何梅 李杰 葉慶生 葉廣英 劉海林 王再花
摘 ?要:為評估CO2倍增對霍山石斛光合特性和生長的影響,本研究以霍山石斛幼苗為試材,比較了CO2濃度400 μmol/mol(大氣濃度,對照組)和800 μmol/mol(處理組)栽培180 d對霍山石斛光合特性、生長和有效成分的影響。結果表明,CO2倍增處理顯著提高了霍山石斛的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和水分利用率(WUE),但霍山石斛未出現“光合適應”現象。栽培30 d后,處理組的存活率、著根率和新芽數始終顯著高于對照組,而60 d后,處理組的葉片可溶性蛋白含量顯著低于對照組。栽培180 d后,CO2倍增處理組顯著提高了霍山石斛的莖鮮重、莖干重、莖長、單株葉片數和葉片厚度,而對莖粗和單葉面積無顯著影響。同時,處理組也顯著提高了莖的多糖含量,比對照組提高94%,但生物堿含量則顯著下降。莖的總氨基酸含量與總黃酮含量在兩組間無顯著差異。綜上,CO2倍增處理能顯著促進霍山石斛的生長,提高成活率及其主要藥用部位莖的產量和多糖含量。
關鍵詞:霍山石斛;CO2;光合特性;生長;產量;有效成分
中圖分類號:S682.31 ? ? ?文獻標識碼:A
Abstract: In order to investigate the effects of doubled atmospheric CO2 concentration on the photosynthetic characte-ristics and growth of Dendrobium huoshanense, the photosynthetic characteristics, vegetative growth and contents of effective constituents of D. huoshanense were evaluated using the seedlings after doubled atmospheric CO2 concentra-tion treatment (800 μmol/mol, 400 μmol/mol as control) for 180 days. The results showed that the net photosynthetic rate, stomatal conductance, transpiration rate and instantaneous water use efficiency significantly increased in leaves compared with the control. There was not photosynthetic acclimation during the experiment. After cultivation for 30 days, the survival rate, rooting rate and number of new buds of the treatment group were always significantly higher than that of the control group, while the soluble protein content in leaves of the treatment group was significantly lower than that of the control group after 60 days. Stem fresh weight, stem dry weight, stem height, leaf number per plant and leaf thickness also significantly increased in the treatment group, but there was no significant effect on stem thickness and leaf area. Moreover, the polysaccharide content of stems significantly increased in the treatment group, with 94% higher than that in the control group, while the alkaloid content significantly decreased, and there was no significant difference in the contents of total amino acid content and total flavonoids between the two groups. In conclusion, doubled carbon dioxide concentration treatment could significantly promote the growth, increase the survival rate, stem yield and stem polysaccharide content.
Keywords: Dendrobium huoshanense; CO2; photosynthetic characteristics; vegetative growth; yield; effective compo-nents
DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.05.019
近年來,隨著設施栽培產業(yè)的快速發(fā)展,設施內CO2施肥作為一項作物高產優(yōu)質、抗病的技術手段越來越受到人們的關注?;羯绞―endrobium huoshanense)為我國珍貴的石斛中藥材,主要分布于安徽霍山縣大別山、金寨、岳西以及河南[1],具有抗腫瘤、調節(jié)免疫力、抗氧化、治療白內障、降血糖等作用[2-4]?;羯绞鷮儆陉幧虬腙幧参铮斯ぴ耘嗟闹仓旯怙柡忘c和光補償點較低[5],適合林下和設施栽培。目前,大量研究表明,提高CO2濃度能顯著提升葡萄、大豆、水稻、小麥等經濟作物的生物量和產量[6-8],促進番茄、黃瓜和歐芹等蔬菜營養(yǎng)物質的積累[9-11]。也有研究發(fā)現,提高CO2濃度還能顯著提升朱頂紅、非洲菊、蝴蝶蘭等花卉的開花質量[12-14]。然而,有關CO2處理對霍山石斛的影響還未見報道。由于該石斛地域適應性較強,抗熱性較差,在廣東地區(qū)種植較為困難。為了進一步提高霍山石斛在廣東設施種植的存活率和品質,本研究參考前人在鼓槌石斛[15]、蝴蝶蘭[14]和非洲菊[13]等植物上報道的CO2濃度(800 μmol/mol),通過CO2倍增處理霍山石斛幼苗,觀察其生長、萌芽、存活的情況,以及其光合特性與有效成分的變化,為霍山石斛設施栽培下CO2施肥技術的應用提供參考。
1 ?材料與方法
1.1 ?材料
以霍山石斛種子為外植體,通過組織培養(yǎng)至株高為2~3 cm,單株葉片數為4~5片,長勢良好的幼苗,大棚環(huán)境馴化2~3周后出瓶,栽培于木頭上,玻璃溫室環(huán)境中培養(yǎng)1個月。
1.2 ?方法
1.2.1 ?CO2倍增處理 ?試驗在廣州華南師范大學蘭花研究中心進行,玻璃溫室頂端覆蓋遮陽網(遮陽率為75%),環(huán)境溫度為(24±1)℃,相對濕度為80%左右,環(huán)境因子由浙江求是公司記錄儀實時監(jiān)控并記錄(每0.5 h記錄1次)。溫室內CO2由鋼瓶供給(純度95%,廣州氣體廠提供)。參考前人報道的CO2處理濃度[13-15],CO2處理組為大氣倍增的CO2濃度,即(800 ± 50)μmol/mol,處理時間為2016年5月1日至10月25日的7:00— 17:00;對照組的CO2濃度為大氣濃度,即(400 ± 50)μmol/mol。整個試驗共處理180 d,分別于0、10、20、30、60、90、120、150、180 d隨機取長勢健康的第4片(從植株頂端往下數)完全展開的功能葉進行光合、形態(tài)及各項生理生長指標的測定。每個處理50叢,每叢10株,3次重復。正常肥水管理,每周施肥1次(質量濃度為0.5 g/L的德國進口COMPO肥,N∶P2O5∶K2O = 30∶10∶10),每2 d澆1次水。
1.2.2 ?葉片光合指標測定 ?在上午9:30—11:00使用LI-6400便攜式光合測定儀測定處理0、10、20、30、60、90、120、150、180 d的霍山石斛功能葉的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和水分利用效率(WUE)。
1.2.3 ?生長相關參數測定 ?從處理的30 d起,每隔30 d測定50叢(每10株為1叢,每10叢為1組,5次重復)霍山石斛對照組和處理組的存活率、著根率和新芽的生長情況。處理180 d后隨機選取對照組和處理組植株各50株(每10株為一組,共5組),分別測定單株苗的莖鮮重、莖干重、莖長、莖粗、單株葉片數、單葉面積、比葉面積和葉片厚度(石蠟切片觀測,金華科迪KD-2260石蠟切片機)
1.2.4 ?葉片可溶性蛋白含量測定 ?參考Bradford的方法略加改進[16]。稱取0.1 g新鮮葉片剪碎于冷凍過的研缽中,加1 mL磷酸緩沖液(pH 7.8)和少量石英砂,在冰浴中快速研磨成勻漿,勻漿倒入離心管中;再用4 mL的磷酸緩沖液將研缽中的勻漿洗入離心管中。在4 ℃條件下,5000 r/min離心10 min,取上清液倒入10 mL的容量瓶中,殘渣加入5 mL磷酸緩沖液懸浮再離心,將上清液倒入上述容量瓶中,定容至10 mL待測。取0.3 mL樣品提取液,加入0.7 mL磷酸緩沖液(pH 7.8),再加5 mL考馬斯亮藍G-250試劑顯色,搖勻,放置2 min,利用UV-2550分光光度計測定595 nm吸光值。以牛血清蛋白為標準品繪制標準曲線。
1.2.5 ?莖有效成分含量測定 ?多糖含量參考《中華人民共和國藥典》2020版中的苯酚-硫酸法測定[17];總生物堿含量參考章金輝等[18]的方法;總黃酮含量測定參考Amri等[19]的方法,并以蘆丁為標準品繪制標準曲線。
總氨基酸含量測定參考魯芹飛[20]的方法稍作改進。取0.3 g干燥的鐵皮石斛莖段粉末,置于具塞試管中,加入6 mol/L鹽酸10 mL,110 ℃烘箱中水解24 h,冷卻過濾,濾液至25 mL容量瓶,加水定容,量取10 mL,用30% NaOH調至中性,溶液至25 mL容量瓶中,加水定容至刻度。取樣液2.0 mL置于25 mL試管中,加入1.0 mL磷酸鹽緩沖液,1.0 mL 2%茚三酮,搖勻,沸水浴30 min,冷卻加水定容至25 mL,利用UV-2550分光光度計測定570 nm吸光值。以天冬氨酸為標準品繪制標準曲線。
1.3 ?數據處理
所有數據由平均值±標準差表示,使用Excel 2010進行作圖,并利用SPSS軟件進行差異顯著性分析。
2 ?結果與分析
2.1 ?CO2倍增對霍山石斛光合特性的影響
由圖1A可以看出,CO2倍增處理組的Pn在各觀測的時間段均顯著高于對照組。在處理20 d后,對照組的Pn趨向相對穩(wěn)定的水平,而處理組在前90 d呈現一個快速增加的趨勢,并在第90 d出現了最大值,比同期對照組顯著增加了51%。90 d之后,處理組的Pn也趨向于相對穩(wěn)定的水平,由此可知,霍山石斛在CO2倍增條件下處理180 d沒有出現“光合適應”現象。
CO2倍增對霍山石斛氣孔運動也有顯著影響,處理組的Gs始終高于同期的對照組,增加的幅度在9%~50%(圖1B)。試驗期內,處理組霍山石斛的Tr始終顯著高于對照組。前30 d對照組與處理組的Tr均出現增高的趨勢,處理組的Tr最大值出現在第90 d,比同期的對照組顯著增加49%(圖1C)。試驗的0~30 d,處理組的WUE與對照組無顯著差異,后期處理組的WUE得到有效提高,并在第60、150、180 d顯著高于對照組(圖1D)。
2.2 ?CO2倍增對葉片可溶性蛋白的影響
由圖2可知,處理30 d時,處理組和對照組的單位葉片可溶性蛋白含量均隨霍山石斛的生長而增加,但兩組之間無顯著差異。在試驗的60~ 180 d,對照組的單位葉片可溶性蛋白含量基本維持相對穩(wěn)定的水平,而處理組則呈下降趨勢,其顯著低于同期的對照組,且在120 d時,出現了兩組之間的最大差異值,也是處理組的最小值,比同期對照組下降了29%。
2.3 ?CO2倍增對霍山石斛生長的影響
CO2倍增處理能顯著提高霍山石斛幼苗的存活率(表1、圖3)。處理組在30 d時,霍山石斛幼苗的存活率達91.4%,顯著高于對照組(66.2%)。隨著栽培時間的延長,處理組和對照組的存活率均有所下降,而處理180 d后,處理組的存活率高達85.6%,仍然顯著高于對照組(56.2%)。誘導霍山石斛幼苗根的生長,使其根系能快速地深入栽培基質是提高霍山石斛幼苗存活率的重要途徑之一。處理組在30 d時的著根率為22%,顯著高于對照組的4.3%,而處理180 d后,著根率高達97%,是對照組的2.53倍,同時,處理組霍山石斛幼苗不管是根長、根粗還是扎根情況,其根系長勢比對照組更加旺盛。
隨著栽培時間的推移,霍山石斛分蘗產生的新芽數逐漸增加,從30 d開始,CO2倍增處理組的霍山石斛幼苗分蘗產生的新芽數一直顯著高于對照組,直至處理180 d后,處理組的新芽數為8.0株/叢,而對照組的新芽數僅為3.8株/叢,并且處理組的新芽不僅數量上明顯高于對照組,而且在長勢上也優(yōu)于對照組(圖3)。
同時,霍山石斛處理組的干重和鮮重均顯著高于對照組,比對照組分別增加23.5%和18.6%。CO2倍增對霍山石斛的莖粗和單葉面積無顯著影響,但顯著增加了霍山石斛的莖高、單株葉片數和葉片厚度(表2、圖4),而處理組的比葉面積則顯著下降了12%。
2.4 ?CO2倍增對霍山石斛有效成分的影響
由表3可知,CO2倍增處理能夠影響霍山石斛有效成分。CO2倍增處理顯著提高了霍山石斛莖的多糖含量,相比對照組提高了94%,而處理組生物堿含量則顯著下降。同時,莖的總氨基酸含量、總黃酮含量在兩組之間無顯著差異。
3 ?討論
大氣CO2濃度的提高直接影響植物多種生理代謝,包括提高凈光合速率、降低氣孔導度、進而提高水分利用率、生長速率和產量等[21]。前人對紅掌[22]、金釵石斛[23]、非洲菊[13]等植物的研究發(fā)現,CO2倍增顯著提高了植物的凈光合速率。本研究中CO2倍增同樣顯著提高了霍山石斛的凈光合速率,在90 d達到最大值,比同期的對照組增加了51%,整個180 d試驗期間平均增幅達27%。不少研究者還發(fā)現,長期提高栽培環(huán)境中的CO2濃度會導致植物的光合能力降低,即“光合適應”或“光合下調”,可能的原因是長期的高CO2濃度降低Rubisco的含量和色素對光的捕捉能力,進而減弱植物的光合能力[24]。在本研究中,霍山石斛在CO2倍增處理180 d后并沒有出現光合適應現象,這與在鐵皮石斛上的結果一致[25],但霍山石斛增加處理天數后的變化則需要進一步研究。
氣孔的關閉受到多種因素的影響,如水分、光照、溫度、CO2濃度等。為了更有效地利用CO2,植物減少了Gs,減少了水分蒸發(fā)。Gs對大氣CO2濃度增加的響應本質上是植物對水資源利用的調節(jié),也是植物水分生理的調節(jié)過程[13]。Ruhil等[26]發(fā)現高CO2濃度下芥菜的凈光合速率平均提高了48%;氣孔導度平均下降了23%,蒸騰速率下降了39.3%,在非洲菊[13]、大麥[27]上也得到相似的結果。但在本研究中,CO2倍增提高了霍山石斛氣孔導度和蒸騰速率,鐵皮石斛上也觀察到了類似的情況[25],這可能的原因是環(huán)境相對濕度較高,霍山石斛通過增強氣孔導度以獲取更多的CO2來進行光合作用。雖然處理組的蒸騰速率顯著提高,但隨著處理時間延長,還是有效地提高了霍山石斛的水分利用率。
增加CO2濃度能夠提高植物的光合能力,促進植物生長,進而增加植物的生物量、產量和干物質的積累,但這種作用會隨著物種、生長季節(jié)的不同而有所不同[28]。CO2處理能使C3作物增產10%~20%,C4作物增產0%~10%[29-30]。筆者前期發(fā)現CO2倍增能顯著提高鐵皮石斛的鮮重、干重和莖長,但對莖粗無顯著影響[25]。本研究結果與鐵皮石斛類似,霍山石斛莖的干重和鮮重分別提高了24%和18%,莖長也顯著提高了21%。同時,前人發(fā)現高濃度CO2都能促進擬南芥根的生長[31],而根系的發(fā)達有利于植物在高濃度CO2下對水分和氮的獲取和利用[32]。本研究中CO2倍增處理則顯著提高了霍山石斛幼苗的著根率和存活率,并使其根系生長旺盛,從而有利于植物更好地吸收水分和無機鹽,促進了新芽的分蘗和生長,新芽的快速生長又可以提高霍山石斛的光合能力,增加霍山石斛的物質積累,反過來促進根系的生長。此外,大部分植物在長期高CO2濃度條件下都會出現葉片可溶性蛋白質含量下降的現象。對蝴蝶蘭[33]、芥菜[26]研究發(fā)現,CO2加富均降低了植物葉片的可溶性蛋白質含量,而鐵皮石斛在CO2倍增處理120 d時才出現顯著下降的情況[25]。本研究中霍山石斛在CO2倍增處理60 d時,單位葉片中可溶性蛋白質含量就出現顯著下降的情況,且在120 d時處理組和對照組的差異達到最大值。這可能與CO2濃度升高使Rubisco含量的下降有關[34],而Moore等[24]也發(fā)現長期CO2加富會導致Rubisco蛋白基因表達下調,編碼Rubisco蛋白的小亞基轉錄水平也出現下調。
增加CO2濃度還會誘導植物的營養(yǎng)組分發(fā)生變化,進而改變作物的營養(yǎng)價值。Mamatha等[10]發(fā)現CO2施肥能顯著增加了番茄的氨基酸含量,約為16.13%,但處理組的總酚、總黃酮、抗氧化物質、類胡蘿卜素和番茄紅素含量均出現了下降。筆者前期發(fā)現CO2倍增處理鐵皮石斛180 d后,其莖中的多糖、生物堿、總氨基酸和總黃酮含量均與對照無顯著差異[25]。本研究中,CO2倍增對霍山石斛莖的有效成分的影響是不同的,其中多糖含量顯著增加了94%,而生物堿含量顯著降低了20%,總黃酮和總氨基酸含量則變化不顯著?!吨腥A人民共和國藥典》2020版規(guī)定霍山石斛的多糖含量不得少于17%(以干燥品計)[17],而隨著栽培時間的延長,霍山石斛多糖含量也會不斷積累,其中以兩年生霍山石斛莖中多糖積累量最高[35]。筆者對霍山石斛僅栽培了180 d,尚未完全成熟,但兩組之間的顯著差異說明CO2倍增有利于霍山石斛莖中多糖的積累。
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