叶面形态、NSCs含量和C:N:P化学计量学的响应杉木纯林和木荷对阴影

背景

非结构碳水化合物(NSCs)、碳(C)、氮(N)和磷(P)是所有植物生长和代谢的重要能量来源或营养物质。为了在遮荫林下生存，幼树必须保持叶片NSCs、C、N和p等碳、养分的动态平衡。耐荫幼苗间磷对遮荫的响应木荷和shade-intolerant对杉木矛尖形的．分别设置0、40、60、85、95%遮荫度5个水平，研究遮荫对叶片NSCs含量和C:N:P化学特征的影响。

结果

遮荫度为60%时，平均叶面积显著增大c .生长状况虽然在85％的阴影度下观察到最大平均叶面积木荷叶片质量随遮荫程度的增加而下降。两种植物的NSC、可溶性糖和淀粉含量均随遮荫程度的增加而降低。然而那些在木荷幼苗NSC、可溶性糖和淀粉含量均高于遮荫不耐组c .矛尖形的．可溶性糖/淀粉的比例c .矛尖形的随遮荫程度的增加而降低，而美国的保持稳定。叶片C:N比随遮荫程度的增加而降低，N:P比增加;叶C:P在遮荫度为60%时最高c .生长状况和在40％的遮光度木荷．

结论

木荷更好地适应低光条件比c .生长状况通过扩大的叶面积和增加的碳水化合物储备，使植物应对低光应力。从混合种植园观点来看，建议植物木荷后来一度成为华盖c .生长状况发育良好，但有足够的阳光。

非结构性碳水化合物(NSCs，主要由可溶性糖和淀粉组成)是所有植物生长和代谢的重要能量来源[1那2］.可溶性糖是光合作用产品，用于满足植物电流要求和渗透调节[3.］.淀粉是能量储存的主要形式，用于满足植物未来的需求[1]. NSC反映了C-增益（光合作用）和C-损失（呼吸和生长）之间的关系[4.那5.］.当植物突然落叶，阴影和干旱造成时，NSCs用于持续期净碳平衡的周期[6.那7.那8.那9.那10］.因此，NSCs在植物抵抗外部不利环境胁迫中起着关键作用[2那6.]. 碳（C）、氮（N）和磷（P）是植物生长发育的基本元素。植物体内碳、氮、磷的浓度反映了植物对养分的吸收、利用效率和对环境胁迫的适应能力。氮含量越高，叶面积指数越高，光合作用持续时间越长，养分吸收越大[11］.磷影响植物光合作用吸收和生物量生产[12］.因此，光强度影响叶片的光合能力，NSC合成和叶C，N，P的含量。

在林冠下，光照强度在到达林下树苗和树苗的叶表面之前大大减弱[13那14］.因此，植物进化出了应对弱光条件的策略，如形态和生理可塑性，以及整个生命周期的代谢调整，特别是在早期阶段[15那16]. 在森林下层，遮荫尤其频繁，因此，分配到储藏室可能会提高耐荫性。一些研究预测，耐荫性更强的物种应具有更高的NSC浓度[6.］.以往的研究表明，可溶性糖和淀粉含量随遮荫程度下降[6.那7.]. 然而，Munns（1993）表明，可溶性糖和淀粉含量随着遮荫程度的增加而增加[17］.因此，不同光环境下的NSCs含量仍有争议，可能是种特异性的。遮荫不仅影响植物的光合能力，还影响固碳、固氮相关酶的活性，进而影响植物体内C、N含量[18］.磷涉及若干代谢过程，并影响植物中的生物质生产[19]. 因此，遮荫程度直接影响叶片中C:N:P的变化。近年来，一些研究已经测试了NSC的变化，即C:N:P化学计量比对不同生长条件的响应，如温度、干旱、CO₂浓度、氮沉降和磷添加[20.那21那22那23那24］.然而，很少有研究在NSCs和C：N：P化学计量方面解决了阴影对物种的影响。

因此，我们研究了不同遮荫程度对紫花苜蓿叶片形态、NSCs和C:N:P化学计量学的影响杉木纯林（羊肉。）钩子和木荷Gardn。& Champ -中国亚热带最重要的两种森林树种，用于建立混交林。c .生长状况，一种快速增长的高屈服的树，是中国最重要的种植园之一[25］.像其他单一种植，可持续性c .生长状况种植受到土壤退化、产量损失、生物多样性减少和缺乏自我更新的威胁[26那27那28那29那30.］.为了解决这个问题，木荷，一种阔叶树，越来越多地与c .生长状况站(26那27那31那32］.以前的研究表明C．披针形的是不耐荫的树，相反，木荷是耐荫树吗[26］.从单作人工林向阔叶-针叶林混合人工林的转变突出了研究光环境中管理相关变异下树木发育的必要性。因此，了解植物对光波动的形态和生理响应，有助于确定混种人工林造林后早期引种顺序。

本研究的目的是：1）研究耐荫和不耐荫树种叶片性状和NSC含量对不同遮荫水平的响应；2） 研究耐荫和不耐荫树种叶片C、N、P含量及C:N:P比值随遮荫程度的变化；3） 确定耐荫和不耐荫树种叶片NSC和C:N:P化学计量比之间的关系。我们假设（1）在耐荫条件下，弱光条件（遮荫）导致单位面积的叶面积较大，但单位面积的叶质量较小(木荷)比阴影 - 不宽容（C兰索拉塔）种，以便获取更多的光用于在低光环境光合作用 - 即所谓的碳增益设定，（2）的神经干细胞的浓度将是耐阴比遮阳不耐物种更高由于下木低碳增益而NSC储量以提高耐阴性需要;和（3）C：N：P化学计量遮荫水平变化，并且响应是物种特异性由于光合效率和营养吸收的差异。N：：P中的化学计量检验这些假设，我们通过改变光强度沿梯度以确定对叶形态性状，NSC含量和C的不同影响所进行的实验c .生长状况和木荷．同时研究了可溶性糖和淀粉含量以及叶片碳、氮、磷含量的变化。最后，我们寻找了叶片NSCs与C:N:P化学计量学之间的潜在关系及其对植物存活机制的联合作用。本研究将为两种植物在混合种植下的最佳光照条件的建立和生长提供有价值的见解。

叶片形态对遮荫的反应

叶片性状差异显著(P.< 0.05)1）.为了木荷，叶长度，宽度，和面积分别在85％遮光度是最大的。为了c .生长状况60%遮荫度下，叶长、叶宽、叶面积最大。两种植物单位面积叶质量与光照呈正相关。

NSCs含量对遮荫有响应

可溶性糖含量，NSC含量和可溶性糖/淀粉比在两种种类的所有阴影水平上变化显着变化（表2）.可溶性糖含量较高c .生长状况60%、40%和0%遮荫处理的幼苗比95%和85%遮荫处理的幼苗高，而60%、40%和0%遮荫处理的幼苗比95%和85%遮荫处理的幼苗高木荷遮荫度为40%和0%的幼苗比遮荫度为95、85和60%的幼苗暴露(图4)。1一种）。可溶性糖含量较高木荷比c .生长状况苗暴露于95和85％的遮光程度。淀粉含量较高木荷比c .生长状况在所有阴影水平上，在幼苗中观察到最高的淀粉含量，在两种物种中暴露于40％的阴影度（图。1b).叶片NSC含量较高木荷比在c .生长状况下的所有色光的水平，并在0，85和95％的阴影度显著更高，并且在这两个物种NSC含量为低于40％的阴影度（图1中的最高的。1c).可溶性糖与淀粉的比例较大c .生长状况比木荷在所有的阴影层(图。1d).不同遮荫水平的可溶性糖/淀粉比例无显著差异木荷．然而,c .生长状况0%遮荫处理的可溶性糖/淀粉比最高，60%和40%次之，95%和85%次之。

叶片C:N:P化学计量学对遮荫的响应

两种植物的叶片C、N和P含量以及C:N:P比率在遮荫水平之间存在显著差异。木荷表现出较高的叶C的含量比c .生长状况(无花果。2一种）。在这两个物种中，叶N含量，反之糖，NSC和淀粉含量降低其作为光减少，越来越倾向于随遮光程度。c .生长状况叶片N含量高于木荷(无花果。2b).与其他遮荫程度相比，两种植物叶片N含量均在95%遮荫程度下最高。叶片磷含量c .生长状况与无遮荫处理相比下降了70%(3.13±0.02 mg·g)⁻¹)至60%遮荫度(0.93±0.01 mg·g .⁻¹） （无花果。2c).叶片P含量木荷无遮荫处理和95%遮荫度均高于遮荫40、60和85%处理。c .生长状况叶片磷含量高于木荷(无花果。2C）。对于这两个物种，叶C：N比随遮光度（图降低。2D)，除了没有遮光处理。两种植物叶片N:P比值随遮荫程度的增加而增加(图2)。2e)、叶片N:P的比值木荷显著高于c .生长状况．叶C：的P比c .生长状况在遮光度为60%时达到最大值木荷在40%的阴影度下（图。2F）。木荷具有更大叶C：P比大于c .生长状况在所有遮阳程度下。

N：：神经干细胞含量和C，N，P含量和C之间的相关性P比

可溶性糖含量与氮含量和氮磷比呈显著负相关。可溶性糖含量与碳氮比呈显著正相关c .生长状况与C含量和C:N比值呈极显著正相关木荷(表2）.淀粉含量与氮含量呈显著负相关c .生长状况，且N、P含量较高木荷．淀粉含量与C:N比呈显著正相关c .生长状况与土壤碳含量、碳氮比、碳磷比呈正相关木荷。NSC含量与C含量呈正相关，C：N和C：P比率，而NSC与两种物种中的N含量和N：P比率呈负相关．可溶性糖淀粉比与C、P含量呈正相关，与N含量和N:P含量呈负相关C兰索拉塔。

叶片形态和结构的巨大变化反映了该器官的表型可塑性[33]. 因此，叶片特征常被用作植物适应潜力和适应机制的指标[34］.因为过度的光照对光合组织有不利的影响，在强光条件下，植物必须产生更小和更厚的叶片，每面积叶质量更高。这种形态可以散热，避免过热和高蒸腾率造成的损害[35那36］.相反，荫蔽的条件导致叶面积增加，厚度减少[26那37]，单位面积叶质量较低[38］.增加叶面积可以让植物获得更多的光来进行光合作用[13那39]并且因此是适应低光环境[36］.在这项研究中，我们在85％遮光度观察得大叶面积木荷并低于60％的阴影度c .生长状况．我们的发现与以前的研究一致Elaeagnus angustifolia叶片在高光照强度下变小变厚[36］.

此外，每单位面积的叶重（LMA）与在这两个物种增加浓淡度降低。在与我们的结果一致，海芋macrorrhiza显示同样的适应性(更大更薄的叶子)，以优化在低光可用性下的光合效率[40］.遮光也导致LMA更大Citharexylum那树参属那Fraxinus那Quercus,玉兰[41］.有趣的是，我们的研究揭示了平均叶面积对遮荫程度增加的响应在物种间的差异。其中，平均叶面积在遮荫度为60%时最大c .生长状况，但在85％的阴影度下木荷．这些特征增强了…的能力木荷忍受弱光条件(阴影)与c .生长状况，这与之前的一项研究一致[42]. 我们的发现符合碳增益假说，即耐荫幼苗的叶面积高于不耐荫幼苗[43，并暗示这一点木荷较适应遮荫。

c .生长状况已证明，幼苗可以通过调整形态特征来适应荫蔽条件[44］.然而，在极端遮荫(95%遮荫度)条件下，幼苗难以维持C平衡，导致生长和成活率下降。弱光下负碳及相关的NSCs平衡问题是植物面临的普遍问题。例如，一项研究红松和蒙古栎证明弱光诱导幼苗碳水化合物缺乏，因此幼苗死亡率高，在1%光强下无存活[6.］.同样地，在阴影非常大的情况下，槲栎幼苗难以保持C平衡，因此经历了死亡率[45］.为克服在弱光下缺乏能量来源的问题，植物储存NSCs以促进生长和存活[6.那7.那24那38］.结果表明，遮荫度为40%时，两种植物的可溶性糖、淀粉和NSC含量均显著升高。一旦在弱光强度下，这三个变量都降低了，可能是由于幼苗利用其能量储备来生长，也由于光照限制而降低了碳固定。

耐荫的品种应具有较高的神经干细胞浓度的余荫，不耐品种[7.，因为林下碳增重较低，需要NSC储备来提高耐阴性。其他研究还发现，耐阴物种往往有更大的NSC储备。例如，棕榈树的幼苗袖珍椰子(耐阴种)幼苗NSC含量高于Chrysalidocarpus lutescens（阴影 - 不宽容物种）[46那47];以及耐阴的物种糖槭幼苗具有更高NSC浓度高于幼苗中间光苛刻的桦木属alleghaniensis[48］.在我们的研究中，幼苗耐阴木荷NSC含量高于遮荫不耐c .矛尖形的，尤其是在低光照条件下。这一结果表明，木荷树苗在遮荫条件下具有优势，而且可以灵活地适应大范围的遮荫水平。就机制而言，暴露在高光强下会导致C的增益大于需求，从而导致NSCs的储存[38那49］.一旦光成为一种有限资源，植物就会动员NSCs来支持生长和生存[50］.在85%遮荫条件下，生长量、生长量和生长量均显著增加木荷比其他遮光处理相当大的差异（数据未示出）。研究结果支持了我们的假设木荷产生低光条件下比多的神经干细胞c .生长状况．这一发现与之前的一项研究一致，该研究表明，耐阴物种比不耐阴物种具有更高的NSCs含量[7.］.

遗传和环境因素都会影响植物的养分吸收，这一点可以从种间差异以及不同生境下种内差异中看出[51］.在我们的研究中，木荷和c .生长状况在不同遮荫程度下，光合作用产生C，对N和P的吸收不同，为平衡营养代谢和适应环境胁迫提供了物种特有的策略。在中等遮荫条件下(40-60%至全光有效)，两种植物的C含量较高，可能是由于光合效率较高，导致有机质合成和C积累增加。重要的是C的含量在木荷比在c .生长状况．鉴于以往的研究联系起来较高C含量有更大的光合效率和抵御不良环境[52我们的研究结果意味着木荷更好地适应低光条件比c .生长状况．我们的结果与之前的研究一致，表明耐阴植物比不耐阴植物有更高的NSCs积累和C库[7.那24这是因为它们的光合作用机制在弱光条件下更有效，比那些不适应弱光环境的植物储存更多的C。无遮荫处理和95%遮荫处理下，两种植物的P和N含量均较高。这些结果支持了遮荫的适应策略可能是物种特有的。磷和氮是植物生长发育所必需的宏观元素，参与许多代谢过程，如光合磷酸化、ATP的产生、磷酸三糖和1,5 -二磷酸核酮糖的生产和输出再生以及氨基酸的合成[53］.这一结果是在阳光充足的情况下，在强光合作用下的旺盛生长，导致对蛋白质和核酸的需求增加。相反，在低光强下，两种植物的幼苗可能会利用更多的氮资源合成捕光蛋白。本研究进一步证明，两种植物NSC含量与N含量和N:P比例呈负相关，而NSC与C:N比例呈正相关c .生长状况与C含量和C:N比木荷。先前的研究证实了我们的发现，即在弱光条件下生长的植物会增加叶片中的氮含量，并将更多的氮分配给光合色素。我们观察到叶绿素a含量较高木荷比在c .生长状况(数据没有显示)。由于防止光损伤，这种策略提高了光的利用效率，并维持正常的光合功能[54］.调查结果轻信我们的结果C：N：P化学计量遮荫的变化而变化可能是种属特异性。作为一个整体，发现对于建立和维护更大的寓意混种站立。木荷较好地适应低光强(耐阴)，因此建议种植木荷后来一度成为华盖c .生长状况十分发达，但允许足够的阳光（高达40％）。相反，密集的细化代表的c .生长状况为了让足够的光线达到林分来建议加快自然再生和随后的生长木荷．

结果表明，遮荫显著影响了植物叶片形态、NSC含量和C、N、P化学计量特征c .生长状况和耐受抗菌种类木荷幼苗。总体而言，两种植物的NSC、可溶性糖和淀粉含量均随遮荫程度的增加而降低。然而,木荷含有更高的NSC内容c .矛尖形的，尤其是在低光照条件下。这些结果意味着光合作用效率下降c .生长状况随着遮荫的增加，碳水化合物的储存对在持续遮荫环境中再生的物种尤为重要。叶片NSC各变量与C、N、P含量及C:N:P比值呈极显著正相关c .矛尖形的和木荷．光合作用产品的动态折磨可能存在于叶NSC和C：N：P的化学计量之间。我们的结果改善了对耐湿剂和阴影 - 不宽容植物中叶C，N，P组分和NSCs内容物的平衡的理解。此外，该研究结果对建立混合物种展台具有更大的含义。作为木荷较好地适应弱光条件(耐阴)，建议种植木荷后来一度成为华盖c .生长状况很开发，但允许足够的阳光（高达40％的透光率）。相反，在密集的摊位c .生长状况，为了让足够的光线照射到林下植被，建议间伐，以加速林下植被的自然更新和随后的生长木荷我们观察到更好的增长木荷在弱光条件下。

实验设计与处理

盆栽试验在福建农林大学平坦开阔的场地进行。创建了5个遮光级别，即0%(对照，无遮光)、40%遮光(60%辐照度)、60%遮光(40%辐照度)、85%遮光(15%辐照度)、95%遮光(5%辐照度)。每个遮光度使用覆盖不同网眼尺寸的黑色尼龙遮光布的框架创建(0%遮光不使用遮光布)[55］.The frames were 2.0 m high, 6.0 m × 2.5 m in length and width, and were placed parallel to the sun’s daily track to minimize spatiotemporal variation in solar radiation. The light intensity in each shading degree treatment was measured with two light meters (Hipoint HP350, Taiwan, China, and Red/Far-red Sensor, Skye Instruments Ltd., UK) during clear day (see Appendix S1）.

七月2016年，c .生长状况和木荷幼苗在漳平五一林场，福建，中国一个容器育苗购买。P.urchased seedlings were transplanted to pots containing a mixture of peat soil and vermiculite (2:1 w/w) and were grown for 1 month in a greenhouse at the experimental site. Fertilizer was not added during the experiment period. In August 2016, well-developed seedlings of uniform height (c .生长状况: 18.49 ± 1.97 厘米木荷: 27.40±1.19 cm)，随机分为5组。每组每种苗4株，按不同遮荫程度进行处理。每个苗盆进行重复处理，随机放置，确保每个苗盆获得相似的光照，不相互遮荫。花盆每周旋转一次，以确保条件均匀。定期清除试验地杂草，每周浇水2-3次。

叶形态学测量

所有植物在指定的遮荫水平下保持1年。为了估计平均叶面积，从同一盆中同等高度的幼苗中随机采集10片健康且完全展开的绿叶。为了保持叶片新鲜，将叶片样品置于冰中，并立即送往实验室进行进一步分析。单叶面积（cm）²)用便携式叶面积计（雅新-1241，中国上海）测定。然后将叶子单独放在纸袋中，并烘干30分钟 105分钟 °C，之后至少24 h在80岁 摄氏度。达到恒定干质量后，测定每片叶子的干质量。单位面积叶质量（LMA，mg·cm）⁻²)的计算方法为每片叶片的烘箱干燥质量除以相应的面积。

测量nsc

在2017年八月在实验结束时，叶随机从所有遮荫处理，用蒸馏水清洗这两个物种的苗收集和接地粉末。0.2 g of the ground sample were mixed with 5 mL of distilled water in a test tube. After 30 min in a boiling water bath, the supernatant was collected. This process was repeated twice to ensure complete sugar extraction. The two extracts were collected in a centrifuge tube and distilled water was then added to achieve a 25 mL constant volume. Thereafter, sediments from the soluble sugar extraction were dried and then the perchloric acid was added to extract starch. Soluble sugar and starch contents were determined using the anthrone colorimetric method. Absorbance at 630 nm was measured to calculate soluble sugar and starch contents according to the glucose standard curve. Non-structural carbohydrates content was calculated as the sum of soluble sugar and starch content. The analysis was replicated four times per treatment.

叶片C, N, P的测量值

实验结束时，收集相同处理下相同复制苗的所有叶片，研磨成均匀的细粉，筛1 mm目后进行化学分析。总C、N含量(mg·g⁻¹初等，德国）;，基于干重）经使用元素分析仪（VARIO MAX CN干烧测量。全磷浓度（mg·L⁻¹)，用ICP-OES (Optima 8000, PerkinElmer)测定₂所以_4.-HClO_4.溶液的消化和稀释。转化为mg·g后⁻¹中，C：N，C：P和N：P比计算为含有比率。所有化学分析均每复制光治疗和物种的四倍。

统计分析

单向ANOVA对每个种类进行单独测试遮光上叶形态，神经干细胞含量，和C，N，P的含量，和C的效果显著：N：P化学计量。进行Pearson相关分析来检验的NSCs内容之间的关系，并且C，N，P含量和C：N：P比。数据表示为平均值±SE对不同色光治疗和物种。统计显着性设定为ATP.< 0.05。所有统计分析均在SPSS 20.0 for Windows (SPSS Inc.， Chicago, IL, USA)中进行。

数据作为补充材料提供。

国家安全委员会:

非结构性碳水化合物

C：

碳

护士:

氮

病人:

磷

LMA:

每单位面积的叶重

噢,

叶片长度

LW：

叶宽度

LS：

叶大小

我们要感谢Editage [http://online.editage.cn/]以供英文编辑之用。

国家自然科学基金项目(no . 31670714, no . 31570448)。该基金为研究项目提供了资金支持，但不涉及项目设计、数据收集、分析或手稿准备。瑞典农业科学大学提供的开放获取基金。

从属关系

1. 林学院，福建农林大学，福州，350002福建，中国人民共和国

   刘青青，黄志军，王正宁，陈艳芳，温竹梅，刘博，提加布

2. 福建省高校人工林可持续经营工程技术研究中心，福建福州350002

   刘青青，黄志军，王正宁，陈艳芳，温竹梅，刘博

3. 瑞典农业科学大学森林科学学院，瑞典南部森林研究中心，瑞典阿尔纳普，邮政信箱49,SE-230 53

   Mulualem Tigabu

贡献

BL构思了这项研究。BL和QQL设计了实验。QQL、ZJH、YFC和ZMW进行了实验。QQL和BL分析了数据。QQL、BL和MT撰写了手稿。所有作者都阅读并批准了最终手稿。

通讯作者

对应于Bo刘或Mulualem Tigabu．

伦理批准和同意参与

不适用。

同意出版物

不适用。

利益争夺

作者声明他们没有相互竞争的利益。

出版商的注意

Springer Nature在发表地图和机构附属机构中的司法管辖权索赔方面仍然是中立的。

开放获取本文是基于知识共享署名4.0国际许可,允许使用、共享、适应、分布和繁殖在任何媒介或格式,只要你给予适当的信贷原始作者(年代)和来源,提供一个链接到创作共用许可证,并指出如果变化。本文中的图像或其他第三方材料都包含在本文的知识共享许可中，除非在该材料的信用额度中另有说明。如果资料不包括在文章的知识共享许可协议中，并且你的预期用途没有被法律规定允许或超过允许用途，你将需要直接从版权所有者获得许可。如欲查阅本许可证副本，请浏览http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/．创作共用及公共领域专用豁免书(http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/）适用于本文中提供的数据，除非另有用入数据的信用额度。

重印和许可