唐鑫華 王堡槐 馬 佳 李 威 張麗莉 石 瑛*

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)是世界第三、中國(guó)第四大糧食作物，其塊莖營(yíng)養(yǎng)豐富、含有人體必需的全部七大類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。馬鈴薯品質(zhì)的提升和產(chǎn)量的提高及產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展對(duì)保障世界的糧食安全具有重要意義[1-2]。光合作用對(duì)馬鈴薯的代謝過(guò)程十分重要，馬鈴薯塊莖中 95% 以上的干物質(zhì)含量來(lái)自光合作用的積累，光合速率在很大程度上反映了馬鈴薯干物質(zhì)的積累能力[3-4]。光照作為光合作用的能量來(lái)源是影響植物生長(zhǎng)的重要因素之一，光照強(qiáng)度、光質(zhì)和光周期等都會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育和形態(tài)建成產(chǎn)生較大影響，光照強(qiáng)度是影響植物光合作用重要的因子[5-6]。有研究表明光照強(qiáng)度高于植物光合作用的光飽和點(diǎn)可能引起植物光合色素降解、光抑制、光合速率降低，造成膜質(zhì)過(guò)氧化和活性氧代謝紊亂等[7-10]；光照強(qiáng)度低于植物光合作用的光補(bǔ)償點(diǎn)，植物凈光合速率下降、碳水化合物合成減少，破壞碳平衡，造成植物碳饑餓[11-12]。植物生長(zhǎng)的最適光照強(qiáng)度并不固定，不同的植物種類、品種和生長(zhǎng)環(huán)境存在顯著差異[5]。隨著氣候和環(huán)境的變化，連續(xù)的霧霾天氣降低光照強(qiáng)度，會(huì)造成農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)下降[13]。

在中國(guó)西南地區(qū)馬鈴薯與玉米等高位作物間套種植是一種重要模式，而馬鈴薯作為低矮作物，在不同生育時(shí)期均會(huì)受到高位作物的遮蔭影響，造成品質(zhì)和產(chǎn)量下降，影響馬鈴薯種植的經(jīng)濟(jì)效益。弱光脅迫逐漸成為限制馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素[14-16]。而馬鈴薯脫毒種苗繁育過(guò)程需光照，這需要消耗大量的能源轉(zhuǎn)化為光能，這種能源消耗將限制產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此研究持續(xù)遮光條件對(duì)馬鈴薯光合作用和產(chǎn)量的影響，對(duì)于提高馬鈴薯常規(guī)種植光能利用率、降低馬鈴薯種苗生產(chǎn)中的能源消耗具有重要意義，對(duì)于挖掘和培育耐弱光馬鈴薯種質(zhì)資源、進(jìn)一步豐富馬鈴薯的種植方式(間套種、林下種植等)和擴(kuò)展種植區(qū)域具有重要意義。目前，遮蔭對(duì)馬鈴薯光合作用和產(chǎn)量影響方面的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究通過(guò)對(duì)12個(gè)馬鈴薯主要栽培品種在特定生育時(shí)期進(jìn)行遮光處理，比較其熒光參數(shù)、光合生理指標(biāo)和產(chǎn)量的差異，旨在揭示不同遮光處理對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，以期為選育耐遮蔭馬鈴薯品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以12個(gè)馬鈴薯品種(‘尤金’、‘荷蘭7號(hào)’、‘東農(nóng)310’、‘興佳2號(hào)’、‘延薯4號(hào)’、‘龍薯4號(hào)’、‘延薯9號(hào)’、‘延薯10號(hào)’、‘克新13號(hào)’、‘克新19號(hào)’、‘克新23號(hào)’和‘大西洋’)原原種為試驗(yàn)材料(脫毒組培苗種植在土壤基質(zhì))，種薯由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)馬鈴薯研究所提供，試驗(yàn)地點(diǎn)為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)馬鈴薯盆栽場(chǎng)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取質(zhì)量均一種薯，20 ℃、散色光催芽15 d，盆栽種植，2019年5月11日整薯播種。盆栽所用土盆規(guī)格為高26 cm、上部?jī)?nèi)徑33 cm，土壤至盆上沿3 cm?；|(zhì)為草炭土和黑鈣土按質(zhì)量比3∶1均勻混合，pH 6.51，堿裂解氮(N)205.5 mg/kg，有效磷(P)44.1 mg/kg，速效鉀(K2O)262.0 mg/kg，有機(jī)質(zhì)75.8 g/kg。播種前均勻施入基肥尿素、硫酸鉀和磷酸二銨，用量分別為 1.50、3.00和2.25 g/盆[18]。苗齊后，6月10日搭建遮光網(wǎng)開(kāi)始進(jìn)行遮光處理，設(shè)置3個(gè)處理：對(duì)照CK(正常光照)、Z1(單層遮光網(wǎng))、Z2(雙層遮光網(wǎng))，見(jiàn)表1。遮光網(wǎng)距地面高2.0 m、四周較盆栽種植區(qū)域外延2.0 m，每個(gè)品種每個(gè)處理6盆，各處理間距2.5 m，人工澆灌保持各處理基質(zhì)含水率一致，用浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司的快速測(cè)定儀TZS-1K-G測(cè)定土壤基質(zhì)水分；設(shè)置5個(gè)測(cè)定期：6月24日(第1次)、7月8日(第2次)、7月22日(第3次)、8月5日(第4次)和8月19日(第5次)；第5次測(cè)定后移除遮光網(wǎng)，9月4日收獲。

表1 不同處理光照強(qiáng)度Table 1 Light intensity of different treatments

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

于測(cè)定日期7：00—11：00分別取樣測(cè)定葉綠素相對(duì)含量和熒光參數(shù)，共計(jì)5次；于7月8日測(cè)定光合作用參數(shù)；9月4日收獲單株，測(cè)定單株產(chǎn)量、塊莖干物質(zhì)含量和單株塊莖干物質(zhì)質(zhì)量。

1.3.1葉綠素相對(duì)含量、葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)和光合作用參數(shù)測(cè)定

選取長(zhǎng)勢(shì)均一植株，每個(gè)品種每種處理3株，測(cè)定部位均為上部第3和第4 片葉。應(yīng)用日本柯尼卡美能達(dá)公司的葉綠素儀SPAD-502測(cè)定葉綠素相對(duì)含量；應(yīng)用葉綠素?zé)晒鈨xPAM-2500測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm；應(yīng)用德國(guó)WALZ公司的植物光合作用儀GFS-3000測(cè)定光合作用參數(shù)Tr、Gs、Pn和Ci，參數(shù)設(shè)置如下：光量子通量為1 400 μmol/(m2·s)、溫度25 ℃、CO2濃度380 μmol/mol、葉室面積4.00 cm2[17]。

1.3.2干物質(zhì)含量的測(cè)定

將樣品切成1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm的小塊，置于烘箱105 ℃殺青，而后80 ℃下加熱干燥，至恒重為止。

1.3.3數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用Excel 2012記錄數(shù)據(jù)，應(yīng)用SPSS 23進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同遮光處理對(duì)SPAD的影響

由表2可知，在第4次(08-05)和第5次(08-19)測(cè)定期的同一品種不同處理間SPAD差異顯著，同一測(cè)定期SPAD由高到低均表現(xiàn)為CK>Z1>Z2；在第5次測(cè)定期各品種Z1的SPAD比CK低7.80%～66.64%，Z2的SPAD比CK低30.20%～65.37%，‘大西洋’和‘興佳2號(hào)’的Z1和Z2的SPAD顯著高于其他品種的相同處理；隨著遮光處理時(shí)間的持續(xù)部分品種植株葉片較CK出現(xiàn)提早枯萎的現(xiàn)象，如‘尤金’、‘龍薯4號(hào)’、‘延薯4號(hào)’、‘延薯9號(hào)’、‘延薯10號(hào)’和‘克新23號(hào)’。結(jié)果表明，遮光處理導(dǎo)致葉片的SPAD下降，部分品種在遮光處理下葉片提早枯萎。

表2 不同處理下馬鈴薯葉片的SPADTable 2 SPAD of potato leaves under different treatments

表2(續(xù))

2.2 不同遮光處理對(duì)熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響

由表3可知，在前4次(06-24、07-08、07-22和08-05)時(shí)，馬鈴薯品種間的Fv/Fm差異不顯著、在第5次(08-19)測(cè)定時(shí)差異顯著；處理間在第1、4和5次測(cè)定時(shí)差異顯著；品種×處理在測(cè)定時(shí)差異均顯著。

表3 不同處理下馬鈴薯葉片的Fv/FmTable 3 Fv/Fm of potato leaves under different treatments

同一品種的不同處理在第1次測(cè)定期葉片的Fv/Fm由高到低表現(xiàn)為Z2>Z1>CK，除‘克新19號(hào)’外，其他品種的Z2比CK高5.72%～16.86%，F(xiàn)v/Fm呈現(xiàn)隨遮光程度的加重而增加的趨勢(shì)；而在第4和第5次測(cè)定時(shí)變化趨勢(shì)與第1次相反，葉片的Fv/Fm由高到低均表現(xiàn)為CK>Z1>Z2，F(xiàn)v/Fm隨遮光程度的加重而降低；其中第4次測(cè)定時(shí)Z2的Fv/Fm比CK低1.33%～68.05%；第5次測(cè)定時(shí)Z1的Fv/Fm比CK低15.12%～44.72%，‘荷蘭7號(hào)’、‘東農(nóng)310’、‘興佳2號(hào)’、‘克新13號(hào)’和‘克新19號(hào)’Z2的Fv/Fm分別比CK低48.06%、39.47%、39.47%、41.34%和35.68%。結(jié)果表明，在處理前期遮光處理較CK提升葉片PSII的Fv/Fm，隨著遮光程度的加重和處理時(shí)間的延長(zhǎng)，遮光處理植株葉片的Fv/Fm顯著低于CK，在馬鈴薯生育后期遮光處理對(duì)馬鈴薯植株生長(zhǎng)造成較為嚴(yán)重的脅迫。

2.3 不同遮光處理對(duì)光合作用參數(shù)的影響

由表4可知，Tr、Gs、Pn和Ci在品種、處理間和處理×品種間差異均顯著。除‘尤金’和‘大西洋’外，同一品種不同處理間Tr和Gs隨遮光程度的加重總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；除‘大西洋’外，Pn隨遮光程度的提高總體亦呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，Ci隨遮光程度的加重總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。處理間的Tr、Gs和Pn由高到低均表現(xiàn)為CK>Z1>Z2，而Ci由高到低表現(xiàn)為Z2>Z1>CK。

表4 不同處理下馬鈴薯葉片的光合作用參數(shù)Table 4 Photosynthesis parameters of potato leaves under different treatments

在CK條件下，‘龍薯4號(hào)’的Pn最高、‘興佳2號(hào)’的Pn最低；‘大西洋’Z1的Pn比CK高89.36%，其余11個(gè)品種Z1比CK低12.20%～82.69%，其中‘東農(nóng)310’降幅最小、‘延薯9號(hào)’降幅最大；Z2的Pn比CK低15.85%～88.81%，其中‘大西洋’降幅最小、‘克新23號(hào)’降幅最大。在Ci方面，‘大西洋’的Z1比CK低11.81%，其余11個(gè)品種均高于CK；Z2比CK高11.52%～76.55%。結(jié)果表明：Pn隨遮光程度的提高而顯著下降，Tr和Gs隨遮光程度的加重而呈下降趨勢(shì)，而Ci則相反(除‘大西洋’)；‘大西洋’在遮光條件(Z1)Pn顯著高于CK，Ci顯著低于CK。

2.4 不同遮光處理對(duì)單株產(chǎn)量和塊莖干物質(zhì)的影響

由表5可知，馬鈴薯單株產(chǎn)量、塊莖干物質(zhì)含量和單株塊莖干物質(zhì)質(zhì)量在品種、處理和品種×處理間差異均顯著。同一品種隨遮光程度的提高其單株產(chǎn)量、塊莖干物質(zhì)含量和單株塊莖干物質(zhì)質(zhì)量從高到低均表現(xiàn)為CK>Z1>Z2。

表5 不同遮光處理下馬鈴薯的單株產(chǎn)量和干物質(zhì)Table 5 Yield per plant and tuber dry matter of potato under different treatments

在單株產(chǎn)量方面，CK條件下，‘興佳2號(hào)’最高、‘延薯4號(hào)’最低；Z1條件下，‘延薯4號(hào)’最高、‘克新19號(hào)’最低；Z2條件下‘克新19號(hào)’產(chǎn)量最高，‘東農(nóng)310’產(chǎn)量為0；同一品種不同處理的單株產(chǎn)量差異顯著，Z1比CK低38.44%～97.71%，Z2比CK低91.65%～100.00%。在干物質(zhì)含量方面，‘大西洋’在CK、Z1和Z2條件下均最高，同一品種CK和Z2的差異顯著，Z2比CK低66.88%～100.00%。在單株塊莖干物質(zhì)質(zhì)量方面，CK條件下‘興佳2號(hào)’最高、‘延薯4號(hào)’最低；Z1條件下‘大西洋’最高、‘東農(nóng)310’最低；Z2條件下‘克新19號(hào)’最高；同一品種不同處理的單株塊莖干物質(zhì)質(zhì)量差異顯著，Z1比CK低42.06%～98.23%，Z2比CK低 95.92%～100.00%。結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)遮光處理會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯單株產(chǎn)量、塊莖干物質(zhì)含量和單株塊莖干物質(zhì)質(zhì)量顯著降低。

2.5 單株產(chǎn)量、干物質(zhì)含量和光合參數(shù)相關(guān)性分析

由表6可知，單株產(chǎn)量和干物質(zhì)含量與所測(cè)光合參數(shù)具有一定相關(guān)性。單株產(chǎn)量與Tr呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.229；與Gs和Pn均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.255和0.510；而與Ci呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.410。干物質(zhì)含量與Tr和Pn均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.273和0.452；與Gs呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.213；而與Ci呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.468。Tr、Gs和Pn彼此均呈極顯著正相關(guān)；而Ci與Tr、Gs均呈負(fù)相關(guān)但不顯著，與Pn呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.577。

表6 光合參數(shù)、單株產(chǎn)量和干物質(zhì)含量相關(guān)性Table 6 Correlation of photosynthetic parameters,yield per plant and dry matter content

3 討 論

3.1 Fv/Fm在測(cè)定期中的變化

在遮光處理初期(第1次測(cè)定期)12個(gè)馬鈴薯品種Z1和Z2的葉片的Fv/Fm均高于CK，而隨著遮光處理時(shí)間的延長(zhǎng)在第4次測(cè)定時(shí)Z1和Z2的Fv/Fm均低于對(duì)照但不顯著，在第5次測(cè)定時(shí)12個(gè)品種Z1和Z2的Fv/Fm均顯著低于對(duì)照。Fv/Fm反映PSⅡ內(nèi)光能轉(zhuǎn)換效率且非脅迫條件下該參數(shù)的變化極小，不受物種和生長(zhǎng)條件的影響，而在脅迫條件下該參數(shù)顯著下降[18]。在第1次測(cè)定期葉片較為幼嫩，光照強(qiáng)度過(guò)高對(duì)馬鈴薯葉片造成了非生物逆境脅迫，并可能產(chǎn)生光抑制，過(guò)剩光能以非光化學(xué)淬滅耗散，有研究表明葉綠體通過(guò)PSII上捕光色素蛋白復(fù)合體LHCII的可逆磷酸化調(diào)控這一過(guò)程[19-20]，而遮光處理下葉片通過(guò)提高光化學(xué)效率而利用更多光能，因此遮光處理的葉片的Fv/Fm高于自然光照條件生長(zhǎng)的葉片，這與前人的研究結(jié)果相似[18，21-23]，但隨著遮光處理的持續(xù)和植株生育進(jìn)程的推進(jìn)，遮光處理導(dǎo)致植株無(wú)法合成足夠的有機(jī)物，對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)造成了嚴(yán)重的脅迫，遮光處理的植株葉片F(xiàn)v/Fm較自然光照條件的低。這可能是由于葉綠體超微結(jié)構(gòu)受到破壞[24]，在第5次測(cè)定時(shí)遮光處理的植株葉片SPAD均比自然光照條件下植株葉片的低，也恰能支持這一推測(cè)。而在遮光處理中非生物因素變化幅度最大的參數(shù)是光照強(qiáng)度，因此推測(cè)在馬鈴薯生育期內(nèi)最適的光照強(qiáng)度是隨生育進(jìn)程而變化。

3.2 光合生理指標(biāo)的差異

在第2次測(cè)定時(shí)，12個(gè)品種Z1和Z2葉片的Fv/Fm和SPAD較CK呈下降趨勢(shì)，同時(shí)Tr、Gs(除‘尤金’和‘大西洋’)和Pn(除‘大西洋’)隨著遮光程度的加重而顯著下降，但Ci(除‘大西洋’)呈顯著上升。持續(xù)的遮光處理造成Fv/Fm下降，沒(méi)有充足的光能轉(zhuǎn)化為ATP，在暗反應(yīng)階段的卡爾文循環(huán)不能充分將CO2固定，有機(jī)物合成效率降低。相關(guān)性分析結(jié)果表明Ci和Pn呈極顯著負(fù)相關(guān)，推測(cè)由于Pn下降導(dǎo)致CO2消耗減少，因此Z1和Z2的Ci較高。這可能是光照強(qiáng)度降低造成PSII的光能轉(zhuǎn)化效率下降，從而導(dǎo)致卡爾文循環(huán)中碳固定所需的化學(xué)能不足，葉綠體基質(zhì)無(wú)法合成充足有機(jī)物、Pn下降。自然光照條件下(CK)葉片接受光照強(qiáng)度高、葉片溫度較高，為調(diào)節(jié)葉片內(nèi)外氣壓差和降低擴(kuò)散阻力，Gs增加使擴(kuò)散阻力降低、Tr提升，從而降低葉片溫度；遮光處理?xiàng)l件(光照強(qiáng)度低、葉片溫度較低)則相反，因此Tr和Gs呈極顯著正相關(guān)。從各品種處理間光合作用參數(shù)的差異情況分析，在Z1條件下馬鈴薯‘大西洋’品種較其他品種更耐遮光處理。

3.3 遮光處理對(duì)不同品種產(chǎn)量等指標(biāo)的影響

隨著遮光程度的提高12個(gè)馬鈴薯品種單株產(chǎn)量、干物質(zhì)含量和單株塊莖干物質(zhì)質(zhì)量均顯著下降，但品種間比較發(fā)現(xiàn)在Z1條件下‘大西洋’的干物質(zhì)含量和單株塊莖干物質(zhì)質(zhì)量最高，這與Pn的變化相對(duì)應(yīng)，僅‘大西洋’Z1的Pn未較CK下降，說(shuō)明在遮光處理前期葉片較高的Pn為后期塊莖的干物質(zhì)積累奠定了基礎(chǔ)，推測(cè)‘大西洋’對(duì)遮光處理反應(yīng)不敏感且較耐弱光，因此在Z1條件下其成熟期的單株塊莖干物質(zhì)質(zhì)量高于其他品種。生育期部分時(shí)段遮光處理對(duì)于早熟品種的影響相對(duì)較大，如試驗(yàn)中‘尤金’在第4次測(cè)定期Z2葉片均枯萎、第5次測(cè)定期Z1葉片也均枯萎；而‘大西洋’和‘東農(nóng)310’同屬中晚熟品種，但遮光處理后在產(chǎn)量方面差異顯著，這可能與其植株形態(tài)和光能利用率有關(guān)。

4 結(jié) 論

本研究通過(guò)對(duì)12個(gè)馬鈴薯品種出苗后進(jìn)行不同遮光處理，測(cè)定分析葉綠素?zé)晒鈪?shù)、光合作用參數(shù)和單株產(chǎn)量等。研究表明遮光處理導(dǎo)致葉片的SPAD下降，‘尤金’、‘龍薯4號(hào)’、‘延薯4號(hào)’、‘延薯9號(hào)’、‘延薯10號(hào)’和‘克新23號(hào)’在遮光處理下葉片提早枯萎；遮光處理初期Z1和Z2葉片的Fv/Fm均高于CK，而隨遮光處理時(shí)間的持續(xù)Z1和Z2葉片的Fv/Fm顯著低于CK；除‘大西洋’外其余品種的Tr、Gs和Pn隨遮光程度的加重而顯著下降，但Ci顯著上升，Z2的Pn比CK低12.20%～82.69%、Ci比CK高 11.52%～76.55%；單株產(chǎn)量和塊莖干物質(zhì)含量與Tr、Gs和Pn均呈顯著或極顯著正相關(guān)，與Ci呈極顯著負(fù)相關(guān)。遮光處理導(dǎo)致馬鈴薯單株產(chǎn)量、塊莖干物質(zhì)含量和單株塊莖干物質(zhì)質(zhì)量顯著降低。