LED補(bǔ)光對(duì)石楠有效藥用結(jié)構(gòu)的影響分析*

段 然， 謝 青， 王志剛

(1.重慶工商大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，重慶，40067；2.重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶400030)

中藥植物在藥用成分的開發(fā)上有著非常高的研究?jī)r(jià)值，隨著中藥植物的發(fā)展，越來(lái)越多的中藥植物成為國(guó)內(nèi)外研究者重要的研究對(duì)象[1-2]。在中藥植物栽培中，能否利用LED補(bǔ)光促進(jìn)中藥植物有效藥用結(jié)構(gòu)，具有較大的研究?jī)r(jià)值。LED光源以其體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、放熱少、啟動(dòng)快、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，成為中藥植物進(jìn)行近距離補(bǔ)光、逐點(diǎn)照射補(bǔ)光的重要補(bǔ)光光源[3-4]。相對(duì)于傳統(tǒng)光源，LED能夠節(jié)約近80%的能耗，且光譜中不含有紫外線，無(wú)污染，光源使用壽命長(zhǎng)，LED波譜能夠控制在極窄范圍，可極大程度的滿足植物光合作用及光形態(tài)建成所需要的光譜能量，可根據(jù)葉綠素吸收光譜的特性有針對(duì)性地進(jìn)行補(bǔ)光，提高植物的光合效率。

人工光源的光譜能量分布、光照強(qiáng)度及光照周期都會(huì)影響園林植物的生長(zhǎng)[5]。植物光合有效輻射的波長(zhǎng)范圍為400～700 nm[6]，植物只能接收一定量特定波長(zhǎng)的光譜能量進(jìn)行光合作用，其他波長(zhǎng)和過(guò)量特定波長(zhǎng)的光譜對(duì)植物生長(zhǎng)并沒有明顯作用。植物用來(lái)進(jìn)行光合作用的輻射光能叫做光合有效輻射(PAR)，是影響植物光合作用的重要物理參量。光合有效輻射量子表達(dá)式為

其中，h為普朗克常數(shù)6.625 5×10-34j·s；c為真空光速2.997 8×108m/s；Av取值6.02×1023photo/mol；λ1為400 nm，λ2為700 nm。根據(jù)公式，在相同光譜下，可進(jìn)行重要植物補(bǔ)光光照強(qiáng)度與光量子間的轉(zhuǎn)化。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

石楠(Photinia)，薔薇科，廣泛分布于陜西、華東、中南、西南等地，具有祛風(fēng)止痛之功效，用于頭風(fēng)頭痛，腰膝無(wú)力，風(fēng)濕筋骨疼痛等，其葉富含氫氰酸、野櫻皮甙(Prunasin)、熊果酸、皂甙、揮發(fā)油等多種成分，是優(yōu)良的景觀中藥材植物。實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)中藥石楠進(jìn)行不同光譜、光強(qiáng)的補(bǔ)光照射，并測(cè)量植物葉片面積、葉周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)，以得到光源光譜與中藥植物有效藥用結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)材料為重慶大學(xué)園林實(shí)驗(yàn)田所提供的3 a生石楠，栽培基質(zhì)為東北泥炭∶腐熟木屑∶腐熟礱糠=1∶2∶2。中藥石楠均高0.5 m左右，長(zhǎng)勢(shì)一致。共5組，每組3盆，每盆5株，另設(shè)置1組參照組(不進(jìn)行LED補(bǔ)光照明)。

1.2 補(bǔ)光LED光照處理

實(shí)驗(yàn)于2016-03-02—2016-05-01，利用4種光譜能量分布的LED光源對(duì)石楠進(jìn)行補(bǔ)光實(shí)驗(yàn)。根據(jù)植物對(duì)光譜的利用，有針對(duì)性地選擇LED光源光譜進(jìn)行補(bǔ)光，所選擇實(shí)驗(yàn)LED光源光譜為，復(fù)合白光LED、復(fù)合黃光LED、單色光藍(lán)光LED及單色光紅光LED。為了降低季節(jié)變化干擾植物的生理指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)以季節(jié)為補(bǔ)光周期，實(shí)驗(yàn)在3～5月份進(jìn)行，每日補(bǔ)光3 h，補(bǔ)光時(shí)間為18∶30～21∶30。

由于植物對(duì)光照強(qiáng)度的需求量不同，光照強(qiáng)度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響植物的生長(zhǎng)和發(fā)育[7]。根據(jù)植物喜光特性，確定植物生理作用所需光強(qiáng)值[8]。石楠為陽(yáng)性植物，根據(jù)陽(yáng)性植物的喜光特點(diǎn)，設(shè)置光源光照強(qiáng)度為(200±5)μmol m-2s-1。

1.3 測(cè)量與統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)利用Yaxin-1241葉面積儀進(jìn)行中藥石楠葉面積、葉周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)的測(cè)量。于2016-05-01對(duì)葉片進(jìn)行離體測(cè)量，隨機(jī)選取植物每株40片成熟健康葉片作為藥效結(jié)構(gòu)指標(biāo)檢測(cè)材料，將樣本葉片去柄測(cè)量，舍去錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入SPSS 22分析，并利用origin 9.0進(jìn)行可視化處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 光源光譜測(cè)量及分析

在光學(xué)實(shí)驗(yàn)室利用CL-500A測(cè)量LED光源光譜參數(shù)，如表1，白光LED(6 500 k)其主波長(zhǎng)為450 nm，色坐標(biāo)為(0.32，0.33)；黃光LED(3 000 k)，其主波長(zhǎng)為578 nm，色坐標(biāo)為(0.42，0.42)；紅光LED主波長(zhǎng)為618 nm，其色坐標(biāo)為(0.69，0.31)；藍(lán)光LED主波長(zhǎng)為425 nm，其色坐標(biāo)為(0.13，0.06)，見圖1。從植物光合有效輻射可知，植物葉綠素a吸收光譜峰值為430 nm藍(lán)光及紅光680 nm；葉綠素b吸收光譜的峰值為470 nm和650 nm；葉綠素c吸收光譜最高峰值為460 nm和640 nm，所以提供補(bǔ)光光譜能量分布位于植物所吸收的光譜能量范圍內(nèi)。

表1 不同類型光源處理的葉片形態(tài)指標(biāo)

圖1 實(shí)驗(yàn)光源主波長(zhǎng)及其參數(shù)

2.2 中藥石楠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由于所受天然光照的不同，植物在進(jìn)化過(guò)程中葉片形成不同形態(tài)特性[9]，尤其體現(xiàn)在植物葉面積、葉周長(zhǎng)等方面；植物葉片會(huì)根據(jù)光照變化而變化[10]。利用公式f=4πα/p2(f為形狀因子，α為葉面積，p為葉周長(zhǎng))計(jì)算植物葉片形狀因子，確定窄葉石楠形態(tài)變化程度，分析比較實(shí)驗(yàn)組植物與樣本植物葉片有效用藥用結(jié)構(gòu)生物量變化情況。

對(duì)所測(cè)得中藥石楠葉面積、葉周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)等數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算及形態(tài)因子計(jì)算，見表1，得出LED補(bǔ)光照射后中藥石楠葉片葉面積、葉周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)及形態(tài)指標(biāo)的變化，從而掌握LED補(bǔ)光對(duì)中藥石楠葉片的影響程度。

2.3 中藥石楠藥用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析

利用ORIGIN9.0對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析，見圖2。

圖2 LED補(bǔ)光后藥用部分結(jié)構(gòu)變化比較

不同光譜能量分布對(duì)石楠藥用結(jié)構(gòu)的影響作用不同，根據(jù)圖2可知： 補(bǔ)光照射后中藥石楠葉片面積大小規(guī)律為：黃光LED>白光LED>樣本植物>紅光LED>藍(lán)光LED;葉片周長(zhǎng)的影響規(guī)律為：黃光LED>樣本植物>白光LED>藍(lán)光LED>紅光LED；葉長(zhǎng)影響規(guī)律為：樣本植物>黃光LED>紅光LED>藍(lán)光LED>白光LED。

綜上可知，復(fù)合光源白光LED、黃光LED處理的窄葉石楠葉片面積較參照組葉片面積大，補(bǔ)光有增大中藥石楠藥用結(jié)構(gòu)量的作用；紅光LED、藍(lán)光LED處理下植物葉面積較參照組植物葉片面積小，對(duì)中藥石楠有效藥用結(jié)構(gòu)面積有明顯減弱作用。

2.4 中藥石楠藥用結(jié)構(gòu)形狀因子分析

中藥植物的葉片形狀因子是研究植物物種的形態(tài)變異和分化的指標(biāo)，可推測(cè)出植物受外界環(huán)境干擾的變化程度。根據(jù)圖3，經(jīng)過(guò)不同光譜的補(bǔ)光照射后，中藥石楠的葉片形狀發(fā)生了變化，中藥石楠葉片形狀因子的變化程度為：紅光LED>白光LED>藍(lán)光LED>黃光LED>樣本植物，說(shuō)明紅光LED對(duì)中藥石楠葉片的影響最為強(qiáng)烈。

圖3 LED補(bǔ)光后中藥石楠葉片形態(tài)變化

3 結(jié)論與討論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析表明：復(fù)合光白光LED、黃光LED光譜可極大提高中藥石楠的有效藥用結(jié)構(gòu)面積，單色光紅光LED、藍(lán)光LED降低藥用結(jié)構(gòu)面積。在中藥石楠的栽培過(guò)程中可以利用復(fù)合光白光LED及黃光LED對(duì)植物進(jìn)行補(bǔ)光照射，可提高中藥石楠的藥用結(jié)構(gòu)面積。其中，紅光LED對(duì)中藥石楠葉片形態(tài)的影響大，這一現(xiàn)象可能與紅光能夠促進(jìn)赤霉素(GA)對(duì)植物葉片的積累有關(guān)[11]，其抑制生長(zhǎng)素(IAA)的生長(zhǎng)從而改變了葉片的形狀[12]。LED補(bǔ)光對(duì)石楠有效藥用結(jié)構(gòu)的影響分析為人工光源光譜能量分布誘導(dǎo)藥用植物有效藥用結(jié)構(gòu)面積提供了理論依據(jù)與實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也為中藥材補(bǔ)光提供了技術(shù)指標(biāo)。