林下栽培多花黃精的形態(tài)及光合特性比較

賀安娜，郭圣軍，劉湘韓，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(zhǎng)沙 410200）

多花黃精（Polygonatum cyrtonemaHua）是黃精屬（Polygonatum）多年生草本植物，也是《中華人民共和國(guó)藥典》規(guī)定的藥材黃精的一種基源植物，其肥厚的根狀莖是主要食用和藥用部位，有補(bǔ)氣養(yǎng)陰、健脾、潤(rùn)肺、益腎等功效，在新藥研制和保健品開(kāi)發(fā)等方面具有廣闊的發(fā)展前景［1］。

為滿足市場(chǎng)對(duì)藥材黃精的需求，眾多學(xué)者基于光合作用對(duì)其高產(chǎn)高效栽培模式進(jìn)行了探索。袁名安等［2］對(duì)多花黃精光合作用的日變化進(jìn)行了測(cè)定，得出光量子密度是影響多花黃精凈光合速率的主要環(huán)境因子；駱緒美等［3］對(duì)多花黃精、長(zhǎng)梗黃精、黃精的光合生理生態(tài)特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)多花黃精較其他兩種植物耐陰，為需光中性的草本植物；李迎春等［4］研究了多花黃精生長(zhǎng)及光合特性，認(rèn)為多花黃精在弱光環(huán)境中利用藍(lán)光的能力強(qiáng)，具很好的耐陰特征。朱波等［5］研究表明大田栽培黃精時(shí)拉網(wǎng)50%的遮陰有利于生長(zhǎng)；透光率60%的陰網(wǎng)下多花黃精的光合效率最高，有利于多花黃精產(chǎn)量的提高和品質(zhì)的形成［6-7］。適當(dāng)遮陰對(duì)多花黃精生長(zhǎng)有利，林下透光率降低，對(duì)栽培復(fù)合系統(tǒng)中的小氣候有明顯的改善作用，可提高黃精葉片的光合速率，促進(jìn)其地下莖的生長(zhǎng)［8］。通過(guò)毛竹林下栽培多花黃精的研究表明，林內(nèi)的立竹密度、坡位及采收季節(jié)對(duì)多花黃精地下塊莖活性成分含量均有一定的影響，同時(shí)毛竹的鞭根和葉水浸液對(duì)多花黃精的生長(zhǎng)還有促進(jìn)作用［9］。

眾多栽培嘗試發(fā)現(xiàn)，林下栽培是大面積推廣多花黃精種植最生態(tài)、經(jīng)濟(jì)的模式，林下栽培中光因子對(duì)植物的影響非常大，以往對(duì)多花黃精的研究中，透光率的下限限于40%左右，但課題組對(duì)黃精屬野生資源的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多花黃精對(duì)光的適應(yīng)性很強(qiáng)，從林緣至透光率極低的密林中均能生長(zhǎng)良好。多花黃精是否能在透光率更低的林中栽培？林下環(huán)境中多花黃精對(duì)光因子改變所作出的適應(yīng)性調(diào)節(jié)有哪些？本文選用廣泛遍布南方的透光率適中的杉木林及透光率極低的楠竹林下栽培多花黃精，以田間無(wú)遮陰為對(duì)照，比較了在這些栽培模式下多花黃精的農(nóng)藝性狀、葉表皮特征及光合特性，以期為多花黃精林下栽培模式的選擇和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及種植

種植地位于湖南省溆浦縣沿溪鄉(xiāng)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，四季分明，海拔900—1 100 m，具有風(fēng)力小，濕度大的氣候特點(diǎn)。用照度計(jì)（美國(guó)LI-COR，LI-250A）測(cè)定光照強(qiáng)度，選擇田間（透光率100%）、杉木林下（透光率約40%±5%）及楠竹林下（透光率約10%±5%）三類光照環(huán)境，種植土壤為有機(jī)質(zhì)含量高的黑色腐殖土，實(shí)驗(yàn)地的距離不超過(guò)1 km。以多花黃精（Polygonatum cyrtonemaHua）種莖為材料，2019年12月種植于實(shí)驗(yàn)地，天旱時(shí)給田間栽培的材料適時(shí)澆水，林下套種的多花黃精不澆水。材料種植兩年后，于2020年7月進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2 方法

1.2.1 農(nóng)藝性狀比較

測(cè)定不同處理多花黃精的株高（莖基部到地上部分最高葉片處的垂直高度）、莖粗（游標(biāo)卡尺測(cè)主莖基部離地面1 cm處的直徑）、葉長(zhǎng)（沿主脈方向測(cè)葉尖到基部的長(zhǎng)度）、葉寬（垂直于主脈葉片最寬的距離）、葉面積（單個(gè)葉片的面積，用美國(guó)LI-COR公司的LI-3000C便攜式葉面積儀測(cè)定，SR.NO.PAM-3033）。每種處理取10株。

1.2.2 葉片表皮結(jié)構(gòu)觀察

配置好FAA固定液（38%甲醛5 ml:冰醋酸5 ml:70%酒精90 ml），在種植地隨機(jī)采取多花黃精的葉片，剪成0.5 cm寬、1 cm長(zhǎng)的小塊，快速放入固定液中固定。24 h后，徒手撕取葉表皮，制作臨時(shí)裝片觀察，用日本Olympus CX51顯微鏡（SN:6B 20930）拍照，Adobe Photoshop CS6測(cè)量顯微數(shù)據(jù)。每種處理取10株的葉片。

1.2.3 葉綠素含量測(cè)定

隨機(jī)采摘無(wú)病蟲(chóng)害的葉片，剪碎稱0.2 g左右，用95%的乙醇研磨提取葉片色素，分別測(cè)定波長(zhǎng)665 nm，649 nm和470 nm下的吸光值，參照公式：

計(jì)算出色素濃度（mg/L），依據(jù)植物組織重量（鮮重）、稀釋倍數(shù)及定容的體積，算出色素的含量（mg/g）。每種處理3次平行實(shí)驗(yàn)。

1.2.4 氣體交換參數(shù)測(cè)定

選擇風(fēng)和日麗的天氣，于上午8:00至10:00用美國(guó)LI-COR公司生產(chǎn)的LI-6400便攜式光合儀（SR.NO.PSC-1971）進(jìn)行測(cè)定。數(shù)值穩(wěn)定后，記錄瞬時(shí)凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）等。每組處理隨機(jī)挑選成熟健康的葉片10片，取平均值，并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)誤。

光響應(yīng)曲線測(cè)定選擇在晴天的上午8:00至10:00，葉片在自然光下適應(yīng)1~2 h，設(shè)定紅藍(lán)光源的光強(qiáng)（PPED）梯度為0、20、40、60、90、120、150、200、300、500、700、1 000、1 200、1 500、1 800、2 000μmol photons/(m2·s)，儀器自動(dòng)記錄凈光合速率（Pn）等參數(shù)。每組處理隨機(jī)挑選成熟健康的葉片10片，通過(guò)光響應(yīng)曲線擬合軟件（Photosynthesis v1.0）擬合得到暗呼吸速率（Rd）、表觀量子效率（AQY）等光響應(yīng)曲線參數(shù)。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析

所測(cè)定的結(jié)果取平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差，光合儀導(dǎo)出的數(shù)據(jù)用SPSS及Excel統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析與繪圖，不同處理間的數(shù)據(jù)采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行比較，顯著性水平設(shè)置為α=0.05。Photosynthesis（光響應(yīng)曲線擬合軟件）v1.0綠色版擬合光響應(yīng)曲線參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)藝性狀

多花黃精的光適應(yīng)性很好，由田間100%的透光率到楠竹林下10%的透光率都能正常生長(zhǎng)，并順利完成開(kāi)花、結(jié)實(shí)的過(guò)程，但在不同的栽培條件下，形態(tài)發(fā)生很大改變。表現(xiàn)為，隨光照程度降低，株高顯著增加（表1），楠竹林下栽培的株高可達(dá)95.4 cm，是田間栽培植株的2.2倍，杉木林下的株高為田間栽培的1.5倍；莖粗也顯著增加，楠竹林下的莖粗為0.72 cm，是田間栽培的6.5倍，是杉木林下栽培的2.5倍；隨透光率的降低，多花黃精葉長(zhǎng)、葉寬及葉面積都有所增加，其中葉長(zhǎng)和葉面積在三組處理中的差異達(dá)顯著水平，杉木林下多花黃精的葉寬略高于田間栽培，但兩者之間沒(méi)有顯著差異，楠竹林下的植株葉寬顯著高于其他兩組處理。

表1 林下栽培多花黃精的農(nóng)藝性狀Table 1 The agronomic traits of P.cyrtonema Hua under forest cultivation

2.2 葉片表皮顯微特征

多花黃精葉的上表皮細(xì)胞呈長(zhǎng)方形，上表皮未見(jiàn)氣孔分布；下表皮細(xì)胞為不規(guī)則型，氣孔均勻的分布在下表皮，無(wú)護(hù)衛(wèi)細(xì)胞，保衛(wèi)細(xì)胞呈啞鈴狀，長(zhǎng)軸與葉脈平行（圖1）。不同栽培模式下多花黃精葉表皮的顯微結(jié)構(gòu)有差異，表現(xiàn)為，杉木林下栽培的上表皮細(xì)胞最長(zhǎng)，林下栽培的細(xì)胞寬度增加，尤其是楠竹林下栽培細(xì)胞的下表皮寬度顯著高于其他兩類（表2）。隨透光率的降低，氣孔密度也逐步降低，三者均達(dá)顯著水平的差異，氣孔指數(shù)以田間栽培的最高，為27.9%，杉木林下栽培的最低，僅20.7%；杉木林下栽培的氣孔偏小，長(zhǎng)、寬均顯著低于其他兩者。

表2 林下栽培多花黃精葉表皮細(xì)胞特征Table 2 The characters of leaf epidermis of P.cyrtonema Hua under forest cultivation

2.3 葉綠素含量

多花黃精葉片的葉綠素含量隨透光率的降低而升高，田間栽培組的多花黃精葉綠素含量顯著低于兩個(gè)林下栽培組，楠竹林下栽培組的總?cè)~綠素含量可達(dá)3.053 mg/g·FW，田間栽培組的僅1.264 mg/g·FW，但杉木林下和楠竹林下栽培組的含量沒(méi)有顯著差異（表3），葉綠素a/b也沒(méi)有顯著差異。對(duì)不良環(huán)境有抵御作用的類胡蘿卜素含量在田間栽培組中最高，楠竹林下栽培組次之，杉木林下栽培組含量最低，三者差異達(dá)顯著水平。

表3 林下栽培多花黃精的葉綠素含量（單位：mg/g·FW）Table 3 The chlorophyll content of P.cyrtonema Hua under forest cultivation（unit：mg/g·FW）

2.4 氣體交換參數(shù)

田間栽培的多花黃精在高溫強(qiáng)光的7月份長(zhǎng)勢(shì)較差，葉片出現(xiàn)發(fā)黃等逆境表現(xiàn)。氣體交換測(cè)定數(shù)據(jù)顯示田間栽培多花黃精葉片凈光合速率Pn僅1.74μmol/(m2·s)（表4），顯著低于林下栽培組，同時(shí)氣孔導(dǎo)度也最低，胞間二氧化碳濃度最高，說(shuō)明此時(shí)光合速率的降低不僅僅是氣孔因子的限制，全日照下的高溫和強(qiáng)光使光合作用的酶活性也降低了。為了避免高溫給葉片帶來(lái)的傷害，田間栽培的多花黃精葉片蒸騰速率有1.95 mmol/(m2·s)，顯著高于楠竹林下栽培組，導(dǎo)致水分利用率僅0.90 mol/(m2·s)，植株極易發(fā)生水分虧缺。杉木林下栽培的多花黃精凈光合速率、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率均最高，楠竹林下由于透光率過(guò)低，凈光合速率及氣孔導(dǎo)度均不高，但胞間二氧化碳濃度也最低，說(shuō)明此時(shí)凈光合速率、蒸騰速率的降低是氣孔因子限制，葉片生命活動(dòng)正常，因此該條件下的水分利用率也高，為3.97 mol/(m2·s)。

表4 林下栽培多花黃精葉片氣體交換參數(shù)Table 4 The gas exchange parameters of P.cyrtonema Hua under forest cultivation

2.5 葉片光響應(yīng)曲線比較

比較不同栽培模式下，多花黃精葉片光合-光量子密度響應(yīng)曲線可知，光量子密度在200μmol/(m2·s)以下，凈光合速率增加迅速，光量子密度在500μmol/(m2·s)以上時(shí)凈光合速率增長(zhǎng)趨緩，杉木林下栽培的多花黃精光響應(yīng)曲線整體最高，田間栽培的整體最低（圖2）。通過(guò)曲線擬合出的參數(shù)可知，田間栽培的多花黃精暗呼吸速率最高，表觀量子效率、光補(bǔ)償點(diǎn)也最高，說(shuō)明多花黃精在該條件下利用弱光的能力最差；光飽和點(diǎn)也以田間栽培的最低，僅221.3μmol/(m2·s)（表5），最大凈光合速率也最低，說(shuō)明此時(shí)多花黃精對(duì)強(qiáng)光的利用能力也很差。透光率降低，多花黃精葉片的表觀量子效率、光補(bǔ)償點(diǎn)降低，即利用弱光的能力增強(qiáng)，光飽和點(diǎn)及最大凈光合速率以杉木林下栽培的最高，分別為680.2μmol/(m2·s)和8.124μmol/(m2·s)。

圖2 林下栽培多花黃精葉片光合-光量子密度響應(yīng)曲線Fig.2 The Pn(net photosynthetic rate)and light response curve of P.cyrtonema Hua under forest cultivation

表5 林下栽培多花黃精葉片光合-光量子密度響應(yīng)曲線擬合參數(shù)[單位：μmol/(m2·s)]Table 5 Photosynthetic parameters fit by Pn and light response curve of P.cyrtonema Hua under forest cultivation[unit：μmol/(m2·s)]

3 討論

植物的性狀會(huì)表現(xiàn)出較大差異以適應(yīng)變化的環(huán)境［10］，在不同模式下栽培的多花黃精生長(zhǎng)情況和根莖產(chǎn)量有明顯差異，在郁閉度相同的林下套種，以山核桃和毛竹林下的多花黃精生長(zhǎng)最好［11］，本研究中選擇的杉木林和楠竹林郁閉度有所不同，多花黃精的株高、葉面積在透光率低的環(huán)境中最高，這是對(duì)蔭蔽環(huán)境的適應(yīng)，長(zhǎng)高和增大葉面積可吸收更多的光照。黃精屬物種眾多，有學(xué)者從形態(tài)上對(duì)這類植物進(jìn)行了比較［12］，其中葉表皮結(jié)構(gòu)也是重要的區(qū)分依據(jù)［13］，多花黃精在不同的栽培模式下葉表皮結(jié)構(gòu)相似，上表皮細(xì)胞呈長(zhǎng)方形，排列緊密，下表皮細(xì)胞形狀不規(guī)則，氣孔分布在下表皮，這些結(jié)構(gòu)顯示與龔力民等人的研究結(jié)果一致［14］；李金花等人的研究發(fā)現(xiàn)，多花黃精葉表皮特征中的氣孔大小、氣孔器指數(shù)、氣孔器密度受環(huán)境的影響較大［15］，本研究的結(jié)果也表明，這些葉表皮特征在不同栽培模式下有顯著差異，隨林中光照減弱，多花黃精葉的上表皮細(xì)胞長(zhǎng)度減少、寬度增加，下表皮的氣孔密度降低，氣孔減少可以降低葉片的蒸騰速率，提高水分利用率。

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，但含量過(guò)高易產(chǎn)生過(guò)剩電子，破壞光系統(tǒng)導(dǎo)致光抑制［16］，PS I的光抑制適應(yīng)性在高光和弱光下也明顯不同，總?cè)~綠素含量的增加與PS I的易感性有關(guān)［17］。林下栽培對(duì)植物最明顯的影響就是光量子密度改變，栽培在林下的多花黃精葉綠素含量都有所增加，尤其是傾向于吸收藍(lán)紫光區(qū)的葉綠素b增加幅度更大，這樣可有效捕獲林中透過(guò)的較多藍(lán)紫光，獲得更多的光能；楠竹林下栽培的總?cè)~綠素含量比杉木林下栽培的要高，但兩者差異未達(dá)顯著水平，而與逆境相關(guān)的類胡蘿卜素含量此時(shí)顯著升高，即過(guò)度郁蔽時(shí)，多花黃精可通過(guò)提高葉內(nèi)類胡蘿卜素的含量以抵御過(guò)度郁蔽環(huán)境。

光合作用是植物最重要的生理活動(dòng)之一，對(duì)于作物而言，產(chǎn)量及藥用植物的成分變化都與光合作用有關(guān)［18］。透光率100%的田間光照強(qiáng)、溫度高，導(dǎo)致多花黃精葉片氣孔導(dǎo)度降低，光合速率下降，為了緩解高溫和強(qiáng)光對(duì)葉片的傷害，氣孔密度增加，保持了一定強(qiáng)度的蒸騰速率，使得水分利用率極低，僅0.90 mol/(m2·s)，光響應(yīng)曲線也反應(yīng)該環(huán)境下多花黃精葉片對(duì)弱光和強(qiáng)光的利用能力都較差。杉木林下透光率合適，該條件下栽培的多花黃精凈光合速率最高，由于有較高的氣孔導(dǎo)度，蒸騰速率也最高，由此降低了水分利用率；光響應(yīng)曲線結(jié)果也表明，杉木林下栽培的多花黃精光合速率整體最高，擬合所得最大凈光合速率最高。楠竹林下由于透光率過(guò)低，多花黃精的光合速率不能維持較高水平，但該條件下葉片氣孔導(dǎo)度、水分利用率及擬合所得的最大凈光合速率與杉木林下栽培的相比并沒(méi)有顯著差異，表明楠竹林下栽培的多花黃精光合作用能力并未受到破壞，當(dāng)光強(qiáng)增加時(shí)，光合速率能很快提升，且光補(bǔ)償點(diǎn)和表觀量子效率降低，對(duì)弱光的利用能力還變強(qiáng)了。

由此可見(jiàn)，多花黃精在蔭蔽的環(huán)境中可通過(guò)調(diào)節(jié)植株高度、葉片面積、增加葉綠素含量（尤其是葉綠素b含量）以捕獲更多的光量子，降低氣孔密度來(lái)減少蒸騰速率，提高了水分利用率。透光率極低的環(huán)境中，還可通過(guò)增加類胡蘿卜素含量的合成來(lái)抵御不良光境，降低表觀量子效率和光補(bǔ)償點(diǎn)適應(yīng)弱光環(huán)境，維持一定的光合作用，順利完成開(kāi)花、結(jié)果等生活史，說(shuō)明多花黃精對(duì)弱光的適應(yīng)性很強(qiáng)。但多花黃精的收獲部位是地下莖，種植多花黃精要考慮地下莖的產(chǎn)量及藥材的品質(zhì)，不同林下的透光率對(duì)多花黃精塊莖重量及藥用成分含量的影響有待進(jìn)一步研究。