:不同处理间日均Gs有显著差异(P<0.05),但L1与L2间差异不显著。
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不同遮光下Ci呈基本一致的凹形变化,即中午之前缓慢降低,但午后逐渐抬升(图2C)。不同处理下日均Ci从大到小依次为L3、L2、L1、L0。方差分析表明:不同处理间Ci差异显著(P<0.05)。L3处理强度遮光,14:00以后光照强度已经很低,而且Gs下降,二氧化碳同化率低,致使较多的二氧化碳积聚在细胞间,导致Ci的快速升高。
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由图2D可见:全光下,Tr的变化幅度较大,尤以12:00的Tr增加最甚,并显著高于遮光处理下的测定值(P<0.05);而遮光处理下Tr的变化较为缓和,并在14:00出现了下降,表明遮光显著抑制了幼苗的蒸腾作用。就日均Tr从大到小依次为L0、L1、L2、L3,分别为遮光处理下的3.48(L1)、2.58(L2)、2.51(L3)倍。方差分析表明:L1与L2间差异不显著,但L0与3种遮光处理间均有显著差异(P<0.05)。
依据Pn和Tr可以估算幼苗的EWUE。由于L1处理具有较高的Pn和相对稳定的Tr,在所有处理中EWUE最大(2.82),显著高于重度遮光(L2、L3)下的测定值(1.73、1.27)(P<0.05)。
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将不同遮光处理下连香树幼苗净光合速率与光合有效辐射(PAR)、叶片含水量(CLWC)及叶片形态指标作相关分析见表2。结果表明:Pn与PAR、mLMA呈显著正相关(P<0.05),而与CLWC呈极显著负相关(P<0.01),与SLA呈显著负相关(P<0.05);Pn与mSLWf和mSLWd相关性均不显著。可见,遮光条件下,尽管植株SLA增加,但由于mLMA减小,Pn却随之下降,进而影响到幼苗正常的生理生长。
指标 Pn PAR SLA mSLWf mSLWd CLWC mLMA Pn 1 0.889* −0.661* −0.205 0.110 −0.800** 0.674* PAR 1 −0.796** −0.295 0.058 −0.895** 0.862** SLAM 1 0.704* 0.427 0.640* 0.701* mSLWf 1 0.919** 0.184 −0.055 mSLWd 1 −0.208 0.297 CLWC 1 −0.833** mLMA 1 说明:*,**分别表示相关性达0.05和0.01水平 Table 2. Relationship of the photosynthesis parameters with relative water contents and morphology indexes of C. japonicum leaves
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叶绿素是植物光合作用的最有效的光能吸收色素,而类胡萝卜素也是不可缺少的色素,因此叶绿素和类胡萝卜素质量分数是分析植物光合作用能力的主要参数。反过来,环境中光照条件的变化也影响到叶绿素及类胡萝卜素的合成与分解,通过增加单位叶面积色素来提高其捕光能力[15-16]。由表3可知:遮光对连香树叶片叶绿素及类胡萝卜素质量分数均有显著影响(P<0.05)。遮光初期(20 d)不同处理间连香树叶片内类胡萝卜素已有显著差异(P<0.05),表现出遮光条件下叶绿素和类胡萝卜素显著增加,说明遮光处理促使了叶片内叶绿素的快速积累;随着遮光时间的延续,不同处理间叶片内叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素差值逐渐变小,但多重比较显示仍有显著差异(P<0.05)。总的趋势来看,遮光条件下叶片内叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素均有增加,且随着遮光强度的加大其质量分数递增。同时,随着遮光处理的持续叶绿素及类胡萝卜素质量分数递减,说明短时间内遮光对色素质量分数的影响较小,随着遮光时间的延长叶片内光合色素的合成受到抑制,质量分数呈现递减趋势,尤其是叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b的变化较为明显。
处理 指标 不同遮光时间叶片光合色素质量分数/(mg·g−1) 20 40 60 80 100 d L0 叶绿素a 3.04±0.04 Ba 2.64±0.78 Ba 1.44±0.04 Db 1.76±0.04 Bb 1.73±0.10 Cb 叶绿素b 1.33±0.02 Ba 1.06±0.37 Bb 0.58±0.04 Dc 0.71±0.02 Bc 0.70±0.06 Cc 叶绿素a+b 4.37±0.04 Da 3.69±1.15 Ca 2.02±0.08 Dc 2.47±0.06 Bb 2.43±0.16 Cb 类胡萝卜素 0.67±0.02 Ba 0.61±0.17 Ca 0.30±0.01 Db 0.36±0.02 Bb 0.35±0.02 Bb L1 叶绿素a 3.22±0.25 Ba 3.87±0.11 Aa 2.22±0.24 Cb 1.70±0.03 Bc 2.04±0.04 Bb 叶绿素b 1.48±0.10 Aa 1.48±0.03 Aa 0.90±0.10 Cb 0.70±001 Bc 0.92±0.12 Bb 叶绿素a+b 4.71±0.36 Ca 5.35±0.14 Aa 3.12±0.34 Cb 2.41±0.03 Bc 2.96±0.09 Bb 类胡萝卜素 0.72±0.08 Ba 0.84±0.01 Ba 0.39±0.04 Cb 0.35±0.01 Bb 0.38±0.05 Bb L2 叶绿素a 4.04±0.02 Ba 2.79±0.01 Bb 2.79±0.03 Bb 1.95±0.06 ABd 2.47±0.04 Ac 叶绿素b 2.04±0.01 Aa 1.04±0.02 Bc 1.18±0.02 Bb 0.83±0.02 ABd 0.96±0.00 Ac 叶绿素a+b 6.08±0.02 Ba 3.83±0.02 Bb 3.97±0.05 Bb 2.78±0.08 ABd 3.43±0.04 Ac 类胡萝卜素 1.46±0.01 Aa 1.14±0.02 Aa 0.47±0.01 Bb 0.39±0.01 Bc 0.47±0.01 Ab L3 叶绿素a 5.96±1.56 Aa 2.86±0.04 Bb 3.30±0.10 Aa 2.27±0.52 Ac 2.29±0.17 Ac 叶绿素b 1.43±0.67 Aa 1.01±0.02 Bb 1.46±0.05 Aa 1.00±0.26 Ab 1.11±0.08 Ab 叶绿素a+b 7.40±0.93 Aa 3.86±0.04 Bc 4.76±0.15 Ab 3.27±0.78 Ac 3.40±0.14 Ac 类胡萝卜素 1.73±0.30 Aa 1.13±0.01 Ab 0.53±0.02 Ac 0.45±0.05 Ac 0.48±0.05 Ac 说明:数据为3次测定平均值±标准差;同行不同小写字母表示同一处理不同处理时间差异显著(P<0.05);同列不同大写字母表示同 一时间内不同处理间有显著差异(P<0.05) Table 3. Changes of chlorophyll and carotenoid content of C. japonicum leaves under different shading treatments
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遮光降低了林内光照辐射强度,影响到连香树幼苗的生长形态。遮光处理后,连香树幼苗的分枝数目变化不大,但苗高(H)和基径(D)依次递减,最终影响到幼苗的生物量(表4)。多重比较表明:L1与对照相比,H、D、H/D、D2H和分枝数目均没有显著差异,说明轻度遮光(L1)没有对幼苗的生长带来明显的生长抑制。但是,重度遮光(L2和L3)下,H、D和D2H明显小于对照(L0)(P<0.05),说明遮光对幼苗的生长产生显著的抑制作用,对幼苗的成长不利。
处理 分枝数目/条 H/cm D/mm H/D D2H/cm3 L0 19.71±4.08 a 140.20±16.01 a 14.37±1.96 a 99.13±18.17 a 295.68±97.64 a L1 21.29±3.99 a 146.41±19.67 a 14.07±1.71 a 105.65±19.61 a 293.38±79.22 a L2 23.03±5.07 a 138.97±14.49 b 13.11±1.98 b 107.77±16.64 a 246.80±94.58 b L3 22.02±4.77 a 121.08±12.88 c 12.08±2.40 c 103.82±21.93 a 183.06±75.64 c 说明:同列不同字母表示同一指标不同处理间差异显著(P<0.05) Table 4. Effects of shading on growth indexes of C. japonicum seedlings
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叶绿体是植物进行光合作用的场所,也是细胞中对逆境最敏感的细胞器[17]。因此,分析叶片中叶绿体的结构变化可以为植物遭受不良生境下的生理反应作出解释。从叶片超微结构(图3)可以看出:全光(L0)条件下,高强度光辐射叶肉组织中细胞轮廓可鉴,叶绿体(Ch)数量少,紧靠细胞壁(CW)边缘成平行分布,形状如梭形,中央淀粉粒(S)明显。由于叶绿体边缘分布,细胞中央形成有大的空腔,类囊体片层与叶绿体长轴近似平行排列,基粒类囊体(Th)略有膨胀,基质片层有模糊,未见有嗜锇颗粒(OG)分布(图3A、E);L1处理下细胞内轮廓清晰,Ch数量有所增加,在细胞中占有面积增加,但与CW之间的间隙加大,OG相应数量明显增加,S数量减少,叶绿体中Th排列紧密,之间通过基粒片层相连(图3B、F);L2、L3处理细胞结构与叶绿体变化不大,但叶绿体数量显著增多,细胞内空腔面积减小,叶绿体外形逐渐变为圆球形或椭圆形,S数量较多,在细胞中占有比例较大,零散分布有OG,Th结构尚清晰,片层厚度加大,但排列位置不规则,出现了部分黑色斑块(图3C、G、D、H),这可能与过度遮光的阴湿环境有关。