自然群体小叶杨叶绿素荧光表型变异分析.pdf

DOI:10.12171/j.10001522.20230030自然群体小叶杨叶绿素荧光表型变异分析周子杨1卜琛皞2宋跃朋2张德强2张晓宇1（1.北京林业大学理学院，北京100083；2.北京林业大学生物科学与技术学院，北京100083）摘要:【目的】通过对我国小叶杨叶绿素荧光表型的分析，多角度展示小叶杨叶绿素荧光表型的多样性，为相关的光合遗传机制的探究奠定基础。【方法】针对我国小叶杨叶绿素荧光参数的表型数据，通过聚类分析、表型可塑性和变异系数计算、动态拟合等方法来探究其变化规律。【结果】（1）在静态光照强度下（同一光强）对小叶杨 4 类荧光表型进行 k 均值聚类，最优聚类数目受光照强度影响显著。不同类别下，所研究的经过光系统的电子传递速率（ETR）、PS实际的光量子产量（Yield）、光化学猝灭系数（qP）、非光化学猝灭系数（qN）4 个叶绿素荧光参数具有显著差异。（2）4 个小叶杨荧光参数的表型可塑性指数和变异系数的计算结果显示：所选小叶杨群体在可变环境下具有丰富的表型可塑性，随光照强度的逐渐增强，ETR、Yield、qP 的表型可塑性呈现出先减后增再减的整体变化趋势，而 qN 的表型可塑性整体呈下降趋势，这可能与各表型内部的遗传控制有关，也反映了不同表型对梯度光强的不同响应程度；ETR、Yield、qP 的变异系数随光照强度的增加呈现出先下降后上升的趋势。qN 的变异系数随光照强度的增加而逐渐减小，当光照强度达最大值时，所有类别样本的变异系数均小于 0.1。（3）梯度光照强度下，小叶杨叶绿素荧光表型经聚类后可划分为 2 个大类，经生长方程拟合后可发现，不同类别样本的表型变异速率和最大（最小）值差别明显。【结论】小叶杨叶绿素荧光表型变异丰富，受光照强度的影响显著。通过聚类分析、表型可塑性及变异系数计算和生长方程拟合等方法可以有效地探究小叶杨叶绿素荧光表型的变化规律，为小叶杨遗传分析、光合作用机制挖掘奠定了基础，对小叶杨的培育提供了科学指导。关键词：小叶杨；叶绿素荧光表型；聚类分析；表型可塑性；变异系数；生长方程；拟合分析中图分类号：S792.11文献标志码：A文章编号：10001522(2024)04005211引文格式：周子杨，卜琛皞，宋跃朋，等.自然群体小叶杨叶绿素荧光表型变异分析 J.北京林业大学学报，2024，46(4)：5262.ZhouZiyang,BuChenhao,SongYuepeng,etal.ChlorophyllfluorescencephenotypicvariationinnaturalpopulationsofPopulus simoniiJ.JournalofBeijingForestryUniversity,2024,46(4):5262.Chlorophyll fluorescence phenotypic variation in naturalpopulations of Populus simoniiZhouZiyang1BuChenhao2SongYuepeng2ZhangDeqiang2ZhangXiaoyu1(1.SchoolofScience,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China;2.SchoolofBiologicalSciencesandBiotechnology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)Abstract:ObjectiveThroughtheanalysisofchlorophyllfluorescencephenotypesofPopulus simoniiinChina,wecandisplaythediversityofchlorophyllfluorescencephenotypesinP.simoniifrommultipleangles,laying a foundation for the exploration of related photosynthetic genetic mechanism.MethodAccordingtothephenotypicdataofchlorophyllfluorescenceparametersofP.simoniiinChina,thevariationlawwasexploredbyclusteranalysis,phenotypicplasticityindexandcoefficientofvariationcalculation,dynamicfittinganalysisandothermethods.Result(1)Ataconstantlightintensity(samelightintensity),kmeansclusteringwasappliedtofourchlorophyllfluorescencephenotypesofP.simonii,theoptimalnumberofclusterswassignificantlyinfluencedbylightintensity.Fourtypesoffluorescent收稿日期:20230209修回日期:20230305基金项目:国家自然科学基金项目（32070601）。第一作者:周子杨。主要研究方向：统计学。Email：地址：100083北京市海淀区清华东路 35 号北京林业大学理学院。责任作者:张晓宇，教授。主要研究方向：统计学。Email：地址：同上。本刊网址:http:/；http:/第46卷第4期北京林业大学学报Vol.46，No.42024年4月JOURNALOFBEIJINGFORESTRYUNIVERSITYApr.，2024phenotypesofP.simonii:theelectrontransferrate(ETR)throughphotosyntheticsystem(PS),theactuallightquantumyield(Yield),photochemicalquenchingcoefficient(qP),non-photochemicalquenchingcoefficient(qN)exhibitedsignificantdifferencesindifferentcategories.(2)ThecalculationresultsofthephenotypicplasticityindexandcoefficientofvariationofthefourfluorescenceparametersofP.simoniishowedthattheselectedpopulationhadrichphenotypicplasticityunderchangeableresources,asthelightintensitygraduallyincreased,thephenotypicplasticityindexofETR,YieldandqNshowedanoveralltrendof decreasing first,then increasing and then decreasing,while the phenotypic plasticity index of qNpresentedadecreasingtrendinthewholeprocess.Thisphenomenonmightberelatedtothegeneticcontrolwithineachphenotype,andalsoreflectedthedifferentdegreeofresponseofdifferentphenotypestogradientlightintensities;thecoefficientofvariationofETR,YieldandqPshowedatrendofdecreasinginitiallyandthenrisingwiththeincreaseoflightintensity;thecoefficientofvariationofqNgraduallydecreasedwiththeincreaseoflightintensity,whenthelightintensityreachedthemaximumvalue,thecoefficientofvariationofallkindsofsampleswerelessthan0.1.(3)ChlorophyllfluorescencephenotypesofP.simoniiunderdifferentgradient(dynamic)lightintensitiescanbedividedintotwocategoriesafterclustering.Afterfittingwiththegrowthequation,itcanbefoundthatthephenotypicvariationrateandthemaximum(minimum)value of different categories of samples have significant differences.Conclusion ChlorophyllfluorescencephenotypesofP.simoniivarywidelyandaresignificantlyaffectedbylightintensity.Throughmethods,suchasclusteranalysis,phenotypicplasticityandcoefficientofvariationcalculationandgrowthequationfitting,wecanexplorethechangingruleofchlorophyllfluorescencephenotypeseffectively,layafoundation for genetic analysis and photosynthesis mechanism,and provide scientific guidance for thecultivationofP.simonii.Key words:Populus simonii;chlorophyll fluorescence phenotypephotosynthetic trait;cluster analysis;phenotypicplasticityindex(PPI);coefficientofvariation(CV);growthequation;fittinganalysis光合作用是绿色植物、藻类和蓝藻利用光能将水和二氧化碳转化为有机物的过程，对整个生态系统具有重大影响。近年来，光合作用的有关研究持续进行着：不同海拔、气候、物质浓度下展现出的光合有效辐射1、生理特性24与抗逆特性5逐步实现了科学量化；光合作用在时序特征下的差异被进一步探索6；胁迫影响等实验的进行7和荧光碳点调节等技术的开发为光合作用的调节提供了方向8；多样本甚至多物种间的光合竞争与合作的互作研究正在进行9；光合作用的遗传效应和遗传差异分析进入了新的发展阶段1012。但由于光合作用过程及其遗传机制的复杂性，光合作用的许多方面需要进一步地探究和验证。其中，光合表型变异的变异分析是其中重要且亟待探索的一个重要部分13。小叶杨（Populus simonii）是我国特有的杨属（Populus）青杨派树种，广泛分布于我国北方地区，具有耐干旱、耐瘠薄、综合抗性强等特点，是构建我国三北防护林的主要树种之一，发挥着重要的生态和环境保护作用，具有较高的环境、生态和经济价值1415。叶绿素荧光参数可表征植物光合系统的变化，而光合系统处于整个光合作用过程的最上游，研究叶绿素荧光参数的变化规律对于探索光合作用的过程意义重大。叶绿素荧光表型是一类重要的光合表型。近年来，对于小叶杨叶绿素荧光表型的测定技术日渐成熟，通过叶绿素荧光技术可以测定小叶杨光合作用过程中所有的相关表型。但目前对于小叶杨的研究主要集中在 2 方面：一是对其生理特性，特别是耐旱性、逆境胁迫等方面的分析1517；二是对其遗传多样性、群体结构分化的研究1820，而对于小叶杨光合表型在可变环境下多样性的深入研究较少，因此对于小叶杨光合表型变异的进一步研究意义重大。虽然光合作用在植物体内是复杂的机制，但光合作用在自然状态下对光的反应也特别敏感，例如对太阳的高度、云层的厚度的反应都很敏感。为进一步探究小叶杨光合作用相关的叶绿素荧光表型内在关联和随梯度光照强度变化的多样性，本文针对一组小叶杨的 12 组光照条件下 4 个叶绿素荧光参数进行研究，通过聚类分析、表型可塑性及变异系数分析、拟合分析等多种数据分析方法揭示小叶杨光合相关表型的变异机制，为进一步解析光合作用机第4期周子杨等：自然群体小叶杨叶绿素荧光表型变异分析53理，优化小叶杨培育过程提供理论参考。1材料与方法1.1 样品收集与整理2015 年 12 月2016 年 1 月，本研究团队在小叶杨的自然分布区进行了枝条采集，收集范围覆盖了我国北部的北京、河北、河南、陕西、宁夏和青海（表 1）。取样后的枝条在山东聊城冠县（3623N，11547E）低温层积沙藏，第 2 年进行扦插扩繁。表1小叶杨采集地地理位置分布情况Tab.1GeographicaldistributionofcollectionsitesforPopulus simonii地区District北京Beijing河北Hebei河南Henan陕西Shaanxi宁夏Ningxia青海Qinghai样本数目Numberofsample21119396101.2 研究方法样本成活后，研究团队选择 87 株长势良好、性状优良的小叶杨利用叶绿素荧光仪（PAM-2100）进行叶绿素荧光表型相关参数的测量工作。该仪器利用强度逐渐增强的激发光照射叶片，测量每次激发光照射后激活的叶绿素荧光表型。研究团队通过预实验确定将样本群体光饱和测量过程划分为 12 组光照梯度进行。正式测定开始前，团队对待测量叶片进行了充分的暗适应（15min），并将仪器激发光的初始值设置为 0，仪器激发光的梯度设置为 12 组。由于仪器自身限制，不能保证激发光是严格均匀增加的，每组激发光照射全体样本后，记录每台仪器激发光的实际数值，并取全体样本该次实际受到的激发光数值的平均值作为该组光照强度值，最终得到 12 组逐渐增强的光照强度，依次记为 L1（2.72mol/（m2s）、L2（5.14mol/（m2s）、L3（9.71mol/（m2s）、L4（18.34 mol/（m2s）、L5（34.66 mol/（m2s）、L6（65.48mol/（m2s）、L7（123.74mol/（m2s）、L8（233.82mol/（m2s）、L9（441.82mol/（m2s）、L10（834.87mol/（m2s）、L11（1577.56mol/（m2s）、L12（2980.96mol/（m2s）。光合性状的测定选择阳光充足的上午（09:0011:00）进行，使用 PAM2100 便携式调制叶绿素荧光仪同时测量和记录本实验中 4 类叶绿素荧光参数，具体包括：经过光系统的电子传递速率（ETR）、光系统的实际光电子产量（Yield）、光化学猝灭系数（qP）、非光化学猝灭系数（qN）。为获取精确的光合相关性状数值，选取距离枝条顶端的第 6 片叶进行测量，每个叶片测量 3 次作为技术重复，对每一无性系选取长势良好且相近的 3 株样本进行测量作为生物学重复。1.3 数据处理与分析以单株测定数据对在 12 组梯度光照强度下的4 个叶绿素荧光参数进行统计分析。在统计分析前，对原始数据进行了异常值检测及剔除，运用 R 语言统计函数及散点图对各表型样本数据进行筛查，删除极端值与异常值；同时应用模型预测的方法对缺失值做填补处理。本研究应用 R 语言的 k 均值聚类函数对 12 组梯度光照强度下的研究数据进行聚类分析，聚类个数由剪影评分法确定。同时，为进一步量化梯度光线强度下不同类别的样本数据差异性，本文以类别作为单因素，对聚类样本数据进行了单因素方差分析，通过 R 语言中的 aov 函数计算出各表型的 p 值，以量化类间差异的显著程度。计算聚类后各类别样本在 12 组梯度光照强度下的表型可塑性指数（phenotypicplasticityindex，PPI），其数值由公式（1）确定2122，取值范围为 0,1；同时计算各类别样本的变异系数（coefficientofvariation，CV），其数值由公式（2）确定。PPI=YmaxYminYmax(1)YmaxYminPPI=0PPI=1式中：表示该表型在该环境下的最大均值，表示该表型在该环境的最小均值。时表示该表型没有可塑性，当时表明该表型具有最大的可塑性。CV=YY100%(2)YY式中：表示该表型的标准偏差，表示该表型的平均值。基于常见的 4 类经典生长方程：Gompertz 生长方程（公式 3）、Logistic 生长方程（公式 4）、Korf生长方程（公式 5）和Weibull 生长方程（公式 6），本研究利用最小二乘法计算对聚类后梯度光照强度下各类别样本的拟合参数，以残差平方和函数为最优函数，采用拟牛顿算法求解各个参数的最优值。从而对不同表型的样本均值进行预测。分析得到各类别小叶杨叶绿素荧光表型在梯度光照强度下的变化规律。y=Keaebl(3)y=K1+aebl(4)y=Kealb(5)y=K(1e(la)b)(6)54北京林业大学学报第46卷式中：y 表示各表型的值，l 表示实际光照强度的对数值，K 为环境容纳量，a 为最大生长速率，b 为性状参数。2结果与分析2.1 小叶杨群体在梯度光照强度下的表型聚类分析聚类结果（图 1）显示：随着光照强度的逐渐增加，小叶杨个体的聚类数目呈增加趋势。在光照强度123.74mol/（m2s）时，最优聚类数目稳定在 24 类，且各类别中的样本保持相对稳定（图 1）；当光照强度123.74mol/（m2s）后，聚类数目显著增加；当光照强度=233.82mol/（m2s）时，最优聚类数目达到最大值 6。108根据剪影评分法，来分析小叶杨样本数据在静态的光照强度下不同类别间的表型均值差异，以在光照强度 L1 下的分类结果为例。表 2 显示：不同类别样本 qN 均值相差很大，第 1 类样本 qN 的均值是第 4 类样本的约倍，ETR 在不同类别下的均值最大相差约 3 倍。然而，Yield 和 qP 在不同类别间的均值则相对较为接近。当光照强度逐渐增加时，各类别表型均值差异呈缩小的趋势，当光照强度增至L7 后（123.74mol/（m2s），不同类别间各个表型均值的波动幅度均稳定在 2 倍以内。分组箱线图更加直观、具体地展示了梯度光照强度下不同类别样本各表型值的差别，其中矩形的上下边界分别表示该表型在特定类别表型值的上下四分位点，矩形间的黑色横线则表示该类别样本的表型均值。当表型值相对较大时，从图 2 中可以清晰地看出各类别样本在梯度光强下在表型分布范围、表型均值等方面的差异。但当表型值相对较小时，由于其与较大表型值数量级差异悬殊，图 2 难以清晰地表现在这种情况下各类别样本数据的差异。表 3 显示：不同类别间每个样本的小叶杨表型值差异明显的比例较高，在所实行的 48 组单因素方差分析中，有 28 组单因素方差分析的 p 值小于 0.1，说明所对应表型的类间差别显著。这个结果一方面印证了上述聚类分析的合理性，另一方面，梯度光强下样本的不同分类结果和不同的差异程度也说明了光照强度对于所研究的 4 类表型具有较大的影响，可以推测内部的遗传调控机制可能受光照强度影响，与小叶杨个体的基因表达有着密切关联，且在个体表型差异中发挥重要作用，这为进一步挖掘小叶杨光合遗传网络提供了分析基础。2.2 小叶杨叶绿素荧光参数的表型可塑性和变异系数分析为近一步量化小叶杨光合表型的变异情况，本研究在聚类分析的基础上计算了梯度光照强度下各组小叶杨的表型可塑性指数和变异系数。表型可塑性，是指一个基因型对不同环境条件产生不同表型的现象和能力，也被认为是一个基因型在环境作用1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556575859606162636465666768697071727374757677787980818283848586872024664202主成分 1 Dim 1(46.5%)主成分 2 Dim 2(30.3%)类别Cluster类别Cluster类别Cluster类别Cluster类别Cluster类别Cluster类别Cluster类别Cluster类别Cluster类别Cluster类别Cluster类别Cluster1234 L1 1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556575859606162636465666768697071727374757677787980818283848586872.502.55.05.02.50主成分 1 Dim 1(44%)主成分 2 Dim 2(31%)123L2123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445 4647484950515253545556575859606162636465666768697071727374757677787980818283848586875.02.502.52.502.55.0主成分 1 Dim1(41%)主成分 2 Dim 2(29.8%)123L3123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687202420246主成分 1 Dim 1(38.7%)主成分 2 Dim 2(26%)12L4123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475 76777879808182838485868721012202主成分 1 Dim 1(47.8%)主成分 2 Dim 2(22.4%)1234L51234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556575859606162636465666768697071727374757677787980818283848586872101232024主成分 1 Dim 1(66.3%)主成分 2 Dim 2(18.5%)12L6123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687210122.502.55.0主成分 1 Dim 1(76.9%)主成分 2 Dim 2(17.1%)12L712345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061626364656667686970717273747576777879808182838485868721012024主成分 1 Dim 1(80.2%)主成分 2 Dim2(16.7%)123456L812345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061626364656667686970717273747576777879808182838485868721012.502.55.0主成分 1 Dim 1(81.1%)主成分 2 Dim 2(16.8%)1234L9123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687210142024主成分 1 Dim1(81.2%)主成分 2 Dim 2(17.4%)1234L10123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687210122.502.5主成分 1 Dim1(80.7%)主成分 2 Dim 2(18.2%)12345L11123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051 525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687210125.02.502.5主成分 1 Dim 1(78.3%)主成分 2 Dim 2(19%)123L12L1.2.72mol/（m2s）；L2.5.14mol/（m2s）；L3.9.71mol/（m2s）；L4.18.34mol/（m2s）；L5.34.66mol/（m2s）；L6.65.48mol/（m2s）；L7.123.74mol/（m2s）；L8.233.82mol/（m2s）；L9.441.82mol/（m2s）；L10.834.87mol/（m2s）；L11.1577.56mol/（m2s）；L12.2980.96mol/（m2s）。下同。Thesamebelow.图1梯度光照强度下小叶杨样本的表型聚类结果Fig.1PhenotypicclusteringresultsofPopulus simoniisamplesunderdifferentlightintensities第4期周子杨等：自然群体小叶杨叶绿素荧光表型变异分析55表2梯度光照强度下聚类均值统计表Tab.2Statisticaltableofmeanvalueinclusterresultsundergradientlightintensities光照强度组Groupoflightintensity类别ClusterETRYieldqPqNL1CL10.610.750.953.13104CL20.450.720.913.99105CL30.290.760.941.40105CL40.681.041.062.801012L2CL11.230.730.933.20103CL20.640.730.923.50104CL30.910.720.915.70104L3CL12.350.700.911.50102CL21.380.700.904.70103CL31.850.690.905.00103L4CL13.910.660.883.10102CL23.040.660.883.70102L5CL18.320.630.870.12CL25.760.610.840.13CL37.510.620.859.40102CL46.780.620.840.12L6CL114.800.580.820.21CL212.940.550.780.29L7CL127.360.530.770.35CL223.540.460.710.46L8CL142.760.420.660.54CL237.800.370.590.57CL349.150.470.710.43CL440.240.400.630.58CL545.700.440.690.51CL632.600.330.540.63L9CL167.100.350.570.61CL246.170.250.430.70CL377.320.390.610.53CL457.720.300.510.67L10CL177.100.230.400.73CL291.230.260.450.68CL3107.700.310.500.60CL460.170.180.330.73L11CL188.390.140.260.76CL2105.050.170.300.72CL3142.010.230.380.67CL468.250.110.210.76CL5122.470.200.340.69L12CL180.096.301020.120.79CL2111.018.901020.160.76CL3142.360.120.210.72注：ETR.电子传递效率；Yield.光电子传递效率；qP.光化学猝灭系数；qN.非光化学猝灭系数。下同。Notes:ETR,electrontransferrate;Yield,theactuallightquantumyield;qP,photochemicalquenchingcoefficient;qN,non-photochemicalquenchingcoefficient.Thesamebelow.56北京林业大学学报第46卷下能表达的表型范围，是生物变异和进化的重要特性2123。表型可塑性的评估方式有很多2223，本文选用 2 种分别基于最大和最小均值的表型可塑性指标的表型可塑性指数，其计算方法如式（1）所示。本文中，12 组梯度光照强度可以被视为 12 种不同的环境条件，表型可塑性指数在梯度光强下的变化趋势可以在一定程度上反映其内在调控机制受光照强度变化的影响。图 3 显示：4 类表型在第 1 组光照强度下的表型可塑性指数均相对较高，这可能与小叶杨由暗环境进入光环境的瞬时变化有关，在该过程中小叶杨自身调节功能较强，呈现出了较高的表型可塑性；当光照强度继续增加时，小叶杨逐渐适应光环境，各表型的表型可塑性指数逐渐降低，并逐渐达到最小值；此后，随着光照强度的进一步增加，ETR、qP、qN 的表型可塑性指数开始提升，其内部调控机制可能在较高光照强度下效应明显，且该机制对于较高光强的敏感度也较高；与其他 3 类表型不同，qN 在光照强度较低时具有更高的表型可塑性指数，然而随光照强度的增加，其表型可塑性指数整体呈下降趋势。变异系数是评估数据变异程度的相对统计量，可以用于评估表型的差异性和异质性。图 4 所示的050100150200L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10L11L12光照强度组 Light intensity groupETR0.30.60.91.2L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10L11L12光照强度组 Light intensity groupqP00.30.60.91.2L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10L11L12光照强度组 Light intensity groupYield00.250.500.751.00L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10L11L12光照强度组 Light intensity groupqNCL1CL2CL3CL4CL5CL6图2梯度光照强度下不同表型值的分组箱线图Fig.2Thegroupboxplotofthevaluewithdifferentphenotypesundergradientlightintensities表3梯度光照强度下基于聚类结果的 p 值统计表Tab.3Statisticaltableofp-valuebasedonclusterresultsunderdifferentlightintensities表型PhenotypeETRYieldqPqNL15.8110122.091046.571022.36102L27.671021.761015.501025.10102L31.931014.781011.441017.97102L4 2.0010165.381018.891014.16101L51.211046.381016.321039.68101L6 2.0010161.591087.301067.08105L7 2.001016 2.0010162.3210112.33107L83.681013.361014.041015.32101L91.231018.381024.701023.50101L107.331016.351012.671012.22102L113.391033.571034.371031.14102L12 2.001016 2.001016 2.0010161.56105第4期周子杨等：自然群体小叶杨叶绿素荧光表型变异分析57小提琴图不仅直观地展示了 4 类叶绿素荧光表型变异系数随光照强度变化的趋势，还能反映特定光照强度下各类别间变异系数的差别。ETR、Yield、qP表型变异系数遵循先降低后增加的总体规律，ETR的变异系数最大值在第 1 组光照强度下取得，而Yield 和 qP 变异系数的最大值在最大光强处取得。qN 的变异系数变化范围最大，几乎是其他 3 类表型变异系数变化幅度的 10 倍。与其他表型的变化趋势不同，qN 的变异系数随光照强度的增加而逐渐降低。2.3 梯度光照强度下小叶杨叶绿素荧光参数的聚类及动态拟合本研究对静态光照强度下 ETR、Yield、qP、qN的表型变异情况与变异规律进行了探索（图 3，图 4）。小叶杨的各类叶绿素荧光表型随着光照强度的变化呈现出了“S 型”变化的规律，而新陈代谢和系统生物学等领域的理论已经印证了生物生长发育过程中表型异速生长的普适性，Gompertz、Logistic 等多种经典方程已被证明能够良好地拟合不同物种、不同表型“S 型”增长的情况2426。为充分研究小叶杨叶绿素荧光表型的异速生长情况，本研究对 12 组光照强度下的全表型数据进行 k 均值聚类，最优聚类数目采用剪影评分法确定，最优聚类数目为 2（图 5A）。2 类样本在主成分 1 的投影区别明显（图 5B）。应用 4 类生长方程依次对不同类别样本的各个表型进行拟合，根据表 4 和表 5的对比分析可知，在第 1 类和第 2 类样本的动态拟合过程中，Logistic 方程对 ETR 随光照强度变化的拟合效果都是最好的，而 Gompertz 方程对其他 3 类表型的拟合效果最佳。