光照強度對苗期大豆葉片氣孔特性及光合特性的影響

陳吉玉，馮鈴洋，高靜，時健祎，周雨晨，涂發濤，陳元凱，楊文鈺，楊峰

光照強度對苗期大豆葉片氣孔特性及光合特性的影響

陳吉玉，馮鈴洋，高靜，時健祎，周雨晨，涂發濤，陳元凱，楊文鈺，楊峰

（四川農業大學農學院/農業部西南作物生理生態與耕作重點實驗室/四川省作物帶狀復合種植工程技術研究中心，成都 611130）

【】通過分析不同光照強度下苗期大豆葉片氣孔特征、光合作用及碳水化合物變化，揭示大豆葉片光合及氣孔特性對蔭蔽的響應機制。選用對蔭蔽敏感性弱的南豆12和蔭蔽敏感性強的桂夏豆7號為材料，在人工氣候室進行盆栽實驗，設置正常光照（CK）、輕度蔭蔽（LS，遮光20%）、中度蔭蔽（MS，遮光40%）和重度蔭蔽處理（SS，遮光75%），分析不同蔭蔽程度對大豆葉片上下表皮氣孔特性、光合熒光參數、可溶性糖和淀粉含量的影響。蔭蔽敏感性弱的南豆12葉片上、下表皮氣孔數量在LS和MS處理下顯著高于CK，上表皮氣孔在LS、MS處理分別增加26.9%和18.5%，下表皮分別增加了13.9%和39.2%，差異顯著，南豆12在SS處理和蔭蔽敏感性強的桂夏豆7號在3個蔭蔽處理下顯著低于CK（＜0.5）。2個大豆品種光合速率在LS、MS處理顯著高于CK, 最大值出現在LS處理, 平均為14.33 μmol CO2·m-2·s-1，在CK和SS處理下南豆12顯著高于桂夏豆7號；光強減弱，南豆12氣孔導度和蒸騰速率均先減后增，桂夏豆7號逐漸減小，且南豆12和桂夏豆7號2個品種的氣孔導度均在LS處理出現最大值，分別為0.57 mm·m-2·s-1和0.30 mm·m-2·s-1；南豆12胞間CO2濃度在LS和SS處理下顯著高于CK，桂夏豆7號胞間CO2濃度隨蔭蔽程度增加而逐漸增大；蔭蔽程度增加，2個品種的實際光量子產量和最大量子產額逐漸降低，且不同處理下南豆12的實際量子產量均大于桂夏豆7號。相反，南豆12和桂夏豆7號非光化學淬滅系數隨蔭蔽程度增加而增大。光強降低，南豆12淀粉含量分別顯著下降了59.0%、77.8%、95.8%，桂夏豆7號則顯著下降了47.5%、67.3%、87.8%；2個品種可溶性糖含量逐漸降低，南豆12在LS處理下增加了72.7%，顯著高于南豆12的CK和桂夏豆7號的LS處理，桂夏豆7號的LS、MS處理和CK無顯著差異（＞0.5）。蔭蔽直接影響氣孔性狀和光合特性，適當的蔭蔽會使葉片通過增加葉片氣孔開放來提高凈光合速率，增加碳水化合物積累量，進而增強大豆的耐蔭性。

大豆；蔭蔽；氣孔特性；光合特性；碳水化合物

0 引言

【研究意義】大豆作為我國重要的糧、油、飼兼用作物，當前面臨國內生產不足，嚴重依賴進口的嚴峻形勢[1]，而玉米大豆帶狀間套作種植模式對提高大豆產量、保障糧食安全起到了重要作用[2]。由于生態位的差異，大豆易遭受高位作物玉米蔭蔽脅迫，導致主莖伸長，葉面積減少，光合速率降低，直接影響大豆苗期的形態建成和產量構成[3]。而氣孔作為植物光合作用的關鍵結構，有較強的光適應性[4]，是控制CO2進出的通道，CO2濃度升高會使植物葉片氣孔關閉，造成植物葉片氣孔導度和密度降低[5]，同時，葉片氣孔導度降低會增大CO2進入植物葉肉細胞的阻力[6]，因此，調節氣孔開閉和密度對提高作物的光合特性和物質生產，從而改善大豆耐蔭性具有重要作用。此外，葉綠素熒光參數能反映光系統對光能的吸收、傳遞、耗散等特點，因此，逆境脅迫對植物光合作用的影響也能由葉綠素熒光反映出來[7]?！厩叭搜芯窟M展】前人研究表明，植物光合速率受氣孔和非氣孔限制因素影響[8-9]。在非氣孔限制研究方面，蔭蔽條件下大豆可通過調控大豆形態結構、光合色素及光合酶表達量等來影響大豆光合速率。蔭蔽程度增強，大豆通過節間莖稈伸長[10-11]，增加葉面積[12]、葉柄長度[13]，改變葉片夾角來提高凈光合速率從而響應弱光環境[14]；蔭蔽顯著降低大豆功能葉片的單位面積葉綠素含量[15]；弱光下調控光合作用的蛋白表達量會顯著減少[16]。在氣孔限制因素研究方面，不同植物氣孔對弱光環境的響應存在差異，望天樹、絨毛番龍眼、團花等熱帶雨林植物氣孔密度隨光照強度的增加而增大[17]；自然光遮陰60%會降低小麥葉片氣孔密度和氣孔導度[6]；光照強度的變化對高山杜鵑氣孔密度的影響不明顯，但對氣孔大小及單個氣孔器的面積影響顯著[18]?！颈狙芯壳腥朦c】前人研究主要集中于蔭蔽對非光合限制因素及小麥、杜鵑等植物氣孔的影響，而間套作模式下光強減弱對大豆氣孔特性影響的研究還鮮見報道?！緮M解決的關鍵問題】本研究以不同蔭蔽敏感型大豆品種為研究對象，分析光照強度降低對大豆葉片氣孔特性、光合參數、葉綠素熒光參數、淀粉和可溶性糖含量變化的影響，探討不同耐蔭型大豆品種的葉片氣孔光適應特征，揭示蔭蔽調控大豆葉片氣孔提高光合特性的生理機制，為大豆耐蔭機理研究提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

參考武曉玲等[19]不同耐蔭性品種篩選與評價結果，選用蔭蔽敏感性弱大豆南豆12（四川省南充市農業科學院）和蔭蔽敏感性強大豆桂夏豆7號（廣西省農業科學院）作為本試驗的研究材料。

1.2 試驗設計

試驗在四川農業大學成都校區人工氣候室內進行，白天溫度25℃，晚上20℃，光周期12 h。選擇大小均勻，顆粒飽滿的大豆種子置于濕潤紗布上，于25℃避光催芽2 d，冒芽后挑選相同狀態的健壯豆芽去種皮種植于PINDSTRUP營養土﹕蛭石體積比3﹕1的基質中。植株幼苗置于正常光照下生長，待第2片三出復葉即將露出時，設置4個蔭蔽處理，分別為正常光照（大豆在正常光照下生長）；輕度蔭蔽（LS，遮光20%）；中度蔭蔽（MS，遮光40%）；重度蔭蔽（SS，遮光75%），各蔭蔽處理數據見表1。為了保證所取功能葉片葉齡的一致性，到V4期時，按照既定的試驗方法，剪取各處理植株第2片三出復葉用于相關指標的測定。

表1 不同大豆遮蔭處理及光環境特征

1.3 項目測定與方法

1.3.1 葉片氣孔性狀 各處理選取長勢均一的大豆6株，用指甲油均勻涂抹V2時期功能葉片（倒三復葉的中間葉片）相同位置的上下表皮，干透后用鑷子撕取表面薄膜放置于載玻片上，滴4%水合氯醛水溶液1滴，蓋上蓋玻片，待組織透明后，在顯微鏡下觀察氣孔數目。統計20個視野內的氣孔數目，計算氣孔密度[20]。

氣孔密度= n/S（n為1個視野中的氣孔數目；S為視野面積）

1.3.2 光合參數 大豆V4期，在上午10：00到12：00間利用Li-6400光合儀對大豆植株幼苗進行光活化，測定V2功能葉片的凈光合速率（net photosynthetic rate，n）、氣孔導度（stoma conductance，s）、胞間CO2濃度（intercellular CO2concentration，i）、蒸騰速率（transpiration rate，r）等光合特性參數[21-22]。

1.3.3 葉綠素熒光參數 采用英國Technologic公司的葉綠素熒光成像系統（CFI）測定最大光化學量子產量（XE）、實際光化學效率（PSII）和非光化學熒光猝滅系數（NPQ）。測定過程中，讓大豆葉片充分暗適應30 min后獲得暗處理數據，隨后選擇光強為800 μmol·m-2·s-1，讓葉片充分光適應30 min后獲得光處理數據。每個參數數值均為3次測定的平均值[23-24]。

1.3.4 淀粉粒染色 剪取V2時期的功能葉片（倒三復葉的中間葉片），將葉片于無水乙醇中浸泡24 h，再用80%的乙醇浸泡，直至葉片完全脫色，在復方碘溶液中染色[25]。

1.3.5 可溶性糖含量 稱取0.6 g V2時期葉片鮮樣，研磨成勻漿，將勻漿完全轉移入10 mL離心管后，加入7.5 mL水，沸水浴20 min，取出冷卻，3 500 r/min離心10 min，取上清轉移到50 mL容量瓶中；連續提取3次，并定容。搖勻，吸提取液1 mL于10 mL離心管，加5 mL 硫酸蒽酮溶液，搖勻，90℃水浴15 min，70℃冰水浴冷卻1 min，使用酶標儀在625 nm下比色，各處理重復3次，計算平均值[12]。

1.3.6 淀粉含量 測糖后離心管中的殘渣加入8 mL 3 mol·L-1鹽酸，沸水浴45 min，再將溶液全部轉移到50 mL容量瓶中，加8 mL 3 mol·L-1氫氧化鈉溶液，定容，靜置5 min，脫色，吸出提取液1 mL于10 mL離心管，加5 mL硫酸蒽酮，搖勻，90℃保溫5 min，冷水浴冷卻再搖勻，使用酶標儀在625 nm下比色。各處理重復3次，計算3次測量數值的平均值[12]。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010軟件處理數據，SPSS19.0軟件進行統計分析。

2 結果

2.1 蔭蔽對大豆葉片氣孔密度的影響

由圖1-A、B可見，隨蔭蔽程度增加，南豆12上表皮氣孔先增加后降低，與CK相比，LS和MS處理植株的上表皮氣孔數顯著增加，提高了26.9%、18.5%；桂夏豆7號的上表皮氣孔數在LS、MS、SS處理條件下分別減少了18.3%、27.2%、37.8%，差異顯著。由圖1-C、D可得，隨著光強減弱，南豆12下表皮氣孔數先增加后減少，與CK相比，LS、MS處理顯著增加，提高了13.9%、39.2%，SS處理降低了20.8%，差異顯著；相反桂夏豆7號下表皮氣孔數量顯著降低，LS、MS、SS處理分別減少25.8%、34.9%、41.0%。CK和SS處理條件下，桂夏豆7號上表皮氣孔數顯著高于南豆12，LS、MS處理南豆12的氣孔數目顯著高于桂夏豆7號；而不同蔭蔽條件下，蔭蔽敏感性弱品種南豆12下表皮氣孔數均顯著多于桂夏豆7號。

不同小寫字母代表各處理間差異顯著（P＜0.05）。下同 Different small letters represent significantly different atp＜0.05. The same as below

2.2 蔭蔽對大豆葉片光合特性的影響

由表2可知，蔭蔽程度增加，蔭蔽敏感性弱的南豆12和敏感性強的桂夏豆7號的凈光合速率均減小，與CK相比，南豆12 LS處理增加了15.3%，MS處理無顯著差異，SS處理顯著減少，減少了14.4%；桂夏豆7號LS和MS處理增加了44.2%，18.7%，SS處理減少了42.3%，差異顯著。光強減弱，南豆12的氣孔導度、蒸騰速率及胞間CO2濃度變化趨勢一致，均先減再增；桂夏豆7號的氣孔導度逐漸減小，蒸騰速率先增后減，胞間CO2濃度則隨光蔭蔽程度增加而上升。南豆12和桂夏豆7號氣孔導度均在LS處理下達到最大值，分別為0.57 mm·m-2·s-1和0.30 mm·m-2·s-1。

2.3 蔭蔽對大豆葉片葉綠素熒光參數的影響

圖2-A表明，南豆12 MS、SS處理的實際量子產量顯著低于CK，分別減少20.6%、27.1%，LS處理與CK相比無顯著差異，桂夏豆7號的實際量子產量隨光強減弱而降低，LS、MS、SS處理分別減少了15.9%、18.2%、30.0%；隨蔭蔽程度增加，南豆12和桂夏豆7號的最大量子產額均減少（圖2-B）。與CK 相比，南豆12 LS處理的非光化學淬滅系數無顯著差異，MS、SS處理增加了16.7%和24.3%，桂夏豆7號的非光化學淬滅系數呈逐漸升高的趨勢，LS處理降低了4.7%，差異顯著，MS處理差異不顯著，SS處理顯著增加，提高了5.2%（圖2-C、D）。

表2 不同蔭蔽程度下大豆的光合特性

同列不同小寫字母表示0.05水平差異顯著

small letters in the same column indicate significant differences at 0.05 level

圖2-C藍色越深，表示非光化學淬滅系數值越高

2.4 蔭蔽對大豆葉片碳水化合物的影響

由圖3-A、B可知，隨蔭蔽程度增加，大豆葉片的淀粉含量顯著降低。與CK相比，南豆12 LS、MS、SS處理的淀粉含量減少了59.0%、77.8%、95.8%，差異顯著；桂夏豆7號LS、MS、SS處理的淀粉含量分別降低了47.5%、67.3%、87.8%，差異顯著；圖3-C表明，與CK相比，南豆12 LS處理的可溶性糖含量顯著增加，增加了72.7%，SS處理顯著減少，減少了88.4%，而MS處理的可溶性糖含量差異不顯著；桂夏豆7號LS、MS處理的可溶性糖與CK相比無顯著差異，SS處理的可溶性糖含量降低了61.8%，差異顯著。

3 討論

蔭蔽是限制間套作大豆產量的主要因素之一，合理的種植密度可以改善群體結構，提高光能利用率，增加作物產量[22]。套作玉米遮蔭導致大豆前期的光截獲量減少，光合作用受到限制，從而影響碳水化合物生成和碳氮代謝過程[26]。

氣孔是植物葉片與外界氣體交換和水分散失的主要通道，外界環境的變化引起氣孔的開閉，進而影響植物光合作用[27]。氣孔的不同性狀并不是對植物獨立起作用，而是存在一定關聯性[28]。本試驗中，隨遮蔭程度的增加，蔭蔽敏感性弱的南豆12的上、下表皮氣孔密度、氣孔導度均呈先增后減的趨勢；而蔭蔽敏感性強的桂夏豆7號上下表皮氣孔密度和氣孔導度逐漸降低，與前人研究氣孔密度與氣孔導度顯著正相關結果相似[29-31]。輕度和中度蔭蔽條件下，南豆12和桂夏豆7號的氣孔導度和蒸騰速率都隨蔭蔽程度增加而先增后減，與前人關于氣孔導度、蒸騰速率在不同時期不同品種間與光合速率表現出趨勢一致性變化的研究結果一致[32]；氣孔導度越大，南豆12的胞間CO2濃度越大，而桂夏豆7號的胞間CO2濃度隨氣孔導度增大反而降低，這與譚春燕等[28]氣孔導度越大，胞間CO2濃度越高的結果存在差異，可能是由于不同品種之間的響應機制存在差異。而輕度蔭蔽條件下，蔭蔽敏感性弱的南豆12凈光合速率增大，但胞間CO2濃度升高，可能是由于光合同化率降低，導致胞間CO2濃度增加，對這一現象需要進一步的研究[33]。重度蔭蔽條件下，南豆12和桂夏豆7號截獲的光量少，導致蔭蔽對大豆植株的脅迫超過了其自身的調節能力，減少了CO2固定量，光合速率顯著下降，胞間CO2濃度則顯著上升。以上結果表明不同大豆品種對蔭蔽的敏感程度與氣孔特性存在一定聯系，但還需要進一步研究，從而為間套作大豆耐蔭性研究及提高大豆產量提供理論依據。

圖3-A藍色越深，淀粉粒含量越高 Figure 3-A shows the deeper blue, the starch content is higher

光合熒光作為光合作用的靈敏探針，能很好地反映逆境因子對光合作用的影響[14]。光強減弱，本試驗中最大量子產額逐漸降低且不同品種間無顯著差異，表明蔭蔽敏感性弱的南豆12和蔭蔽敏感性強的桂夏豆7號的潛在最大光合能力無顯著差異；2個大豆品種葉片的非光化學淬滅系數都先減后增，而在LS處理下南豆12的非光化學淬滅系數顯著低于桂夏豆7號，表明適度蔭蔽條件下，南豆12通過降低熱耗散來提高光化學反應效率能力更強，進而維持較高的能量代謝水平來適應蔭蔽脅迫[34]，這與李瑞等[22]研究結果一致。南豆12實際量子產量先增后減，桂夏豆7號實際量子產量逐步降低，這說明適度蔭蔽會促進南豆12實際光合能力的提高，但蔭蔽敏感性強的桂夏豆7號的光合作用會受到抑制，可能是桂夏豆7號正常生長的光合速率所需光照強度仍高于本試驗所設置的正常光照強度，試驗中的正常光照對桂夏豆7號產生蔭蔽脅迫，因此光合能力受到抑制。

碳水化合物在植物體內可互相轉化，其含量的變化反映了同化物從源端葉片到庫端莖稈的供應情況和運輸、利用率，含量的高低直接與光合作用相關[35-37]。本試驗中，蔭蔽程度增加，蔭蔽敏感性弱的南豆12和蔭蔽敏感性強的桂夏豆7號的淀粉含量減少，而可溶性糖含量則先增后減，且在輕度蔭蔽條件下達到最大值，這與程亞嬌[38]等適當遮陰會促進可溶性糖含量增加的研究結果一致。淀粉含量降低的原因可能是光合產物在淀粉與可溶性糖之間的分配時，首先滿足可溶性糖合成和轉運的需求，然后多余的部分才轉化為淀粉積累[39]。本試驗結果與米國全[40]等研究結果一致，蔭蔽敏感性弱的南豆12葉片可溶性糖合成代謝較蔭蔽敏感性的桂夏豆7號強。

4 結論

在蔭蔽條件下，大豆凈光合速率、氣孔導度、可溶性糖含量隨蔭蔽程度增加而呈現先增大后減小的趨勢，而淀粉含量逐漸減少，適度蔭蔽會增加大豆葉片的光合產物積累；不同蔭蔽敏感性品種適應蔭蔽環境的機制略有不同，蔭蔽敏感性弱的大豆品種南豆12的實際光量子產量，氣孔密度先增后減，而蔭蔽敏感性強的桂夏豆7號的實際光合能力和氣孔密度隨光照減弱而降低。

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Influence of Light Intensity on Stoma and Photosynthetic Characteristics of Soybean Leaves

CHEN JiYu, FENG LingYang, GAO Jing, SHI JianYi, ZHOU YuChen, TU FaTao, CHEN YuanKai, YANG WenYu, YANG Feng

(College of Agronomy, Sichuan Agricultural University/Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System in Southwest China, Ministry of Agriculture/Sichuan Engineering Research Center for Crop Strip Intercropping System, Chengdu 611130)

【】To reveal the response mechanism of photosynthetic and stomatal characteristics of soybean leaves to shade, it analyzed the stomatal characteristics, photosynthesis and carbohydrate changes of soybean leaves in seedling stage under different light intensity. 【】A pot experiment was conducted to analyze the impact of four light-intensity levels including CK (normal light), LS (light shading, 20% shading), MS (medium shading, 40% shading) and SS (severe shading treatment, 75% shading) on stomata characteristics of upper and lower epidermis, photosynthetic fluorescence parameters, soluble sugar and starch content of two soybean varieties (Nandou-12, weak shade-sensitive and Guixiadou-7, high shade-sensitive).【】Results revealed that the maximum number of stomata on the upper and lower epidermis of soybean leaves was observed with Nandou-12. Among shading treatments, LS and MS treatments significantly increased the number of stomata on the upper (by 26.9% and 18.5%) and lower (by 13.9% and 39.2%) epidermis as compared with CK. And between soybean varieties, the highest rate of photosynthesis was measured under LS treatment, whose average was 14.33 μmol CO2·m-2·s-1. In addition, the highest values of stomatal conductance in Nandou-12 (0.57 mm·m-2·s-1) and Guixiadou-7 (0.30 mm·m-2·s-1) were measured under LS treatment, and the maximum concentration of carbon dioxide under LS and SS treatments with Nandou-12 was significantly higher than that under CK. These results implied that increasing light intensity decreased the actual quantum yield, however, the actual quantum yield of Nandou-12 was significantly higher than that of Guixiadou-7. In contrast, the non-photochemical quenching coefficient of Nandou-12 and Guixiadou-7 was enhanced with a decline in light intensity. Moreover, the starch content of Nandou-12 and Guixiadou-7 was decreased by 59.0%, 77.8%, and 95.8%, and 47.5%, 67.3%, and 87.8%, respectively, under LS, MS, and SS treatments. Whereas, light shading (LS) significantly increased (72.7%) the soluble sugar content of Nandou-12 as compared with the corresponding values of Guixiadou-7.【】Overall, our results confirmed that shading conditions directly affect the stomata and photosynthetic characteristics of soybean leaves. However, by maintaining appropriate shading, the net photosynthetic rate of soybean leaves could be increased by increasing the rate of stomatal opening, which was conducive to increase the accumulation of carbohydrates and thus enhance the shade resistance of soybeans.

soybean; shade; stoma characteristics; photosynthetic characteristics; carbohydrate

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.21.006

2019-05-19；

2019-08-06

國家重點研發計劃項目（2016YFD0300109）、大學生科研興趣培養計劃項目（2019053）

陳吉玉，E-mail：1527554331@qq.com。通信作者楊峰，E-mail：f.yang@sicau.edu.cn

（責任編輯 楊鑫浩）