不同光境下多花黃精光合特性及形態(tài)結(jié)構(gòu)比較

賀安娜，伍賢進(jìn)※，李勝華，何述金

（1.懷化學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院，民族藥用植物資源研究與利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘西藥用植物與民族植物學(xué)湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 懷化 418008；2.湖南新匯制藥股份有限公司，湖南 長沙 410200）

多花黃精（PolygonatumcyrtonemaHua）為百合科黃精屬多年生草本植物，具補(bǔ)氣養(yǎng)陰、健脾、潤肺、益腎等功效，為傳統(tǒng)大宗珍貴中藥材[1]，也是國家批準(zhǔn)的藥食同源植物，其肥厚的根狀莖富含黃精多糖、類固醇皂苷、黃酮苷等化合物[2]，具有降血糖、降血脂、提高免疫力的作用[3]，在保健品及功能性食品開發(fā)等方面具有廣闊的發(fā)展前景。

隨著多花黃精藥用特別是食用的不斷增加，野生資源正日益枯竭，人工種植則方興未艾。光照條件是植物生長發(fā)育最重要的外部條件，對栽培多花黃精光合生理特性研究表明，多花黃精不耐強(qiáng)光照射，人工種植需拉遮陽網(wǎng)，遮光率40%~50%時光合速率最高[4-8]。野生的多花黃精常分布于林下及林緣，喜陰濕的環(huán)境，林下種植是其非常合適的栽培模式[9]。研究表明，多花黃精對光強(qiáng)的適應(yīng)能力非常強(qiáng)，從全光照至郁閉度90%的林下都能生長發(fā)育[10]。這些研究結(jié)果顯示，人工種植多花黃精，光照強(qiáng)度的選擇仍然需要進(jìn)一步論證。而且，植物生長發(fā)育不僅受光照強(qiáng)度影響，光質(zhì)的影響也不可忽視[11-12]。這是因?yàn)橹参锶~綠體色素對光的吸收集中在可見光的藍(lán)色（400~500 nm）和紅色（600~700 nm）區(qū)域，相同的光強(qiáng)下，光質(zhì)不同可引起葉綠素含量及比例發(fā)生變化[13]，植物形態(tài)建成也受光質(zhì)的影響，紫外光抑制莖的生長，使植株變得矮小，紅光則能促進(jìn)莖的生長，增加地上部分的生物產(chǎn)量[14]。人工遮陰可以改變光照強(qiáng)度，但基本不能改變光質(zhì)。相反，林下不僅光照強(qiáng)度較低，而且光質(zhì)也因上層樹葉對大部分紅光和部分藍(lán)光的吸收造就了與遮陽網(wǎng)不同的光質(zhì)。但目前對不同光環(huán)境下，多花黃精生理特性和生長發(fā)育所受的影響還缺乏足夠的研究。為此，本文通過對不同光照環(huán)境下多花黃精生理特性的研究，可為多花黃精的人工栽培選擇適合的光環(huán)境提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)，也可為類似喜陰作物栽培提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及處理

2019年12月，挑選大小一致、無病蟲害的多花黃精種莖種植于塑料花盆內(nèi)，每盆種植一株，用土量保持一致?；ㄅ璺謩e置于全日照下（100%透光率）、香樟樹下（40%透光率）及遮陽網(wǎng)致的陰網(wǎng)棚下（40%透光率），每種處理放置15盆，三種處理的直線距離不超過100 m，處理期間保證一致的澆水和施肥量。2020年8月待多花黃精進(jìn)入果熟期時進(jìn)行測定。

1.2 方法

1.2.1 氣體交換參數(shù)及葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定

選擇晴朗的天氣，隨機(jī)選取生長正常的多花黃精中段葉片，于8∶30—10∶00使用Li-6400便攜式光合儀（Li-COR,USA）對瞬時氣體交換參數(shù)進(jìn)行測定。光照、二氧化碳濃度等均采用自然條件，記錄凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間二氧化碳濃度（Ci）等參數(shù)。每組處理測定3株約10片葉。

用錫箔紙包裹好待測的中段葉，使其暗適應(yīng)30 min后，用Li-6400便攜式光合儀的熒光探頭測定原初熒光（Fo）及暗中最大熒光（Fm）。打開葉室，讓葉片在光下活化30 min后，測定測穩(wěn)態(tài)熒光（Fs）、最大熒光（F′m）及最小熒光（F′o）。計(jì)算光化學(xué)猝滅系數(shù)：qP=(Fm'－Fs)/(Fm'－Fo')，非光化學(xué)猝滅系數(shù)：qN=(Fm－Fm')/(Fm－Fo')，實(shí)際光化學(xué)效率：ΦPSⅡ=(Fm'－Fs)/Fm'，電子傳遞速率：ETR=ΦPSⅡ×0.5×0.84×400。每組處理測定10片葉。

1.2.2 葉綠素含量測定

取健康的中段葉片，去除主脈稱量0.2 g，用95%的乙醇提取并定容至25 ml，分別在665，649，470 nm波長下測定光吸收值。葉綠體色素的含量(mg/g·FW)=(C×V×N)/m×1 000，式中：C為色素濃度（mg/L），V為提取液體積（25 ml），N為稀釋倍數(shù)，m為樣品質(zhì)量（0.2 g左右），1000是表示1 L=1 000 ml。每種處理重復(fù)3次。

1.2.3 葉片顯微結(jié)構(gòu)觀察

選取健康的中段葉，F(xiàn)AA固定液固定24 h以上。葉橫切觀察采用石蠟切片的方法，經(jīng)染色、脫水、透明、浸蠟、包埋、切片、脫蠟等程序后，封片拍照；葉表皮結(jié)構(gòu)的觀察采用徒手切片的方法，制作臨時裝片拍照。采用Olympus BX-60型光學(xué)顯微鏡觀察葉片顯微結(jié)構(gòu)并拍照，采用PhotoShop13.0.1圖片處理軟件進(jìn)行圖片合并及有關(guān)數(shù)據(jù)的測量，每組處理重復(fù)3~5次。

1.2.4 株葉形態(tài)及生物產(chǎn)量測定

用軟尺測株高、葉長、葉寬，用游標(biāo)卡尺測莖粗（莖基部離地面1 cm處的直徑）、用Li-3000C葉面積儀（Li-COR,USA）測定單株的功能葉面積。每組處理取15株。

材料處理完畢后，挖出地下部分洗凈，測定地上、地下部分鮮重，計(jì)算根冠比。黃精多糖含量按照《中華人民共和國藥典》規(guī)定的方法測定[1]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光境下多花黃精葉片氣體交換參數(shù)比較

表1表明，8月中旬多花黃精地上部分的生長進(jìn)入緩慢期，各光境下的凈光合速率（Pn）都較低，Pn最高的為香樟樹下處理組，為4.02μmol·m-2·s-1，全光照下最低。氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率也是香樟樹下的最高，也正是因?yàn)橛休^高的蒸騰速率，香樟樹下的水分利用率（WUE）最低。陰網(wǎng)棚下處理的多花黃精葉片氣孔導(dǎo)度（Gs）及胞間二氧化碳濃度（Ci）顯著低于其他兩項(xiàng)處理，說明此時光合速率受氣孔因子限制，氣孔關(guān)閉也使蒸騰速率（Tr）維持在較低的水平。

表1 不同光境下多花黃精葉片氣體交換參數(shù)比較

2.2 不同光境下多花黃精葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)及葉綠素含量比較

表2顯示，三種光境處理下的多花黃精葉片F(xiàn)v/Fm及Fv/Fo沒有顯著差異，說明三種光境下葉片光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心原初光能轉(zhuǎn)換效率及從Cha/b蛋白復(fù)合體LHCP到光系統(tǒng)Ⅱ的光能傳遞能力沒有顯著差異，但香樟樹下的非光化學(xué)淬滅（qN）最低，且實(shí)際光化學(xué)反應(yīng)速率（ΦPSⅡ）和電子傳遞效率（ETR）最高，且與另兩種處理達(dá)到顯著水平。因此，香樟林下葉片對光能的利用能力較強(qiáng)。

表2 不同光境下多花黃精葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)比較

從表3結(jié)果看，香樟樹下的多花黃精葉片葉綠素a含量高于陰網(wǎng)棚下的處理，葉綠素b則低于陰網(wǎng)棚下的，但差異均未達(dá)顯著水平。類胡蘿卜素能抗光氧化，有利于抵御不良環(huán)境，該含量以全日照下最高，香樟林下次之，陰網(wǎng)棚下最低且與全日照和香樟林下有顯著差異。

表3 不同光境下多花黃精葉片葉綠素含量比較

2.3 不同光境下多花黃精葉片顯微結(jié)構(gòu)比較

多花黃精葉沒有明顯柵欄組織與海綿組織之分，屬等面葉（見圖1）。全日照和香樟樹下的葉上表皮排列整齊，緊靠上表皮的葉肉細(xì)胞呈橢球型，排列也較緊密，陰網(wǎng)棚下的葉片葉肉細(xì)胞排列則較疏松，全日照和香樟樹下的葉片較厚，葉脈明顯，維管組織發(fā)達(dá)。

圖1 不同光境下多花黃精葉橫切

多花黃精葉片上表皮細(xì)胞呈長方形，排列緊密，未見氣孔分布；下表皮細(xì)胞呈不規(guī)則型，氣孔均勻的分布在下表皮，未見護(hù)衛(wèi)細(xì)胞（見圖2）。多花黃精葉表皮的顯微結(jié)構(gòu)在不同光境下有差異，表現(xiàn)為香樟樹下的上表皮細(xì)胞最長、最寬；氣孔密度最高是全日照下的，有94.3個/mm2，氣孔指數(shù)也顯著高于其他兩項(xiàng)處理；陰網(wǎng)棚下葉的氣孔密度最低，僅57.4個/mm2（見表4）。

圖2 不同光境下多花黃精葉表皮結(jié)構(gòu)

表4 不同光境下多花黃精葉表皮細(xì)胞特征

2.4 不同光境下多花黃精株葉形態(tài)及生物產(chǎn)量比較

多花黃精的株高在不同光境條件下存在顯著差異（見表5），陰網(wǎng)棚下最高，可達(dá)85.4 cm，全日照下最低，只有49.1 cm；莖粗、葉長、葉寬等以陰網(wǎng)棚下最高，但三種處理之間無顯著差異；單葉葉面積以全日照最低，且與陰網(wǎng)棚和香樟林下有顯著差異。

表5 不同光境下多花黃精株葉形態(tài)比較

不同光境下多花黃精的生物量也有很大差異（見表6），全日照條件下單株鮮重最低，僅73.9 g，但根冠比最高，說明強(qiáng)光照有利于地下莖的積累；香樟樹下的單株鮮重最高，多糖含量也最高，陰棚內(nèi)的單株鮮重、根冠比適中，但多糖含量最低。

表6 不同光境下多花黃精生物產(chǎn)量比較

3 討論

光合作用是為地球生命提供動力的綠色引擎，能直接影響植物的產(chǎn)量及品質(zhì)。實(shí)驗(yàn)中，8月下旬多花黃精進(jìn)入果熟期，三種光照條件下凈光合速率都不高，尤其是全日照條件下的凈光合速率僅1.53μmol·m-2·s-1，說明全日照下的多花黃精衰老速度最快，適當(dāng)遮陰有利于延長多花黃精葉光合功能的持續(xù)時間，有利于促進(jìn)生長，這與生物量差異也很一致。相同的光強(qiáng)下，不同的光質(zhì)對植物光合作用的影響不同，在能量較高的藍(lán)光照射下，植物的非光化學(xué)淬滅NPQ更高[15]。與全光照相比，香樟樹下的散射光和藍(lán)紫光更多，該光境下多花黃精葉片的非光化學(xué)淬滅（qN）最低，葉片實(shí)際光化學(xué)反應(yīng)速率（ΦPSⅡ）和電子傳遞效率（ETR）最高，說明多花黃精對這類高能的藍(lán)紫光利用能力較強(qiáng)。三種光境下，這些光合作用有關(guān)參數(shù)的變化與他們生物量的積累也是一致的。葉綠素是光能轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，其含量的適當(dāng)增加有利于捕捉光量子，總?cè)~綠素含量的增加與PSI的易感性有關(guān)[16]，多花黃精在三種光境下，總?cè)~綠素含量沒有顯著差異，表明這些光境條件下葉綠素的含量都能滿足多花黃精光量子的捕捉。類胡蘿卜素是一種重要的抗氧化劑，全光照下的高含量是植物適應(yīng)環(huán)境的表現(xiàn)，能減少強(qiáng)光對葉片造成的損傷。

決定光合作用功能的葉片結(jié)構(gòu)在不同光境下，也會作出適應(yīng)性的改變，如藍(lán)光可使油菜葉片柵欄組織排列更緊湊[17]。實(shí)驗(yàn)中，全日照和香樟樹下的多花黃精葉片細(xì)胞排列緊密，維管組織發(fā)達(dá)，氣孔密度、氣孔指數(shù)也較大，且三組處理之間的差異都達(dá)顯著水平，說明光照黃精對多花黃精也的發(fā)育產(chǎn)生了實(shí)質(zhì)性影響。香樟樹下與陰網(wǎng)棚下的光強(qiáng)雖然一樣，但香樟樹下的多花黃精葉片細(xì)胞排列更緊密，形成更多的氣孔以適應(yīng)高能的藍(lán)紫光環(huán)境。這些結(jié)果說明，香樟樹下雖然光照強(qiáng)度降低了，但因光質(zhì)的改變，其葉的結(jié)構(gòu)發(fā)育仍然能達(dá)到較強(qiáng)光照的程度，而單純通過遮陽網(wǎng)降低光強(qiáng)，其光環(huán)境不如林下更適合多花黃精生長。

光照強(qiáng)度減少能促使植物株高增加，相同光照強(qiáng)度下，林下比遮陽網(wǎng)下光的藍(lán)紫光成分更多，也更利于黃精這類陰生植物的生長發(fā)育。因此，陰網(wǎng)棚下的多花黃精株高雖然最高，但莖粗、葉長、葉寬和葉面積與香樟林下并無顯著差異，而且從葉的細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)看，香樟林下細(xì)胞組織更致密，故香樟林下地上部分鮮重比陰網(wǎng)棚下更高。不僅是地上部分鮮重，香樟林下地下部分鮮重也是三個處理中最高的。這些與香樟林下凈光合速率高的數(shù)據(jù)一致，也說明香樟林下更適合光合產(chǎn)物在黃精地下部分積累?？傊?，多花黃精為等面葉，屬陰生植物，能有效利用短波長的藍(lán)紫光，林下種植多花黃精優(yōu)于遮陽網(wǎng)遮陽處理。為了提高遮陽網(wǎng)下種植黃精的產(chǎn)量和品質(zhì)，可考慮增加短波長藍(lán)紫光的輔助設(shè)施。