不同遮阴条件对北美冬青幼苗叶片光合特性与超微结构的影响.pdf

第26卷第1期北华大学学报 自然科学版 Vol 26 No 1 2025年1月JOURNAL OF BEIHUA UNIVERSITY Natural Science Jan 2025 文章编号 1009 4822 2025 01 0017 07 DOI 10 11713 j issn 1009 4822 2025 01 003 不同遮阴条件对北美冬青幼苗叶片 光合特性与超微结构的影响 王玉莹1 2 吴生海1 王金玲1 吕伟伟1 于志会1 杨春波1 杜凤国1 3 1 北华大学林学院 吉林吉林 132013 2 黑龙江省林业科学院佳木斯分院 黑龙江佳木斯 154007 3 长白山特色森林资源保育与高效利用国家林业和草原局重点实验室 吉林吉林 132013 摘要 研究不同遮阴条件下北美冬青 Ilex verticillata 幼苗叶片的光合生理特性与超微结构 揭示其对光的适应 规律 光合与超微结构关系 为北美冬青引种栽培 苗木培育和经营提供依据 以3 a生北美冬青实生苗为研究 对象 采用Li 6800光合仪测定全光 L0 35 遮阴 L35 55 遮阴 L55 和75 遮阴 L75 4种遮阴条件下北美 冬青幼苗叶片的光合指标 叶绿素荧光 利用扫描电镜观察北美冬青叶片超微结构 结果表明 7月4种处理净 光合速率日变化曲线呈单峰 北美冬青幼苗叶片35 遮阴处理光响应表现最佳 随着遮阴度的提高 光适应下 的初始荧光 Fo 最大荧光 F m 最大可变荧光 F v PS 光能转换效率 F v F m 稳态荧光 FS 和光化学淬灭 系数 qP 呈逐渐变大趋势 北美冬青幼苗叶片的非光化学淬灭系数 QNP 随遮阴度提高而降低 叶片在受到强 光胁迫时通过耗散热能来缓解光合损伤 具有较高的光保护能力 北美冬青幼苗叶片气孔张开度随光强的提高 而变大 但过强的光照会抑制气孔张开 净光合速率随气孔的大小及张开度而变化 气孔张开度最大时 净光合 速率最大 关键词 北美冬青 遮阴 光合特性 超微结构 中图分类号 S718 Q948文献标志码 A 收稿日期 2024 06 07 基金项目 国家林业和草原局林业外来物种调查与研究专项 KJZXSA202019 作者简介 王玉莹 1998 女 硕士研究生 主要从事野生动植物保护与利用研究 E mail 2621687525 qq com 通信作者 杜凤国 1960 男 博士 教授 博士生导师 主要从事长白山濒危植物保育生物学研究 E mail dfg4656 qq com Effects of Different Shading Conditions on Photosynthetic Characteristics and Ultrastructure of Ilex verticillata Seedling Leaves WANG Yuying1 2 WU Shenghai1 WANG Jinling1 L Weiwei1 YU Zhihui1 YANG Chunbo1 DU Fengguo1 3 1 Forestry College of Beihua University Jilin 132013 China 2 Jiamusi Branch of Heilongjiang Academy of Forestry Sciences Jiamusi 154007 China 3 Key Lab of State Forestry Administration on Conservation and Efficient Utilization of Precious and Rare Forest Resources in Changbai Mountain Jilin 132013 China Abstract To study the photosynthetic physiological characteristics and ultrastructure of Ilex verticillata seedlings under different shading conditions aiming to reveal their adaptation to light demand growth characteristics in the Northeast region and photosynthetic and ultrastructure relationship and provide a basis for the introduction cultivation and management of Ilex verticillata seedlings The photosynthetic target and chlorophyll fluorescence of 3 year old Ilex verticillata seedlings were measured under four shading conditions full light L0 35 shading L35 55 shading L55 and 75 shading L75 using Li 6800 photosynthetic apparatus The leaf ultra structure of Ilex verticillata was observed by using scanning electron microscopy The daily variation curve of net photosynthetic rate in the four treatment groups in July showed a single peak The light response curve of Ilex verticillata seedlings showed the best performance in the 35 shading As the degree of shading increases Fo F m F v F v F m FS and qP under light adaptation gradually increase The QNP of Ilex verticillata seedlings decreases with increasing shading and the leaves of Ilex verticillata alleviate photosynthetic damage by consuming heat dissipation energy under strong light stress exhibiting high light protection ability The stomatal opening of leaves in Ilex verticillata seedlings increases with increasing light intensity but excessive light can inhibit stomatal opening When the net photosynthetic rate is at its maximum the stomatal opening degree is at its maximum and the size and opening degree of stomata will change with the change of net photosynthetic rate Key words Ilex verticillata shading photosynthetic characteristics ultrastructure 北美冬青 Ilex verticillata L A Gray 为冬青科 Ilexiaceae 冬青属 Ilex L 多年生落叶灌木 原产 于美国东北部 其树形美观 叶深绿色 夏季开白花 秋季结红果 果实经冬不落 为冬季观果树种 观赏价 值高 是一种重要的植物资源 在国外 北美冬青从加拿大东部的新斯科舍省 Nova Scotia 一直往南到美 国东南部的佛罗里达州 State of Florida 以及法国等欧洲各国均有栽培 1 2 在国内 北美冬青的引种栽培多 在我国中部和南部地区 而东北地区引种栽培北美冬青的时间较短 北美冬青研究主要集中在栽培品种与 引种 3 6 品种亲缘关系 7 生物和生理生态 8 10 生长和繁殖 11 12 育苗与栽培 13 15 及应用 3 16 等方面 对 于光合特性 有学者 10 17 使用Li 6400光合仪对河南引种栽培的3 a生北美冬青幼苗光合日变化和季节变化 进行了初步研究 发现光合日变化为双峰曲线 目前 关于引种到东北吉林的北美冬青幼苗对光的适应情 况 特别是关于不同光强下北美冬青光合生理特性和气孔超微结构之间的关系尚未见报道 光合作用是植物生长发育的基础 而光强是影响光合作用的主要因子 植物光合作用随光强的降低 而下降 持续的光强降低甚至会导致植物枯萎直至死亡 而过高的光强同样会抑制植物生长发育和形态建 构 每个树种都有其最适光强 光强过高 过低均会引起气孔开启和关闭 进而影响气体交换 抑制光合作 用 18 20 目前 关于北美冬青叶片的光合作用与气孔变化之间关系尚不清楚 因此 本文通过不同遮阴 设置4种光强 测定光合参数 观察气孔超微结构 旨在揭示不同光强下北美冬青幼苗叶片光合及荧光特 性 探索其对光的需求及适应规律 光合特性与叶片气孔超微结构的关系 进而为北美冬青苗木繁育 高效 栽培和经营提供依据 也为冬青科冬青属其他落叶种类的苗木培育提供借鉴 1 材料与方法 1 1 试验地概况 试验地位于吉林省吉林市丰满区吉林市林业科学研究院四合林业科普基地 土壤条件一致 土壤氮质 量分数为88 290 mg kg 磷质量分数为267 868 mg kg 钾质量分数为46 028 mg kg 该基地为温带季风性 气候 冬季漫长 平均年降水量为674 mm 无霜期平均为134 d 累计年平均日照时间为2 438 h 全年平均 气温为3 4 5 2 1 2 试验设计 供试材料为从吉林省辽源市引进的3 a生北美冬青幼苗 株高约65 cm 采取相同的管理措施 每周除 草1次 采用不同网眼大小的遮阳网设置不同遮阴处理 获得不同光强 在全光照和各组遮阳网下 利 用照度计 TES 1334A 同步测量光强 通过计算遮阴组与全光照组光强比控制遮阴度 分别为0遮阴 全 光 L0 35 遮阴 L35 55 遮阴 L55 75 遮阴 L75 4种处理 1 3 试验方法 1 3 1 不同遮阴下北美冬青幼苗叶片光合参数测定 1 光合日变化 在7月上 中 下旬选择晴朗的3 d进行3次测定 每个处理选择长势一致的3株北 美冬青幼苗 每株选择植株上部侧枝的第2 3 4枚叶片 每片叶重复测量3组数据 每组遮阴均选择朝向 相同的叶片 保持叶片自然生长 在各条件稳定状态下记录6个瞬时值 利用Li 6800测定6 00 8 00 10 00 12 00 14 00 16 00 18 00时的光合参数 仪器自动记录净光合速率 A 2 光响应参数 2023年7月选择2个晴朗上午 利用Li 6800测定4种遮阴下北美冬青幼苗叶片的光响 应参数 每枚叶片测量前先用最大光强光诱导20 min 控制流速为400 mol s CO2浓度为400 mol mol CO2由外置CO2小钢瓶提供 相对湿度控制在60 叶室温度设置为26 光合有效辐射梯度为1 800 1 600 1 400 1 200 1 000 800 600 400 200 100 50 0 mol m2 s 采用CO2注入系统自动控制 测定 不同光合有效辐射下的净光合速率 81北华大学学报 自然科学版 第26卷 3 叶绿素荧光参数 测荧光参数的前一晚 用锡箔纸将北美冬青幼苗叶片包裹 每株包裹5枚叶片 作 为脱落叶片的补充 第二天测量荧光参数 每个处理随机选择2株植株 每株测量3枚叶片 叶绿素荧光 参数测定与光合日变化测定同步 利用Li 6800测定初始荧光 Fo 最大荧光 Fm 最大PS 的光能转换 效率 Fv Fm 光适应下初始荧光 F o 最大荧光 F m 稳态荧光 FS 最大可变荧光 F v 计算光化学淬灭 系数 qP 非光化学淬灭系数 QNP 表观量子传递速率 ETR 及实际光化学效率 PS 等 吸收光能用于 天线热耗散 D 1 F v F m 100 PS 反应中心非光化学能量耗散 E 1 qP F v F m 100 1 3 2 北美冬青幼苗叶片超微结构观察 7月份选择晴朗的一天 叶片气孔超微结构样品采样与光合特性测定在同天同株同步进行 选择无 遮阴处理组和35 遮阴处理组 在6 00 8 00 10 00 12 00 14 00 16 00 18 00各取一次叶片样品 主枝 第3枚叶片 用刀片在每枚叶片中脉和叶缘之间截取1 cm 1 cm样品2个 迅速放入装有FAA固定液 V 福尔马林 V 冰醋酸 V 70 酒精 V 甘油 1 1 18 1 的瓶中 轻轻晃动直至叶片样品完全浸 入 放入4 冰箱 固定24 h以上 电镜观察前 首先用70 80 90 浓度梯度的乙醇溶液脱水 每个 梯度20 min 再用无水乙醇各脱水2次 每次15 min 用双面胶粘样 背面向上 经喷金处理后 用Quanta 200型环境扫描电子显微镜分别观察 500 1 000 5 000气孔状态并拍照 保证同一观察部位的放大倍 数一致 1 4 数据处理与分析 使用WPS 2023录入 整理试验数据 计算平均值及标准差 使用SPSS 24 0进行单因素方差分析 置 信区间为95 PL0 L55 L75 随着遮阴程度的提高 光响应呈现先上升后下降的趋势 图1不同遮阴下北美冬青幼苗叶片的净光合速率日变化 Fig 1 Daily variation of net photosynthetic rate of Ilex verticillata seedling leaves under different shading conditions 图2北美冬青幼苗叶片的光响应 Fig 2 Light response of Ilex verticillata seedling leaves 91第1期王玉莹 等 不同遮阴条件对北美冬青幼苗叶片光合特性与超微结构的影响 2 1 3 不同遮阴下北美冬青幼苗叶片荧光参数 不同遮阴下北美冬青幼苗叶片荧光参数见表1 由表1可知 北美冬青幼苗叶片的L75处理组Fo最高 4 处理组差异不显著 L35的Fm和Fv Fm最高 4处理组差异不显著 L75的F o最高 L0 L55和L75之间的F o差 异显著 F m qP和F v均为L75最高 L35和L55与L0 L75之间差异显著 L75的F v F m最高 4处理组差异显著 L75的FS最高 且与L0 L35 L55差异显著 L0的QNP和E最高 L35 L55与L0 L75差异显著 L35的ETR最 高 L35与L75差异显著 L75的 PS 最高 4处理组差异显著 L0处理组的D最高 4处理组差异显著 L0 和L75处理组的最大PS 光能转换效率小于0 8 说明全光照和75 遮阴处理均使北美冬青幼苗叶片受 到了光抑制 表1 不同遮阴下北美冬青幼苗叶片荧光参数 Tab 1 Fluorescence parameters of Ilex verticillata seedling leaves under different shading conditions 指标荧光参数L 0 L35 L55 L75 Fo 280 07 22 26a 263 14 0 94a 262 32 8 43a 307 68 25 41a Fm 1 352 99 131 33a 1 428 49 40 42a 1 415 57 6 12a 1 399 50 74 16a Fv Fm 0 79 0 00a 0 82 0 00a 0 81 0 01a 0 78 0 03a F o 207 53 6 19c 221 91 8 14ab 229 35 4 97b 257 44 4 90a F m 423 08 10 48c 541 68 22 23b 628 20 8 41b 1 083 47 71 49a F v 215 54 7 06c 319 77 17 18b 398 85 5 42b 826 03 66 80a F v F m 0 51 0 01d 0 59 0 01c 0 63 0 01b 0 76 0 01a FS 334 61 14 43b 354 48 7 58b 376 47 10 37b 421 19 12 05a qP 0 41 0 06c 0 58 0 02b 0 63 0 02b 0 80 0 01a QNP 0 74 0 01a 0 61 0 02b 0 51 0 01b 0 06 0 09c ETR 87 95 11 52ab 97 28 5 11a 75 99 1 97bc 64 28 2 00c PS 0 21 0 03d 0 34 0 02c 0 40 0 01b 0 61 0 02a D 0 49 0 01d 0 41 0 01c 0 37 0 01b 0 24 0 01a E 0 30 0 04a 0 25 0 01b 0 23 0 01b 0 15 0 01c 注 同列不同小写字母表示差异显著 P 0 05 2 2 北美冬青幼苗叶片气孔变化 由图3 4可见 L0处理组北美冬青幼苗叶片在6 00时有少部分气孔张开 张开角度较小 气孔宽度 为1 92 m 在10 00时气孔全部张开 并且气孔器长 宽最大 分别为11 25 m和5 9 m 在18 00时气 孔大部分关闭 只有个别气孔张开 并且气孔器长 宽最小 分别为4 89 m和1 43 m L0处理组北美冬 青幼苗叶片气孔器长 宽呈现先增大再减小的趋势 由图4 5可见 L35处理组北美冬青幼苗叶片在6 00时气孔全部呈关闭状态 气孔器长 宽最小 在 12 00时气孔全部张开并且气孔器长 宽最大 分别为17 46 m和4 92 m 在18 00时气孔大部分关闭 只有个别气孔张开 且张开角度极小 此时气孔器长 宽分别为1 43 m和0 34 m L35处理组北美冬青 幼苗叶片气孔器长 宽呈现先增大再减小的趋势 6 00 10 00 L0处理组气孔长 宽大于L35处理组 12 00 L35处理组气孔器长 宽大于L0处理组 14 00 18 00 L0处理组气孔器长 宽开始大于L35处理组 在午间光强最强时 北美冬青幼苗叶片的 35 遮阴组气孔张开程度高于未遮阴处理组 过强的光会抑制气孔张开 表2 北美冬青幼苗叶片气孔特性 Tab 2 Stomatal characteristics of Ilex verticillata seedling leaves 参数气孔特性 m6 00 8 00 10 00 12 00 14 00 16 00 18 00 L0气孔器长7 38 8 11 11 25 6 01 6 85 6 40 4 89 L0气孔器宽1 92 4 05 5 90 3 03 2 09 2 19 1 43 L35气孔器长0 5 98 8 42 17 46 5 96 5 94 1 55 L35气孔器宽0 1 54 4 38 4 92 1 83 1 79 0 34 02北华大学学报 自然科学版 第26卷 图3北美冬青幼苗叶片L0处理组气孔 1 000 Fig 3 Stomata of Ilex verticillata seedling leaves in the L0 treatment group 1 000 图4北美冬青幼苗叶片L0处理组单个气孔 5 000 Fig 4 Single stomata of Ilex verticillata seedling leaves in the L0 treatment group 5 000 图5北美冬青幼苗叶片L35处理组气孔 1 000 Fig 5 Stomata of Ilex verticillata seedling leaves in L35 treatment group 1 000 12第1期王玉莹 等 不同遮阴条件对北美冬青幼苗叶片光合特性与超微结构的影响 图6北美冬青幼苗叶片L35处理组单个气孔 5 000 Fig 6 Single stomata of Ilex verticillata seedling leaves in the L35 treatment group 5 000 3 结论与讨论 3 1 北美冬青幼苗叶片的净光合速率 光响应均是35 遮阴处理最佳 北美冬青幼苗叶片L35处理组净光合速率最佳 10 00时净光合速率最大 7月无光合午休 这可能是 由吉林市2023年7月阴雨天多 光强较弱导致的 35 遮阴处理光响应表现最好 当光合有效辐射在0 300 mol m2 s 时 净光合速率迅速升高 在300 600 mol m2 s 时上升速度减小 在600 1 800时趋于平稳 说明随着光合有效辐射的升高净 光合速率呈先上升再平稳再趋于稳定趋势 这与魏春燕等 21 研究遮阴对七子花幼苗光合特性所得结论一 致 这也可能是因为北美冬青与七子花都是落叶灌木 生境为林下遮阴环境所致 由此可见 在苗木生长 发育期间 当阴雨天气多时 对幼苗进行35 遮阴可以充分发挥北美冬青幼苗叶片利用弱光能力强的特 点 提高光合效率 促进苗木快速生长 3 2 不同遮阴下北美冬青幼苗叶片叶绿素荧光特性存在差异 35 遮阴处理PS 光能转换效率和ETR最大 正常生理状态下 绝大多数高等植物的Fv Fm约为 0 8 除受胁迫外Fv Fm是比较恒定的 21 全光照和70 遮阴处理北美冬青幼苗叶片的Fv Fm小于0 8 说明全光照和75 遮阴处理均使北美冬青幼苗叶片受到了光抑制 随着遮阴的增强 光适应下的初始荧光 最大荧光 最大可变荧光 PS 光能转换效率 稳态荧光和光 化学淬灭系数呈现逐渐变大趋势 L0处理组的qP最小 说明全光照下北美冬青幼苗叶片电子传递活性 最弱 QNP随遮阴增大持续降低 全光照处理下的QNP最大 这与前人对紫堇 Corydalis incisa 22 和银叶 树 Heritiera littoralis 23 的研究结果一致 说明北美冬青幼苗叶片在受到强光胁迫时通过耗散热能来缓解 光合损伤 具有较高的光保护能力 24 3 3 北美冬青幼苗叶片净光合速率随气孔开张度而变化 35 遮阴处理北美冬青幼苗叶片气孔器长 宽呈现先增大再减小的趋势 气孔随光强的提高而变大 但过强的光会抑制气孔张开 在净光合速率最大时 气孔张开程度最大 当出现光合午休时 气孔张开最 小 通常情况下 气孔大小及张开度会随着净光合速率的增大而增大 因此 根据气孔结构与光合的关 系 当阳光强烈和温度高时 要适当遮阴 减少植物养分损耗 保持植株的光合速率 提高苗木质量 参考文献 1 王丽英 北美冬青繁育及其园林应用研究 D 杭州 浙江农林大学 2014 2 ACTON P Winter berries J Horticulture 2000 8 56 60 22北华大学学报 自然科学版 第26卷 3 石姜超 林东旭 王宁 等 北美冬青栽培与应用 J 中国花卉园艺 2015 24 29 4 李鸿杰 雷颖 甘肃南部北美冬青引种适应性试验研究 J 林业科技通讯 2019 1 39 42 5 杨志莹 王伟 王成金 等 潍坊地区北美冬青引种研究 J 安徽农业科学 2019 47 2 114 116 122 6 姚丽娟 周秀兰 杨燕萍 等 温州地区北美冬青栽培适应性观察 J 农业科技通讯 2016 1 223 224 7 王伟丽 何立平 余敏芬 等 12个北美冬青品种的ISSR亲缘关系分析 J 浙江农林大学学报 2018 35 4 612 617 8 余有祥 查琳 徐旻昱 等 奥斯特 北美冬青种子萌发及苗期观察 J 浙江林业科技 2016 36 2 86 89 9 查琳 余有祥 袁紫倩 等 奥斯特 北美冬青叶片主要营养元素含量的年变化规律研究 J 江苏林业科技 2015 42 5 14 16 10 潘婷 李娟 张志浩 等 北美冬青光合作用的季节变化及其与环境因子的相关性 J 江苏农业科学 2019 47 6 137 140 11 丛群 刘明军 林东旭 等 有机水溶肥对北美冬青生长的影响 J 安徽农学通报 2019 25 4 56 58 12 余有祥 查琳 徐旻昱 等 多效唑对盆栽 奥斯特 北美冬青生长和坐果的影响 J 江苏林业科技 2015 42 3 21 23 46 13 王丽英 蔡建国 臧毅 等 不同生根剂对北美冬青嫩枝扦插生根的影响 J 江苏农业科学 2014 42 9 157 159 14 王欢 杜凤国 兰河 等 观果树种轮生冬青离体快繁技术 J 东北林业大学学报 2017 45 12 27 31 15 沈登锋 蒋笑丽 洪春桃 等 保水剂在北美冬青容器育苗中的应用研究 J 山地农业生物学报 2019 38 3 86 88 16 杨玉珍 陈刚 王国霞 等 北美冬青的园林特性及其应用 J 农学学报 2015 5 4 73 76 17 杨玉珍 张云霞 张志浩 等 北美冬青光合作用日变化特征及其与生理生态因子的关系 J 西北师范大学学报 自然 科学版 2016 52 4 88 92 18 郭延平 张良诚 洪双松 等 温州蜜柑叶片光合作用的光抑制 J 园艺学报 1999 26 5 281 286 19 刘鹏 赵世杰 孟庆伟 等 冷锻炼对甜椒叶片光合作用及其低温光抑制的影响 J 植物生理与分子生物学学报 2002 28 1 51 58 20 李新国 孟庆伟 赵世杰 强光胁迫下银杏叶片的光抑制及其防御机制 J 林业科学 2004 40 3 56 59 21 魏春燕 李月灵 金则新 等 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