西紅花葉片的光合光譜響應曲線測量

季心雨，高 丹，裴衛忠，張 雪，李福生，韓秋漪，張善端

(1.復旦大學電光源研究所，上海 200438；2.上海市藥材有限公司，上海 200002)

引言

西紅花，也叫藏紅花、番紅花，屬于鳶尾科草本植物，是名貴的婦科藥材，并可作為香料、染料、調味品等，且已有研究發現西紅花的花絲能夠抑制腫瘤的形成，并對正常細胞沒有不良影響，可用于癌癥的治療和預防[1]。因產量稀少，西紅花的價格十分昂貴，有“紅色金子”之稱，目前已在上海崇明開展規?；N植[2]。

光照是植物進行光合作用必不可少的條件。光質作為光照的一個主要參數，能夠直接影響植物生長。植物光合作用對不同光質的敏感度不同，可用光合光譜響應曲線來表征。目前尚無西紅花光合光譜響應曲線的報道，無法對西紅花補光開展定量分析。

本文設計并搭建了一套葉片光譜響應曲線測試系統，測量了西紅花葉片的光合光譜響應曲線，可為西紅花補光光譜的優化提供理論指導。

1 植物光合光譜響應曲線

1.1 植物光合光譜響應曲線的概念

可用各種窄帶單色光照明，測定植物光合作用的光譜依賴性。多項研究結果表明，在相同的光照強度下，植物的光合速率隨光照波長的變化而變化。測試結果以光合光譜響應曲線表現，其中，作用光譜P(λ)表示為單位入射光量子使葉片同化的CO2分子數，而量子產額Y表示為葉片在單位吸收光量子下同化的CO2分子數[3]，具體計算公式分別為：

(1)

(2)

其中，nc表示葉片光合作用消耗的CO2分子數，np表示到達葉片的光量子數，na表示葉片吸收的光量子數，P表示葉片的光合速率(μmol CO2m-2s-1)，PPFD(photosynthetic photon flux density)表示到達葉片的光合光子通量密度(μmol m-2s-1)，α表示葉片對光的吸收率。

1.2 植物光合光譜響應曲線的相關研究

目前關于植物光合光譜響應曲線的知識主要基于McCree曲線[4]。McCree[4]利用氙燈配合單色儀和差分紅外氣體分析儀，測量了玉米、小麥、花生等22種植物在350～750 nm波段的光合光譜響應曲線，測得的平均相對作用光譜和相對光譜量子產額曲線分別如圖1、圖2所示。結果表明，植物在不同波長下的光合效率存在差異，藍光和紅光對于植物的光合作用最為有效，且不同植物的光合光譜響應曲線整體趨勢相近，但在500 nm以下的藍光和紫外光范圍內，葉片的相對光合效率隨植物種類變動較大。

圖1 McCree所有樣品的平均相對作用光譜[4]Fig.1 Average relative action spectrum of all samples from McCree

圖2 McCree所有樣品的平均相對光譜量子產額[4]Fig.2 Average spectral quantum yield of all samples from McCree

后續還有許多學者測量了多種植物的光合光譜響應曲線。Inada[5]發現在紫外到綠光范圍內不同植物相對作用光譜的變化很大程度上取決于其葉片對綠光吸收率的差異，在紫外和藍光下的相對光合效率較低的植物往往具有較高的綠光吸收率。Paradiso等[3]和Lee等[6]分別對綠色和紅色的玫瑰葉片以及生菜葉片進行了測試，均發現在綠光區域紅葉的光合效率顯著低于綠葉，這是因為紅葉中的花青素含量較高，葉片表皮花青素對綠光的吸收限制了下層葉肉細胞中葉綠體對綠光的利用[7]。

各項研究測得的光合光譜響應曲線總體呈現出相似的趨勢，但在具體的形狀細節上存在差異，包括藍光和紅光峰值的偏移。這些差異主要是由于各研究所測植物的品種不同，且在測試中采用了不同的實驗設計和光學參數，包括光源、濾波技術、峰值波長及半寬、測試光強及其測量單位等，Wu等[8]認為這或許比物種差異更加重要。表1對比了McCree[4]、Inada[5]、Nilsen[9]、Evans[10]、Paradiso[3]、Hogewoning[11]、Lee[6]等的測試細節，其中McCree[4]采用的方法與眾不同，是通過調節不同波長下的輻照度以獲得恒定的光合速率來實現的，但并未披露在每個波長下使用的輻照度水平。

迄今為止，尚無對西紅花或其他鳶尾科植物光合光譜響應曲線的測試結果。測量西紅花葉片的光合光譜響應曲線，有助于確定對西紅花物質積累最有效的光質，從而為西紅花補光燈具的光譜設置提供理論依據。

2 實驗方案

2.1 窄帶單色光的產生

綜合前人的測試經驗，本實驗選取380～760 nm區間內每隔20 nm作為峰值波長進行測量，并采用連續譜光源搭配帶通濾光片的方法產生窄帶單色光，濾光片的半峰全寬為10 nm，各波長下的測試光強統一為100 μmol m-2s-1。與以往的研究相比，本實驗設計具有單色光帶寬窄、波長間隔相等、覆蓋波長全面等特點，以期得到更準確、更豐富的測試數據。

光源為500 W短弧氙燈(卓立漢光，GLORIA-X500A)，氙燈后側加裝凹面鏡以將光線匯聚于出光口，增強出射光強。由于葉片測量時為水平方向放置，在氙燈出光口還安裝了垂直轉換光路(內置反射鏡)，以將出射光線從水平方向改為垂直照向葉室。由植物光照分析儀(杭州遠方，PLA-20)測得的氙燈光譜如圖3所示，其在380～760 nm之間保持連續，且整體光強相對穩定，僅在400 nm以下區域呈現顯著下降趨勢。

圖3 氙燈光譜Fig.3 The spectrum of the xenon lamp

2.2 葉片光合速率的測量

利用LI-6400XT光合儀及其自帶的2×3 cm2標準葉室，對西紅花葉片的光合速率進行測試，測試中采用CO2鋼瓶使葉室的CO2濃度維持在430 μmol mol-1(=430 ppm)，H2O通道設置為bypass，葉室溫度設定為25 ℃。光合儀通過測定單位時間內單位面積葉片凈消耗的CO2量來得到葉片的凈光合速率(Pn)，此外，測量黑色卡紙遮光下(PPFD=0)葉片的凈光合速率，可得到其呼吸速率(R)，葉片的光合速率(P)即可計算為：

P=Pn+R

(3)

圖4為測量西紅花葉片在窄帶單色光下光合速率的系統示意圖。

圖4 單色光下光合速率測試系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of photosynthetic rate measuring system under narrow band monochromatic light

2.3 葉片光譜吸收率的測量

采用高精度分光測色儀(杭州遠方，HACA-3000)，對西紅花葉片在380～780 nm的光譜反射率和光譜透射率進行測試(波長間隔1 nm)。測量透射率時，將葉片夾在積分球的輸入端口，背面朝向積分球；測量反射率時，將葉片夾在積分球出口處，正面朝向積分球。根據葉片反射率(r)、透射率(τ)和吸收率(a)的關系，葉片對各波長光的吸收率可通過以下公式計算：

α=100%-(r+τ)

(4)

2.4 測試材料

測試所用的西紅花樣品種植于上海崇明西紅花基地，于2020年12月植入大田，在自然條件下生長。2021年3月初，在田間隨機挑選了6顆球莖，連根挖出移植入花盆后帶回實驗室進行測量。測試時葉片已處于完全成熟期，葉尖開始發黃，但葉片絕大部分仍為健康的深綠色，可正常進行光合作用，是合適的測試樣品。下文中的測試結果均為此6顆球莖生長的植株測量數據的平均值。

3 結果與討論

3.1 西紅花葉片的光譜吸收率

西紅花葉片在380～780 nm的光譜反射率和光譜透射率曲線如圖5所示。可以看到，西紅花葉片在藍紫光區域(380～500 nm)的反射率和透射率較低，在黃綠光區域(500～600 nm)的反射率和透射率較高，并在550～555 nm處有一個峰值；在紅橙光區域(600～680 nm)，西紅花葉片的反射率和透射率逐漸下降，而在之后的遠紅光區域(680～760 nm)內急劇上升；波長超過760 nm后，西紅花葉片的反射率和透射率分別穩定在52%和36%左右。在綠光區域較高的反射率與葉片呈現綠色外觀是相吻合的，且與其他研究者對綠葉植物測得的反射率和透射率曲線相近，例如Paradiso等[3]對玫瑰葉片的測試結果。

圖5 西紅花葉片的光譜反射率和光譜透射率曲線Fig.5 Percentage of reflectance and transmittance spectra of saffron leaves

圖6為西紅花葉片在380～780 nm的光譜吸收率曲線及其與McCree測量結果的對比[4]。與反射率和透射率曲線的趨勢相反，西紅花葉片的吸收率在380～500 nm和600～680 nm范圍內較高，而在500～600 nm區域內較低，其谷值位于550～555 nm；在680～760 nm區域內，葉片吸收率急劇下降，超過760 nm后穩定在11%左右。這與McCree[4]測得的“平均植株”(包括20個生長室樣品和8個田間樣品)的光譜吸收率非常相似。略有不同的是，西紅花葉片在550 nm處的吸收率高于80%，但這與在生長室中生長的燕麥、蓖麻和大豆的吸收率情況是相同的[4]。

植物葉片依靠多種色素對光能進行吸收，其中葉綠素對光合作用的貢獻最大，主要吸收紅光和藍光；類胡蘿卜素則作為輔助色素，通過將吸收的光能轉移給葉綠素而對光合作用產生貢獻。此外，葉片中還有一些對光合作用沒有貢獻的物質，包括主要吸收藍紫光和紫外光的類黃酮[12]和主要吸收藍綠光的花青素[13]，葉片對綠光吸收率的差異就與其花青素含量的多少有關。

圖6 西紅花葉片的光譜吸收率曲線及其與McCree測量結果的對比[4]Fig.6 Percentage of absorbance spectrum of saffron leaves and its comparison with McCree’s results

3.2 西紅花葉片的光合光譜響應曲線

西紅花葉片的作用光譜在480 nm和660 nm處有兩個峰值，其中660 nm的絕對值主峰為0.0552，480 nm的次峰為0.0323。在綠光區域的谷值為0.0242，作用光譜在680 nm以上迅速下降，最后在760 nm處到達很低的值(<0.002)。將作用光譜曲線相對660 nm處的最大值進行歸一化處理，得到西紅花葉片的相對作用光譜，如圖7所示，可以看到，作用光譜的藍峰約為紅峰的59%，綠光區域的谷值約為紅峰的43.5%；在較為平坦的580～640 nm區域內，作用光譜約為紅峰的60%～70%。

圖7 西紅花葉片的相對作用光譜Fig.7 The relative action spectrum of saffron leaves

西紅花葉片的光譜量子產額與作用光譜具有相似的形狀，其在480 nm和660 nm的絕對峰值分別為0.035 6和0.060 5，在520 nm的谷值為0.027 7。從圖8的相對光譜量子產額看來，西紅花葉片在綠光區域的谷值約為紅峰的45.5%，可見相比相對作用光譜，葉片的相對量子產額在綠光區域有明顯上升，這是由于葉片對綠光的吸收率較低。

圖8 西紅花葉片的相對光譜量子產額Fig.8 The relative spectral quantum yield of saffron leaves

西紅花葉片在藍光和紅光區域的光合效率較高，這與葉綠素的吸收光譜相符，且紅光對于西紅花的光合作用最為有效?？傮w而言，西紅花葉片的光合光譜響應曲線與以往研究對不同植物的測試結果相似，但在藍光區域的波峰位置有一定偏移，這種偏差很可能源于植物品種的差異，且可能是由不同植物葉片中各種色素的含量不同引起的，特別是花青素含量的差異，這種遮光色素還可能導致了西紅花葉片在綠光區域較低的光合效率[7]。另一方面，與前人光譜特性和實驗設計的差異也會帶來不同形狀和波峰的光合光譜響應曲線。

4 結論

根據本文的測試結果，對西紅花葉片光合作用最有效的藍紅波長位于480～660 nm之間，因此建議將西紅花補光燈具的峰值波長設置為480 nm和660 nm。由于時間原因，本次實驗錯過了西紅花生長最旺盛的時期，測試時葉片已開始發黃，不同生長階段葉片的光合光譜響應曲線可能存在差異，未來可在不同時期分別對西紅花葉片開展測試，從而進行更深入細致的分析。

致謝：感謝復旦大學生命科學學院郭海強老師提供了LI-6400XT光合儀。