沙地环境下樟子松与彰武松当年生针叶光抑制特性与适应机制的比较研究

《Plants》：Comparative Study on Photoinhibition Characteristics and Adaptation Mechanisms of New Current-Year Needles of Pinus densiflora var. zhangwuensis and Pinus sylvestris var. mongolica in Sandy Land Environments

　　

摘要：沙地环境中高大乔木在夏季是否发生光抑制及其对正午强光的响应机制尚不明确。为此，研究人员随机设置标准样地，各选取3株标准木作为生物学重复，比较研究了两种松树冠层不同部位（阳枝与阴枝）当年生针叶（current-year needles, CYNs）和一年生针叶（one-year needles, OYNs）的叶绿素a荧光参数日变化，并评估了样本枝条的潜在水分传输能力。结果表明：（1）樟子松阳生CYNs的最大光化学效率（Fv/Fm）日变化呈明显的下降-上升趋势，最低值出现在正午；其阳生CYNs的非光化学淬灭（non-photochemical quenching, NPQ）最大值出现在正午，且NPQ大于1持续4-5小时。（2）彰武松阳生CYNs的正午Fv/Fm接近早晨及阴生CYNs的水平。与樟子松相比，彰武松阳生CYNs在正午强光条件下NPQ保持较低水平，但其单位横截面积活性反应中心数量（RC/CSm）和电子传递效率（Fm/Fo）更高。进一步分析各反应中心吸收的光能（ABS/RC）变化发现，两种松树阳生CYNs的NPQ变化与ABS/RC高度相似，二者呈极显著正相关（樟子松和彰武松的相关系数分别为0.7535和0.7193，p < 0.001）。（3）通过管胞形态比较，研究人员还发现彰武松纹孔外径和内径分别是樟子松的1.26倍和1.28倍，前者阳枝的理论水力导度（theoretical hydraulic conductance, Kt）是后者的6.32倍。上述结果表明，樟子松高大乔木也可能发生光抑制，而彰武松则具有更有效的光抑制规避机制。

一、研究背景与科学问题

樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）是中国“三北”沙地引种栽培的主要针叶树种之一，种植面积广阔，但在部分成熟林中出现了衰退现象，其衰退机制尚不清楚。彰武松（Pinus densiflora var. zhangwuensis）是赤松的一个天然杂交新品种，具有生长快、与同龄樟子松相比无树木衰退的特点，因此已被引入我国多个省区及巴基斯坦等国。随着市场需求的增加，比较两者生理生态特性的研究日益增多，其抗逆和速生机制也逐渐被揭示。在抗逆性方面，已有研究发现彰武松表现出更强的抗旱、抗寒和抗盐碱能力。在速生机制方面，前期利用Li-6400光合仪的研究证实，在沙地夏季环境下，18年生彰武松比同龄樟子松具有更强的光合能力和更高的光饱和点（light saturation point, LSP）。沙地夏季具有高光、高温、低湿的特点，许多植物在高光强下会发生光抑制。基于此，研究人员提出假设：由于彰武松LSP较高，其高大乔木在沙地夏季可能不发生光抑制，而樟子松则可能发生。本文旨在验证这一假设。

过去对光抑制的定义多指植物在中午强光下光合速率下降的现象，但光合午休的原因复杂，包括气孔关闭限制CO₂供应、强光诱导的光抑制、高温抑制酶活性和水分胁迫加剧等，难以判断是否单纯由强光引起。目前，光系统II（photosystem II, PSII）被认为是最易受光抑制损伤的部位。叶绿素a荧光分析技术可实时、无损监测PSII功能，最大光化学效率（F_v/F_m）常用来指示光抑制。植物避免或减轻光抑制损伤的三种主要适应机制包括：反应中心（reaction center, RC）关键蛋白修复、热耗散和光能传递。相关重要荧光指标包括F_v/F_m、单位叶片横截面积活性RC数量（RC/CS_m）、每个RC吸收的光能（ABS/RC）、非光化学淬灭（NPQ）和电子传递效率（F_m/F_o）。此外，植物的潜在水分传输能力也是重要的适应机制之一。对于针叶树，新生针叶对光抑制更为敏感，但相关研究较少。综上，本研究动态监测了两种松树阳生和阴生当年生针叶（CYNs）及一年生针叶（OYNs）的叶绿素a荧光参数日变化，并比较了其枝条管胞特征，旨在回答两个问题：（1）两种树种在沙地夏季强光下是否发生光抑制？（2）它们应对光抑制的适应机制是否一致？

二、主要关键技术方法

研究人员在辽宁省章古台（42°43′N, 122°29′E）的实验林中进行，土壤主要为沙土。实验期从2020年4月1日至2022年6月11日，期间进行了水肥管理以避免干旱和养分缺乏干扰。随机设置6个标准样地（每树种3个），于2020年11月调查林木生长量。基于平均生长量，每树种选取3株标准木。2021年6月，利用移动升降平台，在约6.5米高处冠层阳面随机选取3根当年生枝条作为阳枝，在约3.5米高处冠层阴面选取3根作为阴枝。采用便携式植物效率分析仪（Pocket PEA）测定叶绿素a荧光参数，包括暗适应20分钟后的初始荧光（F_o）、最大荧光（F_m）和可变荧光（F_v），以及自然光下15分钟后的最大稳态荧光（F_m′），计算F_v/F_m、F_m/F_o和NPQ。同时测量0.05ms至30ms的荧光值以计算ABS/RC和RC/CS_m。2021年和2022年连续两年对同一束针叶进行跟踪测定。此外，将样本枝条纵向切片软化分离后，用番红染色，通过计算机生物显微镜观察并测量管胞长度、宽度、腔直径以及纹孔内外径，并根据Hagen-Poiseuille方程计算理论水力导度（Kt）。

三、研究结果

2.1 F_v/F_m的日变化

樟子松阳生CYNs的F_v/F_m日变幅较大（最大振幅28.99±6.28%），呈单谷曲线，低谷出现在11:00-13:00，最低值在12:00，表明强光下发生了明显光抑制。其阳生OYNs的F_v/F_m日变幅更大（30.13±1.44%），低谷延迟至13:00-16:00，最低值出现在15:00且低于CYNs的最低值，恢复缓慢。彰武松阳生CYNs的F_v/F_m日变幅较小（16.88±2.70%），呈双谷曲线，在11:00-13:00强光时段F_v/F_m值较高，与早晨无显著差异，表明未发生光抑制。其阳生OYNs的F_v/F_m日变幅更小（7.91±4.10%），各时刻均值均超过0.70。两种树的阴生CYNs和OYNs的F_v/F_m均保持较高水平且日变幅很小，无明显光抑制。

2.2 光抑制特性与适应机制的探究

2.2.1 ABS/RC和RC/CS_m的日变化

两种树阳生CYNs的ABS/RC值在多数时间点显著高于阴生CYNs。樟子松阳生CYNs的平均ABS/RC（2.02±0.26）略高于彰武松（1.98±0.23），尤其在正午（11:00和13:00）前者显著高于后者。两种树阳生CYNs的RC/CS_m值在多数时间点显著低于阴生CYNs。在正午强光下，彰武松阳生CYNs的RC/CS_m保持较高水平，接近阴生CYNs，且能在17:00恢复到早晨水平；而樟子松阳生CYNs的RC/CS_m在强光下最低，且到17:00未能恢复。

2.2.2 NPQ的日变化及其与ABS/RC的相关性

樟子松阳生CYNs的NPQ日变化呈单峰曲线，峰值出现在12:00（3.741±1.56），NPQ大于1持续4-5小时，显著高于彰武松。彰武松阳生CYNs的NPQ日变化呈波动上升趋势，仅在10:00和15:00短暂超过1，正午时段NPQ较低。两种树阴生CYNs的NPQ均保持较低水平。相关性分析表明，在阳生针叶中，两种树的NPQ与ABS/RC呈极显著正相关（p < 0.001），彰武松的拟合度（R²）更高。广义线性模型单变量分析显示，ABS/RC对NPQ有显著影响，且该效应在两树种间存在显著差异，表明彰武松针叶的NPQ对ABS/RC更敏感。

2.2.3 F_m/F_o的日变化

彰武松阳生CYNs的F_m/F_o随光强增加而下降，在10:00左右达最低值，随后迅速回升，在11:00-13:00恢复到接近早晨水平。樟子松阳生CYNs的F_m/F_o在12:00达到最低值，之后逐渐回升但未完全恢复。在11:00-13:00，彰武松阳生和阴生CYNs的F_m/F_o值均显著高于樟子松，其中阳生CYNs的平均值是后者的1.56倍。

2.2.4 两树种管胞形态比较与枝条潜在水分传输能力评价

在阳枝中，彰武松的管胞长度、宽度和腔直径均显著高于樟子松，分别约为后者的1.55倍、1.44倍和1.58倍。彰武松阳枝的纹孔外径和内径也显著高于樟子松，分别为1.26倍和1.28倍。更重要的是，彰武松阳枝的计算Kt值是樟子松的6.32倍，表明其潜在水分传输能力极高。

四、讨论与结论

讨论部分总结：

讨论指出，樟子松阳生CYNs在正午F_v/F_m显著下降，表明发生了光抑制，主要原因是PSII的可逆失活和活性RC数量减少。樟子松通过提高NPQ（热耗散）和降低F_m/F_o（增加激发能从PSII天线向PSI天线的溢流）两种机制来减轻光抑制损伤，但这会导致更多光能损失，必然降低其光合能力和生长。其阳生OYNs的光抑制程度更深、恢复更慢。这与樟子松引种沙地后生长减缓、寿命缩短甚至衰退的部分原因有关。

与樟子松不同，彰武松阳生CYNs在正午F_v/F_m较高，几乎不受光抑制。其在强光下保持高数量的活性RC，这是最有效的避光保护途径，可能与较强的抗氧化能力有关。彰武松阳生CYNs的NPQ均值较低，尤其在正午显著低于樟子松，表明热耗散消耗能量少，从而保证了高光合速率，这解释了其生长显著优于樟子松的原因。研究还发现NPQ与ABS/RC而非光强呈正相关，表明NPQ启动机制可能源于PSII内部。由于彰武松活性RC多，ABS/RC最大值不出现在正午而出现在下午，导致NPQ峰值滞后至15:00左右。彰武松较高的F_m/F_o值也部分贡献了其较高的光合能力。此外，彰武松阳枝更大的管胞和纹孔尺寸以及极高的Kt值，赋予其强大的潜在水分传输能力，结合其深根系特点，有助于避免正午干旱胁迫，从而规避光抑制。相比之下，樟子松为浅根系树种，阳枝潜在水分传输能力低，这也是其发生光抑制的部分原因。

关于不同针叶类型的光抑制异质性，两种树的阴生CYNs因处于遮荫弱光环境，F_v/F_m等荧光参数日变化稳定，未发生光抑制，且维持了高RC/CS_m和低NPQ以保证光化学效率。两种树阴生CYNs表现的一致性表明，造成两者生长差异的主要因素应在于阳生CYNs而非阴生CYNs。

结论部分翻译：

樟子松是我国三北地区的主要栽培树种，虽然在强光下会发生光抑制，但光抑制并不会导致树木死亡，主要是因为该树种具有适应光抑制的机制。为了适应沙地强光环境，樟子松利用了热耗散和光能传递两种机制，这两种机制都导致了较高的光能损失。然而，彰武松在沙地的健康生长得益于其对强光的适应性，其适应机制与樟子松不同。彰武松在强光下几乎没有观察到光抑制，因为它表现出更稳定的F_v/F_m、更高的RC/CS_m和F_m/F_o、更低的正午NPQ以及与较高计算Kt相关的解剖学特征。这些特征可能有助于其对强光的差异化耐受，从而避免光抑制并确保更高的光合强度。关于上述结论与樟子松林衰退及沙地针叶树种选择之间的相关性，需要在未来的研究中在多地点多年份进行对比实验，并测定D1蛋白表达指标以进一步证明这些相关性。