弱光对苦草幼苗生长发育的影响

弱光对苦草幼苗生长发育的影响

水下植物的恢复过程与环境因素的变化过程密切相关，其生长和分布受到多个环境因素的控制（pieterandmurphy，1993）。其中,光强是影响沉水植物生长、分布最重要的因子之一,光照不足被认为是导致富营养湖泊沉水植物衰退的主要原因(Shortetal.,1995;More&Wetzel,2000)。研究表明,当水体短时间光量不足时植物形态不仅可能发生茎节、分枝、叶片伸长等可塑性变化,也可能发生叶绿体数目、叶绿素含量、光合荧光参数(Fv/Fm、△Fv′/Fm′、qP、rETR)增大、细胞膜透性降低等生理特性变化(Barko&Smart,1981;Goldsborough&Kemp,1988;李强和王国祥,2009);光量长时间不足,光合速率和呼吸速率降低、植株形态、生理失衡,影响其繁殖与种群恢复(Goodmanetal.,1995)。由于不同沉水植物形态和生理特性上的差异,当光量不足时其采用的适应和耐受策略存在显著的差异,具有不同的适应和耐受能力。目前,光量不足对沉水植物生长发育影响的研究多集中于短期(10～30d)弱光(5%～20%全光照)条件的影响(肖月娥等,2006)。但是,在沉水植物的恢复过程中常可能长时间面临弱光环境,特别是≤1%全光照的弱光环境,而这方面的系统研究尚少(杨文斌等,2009),不利于物种的恢复。饱和脉冲调制(PAM)荧光仪是快速、无损伤研究植物光合作用的探针,在陆生植物光合作用的研究中得到广泛的应用(Wenetal.,2005;Wodalaetal.,2005)。水下饱和脉冲荧光仪(DIVING-PAM)的出现使原位、无损伤测定沉水植物的光合作用成为可能(Ralphetal.,1998;Takabayashietal.,2005)。苦草(Vallisnerianatans)是一种多年生的沉水植物,广泛生长于湖泊、池塘、沟渠及河流水体(韩茂森等,1979)。其生长发育和繁殖过程中受到光照、温度、pH、营养盐、基质、鱼类放养、着生藻类等环境因子的多重作用。研究表明,苦草植株对于光的需求较低,是水生生态系统恢复、重建过程中首选的几种沉水植物之一(李文朝和连光华,1996;苏文华等,2004)。本文将苦草幼苗分别种植于5%、1%、0.5%和0.1%全光照的水体中,统计、测定植株的生长发育参数,并使用水下饱和脉冲调制荧光仪原位测定植株叶片的荧光参数,研究不同弱光条件对苦草幼苗生长发育的影响,为苦草的恢复、重建提供依据。1材料和方法1.1盆内装至土的制备将平均长度为(3.0±0.3)cm的苦草冬芽均匀种植于小盆中,盆高8cm,直径15cm,盆内装满泥土。自然光照(晴天中午最大光照强度为3.2×104～5.5×104lx)下培养40d,幼苗叶片长度约为10～12cm,每盆选择7株发育程度相近的植株作为实验植株,去除其余的植株。1.2模拟光照、光照和数据观测实验前将φ=0.52m×0.7m的实验桶(外壁预先刷上黑漆,再刷白漆)置于室外,并将上述小盆放置于注满水的实验桶中,每桶1盆,每10d换水1次。实验期间随植株高度调节小盆位置,保持植株顶端接近水面。实验共设5组,每组3个重复。其中,1组为对照(CK)(未遮光),其余4组用不同厚度遮阳网进行遮光处理,实验期间于晴天正午用光量计分别测定水面和桶外的光强,取平均值,其桶内光强分别约为桶外光强的5%、1%、0.5%、0.1%,分别记为L1、L2、L3和L4。实验于2009年4月28日开始。分别于实验起始、第20天、第40天和第80天时统计植株数(包括新、老植株)、叶片数,测定老株与新株最长叶片的叶长、叶宽,以及各组老株叶片的Fv/Fm值。第40天时测定各组老株叶片的快速光响应曲线,并于第80天时分别称取各组老株和新株的根、茎、叶鲜重,计算各部分与植株鲜重的比值,并作差异显著度分析。1.3光化学及光催化氧化能力测定用水下饱和脉冲荧光仪DIVING-PAM(德国WALZ公司)测定各实验组植株最长叶片中部的Fv/Fm值。测定于7:00—8:00进行。叶片暗适应15min后,打开叶夹,开启测量光得到初始荧光(Fo);再开启饱和脉冲光(饱和脉冲光强度4000μmol·m-2·s-1,持续时间0.8s)测得最大荧光(Fm)(Ralphetal.,1998)。然后选用起始光化光为1,分别测定各组叶片的快速光响应曲线(Ralphetal,1998)。光化学最大量子产量Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm,相对电子传递速率rETR=0.84×0.5×PAR×(Fm′-Ft)/Fm′,非光化学淬灭NPQ=(Fm-Fm′)/Fm′(Schreiberetal.,1997),其中,Fv为可变荧光,Fm为最大荧光产量,Fo为初始荧光,PAR为光合活性辐射,Fm′为光照条件下的最大荧光产量,Ft为光照条件下的荧光产量。取平均值作比较,并作差异显著度分析。1.4弱光对苦草幼苗生长发育的影响采用SPSS11.0软件对实验数据进行处理和分析。弱光对苦草幼苗生长发育的影响采用单因素方差分析完成(one-wayANOVA)。用LSD法判断各实验组植株生长发育的的差异显著性(α=0.05)。2结果与分析2.1光照对新株数的影响由表1可知,实验前20d除0.1%组无新株萌发外,其余实验组的新株萌发均未被抑制;但是,随着实验时间延长新株的萌发显著被抑制。与对照相较,第40天时,5%、1%全光照组和0.5%全光照组的新株数均比对照低50.0%;而且,第80天时,1%全光照组和0.5%全光照组的新株全部死亡。2.2弱光对苦草表型的影响2.2.1弱光照对老株叶片数和叶片发育的影响由表1可知,在弱光照条件下老株叶片形成被抑制,且随着实验时间的增加和光照强度的降低叶片形成受到的抑制程度显著增大。第40天时,对照、5%和1%全光照组老株叶片数的增加率分别为19.6%、18.5%和0.0%,而0.5%和0.1%全光照组老株叶片数却下降了7.7%和17.5%,差异显著(P<0.05)。至第80天时,除5%全光照组外1%、0.5%和0.1%全光照组老株叶片数均显著下降,分别比第40天时降低了23.3%、30.6%和30.3%,差异显著(P<0.05)。由表1还可知,在弱光照条件下前20d新株叶片形成均未被抑制,且5%全光照组新株叶片形成被促进。但是,至第40天时,5%、1%和0.5%全光照组新株叶片的形成均被显著抑制,且1%和0.5%全光照组新株的叶片片数增长率均为0,第80天时,这两组的新株叶片均全部腐烂。2.2.2叶片宽的变化由表1可知,在弱光照条件下老株叶宽的增长受到显著的抑制。第20天时,对照、5%和1%全光照组老株叶宽的增加率分别为25.0%(P<0.05)、5.0%(P>0.05)、2.6%(P>0.05),而0.5%和0.1%全光照组老株叶宽分别降低了2.4%和4.5%,差异不显著(P>0.05)。特别是第40天后,各弱光组叶片上部失绿、变黄、腐烂,除5%全光照组外其余弱光组的叶宽显著降低,第80天时,1%、0.5%和0.1%全光照组叶宽分别比第40天时降低16.2%、20.0%和42.5%,差异显著(P<0.05)。由表1还可知,第20天时,除5%全光照组外其余实验组新株的叶宽受到抑制;且随着实验时间的延长,抑制作用呈显著的增大趋势。与对照相比较,第40天时,5%、1%和0.5%全光照组新株叶宽分别比对照低39.4%、48.5%和51.5%,差异显著(P<0.05)。2.2.3叶片伸长和叶长随光照时间的变化由表1可知,在弱光照条件下老株叶片的伸长显著被抑制,且随着光强降低叶片伸长的幅度显著降低。第20天时,5%、1%、0.5%和0.1%全光照组老株叶长分别比对照低9.6%、27.6%、29.5%和33.3%,差异显著(P<0.05)。第40天后,各实验组叶片的伸长完全被抑制,部分叶片上部腐烂、变短;第80天时,5%全光照组老株叶长比第40天时仅增加了1.7%,而1%、0.5%和0.1%全光照组老株叶长分别比第40天时降低了25.9%、39.1%和45.1%,差异显著(P<0.05)。由表1还可知,前20d各实验组新株的叶长被促进,但与对照的差异不显著。随着实验时间的延长,各实验组新株叶长伸长显著被抑制;且随着光照强度的降低新株叶长呈降低趋势。与对照相较,第40天时,5%、1%和0.5%全光照组新株的叶长比对照分别低50.0%、55.2%和62.5%,差异显著(P<0.05)。2.3弱光照条件对植株原初光化学效率的影响Fv/Fm反映了当所有的光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心均处于开放态时的量子产量,可以直接作为原初光化学效率的指标(张守仁,1998)。由图1可知,在弱光照条件下植株叶片的原初光化学效率随实验天数的增加呈显著降低趋势。第20天时,在弱光条件下植株的Fv/Fm与对照差异不显著。但是,第40天时,1%、0.5%和0.1%全光照组叶片的Fv/Fm显著下降,分别比对照低9.6%、10.2%和11.7%。特别是,第80天时,这3组植株叶片的Fv/Fm显著降低,分别仅为对照的78.9%、68.6%和64.9%,表明其叶片PSⅡ受损严重。2.4叶片的光合能力和热耗散能力rETR反映了实际光强下的表观电子传递效率,用于度量光化学反应导致碳固定的电子传递情况。NPQ反映的是天线色素吸收的光能不能用于电子传递而以热的形式耗散掉的光能部分,而热耗散是植物保护光系统II的重要机制(Gentyetal.,1989)。由图2可知,随着弱光强度的降低,各实验组植株叶片的光合能力显著降低,第40天时,5%、1%、0.5%和0.1%全光照组叶片的rETRmax分别为对照的82.3%、62.9%、60.1%和49.6%。而且,随着弱光强度的降低,各实验组的热耗散能力呈显著的降低趋势;随光照强度的增加,各实验组NPQ增加幅度呈显著降低趋势,表明各实验组叶片光合系统易受到过剩光能的伤害。2.5弱光对各实验组各主要指标的影响由表2可知,在弱光条件下,第80天时老株根、茎、叶的鲜重均显著低于对照;且5%全光照组老株的根重、茎重、叶重、株重均显著大于其余实验组。与对照相较,各实验组的根重/株重和茎重/株重均较大,且随着光照强度的降低比值呈增加趋势;而其叶重/株重显著低于对照,且随着光照强度降低呈显著的降低趋势,5%、1%、0.5%和0.1%全光照组的叶重/株重值分别比对照低14.6%、52.2%、62.7%和68.8%。由表2还可知,在弱光条件下第80d时5%全光照组新株根、茎、叶的鲜重和株重也显著低于对照;且5%全光照组新株的根重/株重、叶重/株重均低于对照,而茎重/株重则相反,比对照高60.6%。3讨论3.1光补偿点对苦草生长的影响水体光强是沉水植物生长的必需环境因子。在水中,由于水体溶解物、悬浮颗粒、藻类以及水深的影响,光照不足的现象在水体中最易发生。苦草为多年生的沉水植物,在自然水体中常分布于水体下层,其营养繁殖体的萌发无需光刺激(李文朝和连光华,1996)。季高华等(2006)将苦草种子放置于不同的弱光条件下进行萌发实验,发现即使光照强度为0时,苦草仍保持85%的较高发芽率和生物量;其最佳的萌发光强仅5lx。而且,苦草具有较低的光补偿点,有利于其对弱光环境的适应(Salvucci&Bowes,1982)。苦草Vallisnerianatans、Vallisneriagantean和Vallisneriaspiralis的光补偿点分别为26μmol·m-2·s-1(Blanchaetal.,1998)、9.4μmol·m-2·s-1(苏文华等,2004)和0.52μmol·m-2·s-1(陈洪达,1990)。与狐尾藻、金鱼藻、菹草和黑藻相较,苦草对光的需求最低,适于在低光照条件下生长(苏文华等,2004)。研究表明,植物面对弱光生境都会减少对枝条数、地下生物量的投资而增加对植株长度和枝条长度的投资,这可能是植物应对弱光条件的生长策略(Assmann,1992;Pigliucci&Schlichting,1995;Dudley&Schmitt,1996)。苦草是一种叶基生型的植物,其地上部分主要为叶。因此,弱光逆境对植株叶表型的影响显著大于根、茎。在高营养、2.5%全光照下苦草生长被促进(黎慧娟等,2008),在高浊度的泥沙水体中第15天时苦草幼苗的叶长呈显著增加趋势(李强和王国祥,2009)。在生长发育过程中,苦草植株通过叶片数、叶长和叶宽的变化,以及克隆新株的形成以实现增大光合面积、获得有利光照条件和扩大生境的目的。在弱光逆境条件下,前20天内苦草植株叶片数、叶长、叶宽的变化和新株的生成体现出其对这种环境的适应策略。首先,相对于老株叶片数、叶长和叶宽的增长来说,苦草植株优先实现了新株的形成和发育。这不仅体现在5%全光照条件下新株叶片数、叶长和叶宽发育被促进,更体现在1%和0.5%全光照条件下新株及其叶片的形成未被抑制,且叶长被促进上。在弱光逆境下植株仍将部分物质用于匍匐茎的形成,以及新株的形成和发育,一方面可以通过扩大生存环境,以求逃离不利环境,另一方面也可能是为了以后的无性繁殖做准备,以避免种群的灭绝。其次,相对于叶片的伸长老株优先实现了叶片数的增加,这主要体现在5%全光照条件下老株叶片数未被显著抑制上,这有利于尽快增大植株的光合叶面积。第三,相对于叶宽的增大优先实现了叶片的伸长。除0.1%全光照组外,其余弱光组植株的叶片都不同程度的实现了伸长,这有利于植株迅速获得有利的光照条件。当然,过低的光照条件会导致植株生长发育的停滞。这主要体现在第20d时0.1%全光照条件下植株新株形成、叶片数、叶长、叶宽均已完全被抑制上。3.2植株对光照的稳定性和光合能力的基因组化肖月娥等(2006)研究表明,>5%全光照下,随着光照强度的降低,苦草叶片的丙二醛(MDA)含量和细胞膜透性呈降低趋势,且在低光下光合效率呈增大趋势。叶片既是苦草唯一的地上器官,也是唯一的光合器官,其叶片的消亡可以看作为植株的消亡。本研究表明,随着实验时间的延长弱光逆境对植株的影响程度加剧,植株叶片及新株的形成与发育均受到显著的抑制。第20天后1%、0.5%和0.1%全光照组植株的部分叶片上部失绿,甚至腐烂,光系统Ⅱ显著受损,光合能力显著降低,且叶片的形成、发育与新株的形成、发育均逐渐被完全抑制。特别是,第40天后植株叶片大量腐烂、变短,甚至消失;至第80天时新株叶片完全腐烂、消失,老株叶片数不仅显著减少,且上部均发生失绿、腐烂现象,叶片残留部分的光合能力显著降低。因而,从叶片消亡起始的角度来说,1%、0.5%和0.1%全光照组植株对≤1%全光照的弱光逆境的耐受时间约为40d,这与浑浊泥沙水体中的研究结果相似(李强和王国祥,2009)。研究表明,第80天时1%、0.5%和0.1%全光照组植株的叶片大量腐烂、变短,但老株数未减少,且残留的叶片仍具有一定的光合能力。从叶片消亡完成角度来说,这3组植株对弱光逆境的耐受时间>80d。此外,虽然5%全光照组植株叶和新株的形成、发育受到显著的抑制,但是至第80天时植株大部分叶片保持完整,且Fv/Fm仅比对照低7.9%,光合结构PSⅡ未严重受损。因而,其对所处弱光逆境(1%全光照)的耐受能力>80d,有利于其后续的恢复、生长。3.3各弱光境对老株生长和幼苗生长的影响当然,苦草植株叶片的消亡并不能完全代表其种群的消亡。自然状态下苦草分配于有性繁殖部分的生物量较无性的大,但每年种群主要来自地下块茎和匍匐茎(陈开宁等,