光強(qiáng)對(duì)金銀花藥材性狀、光合特性及抗氧化酶活性的影響

劉 新,王夢(mèng)皎,李一鳴,房海靈,亓希武,于 盱,梁呈元,3

(1.南京林業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210037;2.江蘇省中國科學(xué)院 植物研究所 南京中山植物園,江蘇 南京 210014;3.江蘇省農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源保護(hù)與利用平臺(tái),江蘇 南京 210014)

金銀花(LonicerajaponicaThunb.)為忍冬屬多年生灌木,其干燥花蕾或初開的花具有清熱解毒、疏散風(fēng)熱功效,為我國重要的大宗藥材,臨床上可用于治療感冒、上呼吸道感染、高血脂等癥,曾在SAS、H7N9等流行性病毒病的治療上發(fā)揮了巨大作用[1-2]。此外,金銀花還被廣泛用于化工、食品、飲料等諸多領(lǐng)域,需求量極大。人工種植金銀花是滿足市場(chǎng)需求的主要途徑。

光是植物生長發(fā)育、形態(tài)建成中重要的環(huán)境調(diào)控因子。適當(dāng)改變光照強(qiáng)度可在一定程度上促進(jìn)植物的生長發(fā)育及次生代謝產(chǎn)物的合成。例如：弱光條件有利于喜樹堿的合成與積累[3];低光照可提高長春花葉片中文朵靈堿和長春質(zhì)堿含量,而抑制長春堿的合成[4];75%光照條件可促進(jìn)喜樹植株生長,提高光合速率[5];78%光照條件有利于老鴉瓣產(chǎn)量的積累[6]。可見,研究光照對(duì)藥用植物形態(tài)、生理的影響對(duì)提高藥材產(chǎn)量、品質(zhì)尤為重要。本研究通過分析不同光強(qiáng)條件下金銀花藥材性狀、光合特征和抗氧化酶活性的差異,探討了光強(qiáng)對(duì)金銀花藥材性狀和生理特性的影響,旨在為金銀花人工栽培中的光照管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗(yàn)于2017年4月25日至6月15日在江蘇省中國科學(xué)院植物研究所中藥材種植基地進(jìn)行,供試金銀花品種為“九豐1號(hào)”一年生苗。采用育苗移栽的方法,于2015年11月下旬選擇地徑、苗高一致的金銀花扦插苗進(jìn)行露地栽培,株行距1.2 m×1.2 m,進(jìn)行正常水、肥管理，備用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置3個(gè)遮光處理，即：CK，全光照,無遮陰網(wǎng)(透光率為100%); LI50，一層遮陰網(wǎng)(透光率為50%); LI25，二層遮陰網(wǎng)(透光率為25%)。遮光材料為黑色遮光網(wǎng)。為了防止不同處理光照的互相影響,各處理間均留出2 m間隔。在試驗(yàn)期間各處理的田間管理措施保持一致,每個(gè)處理10株。

1.3 檢測(cè)項(xiàng)目及方法

1.3.1 藥材性狀的測(cè)定 采集大白期花蕾,用游標(biāo)卡尺對(duì)單花長度進(jìn)行測(cè)量,精確到0.001 cm;在用1/10000的天平稱量花蕾鮮重后,在45 ℃下烘干至恒重,稱其干質(zhì)量,計(jì)算干鮮比。

1.3.2 葉片光合色素含量和光合速率的測(cè)定 采用LI-6400XT型光合儀,于5月25日9:00～11:00,選擇生長一致的金銀花頂部第5～6對(duì)葉片進(jìn)行凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)等光合指標(biāo)的測(cè)定,并計(jì)算水分利用率WUE(WUE=Pn/Tr)及氣孔限制值Ls(Ls=1-Ci/Ca,Ca為大氣CO2濃度)。每個(gè)處理隨機(jī)選取5株,重復(fù)測(cè)定10次,取平均值。光合色素(葉綠素和類胡蘿卜素)含量的測(cè)定參考李合生[7]的方法。

1.3.3 抗氧化酶活性的測(cè)定 分別于處理7、14、21、28、35 d，測(cè)定金銀花葉片的MDA含量和抗氧化酶活性,包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)。相關(guān)試劑盒購自南京建成生物技術(shù)有限公司,具體操作方法參見試劑盒說明書。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,處理間差異顯著性分析采用LSD方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 光強(qiáng)對(duì)金銀花藥材性狀的影響

由表1可知,金銀花花蕾長和單花鮮重隨光強(qiáng)增加均呈先升高后降低的趨勢(shì),其中以透光率50%時(shí)花蕾長度最長,其次為透光率25%和透光率100%。差異顯著性分析表明,在不同處理間單花鮮重差異性不顯著;花蕾長度呈顯著或極顯著差異,表現(xiàn)為透光率50%處理的花蕾長度極顯著高于全光照對(duì)照的。單花干重、干鮮比的變化趨勢(shì)與光照強(qiáng)度一致,即隨光照強(qiáng)度的增加而升高;差異顯著性分析表明,全光照處理下的單花干重和干鮮比顯著高于25%和50%透光率處理下的。

表1 光強(qiáng)對(duì)金銀花藥材性狀的影響

注:同一列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示處理間差異極顯著(P<0.01)。下同。

2.2 光強(qiáng)對(duì)金銀花葉片光合特性的影響

2.2.1 光合色素含量 由表2可以看出：金銀花葉片中葉綠素a(Chla)和葉綠素b(Chlb)含量隨著光照強(qiáng)度的減弱而呈增加趨勢(shì)，其中25%、50%透光率處理的Chla含量較100%光照處理分別增加了38.155%、13.332%,Chlb含量分別增加了68.732%、33.005%,類胡蘿卜素(Car)含量分別增加了34.605%、32.893%;Chla/Chlb則隨光強(qiáng)的減弱而降低。以上結(jié)果表明,弱光處理可提高金銀花葉片的光合色素含量,且Chlb含量增加更多,這有利于植物吸收短波長的藍(lán)紫光,增加對(duì)弱光的利用以滿足生長需要,是金銀花對(duì)弱光環(huán)境的一種適應(yīng)性表現(xiàn)。

表2 光強(qiáng)對(duì)金銀花葉片中光合色素含量的影響

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，樣本數(shù)為4。

2.2.2 光合參數(shù) 由表3可知,遮光處理對(duì)金銀花葉片的光合參數(shù)具有顯著影響,隨著光強(qiáng)增加,葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)及蒸騰速率(Tr)均呈上升趨勢(shì);而水分利用率和氣孔限制值隨光強(qiáng)的減弱而上升。以上結(jié)果說明,低光照條件可引起金銀花氣孔導(dǎo)度減小,氣孔阻力增加,光合速率降低。

表3 光強(qiáng)處理對(duì)金銀花葉片光合參數(shù)的影響

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，樣本數(shù)為10。

2.3 光強(qiáng)對(duì)金銀花葉片中MDA含量的影響

由表4可知,不同光強(qiáng)對(duì)金銀花葉片中MDA含量具有顯著影響。MDA含量隨著光強(qiáng)減弱呈先降低后升高的趨勢(shì)。50%透光率條件下金銀花葉片的MDA含量顯著低于其他光強(qiáng)處理下的。表明強(qiáng)光或弱光均會(huì)對(duì)金銀花葉片細(xì)胞產(chǎn)生逆境脅迫,導(dǎo)致膜脂質(zhì)過氧化反應(yīng),造成細(xì)胞膜損傷。與100%自然光處理(CK)相比,在處理2135 d期間50%透光率條件下MDA含量呈下降趨勢(shì)；在處理35 d時(shí),25%透光率下的MDA含量也較CK顯著下降,這可能是由于在處理后期夏季到來,遮陰有利于緩解強(qiáng)光和高溫帶來的逆境脅迫,可減緩細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化反應(yīng)。

表4 光強(qiáng)處理對(duì)金銀花葉片MDA含量的影響nmol/mg

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，樣本數(shù)為3。下同。

2.4 光強(qiáng)對(duì)金銀花葉片抗氧化酶活性的影響

2.4.1 超氧化物歧化酶(SOD)活性 SOD是植物體內(nèi)一種重要的清除活性氧自由基的酶,可將O2-轉(zhuǎn)化為O2和H2O2。如表5所示,隨著光強(qiáng)減弱,金銀花葉片中SOD活性呈先降低再升高的趨勢(shì),以25%透光率處理的SOD活性最高,其次為全光照CK的,而以50%透光率處理的最低。表明強(qiáng)光和弱光均對(duì)金銀花葉片細(xì)胞產(chǎn)生了脅迫,50%透光率條件在一定程度上緩解或解除了逆境脅迫,有利于植株生長。另外，金銀花葉片的SOD活性隨處理時(shí)間的延長呈先升高后降低的趨勢(shì)；25%透光率處理下的SOD活性在處理后期較全光照CK組低。

表5 光強(qiáng)處理對(duì)金銀花葉片SOD活性的影響nmol/mg

2.4.2 過氧化氫酶(CAT)活性 過氧化氫酶(CAT)可將H2O2分解為O2和H2O,也是一種重要的抗氧化酶。如表6所示,隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，金銀花葉片中的CAT活性呈先降后升的變化趨勢(shì),且隨處理天數(shù)的增加而逐漸增大；在處理28 d時(shí),CAT活性最高,且25%透光處理的CAT活性顯著高于全光照CK組的。這可能是由于在處理2128 d期間,金銀花葉片的SOD活性較強(qiáng),產(chǎn)生了大量的H2O2,導(dǎo)致CAT活性也隨之增強(qiáng)。

表6 光強(qiáng)處理對(duì)金銀花葉片CAT活性的影響nmol/mg

2.4.3 過氧化物酶(POD)活性 POD的功能與CAT類似,與SOD、CAT等共同組成了植物細(xì)胞膜抗氧化酶保護(hù)系統(tǒng)。由表7所示,POD活性的變化趨勢(shì)與CAT較為相似,均隨光強(qiáng)增強(qiáng)而呈先降后升的趨勢(shì),且隨著處理時(shí)間延長呈升高趨勢(shì)。25%透光率處理組在處理初期POD活性高于全光照對(duì)照,后期則略低于CK,可能是由于在處理后期高溫強(qiáng)光條件下,光能過剩導(dǎo)致超氧陰離子自由基激增,膜脂質(zhì)過氧化加劇,進(jìn)而誘導(dǎo)POD活性升高；25%透光率處理通過遮陰適當(dāng)緩解了高溫強(qiáng)光脅迫,減緩了對(duì)細(xì)胞膜的損傷。

表7 光強(qiáng)處理對(duì)金銀花葉片POD活性的影響nmol/mg

3 結(jié)論與討論

3.1 光強(qiáng)對(duì)金銀花藥材性狀的影響

植物在長期的進(jìn)化過程中因生長于不同的光照強(qiáng)度下，會(huì)形成喜陰或喜陽的特性。因此,對(duì)光照強(qiáng)度的響應(yīng)也會(huì)因植物的不同而產(chǎn)生不同結(jié)果。萬小燕等[8]研究發(fā)現(xiàn)遮陰處理后涼粉草、水田七和牛耳楓的株高變高,莖粗和折干率變低;秦健等[9]發(fā)現(xiàn)在同一光質(zhì)下高光強(qiáng)對(duì)青錢柳苗木的苗高、地徑增長量和生物量等有促進(jìn)作用。以上研究表明植物莖、葉等外觀性狀對(duì)光強(qiáng)最為敏感。本研究發(fā)現(xiàn),遮陰處理后,植株葉片明顯增多，株高變高,有利于利用弱光環(huán)境中有限的光照。此外,光強(qiáng)不僅能影響植物莖、葉等營養(yǎng)器官的形態(tài)變化,對(duì)生殖器官的形態(tài)也有較大的影響。侯興亮等[10]研究發(fā)現(xiàn)遮光可引起番茄花芽分化延遲,總花數(shù)下降;余婷等[11]對(duì)鳳仙花的研究發(fā)現(xiàn)適度遮陰有利于增加植株的單株開花量。本研究結(jié)果表明50%透光率處理可有效提高金銀花的花芽數(shù),促進(jìn)花蕾生長,可能是由于CK全光照下的光照強(qiáng)度過大,使植株花芽受損,而過度遮陰則會(huì)抑制花芽分化。此外,與CK相比,遮陰處理組的花蕾折干率呈下降趨勢(shì),可能是由于低光照強(qiáng)度下蒸騰速率較低,花蕾中水分含量較全光照處理組高所致。

3.2 光強(qiáng)對(duì)金銀花光合特性的影響

高等植物吸收光能進(jìn)行光合作用的色素包括葉綠素(Chl)和類胡蘿卜素(Car)。其中Chl是進(jìn)行光合作用的主要色素,由葉綠素a (Chla,吸收光譜高峰為紅光)和葉綠素b (Chlb,吸收光譜高峰為藍(lán)紫光)組成;類胡蘿卜素可吸收藍(lán)紫光,除參與光合作用外,還可清除反應(yīng)中心氧化側(cè)單線態(tài)葉綠素,起到光保護(hù)作用[12]。大量研究表明,弱光環(huán)境會(huì)導(dǎo)致植物葉片中的Chlb含量增加,Chla/b降低,這種改變有利于植物吸收弱光條件下漫射光中的藍(lán)紫光和橙光,捕獲更多的光能進(jìn)行光合作用[13,14]。本研究結(jié)果亦符合該結(jié)論。25%和50%光強(qiáng)處理下金銀花葉片中Chla、Chlb含量均顯著增加，有利于植株對(duì)弱光的利用,以滿足生長需求;100%光強(qiáng)處理下Chla、Chlb含量降低,Car含量升高,表明強(qiáng)光引起了植物葉綠素的破壞,啟動(dòng)了葉黃素循環(huán)保護(hù)機(jī)制,減少了葉片對(duì)光能的吸收,保護(hù)光合機(jī)構(gòu)免受強(qiáng)光破壞。

光合參數(shù)反映了植物對(duì)光能的利用效率。弱光條件會(huì)引起植物凈光合速率降低[15-16]。Gutiérrez等[16]認(rèn)為產(chǎn)生這一現(xiàn)象主要有兩個(gè)原因：一是氣孔限制,即由氣孔關(guān)閉引起的胞間CO2濃度降低,表現(xiàn)在Ci和Pn同時(shí)減少,Ls增大;二是非氣孔限制,即指過多光能使光反應(yīng)中心及葉綠體破壞,表現(xiàn)在Pn下降,Ci上升,Ls減小。在本研究中，遮光處理引起金銀花葉片Pn、Gs、Ci下降,Ls上升,表明氣孔因素是導(dǎo)致弱光處理下金銀花凈光合速率降低的主要原因。這與徐紅建等[6]對(duì)老鴉瓣的研究結(jié)果一致。同時(shí)由于弱光下植株葉片氣孔關(guān)閉,水分蒸發(fā)減慢,從而減少根系對(duì)水分的吸收,水分利用率提高。

3.3 光強(qiáng)對(duì)金銀花MDA含量及抗氧化酶活性的影響

植物細(xì)胞在代謝受阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧,進(jìn)而導(dǎo)致膜脂質(zhì)過氧化,MDA是細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化過程中的產(chǎn)物,其含量的高低反映了細(xì)胞膜的損傷程度[17]。SOD、CAT和POD等抗氧化酶協(xié)調(diào)運(yùn)作負(fù)責(zé)清除超氧陰離子自由基(O2-)、羥基自由基(OH)和過氧化氫(H2O2),是細(xì)胞抵御活性氧損傷的保護(hù)酶體系的主要組成部分[18]。朱志國等[19]研究表明,強(qiáng)光照降低了馬蹄金中SOD、POD和CAT的活性。孟祥海等[20]研究發(fā)現(xiàn)喜陰植物半夏在遮陰處理后SOD活性低于全光照處理,CAT活性在處理前期高于全光照處理的,之后下降。本研究結(jié)果表明,隨著光強(qiáng)減弱和處理時(shí)間延長,金銀花葉片中的MDA含量逐漸增加,表明細(xì)胞膜在弱光條件下出現(xiàn)脂質(zhì)過氧化反應(yīng);與此同時(shí),金銀花葉片內(nèi)SOD、CAT和POD活性均隨光強(qiáng)減弱呈先降后升的趨勢(shì),這與馬曉華[21]對(duì)喜樹的研究結(jié)果一致。表明50%透光處理可有效緩解強(qiáng)光對(duì)植物的光抑制傷害,而過高或過低的光照強(qiáng)度對(duì)金銀花生長形成強(qiáng)光或弱光抑制,使植株體內(nèi)產(chǎn)生大量的活性氧,引發(fā)抗氧化酶活性增強(qiáng),以維持細(xì)胞內(nèi)活性氧產(chǎn)生與消除之間的平衡。此外,隨著處理時(shí)間延長,金銀花葉片的SOD、CAT和POD活性均呈先升后降的趨勢(shì),這與付濤等[22]研究的幼年鄞紅葡萄在弱光脅迫下的抗氧化酶活性表現(xiàn)一致,表明逆境脅迫初期因保護(hù)酶活性的增強(qiáng)可及時(shí)消除多余活性氧；但在長期脅迫下,活性氧產(chǎn)生與消除平衡被打破,細(xì)胞膜受損,導(dǎo)致保護(hù)酶合成減少。