光質對杉木幼苗新葉葉綠素熒光規律的影響

汪星星, 陳 鋼, 戴嘉豪, 曹光球,2, 曹世江,2

(1.福建農林大學林學院;2.國家林業局杉木工程技術研究中心，福建 福州 350002)

植物通過葉綠素進行光合作用，太陽輻射是其主要能量來源，而植物吸收太陽輻射基本集中在藍光區( 425～490 nm) 和紅光區( 600～700 nm)[1].近年來，單一光質以及紅藍混合光對植物生長發育的影響逐漸成為研究熱點[2],目前，葉綠素熒光參數常常被作為植物對逆境響應的重要指標[3]，本試驗研究了葉綠素熒光中的暗下最大熒光(Fm)、固定熒光(Fo)、最大可變熒光(Fv)等參數，分析了生長在不同光質下的杉木幼苗的葉綠素參數值，為進一步研究杉木幼苗新葉的生長發育提供依據.

有研究表明[4]，杉木幼苗葉片 Fo總體表現為紅光處理最高，藍光與白光處理較低；木荷和杉木幼苗葉片 Fv均表現為白光處理顯著高于藍光和紅光處理；杉木幼苗葉片 Fm總體表現為白光處理最高，紅光與藍光處理較低.但是缺少對組合光質下的葉綠素各個參數的研究.周成波等[5]研究表明，小白菜在各種組合光處理下的Fv/Fm(暗適應下PSⅡ最大光化學效率)與單質光處理下的值無明顯差異.黃希等[6]研究表明，滇重樓葉片混合光(橙光∶藍光=4∶1)處理，Fv/Fm、Fv′/Fm′最高，同時光質也影響著PSⅡ對光能的分配，紅藍組合光下光化學猝滅系數最低，而非光化學猝滅系數(non-photochemical quenching)則是在紫光和紅藍紫復合光下最小，但對于 PSⅡ 最大光化學量子產量(Fv/Fm)無顯著影響[7].本研究測定杉木幼苗新葉各生長階段的葉綠素熒光參數，并進行顯著性分析，為進一步研究杉木在生長發育過程中遇到的問題提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以 1年生的優良無性系020扦插苗為試驗材料，該材料由福建省順昌洋口林場提供，其平均株高21.50 cm，地徑0.52 cm.培養基質由福建省南平市森科種苗有限公司提供，主要原料為泥炭土、珍珠巖.基質基本理化性質為：容重0.2 g·cm-3，總孔隙度19.7%，含水率35.1%，pH 4.6，全N 14.8 g·kg-1，有效磷102.2 mg·kg-1，速效鉀136.6 mg·kg-1.LED燈由福州南瑞生物科技有限公司提供，用美國 Apogee MQ-500手持式光合輻射計測定光強.

材料最初通過紗布袋轉入基質中，前期對基質進行澆水處理，目的是為了保持基質的濕潤，經過3個月緩苗后移植到福建農林大學田間實驗室，實驗室地處東經120°，北緯27°，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫20～25 ℃，年平均降雨量1 000～2 000 mm[8]，期間對苗木進行精細管理，保持土壤濕度約70%，選擇1 200株，分為4個處理組，每個處理組300株，取樣時間為杉木幼苗生長到30、60、90、120、150、180 d.

1.2 測定方法

選擇杉木幼苗成熟健康的新葉作為試驗材料，設置白(W)、紅(R)、藍(B)、紅藍比(R∶B)(1∶1)4種光質處理，分別對杉木幼苗進行30、60、90、120、150、180 d的培育，并且采用葉綠素熒光分析儀測定各個生長階段的葉綠素熒光參數值，取各個階段葉綠素參數的平均值，計算標準誤差和標準偏差.

1.3 數據處理

試驗數據利用SPSS 26.0軟件進行整理和處理，對不同光質處理對各個階段杉木幼苗新葉的葉綠素熒光參數值的影響進行單因素方差分析，并比較各個生長階段參數值的差異顯著性.

2 結果與分析

2.1 光質對杉木幼苗新葉葉綠素熒光Fm變化規律的影響

在杉木生長發育過程中(圖1)，葉綠素熒光Fm除B處理之外均呈上升趨勢，并且30與180 d的葉綠素熒光Fm都呈現出顯著性差異(P<0.05).Fm在整個杉木生長階段雖然呈現出波動變化，在60 d出現最大值，但隨著杉木的發育，后期的Fm呈現出平穩的趨勢，其它3種光質處理下的杉木Fm與初始值相比，皆呈升高趨勢，分別升高113%、122%和118%.在整個杉木發育階段中，W處理下的葉綠素熒光Fm與其它不同光質處理下的Fm從差異不顯著到最終呈顯著差異(P<0.05)，而且4種光質處理下的杉木Fm在60～90 d的生長階段中均呈現不同程度的下降趨勢，但是在90～120 d出現上升現象.

不同大寫字母表示同一處理不同生長發育天數間差異顯著(P<0.05); 不同小寫字母表示同一生長發育時間內不同處理間差異顯著(P<0.05).圖1 不同光質處理下杉木幼苗新葉發育過程中葉綠素熒光參數Fm的變化Fig.1 Changes of chlorophyll fluorescence parameter Fm during new leaf development of Chinese fir seedlings under different light quality treatments

以光質為固定變量，研究杉木生長發育的時間對葉綠素熒光Fm的影響，4種光質處理下的杉木幼苗新葉的Fm都呈現出不同程度上的波動變化，其中，以R處理的變動幅度最大，雖然B處理下的杉木新葉的Fm總體呈現下降趨勢，但是變動幅度最小.除B處理外，其它處理下的杉木新葉Fm均在180 d內出現最大值，表明隨著杉木生長發育時間的延長，其幼苗新葉的Fm呈現穩定的上升趨勢.

2.2 光質對杉木幼苗新葉葉綠素熒光Fo變化規律的影響

Fo為固定熒光、最小熒光，又稱堿性熒光，是光系統Ⅱ(PSⅡ)反應中心完全開放時的熒光產額，與葉片葉綠素濃度有關[9-10].在杉木生長發育的整個階段，幼苗新葉Fo總體呈現上升態勢(圖2)，4種光質處理下的杉木幼苗Fo均呈上升趨勢.其中，除B處理外，各處理下的杉木Fo最大值均出現在180 d，表明杉木幼苗Fo隨著杉木的生長發育而升高.在初始周期中，4種光質處理下的杉木幼苗的Fo的差異性并不顯著(P>0.05)，而在生長發育后期，4種光質處理下Fo增長速率的大小表現為R∶B(159%)>R(144%)>W(137%)>B(106%)，四者差異達到顯著水平(P<0.05).

不同大寫字母表示同一處理不同生長發育天數間差異顯著(P<0.05); 不同小寫字母表示同一生長發育時間內不同處理間差異顯著(P<0.05).圖2 不同光質處理下杉木幼苗新葉Fo的變化Fig.2 Changes of chlorophyll fluorescence parameter Fo during new leaf development of Chinese fir seedlings under different light quality treatments

以光質為固定變量，4種處理下的杉木幼苗Fo均呈現“升高—降低—升高”的趨勢，盡管4種處理的升高幅度不一致，但是相較于研究初期均有一定的增長趨勢.其中，混合光質增長速度高于其它3種單色光質處理，說明混合光質處理對于杉木幼苗新葉Fo的影響較大.而且，在杉木發育的中后期，Fo在混合光質下呈現較快的增長趨勢，后期與其它光質處理的差異顯著(P<0.05).B處理在整個杉木發育過程中Fo的增長趨勢不顯著，與其它光質處理相比，增長幅度較小.混合光質與單一光質處理下的杉木幼苗Fo比值從最初的94%～103%到后期的114%～140%,隨著杉木幼苗的生長，Fo的差異顯著增大.

2.3 光質對杉木幼苗新葉葉綠素熒光Fv變化規律的影響

Fv是Fm與Fo的差值，反映PSⅡ最初的受體QA的氧化還原反應狀況[11].參數值過低，則對PSⅡ原始電子受體的還原會造成不同程度的抑制作用，葉片的光合系統中心發生光化學反應的“域”由Fv反映.Fv還反映PSⅡ原初電子受體QA的還原情況[12].

在杉木整個發育階段，4種處理下的Fv呈現出波動變化(圖3)，除B處理外，其它光質處理下的杉木幼苗的Fv呈現出升高趨勢，而B處理下杉木生長周期雖然出現波動變化，但是從杉木生長60 d開始出現降低趨勢.Fv升高幅度最大的是W處理和R處理.在杉木生長后期，W、R處理的Fv出現最大值，而在杉木生長前期，B、R∶B處理的Fv達到最大值.

不同大寫字母表示同一處理不同生長發育天數間差異顯著(P<0.05); 不同小寫字母表示同一生長發育時間內不同處理間差異顯著(P<0.05).圖3 不同光質處理下杉木幼苗新葉Fv的變化Fig.3 Changes of chlorophyll fluorescence parameter Fv during new leaf development of Chinese fir seedlings under different light quality treatments

將杉木生長周期作為研究變量，W、B處理下的杉木幼苗Fv呈現出“升高—降低—升高—降低—升高”的變化，而R、R∶B處理則出現“升高—降低—升高”的變化.在30 d時，4種光質處理下的杉木Fv差異性不顯著(P>0.05)，到杉木發育到180 d時，4種光質處理下的杉木Fv差異顯著(P<0.05).

2.4 光質對杉木幼苗新葉葉綠素熒光Fv/Fm變化規律的影響

Fv/Fm是衡量光抑制程度的重要參數，反映PSⅡ原初光能轉換效率的高低，參數值越小，植物受到的光抑制越大[13].Fv/Fm是指PSⅡ最大原初光化學量子效率，是光化學反應的重要參數，反映光化學效率，常常用來衡量PSⅡ原初光能轉換效率[14].

4種光質處理下的杉木幼苗Fv/Fm明顯出現降低趨勢，其中降低幅度最大的是混合光，不同光質下同一生長周期的杉木幼苗Fv/Fm和同一光質不同生長周期的Fv/Fm呈現出不同規律.同種光質條件時，在杉木幼苗生長發育的前中期，W處理的Fv/Fm差異不顯著(P>0.05)，而發育后期的Fv/Fm差異顯著(P<0.05).在總體的生長發育階段，R、B、R∶B處理的Fv/Fm也呈現降低趨勢，但是在90～120 d和30～60 d表現出升高，表明隨著杉木生長發育時間的延長，其Fv/Fm會呈現出降低趨勢.而觀察整個杉木發育時間，4種處理的規律表現為“W>R>B>R∶B”,在整個杉木生長階段，混合光質處理的Fv/Fm均低于單色光處理(表1).

表1 不同光質處理下杉木幼苗新葉發育過程中Fv/Fm的變化1)Table 1 Changes of Fv/Fm in the development of new leaves of Chinese fir seedings under different light quality

2.5 光質對杉木幼苗新葉葉綠素熒光Fv/Fo變化規律的影響

與杉木幼苗的Fv/Fm趨勢一致，杉木幼苗Fv/Fo呈顯著降低趨勢，其中降低幅度最大的是混合光，不同光質下同一生長周期的杉木幼苗Fv/Fo和同一光質不同生長周期的Fv/Fo呈現出不同規律.以同種光質來觀察，在杉木幼苗生長發育階段的前中期，W處理的Fv/Fm差異不顯著(P>0.05)，而發育后期的杉木幼苗Fv/Fo差異顯著(P<0.05).在杉木整個生長發育時段，R、B、R∶B處理的Fv/Fo也出現顯著性差異(P<0.05)，隨著杉木生長發育時間延長，其Fv/Fo呈降低趨勢，雖然在30～60 d時間段，B和R∶B處理的Fv/Fo升高，但是總體呈降低趨勢(表2).觀察杉木整個生長發育階段，4種處理的規律表現為“W>R>B>R∶B”，混合光質處理的Fv/Fm均低于單色光處理.

表2 不同光質處理下杉木幼苗新葉發育過程中Fv/Fo變化1)Table 2 Changes of Fv/Fo in the development of new leaves of Chinese fir seedings under different light quality

3 討論與結論

同一培養時間，不同光質處理對杉木幼苗新葉的Fm影響方面，除B處理外，杉木幼苗生長后期的Fm高于前期的水平，且4種光質處理表現呈現出波動變化的特點. 分析結果表明：除B處理外，其它光質處理下杉木幼苗新葉的Fm表現與初期Fm差異顯著(P<0.05)，杉木幼苗新葉在W處理下的Fm高于其他的光質處理，處于較高水平，前期與其它光質處理下的Fm差異不顯著(P>0.05)，但后期與其他光質之間差異顯著(P<0.05)，而且在杉木幼苗新葉發育的前90 d中，其Fm基本會呈現出B>W>R>R∶B的規律.在杉木幼苗新葉的Fo方面，B處理下的新葉Fo平緩升高，而其它光質處理下的Fo升高幅度較大，杉木幼苗發育到中后期，R∶B的Fo顯著高于其它處理下(P<0.05). 在杉木幼苗發育的前期，單色光處理的Fo高于混合光處理，但是差異不顯著(P>0.05)，而在杉木幼苗發育后期，混合光質處理的Fo顯著升高.該結果與游云飛[15]的結果不同，該文認為W處理下，幼苗新葉的Fo、Fm都呈現出較高的水平，可能是由于光質的波長不一致，此文的光質波長為R(400～500 nm)、B(600～700 nm).

總體來看，W處理下的Fv均會呈現出較高水平，在杉木發育的前期，與同一生長階段的其它光質相比差異不顯著(P>0.05)，發展到后期階段時，無論與同一光質處理下的初期Fv還是與同一生長階段的其它Fv相比，差異均顯著(P<0.05)，此結果與徐圓圓[16]的結果不一致，該文證明了單色光與混合光處理下的Fo和Fv等葉綠素熒光參數無顯著差異(P>0.05)，造成兩種結果不一致的原因可能是因為光質處理不一致.

從杉木幼苗發育的整個階段來看，不同光質處理下的Fv/Fm都呈現出降低趨勢，但是4種光質處理下的Fv/Fm降低比例不同.同一生長階段，Fv/Fm大致呈現出W>R>B>R∶B的規律，無論是同一生長階段不同光質處理下的Fv/Fm，還是同一光質處理下的不同生長階段的Fv/Fm相比，W處理都呈現出較高水平，而且單色光處理的Fv/Fm均高于混合光處理，表明混合光質下，植物受到的光抑制比單色光質下更大.此結果與姜曉君等[17]的結果不一致，該文認為混合光值下的Fv/Fm和Fv/Fo都比其它單色光質下的高，原因有可能是由于杉木是裸子植物，而黃瓜屬于被子植物，馬建偉等[18]對比了17種植物葉片葉綠素熒光特征得知，裸子植物的熒光值參數相較于被子植物的熒光值參數，整體呈現出較高的水平；杉木幼苗整個生長階段的Fv/Fo和Fv/Fm的變化趨勢一致，W處理呈現出較高的水平，單色光處理與混合光處理的差異也比較顯著(P<0.05).此結果與劉青青等[4]研究結果一致.本試驗4種處理下的杉木幼苗新葉Fv/Fm為0.80～0.85，說明這4種處理對杉木幼苗新葉的Fv/Fm影響較小.有研究表明[19]，與紅光、藍光處理相比，白光處理下的黃瓜幼苗Fv/Fm最高；在白光處理下，烏塌菜的Fv/Fm高于其他光質處理[20]，這與本研究結果相一致.

本研究表明，杉木新葉經過不同生長期和光質的處理，其Fo、Fm、Fv等均出現差異，說明不同光質與生長周期對于杉木幼苗新葉生長產生比較顯著的影響.杉木幼苗新葉的Fv/Fo在不同處理之間也存在顯著差異，這說明不同光質配比對杉木新葉的生長發育起到了一定的調控作用，但在杉木幼苗新葉的Fv/Fm方面差異不顯著，說明光質對杉木幼苗新葉光合反應中心Ⅱ的原初光能轉化效率和潛在活性的影響較小.