弱光對(duì)苦草幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響

水下植物的恢復(fù)過(guò)程與環(huán)境因素的變化過(guò)程密切相關(guān)，其生長(zhǎng)和分布受到多個(gè)環(huán)境因素的控制（pieterandmurphy，1993）。其中,光強(qiáng)是影響沉水植物生長(zhǎng)、分布最重要的因子之一,光照不足被認(rèn)為是導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)湖泊沉水植物衰退的主要原因(Shortetal.,1995;More&Wetzel,2000)。研究表明,當(dāng)水體短時(shí)間光量不足時(shí)植物形態(tài)不僅可能發(fā)生莖節(jié)、分枝、葉片伸長(zhǎng)等可塑性變化,也可能發(fā)生葉綠體數(shù)目、葉綠素含量、光合熒光參數(shù)(Fv/Fm、△Fv′/Fm′、qP、rETR)增大、細(xì)胞膜透性降低等生理特性變化(Barko&Smart,1981;Goldsborough&Kemp,1988;李強(qiáng)和王國(guó)祥,2009);光量長(zhǎng)時(shí)間不足,光合速率和呼吸速率降低、植株形態(tài)、生理失衡,影響其繁殖與種群恢復(fù)(Goodmanetal.,1995)。由于不同沉水植物形態(tài)和生理特性上的差異,當(dāng)光量不足時(shí)其采用的適應(yīng)和耐受策略存在顯著的差異,具有不同的適應(yīng)和耐受能力。目前,光量不足對(duì)沉水植物生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究多集中于短期(10～30d)弱光(5%～20%全光照)條件的影響(肖月娥等,2006)。但是,在沉水植物的恢復(fù)過(guò)程中?？赡荛L(zhǎng)時(shí)間面臨弱光環(huán)境,特別是≤1%全光照的弱光環(huán)境,而這方面的系統(tǒng)研究尚少(楊文斌等,2009),不利于物種的恢復(fù)。飽和脈沖調(diào)制(PAM)熒光儀是快速、無(wú)損傷研究植物光合作用的探針,在陸生植物光合作用的研究中得到廣泛的應(yīng)用(Wenetal.,2005;Wodalaetal.,2005)。水下飽和脈沖熒光儀(DIVING-PAM)的出現(xiàn)使原位、無(wú)損傷測(cè)定沉水植物的光合作用成為可能(Ralphetal.,1998;Takabayashietal.,2005)?？嗖?Vallisnerianatans)是一種多年生的沉水植物,廣泛生長(zhǎng)于湖泊、池塘、溝渠及河流水體(韓茂森等,1979)。其生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖過(guò)程中受到光照、溫度、pH、營(yíng)養(yǎng)鹽、基質(zhì)、魚類放養(yǎng)、著生藻類等環(huán)境因子的多重作用。研究表明,苦草植株對(duì)于光的需求較低,是水生生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)、重建過(guò)程中首選的幾種沉水植物之一(李文朝和連光華,1996;蘇文華等,2004)。本文將苦草幼苗分別種植于5%、1%、0.5%和0.1%全光照的水體中,統(tǒng)計(jì)、測(cè)定植株的生長(zhǎng)發(fā)育參數(shù),并使用水下飽和脈沖調(diào)制熒光儀原位測(cè)定植株葉片的熒光參數(shù),研究不同弱光條件對(duì)苦草幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響,為苦草的恢復(fù)、重建提供依據(jù)。1材料和方法1.1盆內(nèi)裝至土的制備將平均長(zhǎng)度為(3.0±0.3)cm的苦草冬芽均勻種植于小盆中,盆高8cm,直徑15cm,盆內(nèi)裝滿泥土。自然光照(晴天中午最大光照強(qiáng)度為3.2×104～5.5×104lx)下培養(yǎng)40d,幼苗葉片長(zhǎng)度約為10～12cm,每盆選擇7株發(fā)育程度相近的植株作為實(shí)驗(yàn)植株,去除其余的植株。1.2模擬光照、光照和數(shù)據(jù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)前將φ=0.52m×0.7m的實(shí)驗(yàn)桶(外壁預(yù)先刷上黑漆,再刷白漆)置于室外,并將上述小盆放置于注滿水的實(shí)驗(yàn)桶中,每桶1盆,每10d換水1次。實(shí)驗(yàn)期間隨植株高度調(diào)節(jié)小盆位置,保持植株頂端接近水面。實(shí)驗(yàn)共設(shè)5組,每組3個(gè)重復(fù)。其中,1組為對(duì)照(CK)(未遮光),其余4組用不同厚度遮陽(yáng)網(wǎng)進(jìn)行遮光處理,實(shí)驗(yàn)期間于晴天正午用光量計(jì)分別測(cè)定水面和桶外的光強(qiáng),取平均值,其桶內(nèi)光強(qiáng)分別約為桶外光強(qiáng)的5%、1%、0.5%、0.1%,分別記為L(zhǎng)1、L2、L3和L4。實(shí)驗(yàn)于2009年4月28日開始。分別于實(shí)驗(yàn)起始、第20天、第40天和第80天時(shí)統(tǒng)計(jì)植株數(shù)(包括新、老植株)、葉片數(shù),測(cè)定老株與新株最長(zhǎng)葉片的葉長(zhǎng)、葉寬,以及各組老株葉片的Fv/Fm值。第40天時(shí)測(cè)定各組老株葉片的快速光響應(yīng)曲線,并于第80天時(shí)分別稱取各組老株和新株的根、莖、葉鮮重,計(jì)算各部分與植株鮮重的比值,并作差異顯著度分析。1.3光化學(xué)及光催化氧化能力測(cè)定用水下飽和脈沖熒光儀DIVING-PAM(德國(guó)WALZ公司)測(cè)定各實(shí)驗(yàn)組植株最長(zhǎng)葉片中部的Fv/Fm值。測(cè)定于7:00—8:00進(jìn)行。葉片暗適應(yīng)15min后,打開葉夾,開啟測(cè)量光得到初始熒光(Fo);再開啟飽和脈沖光(飽和脈沖光強(qiáng)度4000μmol·m-2·s-1,持續(xù)時(shí)間0.8s)測(cè)得最大熒光(Fm)(Ralphetal.,1998)。然后選用起始光化光為1,分別測(cè)定各組葉片的快速光響應(yīng)曲線(Ralphetal,1998)。光化學(xué)最大量子產(chǎn)量Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm,相對(duì)電子傳遞速率rETR=0.84×0.5×PAR×(Fm′-Ft)/Fm′,非光化學(xué)淬滅NPQ=(Fm-Fm′)/Fm′(Schreiberetal.,1997),其中,Fv為可變熒光,Fm為最大熒光產(chǎn)量,Fo為初始熒光,PAR為光合活性輻射,Fm′為光照條件下的最大熒光產(chǎn)量,Ft為光照條件下的熒光產(chǎn)量。取平均值作比較,并作差異顯著度分析。1.4弱光對(duì)苦草幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響采用SPSS11.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。弱光對(duì)苦草幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響采用單因素方差分析完成(one-wayANOVA)。用LSD法判斷各實(shí)驗(yàn)組植株生長(zhǎng)發(fā)育的的差異顯著性(α=0.05)。2結(jié)果與分析2.1光照對(duì)新株數(shù)的影響由表1可知,實(shí)驗(yàn)前20d除0.1%組無(wú)新株萌發(fā)外,其余實(shí)驗(yàn)組的新株萌發(fā)均未被抑制;但是,隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)新株的萌發(fā)顯著被抑制。與對(duì)照相較,第40天時(shí),5%、1%全光照組和0.5%全光照組的新株數(shù)均比對(duì)照低50.0%;而且,第80天時(shí),1%全光照組和0.5%全光照組的新株全部死亡。2.2弱光對(duì)苦草表型的影響2.2.1弱光照對(duì)老株葉片數(shù)和葉片發(fā)育的影響由表1可知,在弱光照條件下老株葉片形成被抑制,且隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加和光照強(qiáng)度的降低葉片形成受到的抑制程度顯著增大。第40天時(shí),對(duì)照、5%和1%全光照組老株葉片數(shù)的增加率分別為19.6%、18.5%和0.0%,而0.5%和0.1%全光照組老株葉片數(shù)卻下降了7.7%和17.5%,差異顯著(P<0.05)。至第80天時(shí),除5%全光照組外1%、0.5%和0.1%全光照組老株葉片數(shù)均顯著下降,分別比第40天時(shí)降低了23.3%、30.6%和30.3%,差異顯著(P<0.05)。由表1還可知,在弱光照條件下前20d新株葉片形成均未被抑制,且5%全光照組新株葉片形成被促進(jìn)。但是,至第40天時(shí),5%、1%和0.5%全光照組新株葉片的形成均被顯著抑制,且1%和0.5%全光照組新株的葉片片數(shù)增長(zhǎng)率均為0,第80天時(shí),這兩組的新株葉片均全部腐爛。2.2.2葉片寬的變化由表1可知,在弱光照條件下老株葉寬的增長(zhǎng)受到顯著的抑制。第20天時(shí),對(duì)照、5%和1%全光照組老株葉寬的增加率分別為25.0%(P<0.05)、5.0%(P>0.05)、2.6%(P>0.05),而0.5%和0.1%全光照組老株葉寬分別降低了2.4%和4.5%,差異不顯著(P>0.05)。特別是第40天后,各弱光組葉片上部失綠、變黃、腐爛,除5%全光照組外其余弱光組的葉寬顯著降低,第80天時(shí),1%、0.5%和0.1%全光照組葉寬分別比第40天時(shí)降低16.2%、20.0%和42.5%,差異顯著(P<0.05)。由表1還可知,第20天時(shí),除5%全光照組外其余實(shí)驗(yàn)組新株的葉寬受到抑制;且隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng),抑制作用呈顯著的增大趨勢(shì)。與對(duì)照相比較,第40天時(shí),5%、1%和0.5%全光照組新株葉寬分別比對(duì)照低39.4%、48.5%和51.5%,差異顯著(P<0.05)。2.2.3葉片伸長(zhǎng)和葉長(zhǎng)隨光照時(shí)間的變化由表1可知,在弱光照條件下老株葉片的伸長(zhǎng)顯著被抑制,且隨著光強(qiáng)降低葉片伸長(zhǎng)的幅度顯著降低。第20天時(shí),5%、1%、0.5%和0.1%全光照組老株葉長(zhǎng)分別比對(duì)照低9.6%、27.6%、29.5%和33.3%,差異顯著(P<0.05)。第40天后,各實(shí)驗(yàn)組葉片的伸長(zhǎng)完全被抑制,部分葉片上部腐爛、變短;第80天時(shí),5%全光照組老株葉長(zhǎng)比第40天時(shí)僅增加了1.7%,而1%、0.5%和0.1%全光照組老株葉長(zhǎng)分別比第40天時(shí)降低了25.9%、39.1%和45.1%,差異顯著(P<0.05)。由表1還可知,前20d各實(shí)驗(yàn)組新株的葉長(zhǎng)被促進(jìn),但與對(duì)照的差異不顯著。隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng),各實(shí)驗(yàn)組新株葉長(zhǎng)伸長(zhǎng)顯著被抑制;且隨著光照強(qiáng)度的降低新株葉長(zhǎng)呈降低趨勢(shì)。與對(duì)照相較,第40天時(shí),5%、1%和0.5%全光照組新株的葉長(zhǎng)比對(duì)照分別低50.0%、55.2%和62.5%,差異顯著(P<0.05)。2.3弱光照條件對(duì)植株原初光化學(xué)效率的影響Fv/Fm反映了當(dāng)所有的光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應(yīng)中心均處于開放態(tài)時(shí)的量子產(chǎn)量,可以直接作為原初光化學(xué)效率的指標(biāo)(張守仁,1998)。由圖1可知,在弱光照條件下植株葉片的原初光化學(xué)效率隨實(shí)驗(yàn)天數(shù)的增加呈顯著降低趨勢(shì)。第20天時(shí),在弱光條件下植株的Fv/Fm與對(duì)照差異不顯著。但是,第40天時(shí),1%、0.5%和0.1%全光照組葉片的Fv/Fm顯著下降,分別比對(duì)照低9.6%、10.2%和11.7%。特別是,第80天時(shí),這3組植株葉片的Fv/Fm顯著降低,分別僅為對(duì)照的78.9%、68.6%和64.9%,表明其葉片PSⅡ受損嚴(yán)重。2.4葉片的光合能力和熱耗散能力rETR反映了實(shí)際光強(qiáng)下的表觀電子傳遞效率,用于度量光化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致碳固定的電子傳遞情況。NPQ反映的是天線色素吸收的光能不能用于電子傳遞而以熱的形式耗散掉的光能部分,而熱耗散是植物保護(hù)光系統(tǒng)II的重要機(jī)制(Gentyetal.,1989)。由圖2可知,隨著弱光強(qiáng)度的降低,各實(shí)驗(yàn)組植株葉片的光合能力顯著降低,第40天時(shí),5%、1%、0.5%和0.1%全光照組葉片的rETRmax分別為對(duì)照的82.3%、62.9%、60.1%和49.6%。而且,隨著弱光強(qiáng)度的降低,各實(shí)驗(yàn)組的熱耗散能力呈顯著的降低趨勢(shì);隨光照強(qiáng)度的增加,各實(shí)驗(yàn)組NPQ增加幅度呈顯著降低趨勢(shì),表明各實(shí)驗(yàn)組葉片光合系統(tǒng)易受到過(guò)剩光能的傷害。2.5弱光對(duì)各實(shí)驗(yàn)組各主要指標(biāo)的影響由表2可知,在弱光條件下,第80天時(shí)老株根、莖、葉的鮮重均顯著低于對(duì)照;且5%全光照組老株的根重、莖重、葉重、株重均顯著大于其余實(shí)驗(yàn)組。與對(duì)照相較,各實(shí)驗(yàn)組的根重/株重和莖重/株重均較大,且隨著光照強(qiáng)度的降低比值呈增加趨勢(shì);而其葉重/株重顯著低于對(duì)照,且隨著光照強(qiáng)度降低呈顯著的降低趨勢(shì),5%、1%、0.5%和0.1%全光照組的葉重/株重值分別比對(duì)照低14.6%、52.2%、62.7%和68.8%。由表2還可知,在弱光條件下第80d時(shí)5%全光照組新株根、莖、葉的鮮重和株重也顯著低于對(duì)照;且5%全光照組新株的根重/株重、葉重/株重均低于對(duì)照,而莖重/株重則相反,比對(duì)照高60.6%。3討論3.1光補(bǔ)償點(diǎn)對(duì)苦草生長(zhǎng)的影響水體光強(qiáng)是沉水植物生長(zhǎng)的必需環(huán)境因子。在水中,由于水體溶解物、懸浮顆粒、藻類以及水深的影響,光照不足的現(xiàn)象在水體中最易發(fā)生。苦草為多年生的沉水植物,在自然水體中常分布于水體下層,其營(yíng)養(yǎng)繁殖體的萌發(fā)無(wú)需光刺激(李文朝和連光華,1996)。季高華等(2006)將苦草種子放置于不同的弱光條件下進(jìn)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)即使光照強(qiáng)度為0時(shí),苦草仍保持85%的較高發(fā)芽率和生物量;其最佳的萌發(fā)光強(qiáng)僅5lx。而且,苦草具有較低的光補(bǔ)償點(diǎn),有利于其對(duì)弱光環(huán)境的適應(yīng)(Salvucci&Bowes,1982)。苦草Vallisnerianatans、Vallisneriagantean和Vallisneriaspiralis的光補(bǔ)償點(diǎn)分別為26μmol·m-2·s-1(Blanchaetal.,1998)、9.4μmol·m-2·s-1(蘇文華等,2004)和0.52μmol·m-2·s-1(陳洪達(dá),1990)。與狐尾藻、金魚藻、菹草和黑藻相較,苦草對(duì)光的需求最低,適于在低光照條件下生長(zhǎng)(蘇文華等,2004)。研究表明,植物面對(duì)弱光生境都會(huì)減少對(duì)枝條數(shù)、地下生物量的投資而增加對(duì)植株長(zhǎng)度和枝條長(zhǎng)度的投資,這可能是植物應(yīng)對(duì)弱光條件的生長(zhǎng)策略(Assmann,1992;Pigliucci&Schlichting,1995;Dudley&Schmitt,1996)?？嗖菔且环N葉基生型的植物,其地上部分主要為葉。因此,弱光逆境對(duì)植株葉表型的影響顯著大于根、莖。在高營(yíng)養(yǎng)、2.5%全光照下苦草生長(zhǎng)被促進(jìn)(黎慧娟等,2008),在高濁度的泥沙水體中第15天時(shí)苦草幼苗的葉長(zhǎng)呈顯著增加趨勢(shì)(李強(qiáng)和王國(guó)祥,2009)。在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中,苦草植株通過(guò)葉片數(shù)、葉長(zhǎng)和葉寬的變化,以及克隆新株的形成以實(shí)現(xiàn)增大光合面積、獲得有利光照條件和擴(kuò)大生境的目的。在弱光逆境條件下,前20天內(nèi)苦草植株葉片數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬的變化和新株的生成體現(xiàn)出其對(duì)這種環(huán)境的適應(yīng)策略。首先,相對(duì)于老株葉片數(shù)、葉長(zhǎng)和葉寬的增長(zhǎng)來(lái)說(shuō),苦草植株優(yōu)先實(shí)現(xiàn)了新株的形成和發(fā)育。這不僅體現(xiàn)在5%全光照條件下新株葉片數(shù)、葉長(zhǎng)和葉寬發(fā)育被促進(jìn),更體現(xiàn)在1%和0.5%全光照條件下新株及其葉片的形成未被抑制,且葉長(zhǎng)被促進(jìn)上。在弱光逆境下植株仍將部分物質(zhì)用于匍匐莖的形成,以及新株的形成和發(fā)育,一方面可以通過(guò)擴(kuò)大生存環(huán)境,以求逃離不利環(huán)境,另一方面也可能是為了以后的無(wú)性繁殖做準(zhǔn)備,以避免種群的滅絕。其次,相對(duì)于葉片的伸長(zhǎng)老株優(yōu)先實(shí)現(xiàn)了葉片數(shù)的增加,這主要體現(xiàn)在5%全光照條件下老株葉片數(shù)未被顯著抑制上,這有利于盡快增大植株的光合葉面積。第三,相對(duì)于葉寬的增大優(yōu)先實(shí)現(xiàn)了葉片的伸長(zhǎng)。除0.1%全光照組外,其余弱光組植株的葉片都不同程度的實(shí)現(xiàn)了伸長(zhǎng),這有利于植株迅速獲得有利的光照條件。當(dāng)然,過(guò)低的光照條件會(huì)導(dǎo)致植株生長(zhǎng)發(fā)育的停滯。這主要體現(xiàn)在第20d時(shí)0.1%全光照條件下植株新株形成、葉片數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬均已完全被抑制上。3.2植株對(duì)光照的穩(wěn)定性和光合能力的基因組化肖月娥等(2006)研究表明,>5%全光照下,隨著光照強(qiáng)度的降低,苦草葉片的丙二醛(MDA)含量和細(xì)胞膜透性呈降低趨勢(shì),且在低光下光合效率呈增大趨勢(shì)。葉片既是苦草唯一的地上器官,也是唯一的光合器官,其葉片的消亡可以看作為植株的消亡。本研究表明,隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)弱光逆境對(duì)植株的影響程度加劇,植株葉片及新株的形成與發(fā)育均受到顯著的抑制。第20天后1%、0.5%和0.1%全光照組植株的部分葉片上部失綠,甚至腐爛,光系統(tǒng)Ⅱ顯著受損,光合能力顯著降低,且葉片的形成、發(fā)育與新株的形成、發(fā)育均逐漸被完全抑制。特別是,第40天后植株葉片大量腐爛、變短,甚至消失;至第80天時(shí)新株葉片完全腐爛、消失,老株葉片數(shù)不僅顯著減少,且上部均發(fā)生失綠、腐爛現(xiàn)象,葉片殘留部分的光合能力顯著降低。因而,從葉片消亡起始的角度來(lái)說(shuō),1%、0.5%和0.1%全光照組植株對(duì)≤1%全光照的弱光逆境的耐受時(shí)間約為40d,這與渾濁泥沙水體中的研究結(jié)果相似(李強(qiáng)和王國(guó)祥,2009)。研究表明,第80天時(shí)1%、0.5%和0.1%全光照組植株的葉片大量腐爛、變短,但老株數(shù)未減少,且殘留的葉片仍具有一定的光合能力。從葉片消亡完成角度來(lái)說(shuō),這3組植株對(duì)弱光逆境的耐受時(shí)間>80d。此外,雖然5%全光照組植株葉和新株的形成、發(fā)育受到顯著的抑制,但是至第80天時(shí)植株大部分葉片保持完整,且Fv/Fm僅比對(duì)照低7.9%,光合結(jié)構(gòu)PSⅡ未嚴(yán)重受損。因而,其對(duì)所處弱光逆境(1%全光照)的耐受能力>80d,有利于其后續(xù)的恢復(fù)、生長(zhǎng)。3.3各弱光境對(duì)老株生長(zhǎng)和幼苗生長(zhǎng)的影響當(dāng)然,苦草植株葉片的消亡并不能完全代表其種群的消亡。自然狀態(tài)下苦草分配于有性繁殖部分的生物量較無(wú)性的大,但每年種群主要來(lái)自地下塊莖和匍匐莖(陳開寧等,