不同生境下刺五加的光合及生理特性

张 茜，余注光，郭品湘，杨秀玲，李 琳，王凌晖

（1.广西大学 林学院，广西南宁 530004；2.南宁树木园，广西南宁 530031）

刺五加（Eleutherococcus senticosus）为五加科（Araliaceae）五加属落叶灌木，主要分布于我国黑龙江、辽宁、吉林和山西等地，是一种可食用的木本蔬菜[1-2]。其叶、茎和果实可供药用，具有滋补强壮、益气健脾和扶正固本的功效[3]。在《中国植物红皮书》[4]和《北京市重点保护野生植物名录》中，刺五加分别被列为国家三级和二级保护植物，有很高的研究价值。

光环境是影响植物生长最密切的因子，且随时间和空间发生变化；光照强度、光照时间和光谱成分的改变均对植物有较大影响[5]。光环境对植物的直接作用为光合作用，光照强度是决定植物光合作用的最大环境因素[6]，对植物生长起着至关重要的作用。目前，与刺五加相关的研究主要集中在药用成分[7]、基因克隆[8]、植物生理[9]和套种栽培[10]等方面。不同生境对刺五加光合及生理特性影响的研究较少。孟祥才等[11]对刺五加在全光、林缘和林下生长时的生理特性进行研究，结果表明强光照条件不会对刺五加造成损害。该研究测定的指标较少且未对各个指标进行综合分析。露天、林下及棚下种植是蔬菜及中草药植物培育中常见的3种方式。本研究对刺五加在露天、林下及棚下3 种生境下的光合及生理特性进行综合分析与评价，探讨刺五加对不同光强的响应，以期为刺五加栽培及生产与推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与材料

刺五加植株由广西壮族自治区南宁市南宁树木园珍稀树种花卉苗木繁育中心提供。将1年生刺五加扦插苗分别种植在3种环境中（露天、林下和棚下），定植3年。露天种植及棚下种植试验地位于繁育中心本部（108°30′E，22°72′N），棚下植株种植于塑料棚下；林下种植试验地为南宁树木园新塘管理区林地（108°29′E，22°76′N）小叶榄仁（Terminalia neotaliala）林下；海拔约为180 m。各环境下刺五加植株均采用赤红壤进行培养，土壤基本化学性质为全氮含量0.679 g/kg、全磷含量0.260 g/kg、全钾含量4.084 g/kg、有机质含量14.668 g/kg 和pH 值5.5。2019年12月初，对露天、棚下及林下3 种生境下的刺五加植株进行光合指标测定，对刺五加嫩叶进行生理指标测定。

1.2 试验设计与指标测定

采用随机区组试验设计。采用露天（100%光照）、林下（65%光照）及棚下（30%光照）3 种处理。每处理选取长势一致的健壮植株3 株，重复3 次。每株选择3 ～4 片成熟功能叶，采用Li-6400XT 便携式光合作用测定仪测定净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）等光合作用指标；摘取植株上部嫩叶，测定光和色素（叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b和类胡萝卜素）、可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸和丙二醛（MDA）含量等生理指标。

采用乙醇提取法提取光合色素并测定含量，采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量，采用考马斯亮蓝G-250 染色法测定可溶性蛋白含量，采用酸性茚三酮法测定游离脯氨酸含量，采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛含量[12]。

1.3 数据处理

采用SPSS 17.0软件对各指标进行数据分析，采用Excel 2016 软件进行数据统计并制作图表。采用单因素方差分析及Duncan 多重比较法进行不同生境下刺五加植株光合和生理指标间的差异性分析。采用Pearson 相关性分析对各指标间的相关关系进行探究。采用隶属函数分析不同生境下刺五加植株光合及生理指标的隶属度均值。

Uxi=（xi-xmin）/（xmax-xmin）[13]

式中，Uxi为隶属度均值；xi为某指标平均值；xmax和xmin分别为该指标测定值中的最大值和最小值。负相关指标隶属度经正向化处理后计算或用1-Uxi表示。

2 结果与分析

2.1 不同生境对刺五加植株光合特性的影响

不同生境下，刺五加植株的各光合指标均差异极显著（P＜0.01）（表1）。随光照强度增加，Pn、Gs和Tr均逐渐增加；露天种植时最大，分别为15.98 μmol·m-2·s-1、0.47 mmol·m-2·s-1和6.15 mmol·m-2·s-1；棚下种植时最小，分别为7.41 μmol·m-2·s-1、0.33 mmol·m-2·s-1和3.79 mmol·m-2·s-1。 随光照强 度 增加，Ci逐渐降低，露天种植时最小（295.24 μmol/mol），棚下种植时最大（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 不同生境对刺五加植株光合色素含量的影响

不同生境下，刺五加植株的各光合色素含量均差异极显著（P＜0.01）（表2）。随光照强度增加，各光合色素含量均呈先增后减的趋势。林下种植时，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b 及类胡萝卜素含量均最高，分别为5.75、2.99、8.74 和1.25 mg/g；棚下种植时次之；露天种植时最低。叶绿素a/b 表现为露天种植＞棚下种植＞林下种植。

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 不同生境对刺五加植株生理指标的影响

2.3.1 可溶性糖含量

随光照强度增加，刺五加植株的可溶性糖含量呈先增后减的趋势；林下种植时最高（2.07 mg/g），露天种植时次之（2.00 mg/g），两者均极显著高于棚下种植（1.36 mg/g）（P＜0.01），两者间差异不显著（图1）。

图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

随光照强度增加，刺五加植株的可溶性蛋白含量逐渐增加；露天种植时最高（34.53 mg/g），林下种植时次之（25.50 mg/g），棚下种植时最低（21.45 mg/g），3者间均差异极显著（P＜0.01）（图2）。

图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 游离脯氨酸含量

随光照强度增加，刺五加植株的游离脯氨酸含量呈先增后减的趋势；林下种植时最高（103.06 μg/g），与其他处理差异极显著（P＜0.01）；露天种植时次之（81.33 μg/g），棚下种植时最低（76.71 μg/g），两者间差异不显著（图3）。

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

2.3.4 MDA含量

随光照强度增加，刺五加植株的MDA含量呈先增后减的趋势；林下种植时最高（3.97 μmol/g），与其他处理差异极显著（P＜0.01）；露天种植时次之（3.23 μmol/g），棚下种植时最低（2.76 μmol/g），两者间差异显著（P＜0.05）（图4）。

图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 不同生境对刺五加植株光合及生理特性的综合影响

2.4.1 光合及生理指标相关性分析

各生理指标间的相关性均不显著（表3）。Pn与Ci呈极显著负相关（P＜0.01）；叶绿素a 含量与叶绿素b 和叶绿素a + b 含量均呈极显著正相关（P＜0.01）；叶绿素b含量与叶绿素a+b含量呈极显著正相关（P＜0.01）。

表3 各指标相关性分析Tab.3 Correlation analysis of all indexes

2.4.2 光合及生理指标隶属度分析

不同生境的隶属度均值表现为林下种植＞露天种植＞棚下种植，说明刺五加植株在林下种植时生长状况最好，露天种植次之，棚下种植时欠佳（表4）。

表4 各指标隶属度分析Tab.4 Membership analysis of all indexes

续表4 Continued

3 讨论与结论

光照在植物生长调控过程中非常重要，在调节植物光合作用及生长等方面起到重要作用[14]。本研究对刺五加植株的各光合及生理指标进行分析，发现刺五加植株的Pn、Gs及Tr均在露天种植时最大，且随着光照强度的增加而增加。表明全光照环境下刺五加植株的光合作用最好，刺五加植株具有较强的抗强光照能力；弱光条件不利于刺五加植株光合作用的进行。耐荫树种一般光合能力较低，强光下容易发生光抑制；喜光树种光合能力强，能较好地适应光环境的变化[15]。由此可见，刺五加为喜光或阳生植物。刺五加植株的Ci在露天种植条件下最小，可能与随光照强度降低，喜阳植物的CO2补偿点升高有关[16]。

光合色素包括叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素等；叶绿素含量的增加可提高用于吸收光能的捕光色素蛋白的相对含量，从而提高光能利用率[17]；类胡萝卜素有清除活性氧、保护叶绿素分子等作用[18]。本研究结果显示，林下种植时，刺五加植株的各光合色素含量均最高，棚下种植次之，露天种植最低。说明适宜的光照可促进刺五加植株光合色素含量增加，过强的光照则不利于其光合色素的合成。当植物叶片处在强光照射下时，叶绿素形成困难且容易被破坏或降解，植物体难以消耗叶绿素吸收的全部光能，从而产生光抑制，这是露天种植条件下植株叶绿素含量相对较低的原因之一[19]。叶绿素a/b表现为露天种植＞棚下种植＞林下种植；弱光环境下，叶绿素a/b 较低的植物在一系列反映下能更好地吸收低光照环境下的漫射光，有利于植物对弱光的适应[20]。

MDA 含量可反映植物膜脂过氧化程度，其含量变化能体现植物受逆境伤害时生物膜的损害程度；当植物遭受胁迫时，细胞内会出现大量的MDA 积累，是一种受到胁迫的信号[21]。本研究结果显示，刺五加植株MDA 含量表现为林下种植＞露天种植＞棚下种植，林下种植植株的MDA 含量最高，与其他两种处理差异极显著，说明本试验中林下种植的刺五加植株细胞膜系统受损。露天和棚下种植时，刺五加植株的MDA含量差异不显著，说明在一定范围内，光照强度不是引起刺五加植株MDA含量变化的主要因素，与孟祥才等[11]的研究结果一致。游离脯氨酸具有一定清除活性氧的能力，可降低细胞膜的膜脂过氧化水平，防止植株受到活性氧积累带来的伤害[22]，在逆境中也会出现大量积累[23]。本研究中，刺五加植株的游离脯氨酸含量变化趋势与MDA 含量一致，林下种植时最高，说明林下种植条件下，植株受到了非光照因子的胁迫，为保护细胞膜、降低细胞膜损伤，游离脯氨酸含量随MDA含量的升高而升高。

可溶性糖与可溶性蛋白是重要的有机渗透调节物质。本研究中，刺五加植株可溶性糖含量表现为林下种植＞露天种植＞棚下种植，棚下种植植株的可溶性糖含量最低，且与林下和露天种植差异极显著。可溶性糖含量的增加可提高植物细胞的渗透调节能力，增加对细胞膜的保护作用。林下种植时，刺五加植株的可溶性糖含量最高，原因可能是植株通过增加可溶性糖含量来降低细胞原生质的渗透势，维持植物体内的渗透平衡[24]。可溶性蛋白含量表现为露天种植＞林下种植＞棚下种植，且3 者间均差异极显著。可溶性蛋白含量可反映植物代谢水平；随光照强度增加，刺五加植株可溶性蛋白含量积累，其叶片渗透能力的调节功能和代谢水平增强。光照强度的增加一般伴随着温度的增加，王志和等[25]对大白菜（Brassica rapavar.glabra）的研究与周广洽等[26]对稻米的研究均发现，随温度升高，可溶性蛋白含量增加。由此猜测，刺五加植株可溶性蛋白含量的变化可能与光照和温度呈正相关有关。

综合各项光合和生理指标及隶属度分析结果，刺五加植株种植在林下时，其综合得分最高，植株生长状况最好。刺五加植株的生长不仅受光照强度的影响，还受土壤、水分和温度等因素的影响，植物间相互作用、凋落物等因素也在一定程度上改变植物生长环境，可在后续研究中进一步探讨。