王虹妍,苏 群,田 敏,李春牛,李先民,黄展文,唐毓玮,卢家仕

(1.广西农业科学院花卉研究所,南宁 530007;2.云南省农业科学院花卉研究所/国家观赏园艺工程技术研究中心,昆明 650200;3.广西亚热带作物研究所,南宁 530001)

【研究意义】睡莲是睡莲科(Nymphaeaceae)睡莲属(NymphaeaL.)植物的统称,花色丰富且艳丽,是世界性著名水生花卉。全世界的睡莲属植物有50多个种(含变种),园艺品种达1000多个[1-2],其花量大、具芳香味,开花周期长,根、茎和叶能吸附水中的富营养物质和有害物质,具有净化水质功能,广泛应用于园林水景[3]。微型热带睡莲在亚热带地区可实现周年开花,观赏价值高,开发利用潜力大。米奴塔(Nymphaeaminuta)属于微小型热带睡莲,花量大、花期长,是培育微小型睡莲新品种的优良种质资源,适宜盆栽和家庭园艺推广。但在家庭种植条件下,睡莲常因光照不足或光照较弱,导致生长不良且开花较少。因此,探究睡莲的耐阴性及在弱光环境的生理响应机制,对微小型睡莲生产及园林水景推广应用具有重要意义。【前人研究进展】潘月等[4]研究不同品种八仙花对强光和遮阴处理的生理响应,结果发现其叶绿素含量、叶和茎的鲜重与干重、叶片含水量、光饱和点及光补偿点可作为八仙花耐光照能力的鉴定指标。王晓冰等[5]研究发现,大百合在弱光下通过降低叶片比叶重、增加叶绿素含量、减小叶绿素a/b值、降低暗呼吸速率来提高对弱光的适应能力。李先民等[6]研究表明,遮阴可显著促进杜鹃红山茶幼苗叶片生长,其叶片数量、总叶面积、比叶面积和叶绿素含量等指标在50%～80%遮光条件下均处于最高水平。尚三娟等[7]研究证实,遮阴处理时紫斑牡丹通过提高叶片色素含量来提高对光能的吸收利用效率,增大叶片比叶面积,降低根冠比,促进株高生长,以适应弱光环境。刘光杨等[8]研究指出,遮光处理后睡莲的开花数、叶片数及叶片中的可溶性糖和叶绿素含量均低于全光照组,11个睡莲品种的耐阴性强弱与睡莲的生长和生理指标变化趋势基本一致,其中,热带睡莲品种‘约瑟芬’‘黑美人’和‘保罗蓝’的耐阴性较强。张雅君等[9]研究认为,夏季遮阴可在一定程度上改善小花睡莲挺水叶的水分状况,推测小花睡莲叶水分平衡能力较弱,挺水叶水分失衡易导致光合速率下降及叶温升高,加剧光抑制致使叶片死亡。柯美玉[10]研究表明,光周期及光照强度的改变会影响埃及蓝睡莲切花的开闭规律,光在睡莲节律性开花的调控中发挥重要作用,转录组分析发现睡莲开花早期光合作用和光信号途径相关基因被诱导表达。冷寒冰等[11]研究上海荷花品种‘伯里夫人’在不同光照环境下的光响应模型,发现随着光强减弱,荷花的主要光合生理参数均降低,荷花对适度弱光环境具备一定的适应能力,表现出良好的光合适应性反应与调节能力,能维持植株正常生长。张晓等[12]研究认为,荷花在遮阴处理的弱光条件下发生花芽严重败育现象,主要原因是引起细胞凋亡的重要基因NnSnRK1在弱光胁迫下与NnTPS1基因呈现相反的表达模式,弱光条件下蔗糖含量降低引起NnTPS1基因表达量下降,减弱了对NnSnRK1基因的抑制作用,引起细胞程序性死亡。【本研究切入点】睡莲为喜光植物,其正常生长和开花离不开充足的光照,绝大部分睡莲品种在正常生长条件下需占用较大水域面积,场地成本较高,目前针对不同遮阴条件下微小型热带睡莲品种米奴塔叶片生长状况、光合色素含量及初生代谢产物影响的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以热带睡莲品种米奴塔为试验材料,采用完全随机试验设计,通过搭建不同层数、不同遮光率遮阳网,测定分析不同遮光条件下各处理米奴塔睡莲的叶片数、叶干重、叶面积、比叶重、比叶面积、光合色素含量和组成及可溶性糖、可溶性蛋白和淀粉含量,探讨其在弱光胁迫下的生理生化响应机制,为以米奴塔睡莲为代表的微小型热带睡莲种苗繁育和盆花生产管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020年5—10月在广西农业科学院花卉研究所睡莲种植基地进行。选取长势一致、生长健壮的米奴塔种苗,于2020年5月10日移栽至直径40 cm、高30 cm的塑料盆中,盆土装至盆的1/2处,每盆种植1株,期间进行正常水肥管理。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 2020年6月17日开始进行遮光处理(遮光度以TES-1334A数位式照度计实际测定为准),使用不同遮光率的遮阳网分别设置遮光率为0(全光照对照,CK)、30%(轻度遮光)、50%(中度遮光)和70%(重度遮光)4个处理。遮光处理采用搭棚覆盖法,完全随机区组设计,每处理30盆,每10盆为1个重复,重复3次。

1.2.2 生长指标测定 遮光120 d后,从各处理中随机选取5株米奴塔睡莲进行叶片数、叶干重和比叶重等指标测定。其中,由于睡莲叶片呈近椭圆形,每株需选取最大叶片统计长轴和短轴的长度,计算叶面积;将叶片经105 ℃杀青30 min后,在80 ℃条件下烘干至恒重,用1/1000天平称量叶干重;通过以下公式计算比叶重。

比叶重(g/m2) = 叶干重(g) / 叶面积(m2)

1.2.3 生理指标测定 分别于遮光后30、60、90和120 d的早上9:00采样,每处理采集30片长势一致的健康成熟叶片,每10张叶片为1个重复,共3个重复。光合色素含量测定:采用95%乙醇浸泡法测定总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量[13]。初生代谢产物含量测定:采用蒽酮比色法测定叶片可溶性糖含量[13],采用考马斯亮蓝G-250染色法测定可溶性蛋白含量[13],参照王晶英等[14]的方法测定淀粉含量。每个指标重复测定3次,计算平均值。

1.3 统计分析

试验数据采用Excel 2010进行统计,以SPSS 24.0进行方差分析和差异显著性检验(Duncan’s新复极差法)。

2 结果与分析

2.1 遮光对米奴塔睡莲叶片生长状况的影响

由表1可知,遮光处理后120 d,CK米奴塔睡莲的叶片数为11.67片,平均叶干重为0.16 g,比叶重为41.27 g/m2,均大于其他处理;随着遮光率的增加,叶片数、平均叶干重和比叶重逐渐减少,其中遮光率为70%处理分别较CK显著降低52.9%、81.3%和57.8%,而平均叶面积呈先增加后减少的变化趋势,并在遮光率为30%时达最大值(44.27 cm2);叶片数、平均叶干重和平均叶面积在遮光率为70%处理时显著低于其他处理(P<0.05,下同),遮光率为30%处理的叶片数、平均叶干重和平均叶面积与CK差异不显著(P>0.05,下同);各遮光率处理的比叶重均显著低于CK,遮光率为30%和50%处理的比叶重显著高于遮光率70%处理,而遮光率30%处理的比叶重与50%处理差异不显著。综合分析各项生长指标发现,米奴塔睡莲能适应轻度遮光环境,在重度遮光环境下生长状况较差。

表1 不同光照条件下米奴塔睡莲叶片的生长状况比较

2.2 遮光对米奴塔睡莲叶片生理指标的影响

2.2.1 对光合色素含量的影响 由表2可知,随着遮光时间的延长,CK米奴塔睡莲叶片的总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量逐渐降低,其中,在遮光30 d时的各种光合色素含量均显著高于遮光120 d时;遮光率30%和50%处理的总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量随着遮光时间的延长呈先降低后升高再降低的变化趋势,且不同遮光时间处理间差异均不显著;遮光率70%处理的总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量总体上呈逐渐增加的变化趋势,但仅叶绿素a含量在遮光120 d时显著高于遮光30 d时。

表2 不同光照条件下米奴塔睡莲叶片的光合色素含量比较

从表2还可看出,随着遮光率的提高,遮光30 d睡莲叶片的总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量呈先降低后升高再降低的变化趋势,遮光120 d时叶片的总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量呈逐渐升高的变化趋势;遮光120 d时,遮光率70%处理叶片的总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量分别较CK显著升高108.7%、81.6%、237.5%和88.2%,叶绿素a/b较CK显著降低39.1%,而遮光率30%和50%处理的总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量与CK差异不显著,但叶绿素a/b明显低于CK。

综上所述,在持续的遮光处理下,米奴塔睡莲通过提高叶片总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量及降低叶绿素a/b来适应弱光环境。

2.2.2 对初生代谢物含量的影响 由表3可知,在相同遮光率处理下,随着遮光时间的延长,睡莲叶片的可溶性糖、可溶性蛋白和淀粉含量总体上均呈先降低后升高的变化趋势,其中,CK间差异均不显著;在相同遮光时间下,随着遮光率的提高,睡莲叶片的可溶性糖、可溶性蛋白和淀粉含量均呈逐渐降低的变化趋势;遮光120 d时,CK睡莲叶片的可溶性糖、可溶性蛋白和淀粉含量分别为13.05、76.82和13.89 mg/g,分别显著高于遮光率70%处理43.4%、56.2%和53.2%;CK的可溶性糖含量与遮光率30%处理差异不显著,可溶性蛋白和淀粉含量与遮光率30%和50%处理差异不显著。可见,重度遮光环境不利于睡莲叶片可溶性糖、可溶性蛋白和淀粉含量积累,而轻、中度遮光对睡莲叶片可溶性糖、可溶性蛋白和淀粉含量积累无明显影响。

表3 不同光照条件下米奴塔睡莲叶片的初生代谢含量比较

2.3 米奴塔睡莲叶片生长和生理指标的相关分析

由表4可知,米奴塔睡莲的叶片数与平均叶干重、可溶性蛋白和淀粉含量呈极显著正相关(P<0.01,下同),与叶绿素b含量呈显著负相关;平均叶干重与总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量间呈极显著负相关,与可溶性蛋白含量呈极显著正相关,与可溶性糖含量呈显著正相关;平均叶面积与叶绿素b含量呈显著负相关;比叶重与可溶性糖含量呈极显著正相关,与可溶性蛋白含量呈显著正相关,与比叶面积呈极显著负相关,与叶绿素a含量呈显著负相关;总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量间呈极显著正相关,与可溶性糖含量呈显著负相关;可溶性蛋白含量与淀粉含量呈显著正相关;可溶性蛋白含量和淀粉含量与平均叶面积、总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、可溶性糖含量的相关性较弱。说明提高遮光率会导致米奴塔睡莲叶片数减少,平均叶干重、可溶性蛋白和淀粉含量降低,比叶面积和叶绿素b含量随之提升。

表4 米奴塔睡莲叶片生长和生理指标的相关分析

3 讨 论

叶片是植物进行光合作用和呼吸作用的主要器官,对环境变化较敏感且可塑性较强,可通过多种途径改变其外在或内在特征来适应异质光环境的变化[15]。植物在遮光条件下,为了更好地利用光能,叶面积变大从而增加植株整体受光面积[16]。本研究中,米奴塔睡莲的叶片数和平均叶干重均随着遮光率的增加而降低,与刘光杨等[8]对睡莲的研究结果一致,说明光照对睡莲叶片的形成及发育具有促进作用,有利于干物质积累;平均叶面积在遮光率30%(轻度遮光)和50%(中度遮光)时均有所增大,在遮光率70%(重度遮光)时显著减小,与刘光杨等[8]对睡莲、温韦华等[17]对小叶扶芳藤(Euonymusfortuneivar.radicans)的研究结果一致,说明在遮阴条件下米奴塔睡莲可通过扩大植株与光的有效接触面积增加对光的吸收量,从而适应弱光环境[18],但在重度遮光环境下,其主动适应弱光的能力已达极限,平均叶面积降至最低,正常生长发育受到影响。已有研究表明,比叶重会随着光强的升高显著增加,这与叶片厚度和栅栏组织厚度的增加有关[19],当光环境变化时,植物叶片可调节比叶重来优化光能利用率和光合速率[20-22]。本研究中,米奴塔睡莲的比叶重随着遮光率的提高而降低,与王晓冰等[5]对大叶百合的研究结果一致;比叶面积随着遮光率的提高逐渐增大,与李先民等[6]对杜鹃红山茶(Camelliaazalea)、尚三娟等[7]对紫斑牡丹(Paeoniasuffruticosavar.papaveracea)的研究结果一致,表明比叶重和比叶面积可反映植物对特定环境的适应能力,并与植物光合作用具有重要联系[5,23]。

光照过弱不利于叶片进行光合作用,光照过强会破坏叶片的光合结构[24-25]。植物体内光合色素是光合作用的物质基础,叶绿素在光合作用中发挥着吸收、传递和转化光能的作用,其含量高低直接影响叶片光合能力的强弱,反映植物的生长状况和光合能力[26-28]。本研究中,在遮光处理前期(遮光30 d时),米奴塔睡莲叶片的总叶绿素、叶绿素a和叶绿素b含量均随着遮光率的提高而降低;而在遮光处理后期(遮光120 d时),米奴塔睡莲叶片的总叶绿素、叶绿素a和叶绿素b含量均随着遮光率的提高而升高,并以遮光率70%处理最高,与刘光杨等[8]对睡莲叶片叶绿素含量变化趋势的研究结果一致,说明在持续弱光胁迫下,米奴塔睡莲可通过提高叶片叶绿素含量来提高光能的吸收和利用效率,从而适应弱光环境。叶绿素a/b是植物耐阴性评价的重要指标,在遮阴条件下,植物通过提高叶绿素含量、降低叶绿素a/b来提升耐阴性[29-30]。本研究中,在遮光30～90 d时,各处理间的叶绿素a/b差异不显著;在遮光120 d时,各遮光处理的叶绿素a/b随着遮光率的增加而降低,CK与遮光率30%处理间差异不显著,遮光率50%处理与70%处理均显著低于CK。说明米奴塔睡莲也可通过调节叶绿素a/b来提升光能捕获能力,从而提高耐阴性。类胡萝卜素是光合作用中的内源抗氧化剂,参与光能捕获和光破坏防御两个重要过程[28]。本研究中,在遮光30～90 d时,各处理的类胡萝卜素含量间差异不显著,在遮光120 d时,各处理的类胡萝卜素含量随着遮光率的提高而升高,其中,CK显著低于遮光率70%处理,与遮光率30%和70%处理差异不显著,与李先民等[6]对杜鹃红山茶的研究结果一致,说明光照过强不利于米奴塔睡莲叶片类胡萝卜素含量积累,也会降低叶片的光能捕获和光破坏防御能力。

光是植物生长发育的能量来源,是植物生长发育及形态建成的重要因素之一,影响植物初生代谢产物的合成与积累[31-32]。弱光引起光强度和光质发生改变,致使植物光合效率下降,合成的糖类物质减少[33]。可溶性糖、可溶性蛋白及淀粉是重要的初生代谢产物,其中,可溶性糖和可溶性蛋白是有效的细胞渗透调节物质,主要在渗透调节和活性氧自由基清除方面发挥重要作用,当植物遭受胁迫时,会通过增加或降低其含量调节植株细胞渗透压[34-35]。本研究中,米奴塔睡莲叶片的可溶性糖、可溶性蛋白和淀粉含量随着遮光率的提高呈逐渐降低的变化趋势,其遮光率30%和50%处理的含量与CK差异不显著,而遮光率70%处理较CK显著降低,与刘光杨等[8]对睡莲的研究结果一致。说明米奴塔睡莲的初生代谢产物含量在一定程度上受到光照强度影响,通过自身调节可适应轻、中度遮光环境,具备一定耐阴能力而正常生长,但当光照强度较低对米奴塔睡莲造成弱光胁迫时,其初生代谢物含量显著降低,不利于其生长。其他热带睡莲品种是否也具备较强的耐阴能力,仍需要进一步探究。

4 结 论

米奴塔睡莲通过叶片形态特征改变及叶片光合特性和初生代谢物调节来适应弱光环境,表现出良好的光适应性反应和调节能力,其中,在遮光率为30%和50%的轻、中度遮光环境下生长状况良好,该两种遮光方式可在微小型热带睡莲种苗繁育和盆花生产管理中参考应用。