LED藍(lán)光不同光強(qiáng)對(duì)滇重樓光合熒光特性和解剖結(jié)構(gòu)的影響

蔡虎銘，梁社往，黃 希，周 文，何忠俊*

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201)

【研究意義】光作為環(huán)境信號(hào)和光合作用能量的唯一來(lái)源，是植物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)形成的必需環(huán)境因素[1-2]。迄今，關(guān)于光質(zhì)的研究絕大多數(shù)采用的是高壓鈉燈、彩色熒光燈、濾光片或有色農(nóng)膜。由于不能定量精確的調(diào)制透光率和光譜能量分布，影響了結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性[3-4]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】植物對(duì)紅、遠(yuǎn)紅和藍(lán)光極其敏感[1]。有研究表明藍(lán)光對(duì)于葉綠素的形成、葉綠體的發(fā)育等有重要作用[5-6]。發(fā)光二極管(light-emiting diode, LED)作為新型半導(dǎo)體光源，具有光質(zhì)純、光效高、波長(zhǎng)類型豐富、光譜能量調(diào)制便捷、體積小、壽命長(zhǎng)、發(fā)熱低、無(wú)污染、可有效利用種植空間、易于分類或組合控制等優(yōu)點(diǎn)，成為21世紀(jì)農(nóng)業(yè)和生物(產(chǎn)業(yè))領(lǐng)域最有發(fā)展前景的人工光源[1-2]。目前應(yīng)用LED單色光源和組合光源進(jìn)行光生理生態(tài)、設(shè)施栽培、組培等已成為現(xiàn)代設(shè)施園藝研究的熱點(diǎn)，并在植物補(bǔ)光、植物工廠以及航空航天領(lǐng)域取得重要進(jìn)展[3-4,7-9]?！颈狙芯康那腥朦c(diǎn)】滇重樓(Parispolyphyllavar.yunnanensis) 隸屬于延齡草科重樓屬 (ParisL.)，為多年生草本植物，主要分布在云南、四川和貴州一帶，主產(chǎn)于云南[10]。滇重樓根莖具有清熱解毒、消腫散瘀、涼肝定驚等功效，常用于治療蛇蟲(chóng)咬傷、跌打損傷等癥。此外還有抗癌、止血、祛痰等功效，是白藥系列、熱毒清、抗病毒沖劑等著名中成藥的主要原料[11]。滇重樓根狀莖生長(zhǎng)十分緩慢，從種子發(fā)芽到入藥一般需10年左右的時(shí)間。迄今，有關(guān)滇重樓的研究主要集中在分類、植化、藥理、栽培、營(yíng)養(yǎng)特性等方面[12-14]。利用LED光源，研究滇重樓的光生物學(xué)特性，進(jìn)而促進(jìn)其生長(zhǎng)，提高其藥效成分，對(duì)緩解滇重樓資源危機(jī)具有重要意義?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】研究LED藍(lán)光不同光強(qiáng)對(duì)滇重樓生長(zhǎng)、葉片光合特性、葉綠素?zé)晒鈪?shù)及解剖結(jié)構(gòu)的影響，為L(zhǎng)ED光源在滇重樓栽培中應(yīng)用的提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

實(shí)驗(yàn)光源由杭州漢徽光電科技有限公司提供，LED藍(lán)光峰值波長(zhǎng)為(460 ± 2)nm，燈板大小為40 cm×40 cm，功率：17.8 W，電流：0.45 A。試驗(yàn)于2015年7月17日至10月17日在光調(diào)控箱內(nèi)進(jìn)行。共設(shè)置4個(gè)光強(qiáng)處理，分別為200、150、100和50 μmol/(m2·s)。選用生長(zhǎng)一致、整株鮮重差異在(1.45 ± 0.1)g 范圍的3年生滇重樓種子苗(由云南白藥集團(tuán)中藥材優(yōu)質(zhì)種源繁育公司提供)，定植于10 cm×10 cm×10 cm的塑料盒內(nèi)，每盒裝林下土350 g，每處理重復(fù)4次。每天光照12 h(8:00-20:00時(shí))，其他管理措施一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，清洗植株，晾去附著水分，稱鮮重。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

采用丙酮乙醇混合提取法測(cè)定葉片葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量。采用Li-6400便攜式光合儀測(cè)定凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)以及葉綠素?zé)晒鈪?shù)，并計(jì)算PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、最大天線轉(zhuǎn)化效率(Fv′/Fm′)、PSⅡ光合電子傳遞量子效率(φPSⅡ)、光化學(xué)猝滅系數(shù)qP。采用石蠟切片技術(shù)處理滇重樓葉片，觀察其解剖結(jié)構(gòu)[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 藍(lán)光不同光強(qiáng)對(duì)滇重樓鮮重的影響

表1顯示，滇重樓鮮重處理間差異顯著，以150 μmol/(m2·s)處理最高，以200 μmol/(m2·s)處理最低，100 μmol/(m2·s)處理與50 μmol/(m2·s)處理間差異不顯著。隨著光照強(qiáng)度的增加，滇重樓鮮重呈先增后降的趨勢(shì)，說(shuō)明藍(lán)光不同光強(qiáng)對(duì)滇重樓生物量的積累有顯著影響。

2.2 藍(lán)光不同光強(qiáng)對(duì)滇重樓葉片葉綠素組分含量的影響

表2顯示，不同藍(lán)光光強(qiáng)對(duì)滇重樓葉片葉綠素組分含量的影響顯著。150 μmol/(m2·s)處理下葉綠素a、葉綠素總含量和類胡蘿卜素均顯著高于其他處理。葉綠素a和葉綠素總含量順序?yàn)椋?50 μmol/(m2·s)處理> 50 μmol/(m2·s)處理>100 μmol/(m2·s) 處理> 200 μmol/(m2·s) 處理，類胡蘿卜素含量順序?yàn)椋?50 μmol/(m2·s)處理> 50 μmol/(m2·s)處理> 200 μmol/(m2·s) 處理> 100 μmol/(m2·s) 處理。葉綠素b含量在50 μmol/(m2·s)處理最高，200 μmol/(m2·s)和100 μmol/(m2·s)處理之間差異不顯著，順序?yàn)?0 μmol/(m2·s) 處理> 150 μmol/(m2·s) 處理>100 μmol/(m2·s) 處理>200 μmol/(m2·s) 處理；Chla/Chlb以100 μmol/(m2·s)處理最高， 50 μmol/(m2·s)處理最低。

表1 藍(lán)光對(duì)滇重樓鮮重的影響Table 1 Effect of blue light intensity on fresh weight of P.polyphylla var. Yunnanensis

注:同行不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P﹤0.05)。
Note:Different lowercase letters showed the significant difference at 0.05 level in the same line.

表2 藍(lán)光對(duì)滇重樓葉片色素含量的影響Table 2 Effects of blue light intensity on leaf photosynthetic pigment contents of P.polyphylla var. Yunnanensis

注:同列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P﹤0.05)，下同。
Note:Different lowercase letters showed the significant difference at 0.05 level in the same column，the same as below.

表3 不同藍(lán)光光強(qiáng)下滇重樓葉片的光合特性Table 3 Leaf photosynthetic parameters of P.polyphylla var. Yunnanensis under different blue light intensity

2.3 藍(lán)光不同光強(qiáng)對(duì)滇重樓葉片光合特性的影響

表3表明，藍(lán)光不同光強(qiáng)對(duì)滇重樓葉片光合特性的影響顯著。滇重樓葉片凈光合速率在150 μmol/(m2·s)處理下最高，在200 μmol/(m2·s)處理下最低，與其他處理差異顯著。氣孔導(dǎo)度是衡量葉片氣孔開(kāi)閉大小和調(diào)控蒸騰耗水能力的主要指標(biāo)，滇重樓葉片氣孔導(dǎo)度隨光強(qiáng)的增加表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，與蒸騰速率變化規(guī)律相同。本試驗(yàn)中，滇重樓葉片胞間CO2濃度與凈光合速率呈負(fù)相關(guān)，凈光合速率越高的處理，其對(duì)應(yīng)的胞間CO2濃度則越低。

2.4 藍(lán)光不同光強(qiáng)對(duì)滇重樓葉片熒光特性的影響

Fv/Fm表示PSⅡ最大光化學(xué)效率，常用來(lái)度量植物葉片光反應(yīng)中心PSⅡ的潛在活性，由表4可知，隨著光照強(qiáng)度的增加，F(xiàn)v/Fm值呈降低的趨勢(shì)，但處理間差異不顯著，說(shuō)明藍(lán)光光強(qiáng)對(duì)滇重樓葉片PSⅡ最大光化學(xué)效率影響較小。Fv′/Fm′值表示光適應(yīng)下PSⅡ最大光化學(xué)效率，以150 μmol/(m2·s)處理最高，200 μmol/(m2·s)處理最低，各處理間差異顯著。φPSⅡ和qP均隨光強(qiáng)的增加呈現(xiàn)出先增后減的規(guī)律，150 μmol/(m2·s)處理最大，50 μmol/(m2·s)處理最小。

2.5 藍(lán)光不同光強(qiáng)對(duì)滇重樓葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響

植物葉片是對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境最為敏感的營(yíng)養(yǎng)器官。不同的生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)植物葉片的形狀、葉表面特征、葉片厚度和解剖結(jié)構(gòu)有明顯的影響[16]。由表5可知，隨著光照強(qiáng)度的減弱，葉片上表皮厚度呈上升趨勢(shì)，但各處理間差異不顯著。柵欄組織厚度隨光照強(qiáng)度的減弱表現(xiàn)出先增后減的規(guī)律，150 μmol/(m2·s)處理最高，50 μmol/(m2·s)處理最低，且二者間差異顯著。海綿組織厚度200 μmol/(m2·s)、150 μmol/(m2·s)、50 μmol/(m2·s) 3個(gè)處理間差異不顯著，但200 μmol/(m2·s) 處理、50 μmol/(m2·s) 處理與100 μmol/(m2·s)處理間差異顯著。下表皮厚度以150 μmol/(m2·s)處理最高，但不同處理間差異不顯著。

表4 藍(lán)光不同光強(qiáng)下滇重樓葉片熒光特性Table 4 Leaf fluorescence parameter of P.polyphylla var. Yunnanensis under different blue light intensity

表5 藍(lán)光不同光強(qiáng)下滇重樓葉片解剖結(jié)構(gòu)特征Table 5 Leaf anatomical features of P.polyphylla var. Yunnanensis under different blue light intensity

3 討 論

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，在光合作用的光吸收中起核心作用，其含量高低直接影響光合速率。本研究中，葉綠素總含量和類胡蘿卜素的含量隨著藍(lán)光光強(qiáng)的增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，在150 μmol/(m2·s)處理下最大，與滇重樓鮮重變化一致。在100 μmol/(m2·s) 處理和50 μmol/(m2·s)處理下，隨著光強(qiáng)的減弱，葉綠素的總含量上升，葉綠素a/b值下降。該結(jié)果與弱光條件下，葉綠素含量升高有利于提升對(duì)光能的利用率[17～18]的結(jié)論一致。

本研究中，凈光合速率與葉片胞間二氧化碳濃度成反比，與李雯琳[19]等研究LED不同光質(zhì)對(duì)葉用萵苣幼苗影響結(jié)果一致。200 μmol/(m2·s)處理下，凈光合速率顯著低于其他3個(gè)處理，氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率也是4個(gè)處理中最低，說(shuō)明200 μmol/(m2·s)處理的光強(qiáng)過(guò)強(qiáng)，導(dǎo)致光合速率下降，氣孔導(dǎo)度降低，使胞間CO2濃度上升，從而使滇重樓生物量累積下降。

光不僅直接引發(fā)光合結(jié)構(gòu)和功能的變化，同時(shí)也影響光合電子的傳遞[20]。最大光化學(xué)效率Fv/Fm是衡量光抑制程度的重要指標(biāo)[21]，本研究中Fv/Fm值各處理間無(wú)差異，表明藍(lán)光不同光強(qiáng)處理下滇重樓葉片光合電子傳遞并未受到光抑制，反應(yīng)中心工作正常。Fv′/Fm′值即最大天線轉(zhuǎn)換效率，在4個(gè)處理中的變化規(guī)律與葉片光合色素含量和凈光合速率一致，說(shuō)明藍(lán)光對(duì)這幾個(gè)指標(biāo)的調(diào)節(jié)作用具有相似性。φPSⅡ反映在光照條件下PSⅡ反應(yīng)中心部分關(guān)閉的情況下的實(shí)際光化學(xué)效率，qP反應(yīng)了PSⅡ反應(yīng)中心的開(kāi)放程度，qP越大，PSⅡ的電子傳遞活性越大；150 μmol/(m2·s)處理下的φPSⅡ和qP值最大，說(shuō)明150 μmol/(m2·s)處理葉片PSⅡ反應(yīng)中心開(kāi)放程度最大，并且提高了葉片用于光化學(xué)電子傳遞的份額，進(jìn)而提高了實(shí)際光化學(xué)效率。

柵欄組織是植物進(jìn)行光合作用的主要場(chǎng)所，細(xì)胞內(nèi)含有大量的葉綠體。本研究中，隨著藍(lán)光光照強(qiáng)度的減弱，柵欄組織厚度先增加后降低，與凈光合速率變化趨勢(shì)一致。葉片葉肉細(xì)胞中海綿組織的厚度一般大于柵欄組織的厚度，其主要的功能是氣體交換和蒸騰作用[22]。藍(lán)光4個(gè)處理中，海綿組織厚度在100～200 μmol/(m2·s)光強(qiáng)下，隨光強(qiáng)減弱而減小，但在50 μmol/(m2·s)光強(qiáng)下海綿組織厚度變厚，且顯著高于其他處理，說(shuō)明在弱光條件下，植物代謝速率減弱，植物為了確保生存，會(huì)通過(guò)增厚海綿組織來(lái)加強(qiáng)自身蒸騰作用及氣體交換以適應(yīng)環(huán)境。

4 結(jié) 論

LED藍(lán)光不同光強(qiáng)下滇重樓生物量累積、葉片葉綠素組分含量、葉片光合熒光特性、葉片解剖結(jié)構(gòu)均存在較大差異。200 μmol/(m2·s)處理光照過(guò)強(qiáng)，50 μmol/(m2·s)處理光照過(guò)弱；150 μmol/(m2·s)處理葉片葉綠素組分含量、葉片凈光合速率、葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv′/Fm′、φPSⅡ、qP均最高，滇重樓生物量累積也最大，表明藍(lán)光150 μmol/(m2·s)為滇重樓生長(zhǎng)的適宜光強(qiáng)。

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