第26卷第1期北華大學學報 自然科學版 Vol 26 No 1 2025年1月JOURNAL OF BEIHUA UNIVERSITY Natural Science Jan 2025 文章編號 1009 4822 2025 01 0017 07 DOI 10 11713 j issn 1009 4822 2025 01 003 不同遮陰條件對北美冬青幼苗葉片 光合特性與超微結構的影響 王玉瑩1 2 吳生海1 王金玲1 呂偉偉1 于志會1 楊春波1 杜鳳國1 3 1 北華大學林學院 吉林吉林 132013 2 黑龍江省林業(yè)科學院佳木斯分院 黑龍江佳木斯 154007 3 長白山特色森林資源保育與高效利用國家林業(yè)和草原局重點實驗室 吉林吉林 132013 摘要 研究不同遮陰條件下北美冬青 Ilex verticillata 幼苗葉片的光合生理特性與超微結構 揭示其對光的適應 規(guī)律 光合與超微結構關系 為北美冬青引種栽培 苗木培育和經營提供依據 以3 a生北美冬青實生苗為研究 對象 采用Li 6800光合儀測定全光 L0 35 遮陰 L35 55 遮陰 L55 和75 遮陰 L75 4種遮陰條件下北美 冬青幼苗葉片的光合指標 葉綠素熒光 利用掃描電鏡觀察北美冬青葉片超微結構 結果表明 7月4種處理凈 光合速率日變化曲線呈單峰 北美冬青幼苗葉片35 遮陰處理光響應表現最佳 隨著遮陰度的提高 光適應下 的初始熒光 Fo 最大熒光 F m 最大可變熒光 F v PS 光能轉換效率 F v F m 穩(wěn)態(tài)熒光 FS 和光化學淬滅 系數 qP 呈逐漸變大趨勢 北美冬青幼苗葉片的非光化學淬滅系數 QNP 隨遮陰度提高而降低 葉片在受到強 光脅迫時通過耗散熱能來緩解光合損傷 具有較高的光保護能力 北美冬青幼苗葉片氣孔張開度隨光強的提高 而變大 但過強的光照會抑制氣孔張開 凈光合速率隨氣孔的大小及張開度而變化 氣孔張開度最大時 凈光合 速率最大 關鍵詞 北美冬青 遮陰 光合特性 超微結構 中圖分類號 S718 Q948文獻標志碼 A 收稿日期 2024 06 07 基金項目 國家林業(yè)和草原局林業(yè)外來物種調查與研究專項 KJZXSA202019 作者簡介 王玉瑩 1998 女 碩士研究生 主要從事野生動植物保護與利用研究 E mail 2621687525 qq com 通信作者 杜鳳國 1960 男 博士 教授 博士生導師 主要從事長白山瀕危植物保育生物學研究 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 為冬青科 Ilexiaceae 冬青屬 Ilex L 多年生落葉灌木 原產 于美國東北部 其樹形美觀 葉深綠色 夏季開白花 秋季結紅果 果實經冬不落 為冬季觀果樹種 觀賞價 值高 是一種重要的植物資源 在國外 北美冬青從加拿大東部的新斯科舍省 Nova Scotia 一直往南到美 國東南部的佛羅里達州 State of Florida 以及法國等歐洲各國均有栽培 1 2 在國內 北美冬青的引種栽培多 在我國中部和南部地區(qū) 而東北地區(qū)引種栽培北美冬青的時間較短 北美冬青研究主要集中在栽培品種與 引種 3 6 品種親緣關系 7 生物和生理生態(tài) 8 10 生長和繁殖 11 12 育苗與栽培 13 15 及應用 3 16 等方面 對 于光合特性 有學者 10 17 使用Li 6400光合儀對河南引種栽培的3 a生北美冬青幼苗光合日變化和季節(jié)變化 進行了初步研究 發(fā)現光合日變化為雙峰曲線 目前 關于引種到東北吉林的北美冬青幼苗對光的適應情 況 特別是關于不同光強下北美冬青光合生理特性和氣孔超微結構之間的關系尚未見報道 光合作用是植物生長發(fā)育的基礎 而光強是影響光合作用的主要因子 植物光合作用隨光強的降低 而下降 持續(xù)的光強降低甚至會導致植物枯萎直至死亡 而過高的光強同樣會抑制植物生長發(fā)育和形態(tài)建 構 每個樹種都有其最適光強 光強過高 過低均會引起氣孔開啟和關閉 進而影響氣體交換 抑制光合作 用 18 20 目前 關于北美冬青葉片的光合作用與氣孔變化之間關系尚不清楚 因此 本文通過不同遮陰 設置4種光強 測定光合參數 觀察氣孔超微結構 旨在揭示不同光強下北美冬青幼苗葉片光合及熒光特 性 探索其對光的需求及適應規(guī)律 光合特性與葉片氣孔超微結構的關系 進而為北美冬青苗木繁育 高效 栽培和經營提供依據 也為冬青科冬青屬其他落葉種類的苗木培育提供借鑒 1 材料與方法 1 1 試驗地概況 試驗地位于吉林省吉林市豐滿區(qū)吉林市林業(yè)科學研究院四合林業(yè)科普基地 土壤條件一致 土壤氮質 量分數為88 290 mg kg 磷質量分數為267 868 mg kg 鉀質量分數為46 028 mg kg 該基地為溫帶季風性 氣候 冬季漫長 平均年降水量為674 mm 無霜期平均為134 d 累計年平均日照時間為2 438 h 全年平均 氣溫為3 4 5 2 1 2 試驗設計 供試材料為從吉林省遼源市引進的3 a生北美冬青幼苗 株高約65 cm 采取相同的管理措施 每周除 草1次 采用不同網眼大小的遮陽網設置不同遮陰處理 獲得不同光強 在全光照和各組遮陽網下 利 用照度計 TES 1334A 同步測量光強 通過計算遮陰組與全光照組光強比控制遮陰度 分別為0遮陰 全 光 L0 35 遮陰 L35 55 遮陰 L55 75 遮陰 L75 4種處理 1 3 試驗方法 1 3 1 不同遮陰下北美冬青幼苗葉片光合參數測定 1 光合日變化 在7月上 中 下旬選擇晴朗的3 d進行3次測定 每個處理選擇長勢一致的3株北 美冬青幼苗 每株選擇植株上部側枝的第2 3 4枚葉片 每片葉重復測量3組數據 每組遮陰均選擇朝向 相同的葉片 保持葉片自然生長 在各條件穩(wěn)定狀態(tài)下記錄6個瞬時值 利用Li 6800測定6 00 8 00 10 00 12 00 14 00 16 00 18 00時的光合參數 儀器自動記錄凈光合速率 A 2 光響應參數 2023年7月選擇2個晴朗上午 利用Li 6800測定4種遮陰下北美冬青幼苗葉片的光響 應參數 每枚葉片測量前先用最大光強光誘導20 min 控制流速為400 mol s CO2濃度為400 mol mol CO2由外置CO2小鋼瓶提供 相對濕度控制在60 葉室溫度設置為26 光合有效輻射梯度為1 800 1 600 1 400 1 200 1 000 800 600 400 200 100 50 0 mol m2 s 采用CO2注入系統自動控制 測定 不同光合有效輻射下的凈光合速率 81北華大學學報 自然科學版 第26卷 3 葉綠素熒光參數 測熒光參數的前一晚 用錫箔紙將北美冬青幼苗葉片包裹 每株包裹5枚葉片 作 為脫落葉片的補充 第二天測量熒光參數 每個處理隨機選擇2株植株 每株測量3枚葉片 葉綠素熒光 參數測定與光合日變化測定同步 利用Li 6800測定初始熒光 Fo 最大熒光 Fm 最大PS 的光能轉換 效率 Fv Fm 光適應下初始熒光 F o 最大熒光 F m 穩(wěn)態(tài)熒光 FS 最大可變熒光 F v 計算光化學淬滅 系數 qP 非光化學淬滅系數 QNP 表觀量子傳遞速率 ETR 及實際光化學效率 PS 等 吸收光能用于 天線熱耗散 D 1 F v F m 100 PS 反應中心非光化學能量耗散 E 1 qP F v F m 100 1 3 2 北美冬青幼苗葉片超微結構觀察 7月份選擇晴朗的一天 葉片氣孔超微結構樣品采樣與光合特性測定在同天同株同步進行 選擇無 遮陰處理組和35 遮陰處理組 在6 00 8 00 10 00 12 00 14 00 16 00 18 00各取一次葉片樣品 主枝 第3枚葉片 用刀片在每枚葉片中脈和葉緣之間截取1 cm 1 cm樣品2個 迅速放入裝有FAA固定液 V 福爾馬林 V 冰醋酸 V 70 酒精 V 甘油 1 1 18 1 的瓶中 輕輕晃動直至葉片樣品完全浸 入 放入4 冰箱 固定24 h以上 電鏡觀察前 首先用70 80 90 濃度梯度的乙醇溶液脫水 每個 梯度20 min 再用無水乙醇各脫水2次 每次15 min 用雙面膠粘樣 背面向上 經噴金處理后 用Quanta 200型環(huán)境掃描電子顯微鏡分別觀察 500 1 000 5 000氣孔狀態(tài)并拍照 保證同一觀察部位的放大倍 數一致 1 4 數據處理與分析 使用WPS 2023錄入 整理試驗數據 計算平均值及標準差 使用SPSS 24 0進行單因素方差分析 置 信區(qū)間為95 PL0 L55 L75 隨著遮陰程度的提高 光響應呈現先上升后下降的趨勢 圖1不同遮陰下北美冬青幼苗葉片的凈光合速率日變化 Fig 1 Daily variation of net photosynthetic rate of Ilex verticillata seedling leaves under different shading conditions 圖2北美冬青幼苗葉片的光響應 Fig 2 Light response of Ilex verticillata seedling leaves 91第1期王玉瑩 等 不同遮陰條件對北美冬青幼苗葉片光合特性與超微結構的影響 2 1 3 不同遮陰下北美冬青幼苗葉片熒光參數 不同遮陰下北美冬青幼苗葉片熒光參數見表1 由表1可知 北美冬青幼苗葉片的L75處理組Fo最高 4 處理組差異不顯著 L35的Fm和Fv Fm最高 4處理組差異不顯著 L75的F o最高 L0 L55和L75之間的F o差 異顯著 F m qP和F v均為L75最高 L35和L55與L0 L75之間差異顯著 L75的F v F m最高 4處理組差異顯著 L75的FS最高 且與L0 L35 L55差異顯著 L0的QNP和E最高 L35 L55與L0 L75差異顯著 L35的ETR最 高 L35與L75差異顯著 L75的 PS 最高 4處理組差異顯著 L0處理組的D最高 4處理組差異顯著 L0 和L75處理組的最大PS 光能轉換效率小于0 8 說明全光照和75 遮陰處理均使北美冬青幼苗葉片受 到了光抑制 表1 不同遮陰下北美冬青幼苗葉片熒光參數 Tab 1 Fluorescence parameters of Ilex verticillata seedling leaves under different shading conditions 指標熒光參數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 同列不同小寫字母表示差異顯著 P 0 05 2 2 北美冬青幼苗葉片氣孔變化 由圖3 4可見 L0處理組北美冬青幼苗葉片在6 00時有少部分氣孔張開 張開角度較小 氣孔寬度 為1 92 m 在10 00時氣孔全部張開 并且氣孔器長 寬最大 分別為11 25 m和5 9 m 在18 00時氣 孔大部分關閉 只有個別氣孔張開 并且氣孔器長 寬最小 分別為4 89 m和1 43 m L0處理組北美冬 青幼苗葉片氣孔器長 寬呈現先增大再減小的趨勢 由圖4 5可見 L35處理組北美冬青幼苗葉片在6 00時氣孔全部呈關閉狀態(tài) 氣孔器長 寬最小 在 12 00時氣孔全部張開并且氣孔器長 寬最大 分別為17 46 m和4 92 m 在18 00時氣孔大部分關閉 只有個別氣孔張開 且張開角度極小 此時氣孔器長 寬分別為1 43 m和0 34 m L35處理組北美冬青 幼苗葉片氣孔器長 寬呈現先增大再減小的趨勢 6 00 10 00 L0處理組氣孔長 寬大于L35處理組 12 00 L35處理組氣孔器長 寬大于L0處理組 14 00 18 00 L0處理組氣孔器長 寬開始大于L35處理組 在午間光強最強時 北美冬青幼苗葉片的 35 遮陰組氣孔張開程度高于未遮陰處理組 過強的光會抑制氣孔張開 表2 北美冬青幼苗葉片氣孔特性 Tab 2 Stomatal characteristics of Ilex verticillata seedling leaves 參數氣孔特性 m6 00 8 00 10 00 12 00 14 00 16 00 18 00 L0氣孔器長7 38 8 11 11 25 6 01 6 85 6 40 4 89 L0氣孔器寬1 92 4 05 5 90 3 03 2 09 2 19 1 43 L35氣孔器長0 5 98 8 42 17 46 5 96 5 94 1 55 L35氣孔器寬0 1 54 4 38 4 92 1 83 1 79 0 34 02北華大學學報 自然科學版 第26卷 圖3北美冬青幼苗葉片L0處理組氣孔 1 000 Fig 3 Stomata of Ilex verticillata seedling leaves in the L0 treatment group 1 000 圖4北美冬青幼苗葉片L0處理組單個氣孔 5 000 Fig 4 Single stomata of Ilex verticillata seedling leaves in the L0 treatment group 5 000 圖5北美冬青幼苗葉片L35處理組氣孔 1 000 Fig 5 Stomata of Ilex verticillata seedling leaves in L35 treatment group 1 000 12第1期王玉瑩 等 不同遮陰條件對北美冬青幼苗葉片光合特性與超微結構的影響 圖6北美冬青幼苗葉片L35處理組單個氣孔 5 000 Fig 6 Single stomata of Ilex verticillata seedling leaves in the L35 treatment group 5 000 3 結論與討論 3 1 北美冬青幼苗葉片的凈光合速率 光響應均是35 遮陰處理最佳 北美冬青幼苗葉片L35處理組凈光合速率最佳 10 00時凈光合速率最大 7月無光合午休 這可能是 由吉林市2023年7月陰雨天多 光強較弱導致的 35 遮陰處理光響應表現最好 當光合有效輻射在0 300 mol m2 s 時 凈光合速率迅速升高 在300 600 mol m2 s 時上升速度減小 在600 1 800時趨于平穩(wěn) 說明隨著光合有效輻射的升高凈 光合速率呈先上升再平穩(wěn)再趨于穩(wěn)定趨勢 這與魏春燕等 21 研究遮陰對七子花幼苗光合特性所得結論一 致 這也可能是因為北美冬青與七子花都是落葉灌木 生境為林下遮陰環(huán)境所致 由此可見 在苗木生長 發(fā)育期間 當陰雨天氣多時 對幼苗進行35 遮陰可以充分發(fā)揮北美冬青幼苗葉片利用弱光能力強的特 點 提高光合效率 促進苗木快速生長 3 2 不同遮陰下北美冬青幼苗葉片葉綠素熒光特性存在差異 35 遮陰處理PS 光能轉換效率和ETR最大 正常生理狀態(tài)下 絕大多數高等植物的Fv Fm約為 0 8 除受脅迫外Fv Fm是比較恒定的 21 全光照和70 遮陰處理北美冬青幼苗葉片的Fv Fm小于0 8 說明全光照和75 遮陰處理均使北美冬青幼苗葉片受到了光抑制 隨著遮陰的增強 光適應下的初始熒光 最大熒光 最大可變熒光 PS 光能轉換效率 穩(wěn)態(tài)熒光和光 化學淬滅系數呈現逐漸變大趨勢 L0處理組的qP最小 說明全光照下北美冬青幼苗葉片電子傳遞活性 最弱 QNP隨遮陰增大持續(xù)降低 全光照處理下的QNP最大 這與前人對紫堇 Corydalis incisa 22 和銀葉 樹 Heritiera littoralis 23 的研究結果一致 說明北美冬青幼苗葉片在受到強光脅迫時通過耗散熱能來緩解 光合損傷 具有較高的光保護能力 24 3 3 北美冬青幼苗葉片凈光合速率隨氣孔開張度而變化 35 遮陰處理北美冬青幼苗葉片氣孔器長 寬呈現先增大再減小的趨勢 氣孔隨光強的提高而變大 但過強的光會抑制氣孔張開 在凈光合速率最大時 氣孔張開程度最大 當出現光合午休時 氣孔張開最 小 通常情況下 氣孔大小及張開度會隨著凈光合速率的增大而增大 因此 根據氣孔結構與光合的關 系 當陽光強烈和溫度高時 要適當遮陰 減少植物養(yǎng)分損耗 保持植株的光合速率 提高苗木質量 參考文獻 1 王麗英 北美冬青繁育及其園林應用研究 D 杭州 浙江農林大學 2014 2 ACTON P Winter berries J 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