玉米、小麦、油菜对不同光照强度处理的响应

蔡欣　李晓旭　王青　张鑫　冯金钰　李静

摘 要 在条件可控的培养室中，从单子叶和双子叶作物，C3和C4作物的角度考虑，培养玉米、小麦、油菜幼苗，设置700、320和200 μmol·（m-2·s-1）三种光强，分别处理1周和2周后，检测玉米、小麦、油菜幼苗的生物量、叶绿素、花青素及叶绿素荧光特性。结果表明：油菜的生物量随着光强的减弱而减少，玉米和小麦的生物量在中等光强条件下积累最多，增加光强不会影响玉米和小麦的叶绿素含量，但是却使油菜的叶绿素含量降低，玉米和小麦在生物量、叶绿素含量的积累上有相似变化，但是这两种植物幼苗的叶绿素荧光特性却不同，这说明，C3植物与C4植物，单子叶植物与双子叶植物，对光强变化的响应存在敏感性差异。

关键词 光照强度；玉米；小麦；油菜；生长；叶绿素

中图分类号：S123 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.15.002

光是植物生存和生长发育最重要的环境因子之一，随着光照强度的变化，植物能够在形态及生理方面产生一系列反应，以适应光环境的变化，不同的植物有着不同的适应能力[1]。叶绿素属于一种光合色素，其主要功能是吸收和传递光量子，叶绿素的含量可以用于判断植物光能的利用水平，同时，叶绿素可以捕捉光能并将光能进行转化和重新导向，这一点对于光合生物至关重要[2-3]，它影响着植物的生长和农作物的产量和质量，并参与了地球碳-氧循环。研究表明，光照强度调控着植物的叶绿素合成[4]，光照不足时，光合同化力受到严重影响，光合碳同化受到限制[5]，同时，光合作用中关键酶的活化受到影响，最终影响到植物中叶绿素的合成，然而，光照过强，植物会受到光抑制，同样也影响植物中叶绿素的合成[6]。植物的生长发育也会受到光照时间的调节，如光照时间会影响黄瓜中叶绿素的含量[7]。适当延长光照时间有利于提高烟草中叶绿素含量[8]。光照强度和光照时间对植物光合作用的影响的研究已有很多，但同时关注光强和光照时间对不同植物类型叶绿素含量的影响的相关研究较少。

光合作用生理过程方面，C3植物和C4植物强光响应上存在一定的差别，C4作物在强光、高温胁迫条件下，光合效率要远高于C3作物，同为C3植物的单子叶植物小麦和双子叶植物油菜在光合响应和叶绿素荧光参数上存在差异。最大量子产量（Fv/Fm）主要表现为植物的最大光合活性，有研究表明，光照强度过高，导致植物缺磷从而使原初光能转化效率（Fv/Fm）显著降低[9-10]；实际量子产量（nYII）主要反映为植物的实际光合效率，其值大小反映了PSII过程中实际光化学反应过程中利用的光能和过剩光能的多少；非光化学淬灭系数（CNPQ）反映了植物耗散过剩光能为热能的能力，是植物光保护能力的重要指标之一。那么，叶绿素的含量及叶绿素荧光参数在植物种类，光强处理及处理时间上的不同，是否存在差異，值得进一步研究。

我们从单子叶和双子叶作物，C3和C4作物的角度考虑，选择了油菜、小麦、玉米为实验对象，观察其在不同光强条件下和不同光强处理时间上的叶绿素含量及叶绿素荧光特性变化与差异，以期为进一步研究光强对植物的叶绿素影响提供理论基础。

1  材料与方法

1.1  实验材料

选用玉米（Zea mays L.，CD418），小麦（Triticum aestivum L.，绵阳11号），甘蓝型油菜（Brassica napus L.，蓉油16号）作为供试材料。玉米为单子叶C4植物，小麦为单子叶C3植物，油菜为双子叶C3植物。

1.2  实验设计

将3种作物中种粒饱满的种子播种在10 cm×10 cm大小的盆栽中，每种材料18盆，共 54盆，每盆播种3颗种子，待发芽后每盆留下1株，且植株之间长势相同的幼苗进行后续实验，每盆植株间保持一定距离，避免相互遮阴；在同一平台上生长20 d。20 d后放置到同一铁架上，以离光源的远近设计光照强度梯度，设置3种光照强度梯度，光强从大到小分别达到700、320和200 μmol·（m-2·s-1），分别代表高（H）、中（M）、低（L）三种光强，分别于不同光强下处理1周和2周后，测定3种作物的生物量、总碳、叶绿素含量、花青素含量和叶绿素荧光特性。

1.3  测定方法

1）生物量。各处理组中随机挑选3株植物幼苗，用清水将地下部分清洗干净，将地上部和地下部分别用冰锡箔袋装入后放入105 °C烘箱中杀青30 min，将烘箱调制80 °C烘干至恒重。单位为g·株-1。

2）叶绿素含量。将新鲜植物叶片0.2 g，放入试管中，加入乙醇（95%）20 mL，置于暗室中直至叶片绿色全部褪尽，在665 nm和649 nm下测定上清液的吸光度，计算出叶绿素a（Chl a）和叶绿素b（Chl b）的值，计算公式：Chla=12.7OD663-2.69OD645；Chlb=22.9OD645-4.86OD663。计算结果单位为mg·g-1。

3）叶绿素荧光参数。采用叶绿素荧光成像系统（Image-PAM）进行测定，对植株进行预处理，置于暗室30 min后打开测量光测量植物的初始荧光（Fo）和最大荧光（Fm），关闭光源后再打开光源测量稳态下的荧光（Fs）和光下最大荧光（Fm′），再计算出光化学猝灭系数（qp），非光化学猝灭系数（qN）。

4）花青素含量。花青素含量测定选用盐酸甲醇浸提，称取剪碎均匀叶片100 mg，液氮研磨组织至粉末状，用300 μL盐酸甲醇（1%的浓盐酸）4 °C黑暗浸泡过夜。浸提液加200 μL ddH2O，再加入 500 μL氯仿分离出花青素。通过测定吸光度OD530、OD657得到花青素的相对含量，计算公式：（A530- A657）/mg（FW） ×1 000。计算结果单位为μmol·g-1。

5）有机碳含量。有机碳含量使用TOC总有机碳测定仪测定，单位为%。将植物干样的地上部和地下部分别过100目（0.149 mm），再将样品混合均匀，称取植物样品10 mg，放入小石英杯中，加入0.5 mL 浓度为0.8%的盐酸，30 min后放入烘箱烘干，取出样品，按照TOC分析仪的操作流程放入反应器内进行测定[4]。

1.4  数据分析

统计分析在 SPSS 19.0中进行，图表制作采用 Origin 8.0。

2  结果与分析

2.1  不同光照条件下植物的生物量积累

由图1可知，光强处理1周后，玉米与小麦的地上部、地下部都表现出相似的趋势，中等光强和高光强条件下，地上部和地下部的干重都显著高于低光照条件下，但是这两种处理之间并没有明显区别；而油菜则有不同的趋势，具体表现为地上部与地下部的干重会随着光照强度的增强而增加，但相邻处理之间，并没有达到显著差异。

不同光强处理2周后，玉米与小麦干重变化趋势仍然类似，这两种植物的地上部干重均在中等光强条件下表现为最高，低光强条件下最低，玉米和小麦的地下部干重趋势一致，高等光强和中等光强并不影响它们地下部的干重，但都显著高于低光强条件的干重。油菜在两个处理时间周期的变化是一致的，植物的干重与光照强度呈现正相关关系，各个处理间均达到了显著水平。

2.2  不同光照条件下植物的有机碳含量

由图2可以看出，1周后，高光强下玉米的地上部总碳含量低于其他处理，玉米的地下部总碳含量与光照强度变化呈正相关关系。2周后，高光强和中等光强处理之间，地下部总碳含量没有区别，都显著高于低等光强处理。小麦的地上部总碳含量在高光强处理第1周，低于其他处理，而小麦在其他不同光强下的总碳含量并没有显著差异。1周后，油菜的地上部总碳含量在高光强处理下，表现为最高，其他两种处理之间没有显著差异，光强处理2周后，油菜的地上部含量在高光强和中等光强之间没有区别，都显著高于低光强条件下，而油菜地下部的变化趋势与玉米一致。

2.3  不同光照条件下植物的花青素含量

由图3 可以看出，各个光强处理下，玉米的花青素含量在2周后出现差异，在高光强条件下表现为最高；小麦的花青素变化与玉米相反，光强处理1周后，小麦的花青素含量与光照强度呈正相关关系，2周后则无显著差异；油菜的花青素含量，在光强处理的两个时间，均在高光强处理下表现为最高，光强处理1周后，中等光强和低光强之间无差异，2周后，花青素含量随着光强的减弱而减少，这也符合高光强条件使得植物合成更多的花青素，以免植株受到高光强的伤害的原理[11-12]。

2.4  不同光照条件植物的叶绿素含量及叶绿素荧光特性

玉米和小麦在不同光强处理下，其叶绿素含量无明显差异，此外，不同光强处理1周和2周，小麦的叶绿素含量无明显变化，而不同光强处理2周后的玉米叶绿素含量较处理1周有显著增加。对油菜来说，高光强和中等光强处理1周的叶绿素含量无显著差异，都显著高于低光强处理下的叶绿素含量，但处理2周后，低光强条件下油菜的叶绿素含量增加明显，由显著低于其他两种光强处理变为高于其他两种光强处理（见图4）。

光强对玉米叶绿素荧光参数的影响如图5所示，两个处理时期，中等光强和低光强下的Fv/Fm，都显著高于高光强条件下；不同光强处理1周后，三种光强下的nYII无明显差异，CNPQ在高光强处理下表现为最低，中等光强条件下最大；2周后，相邻处理间的nYII无显著差异，高光强下的nYII显著降低，且显著低于低光强处理，高光强和中等光强下的CNPQ都显著增加，低光强下的CNPQ显著降低，且彼此之间差异显著，这表明中等光强下玉米吸收光能大部分通过热量的形式耗散来保护PSII免受过剩光能的破坏。

由图6可知，光照处理1周后，小麥的Fv/Fm在高光强条件下表现为最小，中等光强和低光强之间没有差异；各处理之间nYII有明显的差异，低光强处理表现为最大，中等光强处理为最小；中等光强下的CNPQ最大，低光强时最小。2周后，高光强条件下的Fv/Fm显著增加，低光强下Fv/Fm显著下降；各处理之间nYII无显著性差异，高光强和中等光强处理之间的CNPQ没有明显差异，但都显著大于低光强条件。

油菜苗期的叶绿素荧光参数如图7所示，不同光强处理1周和2周后，油菜的Fv/Fm均在中等光强下表现为最高，低光强下最低；nYII与Fv/Fm类似，在中等光强下表现为最高，不同的是，光强处理1周，高光强与低光强处理之间没有明显差异，但是2周后，低光强处理下的nYII显著高于高光强处理条件下。光强处理1周后，油菜的CNPQ在高光强处理下表现为最大，2周后，CNPQ随着光强的减弱而减小。

3  讨论与结论

3.1  讨论

光是作物进行光合生产的主要能量来源，光照条件的改变可明显地改变作物的生长环境，影响植物的光合作用，进而影响植物体内物质的重新分配[13]。研究表明，光照强度的变化，会影响植物碳水化合物的积累[14]，植物的碳水化合物随着光照强度的降低而减弱，很少关注到植物之间的差异，在本研究中，光强变化对玉米的地上部、小麦的地上部和地下部影响较小，而油菜随着光强的减弱，植物中的总碳含量减少较明显。

许多研究表明，光照强度的变化会影响植物碳水化合物的积累[13]，这与本研究结果有不同之处，可能是不同的植物有着不同的光合作用特性，所以对光强有不同的响应。中等光强条件下，玉米幼苗的最大光化学量子产量（Fv/Fm）和非光化学淬灭系数CNPQ同时表现为最佳，这说明，玉米在中等光强处理2周后，在促进植物生长的同时，不会因为光强的变化，影响自身叶绿素的积累，反而使得玉米有较强的最大光合活性，将过剩光能转化为热能的能力[15-16]；高光强下，玉米的（Fv/Fm）表现为最低，可能是在高光强条件下，玉米的自身调节机制未达平衡状态或有所损伤，导致其最大量子产量明显低于其他两种条件。

小麦和玉米同为单子叶植物，两种植物的生物量变化相似，在光照强度增加到700 μmol·（m-2·s-1）和320 μmol·（m-2·s-1）时，生物量都要显著高于200 μmol·（m-2·s-1）条件下，叶绿素含量均没有因为光强的变化而变化。但是，C3植物的小麦的叶绿素荧光特性与C4植物玉米不同，C3植物小麦幼苗的最大光化学量子产量（Fv/Fm）在光强处理第1周，光强为320 μmol·（m-2·s-1）时表现为最佳，当光强进一步增加，达到700 μmol·（m-2·s-1），小麦幼苗的最大光化学量子产量（Fv/Fm）却显著降低，可能是高光强下小麦幼苗出现了一定程度的光抑制，而C4植物玉米的最大光化学量子产量（Fv/Fm）在两个处理周期变化一致，均在320 μmol·（m-2·s-1）和700 μmol·（m-2·s-1）时，变现为最佳，且之间没有差异。

油菜与小麦同为C3植物，双子叶植物油菜幼苗的生物量在光强处理第1周和第2周时，均随光强的减弱而减少，其地上部和地下部的总碳含量均在200 μmol （m-2·s-1）条件下表现为最低，其花青素含量在700 μmol·（m-2·s-1）光强处理第1周时积累最多，这可能是因为高光强条件下，花青素可以保护植物免受紫外线及光抑制的伤害[9-10]，叶绿素含量却在320 μmol·（m-2·s-1）光强处理下积累最多，这都与单子叶植物小麦有着不同的趋势，也说明在光强达到700 μmol·（m-2·s-1）时，油菜幼苗会感应植株可能会受到伤害，从而合成较多的花青素，保护植物免受紫外线伤害，但是当光强为320 μmol·（m-2·s-1）时，油菜幼苗不仅不会受到伤害，反而增加了生物量和叶绿素的积累；持续光强处理后，低光强下的叶綠素含量从第1周处理时的最小变成了第2周处理时的最大，这说明，增大光照强度会短暂增加油菜叶绿素含量的积累，长期增加光强会减少油菜中叶绿素含量的积累，同时，使得花青素含量增加。油菜的最大光化学量子产量（Fv/Fm）、非光化学淬灭系数CNPQ与玉米相似，均在两个处理时间的中等光强条件下，表现出较强的最大光合活性，和将过剩光能转化为热能的能力。

玉米和小麦同为单子叶植物，在应对光强变化时，其生物量与叶绿素变化有着相似的趋势，但是C3植物小麦和C4植物玉米的叶绿素荧光参数却有些许不同，这种差别可能与C4植物中存在中环式与假环式磷酸化转运情况有关[17]。小麦与油菜同为C3植物，但是这两种植物的叶绿素及叶绿素荧光特性却有着不同的变化趋势，这可能与小麦是单子叶植物，而油菜是双子叶植物有关[18-20]。

3.2  结论

叶绿素的减少和光化学耗散造成了光合机制的破坏[21]，花青素积累是保护植物免受紫外线及光抑制的伤害的典型特征。在本研究条件下，三种植物的叶绿素含量与花青素含量大致呈现相反的趋势，植物的最大光合活性会随着光强的增强而增加，但是这种增加有一定的界限[22]，值得注意的是，玉米、小麦、油菜有不同的界限，同为双子叶植物的玉米和小麦，C4植物玉米对光强的敏感度小于C3植物小麦；同为C3植物的小麦与油菜，单子叶植物小麦对光强的敏感度小于双子叶植物油菜。叶绿素荧光是植物光合作用能量转换效率的重要参数，也有研究表明，光强会影响植物磷素的吸收[23-24]，磷作为必需营养元素，对植物生长发育起着至关重要的作用，不同植物对缺磷的敏感度不同，油菜是典型的缺磷植物，这可能解释了油菜对于光的敏感性与玉米和小麦大有不同的原因，但光强是否通过影响植物磷素吸收，下一步，我们将从植物分子学角度探讨光照是否通过影响磷吸收从而对植物的生理产生影响。

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（責任编辑：丁志祥）