不同光强对6个欧美杨无性系苗期生长及光合特性的影响

王明援，刘 宁，李 波，刘成功，丁昌俊，黄秦军

(林木遗传育种国家重点实验室，国家林业和草原局林木培育重点实验室，中国林业科学研究院林业研究所，北京 100091)

光是植物生长最重要的生态因子之一，植物适应光环境变化的能力决定了它的分布模式和物种丰度[1-3]。光照强度影响植物的光合作用，进而影响植物的形态和生理生化特征[4-5]。有研究表明：适度遮阴有助于植物苗高和地径的生长，随着光照强度的降低，植物的净光合速率、气孔导度、水分利用效率和蒸腾速率逐渐减小[6-9]。

杨树(Populus L.)因其生长快，生态适应范围广，成为我国人工林的主要造林树种之一[10]。随着经济的发展，我国对短周期工业用材林的需求越来越高，通过杂交得到的优良杨树无性系，可以有效提高人工林木材产量，缓解木材供应短缺问题[11]。欧美杨在我国东北、华北和长江流域等地区广泛种植，是速生丰产用材林建设的重要树种之一，具有很高的经济、社会和生态效益。缩短选育优良杨树品种的时间是杨树育种工作者的目标。通过对6个不同地点的试验林数据筛选，以得到的6个生长差异明显的欧美杨杂交无性系为试验材料进行遮阴试验，分析欧美杨杂交无性系对不同光强的响应差异，以期为欧美杨苗期快速选育高光效优良品种提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为基因型不同的6个杂交欧美杨无性系，编号分别为：11-21-8、11-26-4、11-26-8、11-26-9、11-32-1、11-36-26，亲本对照表见表 1。2018年3月中旬用1年生植株硬枝扦插，在温室培养。2018年5月下旬将生长良好且苗高一致的植株移植至中国林业科学研究院林业研究所通州试验基地。

表 1 欧美杨无性系亲本对照表Table 1 Comparison table of Populus × euramericana clones

1.2 遮阴处理

在移植苗充分缓苗后，于2018年7月中旬进行遮阴处理。用不同密度的遮阴网搭建高为2 m的遮阴棚。8：00—17：00每隔1.5 h使用光照计在3个处理下随机多点测量距离地面1.5 m处的光照强度，连续3 d测量后进行光强计算得出：CK（全光照，100%自然光强）、L1（3针遮阴网，55%自然光强）和L2（6针遮阴网，20%自然光强）。每处理各无性系幼苗30株，3次重复，株行距为50 cm×60 cm。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 形态指标测定 处理开始时测量每株无性系苗高作为起始值，每隔15 d测定1次苗高，计算幼苗高增长量(ΔH)。在遮阴处理30 d时，每个处理每个无性系摘取3株平均株的第5～7片功能叶，使用Yaxin-1241叶面积仪，测量叶片叶面积、叶长和叶宽，烘干称质量，计算叶片叶形指数及比叶面积。

叶形指数=叶长/叶宽

比叶面积=叶面积/叶干质量

1.3.2 光合相关指标测定 遮光处理40 d时，在晴天上午9：00—11：00使用LI-6400便携式光合测定仪（Li-COR公司生产，使用红蓝光源，设定光量子密度为 1 200 μmol·m-2s-1，CO2浓度为400 μmol·mol-1）。测定平均株的第 5～7 片功能叶的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度 (Ci)和蒸腾速率 (Tr)。于夜间 22：00—23：00使用MINI-PAM-II（德国WALZ公司生产）测定平均株叶片叶绿素荧光参数Fv/F0和Fv/Fm。

1.3.3 叶片叶绿素含量及钾、钙、镁元素含量测定

遮光处理45 d时，取平均株的第5～7片功能叶，称取0.10 g新鲜叶片，用95%乙醇提取过夜，在665.0、649.0 nm下测定吸光率并换算叶绿素a、叶绿素b含量[12]。将叶片烘干研磨，用原子吸收光谱法测量叶片中钾、钙、镁元素含量。

1.4 数据处理

利用SPSS 21.0软件进行多重比较，用Duncan新复极差法进行显著性分析；使用OriginPro 8.5绘图。

2 结果与分析

2.1 不同光强对无性系幼苗形态指标的影响

2.1.1 不同光强对苗高增长量的影响 由图1可知：在L1和L2处理下，无性系苗高增长量最大与最小的无性系分别为11-21-8、11-36-26。L1、L2处理下的苗高增长量与CK相比，11-36-26的苗高减少量最大，11-26-9的苗高减少量最小。除11-26-9无性系在L1处理下总苗高增长量大于CK外，其他无性系总苗高增长量随光强的降低呈下降趋势。

图 1 无性系苗高增长量Fig. 1 High growth of clones

2.1.2 不同光强对叶片形态的影响 表2表明：无性系的单叶面积在3个光强处理间均存在差异，不同无性系叶片形态对光强变化响应不一；11-26-4、11-36-26无性系的单叶面积随光强的降低而减小，11-21-8、11-26-9、11-32-1的叶面积在L1处理下最大。同一处理不同无性系的叶面积间对比，在CK和L1处理下，11-26-4的叶面积最大；在L2处理下，11-26-8的叶面积最大。3个光强下，各无性系间叶片叶形指数及比叶面积均存在差异；11-32-1的叶形指数最小，11-26-4的比叶面积最小，11-26-9的叶面积最大。光照强度的变化对11-26-4、11-32-1的叶形指数影响最小。无性系的比叶面积在不同光强处理间大部分差异显著，随着光照强度的减弱，无性系的比叶面积呈增加趋势，11-36-26无性系的比叶面积变化幅度最大，L2比CK增加了70.51%。

表 2 不同光强对欧美杨无性系叶片形态的影响Table 2 Effects of different light intensity on leaf morphology of Populus ×euramericana clones

2.2 不同光强对欧美杨光合特性的影响

2.2.1 不同光强对欧美杨光合参数的影响 图2-A表明：不同无性系的净光合速率在不同光强处理间具有显著差异，且同一处理不同无性系间也存在差异。11-26-8的净光合速率在CK和L2处理为同处理所有无性系中最大，但在L1处理下最小。3个光强处理间，L2处理各无性系的净光合速率最小；11-26-8无性系的净光合速率在CK最大，其他5个无性系的净光合速率在L1处理下最大。

图2-B表明：同一光强处理下，不同无性系间的气孔导度存在差异；11-26-8无性系在3个光强下的气孔导度值均最大；CK、L1和L2处理，气孔导度最小的无性系分别是11-36-26、11-21-8和11-32-1。光强的变化对11-21-8、11-26-8的气孔导度影响不显著；11-21-8、11-26-9、11-36-26的气孔导度值均为L1＞L2＞CK；11-26-4的气孔导度随光强的降低而增加，但11-32-1正好相反。

图 2 不同光强对6个欧美杨无性系光合参数的影响Fig. 2 Effect of different light intensity on photosynthetic parameters of 6 Populus×euramericana clones

注：小写字母表示同一光强处理下无性系间的显著差异，大写字母表示同一无性系在不同光强处理间的显著差异，显著性水平为0.01，下同。Notes: The lowercase letter represents the significant difference between clones treated with the same light intensity, and the capital letter represents the significant difference between clones treated with different light intensity, the significance level was 0.01, the same below.

图2-C表明：胞间CO2浓度随着光强的降低，总体呈上升趋势；仅11-32-1对光强变化的响应不显著，其他5个无性系均差异显著。6个无性系的胞间CO2浓度在同一光强下存在差异，11-36-26在CK下胞间CO2浓度最小，但L2处理下值最大；11-26-8的胞间CO2浓度在CK与L1下最大。

图2-D表明：无性系间的蒸腾速率在CK与L2下存在差异，在L1下差异不显著；在L1与L2下，11-26-4的蒸腾速率均最大，与蒸腾速率最小的11-21-8 和 11-26-9 分别相差 1.00、2.37 mmol·m-2·s-1；随着光强的降低，各无性系的蒸腾速率呈不同的变化趋势，11-21-8、11-26-9的蒸腾速率随着光强的降低呈下降趋势，11-26-4呈上升趋势。

2.2.2 不同光强对欧美杨叶绿素荧光参数的影响图3表明：3个光强处理下，无性系间的PSⅡ潜在光化学活性(Fv/F0)与最大光化学效率（Fv/Fm）均存在差异；光强的变化对11-26-4、11-26-8、11-32-1和 11-36-26的 Fv/F0、Fv/F0产生较大影响。图3-A表明：在CK下，11-26-4的Fv/F0值最大；在L1、L2下，11-26-9的Fv/F0值均最大；11-21-8、11-26-4、11-32-1、11-36-26 无性系的 Fv/F0值随着光强的降低而下降；11-32-1在各处理间差异显著。图3-B表明：在CK下，11-36-26的Fv/Fm值最小；在L1、L2下，11-26-9的Fv/Fm最大；除11-26-9外，其他无性系的Fv/Fm值随光强降低呈下降趋势。

2.3 不同光强对叶片叶绿素含量的影响

图4表明：所有无性系的叶绿素b含量与叶绿素总含量呈相同的变化趋势；在CK、L1下，11-26-9的叶绿素a和叶绿素b含量均最小，但在L2下叶绿素a含量为最大；在3个处理下，11-36-26在各光处理下的叶绿素a和叶绿素b含量均大于无性系整体的均值；除11-21-8外，其它5个无性系的总叶绿素含量随着光强降低而增加。

图 3 不同光强对欧美杨无性系Fv/F0、Fv/Fm的影响Fig. 3 Effect of different light intensity on Fv/F0、Fv/Fm of 6 Populus ×euramericana clones

图 4 不同光强处理对叶绿素含量的影响Fig. 4 Effect of different light intensity on chlorophyll content

2.4 不同光强对叶片钾、钙和镁元素含量的影响

表3表明：光强的变化对无性系的元素含量有较大影响，仅11-32-1的钾元素含量在3个处理间差异不显著；随着光强降低，无性系叶片钾元素含量逐渐增加，11-21-8的钾元素含量增幅最大；在CK与L1下，11-21-8的钾元素含量最小，但在L2下最大。11-21-8、11-26-4、11-26-8和 11-36-26的钙元素含量随着光强降低逐渐升高；11-26-9、11-32-1的钙元素含量在3个处理间排序为L2＞CK＞L1。在 CK、L2下，11-32-1的镁元素含量最大；11-21-8的镁元素含量在3个处理间的大小 为 L1＞L2＞CK， 11-26-4、 11-26-8、 11-26-9 与11-36-26的镁元素含量随着光强的降低而增加。

3 讨论

光强作为重要的环境生态因子之一，与植物的形态建成和生长都有着密切的关系[13-14]。本试验结果表明：随着光强的降低，多数无性系的苗高总生长量逐渐降低；在遮阴处理15 d时，所有无性系的苗高增长量均为L1＞CK＞L2；在遮阴处理45 d时，仅11-26-9的苗高总增长量在L1处理下最大，短期适当降低光强有助于无性系的苗高生长，但幼苗长期处于弱光环境中，严重影响其高生长。光照不足可能会降低植物的光合作用强度，进而影响植物的生长速率和碳元素积累[15]。L2处理下的11-36-26在30～45 d内封顶，可能是该无性系对光强变化较敏感，生长势较弱，降低光强易改变其生长节律。随着光强的降低，不同无性系的叶片形态变化趋势不一，无性系间的叶面积、叶形指数及比叶面积差异显著；在CK与L1处理下，11-26-4的叶面积最大，由于其具有较大的叶面积，比叶面积较小；在L1和L2处理下，11-32-1的叶面积、叶形指数均为同处理所有无性系的最小值，其叶片的宽度均大于长度。光强的变化对11-26-4的叶面积影响显著，该无性系的L2比CK处理下的叶面积降低了37.22%。随着光强的降低，无性系的比叶面积呈增加趋势。在3个光强处理下，比叶面积最大的无性系是11-26-9，可能因为其具有较大的比叶面积，所以，在L1、L2处下具有较大的高增长量。

净光合速率(Pn)是衡量植物在逆境条件下光合生理应激能力的重要参数[16]。Pn的大小可用来衡量植物的光合能力，导致Pn下降的主要原因既可能是气孔限制，也可能是非气孔限制[17-18]。本试验结果显示：在L2处理下无性系的Pn最低，而Ci最高，由此可以推断，L2处理Pn下降的主要原因是非气孔限制。这可能是长期弱光处理导致叶肉细胞光合活性降低，CO2同化效率下降，所以，无性系在L2的Ci最高。在CK、L2处理下，11-26-8的Pn最大，其高增长量较大；11-36-26的Pn最小，其高增长量较小。各无性系的气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)随光强的减弱呈不同的变化趋势。不同光处理间，11-21-8、11-26-8和11-26-9无性系的Tr均是CK下最大。有研究表明，在强光条件下，植物可通过大量蒸腾失水来降低植物体内的温度为体内生理活动的正常进行创造条件[19]。这3个无性系可能通过强蒸腾作用来降低温度，以维持正常的生理活动。11-26-4和11-36-26的Gs与Tr在不同处理间呈相同的变化趋势，可能是Gs的增加促使这2个无性系的蒸腾速率上升。

表 3 不同光照强度对欧美杨无性系叶片矿质元素的影响Table 3 Effects of different light intensity on mineral element of Populus ×euramericana clones

对于植物的光合作用机理及植物对环境响应机理的研究，叶绿素荧光参数分析是一种反应灵敏、操作简便且对植物无侵扰的方法[20]。本试验无性系的PSⅡ潜在光化学活性(Fv/F0)及光能转化率(Fv/Fm)在3个光强处理间呈现相同的变化趋势。正常情况下，没有遭受环境胁迫并经过充分暗适应植物叶片的Fv/Fm是比较恒定的，一般为0.80～0.85[21]。本试验处理下的所有无性系的Fv/Fm值均大于0.80，降低光强没有破坏无性系的PSⅡ结构。不同光处理间，11-26-9的Fv/F0、Fv/Fm在L1最大，说明该无性系的PSⅡ在L1活性最高，且11-26-9的苗高增长量、Pn及Gs也在L1处理最大，显示其在适度降低光强的条件下，光合生理活性较优。植物通过光合色素捕获光能进行光合作用，光照强度的大小会影响色素的形成和分布，进而影响光合作用[22-23]。除11-21-8无性系外，无性系的总叶绿素含量随光强的降低而升高；在CK与L2处理下，11-26-9、11-26-4的总叶绿素含量均较少，11-36-26最高，但11-36-26的高增长量与Pn没有呈现相同的趋势，可能是无性系的基因型不同。有研究表明，降低光强会减少色素的光氧化伤害和改变叶绿体结构，无性系的叶绿体含量增多是为了捕获更多的光能[24-25]。3个处理间相比，11-21-8的总叶绿素含量为L2＞CK＞L1，与净光合速率的变化趋势相反，虽然在L1处理下叶绿素a和叶绿素b含量降低，但没有影响该无性系的净光合速率。

光为矿质营养的吸收与代谢过程提供能量[26]，因此，光强的变化必然会对植物营养元素的吸收运输与分配产生影响。钾、钙、镁元素是植物生长不可缺少的矿质元素，它们是细胞结构的物质组成成分、渗透调节物质和细胞信号转导信使等[27]。本试验结果显示：随着光强的降低，多数无性系的钾、钙、镁元素含量呈上升趋势；11-21-8的钙元素含量变幅最大，11-36-26的镁元素含量增加最多。不同无性系的矿质营养元素对光强变化的响应不同，钾、钙元素含量的升高对细胞渗透势调节有重要作用。降低光强，11-26-4、11-26-8、11-26-9与11-36-26无性系的镁元素升高，叶绿素含量也增加。

4 结论

通过对6个杂交欧美杨无性系的光强控制试验，发现适当短期降低光强有助于提高多数无性系的高生长，但长期的弱光条件影响无性系的高生长。不同无性系对光强变化的适应策略不同，部分无性系的高生长与光合参数随光强的降低而逐渐减小；降低光强没有破坏无性系的PSⅡ结构，多数无性系的总叶绿素含量、矿质元素含量随着光强的降低而升高；11-36-26无性系的生长势及抗弱光能力较弱。根据本研究结论，筛选高光效杂交欧美杨无性系，不能仅以高生长为主要参照指标，需结合无性系的净光合速率、叶绿素含量及矿质营养元素含量指标综合评定。高增长量大、净光合速率高、叶绿素含量低、矿质营养元素含量高的无性系对光的利用效率较高。