云曼紅豆杉生長(zhǎng)和次生代謝產(chǎn)物對(duì)光照脅迫的響應(yīng)

王 剛,孫志鵬,李亞平,余雨紅,唐淑琴,劉 茜,郭 騏,蒲尚饒,王 剛

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,成都 611130;2.國家林業(yè)草原紅豆杉西南工程技術(shù)研究中心,成都 611130;3.四川省林業(yè)科學(xué)研究院,成都 610081; 4.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 風(fēng)景園林學(xué)院, 成都 611130)

光照作為重要的環(huán)境因子,不僅對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要的作用,而且影響植物的次生代謝過程,有利于藥用植物次生代謝產(chǎn)物累積的調(diào)控[1-5]。紅豆杉是一種具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的珍貴木本植物[6],被列為中國《主要林木育種科技創(chuàng)新規(guī)劃(2016-2025年)》中珍貴樹種育種工程的特色樹種,是當(dāng)今工業(yè)化生產(chǎn)抗癌藥物紫杉醇及其衍生物(多西紫杉醇、卡巴他賽等)的唯一原料和世界第一抗癌植物,其紫杉醇全球市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將在2020年至2025年的預(yù)測(cè)期內(nèi)年增長(zhǎng)率為8.2%[7-11]。隨著紫杉醇市場(chǎng)的巨大需求,同時(shí)為了更好地保護(hù)野生紅豆杉資源[12-13],紅豆杉被大量人工栽培和開發(fā)利用,但不同光照條件對(duì)藥用植物紅豆杉的品質(zhì)差異較大[14-15]。因此,關(guān)于紅豆杉栽培的研究受到廣大科研人員的普遍關(guān)注。鄧哲等[16]在研究不同土壤含水率對(duì)太行紅豆杉生長(zhǎng)及相關(guān)品質(zhì)的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),80%～90%和60%～70%的土壤含水量分別有利于太行紅豆杉的生長(zhǎng)和多糖量的積累。孫志鵬等[17]通過測(cè)定不同海拔、不同季節(jié)和不同采收期的云南紅豆杉(Taxusyunnanensis)枝葉中10-去乙?；涂?亭Ⅲ(10-DAB)含量及枝葉生物量,結(jié)果表明,生長(zhǎng)年限、生物量、季節(jié)和海拔均顯著影響云南紅豆杉的單株10-DAB累積量。此外,已有研究[18-20]分別以曼地亞紅豆杉(Taxusmedia)和南方紅豆杉(Taxuswallichianavar.mairei)為研究對(duì)象,研究不同處理方式對(duì)紅豆杉的生長(zhǎng)生理和主要次生代謝物積累的影響。目前,雖然國內(nèi)外學(xué)者在營(yíng)養(yǎng)元素、樹齡等方面對(duì)紅豆杉生長(zhǎng)和次生代謝產(chǎn)物的影響進(jìn)行了相關(guān)研究,但缺少在光照強(qiáng)度和采收期方面的探討,尤其是光照對(duì)云曼紅豆杉的生長(zhǎng)和次生代謝產(chǎn)物的影響尚鮮見報(bào)道。

云曼紅豆杉(Taxusmadia×T.yunnanensis‘Yunman’)良種是近年來選育的新品種,苗木(樹齡<4a)枝葉中紫杉醇、10-DAB含量高于我國現(xiàn)有紅豆杉,是生產(chǎn)天然紫杉醇和優(yōu)質(zhì)10-DAB的最好原料之一。因此,通過評(píng)價(jià)光照條件和采收時(shí)間對(duì)云曼紅豆杉生長(zhǎng)和主要次生代謝產(chǎn)物積累的影響,探究云曼紅豆杉生長(zhǎng)性狀及其紫杉醇和10-DAB累積對(duì)不同光照環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制,為云曼紅豆杉營(yíng)建短周期優(yōu)質(zhì)藥用原料林確立最佳光照條件及采收期提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)地位于四川省都江堰市胥家鎮(zhèn)(東經(jīng)103°41′42″,北緯31°0′30″),土壤類型為黃壤土。地勢(shì)平整,平均海拔680 m,屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,四季分明,無極端天氣,年均降水量1 243 mm,年均溫17.1 ℃,年均日照時(shí)數(shù)1 045 h,無霜期269 d。

1.2 試驗(yàn)材料

選用2 a生云曼紅豆杉實(shí)生苗,由國家林業(yè)草原紅豆杉西南工程技術(shù)研究中心提供,平均地徑2.59 mm,平均苗高22.64 cm,單株生物量平均值為3.76 g。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019年12月,將云曼紅豆杉苗木移栽至地勢(shì)平坦且土壤水分和溫度等生境條件均勻一致的實(shí)驗(yàn)地,栽植株行距0.55 m×0.50 m。利用不同遮陽網(wǎng)處理(0層、1層、2層、3層)進(jìn)行光照梯度設(shè)置,共分為4個(gè)光區(qū)域,分別為0%遮光、30%遮光、60%遮光和90%遮光,遮陽網(wǎng)設(shè)置光區(qū)域長(zhǎng)12 m、寬2 m、離地面1 m。苗木生長(zhǎng)期間養(yǎng)分、水分持續(xù)供應(yīng)充足,按照常規(guī)技術(shù)管理,定期除草,避免光照條件與其他環(huán)境因子的交互作用影響。自2020年3月中旬起,每間隔3個(gè)月,分別在4塊不同光區(qū)域中隨機(jī)測(cè)量和采集長(zhǎng)勢(shì)均勻的2 a生云曼紅豆杉苗木,3株為1個(gè)重復(fù),重復(fù)5次,每組采樣15株/次,4組共計(jì)60株/次。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

苗木地徑、苗高分別采用電子游標(biāo)卡尺和鋼卷尺測(cè)定,測(cè)定結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后兩位。生物量(干質(zhì)量)測(cè)定用烘干箱70 ℃將樣品烘干至恒重,然后1/100電子天平精確稱量,采用HPLC法測(cè)定活性成分紫杉醇和10-DAB含量[17,21],累積量即生物量和含量的乘積。2020年7月下旬選擇晴朗天氣,采用LD-GH80便攜式光合儀從 6:00 時(shí)到18:00 時(shí)每間隔2 h測(cè)定1次不同處理的云曼紅豆杉葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、CO2濃度(Ci)等指標(biāo)。每處理重復(fù)測(cè)定3次。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2017軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,運(yùn)用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析,采用Duncan’s法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),使用Origin 8.0進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 遮光對(duì)云曼紅豆杉苗木生長(zhǎng)的的影響

由表1可知,遮光和生長(zhǎng)時(shí)間對(duì)云曼紅豆杉苗木地徑、苗高及生物量存在不同的影響。從光照強(qiáng)度來看,隨著遮光的增強(qiáng),各時(shí)期不同生長(zhǎng)指標(biāo)均呈先升高后降低的趨勢(shì),總體上60%遮光高于30%遮光、90%遮光和0%遮光。其中3月,60%遮光的苗木地徑、苗高、生物量依次是0%遮光的1.18倍、1.08倍、1.25倍,30%遮光的1.01倍、1.02倍、1.05倍,90%遮光的 1.07倍、1.06倍、1.21倍。從生長(zhǎng)時(shí)期來看,隨著時(shí)間的增加,各生長(zhǎng)指標(biāo)逐漸升高,其中在0%遮光下,苗木地徑、苗高、生物量分別在3月增長(zhǎng)0.13 mm、1.10 cm、0.32 g,6月增長(zhǎng)1.33 mm、3.76 cm、3.85 g,9月增長(zhǎng)0.98 mm、1.80 cm、2.13 g,12月增長(zhǎng)0.35 mm、0.98 cm、0.58 g。12月與3月相比在0%遮光下,苗木地徑、苗高、生物量分別增長(zhǎng) 97.8%、27.5%、1.61倍,30%遮光下分別增長(zhǎng) 131.1%、51.4%、200.4%,60%遮光下分別增長(zhǎng)1.43倍、54.5%、2.07倍,90%遮光下分別增長(zhǎng)97.0%、35.7%、2.18倍。由此可得,2 a生云曼紅豆杉苗木在60%遮光生長(zhǎng)較好,6-9月是其生長(zhǎng)旺盛期,12月各生長(zhǎng)指標(biāo)達(dá)到最大。

表1 不同遮光下苗木生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化

2.2 遮光對(duì)云曼紅豆杉苗木光合特性的影響

從圖1可以看出,在不同遮光處理下,云曼紅豆杉苗木的Pn在30%和90%遮光下日變化呈現(xiàn)“雙峰型”曲線,有明顯的“光午休”現(xiàn)象,受到了光抑制。其中:90%遮光下最明顯,在8:00 時(shí)出現(xiàn)第1峰值為 7.96 μmol/(m2·s),之后隨著光合有效輻射的增強(qiáng),空氣相對(duì)濕度逐漸下降,氣溫逐漸上升,Pn開始下降;在16:00時(shí)出現(xiàn)第2峰值為4.04 μmol/(m2·s),比第1峰值下降 49.25%。在60%遮光和0%遮光下,光合有效輻射相對(duì)較弱,未達(dá)到其光飽和點(diǎn),苗木未發(fā)生“光午休”現(xiàn)象,其Pn日變化均為單峰曲線。對(duì)比云曼紅豆杉苗木的Pn與Gs的日變化趨勢(shì),可以發(fā)現(xiàn)Pn與Gs有顯著的正相關(guān)并且與其“光午休”對(duì)應(yīng),說明Pn對(duì)Gs具有反饋調(diào)節(jié)作用,當(dāng)Gs增大時(shí)利于葉片的光合作用,相反,Gs減小不利于葉片的光合作用。不同遮光處理下Tr與Pn、Gs日變化趨勢(shì)基本一致。此外,Ci在午間有所上升,Pn和Gs降低,Ci升高,這是一種非氣孔 限制。

圖1 不同遮光下苗木葉片光合參數(shù)日變化

2.3 遮光對(duì)云曼紅豆杉苗木次生代謝產(chǎn)物的 影響

2.3.1 對(duì)云曼紅豆杉苗木紫杉醇含量及單株累積量的影響 由圖2-A可知,遮光對(duì)云曼紅豆杉苗木枝葉中紫杉醇含量存在極顯著差異(P< 0.01),隨著遮光的增強(qiáng),紫杉醇含量降低。4個(gè)遮光條件下的云曼紅豆杉苗木枝葉中紫杉醇含量為 0.020%～0.036%,6月,各遮光下的云曼紅豆杉苗木枝葉中紫杉醇含量均表現(xiàn)為最高,分別比3月、9月和12月同遮光增加7.58%、 7.57%、12.70%,有顯著性差異(P<0.05)。由圖2-B可知,遮光對(duì)云曼紅豆杉單株紫杉醇累積量影響差異極顯著(P<0.01)。4個(gè)遮光下的云曼紅豆杉苗木枝葉中單株紫杉醇累積量為 1.15～4.51 mg;各遮光條件下苗木枝葉中單株紫杉醇累積量最高值均出現(xiàn)在9月,其中60%遮光最高,是0%遮光條件下的1.36倍。從生長(zhǎng)時(shí)期來看,各測(cè)定月份間枝葉單株紫杉醇累積量差異極顯著,4個(gè)遮光條件下的云曼紅豆杉苗木單株紫杉醇累積量在9月都出現(xiàn)最高值,其次分別為12月、6月和3月。由此可得,不同遮光強(qiáng)度對(duì)云曼紅豆杉苗木紫杉醇的合成具有一定影響,6月全光照條件更有利于苗木枝葉紫杉醇的合成;60%遮光有利于苗木單株紫杉醇的積累,9月是紫杉醇利用的最佳采收時(shí)間。

*表示差異顯著(P<0.05);**表示差異極顯著(P<0.01)。下同

2.3.2 對(duì)云曼紅豆杉苗木10-DAB含量及單株累積量的影響 由圖3-A可知,遮光對(duì)云曼紅豆杉苗木枝葉中10-DAB含量差異不顯著,3月和9月,10-DAB含量隨遮光增強(qiáng)而緩慢降低,6月和12月,10-DAB含量變化不明顯。4個(gè)遮光條件下的云曼紅豆杉苗木枝葉中10-DAB含量為 0.328%～0.383%,9月0%遮光達(dá)到峰值,分別是3月、6月和12月最低值的1.17倍、1.07倍和 1.08倍。由圖3-B可知,遮光對(duì)云曼紅豆杉苗木單株10-DAB累積量有顯著影響。除3月外,60%遮光與0%遮光相比,單株10-DAB累積量存在極顯著差異(P<0.01)。12月云曼紅豆杉單株10-DAB累積量依次是:60%遮光>30%遮光>90%遮光>0%遮光,60%遮光是0%遮光下的1.46倍。從生長(zhǎng)時(shí)間上看,6月、9月和12月與3月相比,苗木單株10-DAB累積量差異變化明顯。分析相同遮光不同生長(zhǎng)時(shí)期的單株10-DAB累積量可以發(fā)現(xiàn):4個(gè)遮光條件的苗木單株10-DAB累積量均在12月出現(xiàn)較高峰值,其次分別為9月、6月和3月,這與苗木生長(zhǎng)相似,均隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增加。由此可得,不同遮光強(qiáng)度對(duì)苗木枝葉10-DAB的合成具有一定影響,9月全光照條件更有利于苗木枝葉10-DAB的合成;60%遮光有利于苗木10-DAB的積累,12月是10-DAB利用的最佳采收時(shí)期。

圖3 不同遮光下苗木10-DAB含量和單株累積量的動(dòng)態(tài)變化

3 討 論

3.1 不同光照下苗木生長(zhǎng)節(jié)律的變化

不同遮光強(qiáng)度和生長(zhǎng)時(shí)間對(duì)云曼紅豆杉苗木的地徑、苗高以及生物量積累存在顯著影響。從遮光強(qiáng)度來看,總體60%遮光條件下地徑、苗高、生物量最大,其增長(zhǎng)量在不同季節(jié)依次高于30%遮光、90%遮光和0%遮光,這是由于適度遮光使到達(dá)地表的太陽總輻射量降低,同時(shí)冠層的溫度、濕度及土壤等也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化[22];從生長(zhǎng)時(shí)間來看,苗木的地徑、苗高、生物量均隨著時(shí)間的變化而變化,6月的3個(gè)生長(zhǎng)指標(biāo)的增長(zhǎng)量在4個(gè)遮光下均大于其他月份,最佳光照的云曼紅豆杉苗木地徑增長(zhǎng)達(dá)全年生長(zhǎng)的53%,苗高增長(zhǎng)占全年生長(zhǎng)49%,生物量增長(zhǎng)達(dá)全年生長(zhǎng)的51%。其次為9月,生長(zhǎng)最慢的是12月。這可能是因?yàn)橄募局参镄玛惔x和光合作用增強(qiáng),遮光降低了土壤中水分蒸騰及蒸發(fā),從而為云曼紅豆杉的生長(zhǎng)發(fā)育提供適宜的光照水分條件。冬季氣溫較低,含水量減少,不利于植物的生長(zhǎng)等原因[23]。本試驗(yàn)得出60%遮光適合2 a生云曼紅豆杉生長(zhǎng),6月和9月是其生長(zhǎng)旺盛期,這與彭曉邦[24]50%的光照適合商洛丹參生長(zhǎng)吻合,與王磊等[25]關(guān)于須彌紅豆杉在6-9月生長(zhǎng)旺盛期的研究結(jié)果一致,可能原因是適度的遮光改善了空氣相對(duì)濕度與二氧化碳濃度[26],使云曼紅豆杉具有較高的相對(duì)生長(zhǎng)率。

3.2 不同光照下苗木光合特性的變化

不同遮光強(qiáng)度和測(cè)定時(shí)間對(duì)云曼紅豆杉的光合特性存在明顯差異。30%遮光和90%遮光下的Pn日變化均呈現(xiàn)“雙峰型”曲線,有明顯的“光午休”現(xiàn)象。0%遮光條件下,其Pn日變化曲線為單峰曲線,光合有效輻射較弱,未達(dá)到其光飽和點(diǎn),可能原因是強(qiáng)光、低濕、高溫這種脅迫導(dǎo)致植物大量合成ABA等信號(hào)物質(zhì),植物為了自我保護(hù)關(guān)閉氣孔,限制氣體交換速率,從而Pn等光合參數(shù)降低[27];與30%遮光相比,60%遮光下云曼紅豆杉各時(shí)刻葉片Pn、Tr、Gs均表現(xiàn)出不同程度的下降,但Ci升高,這可能是由于遮光條件下光照不足,葉片同化效率降低所致[28]。4個(gè)遮光處理下的云曼紅豆杉Ci日變化在早晨和傍晚較高,但在中間時(shí)刻卻相對(duì)較低,這正是云曼紅豆杉通過光合作用利用CO2的重要體現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)氣孔限制是引起某一時(shí)段云曼紅豆杉光合作用降低的原因,這與前人的研究結(jié)論基本一致[29-30],光照通過直接或間接作用影響植物光合作用[31-32]。隨著光照強(qiáng)度增加,會(huì)導(dǎo)致光抑制的發(fā)生,同時(shí)會(huì)影響溫度和空氣相對(duì)濕度的變化。鑒于云曼紅豆杉苗木生長(zhǎng)對(duì)光照強(qiáng)度的響應(yīng)特點(diǎn),在造林時(shí),宜進(jìn)行林下種植或與其他樹種進(jìn)行混交栽植。因此,適度的遮光處理可降低溫度和蒸騰量,減輕“光午休”現(xiàn)象,為云曼紅豆杉快速生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的光照環(huán)境。

3.3 不同光照下苗木次生代謝產(chǎn)物的變化

不同遮光強(qiáng)度和生長(zhǎng)時(shí)間對(duì)云曼紅豆杉苗木的枝葉紫杉醇、10-DAB含量和單株累積量差異顯著:全光照條件更有利于苗木枝葉紫杉醇、10-DAB的合成,但不利于其單株累積量的提高;9月,雖然60%遮光下枝葉紫杉醇含量偏低,但生物量較大。因此,60%遮光條件下苗木單株紫杉醇累積量最高,是對(duì)應(yīng)0%遮光條件下的1.36 倍;12月,60%的遮光有利于苗木單株10-DAB累積量的積累,是對(duì)應(yīng)0%遮光條件下的1.46倍;從生長(zhǎng)時(shí)間上看,4個(gè)不同遮光處理下苗木枝葉紫杉醇、10-DAB含量及單株累積量年變化趨勢(shì)基本上為先升高后降低,夏秋兩季含量偏高,冬春兩季含量偏低,這與曾小珂[33]關(guān)于云南紅豆杉紫杉烷類化合物的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律研究結(jié)果類似。根據(jù)藥用林木的栽培目的,綜合考慮遮光強(qiáng)度以及采收時(shí)間,60%遮光有利于苗木紫杉醇和10-DAB含量累積,9-12月是最佳采收季節(jié)。本試驗(yàn)的次生代謝產(chǎn)物含量變化規(guī)律與孫志鵬等[17]、馮永林等[21]的研究結(jié)論基本一致,但紫杉醇單株累積量在9月達(dá)到最高的結(jié)論與楊逢建等[34]認(rèn)為南方紅豆杉枝葉中紫杉醇產(chǎn)量在11月末期達(dá)到最高不一致,可能原因是研究對(duì)象和采樣時(shí)間不同,另外,光照強(qiáng)度影響紅豆杉紫杉醇的生物合成及相關(guān)酶基因的表達(dá)[35],這也是影響紫杉烷類化合物累積量的重要因素。

4 結(jié) 論

光照對(duì)植物生長(zhǎng)生理和次生代謝產(chǎn)物具有重要的作用。文章以云曼紅豆杉苗木在不同光照強(qiáng)度開展生長(zhǎng)和次生代謝產(chǎn)物動(dòng)態(tài)變化研究,總體來看,2 a生云曼紅豆杉實(shí)生苗木最適光照強(qiáng)度為60%遮光,生長(zhǎng)旺盛期為6-9月,最佳采收時(shí)期為9-12月。研究結(jié)果對(duì)于云曼紅豆杉良種的高效栽培與利用具有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。本研究?jī)H利用光照單因素處理對(duì)云曼紅豆杉苗木開展生長(zhǎng)和主要次生代謝產(chǎn)物分析,未來將瞄準(zhǔn)光照與施肥、水分等多因素交互作用對(duì)其生長(zhǎng)代謝影響,開展更系統(tǒng)、深入的研究,揭示云曼紅豆杉對(duì)不同環(huán)境的響應(yīng),為高品質(zhì)云曼紅豆杉培育管理和林下復(fù)合種植提供科學(xué)依據(jù)。