果树学报2006,23(2):209~213
JournalofFruitScience
遮阴对丰香草莓光合作用及叶绿素
荧光特性的影响
刘卫琴,汪良驹*,刘晖,庄猛,李志强
(南京农业大学园艺学院,南京210095)
摘要:以盆栽丰香草莓为材料,研究了遮阴处理对草莓光合作用及叶绿素荧光特性的影响。结果表明,遮阴处理增加草莓叶柄长度、叶面积以及光合色素含量,但降低了比叶重;遮阴处理显著降低草莓叶片的羧化效率(CE)、暗呼吸(Rd)、光补偿点(LCP)和光饱和点(LSP),提高了其表观量子效率(AQY)和CO2补偿点(CCP)。遮阴后草莓Pn日变化由“双峰”型变为“单峰”型,日光合总量显著低于对照,早晚时分水分利用率(WUE)有所下降。遮阴后,叶片气孔导度(Gs)提高,蒸腾速率(Tr)下降,可能与叶面温度下降有关。叶绿素荧光动力学测定显示,遮阴处理草莓叶片的初始荧光(Fo)和PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)日变化曲线与对照相似,但Fo值始终低于对照,Fv/Fm值显著高于对照。以上参数表明丰香草莓对弱光环境有一定的适应能力,遮阴处理可以减轻强光下的草莓叶片光抑制程度,提高植株对光能的利用能力,但同时也需要注意提高环境中CO2浓度。
关键词:草莓;遮阴;光合作用;叶绿素荧光;光抑制
中图分类号:S668.4文献标识码:A文章编号:1009-9980(2006)02-209-05
Effectsofshadingonphotosynthesisandchlorophyllfluorescencecharac-teristicsofToyonokastrawberrycultivar
LIUWei-qin,WANGLiang-ju*,LIUHui,ZHUANGMeng,LIZhi-qiang
(CollegeofHorticulture,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing,Jiangsu210095China)
Abstract:ExperimentwasconductedwithpottedstrawberrycultivarToyonokaforstudyingeffectsofshadingonitsphoto-synthesisandchlorophyllfluorescencecharacteristics.Theresultsshowedthatthepetiolelength,leafareaandthecontentofchlorophyllandcarotenoidundershadingconditionwerehigherthanthoseofcontrol,butthespecificleafweight(SLW),car-boxylationefficiency(CE),darkrespiration(Rd),lightsaturationpoint(LSP)andlightcompensationpoint(LCP)becamelower.Furthermore,shadingincreasedtheapparentquantumyield(AQY)andtheCO2compensationpoint(CCP),whichrep-resentedthattheplantswouldbemoreefficienttotransferlightquantumintochemicalenergyunderlowlightstress,buttheaffinitytoCO2wasdecreased.Becauseofshading,thehighestsunlightintensityatnoon,about2000μmol/m2?s,declinedto600μmol/m2?s,andthediurnalvariation,adouble-peakcurve,ofnetphotosyntheticrate(Pn)ofstrawberryundernatureenvironmentbecameasingle-peak,andthedailyaccumulationofphotosynthatedecreasedabout38%.Shadingincreasedtheleafstomatalconductance(Gs)butthetranspirationratewaslowerthanthatofcontrol,whichwastheresultoflowertem-peratureundershading.Shadingalsodecreasedtheminimalfluorescence(Fo)butpromotedthePSⅡmaximalphotochemicalefficiency(Fv/Fm),implyingthatshadingmightprotectintegrationofthephotosyntheticmembranesystemsandphotochemicalefficiencyagainstthestronglightstress.Theresultsaboveindicatedthatshadingwasindeedbeneficialforstrawberrygrowthandalleviatedphotosyntheticphotoinhibition,butitshouldbenotedtoincreaseCO2concentrationforstrawberryunderlowlightenvironment.
KeyWords:Strawberry;Shading;Photosynthesis;Chlorophyllfluorescence;Photoinhibition
近年来,我国草莓生产面积迅速扩大,尤其是大棚草莓,已经成为我国元旦春节期间果品市场上最重要的应市鲜果之一[1]。一般认为,草莓比较耐阴,生长在光照强度较弱的温室大棚里可能更加适宜[2]。然而,客观公正地评价遮阴对草莓生长发育以及生理特性的影响是重要的。迟伟等[3]报道了遮阴
收稿日期:2005-06-20接受日期:2005-11-11
基金项目:国家自然科学基金资助项目(30471181)。
作者简介:刘卫琴,女,硕士。现在江苏省华西都市农业科技发展有限公司工作。E-mail:yinling915@163.com>通讯作者。Authorforcorrespondence.Tel:13851564195,E-mail:wlj@njau.edu.cn
果树学报23卷
A
B
图1
遮阴对草莓光强PFD(A)和叶面温度Tl(B)
日变化的影响
Fig.1Effectofshadingondiurnalvariationofphotonfluxdensity(A)andleaftemperature(B)ofstrawberryleaves
处理对硕丰和宝交早生草莓光合特性的影响,认为遮阴导致草莓叶片净光合速率显著降低,而表观量子效率、叶片叶绿素含量升高,光系统Ⅱ电子传递活性以及1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)活性降低,因此,遮阴对草莓光合作用有利有弊。如何趋利避弊是果树生产中必须注意的问题。本文以丰香草莓为材料,研究了遮阴处理对草莓叶片的光合作用及叶绿素荧光特性的影响,旨在为草莓设施栽培提供理论依据。
1
材料和方法
1.1
试材培养与遮光处理
供试材料为丰香草莓(Fragariaananassacv.
Toyonoka)。于2004年9月中旬将2叶期分株苗定
植于白色塑料花盆(直径20cm,高16cm)中。栽培基质为园土(含15%有机肥)与蛭石按1∶1配比的混合基质。定植后先将幼苗置于无直射光的荫蔽处缓苗1周,然后,将其中1/2置于光照充足的大楼平顶上(晴天中午最高光强约2000μmol/m2?s),1/2用1层遮阳网(网内光强为自然光强1/3左右)进行遮阴处理。遮阳网的高度距地面1.2m,以便于日常浇水管理。30d后,植株长至6张叶片左右,测定不同环
境下生长植株叶片光合、叶绿素荧光以及其它生理指标。
1.2光合参数的测定
参照前文所述的方法[4,5],选晴朗天气,用英国
PP-System公司生产的CIRAS-1型光合测定系统,
采用开放式气路测定净光合速率。入射光强设为1000μmol/m2?s,叶室温度为25℃,大气CO2浓度约
400μL/L。净光合速率(Pn)、
蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、细胞间隙CO2浓度(Ci)等参数由仪器直接测得;表观量子效率(AQY)和羧化效率(CE)、光呼
吸速率(Rl)和暗呼吸速率(Rd)、
光补偿点(LCP)、CO2补偿点(CCP)和水分利用率(WUE)等可依前文[4,5]计算得出。试验测定过程中,每处理重复测定3株,每株测定3张中部叶片。1.3叶绿素荧光参数的测定
参照前文[6]方法,用FMS-2便携脉冲调制式荧光仪(英国Hansatech公司生产)进行叶绿素荧光参数的测定。每处理重复测定3株,每株测中部3片叶。
1.4其他生理指标的测定
叶绿素及类胡萝卜素含量的测定参照张宪政[7]
方法,叶面积测定参照乔宝营等[8]方法,比叶重测定
参照范晶等[9]方法。
1.5试验数据分析
利用Excel中的图表向导做相应的曲线,利用
其中的数据分析工具做单因素方差分析,判定试验效应显著与否。光合产物日积累量的计算是利用净光合速率日变化曲线和AutoCAD软件,通过比较曲线围成的面积(积分)得到其相对值。
2
结果与分析
2.1
遮阴对草莓生长环境的影响
从图1可以看出,10月下旬南京地区晴天中午
自然光照强度达2000μmol/m2?s,草莓叶片温度也超过36℃。遮阴处理没有改变光照强度和草莓叶温的日变化曲线类型,对早晚光照强度以及叶温的影响也较少,但是中午光照强度降至600μmol/m2?s,最高叶温也降低到27℃左右(图1)。因而,遮阴为草莓生长发育创造了更温和的环境条件。不过,遮阴处理对草莓生长环境的大气水汽压和大气CO2浓度没有显著影响(数据未列出)。
2.2
遮阴对草莓植株形态及叶片光合色素含量的影响
从表1可以看出,遮阴草莓叶柄极显著长于对
照,叶面积也显著高于对照,2者增幅分别为133.0%和18.0%,而比叶重却降低30%。
遮阴处理明光强PFD(μmol/m2?s)
时间O’clock
叶面温度
Tl(℃)
不遮阴Unshading
遮阴Shading
210
2期
图2
遮阴下草莓净光合速率Pn(A)和水分利用率WUE
(B)日变化的影响
Fig.2EffectsofshadingondiurnalvariationofPn(A)and
wateruseefficiency(B)ofstrawberryleaves
刘卫琴等:遮阴对丰香草莓光合作用及叶绿素荧光特性的影响净光合速率
Pn(CO2μmol/m2?s)
不遮阴Unshading
遮阴Shading
水分利用率
Wateruseefficiency
(CO2mmol/H2O2mol)
时间O’clock
注:不同大写字母代表差异P<0.01,小写字母代表差异P<0.05。下同。
Note:ThedifferentcapitallettersrepresentsignificanceP<0.01,andsmalllettersshowedsignificanceP<0.05.Thesameasbelow.
显提高草莓叶片的光合色素含量,其中叶绿素a增加15.6%,叶绿素b增加30.8%,导致遮阴草莓叶片的叶绿素a/b极显著低于对照。遮阴也使草莓叶片类胡萝卜素含量增加18.8%。说明草莓是一种比较
耐阴的植物,在透光率只有自然光照34%左右的条件下,植株营养生长受到促进,叶绿素含量尤其叶绿素b含量提高,因而可以增强捕获光能的能力,适应环境光照强度的变化,但是叶片质量明显下降。
2.2遮阴对草莓叶片光合作用的影响2.2.1
遮阴对草莓叶片光合指标的影响
表2结果
显示,遮阴草莓叶片表观量子效率(AQY)极显著高于对照,而暗呼吸速率(Rd)、光饱和点(LSP)和光补偿点(LCP)等均显著低于后者,说明这些草莓植株已经适应了弱光条件,提高了叶片利用光能的能力。
但是,遮阴处理显著降低草莓叶片羧化效率(CE)和光呼吸速率(Rl),并极显著提高CO2补偿点(CCP)。遮阴草莓叶片CE和Rl分别比对照低50%和
34.0%,而CCP比对照高26.7%,暗示着遮阴条件下
草莓叶片光合暗反应活性以及对CO2的利用率下降(表2)。
处理
Treatment叶柄长
Petiolelength(cm)单叶面积
Singleleafarea(cm2)比叶重
Specificleafweight(g/m2)叶绿素a
Chla(mg/g)叶绿素b
Chlb(mg/g)Chla/b类胡萝卜素
Car(mg/g)对照Control遮阴Shading
2.403B5.599A11.64b13.69a72.96A50.92B0.45b0.52a0.13b0.17a
3.43A2.96B0.32b0.38a
表1
遮阴对草莓叶柄长度、叶面积、比叶重及光合色素含量的影响
Table1Effectsofshadingonpetiolelength,leafarea,specificleafweightandpigmentcontentofstrawberryleaves
处理
Treatment表观量子效率
AQY羧化效率
CE光呼吸
Rl
(CO2μmol/m2?s)
暗呼吸
Rd
(CO2μmol/m2?s)
光饱和点
LSP
(μmol/m2?s)
光补偿点
LCP
(μmol/m2?s)
CO2补偿点CCP(CO2μL/L)对照Control遮阴Shading
0.0123B0.0139A
0.138a0.069b
8.330A6.108B1.47a0.97b800A400B65.93A48.40B
66.657B99.678A
表2
遮阴对草莓叶片主要光合指标的影响
Table2Effectsofshadingonthephotosyntheticparametersofstrawberryleaves
2.2.2遮阴对草莓植株光合作用日变化的影响图2-A显示,未遮阴草莓植株净光合速率的日变化为
“双峰”型曲线,有明显的光合“
午休”现象,峰值分别出现在9:00和13:00,谷值在11:00;而遮阴处理草莓叶片Pn日变化为“单峰”型,11:00出现峰值。然而,与其说遮阴处理消除了草莓光合“
午休”,倒不如说是消除了午前和午后的“双峰”,因为即使未遮阴的对照植株存在着午休现象,但一天的光合积累量仍然明显大于遮阴处理,其中遮阴处理叶片最大Pn值为前者的52%,一天中叶片光合积累总量(积分值)为前者的61.9%。
由图2-B可以看出,一天中草莓植株叶片水分利用率(WUE)整体上呈下降趋势,其中早晨或傍晚,未遮阴的植株WUE显著高于遮阴处理,而从上午9时至下午15时之间,2者WUE相差不大。早晨或傍晚对照植株WUE较高的原因是其叶片能够接受到更多的光能,从而维持较高的Pn值。
图3结果表明,盆栽草莓植株叶片气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)的日变化呈“单峰”曲线,而且不受遮阴处理的影响,其中Gs峰值出现在9:00,Tr峰值出现在11:00。值得注意的是,未遮阴植株1d中蒸腾速率以及蒸腾总量明显高于遮阴植株(图3-
B),但是前者的气孔导度却明显小于后者(图3-A),说明遮阴植株虽然气孔开度大,但是蒸腾失水
A
B
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果树学报23卷
图3遮阴对草莓气孔导度Gs(A)和蒸腾速率
Tr(B)日变化的影响
Fig.3Effectofshadingondiurnalvariationofstomatal
conductance(A)andtranspirationrate(B)
ofstrawberryleaves
图4遮阴对草莓叶片叶绿素荧光参数日变化的影响
Fig.4Effectofshadingondiurnalvariationofchlorophyll
fluorescenceofstrawberryleaves
不遮阴Unshading
遮阴Shading
气孔导度
Gs(H2O2mmol/m2?s)
时间O’clock
反而低于对照。这与遮阴后植株叶片温度较低有关(图1)。
2.3遮阴下草莓叶片叶绿素荧光日变化
图4结果显示,盆栽草莓叶片初始荧光(Fo)的
日变化呈现“单峰”曲线,而最大光化学效率(Fv/Fm)
的日变化则呈现“单谷”曲线,峰值或谷值均出现在
上午10:00左右。遮阴处理显著降低了叶片Fo值,减少了10:00左右Fo的增加量(峰值),表明遮阴处理有利于草莓叶片保持较低的初始荧光(图4-A)。同时,遮阴处理提高了草莓叶片Fv/Fm值,减少了1d中Fv/Fm的降低量(谷值)。
3
讨论
本研究结果显示,草莓是一种耐阴性较强的多年生植物,在人工遮阴约66%条件下培养超过1个月,植株生长没有受到抑制,反而表现出较好的适应性,主要体现在以下5个方面:
1)遮阴条件下,草莓叶柄增长,叶片更为舒展,
减少了相互重叠覆盖程度;叶面积增大,有利于植物在荫蔽环境中接受光能(表1)。
2)遮阴处理显著提高了草莓叶片的叶绿素,特
别是叶绿素b含量,叶绿素a/b比值的下降,从而有利于植株在弱光环境中捕获光能。这与黄瓜[10]和花生[11]上研究结果类似。
3)遮阴处理草莓叶片的AQY升高,LCP和Rd下降(表2),因此光能利用效率提高,暗呼吸消耗减
少,有利于植株在弱光环境下光合产物的积累。这与紫椴幼树研究结果类似[12],也与硕丰和宝交早生2个草莓品种的观察结果相似[3]。
4)已有研究表明,植物光合作用的初始荧光Fo
升高是光合膜系统,特别是PSⅡ反应中心受到伤害的结果[13]。本试验结果表明,草莓叶片Fo值无论是
遮阴处理还是对照植株上,都存在着日变化过程,但是,相对于对照而言,遮阴叶片Fo的最大值明显下降,显示了遮阴处理对草莓PSⅡ反应中心的保护效应(图4-A)。
5)Fv/Fm值反映了PSⅡ原初光化学效率,它是反
应植物光抑制程度的可靠指标[14]。
本研究表明,午间强光下草莓叶片Fv/Fm出现不同程度的降低,说明存
在光抑制现象[15,16]。但一天中遮阴处理草莓的Fv/Fm值始终高于对照,并且在中午下降幅度较少(图4-
B),说明遮阴处理减轻了草莓叶片的光抑制程度。
以上结果说明,遮阴处理确实提高了草莓叶片光能利用效率,减少了暗呼吸消耗,消除了光抑制,有利于植株的生长。然而,遮阴也降低了光照强度
(图1),导致了单位面积叶片净光合速率的大幅度下降,降低了一天中最大净光合速率和总的光合积累量(图2),因而叶片的比叶重明显下降(表1),说明叶片质量下降。遮阴处理的另一个不良影响是降
初始荧光
Fo
最大光化学效率
Fv/Fm
不遮阴Unshading
遮阴Shading
时间O’clock
A
B
A
B
2.01.61.20.80.40.0
蒸腾速率
Tr(H2O2mmol/m2?s)
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2期刘卫琴等:遮阴对丰香草莓光合作用及叶绿素荧光特性的影响
低了草莓叶片对CO2的亲和能力[17],表现为羧化效率CE值下降,CO2补偿点上升(表2)。因而,在温室、大棚中生长的草莓不仅仅要考虑对光的依赖性,更应该强调对CO2的依赖性。温室中施用CO2肥将有利于草莓光合积累和生长发育。
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