张玉洁，韩吉梅，雷长英，孟浩峰，张亚黎*

（石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆 石河子 832003）

叶片作为光合作用的主要器官，对环境变化极为敏感[1-2]。受到植物自身发育和光照强度等环境条件的影响，植物叶片的形态、结构及生理特征均表现出显著的异质性[3]，如青杨叶片的气孔分布及气体交换特性存在叶面区域异质性[4]，海芋叶片和芭蕉叶片中间区域的生理机能显著优于叶缘[5-6]，棉花叶片的色素含量和叶绿素荧光参数存在较大的变异度[3]，宝山堇菜、紫花地丁及水稻等植物叶片的叶尖部分的光合性能显著优于叶基[7-8]。这一方面可能是由于叶片从叶基部分开始生长，致使叶基组织较年轻，而叶尖组织处于成熟阶段，导致整体叶片结构与功能的异质性；另一方面，可能是由于叶尖长期处于较高光照条件下，而叶基处于弱光环境，截获的光能不同，从而使叶片的结构与功能存在较大异质性。光能是叶片光合作用的能量来源，光环境的变化对叶片的形态结构与生理功能产生较大影响[1，9-13]。在形态结构上，弱光可抑制叶片厚度的增加，促进栅栏组织向海绵组织的过度；在光合性能上，弱光环境会使降低植物的光合速率、光饱和点、光补偿点、羧化速率及核酮糖二磷酸（RUBP）羧化酶再生速率等。

叶片长期所处光环境的异质性会引起形态和光合生理功能的异质性[3]，存在翘曲现象的植物叶片，如海岛棉叶片其主脉两侧所接受的光能会存在较大的差异。目前对翘曲性叶片主脉两侧对称部位所截获光能的量化分析鲜见报道，且对叶片光合异质性的研究主要集中在同一叶片不同部位生育进程差异导致的叶片异质性[3-8]。另外，对于存在翘曲的植物叶片沿主脉两侧叶片各部位的生育进程基本一致，而接受的光能存在差异时，这种差异是否会导致叶片的光合异质性有待进一步的研究。因此，本文研究以海岛棉为例，研究叶片主脉两侧对称部位所截获的光能与其形态及光合能力之间的关系，揭示叶片翘曲导致叶片光合能力异质性的生理机制，可为植物生理生态研究过程中保证植株叶片取样的一致性和可比性奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

本试验的测定品种为海岛棉品种新海25号。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

本试验在2016年5月在石河子大学农学院试验站（45°19′N，86°03′E） 进行，试验小区面积 60 m2，试验重复3次。每公顷留苗1.8×105株，播前深施用有机肥1500 kg/hm2，氮素240 kg/hm2，三料磷肥150 kg/hm2作基肥，全生育期随水滴施氮素260 kg/hm2。化学调控6次，缩节胺用量为300 g/hm2。其他田间管理措施同膜下滴灌棉田。

在棉花花铃期系统测定海岛棉主茎上倒数第2片叶角分别向正东（E）、正西(W)、正南(S)和正北(N)4个方位的完全展开叶的叶片主脉两侧相关指标（图1）。海岛棉叶片呈深度翘曲，深裂为3部分，测定时选取叶片中间裂叶部分的左右两侧对称部位进行测定。

图1 海岛棉叶片翘曲表型图Fig.1 The phenotype of leaf cupping of pima cotton

1.2.2 测定项目及方法

1.2.2.1 光照日辐射量的测定

分别选取东（E）、西（W）、南（S）及北（N）4个方向的叶片各8个，测定其叶中部分的叶片夹角和叶倾角后取平均值，人工模拟海岛棉叶片。从8：00-20：00，用 PAM-2100便携式调制荧光仪配2030-B微型光量子/温度传感器（Walz，德国）每隔1 h测定E、W、S、N 4个方向叶片主脉两侧接受的光量子通量密度和叶片温度。采用循环测定方式对不同方向叶片进行测定。

1.2.2.2 气体交换参数的测定

采用Li-6400便携式光合仪测定系统和6400-02LED红蓝光源叶室（Li-COR，USA）对海岛棉叶片不同部位进行测定。分别测定东（E）、西（W）、南（S）及北（N）4个方向叶片主脉两侧叶基、叶中及叶尖部分的气体交换参数，光强设定为2000 μmol/（m2/s）（田间饱和光强），CO2浓度设定为 400 μmol/（m2/s），控制温度在（32±2） ℃，气体流速控制在500 μmol/s，每个处理重复 4次。

1.2.2.3 色素含量的测定

用打孔器 (直径 0.5 cm)分别在不同方向海岛棉叶片主脉两侧叶片中部打取8个圆片，放入10 mL具塞试管中，用10 mL 80%的丙酮提取。将试管用黑布遮盖严实，放在暗处，定时振荡，到圆片呈白色状，摇匀后用UV-2041型分光光度计(日本岛津)分别在在663 nm和 645 nm 2个波长下测定OD值，用80%丙酮作为空白对照。利用Amon法计算叶绿素 a，b的含量（mg/L）：

Chla=12.7A663-2.69A645；Chlb=22.9A645-4.68A663；

Chl(a+b)=20.21A645+8.02A663。

最后将提取液中的叶绿素浓度换算为基于质量的叶绿素含量 (mg/g鲜重)。每处理4次重复。

1.2.2.4 叶面积的测定

分别将东、西、南、北4个方向的海岛棉叶片和面积为1 cm2的金属片放在一张白布上，用较高分辨率的相机垂直拍照获取海岛棉叶片和金属片的图像后用 Photoshop CS5软件对图像进行测定，得到叶片的像素数和单位面积的像素数，通过计算分别得到叶片主脉两侧部分的面积。每处理选取4个叶片。

1.2.3 数据处理

采用SPSS（Version 18.0）对所得数据进行单因素方差分析，Duncan新复极差法进行多重比较（P=0.05）。

2 结果

2.1 不同方位叶片主脉两侧对称部位接受光能的异质性

结果（图2）显示：

（1）日进程中，随太阳高度角的变化，东、西、南、北4个方向的海岛棉叶片的主脉两侧所截获的光量子通量密度（PPFD）均呈单峰曲线。其中：东、西向叶片主脉两侧的峰值存在较大差异，分别高达60%和65%；南、北向叶片主脉两侧部分的峰值无显著差异，差值分为3%和1%。

（2）日进程中，东、西、南、北4个方向叶片主脉两侧的叶片温度变化趋势与幅度基本一致。

图2 不同方向海岛棉叶片主脉两侧的光量子通量密度和叶片温度日变化Fig.2 Changes in the levels of diurnal time course of photon flux density(PPFD)and temperature on both sides of leaf main vein at different orientations

由图3a可知：东、西向叶片的主脉两侧对称部位（E-L和E-R及W-L和W-R）所截获的光照日辐射量在显著差异，其差值分别高达63%和62%，而南北方向向叶片的主脉两侧对称部位（S-L和S-R及N-L和N-R）所截获的太阳日辐射量差值仅分别为8%和13%。

分别将不同方向海岛棉叶片主脉两侧对称部位所截获的太阳日辐射量进行平均，观察其整个叶片所接受的太阳日辐射量。图3b显示：南向叶片接受的太阳日辐射量最高，北向叶片所接受的较低，东、西向叶片居中，且无显著差异。

图3 不同方向海岛棉叶片主脉两侧对称部位的光照日辐射量Fig.3 Changes of daily photo irradiance(DPI)of the symmetrical parts in leaf main vein at different orientations.

2.2 不同方位海岛棉叶片主脉各部分光合速率的变化

分别测定不同方向海岛棉叶片主脉两侧的叶基、叶中及叶尖部分的净光合速率，将此三部分作为整体做箱式图，结果（图4）表明：东西向叶片主脉两侧部分的净光合速率存在显著差异：E-R显著高于E-L，W-L显著高于W-R，而南北向叶片主脉两侧无显著差异。

图4 不同方向海岛棉叶片主脉两侧对称部位净光合速率的变化Fig.4 Changes of net photosynthetic rate(Pn)of the symmetrical parts in leaf main vein at different orientations

2.3 不同方位海岛棉叶片主脉两侧对称部位色素含量的变化

结果（表1）表明：东西向叶片主脉两侧对称部位的叶绿素a、叶绿素b及叶绿素（a+b）的含量存在较大异质性，光截获量较少一侧（E-L和W-R）显著高于另一侧，叶绿素a/b的含量无显著差异，而南北向叶片主脉两侧对称部位的叶绿素含量均无显著差异。

表1 海岛棉不同方向叶片主脉两侧对称部位叶绿素色素含量的变化Tab.1 Changes of chlorophyll content of the symmetrical parts in leaf main vein at different orientations

2.4 不同方位海岛棉叶片主脉两侧叶片面积的变化

结果（图5）表明：海岛棉东西向叶片主脉两侧的叶片面积呈现较大的异质性，截获光能较少的一侧的叶片面积显著小于另一侧，而南北向叶片主脉两侧叶片面积无显著差异，且南向叶片的叶片面积显著高于北向叶片。

图5 海岛棉不同方向叶片主脉两侧叶片面积的变化Fig.5 Changes of leaf area on both sides of leaf main vein at different orientations

3 讨论

3.1 海岛棉叶片翘曲对叶片接受光能的影响

在日进程中，光量子通量密度随太阳高度角的变化而发生变化。由于不同朝向叶片受光角度的不同，造成海岛棉不同方位叶片截获光能存在差异（图2）；而叶片翘曲较明显又导致主脉两侧对称部分接受光能的差异，具体表现为东西向叶片的主脉两侧接受总光能差异最大，南北向叶片差异较小。这是由于随着太阳高度角的变化，光线照射在叶片上的角度发生变化，海岛棉叶片“横向日性”运动能力较弱[14-15]，加剧了东西向叶片主脉两侧近轴面的自我遮荫以及相互遮荫，从而导致主脉两侧部分截获的光能存在显著差异。因此，在海岛棉叶片或者具有类似翘曲现象的叶片上研究其受光环境时，不但应考虑到不同方位叶片受光的异质性，还需要考虑到叶片不同部位的受光异质性。虽然本试验只进行了叶片接受光能差异的短期测定，然而可以推测经过长期的累积效应，叶片受光异质性的问题更需要受到重视。

3.2 海岛棉叶片接受光能与其光合异质性的关系

植物的叶片形态与其所处的光环境密切相关。部分学者认为，植物叶片处于弱光环境中，叶片面积显著增加，有利于其截获更多的光能来维持植物的生长发育[16-17]。也有学者认为弱光环境下植物叶片变小，弱光环境对植物的生长有抑制作用[10-11，18]。本研究结果表明，沿主脉两侧叶片的大小与其接受的光能是正相关的关系，即当部分叶片处于相对低光环境中，其叶片面积会相应降低。这可能是海岛棉叶片对环境的一种适应性调节，通过减小弱光部分叶片的叶片面积，来降低其对光照较强部分叶片的遮荫，从而使整体截获更多的光能。

在自然环境下，植物所处的光环境决定着其光合生产力的大小[19]，叶片的光合能力对环境变化比较敏感，其光合速率的大小容易受到其自身所处的光环境、叶片形态以及色素含量的影响[1，20-21]。叶绿素是光合作用过程中负责吸收和利用光能的主要光合色素[22]。本研究结果表明，在异质性光照条件下，沿主脉两侧叶片的色素含量呈现异质性，叶片可以通过增加单位面积的光合色素的含量来捕获更多光能。进一步分析光合能力可以看出，叶片不同方位叶片的不同部位受到自身所处光环境、形态及色素含量的影响，导致其光合能力存在较大的异质性。海岛棉东西向叶片截获光能较少的一侧整体水平上的净光合速率显著低于截获光能较多一侧，说明叶片翘曲现象对整个叶片的光合能力存在异质性影响。因此，在进行叶片光合性能等相关研究时，考虑相同叶位的同时，还必须充分考虑到取样时叶片的方位以及同一方位叶片的不同部位的差异，以增加试验结果的可比性和可靠性。若不考虑以上因素，取样本身将导致相关数据存在显著差异，如东西向叶片主脉两侧部分的速率差异就分别达到了22%和26%。

4 结论

具有叶片翘曲现象的海岛棉，其不同方位叶片之间及同一叶片不同部位之间均存在接受光能的异质性，从而导致其光合性能的异质性。