不同半夏屬植物光合作用相關(guān)生理特征研究

陳美倩 夏令 羅睿

摘 要：半夏屬植物多為重要的藥用植物，其光合生理相關(guān)特征的探究對栽培生產(chǎn)、野生資源保護等具有重要意義。本文對半夏屬的三個物種四種材料（半夏、盾葉半夏、綠葉型滴水珠和斑葉型滴水珠）進行了光響應(yīng)曲線、光合色素含量及葉片下表皮氣孔特征的比較研究。結(jié)果表明：半夏屬植物都具有低光補償點（≤23.72 μmol光子·m-2·s-1）、低光飽和點（≤775.12 μmol光子·m-2·s-1）、較高的表觀光合量子效率（除半夏外都在0.05左右）、較低的葉綠素a/b比值（≤2.88）和較低的氣孔密度（≤58.46個·mm-2），都是典型的陰生植物。結(jié)果顯示半夏屬植物的栽培生產(chǎn)和資源保護需要進行適當(dāng)?shù)恼陉幪幚怼?/p>

關(guān)鍵詞：光響應(yīng)曲線;光合色素;氣孔特征;陰生植物

中圖分類號：Q945

文獻標(biāo)志碼：A

天南星科半夏屬植物（Pinellia Tenore）是主要分布在東亞的多年生草本植物，目前在中國發(fā)現(xiàn)半夏（P.ternata）、盾葉半夏（P.peltata）和滴水珠（P.cordata）等10種[1-3]。半夏屬植物多作為傳統(tǒng)的中藥材，具有燥濕化痰、降逆止嘔、消痞散結(jié)等作用[4]。半夏是本屬中分布與使用最為廣泛的中藥植物，在中國多數(shù)省區(qū)均有分布，其塊莖制成品包括清半夏、法半夏和姜半夏等[5]。盾葉半夏是我國特有瀕危藥用植物[6]，主要分布于浙江、福建少數(shù)地區(qū)，分布狹窄且因人為干擾導(dǎo)致分布區(qū)逐漸縮小。滴水珠主要分布于長江以南地區(qū)，在自然環(huán)境中存在綠葉型（gree leaves， GL）和斑葉型（variegated leaves， VL）兩種生態(tài)型。

半夏是眾多中藥復(fù)方中的主要配伍藥材，目前主要通過栽培生產(chǎn)滿足市場需要[5]。光合作用是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，植物光合特征的研究對于栽培生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。半夏的光合生理研究表明適當(dāng)遮陰有利于其生長并增加藥材產(chǎn)量[7-8]。除此之外，部分研究探究了半夏的光補償點、光飽和點和表觀量子效率等光合特性[9-11];也對其光合色素含量[11-12]和氣孔[13]的特征進行了初步研究。盾葉半夏與滴水珠主要是在民間應(yīng)用，沒有形成大規(guī)模的市場需求，目前尚未進行栽培生產(chǎn)且缺乏光合特征相關(guān)的研究報道。植物光合特性也是探討其光照條件適應(yīng)性、生態(tài)型差異穩(wěn)定性、瀕危植物保護的基礎(chǔ)。鑒于目前半夏屬植物光合特性的研究主要集中在半夏上，本研究擬對半夏、盾葉半夏和滴水珠的光合特性進行比較研究，以揭示該屬不同物種的光合特性差異，為半夏屬的進一步開發(fā)利用及資源保護等提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

野外采集的半夏（采自貴州省貴陽市花溪區(qū)）、盾葉半夏（采自浙江省溫州市永嘉縣）和滴水珠兩個生態(tài)型（綠葉型滴水珠、斑葉型滴水珠，均采自浙江省溫州市永嘉縣）植株種植于實驗室內(nèi)。在5月中旬，選擇生長良好、展葉充分的植株葉片進行光合特性研究。

1.2 試驗方法

1.2.1 光響應(yīng)曲線測定

從栽培植株中選擇生長情況一致且生長旺盛的植株在早上8：00—16：00進行試驗，半夏、盾葉半夏、綠葉型滴水珠和斑葉型滴水珠光響應(yīng)曲線測定時選擇個體數(shù)分別為3、3、6、4株（每株選1片葉片進行測定）。光響應(yīng)曲線測定（YsZQ-100C，翼鬃麒科技（北京）有限公司）時設(shè)置的光強梯度如下：0～300 μmol·m-2·s-1時光強梯度為30 μmol·m-2·s-1;300～2 460 μmol·m-2·s-1時光強梯度為90 μmol·m-2·s-1。光合速率測定的穩(wěn)定時長為60 s，預(yù)照時長為150 s，重復(fù)測定3次，計算各光照強度下光合速率的平均值，并通過Excel 2010處理繪制實測光響應(yīng)曲線。利用SPSS Statistics 24軟件對光響應(yīng)曲線進行擬合，擬合模型采用直角雙曲線修正模型[14]：Pn（I）=α1-βI1+γI I-Rd。其中，Pn為凈光合速率，μmol·m-2·s-1;I為光合有效輻射，μmol·m-2·s-1;α為初始量子效率;Rd為暗呼吸速率，μmol·m-2·s-1。擬合（非線性回歸分析）時設(shè)置各參數(shù)初始值為α=0.05、β=0.000 1、γ=0.01、Rd=1、Pn max=實測值，參數(shù)限制為α≤0.125、Pn max≤30，保存數(shù)據(jù)選擇預(yù)測值，運用序列二次規(guī)劃法或迭代法[15]估算模型中不同植物的各參數(shù)值，以及運用直角雙曲線修正模型擬合得到光響應(yīng)擬合曲線散點圖[14]。由于直角雙曲線模型是一個有極值的函數(shù)，可直接由上述表達式求出4種半夏屬植物的最大凈光合速率Pn max、光飽和點Isat和光補償點Ic的解析解[16]。最后將不同半夏屬植物在弱光條件下（I≤200 μmol·m-2·s-1）凈光合速率的直角雙曲線修正模型擬合預(yù)測值與其各對應(yīng)的光照強度進行線性回歸處理[17]。

1.2.2 光合色素含量的測定

每種半夏屬植物選擇4株植物的成熟葉片進行光合色素含量的測定，測定方法為丙酮提取法[18-19]。測定結(jié)果利用Excle 2010進行單因素方差分析，并在0.05和0.01水平上進行新復(fù)極差檢驗（the shortest significant range method，SSR）的多重比較分析。

1.2.3 葉片下表皮氣孔特征觀察

每種半夏屬植物選擇3株植株的成熟葉片取下表皮進行制片、觀察和拍照（OLYMPUS BX53），利用Image-Pro Plus 6.0進行下表皮細胞和氣孔計數(shù)，然后計算氣孔密度和氣孔指數(shù)[13]。利用Excle 2010進行測定結(jié)果的分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 光響應(yīng)曲線

不同半夏屬植物的光響應(yīng)實測曲線（圖1（a））表明：光照強度在0～200 μmol·m-2·s-1時，凈光合速率呈線性增加;在200～800 μmol·m-2·s-1時，凈光合速率隨著光照強度的增加而增加，但增加速率逐漸降低;高于800 μmol·m-2·s-1后，不同植物均達到光飽和（斑葉型滴水珠的光合速率最大、盾葉半夏次之，綠葉型滴水珠和半夏最小且兩種植物基本一致）。數(shù)據(jù)擬合得到的光響應(yīng)擬合曲線（圖1（b））表明：不同植物在低于800 μmol·m-2·s-1的光照條件下達到光飽和;在1 800 μmol·m-2·s-1左右的高光強下有明顯的光抑制現(xiàn)象。弱光條件下（I≤200 μmol·m-2·s-1）回歸分析表明：表觀光合速率Pn與光照強度呈線性關(guān)系（最小的R2值為0.967 7），凈光合速率由低到高依次是半夏、綠葉型滴水珠、盾葉半夏和斑葉型滴水珠（圖1（c））。

不同植物的光飽和點、光補償點和表觀光合量子效率等有明顯差異（表1）。綠葉型滴水珠光飽和點最高，為775.12 μmol光子·m-2·s-1，而斑葉型滴水珠光飽和點最低，為484.23 μmol光子·m-2·s-1。斑葉型滴水珠光補償點最低，為16.16 μmol光子·m-2·s-1，而盾葉半夏光補償點最高，為23.72 μmol光子·m-2·s-1，兩種生態(tài)型的滴水珠光補償點都低于其它兩種植物。在表觀光合量子效率上盾葉半夏最高，為0.060;半夏最低，為0.037。不同植物擬合時的決定系數(shù)R2均在0.98左右，但半夏的擬合程度最好，R2為0.99。

2.2 光合色素含量

不同植物葉片光合色素含量測量結(jié)果（表2）表明：葉綠素a含量、葉綠素總含量、類胡蘿卜素含量、總光合色素含量都是半夏屬植物高于其它植物，呈極顯著差異（P<0.01），但是斑葉型滴水珠、綠葉型滴水珠和盾葉半夏之間差異不顯著（P>0.05）;葉綠素b含量從高到低依次為半夏、斑葉型滴水珠、盾葉半夏和綠葉型滴水珠，半夏和斑葉型滴水珠之間及盾葉半夏和綠葉型滴水珠之間差異不顯著（P>0.05）;葉綠素a與葉綠素b的比值從高到低依次為半夏、綠葉型滴水珠、盾葉半夏和斑葉型滴水珠，其間的差異在顯著水平上有差異（P<0.05），但在極顯著水平上無差異（P>0.01）;葉綠素與類胡蘿卜素比值在不同植物間存在差異，但差異不顯著（P>0.05）。

2.3 氣孔形態(tài)特征

四種植物下表皮上的氣孔均為腎形，保衛(wèi)細胞中有大量葉綠體（圖2）。不同植物的氣孔數(shù)量特征上存在差異（表3）：斑葉型滴水珠葉片下表皮單位面積表皮細胞數(shù)與其它三種之間差異極顯著（P<0.01），而這三種之間差異不顯著（P>0.05）;氣孔密度從大到小依次為斑葉型滴水珠、半夏、綠葉型滴水珠和盾葉半夏，半夏與綠葉型滴水珠之間存在極顯著差異（P<0.01），而綠葉型滴水珠與盾葉半夏之間差異不顯著（P>0.05）;氣孔指數(shù)從大到小為半夏、斑葉型滴水珠、綠葉型滴水珠和盾葉半夏，在斑葉型滴水珠與綠葉型滴水珠之間存在極顯著差異（P<0.01），而綠葉型滴水珠與盾葉半夏之間差異不顯著（P>0.05）。

3 討論與結(jié)論

本研究顯示半夏屬植物具有20.76 μmol光子·m-2·s-1的光補償點和0.037的表觀光合量子效率，測定結(jié)果與已報道的半夏光補償點為19.19 μmol光子·m-2·s-1[9]、表觀光合量子效率為0.03[10]等結(jié)果基本一致。在光合色素的研究中，肖亞雯等[11]發(fā)現(xiàn)在不同居群的半夏植株中其葉綠素a含量在1.20～1.84 mg·g–1之間，葉綠素b含量在0.44～0.66 mg·g–1之間，葉綠素總量在1.68～2.58 mg·g–1之間，葉綠素a與葉綠素b的比值在2.47～2.74之間，類胡蘿卜素含量在0.25～0.40 mg·g–1之間，本研究測定結(jié)果與此相符（表2）。張樂容[13]對半夏氣孔的研究結(jié)果顯示半夏、盾葉半夏和滴水珠的氣孔指數(shù)分別為18.44%、12.00%、12.16%，報道結(jié)果與本文所得數(shù)據(jù)基本一致（表3）。

植物對環(huán)境的光強適應(yīng)表現(xiàn)在光響應(yīng)曲線特征上，陽生植物的光飽和點一般為1 500～2 000 μmol光子·m-2·s-1，光補償點為50～100 μmol光子·m-2·s-1;陰生植物的光飽和點為500～1 000 μmol光子·m-2·s-1，光補償點小于20 μmol光子·m-2·s-1[20]，而植物在自然條件下測定的表觀光合量子效率范圍為0.03～0.05，一般表觀光合量子效率越高的植物越耐陰[21]。半夏、盾葉半夏和滴水珠（綠葉型與班葉型）的光飽和點在484.00～776.00 μmol光子·m-2·s-1范圍之間，光補償點在20 μmol光子·m-2·s-1左右，表觀光合量子效率大于或幾乎等于0.05（除了半夏為0.037，但其光飽和點和光補償點都相對較低）。因此，半夏、盾葉半夏和滴水珠都屬于陰生植物。有學(xué)者認為陰生植物葉片的葉綠素a/b小于3[22]，氣孔密度低于100個·mm-2[23]，而4種植物的葉綠素a/b均小于3，氣孔密度更是遠遠小于100個·mm-2，所以半夏、盾葉半夏和滴水珠的光合色素含量特征和氣孔特征也具有典型的陰生植物特征。

綜上所述，半夏、盾葉半夏和滴水珠（綠葉型與班葉型）都是適應(yīng)陰生環(huán)境的植物，在栽培生產(chǎn)中進行適當(dāng)?shù)恼陉幪幚砜衫谥仓晟L。

參考文獻：

[1]ZHU G H， LI H， LI R. A synopsis and a new species of the E Asian genus Pinellia （Araceae）[J]. Willdenowia， 2007， 37（ 2）： 503-522.

[2]LI H， BOGNER J. Flora of China（PINELLIA Tenore）[M]. Beijing： Science Press and Missouri Botanical Garden Press， 2010.

[3]LIU Y J， NEWMASTER S G， WU X J， et al. Pinellia hunanensis （Araceae）， a new species supported by morphometric analysis and DNA barcoding[J]. Phytotaxa， 2013， 130（ 1）： 1-13.

[4]蔡世珍， 鄒忠梅， 徐麗珍， 等. 半夏屬藥用植物的研究進展[J]. 國外醫(yī)學(xué)（中醫(yī)中藥分冊）， 2004， 26（1）： 17-24.

[5]國家藥典委員會. 中華人民共和國藥典[M]. 北京： 中國醫(yī)藥科技出版社， 2015.

[6]環(huán)境保護部， 中國科學(xué)院， 中國生物多樣性紅色名錄-高等植物卷[DB/OL]. [2013-9-2]. http：//www.iplant.cn/rep/protlist/4.

[7]鄭茹茹. 光照和水分對半夏生長及藥材質(zhì)量的影響[D]. 陜西： 西北農(nóng)林科技大學(xué)， 2016.

[8]任麗華， 高秋美， 孟慶峰， 等. 不同遮蔭處理對林下半夏生長及光合特性的影響[J]. 山東農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2017， 49（5）： 60-62.

[9]靳忠英， 彭正松， 李育明， 等. 半夏的光合特性[J]. 作物學(xué)報， 2006， 32（10）： 1542-1548.

[10]孫年喜， 李隆云， 鐘國躍， 等. 半夏光合特性研究[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報， 2009， 22（ 1）： 71-73.

[11]肖亞雯， 王康才， 楊磊， 等. 不同居群半夏光合及熒光動力學(xué)研究[J]. 中國中藥雜志， 2009， 34（11）： 1339-1342.

[12]孟祥海， 張躍進， 皮莉， 等. 遮蔭對半夏葉片光合色素與保護酶活性的影響[J]. 西北植物學(xué)報， 2007（6）： 1167-1171.

[13]張樂容， 楊在君， 魏淑紅， 等. 中國半夏屬葉表皮特征初步研究[J]. 時珍國醫(yī)國藥， 2014， 25（3）： 753-755.

[14]李曉宇， 韓丹， 王敏. 小葉楊的光響應(yīng)曲線及其模型擬合[J]. 湖南林業(yè)科技， 2018， 45（4）： 40-44.

[15]葉子飄， 李進省. 光合作用對光響應(yīng)的直角雙曲線修正模型和非直角雙曲線模型的對比研究[J]. 井岡山大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2010， 31（3）： 38-44.

[16]柴勝豐， 唐健民， 楊雪， 等. 4種模型對黃枝油杉光合光響應(yīng)曲線的擬合分析[J]. 廣西科學(xué)院學(xué)報， 2015， 31（4）： 286-291.

[17]蔣冬月， 錢永強， 費英杰， 等. 柳屬植物光合-光響應(yīng)曲線模型擬合[J]. 核農(nóng)學(xué)報， 2015， 29（1）： 169-177.

[18]王瓊. 喜旱蓮子草和接骨草光合色素含量測定方法研究[J]. 西華師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2009， 30（4）： 340-344.

[19]何春霞， 李吉躍， 張燕香， 等. 5種綠化樹種葉片比葉重、光合色素含量和δ～（13）C的開度與方位差異[J]. 植物生態(tài)學(xué)報， 2010， 34（ 2）： 134-143.

[20]蔣高明. 植物生理生態(tài)學(xué)[M]. 北京： 高等教育出版社， 2004.

[21]李合生. 現(xiàn)代植物生理學(xué)[M]. 北京： 高等教育出版社， 2002.

[22]王沙生， 高榮孚， 吳貫明.植物生理學(xué) [M]. 2版. 北京： 中國林業(yè)出版社， 1991.

[23]楊世杰. 植物生物學(xué) [M]. 2版. 北京： 高等教育出版社， 2010.

（責(zé)任編輯：于慧梅）

Abstract：

Species in Pinellia Tenore are generally important medicinal plants. Exploring about photosynthetic characteristics is of great significance for cultivation， production and wild resource protection for these species. Here， the light response curves， contents of photosynthetic pigment， and stomatal characteristics for four kinds of individuals from three species （P. ternata， P. peltata， green leaf type P. cordata and variegated leaf type P. cordata） were compared and studied. Results show that species in Pinellia tenore all possess low light compensation point （≤23.72 μmol photon·m-2·s-1）， low light saturation point（≤775.12 μmol photon·m-2·s-1）， highly apparent quantum efficiency （all except pinellia ternate were around 0.05）， lower value to chl a/b （≤2.88）， and low stomatal density （≤58.46 mm-2）. Pinellia spp.are typical shade plants. These result indicate that shading treatment is necessary for Penellia spp.culture and protection.

Key words：

light response curve; photosynthetic pigements; stomotal characteristic; shade plants