不同生境下刺五加的光合及生理特性

張 茜，余注光，郭品湘，楊秀玲，李 琳，王凌暉

（1.廣西大學 林學院，廣西南寧 530004；2.南寧樹木園，廣西南寧 530031）

刺五加（Eleutherococcus senticosus）為五加科（Araliaceae）五加屬落葉灌木，主要分布于我國黑龍江、遼寧、吉林和山西等地，是一種可食用的木本蔬菜[1-2]。其葉、莖和果實可供藥用，具有滋補強壯、益氣健脾和扶正固本的功效[3]。在《中國植物紅皮書》[4]和《北京市重點保護野生植物名錄》中，刺五加分別被列為國家三級和二級保護植物，有很高的研究價值。

光環境是影響植物生長最密切的因子，且隨時間和空間發生變化；光照強度、光照時間和光譜成分的改變均對植物有較大影響[5]。光環境對植物的直接作用為光合作用，光照強度是決定植物光合作用的最大環境因素[6]，對植物生長起著至關重要的作用。目前，與刺五加相關的研究主要集中在藥用成分[7]、基因克隆[8]、植物生理[9]和套種栽培[10]等方面。不同生境對刺五加光合及生理特性影響的研究較少。孟祥才等[11]對刺五加在全光、林緣和林下生長時的生理特性進行研究，結果表明強光照條件不會對刺五加造成損害。該研究測定的指標較少且未對各個指標進行綜合分析。露天、林下及棚下種植是蔬菜及中草藥植物培育中常見的3種方式。本研究對刺五加在露天、林下及棚下3 種生境下的光合及生理特性進行綜合分析與評價，探討刺五加對不同光強的響應，以期為刺五加栽培及生產與推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與材料

刺五加植株由廣西壯族自治區南寧市南寧樹木園珍稀樹種花卉苗木繁育中心提供。將1年生刺五加扦插苗分別種植在3種環境中（露天、林下和棚下），定植3年。露天種植及棚下種植試驗地位于繁育中心本部（108°30′E，22°72′N），棚下植株種植于塑料棚下；林下種植試驗地為南寧樹木園新塘管理區林地（108°29′E，22°76′N）小葉欖仁（Terminalia neotaliala）林下；海拔約為180 m。各環境下刺五加植株均采用赤紅壤進行培養，土壤基本化學性質為全氮含量0.679 g/kg、全磷含量0.260 g/kg、全鉀含量4.084 g/kg、有機質含量14.668 g/kg 和pH 值5.5。2019年12月初，對露天、棚下及林下3 種生境下的刺五加植株進行光合指標測定，對刺五加嫩葉進行生理指標測定。

1.2 試驗設計與指標測定

采用隨機區組試驗設計。采用露天（100%光照）、林下（65%光照）及棚下（30%光照）3 種處理。每處理選取長勢一致的健壯植株3 株，重復3 次。每株選擇3 ～4 片成熟功能葉，采用Li-6400XT 便攜式光合作用測定儀測定凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）等光合作用指標；摘取植株上部嫩葉，測定光和色素（葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素）、可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸和丙二醛（MDA）含量等生理指標。

采用乙醇提取法提取光合色素并測定含量，采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量，采用考馬斯亮藍G-250 染色法測定可溶性蛋白含量，采用酸性茚三酮法測定游離脯氨酸含量，采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛含量[12]。

1.3 數據處理

采用SPSS 17.0軟件對各指標進行數據分析，采用Excel 2016 軟件進行數據統計并制作圖表。采用單因素方差分析及Duncan 多重比較法進行不同生境下刺五加植株光合和生理指標間的差異性分析。采用Pearson 相關性分析對各指標間的相關關系進行探究。采用隸屬函數分析不同生境下刺五加植株光合及生理指標的隸屬度均值。

Uxi=（xi-xmin）/（xmax-xmin）[13]

式中，Uxi為隸屬度均值；xi為某指標平均值；xmax和xmin分別為該指標測定值中的最大值和最小值。負相關指標隸屬度經正向化處理后計算或用1-Uxi表示。

2 結果與分析

2.1 不同生境對刺五加植株光合特性的影響

不同生境下，刺五加植株的各光合指標均差異極顯著（P＜0.01）（表1）。隨光照強度增加，Pn、Gs和Tr均逐漸增加；露天種植時最大，分別為15.98 μmol·m-2·s-1、0.47 mmol·m-2·s-1和6.15 mmol·m-2·s-1；棚下種植時最小，分別為7.41 μmol·m-2·s-1、0.33 mmol·m-2·s-1和3.79 mmol·m-2·s-1。 隨光照強 度 增加，Ci逐漸降低，露天種植時最小（295.24 μmol/mol），棚下種植時最大（334.58 μmol/mol）。

表1 不同生境下刺五加植株光合特性Tab.1 Photosynthetic characteristics of E.senticosus plants in different habitats

2.2 不同生境對刺五加植株光合色素含量的影響

不同生境下，刺五加植株的各光合色素含量均差異極顯著（P＜0.01）（表2）。隨光照強度增加，各光合色素含量均呈先增后減的趨勢。林下種植時，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b 及類胡蘿卜素含量均最高，分別為5.75、2.99、8.74 和1.25 mg/g；棚下種植時次之；露天種植時最低。葉綠素a/b 表現為露天種植＞棚下種植＞林下種植。

表2 不同生境下刺五加植株光合色素含量Tab.2 Photosynthetic pigment contents of E.senticosus plants in different habitats

2.3 不同生境對刺五加植株生理指標的影響

2.3.1 可溶性糖含量

隨光照強度增加，刺五加植株的可溶性糖含量呈先增后減的趨勢；林下種植時最高（2.07 mg/g），露天種植時次之（2.00 mg/g），兩者均極顯著高于棚下種植（1.36 mg/g）（P＜0.01），兩者間差異不顯著（圖1）。

圖1 不同生境下刺五加植株可溶性糖含量Fig.1 Soluble sugar contents of E.senticosus plants in different habitats

2.3.2 可溶蛋白含量

隨光照強度增加，刺五加植株的可溶性蛋白含量逐漸增加；露天種植時最高（34.53 mg/g），林下種植時次之（25.50 mg/g），棚下種植時最低（21.45 mg/g），3者間均差異極顯著（P＜0.01）（圖2）。

圖2 不同生境下刺五加植株可溶性蛋白含量Fig.2 Soluble protein contents of E.senticosus plants in different habitats

2.3.3 游離脯氨酸含量

隨光照強度增加，刺五加植株的游離脯氨酸含量呈先增后減的趨勢；林下種植時最高（103.06 μg/g），與其他處理差異極顯著（P＜0.01）；露天種植時次之（81.33 μg/g），棚下種植時最低（76.71 μg/g），兩者間差異不顯著（圖3）。

圖3 不同生境下刺五加植株游離脯氨酸含量Fig.3 Free proline contents of E.senticosus plants in different habitats

2.3.4 MDA含量

隨光照強度增加，刺五加植株的MDA含量呈先增后減的趨勢；林下種植時最高（3.97 μmol/g），與其他處理差異極顯著（P＜0.01）；露天種植時次之（3.23 μmol/g），棚下種植時最低（2.76 μmol/g），兩者間差異顯著（P＜0.05）（圖4）。

圖4 不同生境下刺五加植株MDA含量Fig.4 MDA contents of E.senticosus plants in different habitats

2.4 不同生境對刺五加植株光合及生理特性的綜合影響

2.4.1 光合及生理指標相關性分析

各生理指標間的相關性均不顯著（表3）。Pn與Ci呈極顯著負相關（P＜0.01）；葉綠素a 含量與葉綠素b 和葉綠素a + b 含量均呈極顯著正相關（P＜0.01）；葉綠素b含量與葉綠素a+b含量呈極顯著正相關（P＜0.01）。

表3 各指標相關性分析Tab.3 Correlation analysis of all indexes

2.4.2 光合及生理指標隸屬度分析

不同生境的隸屬度均值表現為林下種植＞露天種植＞棚下種植，說明刺五加植株在林下種植時生長狀況最好，露天種植次之，棚下種植時欠佳（表4）。

表4 各指標隸屬度分析Tab.4 Membership analysis of all indexes

續表4 Continued

3 討論與結論

光照在植物生長調控過程中非常重要，在調節植物光合作用及生長等方面起到重要作用[14]。本研究對刺五加植株的各光合及生理指標進行分析，發現刺五加植株的Pn、Gs及Tr均在露天種植時最大，且隨著光照強度的增加而增加。表明全光照環境下刺五加植株的光合作用最好，刺五加植株具有較強的抗強光照能力；弱光條件不利于刺五加植株光合作用的進行。耐蔭樹種一般光合能力較低，強光下容易發生光抑制；喜光樹種光合能力強，能較好地適應光環境的變化[15]。由此可見，刺五加為喜光或陽生植物。刺五加植株的Ci在露天種植條件下最小，可能與隨光照強度降低，喜陽植物的CO2補償點升高有關[16]。

光合色素包括葉綠素、類胡蘿卜素和藻膽素等；葉綠素含量的增加可提高用于吸收光能的捕光色素蛋白的相對含量，從而提高光能利用率[17]；類胡蘿卜素有清除活性氧、保護葉綠素分子等作用[18]。本研究結果顯示，林下種植時，刺五加植株的各光合色素含量均最高，棚下種植次之，露天種植最低。說明適宜的光照可促進刺五加植株光合色素含量增加，過強的光照則不利于其光合色素的合成。當植物葉片處在強光照射下時，葉綠素形成困難且容易被破壞或降解，植物體難以消耗葉綠素吸收的全部光能，從而產生光抑制，這是露天種植條件下植株葉綠素含量相對較低的原因之一[19]。葉綠素a/b表現為露天種植＞棚下種植＞林下種植；弱光環境下，葉綠素a/b 較低的植物在一系列反映下能更好地吸收低光照環境下的漫射光，有利于植物對弱光的適應[20]。

MDA 含量可反映植物膜脂過氧化程度，其含量變化能體現植物受逆境傷害時生物膜的損害程度；當植物遭受脅迫時，細胞內會出現大量的MDA 積累，是一種受到脅迫的信號[21]。本研究結果顯示，刺五加植株MDA 含量表現為林下種植＞露天種植＞棚下種植，林下種植植株的MDA 含量最高，與其他兩種處理差異極顯著，說明本試驗中林下種植的刺五加植株細胞膜系統受損。露天和棚下種植時，刺五加植株的MDA含量差異不顯著，說明在一定范圍內，光照強度不是引起刺五加植株MDA含量變化的主要因素，與孟祥才等[11]的研究結果一致。游離脯氨酸具有一定清除活性氧的能力，可降低細胞膜的膜脂過氧化水平，防止植株受到活性氧積累帶來的傷害[22]，在逆境中也會出現大量積累[23]。本研究中，刺五加植株的游離脯氨酸含量變化趨勢與MDA 含量一致，林下種植時最高，說明林下種植條件下，植株受到了非光照因子的脅迫，為保護細胞膜、降低細胞膜損傷，游離脯氨酸含量隨MDA含量的升高而升高。

可溶性糖與可溶性蛋白是重要的有機滲透調節物質。本研究中，刺五加植株可溶性糖含量表現為林下種植＞露天種植＞棚下種植，棚下種植植株的可溶性糖含量最低，且與林下和露天種植差異極顯著。可溶性糖含量的增加可提高植物細胞的滲透調節能力，增加對細胞膜的保護作用。林下種植時，刺五加植株的可溶性糖含量最高，原因可能是植株通過增加可溶性糖含量來降低細胞原生質的滲透勢，維持植物體內的滲透平衡[24]。可溶性蛋白含量表現為露天種植＞林下種植＞棚下種植，且3 者間均差異極顯著。可溶性蛋白含量可反映植物代謝水平；隨光照強度增加，刺五加植株可溶性蛋白含量積累，其葉片滲透能力的調節功能和代謝水平增強。光照強度的增加一般伴隨著溫度的增加，王志和等[25]對大白菜（Brassica rapavar.glabra）的研究與周廣洽等[26]對稻米的研究均發現，隨溫度升高，可溶性蛋白含量增加。由此猜測，刺五加植株可溶性蛋白含量的變化可能與光照和溫度呈正相關有關。

綜合各項光合和生理指標及隸屬度分析結果，刺五加植株種植在林下時，其綜合得分最高，植株生長狀況最好。刺五加植株的生長不僅受光照強度的影響，還受土壤、水分和溫度等因素的影響，植物間相互作用、凋落物等因素也在一定程度上改變植物生長環境，可在后續研究中進一步探討。