金花茶回歸苗木的生長、光合特性和葉片形態特征*

江海都,柴勝豐**,熊忠臣,鄒 蓉,楊泉光,鄧麗麗,唐健民,韋 霄

(1.廣西壯族自治區中國科學院廣西植物研究所,廣西植物功能物質與資源持續利用重點實驗室,廣西桂林 541006;2.廣西防城金花茶國家級自然保護區管理處,廣西防城港 538021)

金花茶(Camellianitidissima)為山茶科(Theaceae)山茶屬(Camellia)金花茶組植物,是常綠灌木或小喬木,具有金黃色半透明蠟質狀的花瓣,是培育雜交茶花優良品種的種質資源,具有極高的觀賞價值、藥用價值和科研價值[1,2],是世界上稀有的珍稀瀕危植物,被稱為“植物界的大熊貓”,并有“茶族皇后”的美譽[1]。金花茶自然分布于我國廣西南部的南寧、防城港、扶綏和越南北部等地[3],生長于熱帶季節性雨林、溝谷雨林的闊葉林下酸性土壤,對蔭蔽條件要求較高。金花茶在野外生境中遭受到較為嚴重的人為破壞,其棲息地面積越來越小,造成金花茶分布片段化,其野外分布地區和數量減小,野生資源面臨野外滅絕的危險,因此該物種已被列入國家二級重點保護野生植物[4]。目前,迫切需要對金花茶開展拯救性保護[5],在加強其就地保護的基礎上,選擇適宜的位點,開展回歸引種對金花茶種群延續和物種保護具有重要的意義[6]。

對瀕臨滅絕的珍稀瀕危植物開展回歸引種,擴大其種群數量,恢復其種群的自然更新能力,是實現珍稀瀕危植物保護的根本途徑?；貧w通常是指在一個物種出現瀕?，F象的現有分布區域或已滅絕的歷史分布區域重建該物種種群的活動,是物種保護和種群恢復的重要策略之一[7,8]。植物的回歸是在遷地保護的基礎上,通過人工繁殖把植物引入其原來分布的自然或半自然生境中,以建立具有足夠的遺傳資源來適應進化改變、可自然維持和更新的新種群[9]?；貧w自然是野生植物種群重建的重要途徑,能夠更加有效地對珍稀瀕危野生植物進行拯救和保護[10,11]。環境因子對植物的回歸具有一定的影響[8,12]。光照強度的大小可以改變植物的形態結構、調節葉綠素含量,從而影響植物的生長發育[13-15]。葉片是植物進行光合作用的主要器官,其內部組織的厚度、葉肉細胞的大小均會影響葉片的光合特性[16-18]。研究表明,金花茶實生苗在50%強光脅迫下其生長會受到抑制[19],扦插苗適宜種植在70%和80%遮陰環境下[20];隨郁閉度的增加,金花茶嫁接苗的生物量、株高、地徑和最大凈光合速率(Pmax)均呈先增加后減小的趨勢,且在郁閉度為70%時均達到最高[21]。上述研究結果表明,不同苗木類型間金花茶的光合能力有所差異,為其回歸引種保護及種群恢復提供了重要的參考依據。

有關金花茶的回歸引種,僅楊泉光等[22,23]對回歸點生境和回歸苗木短期成活率進行了初步研究,關于不同類型回歸苗木(實生苗和扦插苗)的成活率、生長狀況、光合生理特性的差異則未見報道。為此,本研究對金花茶實生苗和扦插苗回歸引種到原生境近7年后的生長狀況、光合特性、葉片形態結構等進行分析,探討不同苗木類型回歸引種的生長狀況、光合生理特性、葉片性狀以及存活率之間的差異,擬掌握回歸引種金花茶不同苗木類型的生存狀態和適應能力,為其苗木回歸引種及種群擴大提供指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地點位于廣西防城金花茶國家級自然保護區內,屬熱帶季風氣候類型。該區域年平均氣溫為21.8 ℃,最冷月(1月)平均氣溫為12.6 ℃,最熱月(7月)平均氣溫為28.2 ℃,極端最高溫為39.1 ℃;年平均降水量為2 900 mm。選取的2個回歸點分別為廣西防城港市防城區那梭鎮打狗坪點(108°06′E,21°44′N)和那灣坪點(108°10′E,21°46′N),2個回歸點以前均有金花茶分布,打狗坪點因早前村民墾林開荒生境受到一定破壞,那灣坪點生境破壞較小。打狗坪點位于保護區南部,海拔55-66 m,坡向東南向,坡度10°左右,地勢較平坦,林下蔭蔽度約75%,群落喬木樹種為樟(Cinnamomumofficinarum)、馬尾松(Pinusmassoniana)、銀柴(Aporosadioica)等,回歸點以南30 m處為上岳江,常年流水。那灣坪點位于保護區東南部,海拔150-165 m,坡向東南向,坡度20°左右,林下蔭蔽度約90%,群落喬木樹種為潤楠(Machilusnanmu)、假蘋婆(Sterculialanceolata)、油桐(Verniciafordii)等,回歸點下方10 m處有狹長凹槽小水溝,下大雨時有水流,平時較為濕潤。打狗坪點土壤肥力狀況如下:pH值為4.89,土壤有機質含量為6.63 g/kg,全氮為1.14 g/kg,全磷為0.16 g/kg,全鉀為25.45 g/kg,水解性氮87.96 g/kg,有效磷1.76 g/kg,速效鉀含量為21.00 g/kg;那灣坪點土壤肥力狀況如下:pH值為5.02,土壤有機質含量為29.00 g/kg,全氮為0.73 g/kg,全磷為0.39 g/kg,全鉀為24.47 g/kg,水解性氮120.85 g/kg,有效磷0.74 g/kg,速效鉀含量為63.00 g/kg[23]。

1.2 材料

金花茶回歸試驗于2016年2月進行?；貧w苗木為2年生實生苗和扦插苗,試驗苗生長狀況基本一致,株高平均為35-40 cm。試驗苗在2個回歸點內生長近7年時間,管理措施一致,苗木種植前3年進行必要的人工撫育管理,包括除草、淋水等,生長穩定后讓其自然生長。2022年11月對回歸苗木進行生長狀況、光合特性、葉片形態結構等指標的測定。

1.3 方法

1.3.1 苗木生長狀況和成活率的測定

在打狗坪點和那灣坪點內選擇生境基本一致的區域,分別選擇50株實生苗和扦插苗,于苗木種植時進行掛牌標記,統計其成活率(SR),每個處理3個重復。分別對2個回歸點試驗范圍內的20株金花茶實生苗和扦插苗進行調查,測量其株高(PHT)、冠幅、地徑(GD)、分枝數、生長勢,其中株高于表土之上測量,地徑的測量位置為主干離表土2 cm處,生長勢分為優、良和差3個等級。

1.3.2 光合-光響應曲線的測定

2個回歸點內各選定5株長勢良好的實生苗和扦插苗,每株各選取1片苗木頂部成熟葉片,在上午8:30-11:00天氣晴朗時,采用Li-6400便攜式光合測定系統分析儀(美國Li-cor公司生產)測定其光合-光響應曲線。測量前將待測葉片放在600 μmol·m-2·s-1光強下誘導30 min(儀器自帶的紅藍光源)以充分活化其光合系統。使用開放氣路,空氣流速為0.5 L·min-1,葉室溫度為28 ℃,CO2濃度為400 μmol·mol-1(用CO2鋼瓶控制濃度)。光強梯度按照由強到弱的順序手動設定,分別設定為1 500、1 200、1 000、800、600、400、200、150、100、50、20、10、0 μmol·m-2·s-1,測定時每一光強下停留3 min。以光量子通量密度(PPDF)為橫軸、凈光合速率(Pn)為縱軸繪制光合-光響應曲線(Pn-PPDF曲線)。采用葉子飄等[24]的直角雙曲線模型進行光合-光響應曲線的擬合,并推導出各項參數。

1.3.3 光合色素含量測定

從進行光合-光響應曲線測定的5株實生苗、5株扦插苗上各采集3片成熟度、方位與光合指標測定時一致的葉片進行光合色素的測定。準確稱取一定量的葉片,將其置于25 mL的棕色容量瓶中,加入25 mL 95%乙醇提取,閉光24 h以上,直至葉片變白。以95%乙醇為空白對照,葉片變白后用紫外分光光度計(美國Perkin Elmer公司生產)分別測定其在665、649、470 nm下的吸光值,根據李合生[25]的試驗方法,計算出葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)、總葉綠素Chl (a+b)和類胡蘿卜素(Car)的含量,以及葉綠素a與葉綠素b的比值(Chla/b)、總葉綠素與類胡蘿卜素的比值[Chl (a+b)/Car]。

1.3.4 葉片解剖結構

參照李正理[26]的方法制作石蠟切片,并適當優化。摘取光合-光響應曲線測定的5株實生苗和5株扦插苗的葉片后沿中脈橫切,切片為10 mm×10 mm,用FAA固定液(70%乙醇∶福爾馬林∶冰醋酸=90∶5∶5)固定。利用石蠟切片方法制片,切片用甲苯胺藍染色,采用數字切片掃描儀全景掃描。借助圖形分析軟件CaseViewer 2.4測量各微觀參數。測定指標有葉片厚度(LT)、上表皮厚度(UET)、下表皮厚度(LET)、柵欄組織厚度(PTT)、海綿組織厚度(STT)、中脈導管直徑(VD),并計算柵海比。柵海比=柵欄組織厚度/海綿組織厚度。取30個視野測定統計各指標參數。

1.3.5 葉面積和比葉重

分別從20株金花茶實生苗和扦插苗摘取50片成熟葉片并清洗干凈,使用Li-3000葉面積儀(美國Li-cor公司生產)測定葉面積(LA),將葉片于110 ℃下處理30 min,再在80 ℃烘箱烘干至恒重,用電子天平稱其干重,計算比葉重,比葉重=干重/葉面積。

1.4 數據處理

所有測定的數據均采用平均值±標準差(Mean±SD)的形式表示。運用Microsoft Excel 2010整理數據,SPSS 25.0進行數據處理和分析,Origin 2015作圖。各回歸點不同苗木類型各指標的比較采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比較(Duncan法),不同回歸點和苗木類型對各指標的影響采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)。

2 結果與分析

2.1 金花茶回歸苗木生長量及成活率

金花茶回歸苗木的生長情況和成活率見表1。2個回歸點金花茶實生苗的株高、地徑和成活率均大于對應點的扦插苗,生長勢也優于對應點的扦插苗。打狗坪點回歸苗木的生長量和成活率要優于那灣坪點。

表1 金花茶回歸苗木的生長量和成活率

2.2 金花茶回歸苗木光合-光響應曲線

金花茶回歸苗木的Pn均隨光量子通量密度(PPFD)的升高先升高后下降。當PPFD為0-200 μmol·m-2·s-1時,Pn均快速上升;而當PPFD大于800 μmol·m-2·s-1時,Pn呈下降趨勢,發生了光抑制。2個回歸點實生苗Pn均高于對應點的扦插苗(圖1),實生苗的最大凈光合速率(Pmax)、光補償點(LCP)、光飽和點(LSP)、表觀量子效率(AQY)和暗呼吸速率(Rd)均顯著高于對應點的扦插苗(P<0.05,表2)。打狗坪點實生苗和扦插苗的Pmax分別小于那灣坪點的實生苗和扦插苗。

圖1 金花茶回歸苗木葉片光合-光響應曲線

表2 金花茶回歸苗木的光合-光響應參數

2.3 金花茶回歸苗木葉片的光合色素

由表3可知,2個回歸點實生苗的Chla、Chlb、Chl (a+b)、Car含量均顯著(P<0.05)低于對應點的扦插苗;打狗坪點實生苗的Chl (a+b)/Car值高于扦插苗,而那灣坪點則低于扦插苗;2個回歸點不同苗木類型間的Chla/b值無顯著差異(P>0.05)。打狗坪點實生苗和扦插苗Chla、Chlb和Chl (a+b)均低于那灣坪點,但Chla/b高于那灣坪點。

表3 金花茶回歸苗木葉片的光合色素含量及比例

2.4 金花茶回歸苗木葉片顯微結構特征

金花茶葉片有明顯的上表面和下表面之分,上、下表面均分布有表皮細胞,上表皮下分布有柵欄組織和海綿組織,海綿組織中分布有維管束(圖2)。2個回歸點實生苗葉片厚度、海綿組織厚度和中脈導管直徑均顯著大于對應點的扦插苗(P<0.05)。打狗坪點實生苗、扦插苗葉片厚度和海綿組織厚度均大于那灣坪點,而中脈導管直徑卻小于那灣坪點(表4)。

(a),(b) are the transverse plane of the leaves and the transverse plane of the main vein of the leaves of Dagouping seedlings,respectively;(c),(d) are the transverse plane of the leaves and the transverse plane of the main vein of the leaves of Dagouping cutting seedlings,respectively;(e),(f) are the transverse plane of the leaves and the transverse plane of main vein of leaves of Nawanping seedlings,respectively;(g),(h)are the transverse plane of the leaves and the transverse plane of the main vein of the leaves of Nawanping cutting seedlings,respectively.UEC is the upper epidermal cell;LEC is the lower epidermal cell;PT is palisade tissue;ST is spongy tissue;XY is xylem;PH is phloem;VB is the vascular bundle;VC is the vascular cambium.

表4 金花茶回歸苗木葉片解剖結構

2.5 金花茶回歸苗木的葉面積和比葉重

2個回歸點金花茶實生苗的葉面積均顯著大于對應點的扦插苗(P<0.05)。打狗坪點實生苗的比葉重顯著大于扦插苗(P<0.05),而那灣坪點則無顯著差異(P>0.05)。打狗坪點實生苗和扦插苗的葉面積均小于那灣坪點,而比葉重則大于那灣坪點(表5)。

表5 金花茶回歸苗木的葉面積和比葉重

2.6 方差分析

從表6可見,回歸點和苗木類型分別對金花茶苗木的株高、地徑、成活率、Pmax、LCP、LSP、AQY、葉綠素含量、LA和LT有極顯著影響(P<0.01);兩者的交互作用除了對LCP、AQY和LT這3個指標無顯著影響(P>0.05)外,對其余指標均有極顯著影響(P<0.01)。

表6 回歸點和苗木類型對金花茶回歸苗木生長、光合生理、葉綠素含量、葉片形態特征指標的方差分析

3 討論

2個回歸點金花茶實生苗的株高、地徑和成活率均大于對應點的扦插苗,表現出明顯的生長優勢,該結果與王健等[27]對油橄欖(Oleaeuropaea)的研究結果一致,這可能與實生苗有明顯的主根有關,其粗壯的主根能較好地吸收土壤礦質營養和水分,生長更快,適應性更強;而扦插苗無主根,其根系為枝條韌皮部和愈傷組織長出的須根,較為細弱,其營養吸收能力和抵抗外界不利環境的能力更弱。光照是植物生存必需的環境因子,對植物的生長發育和形態結構都具有重要的意義[28,29]。本研究發現,打狗坪點金花茶的生長量和成活率均高于那灣坪點,這可能與其回歸點生境蔭蔽度不同有關,打狗坪點生境蔭蔽度為75%,較適宜金花茶的生長發育,而那灣坪點蔭蔽度為90%,蔭蔽度較強,因光照不足導致其生長較慢,這一結果與呂欽楊等[21]對金花茶的研究結果一致。從2個回歸點土壤養分來看,那灣坪點土壤有機質和水解性氮含量均高于打狗坪點,因此土壤養分可能不是影響金花茶生長的主要因素。

植物光合特性受遺傳特性和環境因子的雙重影響[30]。Pmax表示植物潛在最大凈光合效率[31],Pmax越大表明植物光合能力越強,從而能夠儲存更多的營養物質供植株生長;AQY反映植物對弱光的利用能力,其值越大反映弱光環境下葉片的光能轉化效率越強[32]。2個回歸點實生苗的Pmax和AQY均顯著高于對應點的扦插苗(P<0.05),說明實生苗葉片的光合能力強于扦插苗,從而能夠儲存更多的營養物質,弱光環境下的適應能力亦強于扦插苗,這一結果與張珍賢等[33]對密花豆(Spatholobussuberectus)的研究結果一致。LSP和LCP分別反映植物對強光和弱光的利用能力[34]。2個回歸點實生苗的LSP和LCP均顯著高于對應點的扦插苗(P<0.05),其光能利用范圍也大于扦插苗,說明實生苗比扦插苗具有更寬的光照適應范圍。

葉綠素與光合作用密切相關,其含量和比例是植物適應和利用環境因子的重要指標[35]。2個回歸點實生苗的葉綠素含量顯著低于對應點的扦插苗(P<0.05),這一結果與傅瑞樹等[36]對南方紅豆杉(Taxuswallichiana)的研究結果并不一致,一方面可能與本研究點為野外回歸點,受環境因子影響有關,另一方面可能與研究物種苗齡有關,相關機制有待進一步研究探討。本研究發現,打狗坪點金花茶苗木光合色素含量低于那灣坪點,而Chla/b高于那灣坪點,這可能是與那灣坪點蔭蔽度較高有關,那灣坪點金花茶為適應弱光環境采取維持較高的光合色素含量與較低的Chla/b值的策略來維持較高的光合能力,這一結果與柴勝豐等[19]對金花茶、苑淑媛等[37]對紅松(Pinuskoraiensis)的研究結果一致。

葉片解剖結構的變化和植物的生長發育有著重要的聯系[28]。本研究發現,2個回歸點實生苗葉片厚度和海綿組織厚度均顯著大于對應點的扦插苗(P<0.05),且打狗坪點大于那灣坪點,這一方面可能是由于實生苗較扦插苗根系發達,吸收較多的養分可供苗木葉片生長;另一方面可能與回歸點蔭蔽度不同有關。那灣坪點蔭蔽度比打狗坪點強,所以葉片相對較薄,較薄且排列疏松的海綿組織能夠提高光的透射率,增加對光的捕獲能力,彌補蔭蔽度較高造成光照不足的情況;打狗坪點光照較強,葉片較厚,儲水能力較強,能夠滿足較強的蒸騰作用,并且較厚的葉片可以降低光在葉片內的傳導效率,避免強光對光合系統的破壞,這一結果與閆旭等[29]對閩楠(Phoebebournei)的研究結果一致。打狗坪點金花茶葉片中脈導管直徑小于那灣坪點,這可能與那灣坪點蔭蔽度較高有關,遮光促進了金花茶木質部的發育,這一結果與李冬林等[38]對香果樹(Emmenopteryshenryi)的研究結果一致。

葉面積的大小決定了光合效率,反映了植物對其養分條件等因素的適應策略[39]。本研究發現,2個回歸點實生苗葉面積均顯著大于對應點的扦插苗(P<0.05),這可能是由于實生苗比扦插苗具有更發達的根系,得到較多的營養物質且有利于葉片生長引起的。研究表明,光照較強的環境植物具有較高的比葉重,而在弱光環境下葉片比葉重則降低[40]。打狗坪點植物的葉面積小于那灣坪點,而比葉重則呈相反趨勢,這可能與那灣坪點蔭蔽度較高有關,在弱光下增大葉面積,降低比葉重,可增強光能捕獲的能力,有利于光合作用,這一結果與金雅琴等[41]對紅果榆(Ulmusszechuanica)的研究結果一致。

此外,金花茶實生苗屬于有性繁殖,含有較多的遺傳信息,但由于其資源量有限且結實率低,種子較難獲得;而扦插苗屬于無性繁殖,繁殖系數高,但存在種苗來源單一、遺傳多樣性下降的問題[5]。為了確保金花茶苗木含有較高的遺傳多樣性,回歸引種的金花茶宜選用實生苗。

4 結論

回歸點和苗木類型對金花茶苗木的株高、地徑、成活率、Pmax、LSP、葉綠素含量和葉面積等有極顯著影響(P<0.01)?；貧w點金花茶實生苗的生長量、成活率、光合能力和光適應范圍均優于對應點的扦插苗;實生苗光合色素含量低于對應點的扦插苗;實生苗葉片厚度、海綿組織厚度、中脈導管直徑和葉面積均顯著大于對應點的扦插苗(P<0.05)。在開展金花茶野外回歸引種中宜優先采用實生苗種植,此外回歸點光照條件可能是影響金花茶生長的重要因素,應選擇具有中等遮陰環境的野外生境進行回歸。