光強對歐洲鵝耳櫪秋季葉衰期光合性能及內源激素的影響

郭力宇，施 曼，吳馭帆，祝遵凌，4*

(1.南京林業大學 南方現代林業協同創新中心，江蘇 南京 210037；2.南京林業大學 風景園林學院，江蘇 南京 210037；3.南京林業大學 林學院，江蘇 南京 210037；4.南京林業大學 藝術設計學院，江蘇 南京 210037)

歐洲鵝耳櫪(Carpinusbetulus)為樺木科鵝耳櫪屬落葉喬木，樹種枝葉秀麗，秋葉金黃，耐蔭性較強，是橡樹林下的天然組分，在歐洲溫帶地區和小亞細亞森林群落中占有重要地位[1]，同時以行道樹和植籬形式廣泛植于城市生態系統[2]，是兼具觀賞與城市生境顆粒物生物監測的一個適宜物種[3]。進一步研究表明其葉中可提取脫鎂葉綠酸等活性物質應用于生物醫藥領域[4]，近年來，國內也進行了部分園林推廣，適應性良好[5-6]。

秋冬季節葉片衰老凋落限制了歐洲鵝耳櫪秋葉的有效觀賞期，對維持秋冬落葉季節生態系統碳平衡也有一定影響[7]。光照強度是葉片感知與衰老進程中的重要環境因子，暗誘導或強光環境下都會促使葉片衰老的發生，影響老化進程[8]。而在葉片衰老過程中常伴隨著葉綠素降解，光合能力下降、養分流失以及內源激素失衡等一系列生理變化[9-10]。本研究通過比較與結合4品種(種)歐洲鵝耳櫪秋季葉片衰老時在不同光照強度下的表現，探究影響歐洲鵝耳櫪葉片衰老的主要生理變化規律，旨在為各歐洲鵝耳櫪園林栽培的光照管理提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于南京林業大學園林教學試驗中心(32°04′N，118°48′E)，氣候溫和，四季分明，光照充足，屬亞熱帶季風濕潤氣候區。

1.2 試驗材料

所用苗木為法國進口4品種(種)歐洲鵝耳櫪，國內行盆栽管理，每株1盆，苗齡3 a，苗高80～100 cm，規格統一。分別為實生歐洲鵝耳櫪原種(Carpinusbetulus)及其3個嫁接園藝品種(Carpinusbetulus‘Beekman’、Carpinusbetulus‘Frans Fontaine’、Carpinusbetulus‘Lucas’)，砧木為原種歐洲鵝耳櫪，砧穗徑級相一致。下述原種和園藝品種分別以Original、品種名簡稱。

1.3 試驗設計

采用盆栽試驗法，以標準透光率為50%的遮蔭網營造不同光強環境，設置3種光強梯度處理，雙層、單層遮蔭網下透光率分別為T25%、T50%，以不遮蔭的全日照條件TCK為對照處理，處理時段設于2014年6月30日至9月30日，每處理10盆植株，重復3次，即每個處理30盆苗。盆與盆間距1 m，防止相互遮光。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 葉綠素總量測定 采用乙醇丙酮混合液法[11]。洗凈5片鮮葉，濾紙吸干后去除中脈并剪碎，稱取0.05 g碎葉放入10 mL的離心管中，加入乙醇丙酮混合液(體積比1∶1)10 mL，parafilm封口后避光浸提24 h。待葉片組織完全變白后，取上清液分別在波長663、645 nm下測定吸光值，測定時間于葉衰老中期，各品種(種)每處理重復測定3次。

1.4.2 光合參數測定 葉衰老中期，選擇晴朗無風、無云的9：00-11：30，采用英國PP-Systems便攜式光合測定儀(CIRAS-2)測定各光合參數，設定光合有效輻射參數(PAR)為1 000 μmol·m-2·s-1，葉室溫度25℃。測定凈光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)、蒸騰速率(Transpiratio rate，Tr)、氣孔導度(Stomatal conductance，Gs)、胞間CO2濃度(Inter CO2concentration，Ci)等指標，各品種(種)每個處理隨機測定3株，每株重復測定3次，選取向陽不遮蔭的葉片，取平均值。

1.4.3 內源激素含量測定 從歐洲鵝耳櫪變色衰老期前后開始取樣，每隔10 d取樣1次，10月20日開始至11月20日結束，共4次。樣品取自冠層外圍四面的葉片并置于液氮固定，在中國農大生理實驗室采用酶聯免疫吸附法(ELISA)測定葉片中內源生長素(IAA)、赤霉素(GA3)、脫落酸(ABA)的含量。

1.5 數據處理

應用Excel 2016軟件進行數據的統計與繪圖，在SPSS 22.0中進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)及Duncan法多重比較(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 光照強度對歐洲鵝耳櫪葉綠素含量的影響

在歐洲鵝耳櫪葉片衰老期，4品種(種)對光強的響應存在差異(圖1)。對于Beekman和Frans Fontaine，遮蔭處理與對照差異顯著，遮蔭處理下的葉綠素含量顯著上升， Frans Fontaine在T25%處理下葉綠素含量顯著上升，Beekman在T50%即有明顯變化，說明各品種(種)對光強響應敏感性有差異。而在Original與Lucas中，3處理下沒有顯著的趨勢變化，Original在T50%處理下葉綠素含量最低，TCK與T25%含量相當；Lucas則在TCK和T50%處理下有較高的葉綠素含量，在T25%下葉綠素含量顯著下降。同時發現，在自然全光照環境下Beekman與Lucas的葉綠素含量較高，與Original和Frans Fontaine達顯著水平，說明此時Beekman與Lucas持綠性優于其他2個品種(種)，衰老程度也可能較低。

注：大寫字母表示不同處理同一品種(種)在0.05水平差異顯著性，小寫字母表示不同品種(種)同一處理在0.05水平差異顯著性。下同。

2.2 光照強度對歐洲鵝耳櫪光合特性的影響

2.2.1 不同光強下歐洲鵝耳櫪凈光合速率變化 凈光合速率(Pn)是衡量葉片衰老期光合性能最直接的指標，也反映出低光處理下的脅迫響應程度。TCK處理下4歐洲鵝耳櫪品種(種)均具有較高的Pn，甚至在T50%處理下Pn也處于2.7～4.4 μmol·m-2·s-1(圖2)，表明歐洲鵝耳櫪衰葉中的葉綠體仍能有效地轉化光能以及品種(種)對光較強的利用潛能。其次，隨光強度的降低，各品種(種)Pn呈同步下降的趨勢，TCK處理下Pn有最大值，說明在全光照條件下各歐洲鵝耳櫪秋冬葉衰期進行光合作用累積產物的能力最大化。但這種現象在品種(種)間存在差異，Original在TCK處理下Pn是T50%、T25%處理的1.74、4.52倍；Beekman為1.48、2.67倍；Frans Fontaine為1.34、2.90倍；Lucas為1.06、1.14倍?？梢园l現嫁接品種相較原種變化幅度低，Lucas凈光合速率則在3種光照強度下未表現顯著差異，且均具有較高功效的光合速率，一定程度上反映其對光強的敏感性較弱，失綠度小，也與葉綠素含量吻合，其他品種(種)與葉綠素含量無顯著趨同性。

2.2.2 不同光強下歐洲鵝耳櫪氣孔導度變化 氣孔導度(Gs)是葉片氣孔開張度與CO2利用效率的體現。4種歐洲鵝耳櫪在3種光照強度下Gs的強弱一致表現為TCK>T50%>T25%，與Pn圖示結果一致(圖3)，說明兩者之間有一定的相關性，低光強對Gs的抑制作用是影響Pn的原因之一，但可能不是主要因素。

圖2 不同光照強度下歐洲鵝耳櫪Pn變化

圖3 不同光照強度下歐洲鵝耳櫪Gs變化

同時發現，Lucas在3種光照強度下，Gs漲幅顯著(P<0.05)，TCK處理為T50%、T25%處理的1.13、1.47倍，其余歐洲鵝耳櫪品種(種)變化幅度較為穩定，可能反映了Lucas對低光強較強的氣孔調節機制，對比Beekman，其在3處理下的Gs變化幅度與值均與Lucas相近，但在各處理Pn表現上，卻顯著低于Lucas，進一步佐證了葉衰期歐洲鵝耳櫪Pn限制的主要因素可能不是氣孔原因。

2.2.3 不同光強下歐洲鵝耳櫪蒸騰速率變化 蒸騰速率(Tr)是葉片光合水分代謝的重要指標，葉片衰老干枯含水量下降與秋季環境濕度降低可能都會造成影響。與Pn、Gs結果相似，各歐洲鵝耳櫪隨著光強度的降低，Tr也表現為下降趨勢(圖4)。在TCK處理下，Original、Lucas的Tr均顯著高于Beekman、Frans Fontaine，在T50%處理下，Frans與其他3品種(種)Tr差異達顯著水平。說明在中度遮蔭的環境下，Original與Lucas、Beekman仍存在高效的蒸騰作用。在T25%處理下4品種(種)的Tr均落至最低值，特別是Original與Lucas，相較T50%處理，4品種(種)降幅分別為47.1%、14.3%、4.0%、38.2%，即Original>Lucas>Beekman>Frans Fontaine，說明重度遮蔭環境對Original的Tr影響較大。

圖4 不同光照強度下歐洲鵝耳櫪Tr變化

2.2.4 不同光強下歐洲鵝耳櫪胞間CO2濃度變化 Lucas隨著光強度的降低，細胞間CO2濃度(Ci)呈小幅上升趨勢，穩定在328～344 μmol·mol-1(圖5)，進一步與其Pn表現銜接，其他3個品種(種)則呈現相反趨勢，Ci逐漸升高，可能與胞間CO2作為光合作用原料有關，當植物Pn增大時，Ci應當下降，兩者表現為負相關。同時，在TCK處理下Frans Fontaine的Ci值最小為271.67 μmol·mol-1，與其Pn在TCK下的表現有一定聯系，而Frans Fontaine在Gs或Tr中3處理下均表現為小幅變化趨勢，且值低于其他3個品種(種)，結合Gs表現，再一次表明可能是品種(種)間的差異等其他因素導致了Pn的差異性，氣體交換特性等對其影響微弱。

2.3 光照強度對歐洲鵝耳櫪內源激素的影響

2.3.1 不同光強下歐洲鵝耳櫪IAA含量變化 4品種(種)歐洲鵝耳櫪葉片衰老期生長素(IAA)含量整體呈上升的趨勢，但各品種(種)間以及處理間均存在差異(圖6)。Original的T25%、TCK處理，Beekman、Frans Fontaine的TCK處理以及Lucas的T25%、T50%處理均呈現升-降-升的趨勢，在10月30日以及11月20日有IAA含量的累積峰，且11月20日的IAA含量顯著高于10月30日。在11月10日，各歐洲鵝耳櫪3處理的IAA含量回落至低點。表明IAA可能具有雙重性，在衰老前期促進歐洲鵝耳櫪葉片的生長發育，而后期卻加速了葉片的衰老。11月10日3處理均有較低的值，說明此時可能處于歐洲鵝耳櫪緩慢衰老期，對環境變化有了一定適應性。對于處理而言，Original、Beekman后期在T50%條件下有較高值，Frans Fontaine、Lucas則在TCK條件下葉片IAA含量高，這與葉綠素、光合參數的結果有一定聯系，歐洲鵝耳櫪的品種差異可能導致了對不同光照強度響應的差異。同時，Lucas遮蔭處理與對照條件之間IAA含量差異不顯著，這也進一步說明其對光照條件的敏感程度較低。

圖5 不同光照強度下歐洲鵝耳櫪Ci變化

2.3.2 不同光強下歐洲鵝耳櫪GA3含量變化 赤霉素(GA)屬于生長促進劑，有促進葉片的生長發育，抑制葉片衰老脫落的作用。遮蔭處理下各歐洲鵝耳櫪葉片GA3含量隨衰老進程呈持續上升的趨勢，在11月10日衰老后期，遮蔭處理下GA3含量劇烈上升達峰值(圖7)。說明在弱光脅迫下，歐洲鵝耳櫪通過上調葉片中GA3含量的抵御機制來維持其在葉片衰老期的養分供應。反觀對照處理下，4歐洲鵝耳櫪品種(種)呈緩慢下降的波動趨勢，逐漸降低葉片中GA3含量，減緩葉片發育和養分消耗，促使葉片及時脫落。在Beekman、Frans Fontaine、Lucas葉片中GA3含量均表現T25%>T50%>TCK，在Original則表現為T50%>T25%>TCK，說明隨著遮蔭程度的加深，歐洲鵝耳櫪葉片GA3含量會進一步上升，其中Original和Lucas在衰老后期GA3變化幅度最高，Original在T25%處理下漲幅為40.2%、T50%處理為51.0%，Lucas在T25%、T50%處理下分別上漲90.3%、51.8%，可能表明這2個品種(種)對弱光脅迫較強的GA3調節機制。

2.3.3 不同光強下歐洲鵝耳櫪ABA含量變化 脫落酸(ABA)是植物受到脅迫以及衰老期的敏感激素指標。隨葉片的衰老，葉片中ABA含量穩定上升，各歐洲鵝耳櫪一致表現為T25%>T50%>TCK(圖8)，說明歐洲鵝耳櫪葉片衰老與ABA具有一定相關性，隨著葉片變黃干枯失水，ABA會在葉片中逐漸生成與累積，進而調控葉片的衰老與脫落，而在弱光脅迫下，隨脅迫時間加長，處理與對照差異越明顯，這種累積效應會隨脅迫程度與時間的加深進一步增強，加速葉片的衰老凋落。4品種(種)處理間的差異大小為Original>Frans Fontaine>Beekman>Lucas，說明Lucas對于光強的敏感性低于其他品種(種)，蔭照條件下衰老程度與全光條件接近，更能適應蔭庇環境。

圖6 不同光照強度下歐洲鵝耳櫪IAA含量變化

圖7 不同光照強度下歐洲鵝耳櫪GA3含量變化

圖8 不同光照強度下歐洲鵝耳櫪ABA含量變化

3 結論與討論

3.1 討論

植物葉片秋季著色主要原因是葉片內色素比例的倒置，也表示植物葉器官的衰老。隨著衰老進程，葉片中葉綠素一般呈持續下降的趨勢[12]，但在弱光逆境下，植物葉片葉綠素含量因品種、光照強度與時間長短變化較大[13]。本研究中，Beekman和Frans Fontaine在遮蔭處理下，葉綠素含量與對照相比顯著上升，且兩者分別在中度遮蔭處理和重度遮蔭處理下表現顯著差異，而Original與Lucas并未出現顯著的波動，表明歐洲鵝耳櫪各品種(種)對光強的響應存在差異。低光條件下葉綠素含量的上升，可能是一種補償效應[14]，葉片通過產生較多的葉綠素來吸收光量子以補充光照條件的不足，或是維持了葉綠體結構，進而滿足樹體生長的需要。持續光照或強光對色素具有漂白作用[15]，全光照條件下歐洲鵝耳櫪的葉綠素含量低于蔭照處理，也可能是光產生色素光氧化的副效應導致，這些在楓香[16]、紫葉李[17]等秋色葉植物轉色的研究中也有一定體現。

植物葉片的光合能力隨衰老時段同步下降，因此通過測定有關的光合參數可以較好地反映葉片光合功能是否衰退[8]。凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、細胞間CO2濃度(Ci)是常見的衡量葉片光合功能的指標。各歐洲鵝耳櫪的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率隨著遮蔭度的加深逐漸下降，而胞間CO2濃度則呈現相反的趨勢，隨遮蔭度的加深逐漸升高，原因是胞間CO2濃度作為光合作用的原料被消耗[18-19]，全光照條件下歐洲鵝耳櫪葉片能更有效地執行光合作用，CO2消耗量更多。此外，研究還發現，各歐洲鵝耳櫪即使處于衰老期與蔭照條件下，葉片具有較高的凈光合速率，說明其在衰老期仍能進行高效的光合作用，這因樹種而異，與Zhang[7]、羅紫東[9]等在珍珠花、楓香葉片衰老過程光合能力的研究結果一致，有利于增加秋冬季節碳吸收量、延長碳吸收時間。但要指出，各品種(種)凈光合速率在3處理下的表現與葉綠素并不同步，Beekman在蔭照條件下葉片中葉綠素的含量較高，但并未表現在其光合的功能性上，結合兩點，可以推測歐洲鵝耳櫪葉衰老期葉片中的葉綠素含量已足夠在葉衰期進行正常的光合作用，并不對光合功能產生限制[19]，從側面反映出歐洲鵝耳櫪較強的光利用潛能。

內源激素是植物葉片老化過程中主要的生理調控因子之一[21]。葉片衰老常伴隨著IAA、ABA含量倍增，GA含量下降的一系列變化[10]，以促進葉的脫落。隨葉逐漸衰老，各歐洲鵝耳櫪葉IAA含量在10月30日和11月20日有較高的積累，且后時段值更高，表明IAA在葉衰期可能具有雙重性[22]，在衰老前期促進歐洲鵝耳櫪葉片的生長發育，而后期卻加速了葉片的衰老，由于處于衰老期，這種前期的促進作用與生長期促進效率不同，因此低于IAA啟動加速衰老功能的含量。在4品種(種)中IAA含量也存在差異，Lucas蔭照處理與全光條件下，衰老葉中IAA含量相近，表明Lucas品種可能屬于光照的弱敏感型及強適應型，通過基因型對光能的強捕捉力，使暗呼吸速率減少從而減緩有機物在衰老期的分解以適應脅迫環境[23-24]。GA3在4品種(種)中蔭照與對照處理的表現相反，在對照處理中GA3值緩慢下降或略有浮動，而在蔭照條件下，則隨著處理時間呈持續上升的趨勢，表明弱光一定程度上加速了歐洲鵝耳櫪葉片衰老的進程，而導致樹體養分供應不足，葉中GA3受調節含量上升，以抵御弱光脅迫帶來的影響。但也有研究表明葉中GA3有抑制葉綠素分解的作用，兩者具有協同性[25]，弱光條件下品種(種)葉綠素含量上升可能原因是受到GA3含量上調的影響。ABA被稱為“脅迫激素”，在逆境中會大量增加，加強植物抗逆性，各品種(種)葉中ABA含量一致表現為重度遮蔭>中度遮蔭>全光照條件，并隨著葉的老化含量緩步上升，表明歐洲鵝耳櫪葉片衰老與ABA含量相關性較高，這與多數植物葉落衰老ABA含量上升相似[26-27]，ABA可能作為歐洲鵝耳櫪葉衰期主要調控激素啟動葉片的衰老，且弱光條件進一步縮短各歐洲鵝耳櫪葉片的衰老進程，但Lucas在不同處理間較其他品種(種)差異程度低，說明Lucas品種更適宜弱光環境的應用。

3.2 結論

全光照條件下，4品種(種)歐洲鵝耳櫪秋季葉衰期光合性能最佳。Carpinusbetulus‘Lucas’葉片中葉綠素含量、凈光合速率、內源激素含量在不同光照強度下差異不顯著(P>0.05)或較其他品種(種)差異小，對光強的敏感性弱，在弱光條件下有較強的適應性，具有更廣的光適應范圍；凈光合速率和內源激素ABA是歐洲鵝耳櫪葉落期葉衰老較佳的指示指標；各歐洲鵝耳櫪葉衰期對光能仍有高效利用性，這對維持秋冬季節生態系統碳平衡有利，延長了碳同化期，可以同時結合各品種(種)的觀賞特性、生長習性進行園林栽培與推廣。