LED不同光質(zhì)對(duì)滇重樓生長(zhǎng)、光合特性、皂苷含量及產(chǎn)量的影響

張勤濤，梁社往，曹嘉芮,,3，何忠俊，莫健雷

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201；3.馬關(guān)縣土壤肥料工作站，云南 文山 663700)

引言

光能夠影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，它不僅為植物的光合作用提供所需要的能量，而且還對(duì)植物的生理過(guò)程有重要的調(diào)節(jié)作用[1]。光質(zhì)作為植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要影響因素之一，不同的光質(zhì)可以調(diào)控不同層次次生代謝產(chǎn)物的形成與積累[2]。目前在設(shè)施人工光環(huán)境中，關(guān)于光質(zhì)的研究大部分還是以有色農(nóng)膜、高壓鈉燈或彩色熒光燈為主。由于這些人工光源不能對(duì)其透光率和光譜能量進(jìn)行精確地調(diào)制，且進(jìn)行有色農(nóng)膜覆蓋的同時(shí)，又降低了光照強(qiáng)度，還存在老化和退色等問(wèn)題，彩色熒光燈存在光照強(qiáng)度低，高壓鈉燈又存在光源利用率較低、發(fā)熱量大、能量消耗高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了研究結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性[3]。LED光源是半導(dǎo)體固態(tài)冷光源，可以發(fā)射出光質(zhì)純的單色可見(jiàn)光，其具有發(fā)光效率高、體積小、使用壽命較其他人工光源長(zhǎng)、安全可靠以及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)設(shè)施栽培中最有發(fā)展前景的可調(diào)控光源[4，5]。LED光源由于具有很強(qiáng)的實(shí)用性，因而受到廣大研究學(xué)者的青睞，并被逐漸應(yīng)用于設(shè)施園藝與工廠化育苗等領(lǐng)域[6]。

滇重樓(Parispolyphyllavar.yunnanensis)為延齡草科重樓屬(Paris)多年生草本植物，主要分布于中國(guó)的西南部，主要產(chǎn)于云南[7]。滇重樓根狀莖具有涼肝定驚、清熱解毒等功效，主治蛇蟲(chóng)咬傷、跌打損傷等癥，此外還有止血、抗癌、抗早孕等作用[8]。滇重樓繁殖率低且生長(zhǎng)速度十分緩慢，從種子到入藥一般需10年以上。由于人們對(duì)滇重樓長(zhǎng)期過(guò)度的掠奪式采挖，致使野生滇重樓資源已經(jīng)瀕臨滅絕，嚴(yán)重威脅到以滇重樓為原料的制藥企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

近年來(lái)，世界各國(guó)的研究學(xué)者都在積極研究關(guān)于LED光源在設(shè)施栽培環(huán)境中的應(yīng)用。已有研究結(jié)果證明，LED可成功應(yīng)用于蔬菜[9]、花卉等植物生長(zhǎng)，而有關(guān)LED光源對(duì)道地性中藥材滇重樓影響的研究甚少。通過(guò)光調(diào)控促進(jìn)滇重樓生長(zhǎng)，提高其根莖藥效成分含量，縮短入藥年限是本研究的目的所在。我們前期的研究發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)钨|(zhì)綠光有利于提高滇重樓葉綠素含量，橙光降低了滇重樓葉綠素含量，單質(zhì)白光和藍(lán)光有利于滇重樓的生長(zhǎng)發(fā)育。橙/藍(lán)(8/1)處理下滇重樓鮮重變化量高于其他光質(zhì)比例處理，橙/藍(lán)/綠(8∶1∶1)處理下滇重樓葉片光合作用高于其他光質(zhì)比例處理[10]。因此本試驗(yàn)以3年生滇重樓種子苗為試材，采用LED光源精確調(diào)制光質(zhì)，以LED白光為對(duì)照，研究橙、藍(lán)、綠、橙/藍(lán)(8∶1)、橙/藍(lán)/綠(8∶1∶1)不同光質(zhì)及其組合對(duì)滇重樓生長(zhǎng)、光合特性、皂苷含量及產(chǎn)量的影響，為設(shè)施人工光環(huán)境下栽培滇重樓提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1)試驗(yàn)材料。滇重樓種苗購(gòu)于云南白藥集團(tuán)，供試種苗經(jīng)云南農(nóng)業(yè)大學(xué)何忠俊教授鑒定為Parispolyphyllavar.yunnanensis；栽培土壤為林下土。實(shí)驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行2年，分別于2016年6月—9月，2017年6月—9月在光調(diào)控箱內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)中每個(gè)處理重復(fù)3次，每盆種植苗12株，光照處理一個(gè)月。

2)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。LED光源共設(shè)5個(gè)處理：橙光(620 nm)、藍(lán)光(460 nm)、綠光(525 nm)、橙:藍(lán)=8∶1、橙∶藍(lán)∶綠=8∶1∶1，以LED白光為對(duì)照(CK)。試驗(yàn)光源的光照強(qiáng)度保持一致，統(tǒng)一設(shè)定為150 μmol·m-2·s-1，每天光照處理12 h。

3)樣品指標(biāo)的測(cè)定。

(a)滇重樓干鮮重測(cè)定。 光照處理一個(gè)月后，分別收獲滇重樓地上部和地下部，地上部主要測(cè)定鮮重、干重和株高，地下部測(cè)定干鮮重。地上部和地下部105 ℃殺青，80 ℃烘干后，粉碎磨細(xì)，用于測(cè)定滇重樓根莖中皂苷組分含量。

(b)光合參數(shù)測(cè)定。2017年5月27日，在自然條件下，采用Li-6400便攜式光合儀對(duì)滇重樓植株葉片進(jìn)行不離體測(cè)定。測(cè)定的指標(biāo)包括凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)。

(c) 根莖皂苷含量測(cè)定。采用Agilent1200高效液相色譜儀(G1315D檢測(cè)器、G1311A輸液泵、G1329A自動(dòng)進(jìn)樣器、G1322A在線(xiàn)脫氣機(jī)、G1316A柱溫箱)對(duì)滇重樓根莖進(jìn)行皂苷含量及其產(chǎn)量的測(cè)定，總皂苷產(chǎn)量公式如式(1)、式(2)所示；薯蕷皂苷Ⅰ、Ⅱ、V、偏諾皂苷VI、Ⅶ、H、薯蕷皂苷(dioscin)、纖細(xì)薯蕷皂苷(gracillin)均為對(duì)照品，純度>98%，購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所；乙腈和甲醇為色譜純(美國(guó)TEDIA公司)，無(wú)水乙醇為分析純，水為純凈水。流動(dòng)相：乙腈(B)/水(A)，梯度洗脫程序見(jiàn)表1(A、B分別代表水、乙腈的濃度)。

表1 梯度洗脫程序

總皂苷(mg/g)=薯蕷皂苷Ⅰ+薯蕷皂苷Ⅱ+薯蕷皂苷V+偏諾皂苷Ⅵ+偏諾皂苷Ⅶ+偏諾皂苷H+薯蕷皂苷D+纖細(xì)薯蕷皂苷G

(1)

總皂苷產(chǎn)量(mg)=地下部干重(g)×總皂苷(mg/g)

(2)

4)數(shù)據(jù)分析。采用Excel 2003和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

1)LED光源不同光質(zhì)及其組合對(duì)滇重樓生長(zhǎng)的影響。由表2可以看出，不同處理對(duì)滇重樓株高、地上部干鮮重及地下部干鮮重有顯著影響。地上部干鮮重以藍(lán)光處理顯著高于其他處理，其余處理間無(wú)差異。地下部鮮重以藍(lán)光最高，白光最低，其余處理間差異不顯著。滇重樓株高以白光(CK)處理最低，其他處理間差異不顯著。與白光相比，LED藍(lán)光處理的滇重樓地上部鮮重、地下部鮮重、地上部干重、地下部干重均為最大，分別比白光(CK)高92.89%、145.27%、150.00%、126.32%，顯著高于其他處理。組合光源橙∶藍(lán)=8∶1、橙∶藍(lán)∶綠=8∶1∶1處理的滇重樓地上部干鮮重和株高與白光(CK)處理無(wú)顯著差異。由此可見(jiàn)，LED藍(lán)光處理對(duì)滇重樓地上部和地下部生長(zhǎng)較有利。

2)LED光源不同光質(zhì)及其組合對(duì)滇重樓葉片光合特性的影響。由表3可知，與白光(CK)處理相比，單質(zhì)橙光處理下滇重樓葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率最低，分別比對(duì)照低54.78%、50.00%、50.00%，顯著低于其他處理。單質(zhì)藍(lán)光和綠光處理下的滇重樓葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率較高于白光(CK)處理。組合光源橙∶藍(lán)∶綠=8∶1∶1處理的滇重樓葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率最大，分別比對(duì)照組高159.87%、100.00%、136.67%，也高于其他處理。氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的變化規(guī)律一致。胞間CO2濃度以藍(lán)光處理最高，比對(duì)照組高14.06%，顯著高于其他處理，而綠光、橙∶藍(lán)=8∶1、橙∶藍(lán)∶綠=8∶1∶1處理下胞間CO2濃度低于白光處理，分別比對(duì)照組低9.56%、22.93%、11.70%。由此可知，組合光對(duì)滇重樓的光合作用較為有利，單質(zhì)橙光對(duì)滇重樓葉片的光合作用有一定的抑制作用。

表2 LED光源不同光質(zhì)及其組合對(duì)滇重樓生物量的影響

注：同行不同小寫(xiě)字母分別表示差異顯著(p<0.05)

表3 LED光源不同光質(zhì)及其組合對(duì)滇重樓葉片光合特性的影響

注：同行不同小寫(xiě)字母分別表示差異顯著(p<0.05)

3)LED光源不同光質(zhì)及其組合對(duì)滇重樓根莖皂苷含量和產(chǎn)量的影響。由表4可知，根莖皂苷Ⅰ以橙光和藍(lán)光處理顯著高于其余處理，與綠光、橙∶藍(lán)=8∶1處理間差異不顯著。滇重樓根莖皂苷Ⅱ、Ⅶ、H、總皂苷含量及總皂苷產(chǎn)量以藍(lán)光處理最高，顯著高于其他處理。且皂苷Ⅱ在綠光、橙∶藍(lán)=8∶1及白光處理間差異不顯著；皂苷H在橙光、綠光、橙∶藍(lán)=8∶1、橙∶藍(lán)∶綠=8∶1∶1及白光處理下差異不顯著。皂苷D以橙∶藍(lán)=8∶1處理最高，與單質(zhì)藍(lán)光、白光處理差異不顯著。試驗(yàn)中未檢出皂苷V、Ⅵ、G，薯蕷皂苷D變化規(guī)律不明顯。總之，單質(zhì)藍(lán)光處理對(duì)滇重樓根莖總皂苷含量以及總皂苷產(chǎn)量的積累較為有利。

表4 LED光源不同光質(zhì)及其組合對(duì)滇重樓根莖皂苷含量和產(chǎn)量的影響

注：“—”表示未檢出，同行不同小寫(xiě)字母分別表示差異顯著(p<0.05)

3 討論

在草本植物中，光可經(jīng)過(guò)內(nèi)環(huán)境光受體的調(diào)節(jié)，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行調(diào)控[11]。光既提供給植物生長(zhǎng)的能量，也調(diào)控其形態(tài)建成，兩個(gè)方面互為協(xié)調(diào)[12]。從試驗(yàn)結(jié)果看，與白光相比，LED橙光處理對(duì)滇重樓地上部、地下部干鮮重?zé)o明顯影響，LED綠光處理對(duì)重樓地上部、地下部干鮮重影響較小，LED藍(lán)光處理可提高滇重樓地上部及地下部干鮮重。劉敏玲等[13]研究發(fā)現(xiàn)與白光處理相比藍(lán)光更有利于金線(xiàn)蓮的生長(zhǎng)。劉文科等[14]研究發(fā)現(xiàn)與白光處理相比藍(lán)光在促進(jìn)蟹味菇子實(shí)體生長(zhǎng)發(fā)育上效果最佳。橙藍(lán)、橙藍(lán)綠組合光也會(huì)有效地提高滇重樓地下部干鮮重。本試驗(yàn)中，單質(zhì)橙光、綠光處理下滇重樓株高遠(yuǎn)大于白光處理，而在增加藍(lán)光處理的組合光中，滇重樓株高有明顯的降低，這說(shuō)明藍(lán)光對(duì)植株的伸長(zhǎng)有一定的抑制作用，與陳祥偉等[15]的研究結(jié)果一致。與白光相比，單質(zhì)藍(lán)光處理下滇重樓株高要高于白光處理，與馬桂芹等[16]研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)光抑制青蒜苗生長(zhǎng)這一結(jié)果不一致。可能是由于不同的植物種類(lèi)、試驗(yàn)材料、試驗(yàn)環(huán)境所造成。

光質(zhì)對(duì)植物的光合作用至關(guān)重要，主要是通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型葉綠體蛋白的形成進(jìn)行調(diào)節(jié)[17]。植物進(jìn)行光合作用時(shí)，凈光合速率是用來(lái)衡量其同化CO2和合成有機(jī)產(chǎn)物的能力[18]。從試驗(yàn)結(jié)果看，LED綠光處理下，滇重樓葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率高于白光處理，說(shuō)明綠光處理有利于滇重樓葉片的光合作用。錢(qián)勝艷等[19]在光質(zhì)對(duì)辣椒葉片光合特性影響試驗(yàn)中得出，LED綠光處理可提高辣椒葉片的光合作用，與本研究結(jié)果一致。LED藍(lán)光處理下，滇重樓葉片光合特性高于白光處理。橙光處理下滇重樓葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)與蒸騰速率(Tr)小于白光處理，符合植物光合色素吸收光譜變化規(guī)律。在橙光基礎(chǔ)上增加藍(lán)光，顯著提高了滇重樓葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率，說(shuō)明LED藍(lán)光處理提高了葉片的光合利用效率，這與李雯琳等[20]研究藍(lán)光處理下葉用萵苣幼苗葉片光合速率最高的結(jié)論一致。在橙藍(lán)組合光基礎(chǔ)上增加綠光，可使滇重樓葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率得到了提高。由此可得出，對(duì)種植滇重樓進(jìn)行光質(zhì)調(diào)控時(shí)，增加綠光及藍(lán)光可顯著提高滇重樓的光合特性。

植物主要是通過(guò)光合作用制造有機(jī)物，經(jīng)過(guò)植物體內(nèi)的運(yùn)輸和代謝產(chǎn)生各種次生代謝產(chǎn)物，而傳統(tǒng)中藥材中重要的功效成分大多就是次生代謝產(chǎn)物。不同光質(zhì)的光能量不同，其對(duì)光合作用和次生代謝產(chǎn)生的效果也不同。滇重樓根莖中有效成分是甾體皂苷類(lèi)化合物，分為偏諾皂苷和薯蕷皂苷兩大類(lèi)，約占總化合物的80%，是醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的主要原料。從試驗(yàn)結(jié)果看，與白光處理相比，橙光、藍(lán)光有利于滇重樓根莖皂苷含量的積累，LED綠光處理下根莖總皂苷含量比LED白光(CK)處理低2.10%，說(shuō)明綠光處理抑制滇重樓根莖皂苷的積累。李馨蕓[21]研究發(fā)現(xiàn)與白光處理相比，藍(lán)光顯著提高了絞股藍(lán)總皂苷含量，綠光抑制絞股藍(lán)總皂苷的積累，與本研究的結(jié)論相同。橙藍(lán)、橙藍(lán)綠組合光處理也較有利于滇重樓根莖皂苷含量的積累。LED綠光處理下滇重樓葉片凈光合速率顯著大于白光(CK)處理，但綠光處理下滇重樓的根莖總皂苷含量卻低于白光處理。這與羅美佳等[22]研究的三七凈光合速率較高，其根莖總皂苷含量積累較多這個(gè)結(jié)論相反，可能是由于試驗(yàn)植物和光源環(huán)境選擇的不同，導(dǎo)致研究結(jié)果的不一致。

4 結(jié)論

LED藍(lán)光處理下滇重樓的生長(zhǎng)、干物質(zhì)積累、根莖皂苷組分和總皂苷含量及總皂苷產(chǎn)量最大；在橙/藍(lán)/綠(8∶1∶1)處理下，滇重樓葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均為最高，橙光處理下葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率最低。在滇重樓設(shè)施栽培中，我們建議將藍(lán)光作為必選光源。