不同光境下多花黃精光合特性及形態結構比較

賀安娜，伍賢進※，李勝華，何述金

（1.懷化學院 生物與食品工程學院，民族藥用植物資源研究與利用湖南省重點實驗室，湘西藥用植物與民族植物學湖南省高校重點實驗室，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，具補氣養陰、健脾、潤肺、益腎等功效，為傳統大宗珍貴中藥材[1]，也是國家批準的藥食同源植物，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等方面具有廣闊的發展前景。

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，多花黃精不耐強光照射，人工種植需拉遮陽網，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，多花黃精對光強的適應能力非常強，從全光照至郁閉度90%的林下都能生長發育[10]。這些研究結果顯示，人工種植多花黃精，光照強度的選擇仍然需要進一步論證。而且，植物生長發育不僅受光照強度影響，光質的影響也不可忽視[11-12]。這是因為植物葉綠體色素對光的吸收集中在可見光的藍色（400~500 nm）和紅色（600~700 nm）區域，相同的光強下，光質不同可引起葉綠素含量及比例發生變化[13]，植物形態建成也受光質的影響，紫外光抑制莖的生長，使植株變得矮小，紅光則能促進莖的生長，增加地上部分的生物產量[14]。人工遮陰可以改變光照強度，但基本不能改變光質。相反，林下不僅光照強度較低，而且光質也因上層樹葉對大部分紅光和部分藍光的吸收造就了與遮陽網不同的光質。但目前對不同光環境下，多花黃精生理特性和生長發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境提供理論和實踐指導，也可為類似喜陰作物栽培提供理論參考依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料及處理

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，每盆種植一株，用土量保持一致。花盆分別置于全日照下（100%透光率）、香樟樹下（40%透光率）及遮陽網致的陰網棚下（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月待多花黃精進入果熟期時進行測定。

1.2 方法

1.2.1 氣體交換參數及葉綠素熒光參數測定

選擇晴朗的天氣，隨機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進行測定。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）、氣孔導度（Gs）、胞間二氧化碳濃度（Ci）等參數。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，測定測穩態熒光（Fs）、最大熒光（F′m）及最小熒光（F′o）。計算光化學猝滅系數：qP=(Fm'－Fs)/(Fm'－Fo')，非光化學猝滅系數：qN=(Fm－Fm')/(Fm－Fo')，實際光化學效率：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，m為樣品質量（0.2 g左右），1000是表示1 L=1 000 ml。每種處理重復3次。

1.2.3 葉片顯微結構觀察

選取健康的中段葉，FAA固定液固定24 h以上。葉橫切觀察采用石蠟切片的方法，經染色、脫水、透明、浸蠟、包埋、切片、脫蠟等程序后，封片拍照；葉表皮結構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型光學顯微鏡觀察葉片顯微結構并拍照，采用PhotoShop13.0.1圖片處理軟件進行圖片合并及有關數據的測量，每組處理重復3~5次。

1.2.4 株葉形態及生物產量測定

用軟尺測株高、葉長、葉寬，用游標卡尺測莖粗（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，計算根冠比。黃精多糖含量按照《中華人民共和國藥典》規定的方法測定[1]。

2 結果與分析

2.1 不同光境下多花黃精葉片氣體交換參數比較

表1表明，8月中旬多花黃精地上部分的生長進入緩慢期，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。氣孔導度及蒸騰速率也是香樟樹下的最高，也正是因為有較高的蒸騰速率，香樟樹下的水分利用率（WUE）最低。陰網棚下處理的多花黃精葉片氣孔導度（Gs）及胞間二氧化碳濃度（Ci）顯著低于其他兩項處理，說明此時光合速率受氣孔因子限制，氣孔關閉也使蒸騰速率（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比較

2.2 不同光境下多花黃精葉片葉綠素熒光參數及葉綠素含量比較

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

表2 不同光境下多花黃精葉片葉綠素熒光參數比較

從表3結果看，香樟樹下的多花黃精葉片葉綠素a含量高于陰網棚下的處理，葉綠素b則低于陰網棚下的，但差異均未達顯著水平。類胡蘿卜素能抗光氧化，有利于抵御不良環境，該含量以全日照下最高，香樟林下次之，陰網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構比較

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胞呈橢球型，排列也較緊密，陰網棚下的葉片葉肉細胞排列則較疏松，全日照和香樟樹下的葉片較厚，葉脈明顯，維管組織發達。

圖1 不同光境下多花黃精葉橫切

多花黃精葉片上表皮細胞呈長方形，排列緊密，未見氣孔分布；下表皮細胞呈不規則型，氣孔均勻的分布在下表皮，未見護衛細胞（見圖2）。多花黃精葉表皮的顯微結構在不同光境下有差異，表現為香樟樹下的上表皮細胞最長、最寬；氣孔密度最高是全日照下的，有94.3個/mm2，氣孔指數也顯著高于其他兩項處理；陰網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構

表4 不同光境下多花黃精葉表皮細胞特征

2.4 不同光境下多花黃精株葉形態及生物產量比較

多花黃精的株高在不同光境條件下存在顯著差異（見表5），陰網棚下最高，可達85.4 cm，全日照下最低，只有49.1 cm；莖粗、葉長、葉寬等以陰網棚下最高，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量及品質。實驗中，8月下旬多花黃精進入果熟期，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，適當遮陰有利于延長多花黃精葉光合功能的持續時間，有利于促進生長，這與生物量差異也很一致。相同的光強下，不同的光質對植物光合作用的影響不同，在能量較高的藍光照射下，植物的非光化學淬滅NPQ更高[15]。與全光照相比，香樟樹下的散射光和藍紫光更多，該光境下多花黃精葉片的非光化學淬滅（qN）最低，葉片實際光化學反應速率（ΦPSⅡ）和電子傳遞效率（ETR）最高，說明多花黃精對這類高能的藍紫光利用能力較強。三種光境下，這些光合作用有關參數的變化與他們生物量的積累也是一致的。葉綠素是光能轉化的關鍵，其含量的適當增加有利于捕捉光量子，總葉綠素含量的增加與PSI的易感性有關[16]，多花黃精在三種光境下，總葉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環境的表現，能減少強光對葉片造成的損傷。

決定光合作用功能的葉片結構在不同光境下，也會作出適應性的改變，如藍光可使油菜葉片柵欄組織排列更緊湊[17]。實驗中，全日照和香樟樹下的多花黃精葉片細胞排列緊密，維管組織發達，氣孔密度、氣孔指數也較大，且三組處理之間的差異都達顯著水平，說明光照黃精對多花黃精也的發育產生了實質性影響。香樟樹下與陰網棚下的光強雖然一樣，但香樟樹下的多花黃精葉片細胞排列更緊密，形成更多的氣孔以適應高能的藍紫光環境。這些結果說明，香樟樹下雖然光照強度降低了，但因光質的改變，其葉的結構發育仍然能達到較強光照的程度，而單純通過遮陽網降低光強，其光環境不如林下更適合多花黃精生長。

光照強度減少能促使植物株高增加，相同光照強度下，林下比遮陽網下光的藍紫光成分更多，也更利于黃精這類陰生植物的生長發育。因此，陰網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，而且從葉的細胞組織結構看，香樟林下細胞組織更致密，故香樟林下地上部分鮮重比陰網棚下更高。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據一致，也說明香樟林下更適合光合產物在黃精地下部分積累。總之，多花黃精為等面葉，屬陰生植物，能有效利用短波長的藍紫光，林下種植多花黃精優于遮陽網遮陽處理。為了提高遮陽網下種植黃精的產量和品質，可考慮增加短波長藍紫光的輔助設施。