西雙版納兩種木姜子幼苗對光的適應特性

1光環(huán)境和耐充樹種生長的關系在熱帶雨林地區(qū)，它是最重要的環(huán)境因素，影響植物的生存、生長和更新。林窗的大小和厚度、林冠的高度、林冠葉的表面指數(shù)、季節(jié)和天氣的變化往往會導致地下光環(huán)境的動態(tài)變化。太陽的光穿過林冠層，受到樹干和葉片的反射。當?shù)竭_地下時，光的強度僅為冠層的1%6%，紅茶的值取決于遠紅色。熱帶雨林中不同生態(tài)習性樹種的更新需要不同的光環(huán)境。先鋒樹種的種子發(fā)芽，幼苗生長需要森林窗的環(huán)境。進化后期的樹種大多在地下發(fā)芽，苗僅在陰影環(huán)境中生存或生長緩慢。如果林窗形成，就可以快速生長。一般來說，抗蔭樹種的光致動力很低，形狀和生理上的可塑性很差，光的光化容易受到光的抑制。光照樹種具有強的流動性和高沖擊性，可以適應光環(huán)境的變化。在某些高光環(huán)境下，植物會受到光化的嚴重影響，如光化。體內積累了一些有害物質，如活著性氧，增強了抗旱性酶系統(tǒng)的效應。森林破壞和破碎化日益嚴重。同時，森林微環(huán)境的變化，特別是光環(huán)境，帶來了一些抗蔭植物。這些抗蔭植物可能面臨著強迫，影響了它們的生存和生長，并可能導致一些耐蔭植物物種的消失。在這項工作中，我們研究了綠野和樟科兩種森林中潛力樹種的生存模式。對于不同的光水平，我們研究了適應光環(huán)境的能力，并分析了它們與森林分布的關系。2研究領域和方法2.1研究設計與育苗實驗在中國科學院西雙版納熱帶植物園完成.該園位于21°56′N,101°15′E,海拔約600m,屬于北熱帶西南季風氣候,一年分干季(11月～次年4月)和雨季(5月～10月).年降雨量為1500～1600mm,年平均氣溫21.5℃.實驗設3個光水平,用黑色尼龍網(wǎng)遮蔭,不改變光質.透光率分別為50%、25%和8%(全光照作為100%,以下簡稱50%、25%和8%光強).研究樹種為樟科的瀕危種思茅木姜子、漸危種五椏果葉木姜子和大戟科的毛果桐.兩種木姜子的幼苗喜蔭,多分布在林下.毛果桐為熱帶雨林次生演替的先鋒樹種,多生長在林窗或林緣處.2000年11月用種子繁育幼苗.2001年3月將具2片以上真葉、長勢一致的幼苗移栽到體積約1.5L的陶盆中,每盆1株.栽培用土為森林中10cm以上的表土(磚紅壤).幼苗在25%光強下生長約40d后,將3個種的幼苗平均放置在3個蔭棚中.保證水肥,并進行病蟲害管理.2.2學習方法2.2.1最大光能轉化效率試驗用FMS2.01型脈沖調制熒光儀(Hansatech公司,英國)于晴天測定植物光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)最大光能轉化效率(Fv/Fm)的日變化,方法見馮玉龍等.每個光強測定3～5株幼苗,選取植株上部的成熟葉.2.2.2流動水層pn,pfd,pn4,3種植物pn-pfd曲線擬合用Li-6400光合儀(Li-Cor,Inc,美國)測定葉片的凈光合速率(Pn),使用開放氣路,空氣流速為0.5L·min-1.測定前,8%、25%和50%光強下的幼苗分別在500、1000、1500μmol·m-2·s-1(PFD)光強下誘導30min,葉片與光源之間具8cm厚的隔熱流動水層.測定從2000μmol·m-2·s-1光強開始,依次降為1500、1000、500、200、100、50、20和0μmol·m-2·s-1,在每種光強下照光3min后測定Pn.以PFD為橫軸,Pn為縱軸繪曲線(Pn-PFD曲線).據(jù)Bassman和Zwier的方法擬合Pn-PFD曲線方程:Pn=Pmax(1-C0e-αPFD/Pmax)式中,Pmax為最大凈光合速率,α為弱光下光量子利用效率(AQY),C0為度量弱光下凈光合速率趨近于0的指標.實際測量中,3種植物的Pn-PFD曲線擬合效果較好(文中未列出曲線圖),顯著性水平在95%以上,因而可用下式計算光補償點(LCP)和光飽和點(LSP).假定Pn達到Pmax的99%時的PFD為光飽和點:LCP=Pmaxln(C0)/αLSP=Pmaxln(100C0)/α2.2.3sod、cat和apx活性測定葉綠素含量參考Arnon法,用分光光度計(Shimadzu-2501,日本)測定.MDA和H2O2含量測定分別參考王以柔等和林植芳等的方法.SOD活性測定參考Giannopolitis和Ries的方法,勻漿物于4℃下10000r·min-1離心15min.CAT活性測定參考Jablonski和Anderson的方法.APX活性的測定參考沈文飚等的方法.以上測定和實驗在2001年10月完成,各測定均于9∶00～11∶00采樣,放入液氮罐帶回,保存在超低溫冰箱中.每個變量的值均為3～5個植株測定的平均值.3結果與分析3.1不同光水平對毛果桐lcp和lsp的影響由表1可見,3個種葉片的總葉綠素含量隨光水平升高而減少.相同光強下,毛果桐的總葉綠素含量顯著高于兩種木姜子.每個種葉綠素a/b的值在3種光強之間沒有顯著差異.3個種的LCP和LSP隨光水平升高而增加.相同光強下,毛果桐的LCP和LSP高于兩種木姜子(表1).毛果桐Pmax值隨光水平升高而增大,而兩種木姜子的Pmax在50%光強下最小;相同光強下毛果桐的Pmax高于兩種木姜子.毛果桐的Rd隨光水平升高而增加,而兩種木姜子的Rd在25%光強下最大(表2).50%和8%光強下,毛果桐的Rd高于兩種木姜子.毛果桐的AQY隨光水平升高而增加,而兩種木姜子的AQY則在50%光強下最低(表2).相同光強下,毛果桐的AQY大于兩種木姜子.3.2fv/fm值Fv/Fm的日變化(圖1)表明,3個種的Fv/Fm在13∶00～15∶00降到最低值,隨光水平升高,午間Fv/Fm值下降幅度增加,下午逐漸回升.50%光強下的五椏果葉木姜子凌晨的Fv/Fm值顯著低于25%和8%光強(P<0.05),表明其呈一定程度的長期光抑制.3.3不同光照條件對思茅木姜子抗氧化酶活性的影響3個種的MDA和H2O2含量均隨光水平升高而增加(圖2).相同光強下,毛果桐的MDA含量極顯著(P<0.01)高于兩種木姜子,而兩種木姜子之間無顯著差異.由圖3可見,思茅木姜子的SOD活性隨光水平升高而增加.五椏果葉木姜子在3種光水平間無顯著差異.在毛果桐8%光強下的SOD活性最低.相同光強下,五椏果葉木姜子的SOD活性顯著低于其它兩個種.3個種的CAT活性隨光水平升高呈增加趨勢(圖3).相同光強下,五椏果葉木姜子的CAT活性極顯著低于其它兩個種(P<0.01).毛果桐的APX活性隨光水平升高而增加.兩種木姜子在不同光水平之間APX活性無顯著差異.相同光強下,毛果桐的APX活性均極顯著高于兩種木姜子(P<0.01).4光系統(tǒng)日進程的影響3個種單位鮮重葉的總葉綠素含量隨光水平的降低而增加,提高了在弱光環(huán)境中對光能的捕獲,與其它研究報道相一致.葉綠素a/b值降低有利于植物吸收林下環(huán)境中的紅光,并維持光系統(tǒng)Ⅰ和光系統(tǒng)Ⅱ之間的能量平衡,是植物適應林下光環(huán)境的有利反應.3個種的葉綠素a/b值在3種光水平間無顯著差異,Chazdon的研究結果則表明a/b值隨光強降低而減小,這可能與Chazdon的實驗植物材料在林下,紅光/遠紅光降低有關;而在本文的植物材料處理中,不同光水平間無光質的差異.在相同的光水平下,先鋒樹種毛果桐的總葉綠素含量高于兩種耐蔭的木姜子,表明其對光能的捕獲能力強于兩種木姜子.Pmax是衡量植物光合能力的重要指標.兩種木姜子的Pmax在50%光強下最小,與其它一些研究者認為強光下生長的植物Pmax較高的結論形成對照,表明它們利用強光的能力較差.在西雙版納地區(qū),思茅木姜子主要分布于以大藥樹(Antiaristoxicaria)和龍果(Gironnierasubaequalis)為優(yōu)勢的低丘雨林和以番龍眼(Pometiatomentosa)和千果欖仁(Terminaliamyriocarpa)為優(yōu)勢的溝谷雨林的中層,而五椏果葉木姜子只分布在后一類型更蔭蔽的溝谷雨林中層,表明五椏果葉木姜子較思茅木姜子更耐蔭.兩種木姜子的Pmax、Rd和AQY均在50%光強下降低,表明受到了強光的脅迫,而先鋒樹種毛果桐則在50%和25%光強下Pmax較大,且差異不顯著,這可能和本實驗所設的光水平有關.25%光強已相當于雨林中大林窗的光照強度,足以保證多數(shù)先鋒樹種對光強的需求.其它的研究也發(fā)現(xiàn),有些樹種在高光強和中等光強下Pmax沒有顯著差異.相比之下,8%光強下毛果桐的Pmax、Rd和AQY均下降,可以認為是一種生理下調以適應弱光環(huán)境,表現(xiàn)出對光環(huán)境變化的生理可塑性.與兩種木姜子相比,毛果桐在不同光強下可調節(jié)其光能利用能力,在光環(huán)境的變化中表現(xiàn)出較大的生理可塑性.3個種的Fv/Fm日變化表明,3種光水平下的幼苗在午間均產生Fv/Fm值下降的現(xiàn)象,表明所吸收的光能超出了其利用和熱耗散的能力限度,而產生了光抑制.思茅木姜子和毛果桐凌晨的Fv/Fm值在3種光水平下差異不大(P>0.05),且大于0.8,表明光系統(tǒng)沒有受到不可恢復的傷害,Fv/Fm值午間降低是暫時的可逆反應.而50%光強下的五椏果葉木姜子凌晨的Fv/Fm值小于0.8,顯著低于25%和8%光強下(P<0.05),表明其發(fā)生了一定程度的長期光抑制,可能是光系統(tǒng)受到了不可逆的傷害,表明對高光強的適應性較差,這與其在50%光強下Pmax和AQY均較低相一致.植物在遭受高光傷害時,活性氧代謝加強.MDA是活性氧攻擊膜脂而形成的降解產物,其積累為膜結構及功能受到傷害的表現(xiàn).H2O2是活性氧的一類,一般認為H2O2不能直接啟動膜脂過氧化,但可通過Fenton和Haber-Weiss反應產生攻擊力更強的·OH啟動膜脂過氧化.活性氧的產生與植物體內過量光能引起的光氧化有關.SOD催化O?2˙Ο2˙-歧化反應生成O2和H2O2,CAT可分解H2O2,APX目前被認為是葉綠體中清除H2O2的關鍵酶.3個種的SOD、CAT、APX的活性在50%光強下增加,表明它們在高光強下加強了抵御活性氧等有害物質的能力,是一種減輕植物光氧化傷害的途徑.在相同的光強下,毛果桐的APX活性極顯著高出兩種木姜子,而MDA含量遠較兩種木姜子的低(P<0.01),表明其清除H2O2的能力強,膜結構受損相對較輕,這與其光合能力和光能利用效率高是一致的.毛果桐對不同的光水平均能較好地適應,而兩種木姜子