杜鹃红山茶（Camellia azalea）为山茶科（Theaceae）山茶属（Camellia）常绿灌木或小乔木,是我国特有珍稀濒危物种,仅在广东省阳春市鹅凰嶂省级自然保护区内一个狭窄的河谷两旁有零星分布[1]。杜鹃红山茶花期长,夏、秋两季为盛花期,在适宜的栽培条件下一年四季都可以开花,是世界上迄今为止发现的唯一能真正全年开花的山茶物种,弥补了山茶属夏季和秋季不开花的空白[2]。杜鹃红山茶开花稠密、花朵大而艳红,叶形奇特、叶厚革质,植株紧凑,病虫害少,适应性强,在园林与观赏园艺方面具有广阔的应用前景[3];同时,杜鹃红山茶是培育杂交茶花优良品种的宝贵亲本材料,具有极高的科研价值[4]。目前,国内外关于杜鹃红山茶的研究主要集中在濒危原因及保护[5]、繁育技术[6,7]、遗传多样性[8,9]、生物学特性[10,11]及新品种选育等方面[12],有关生理生化指标的研究较少。
光是植物生存和生长发育重要的环境因子之一,植物与光环境的关系一直是植物生理生态学研究的热点[13]。光照强度对植物的生长及形态结构建成具有重要作用,遮光可明显改变植物生长环境,尤其对土壤和冠层温度、湿度及土壤物理性状影响较大,同时影响植物光合作用、营养物质吸收及其在植物体内重新分配等一系列生理过程[14]。杜鹃红山茶是一种较为耐阴的半阳性植物,有关光照对其影响的报道主要集中在光合作用日变化特性[15]、光合作用特征[16]、光响应曲线模型的适用性[17]等方面,光照对其生长及生理指标影响的研究却鲜有报道。本研究采用人工遮光的方法,探讨不同光照强度对杜鹃红山茶幼苗生长、生物量和抗氧化生理指标的影响,以期为杜鹃红山茶的科学栽培、管理及规模化生产提供理论依据和技术支持。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 试验地概况 试验地位于广西农业科学院花卉研发与推广中心内（22°48′N、108°22′E）,地处南亚热带季风气候区,海拔73 m左右。年平均气温21.6 ℃,极端最高气温40.4 ℃,极端最低气温-2.4 ℃,年均降雨量1304.2 mm,平均相对湿度79%,无霜期334 d。该区环境条件能够满足试验要求。
1.1.2 材料 选取杜鹃红山茶长势一致的两年生扦插苗（平均苗高14.25 cm,地径0.37 cm）,于2016年3月移栽入直径15 cm、高13.5 cm的塑料盆中,每盆种植2株,基质使用pH 6.5的砂质壤土。栽植区域上部架设三针遮光网1层（遮光度50%）,盆栽统一进行正常水肥管理,至11月进行遮光胁迫试验。
1.2 方法
1.2.1 实验设计 2016年11月开始对盆栽材料使用不同遮光率的遮光网进行遮光（以ZDS-10型照度计实际测定为准）,共设置遮光30%（两针遮光网1层,遮光率30%）、遮光50%（三针遮光网1层,遮光率50%）和遮光80%（六针遮光网1层,遮光率80%）3个处理,各处理遮光覆盖均采用搭棚覆盖法,即在盆苗上方搭建平c棚,棚高1.5 m、边长2 m×2 m,将遮光网覆盖于平棚上方。为保证盆苗通风透气,遮光网底部距地面20 cm。以全光照（遮光率0）为对照,即透光率为100%。每组处理30盆,每10盆1个重复,共3个重复。2017年5月（遮光150 d）开始采样,于早上9:00选择长势一致的当年生健康枝条顶端第3~4片成熟叶片。
1.2.2 测定指标及方法 （1）生长指标测定：对所有试验苗木的株高、地径及冠幅进行测量,其中株高指从植株基部至植株最高点的长,用直尺测定（精确到1 mm）;地径指苗木土痕处的直径,用游标卡尺测定（精确到0.1 mm）;冠幅指植株南北或东西方向的宽度,用直尺测定（精确到1 mm）。每个处理取5株平均标准株测定生物量,即将标准株经105 ℃ 30 min杀青后,在80 ℃条件下烘干至质量恒定,用1/1000天平称量根、茎和叶的干质量。
1.3 数据处理
采用Excel 2010软件进行数据统计,采用SPSS 19.0软件进行方差分析和显著性检验（Duncan新复极差法）。
2 结果与分析
2.1 遮光对杜鹃红山茶幼苗生长的影响
遮光对杜鹃红山茶幼苗生长表现的影响如表1所示,不同光照条件下杜鹃红山茶成活率不同,50%遮光条件下成活率最高,为100%;全光照条件下成活率最低,仅为73.3%。各光照条件下植株苗高、地径、冠幅及分枝数等生长指标差异达到了显著水平。全光照条件下植株各生长指标均显著低于各遮光处理条件;在50%遮光条件下,植株的苗高、地径、冠幅均处于最高水平,分别为25.82、0.51、16.17 cm,其中苗高、冠幅显著高于其他遮光处理。遮光处理条件下,植株分枝数显著高于全光照条件;80%遮光条件下植株分枝数最多,达到了2.89条,与其他遮光条件差异不显著。这说明遮光处理能够促进杜鹃红山茶幼苗侧枝的萌发,明显增加植株的分支条数。综合分析各项生长指标得知,50%遮光条件的栽植效果最佳。
表1 遮光对杜鹃红山茶幼苗生长的影响Tab. 1 Effects of shading on growth of C. azalea seedlings |
| 遮光率 Shading rate/% | 株高 Plant height/cm | 地径 Ground diameter/cm | 冠幅 Crown width/cm | 分枝数 Number of branches | 成活率 Survival rate/% |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 16.48±1.25c | 0.38±0.02c | 10.46±0.87d | 1.11±0.74b | 73.30 |
| 30 | 22.01±1.87b | 0.45±0.03b | 12.66±0.89c | 2.11±0.74a | 90.00 |
| 50 | 25.82±0.87a | 0.51±0.02a | 16.17±1.12a | 2.67±1.15a | 100.00 |
| 80 | 21.12±2.08b | 0.47±0.04a | 15.08±0.92b | 2.89±0.74a | 96.60 |
Note: Data in the table are average and standard errors, and the different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different light condition (P<0.05). | |
注：表中数据为平均值±标准误,同一列不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。 |
2.2 遮光对杜鹃红山茶幼苗生物量积累的影响
各光照处理条件下植株根部干质量、茎部干质量、叶片干质量及总干质量等生物量指标差异显著（表2）。全光照条件下植株各生物量指标均显著低于各遮光条件。植株根部干质量与叶片干质量随着遮光率的增加而增加,在80%遮光条件下达到最高水平,分别为4.63、8.07 g,与50%遮光条件差异不显著,但均显著高于30%遮光条件。植株茎部干质量随着遮光率的增加表现出先增大后减小的趋势,在50%遮光条件下达到最大,为3.17 g,显著高于80%遮光条件。在50%遮光条件下的总干质量最大,为15.63 g,与80%遮光条件差异不显著,但均显著高于30%遮光条件。因此,考虑植株生物量认为,杜鹃红山茶幼苗的栽植采用50%~80%的遮光条件为宜。
表2 遮光对杜鹃红山茶幼苗生物量积累的影响Tab. 2 Effects of shading on biomass of C. azalea seedlings |
| 遮光率 Shading rate/% | 根部干质量 Root dry weight/g | 茎部干质量 Stem dry weight/g | 叶片干质量 Leaf dry weight/g | 总干质量 Total dry weight/g |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 2.82±0.67c | 1.69±0.31c | 3.78±1.12c | 8.28±1.07c |
| 30 | 3.94±0.57b | 2.71±0.47ab | 6.76±0.95b | 13.41±1.21b |
| 50 | 4.52±0.74ab | 3.17±0.64a | 7.94±0.71a | 15.63±1.33a |
| 80 | 4.63±0.55a | 2.66±0.29b | 8.07±0.76a | 15.35±0.86a |
Note: Data in the table are average and standard errors, and the different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different light condition (P<0.05). | |
注：表中数据为平均值±标准误,同一列不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。 |
2.3 遮光对杜鹃红山茶幼苗抗氧化生理指标的影响
遮光对杜鹃红山茶幼苗抗氧化生理指标的影响见表3。由表3可知,随着遮光强度的增加,杜鹃红山茶叶片MDA含量表现出先降低后上升的趋势。在全光照条件下叶片MDA含量最高,为183.18 nmol/g,显著高于各遮光处理;在50%遮光条件下MDA含量最低,为152.22 nmol/g,显著低于30%遮光条件,与80%遮光条件下差异不显著。植株叶片中FAA含量随着遮光强度的增加表现出逐渐下降的趋势,80%遮光条件下达到最低水平,为17.98 μmol/g,显著低于其他光照处理。植株叶片SOD和POD活性随遮光强度的增加均表现出先降低后上升的趋势,且均在50%遮光条件下处于最低水平。叶片SOD活性在全光照条件下最高,为284.67 U/g,显著高于其他光照条件;各遮光处理条件下SOD活性差异不显著。植株在50%遮光条件下叶片POD活性最低,为391.65 U/g,显著低于其他光照条件。综合分析各项抗氧化生理指标得知,杜鹃红山茶幼苗的栽植采用50%的遮光条件能有效避免光照胁迫。
表3 遮光对杜鹃红山茶幼苗抗氧化生理指标的影响Tab. 3 Effects of shading on antioxidative activities of C. azalea seedlings |
| 遮光率 Shading rate/% | 丙二醛含量 MDA content/(nmol·g-1) | 游离氨基酸含量 FAA content/(μmol·g-1) | 超氧化物歧化酶活性 SOD activity/(U·g-1) | 过氧化物酶活性 POD activity/(U·g-1) |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 183.18±6.99a | 21.24±1.23a | 284.67±16.32a | 588.33±28.60a |
| 30 | 170.28±5.50b | 19.77±0.87a | 232.36±21.50b | 554.17±29.76ab |
| 50 | 152.22±4.54c | 18.19±0.66b | 204.45±36.59b | 391.65±51.95c |
| 80 | 160.48±2.78c | 17.98±0.90c | 238.54±20.13b | 496.88±48.79b |
Note: Data in the table are average and standard errors, and the different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different light condition (P<0.05). | |
注：表中数据为平均值±标准误,同一列不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。 |
3 讨论
光照能够促进植物细胞的增大和分裂,促进植物的生长发育,但不同光照强度对植物生长有不同影响,而自然界中也因需光特性不同特化出不同的植物类型,适宜的光照条件能增进植物组织与器官的分化,反之则会起到抑制作用 [20,21,22]。本研究中,杜鹃红山茶幼苗在遮光处理下,其苗高、地径、冠幅、分枝数以及成活率均大于全光照条件,这说明全光照条件不利于杜鹃红山茶幼苗的生长发育,遮光条件则能促进其幼苗的生长发育。光照条件的不同会导致植物物质分配方式的变化,在不同的光照条件下植物会产生一定的适应性,通过形态调节和植株各部分的生长量调节主动适应环境,最终表现在植株各部位生物量的积累上[23]。本研究中杜鹃红山茶幼苗的根生物量、茎生物量、叶生物量和总生物量的积累在全光照条件下均为最低,说明夏季全光照条件对杜鹃红山茶幼苗形成了强光胁迫,不利于生物量积累,50%~80%的遮光处理有利于其幼苗光合产物的积累。幼苗冠幅和分枝数随遮光程度增加而增加,这是由于在遮光条件下杜鹃红山茶通过增加冠幅来捕获更多光能,满足光合作用所需。50%遮光处理对杜鹃红山茶的生长发育及生物量积累有更大的促进作用,可能是由于遮光条件改善了种植环境的正午温度、空气相对湿度与CO2浓度,在该遮光条件下,叶片吸收的光能能够充分有效地被利用[24,25]。
植物细胞在逆境胁迫条件下,细胞膜发生氧化分解,MDA大量积累,MDA作为膜脂过氧化的主要产物,其含量高低与植物承受逆境胁迫大小呈正相关关系[26,27,28]。本研究中,50%遮光条件下杜鹃红山茶叶片中MDA含量最低,但随着光照强度或遮光强度的增加,MDA含量较50%遮光条件下含量均有不同程度升高,表明光照过强或过弱均为不利于杜鹃红山茶幼苗生长的环境条件,甚至形成了逆境胁迫,不同程度地引起植物细胞膜透性增大,造成膜脂过氧化,从而导致MDA含量升高。逆境胁迫的形成会使植物体内蛋白质合成受到抑制、降解加剧,使游离氨基酸含量上升,包括脯氨酸及其他氨基酸等[29,30]。渗透胁迫下细胞内游离氨基酸含量的增加,是细胞内膜系统主动代谢的结果,主要是作为细胞质渗透调节物质而发挥作用,植物体内游离氨基酸的累积是植物适应生长环境的一种表现[31]。本研究中,杜鹃红山茶叶片中游离氨基酸含量随着光照强度的增加而增加,这表明光照过强可能会导致渗透胁迫的形成,而植株在强光条件下生成大量的游离氨基酸,可能是为了降低植株渗透势,来保证水分的吸收,以避免植株脱水死亡。
植物体内的活性氧会在植物受到胁迫时增加,在一定程度上诱导了活性氧清除酶类的升高及抗氧化物质含量的增加,从而更加有效地清除活性氧,保护植物细胞免受伤害[32,33]。光能吸收与利用的平衡常常会被强光或弱光逆境条件打破,导致吸收光能过剩以及氧自由基的产生,而抗氧化酶对植物有一定程度的保护作用。SOD和POD在植物的酶促系统中占有重要地位,是植物保护酶体系的关键组成部分[34]。本研究中,杜鹃红山茶幼苗SOD、POD的活性均随着光照强度的降低呈现V字形变化趋势,在50%遮光条件下,叶片中SOD及POD活性最低,这是由于在强光胁迫及光照不足的相对逆境条件下,植株内部自由基大量产生,有害物质积累,抗氧化酶活性提高以清除过剩自由基,减弱自由基对植物细胞的伤害,即提高幼苗的抗氧化能力。
本研究以杜鹃红山茶两年生扦插幼苗作为供试材料,但不同繁殖类型的种苗对不同光照条件的响应可能存在差异,有必要对不同繁殖类型的杜鹃红山茶种苗进行进一步的研究。同时,两年生的种苗对不同光照条件的响应不能完全反映成年株的响应机理,因此,在以后的研究中,可以考虑同时用多年生的成年株作为研究材料。另外,光照条件对植物生长发育的影响较为复杂,遮光不仅改变了植物的光照条件,也改变了空气和土壤的温、湿度以及空气中CO2体积分数,同时采用遮光材料营造的遮阴环境是否对植物利用的光质存在一定的影响,仍需进一步研究探讨。