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光照是植物生存和生长发育最重要的环境因子之一,光照通过改变植物生长的环境因子影响植物光合特性,进而影响植物对碳的吸收和积累[1]。光照过强会导致光抑制,限制植物光合作用,损害植物光合机构,而光照不足也会限制植物光合作用,进而导致植物由于碳饥饿而死亡[2-3]。在遮光条件下,植物会通过降低光补偿点、光饱和点和暗呼吸速率,增大表观量子效率等光合参数来进行光合作用,而最大羧化速率和最大电子传递速率则有所下降[4-5]。落叶植物在春季叶片新生,形态结构逐渐完善,而夏季较高的光照强度和气温会导致植物气孔关闭,使植物产生光合午休现象,秋季叶绿素减少导致光合作用减弱[6]。叶绿素荧光参数能直接反映植物光合作用的实际与最大光合效率、反应中心的开放程度以及热耗散的变化,从而分析对叶片光合机构内部的影响和生理调节能力[7]。如全光照条件下的堇叶紫金牛Ardisia violacea光系统Ⅱ(PS Ⅱ)最大光化学量子产量(Fv/Fm)小于0.80,受到光照胁迫,而遮光处理下没有受到光照胁迫[4]。因此,了解不同季节不同光照强度下植物光合特性对植物分布和保护具有重要意义[8]。
景宁木兰Magnolia sinostellata为木兰科Magnoliaceae木兰属Magnolia落叶灌木或小乔木,种群数量较少,被列为浙江省重点保护野生植物名录(第1批)[9]。景宁木兰分布区极其狭窄,主要分布于中国浙江南部的丽水市、温州市,在海拔900 m以上的灌丛、黄山松Pinus taiwanensis林、落叶阔叶林、杉木Cunninghamia lanceolata林和林缘等生境生长,所处生态环境郁闭度不同会导致景宁木兰所受的光照强度有所差异[10]。因此,本研究通过设置不同遮光处理,探讨不同光照强度下景宁木兰幼苗叶片光合特性的季节性变化,阐明幼苗在不同生长季节对不同光照强度的适应机制和利用对策,为景宁木兰的迁地保护、种群的繁衍复壮以及人工繁育提供理论依据。
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春季、夏季100%全光照(I100)以及夏季40%全光照(I40)下景宁木兰幼苗净光合速率(Pn)日变化均呈“双峰”曲线,第1峰值出现在10:00,在12:00时到达波谷,14:00时出现第2峰值,具有“光合午休”现象,其余Pn日变化均为“单峰”曲线,峰值均在12:00(图1)。春季日均Pn从大到小依次为100%全光照、40%全光照、10%全光照,均达到差异显著水平(P<0.05);夏季10%全光照的日均Pn显著低于100%全光照、40%全光照(P<0.05);秋季40%全光照的日均Pn显著高于100%全光照、10%全光照(P<0.05)(图2)。100%全光照下秋季的日均Pn显著低于春季、夏季(P<0.05);40%全光照下的日均Pn从大到小依次为夏季、秋季、春季,均差异显著(P<0.05);10%全光照下的日均Pn为春季显著高于夏季(P<0.05) (图2)。
Figure 1. Seasonal change of the diurnal changes of net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs), intercellular carbon dioxide mole fraction (Ci), transpiration rate (Tr) of M. sinostellata seedlings under three light intensities
Figure 2. Seasonal change of the diurnal mean values of net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs), intercellular carbon dioxide mole fraction (Ci), transpiration rate (Tr) of M. sinostellata seedlings under three light intensities
春季、夏季100%全光照和40%全光照下景宁木兰幼苗气孔导度(Gs)日变化均为“双峰”曲线,第1、第2峰值分别在10:00和14:00,波谷在12:00,其余Gs日变化均为“单峰”曲线,其中春季和夏季10%全光照下Gs在10:00达到峰值,而秋季3个光照处理均在12:00达到峰值(图1)。春季100%全光照的日均Gs显著高于遮光处理(P<0.05);夏季10%全光照的日均Gs显著低于100%全光照、40%全光照(P<0.05);秋季的日均Gs从大到小依次为40%全光照、100%全光照、10%全光照,均差异显著(P<0.05)。100%全光照下日均Gs从大到小依次为夏季、秋季、春季,均差异显著(P<0.05);40%全光照下日均Gs从大到小依次为秋季、夏季、春季,均差异显著(P<0.05);10%全光照下春季日均Gs显著低于夏季、秋季(P<0.05) (图2)。
景宁木兰幼苗胞间二氧化碳摩尔分数(Ci)日变化趋势呈现“V型”曲线。春季100%全光照、40%全光照、10%全光照下Ci曲线最低点分别出现在16:00、12:00、14:00;夏季100%全光照、40%全光照、10%全光照下Ci最低点分别出现在12:00、14:00、10:00;秋季3种光照强度下Ci最低点均在12:00 (图1)。春季100%全光照的日均Ci显著低于40%全光照(P<0.05);夏季40%全光照下日均Ci显著低于100%全光照和10%全光照(P<0.05)。在100%全光照和10%全光照下的日均Ci从大到小依次为秋季、夏季、春季,均差异显著(P<0.05);40%全光照下日均Ci秋季显著高于春季、夏季(P<0.05) (图2)。
春季和秋季,景宁木兰幼苗蒸腾速率(Tr)日变化在3种光照强度下均呈“单峰”曲线,其中春季100%全光照和40%全光照下Tr峰值在14:00达到最高值,其余均在12:00达到最高值(图1)。夏季,100%全光照和40%全光照为“双峰”曲线,其中:100%全光照的峰值在10:00、14:00,波谷在12:00;40%全光照的峰值在12:00、16:00,波谷在14:00。10%全光照为“单峰”曲线,峰值在12:00。春季日均Tr从大到小依次为100%全光照、40%全光照、10%全光照,均差异显著(P<0.05);夏季40%全光照下日均Tr显著高于10%全光照(P<0.05);秋季10%全光照下日均Tr显著低于春季、夏季(P<0.05)。不同季节3种光照处理下日均Tr从大到小依次为夏季、秋季、春季,均差异显著(P<0.05) (图2)。
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从图3可见:夏季10%全光照下的最大净光合速率(Pnmax)、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)、暗呼吸速率(Rd)均显著小于100%全光照、40%全光照(P<0.05),而表观量子效率(AQY)随着光照强度增加不断下降,3个处理间差异显著(P<0.05)。秋季遮光处理下Pnmax、LSP显著高于100%全光照(P<0.05);100%全光照下LCP、Rd显著大于10%全光照(P<0.05);10%全光照AQY显著大于100%全光照(P<0.05)。100%全光照下Pnmax、LSP从大到小依次为夏季、春季、秋季,均差异显著(P<0.05)。40%全光照下LSP在夏季显著高于春季(P<0.05);夏季LCP、Rd显著高于春季、秋季(P<0.05)。10%全光照下秋季LSP显著高于春季,夏季AQY显著高于春季(P<0.05)。
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夏季景宁木兰幼苗叶片的最大电子传递速率(Jmax)、最大羧化速率(Vcmax)、磷酸丙糖利用率(TPU)从大到小依次为40%全光照、10%全光照、100%全光照,均差异显著(P<0.05)(图4)。秋季40%全光照下的Jmax和TPU均显著高于100%全光照(P<0.05)。夏季40%全光照下的Vcmax显著高于秋季,光呼吸速率(Rp)显著高于春季、秋季(P<0.05)。
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由图5可知:春季,10%全光照下景宁木兰幼苗PS Ⅱ实际光化学量子产量(YⅡ)、光化学猝灭系数(qP)、电子传递速率(ETR)均显著低于100%全光照和40%全光照(P<0.05);100%全光照下的非光化学猝灭系数(qNP)、PS Ⅱ调节性能量耗散的量子产量(YNPQ)显著低于遮光处理(P<0.05);100%全光照下的PS Ⅱ非调节性能量耗散的量子产量(YNO)显著高于遮光处理(P<0.05)。夏季,100%全光照下PS Ⅱ最大光化学量子产量(Fv/Fm)显著低于遮光处理(P<0.05);YⅡ、ETR在40%全光照下显著高于其他2种光照处理(P<0.05);qP、qNP在100%全光照下显著高于遮光处理(P<0.05)。秋季,100%全光照下的Fv/Fm、YⅡ、ETR均显著低于遮光处理(P<0.05);qP在10%全光照下最低,与其他2种光照处理差异显著(P<0.05)。
Figure 5. Seasonal change of chlorophyll fluorescence parameters of M. sinostellata seedlings under three light intensities
100%全光照下,景宁木兰幼苗叶片的Fv/Fm在春季显著高于夏季、秋季(P<0.05);YⅡ在秋季则显著低于春季、夏季(P<0.05);qP从大到小依次为夏季、秋季、春季,均差异显著(P<0.05);qNP在秋季显著高于春季(P<0.05);ETR从大到小依次为春季、秋季、夏季,均差异显著(P<0.05)。40%全光照下,秋季的Fv/Fm显著高于春季(P<0.05);YⅡ从大到小依次为夏季、秋季、春季,均差异显著(P<0.05);qP在夏季显著高于春季(P<0.05);qNP在夏季显著低于春季、秋季(P<0.05);YNO在夏季显著高于春季和秋季(P<0.05);YNPQ在夏季显著低于春季和秋季(P<0.05);ETR从大到小依次为秋季、春季、夏季,均差异显著(P<0.05)。10%全光照下春季YⅡ、qP均显著低于夏季和秋季(P<0.05);qNP在夏季显著低于春季、秋季(P<0.05);YNPQ从大到小依次为春季、秋季、夏季,均差异显著(P<0.05);秋季的ETR显著高于春季、夏季(P<0.05)。
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双因素方差分析(表1)表明:光照强度、季节以及光照强度和季节之间的相互作用对景宁木兰幼苗日均Pn、Gs、Fv/Fm、YⅡ、ETR均有极显著影响(P<0.01),光照强度与光照强度和季节之间的相互作用对LCP、Jmax、TPU有显著影响(P<0.05),而季节与光照强度和季节之间的相互作用对日均Ci、Pnmax、LSP、qNP、YNPQ有极显著影响(P<0.01)。表明不同季节,景宁木兰幼苗叶片日均Pn、Gs、Ci、Pnmax、LSP、Fv/Fm、YⅡ、qNP、YNPQ、ETR等对光照强度变化的响应极显著,LCP、Jmax、TPU等对光照强度变化的响应显著。
参数 F 光照强度 季节 光照强度×季节 日均净光合速率(Pn) 185.425** 44.568** 48.552** 日均气孔导度(Gs) 98.029** 128.380** 21.942** 日均胞间二氧化碳摩尔分数(Ci) 0.468 123.368** 6.179** 日均蒸腾速率(Tr) 13.941** 62.008** 1.589 最大净光合速率(Pnmax) 2.791 8.433** 5.270** 光饱和点(LSP) 1.386 19.936** 14.684** 光补偿点(LCP) 4.986* 6.229** 3.100* 表观量子效率(AQY) 19.642** 1.347 2.857 暗呼吸速率(Rd) 2.753 4.728* 2.465 最大羧化速率(Vcmax) 4.986* 1.619 2.843 最大电子传递速率(Jmax) 5.642* 1.194 3.371* 磷酸丙糖利用率(TPU) 6.043* 1.259 3.426* 光呼吸速率(Rp) 1.261 15.372** 2.129 PS Ⅱ最大光化学量子产量(Fv/Fm) 36.645** 7.022** 11.011** PS Ⅱ实际光化学量子产量(YⅡ) 19.154** 42.680** 19.568** 光化学猝灭系数(qP) 36.964** 37.809** 2.623 非光化学猝灭系数(qNP) 2.855 23.553** 7.280** PS Ⅱ非调节性能量耗散的量子产量(YNO) 2.210 6.257** 1.164 PS Ⅱ调节性能量耗散的量子产量(YNPQ) 4.567* 25.330** 8.287** 电子传递速率(ETR) 15.751** 117.903** 21.406** 说明:*表示差异显著(P<0.05);**表示差异极显著(P<0.01) Table 1. Two-way ANOVA of light intensity and seasonal change on the photosynthetic traits of M. sinostellata seedlings leaves
Seasonal changes of photosynthetic characteristics of seedlings of Magnolia sinostellata under different light intensities
doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210814
- Received Date: 2021-12-24
- Accepted Date: 2022-04-21
- Rev Recd Date: 2022-03-18
- Available Online: 2022-09-22
- Publish Date: 2022-10-20
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Key words:
- Magnolia sinostellata seedlings /
- light intensity /
- seasonal changes /
- photosynthesis /
- chlorophyll fluorescence
Abstract:
Citation: | CHEN Chao, JIN Zexin, YUAN Meng, LUO Guangyu, LI Yueling, SHAN Fangquan. Seasonal changes of photosynthetic characteristics of seedlings of Magnolia sinostellata under different light intensities[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2022, 39(5): 950-959. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210814 |