杉木组培苗增殖光环境优化_陈美香.pdf

收稿日期：修回日期：基金项目：“十四五”国家重点研发计划项目“杉木大径级无节良材培育技术”（）；“十三五”国家重点研发计划项目“杉木大径材高效培育技术研究”（）；福建省教育厅中青年科技项目“杉木幼苗光合作用响应特征光谱的量子相干传能机制”（）。第一作者简介：陈美香（），女，讲师，博士研究生，从事野生动植物保护与利用研究。：。通信作者：林开敏（），男，研究员，从事森林培育研究。：。：杉木组培苗增殖光环境优化陈美香，叶义全，许珊珊，林开敏，（福建农林大学林学院，福建 福州；福建农林大学机电工程学院，福建 福州；国家林业和草原局杉木工程技术研究中心，福建 福州）摘要：为获得杉木组培苗增殖的最佳光照条件，采用 因素 水平的二次正交旋转组合设计对其增殖系数、生长量和光合特性参量等进行研究。结果表明：光质对杉木组培苗不定芽增殖系数和叶片光系统（）的最大光化学效率（）的作用大小均为蓝光红光绿光，蓝光和红光对增殖系数的影响显著（），蓝光对 的影响显著（）；增殖系数随各光质的光强增大而增大，随蓝光和红光光强增大而增大、随绿光光强增大而减小；红光和蓝光、红光和绿光的交互作用分别对增殖系数和 的影响达极显著（）和显著（）水平；增殖的最优光质光强组合为开放科学标识码（码）红光 、绿光 、蓝光 ，可获得最大增殖系数（）；的最优光质光强组合为红光 、绿光 、蓝光 ，可获得最大 值（）。光质主效应对鲜重的作用大小为绿光红光蓝光，红光对鲜重的影响显著（），鲜重的最优光质光强组合为红光 、绿光 、蓝光 ，可获得最大鲜重（）。此外，各光质光强组合对株高和叶面积的影响差异极显著（），但对叶绿素（）含量的影响差异不显著。红光有利于提高杉木组培苗生物量，蓝光有利于提高杉木组培苗的光合能力，红光和蓝光有利于提高杉木组培苗不定芽的增殖系数；光质对杉木组培苗不定芽的增殖系数和 的影响具有一定的相关性，暗示光质通过调控光合作用进而调控杉木不定芽的增殖能力。关键词：杉木；组培苗；不定芽；增殖系数；二次回归正交旋转试验设计；光质；光强；生理生化特性中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，（）（）；（）（）；，（）（），森林与环境学报，（）：第 卷 第 期 年 月 ，（），（）；，（），：；杉木 （）是我国南方重要的速生用材树种之一，因其材质优良、纹理美观和具有耐腐蚀等优点，被广泛用作建筑、家具和车船材料。第九次全国森林资源清查结果表明，杉木人工林面积和蓄积量分别占全国人工林总面积和总蓄积量的 和，均居于我国人工林用材树种之首。近年来，随着杉木造林面积的不断扩大，市场上对杉木优质苗木的需求不断增加。优质苗木能在造林早期快速生长占据有利生态位，提高造林成活率，因此，优质苗木培育是提高造林质量的关键环节。组织培养因其具有周期短，繁殖效率高，同时又能保持亲本的优良性状，是目前杉木优质苗木高效培育的重要途径之一。尽管已有研究从杉木组培苗增殖、生根培养基配方等方面对杉木组培开展了一系列研究，并取得了一定的成果，但杉木组培过程中仍存在着组培苗增殖系数低的问题，制约了该技术的推广应用。因此，寻找提高杉木组培苗增殖系数的方法，加快杉木组培快繁技术在优质苗木培育中的应用，是当前杉木种苗繁育领域亟待解决的技术问题。光照是苗木培育过程中影响幼苗生长重要的环境因子之一，它既作为能量又作为信号参与植物光合作用、形态建成、生理生化和基因表达的调控，其中，光质和光强是影响植物生长发育的最重要因素。研究表明，复色光比单色光更能促进植物鲜重、干重和叶绿素含量的积累；红光、蓝光中加入绿光能提高植物鲜重和干重；红、蓝、白组合光中，蓝光比例增加能促进总黄酮的积累。在不同的光强环境下，弱光促进种子萌发、植株长高、叶片伸展长厚和叶绿素含量增加，强光提高幼苗存活率和促进生物量积累。因此，在苗木培育过程中筛选适合于其生长的光照条件对于促进苗木生长和提高苗木质量具有重要意义。除了促进苗木生长外，近年来一些研究相继表明，不同光照条件在促进组培苗增殖中同样具有重要作用，如已报道奇楠沉香（）和非洲菊（）组培苗红光比例高于蓝光能提高增殖系数。在光照对杉木组培苗增殖和生长的研究方面，已有报道发光二极管（，）复色光中对杉木组培苗丛生芽萌发及增殖的作用大小依次为蓝光红光绿光；红光比蓝光和绿光更有利于提高杉木组培苗叶片光系统（，）的最大光化学效率（）。但是，有关杉木组培光环境的研究主要集中在单一因子如光质或者光强，而关于光质和光强因子的交互作用或耦合作用的研究则较少。二次回归正交旋转试验设计法既能快速、精确地找到各因素和水平的最佳组合和预测目标值，还可以对试验得出模型的测定指标随单因子的变化规律和两因子的交互作用效应等进行模拟分析，更深入地揭示各因素和水平对植物的调控机理，该方法用于杉木组培增殖光环境的研究还未见报道。鉴于此，本研究采用红、绿和蓝 光源，通过 因素 水平的二次回归正交旋转试验设计，研究杉木组培苗不定芽增殖系数、生长指标、叶绿素荧光参数与光质、光强之间的关系，并建立模型优化设计出各光质的最佳光强组合，旨在探索光质和光强对杉木组培苗不定芽增殖、生长和光合能力的影响机制，为培育杉木优质苗木提供科学参考。材料与方法 试验材料试验材料选用杉木优良无性系“”，由福建省鑫闽种业有限公司提供。每瓶接种 个团块（直径），每个团块 株不定芽（高度 ），培养基配方。接种完暗处理 、弱光培养，于 年 月移至福建农林大学光电子农业工程中心人工气候室的 光下做增殖培养。培养环境相对湿度（），温度（），光照 。第 期陈美香，等：杉木组培苗增殖光环境优化 试验方法试验采用 因素 水平的二次回归正交旋转试验设计，因素为红光（，波长 ）、绿光（，波长）、蓝光（，波长）种 光源，各因素 水平的试验值见表，其中 水平的确定按参考文献的方法。试验以色温 的 白光为对照，光强 。每个试验组共 瓶，分 个重复。表 因素和变量水平 因素变量间距 变量水平 （）红光 绿光 蓝光 注：表中各变量水平值为距离组培瓶底部 处的光强值，因素编码使用的星号臂长度为。：，试验材料分别在 个处理组和 个对照组培养 后，测量培养后长出的有效不定芽的各项生长指标，以株高 的新不定芽为有效不定芽，按以下公式计算增殖系数：（）式中：表示增殖系数；表示有效不定芽数目；表示初始不定芽数目。取顶端往下第、对叶片共 个叶片测定叶面积。培养 后，采用参考文献中的方法测定叶绿素含量，取不定芽顶端往下第 对叶片，剪碎后称取 样品，置于 离心管中，倒入 混合提取液（丙酮无水乙醇水），摇匀后放置于黑暗处 ，以 为间隔摇晃 次离心管，待叶片完全变为白色时，震荡均匀后放在 型紫外可见分光光度计（日本，岛津公司）中于波长、和 下测定叶绿素含量。培养 后，从每个重复中随机选取长势一致的不定芽，取第 对叶片暗处理 后按参考文献的方法，用 型便携式调制叶绿素荧光仪（德国，）测定叶片的 最大光化学效率（）和电子传递速率（，）。数据处理采用 软件进行数据统计和作图，用 数据处理系统进行差异性分析、回归分析、方差分析和作图。结果与分析 光照对杉木组培苗不定芽增殖和生长生理的影响不同光照处理下，杉木组培苗不定芽增殖系数、生长量和叶绿素含量如表 所示。不同光照条件下，杉木组培苗不定芽的增殖系数、鲜重、株高和叶面积存在较大差异。其中，处理 的增殖系数最大，比对照高出；处理 的增殖系数最小，比对照低；共有 个处理的增殖系数高于对照。除了处理 和 之外，其余所有处理的鲜重均大于对照，其中处理 的鲜重最大，比对照高；处理 的鲜重最小，比对照低。所有处理的株高均高于对照，其中处理 的株高最高，比对照高；处理 的株高最矮，但比对照高。处理 的叶面积最大，比对照大；处理 的叶面积最小，比对照小。所有处理的叶绿素（）含量差异较小，处理 叶绿素（）含量最高，比对照高，但与对照的差异不显著。处理、的增殖系数、处理、的叶面积与对照的差异极显著（）；除处理、的鲜重与对照的差异不显著外，其他处理的鲜重与对照的差异均极显著（）；所有处理的叶绿素（）含量与对照的差异均不显著。以上结果表明，光质对杉木组培苗不定芽的增殖系数、鲜重、株高和叶面积影响极显著（），但对叶绿素（）含量的影响不显著。森 林 与 环 境 学 报第 卷表 光处理下杉木组培苗不定芽增殖系数和生长生理指标 ，处理编号水平 增殖系数鲜重 株高 叶面积 叶绿素（）含量（）（）对照 值 值 注：表中生长生理指标数值为平均值标准差；同列数值后不同小写字母表示不同处理之间差异显著（）。：；（）光照对杉木组培苗不定芽叶绿素荧光的影响光照对杉木组培苗不定芽叶片 的 和 的影响如图 所示。在多个处理间变化较小，如处理、；在少数处理间变化较大，如处理、的 显著大于处理（）；但所有处理的 与对照均无显著差异。处理、的 显著大于处理、和对照（），其中，处理 的 最大，比对照大；处理 的 最小，比对照小，且差异显著（）；处理、间的 无显著差异，这些处理的 与其他处理、对照均无显著差异。注：不同小写字母表示不同处理之间差异显著（）。：（）图 不同光照条件下杉木不定芽叶片的叶绿素荧光参数 第 期陈美香，等：杉木组培苗增殖光环境优化 杉木组培苗不定芽增殖系数的二次多项式回归分析为得到杉木组培苗不定芽增殖系数与光质、光强的关系式，用 数据处理系统对增殖系数进行二次多项式回归分析，得到增殖系数与不同光质之间的回归模型：（）式中：表示增殖系数；、分别表示红光、绿光和蓝光光强，其一次方项为主效应，平方项为二次效应，交叉项、和 为交互效应，。对回归模型中、各项的系数作显著性分析，结果（表）表明，种光质的主效应对增殖系数的影响大小为蓝光红光绿光，且作用方向均为正向，即增殖系数随 种光质的光强增大而增大；其中，蓝光和红光对杉木组培苗不定芽增殖系数的影响达显著水平（）。表 增殖系数回归模型的回归系数显著性检验 因素回归系数标准系数 检验值 值 因素回归系数标准系数 检验值 值 光对杉木组培苗不定芽增殖系数的单因子效应和交互效应如图 所示。从单因子效应分析（其他因子为）结果可以看出，在试验的光强范围内，增殖系数随 种光质光强的增大而近线性地增大，增大速度大小为蓝光红光绿光，说明蓝光用于增殖的效率最高、红光次之、绿光最低。红光、蓝光的交互效应（）对增殖系数的影响极显著（），但作用方向为负向。从红光、蓝光的交互效应分析（其他因子为）可以看出，低水平红光、蓝光（、）共同作用时，杉木组培苗不定芽的增殖系数小（）；中、高水平红光（）和中水平蓝光（）共同作用、高水平红光和蓝光（、）共同作 用 时，杉 木 组 培 苗 不 定 芽 的 增 殖 系 数 都 是 中 等（）；中、低 水 平 红 光（）和高水平蓝光共同作用时，杉木组培苗不定芽的增殖系数最大（）。种光质的二次效应对杉木组培苗不定芽增殖系数的影响均未达到显著水平（）。根据回归模型得出最优光质光强组合为红光 、绿光 、蓝光 时，可获得最大增殖系数（）。（）单因子效应 （）交互效应 图 光质光强对杉木组培苗不定芽增殖系数的影响效应 森 林 与 环 境 学 报第 卷 杉木组培苗不定芽鲜重的二次多项式回归分析对鲜重进行二次多项式回归分析，得到鲜重与红光、绿光、蓝光之间的回归模型：（）式中：表示鲜重，。种光质的主效应对鲜重的影响大小为绿光红光蓝光，作用方向都为正向，即鲜重随光强增大而增大（表）。红光的主效应和二次效应均达到显著水平（），其他项均未达到显著水平（）。根据回归模型得出最优光质光强组合为红光 、绿光 、蓝光 时，可获最大鲜重（）。表 鲜重回归模型的回归系数显著性检验 因素回归系数标准系数 检验值 值 因素回归系数标准系数 检验值 值 杉木组培苗不定芽叶绿素荧光的二次多项式回归分析对 值进行二次多项式回归分析，得到 与红光、绿光、蓝光之间的回归模型为：（）式中：表示 ，。种光质的主效应对 的影响大小为蓝光红光绿光，蓝光、红光的作用方向均为正向，绿光的作用方向为负向，即 随蓝光和红光光强增大而增大、随绿光光强增大而减小。蓝光对杉木组培苗不定芽 的影响达到显著水平（，表）。表 最大光化学效率回归模型的回归系数显著性检验 因素回归系数标准系数 检验值 值 因素回归系数标准系数 检验值 值 光对杉木组培苗不定芽 的单因子效应和交互效应如图 所示。从单因子效应分析结果可以看出，在试验的光强范围内，随蓝光光强增大而近线性地增大、随红光、绿光光强增大而近线性地减小。蓝光的二次效应项、红光和绿光的交互效应项的回归系数均达到显著水平（）。高水平红光和高水平绿光共同作用时，杉木组培苗不定芽 值较大（）；高水平红光和低水平绿光、低水平红光和高水平绿光共同作用时，值较小（）；除以上情况外，其它水平红、绿光共同作用时，值适中（）。根据回归模型得出最优光质光强组合为红光 、绿光 、蓝光 ，可获得最大 值（）。第 期陈美香，等：杉木组培苗增殖光环境优化 （）单因子效应 （）交互效应 图 光质光强对杉木组培苗不定芽叶片 的影响效应 讨论与结论光是影响植物生长最重要的环境因子之一，光质和光强调控植物的光合作用、生长发育和生理生化，最终调控植物的生物量和品质。现有研究表明，植物内源激素对植物不定芽的生长和发育起着主要的调控作用，杉木组培苗的内源激素水平与增殖效果密切相关，光正是通过调节基因表达来影响植物内源激素的合成和分解，进而调控组培苗的增殖和生长。光质和光强对杉木组培苗不定芽的增殖效果起着重要的调控作用，红光、绿光和蓝光 种光质对杉木组培苗不定芽增殖系数的影响存在差异，影响大小为蓝光红光绿光；蓝光和红光的影响达到显著水平（），绿光则未达到显著水平。这与已有的对杉木其他优良无性系的研究结果相似，可能红光、绿光和蓝光对杉木组培苗不定芽增殖系数的影响大小在杉木无性系中具有一致性。本研究结果表明，复合光中蓝光比例大于红光且达到最高时，杉木组培苗不定芽增殖系数最高，这与奇楠沉香、非洲菊和香蕉（）组培苗的研究结果不同。这表明复合光中红光、蓝光对组培苗增殖能力的调控作用大小因植物而异，原因可能是红光、蓝光对不同植物细胞增殖与分化的调控存在差异，而这差异又可能是因为红、蓝光对不同植物的内源激素相关基因的调控存在差异。本研究结果表明，杉木组培苗不定芽增殖系数随 种光质的光强增大而增大，说明 种光质都能促进杉木组培苗不定芽增殖，但红光、蓝光的交互作用表明，当红光、蓝光光强较小时，增大其复合光的光强能促进杉木组培苗不定芽增殖；当红光、蓝光光强较大时，同时增大红光、蓝光光强会抑制杉木组培苗不定芽增殖，尤其当蓝光光强达到较高水平时，红光光强增大对杉木组培苗不定芽增殖的抑制更严重。这说明杉木组培苗不定芽增殖所需要的红光、蓝光复合光能存在最大值，超过最大值将抑制杉木组培苗不定芽增殖；单位强度的蓝光具有比红光更多光能，因此，蓝光光强增大能更快达到光能最大值，这时杉木组培苗不定芽增殖系数达到最大。种光质的主效应对杉木组培苗不定芽鲜重的影响也存在差异，绿光的影响大于红光，蓝光影响最小，这与 种光质对 号杉木无性系组培苗平均鲜重作用大小顺序为红光绿光蓝光的结果不同，也与绿光处理后香蕉组培苗鲜重最小的研究结果不同，这说明绿光对不同杉木无性系和不同植物鲜重的调控存在差异，产生这种差异可能是因为绿光对植物体内某些特定基因的调控存在差异，如已报道绿光能促进生菜（）硝酸还原酶和亚硝酸还原酶相关基因的表达。红光的主效应和二次效应对杉木组培苗不定芽鲜重的影响均达到显著水平，绿光和蓝光对杉木组培苗不定芽鲜重的影响均未达到显著水平，这与已有的研究结果一致，说明红光促进植物鲜重的增长具有普遍性。不同光强组合对杉木组培苗不定芽叶绿素（）含量的影响不存在显著差异，这与已有的研究结果，不同，说明光照对植物叶绿素（）含量的调控存在差异。光照对天线蛋白和光合作用其他相关蛋白的基因表达有促进作用，叶绿素荧光参数 和 最能反映植物光合能力的大小。种光质对 的影响存在差异，影响大小为蓝光红光绿光，这与已有的研究结果，不同，说明光质对不同树种组培苗的光合能力调控存在差异。这可森 林 与 环 境 学 报第 卷能是因为不同树种间光合器官活性、卡尔文本森循环酶活性和相关基因表达不同造成的。汪凤林等的研究表明，年生 杉木无性系幼苗在弱光环境中红光处理下光合能力最强，强光环境中蓝光处理下的杉木无性系幼苗光合能力最强，这说明光质、光强对 杉木无性系幼苗在不同生长期光合能力的调控存在差异。本研究中，红光和绿光的交互效应表明，只有同时增大红光和绿光的光强，值才能增大，仅增大红光或绿光的光强，值不能增大反而减小，说明红光和绿光是通过同步相互作用来提高杉木组培苗不定芽的光合能力的，但其相互作用的机理仍需研究。种光质的主效应对杉木组培苗不定芽增殖系数和 的影响大小都是蓝光红光绿光，这说明光质对杉木组培苗不定芽增殖系数和光合能力的影响具有一定的相关性。这可能是因为各光质为杉木组培苗不定芽的光合作用提供的能量不同，进而影响杉木组培苗不定芽增殖。复合光处理后杉木组培苗不定芽的增殖系数、生长量和光合参数等均高于对照白光，说明 复合光可取代传统白光用于杉木组培苗不定芽增殖。本研究通过回归模型精确地找到杉木组培苗不定芽增殖的最佳光质光强组合是红光 、绿光 、蓝光 ，但光质和光强对杉木组培苗不定芽增殖调控的分子机制仍然未知，还需进一步深入研究。参考文献 国家林业和草原局 中国森林资源报告（）北京：中国林业出版社，唐银，李玲燕，许珊珊，等 不同光质对杉木组培苗生根的影响及其机理初探 西北植物学报，（）：黄娟，吴鹏飞，程浩，等 杉木愈伤组织的继代增殖与植株再生 森林与环境学报，（）：钟明慧，杨培蓉，吕宁宁，等 杉木组培苗生根配方的筛选及对内源激素的影响 亚热带农业研究，（）：，（）：周锦业 基于 光源的杉木组培快繁技术研究 福州：福建农林大学，（）：，（），：刘青青，马祥庆，李艳娟，等 杉木种子萌发及幼苗生长对光强的响应 应用生态学报，（）：李湘阳，曾炳山 奇楠沉香组培苗在不同光质下的增殖效率及光保护反应 分子植物育种，（）：孙翊，张永春，殷丽青，等 光质对非洲菊组培苗增殖及生理特性的影响 西北植物学报，（）：周锦业，彭珠清，许珊珊，等 不同光质对杉木组培苗叶绿素含量及荧光参数的影响 热带作物学报，（）：唐启义 数据处理系统 版 北京：科学出版社，：卢思，罗梅秀，刘丹，等 不同光质对三叶青茎叶显微结构和激素的影响 森林与环境学报，（）：王俊男，于洋洋，林柳兴，等 杉木林林内光环境对楠木生长的影响 森林与环境学报，（）：李姗姗 冷蒿根系内源激素动态变化与不定芽发育的研究 呼和浩特：内蒙古农业大学，曾碧欣，胡德活，韦如萍，等 杉木无性系组培苗增殖优化研究 湖南林业科技，（）：臧金娇 杉木组织培养及其增殖过程中内源激素变化研究 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