LED蓝光不同光强对滇重楼光合荧光特性和解剖结构的影响

蔡虎铭，梁社往，黄 希，周 文，何忠俊*

(1.云南农业大学资源与环境学院，云南 昆明 650201；2.云南农业大学农学与生物技术学院，云南 昆明 650201)

【研究意义】光作为环境信号和光合作用能量的唯一来源，是植物生长发育和产量品质形成的必需环境因素[1-2]。迄今，关于光质的研究绝大多数采用的是高压钠灯、彩色荧光灯、滤光片或有色农膜。由于不能定量精确的调制透光率和光谱能量分布，影响了结果的可靠性和准确性[3-4]。【前人研究进展】植物对红、远红和蓝光极其敏感[1]。有研究表明蓝光对于叶绿素的形成、叶绿体的发育等有重要作用[5-6]。发光二极管(light-emiting diode, LED)作为新型半导体光源，具有光质纯、光效高、波长类型丰富、光谱能量调制便捷、体积小、寿命长、发热低、无污染、可有效利用种植空间、易于分类或组合控制等优点，成为21世纪农业和生物(产业)领域最有发展前景的人工光源[1-2]。目前应用LED单色光源和组合光源进行光生理生态、设施栽培、组培等已成为现代设施园艺研究的热点，并在植物补光、植物工厂以及航空航天领域取得重要进展[3-4,7-9]。【本研究的切入点】滇重楼(Parispolyphyllavar.yunnanensis) 隶属于延龄草科重楼属 (ParisL.)，为多年生草本植物，主要分布在云南、四川和贵州一带，主产于云南[10]。滇重楼根茎具有清热解毒、消肿散瘀、凉肝定惊等功效，常用于治疗蛇虫咬伤、跌打损伤等症。此外还有抗癌、止血、祛痰等功效，是白药系列、热毒清、抗病毒冲剂等著名中成药的主要原料[11]。滇重楼根状茎生长十分缓慢，从种子发芽到入药一般需10年左右的时间。迄今，有关滇重楼的研究主要集中在分类、植化、药理、栽培、营养特性等方面[12-14]。利用LED光源，研究滇重楼的光生物学特性，进而促进其生长，提高其药效成分，对缓解滇重楼资源危机具有重要意义。【拟解决的关键问题】研究LED蓝光不同光强对滇重楼生长、叶片光合特性、叶绿素荧光参数及解剖结构的影响，为LED光源在滇重楼栽培中应用的提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

实验光源由杭州汉徽光电科技有限公司提供，LED蓝光峰值波长为(460 ± 2)nm，灯板大小为40 cm×40 cm，功率：17.8 W，电流：0.45 A。试验于2015年7月17日至10月17日在光调控箱内进行。共设置4个光强处理，分别为200、150、100和50 μmol/(m2·s)。选用生长一致、整株鲜重差异在(1.45 ± 0.1)g 范围的3年生滇重楼种子苗(由云南白药集团中药材优质种源繁育公司提供)，定植于10 cm×10 cm×10 cm的塑料盒内，每盒装林下土350 g，每处理重复4次。每天光照12 h(8:00-20:00时)，其他管理措施一致。实验结束时，清洗植株，晾去附着水分，称鲜重。

1.2 测定项目与方法

采用丙酮乙醇混合提取法测定叶片叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量。采用Li-6400便携式光合仪测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)以及叶绿素荧光参数，并计算PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、最大天线转化效率(Fv′/Fm′)、PSⅡ光合电子传递量子效率(φPSⅡ)、光化学猝灭系数qP。采用石蜡切片技术处理滇重楼叶片，观察其解剖结构[15]。

2 结果与分析

2.1 蓝光不同光强对滇重楼鲜重的影响

表1显示，滇重楼鲜重处理间差异显著，以150 μmol/(m2·s)处理最高，以200 μmol/(m2·s)处理最低，100 μmol/(m2·s)处理与50 μmol/(m2·s)处理间差异不显著。随着光照强度的增加，滇重楼鲜重呈先增后降的趋势，说明蓝光不同光强对滇重楼生物量的积累有显著影响。

2.2 蓝光不同光强对滇重楼叶片叶绿素组分含量的影响

表2显示，不同蓝光光强对滇重楼叶片叶绿素组分含量的影响显著。150 μmol/(m2·s)处理下叶绿素a、叶绿素总含量和类胡萝卜素均显著高于其他处理。叶绿素a和叶绿素总含量顺序为：150 μmol/(m2·s)处理> 50 μmol/(m2·s)处理>100 μmol/(m2·s) 处理> 200 μmol/(m2·s) 处理，类胡萝卜素含量顺序为：150 μmol/(m2·s)处理> 50 μmol/(m2·s)处理> 200 μmol/(m2·s) 处理> 100 μmol/(m2·s) 处理。叶绿素b含量在50 μmol/(m2·s)处理最高，200 μmol/(m2·s)和100 μmol/(m2·s)处理之间差异不显著，顺序为50 μmol/(m2·s) 处理> 150 μmol/(m2·s) 处理>100 μmol/(m2·s) 处理>200 μmol/(m2·s) 处理；Chla/Chlb以100 μmol/(m2·s)处理最高， 50 μmol/(m2·s)处理最低。

表1 蓝光对滇重楼鲜重的影响Table 1 Effect of blue light intensity on fresh weight of P.polyphylla var. Yunnanensis

注:同行不同小写字母表示差异显著(P﹤0.05)。
Note:Different lowercase letters showed the significant difference at 0.05 level in the same line.

表2 蓝光对滇重楼叶片色素含量的影响Table 2 Effects of blue light intensity on leaf photosynthetic pigment contents of P.polyphylla var. Yunnanensis

注:同列不同小写字母表示差异显著(P﹤0.05)，下同。
Note:Different lowercase letters showed the significant difference at 0.05 level in the same column，the same as below.

表3 不同蓝光光强下滇重楼叶片的光合特性Table 3 Leaf photosynthetic parameters of P.polyphylla var. Yunnanensis under different blue light intensity

2.3 蓝光不同光强对滇重楼叶片光合特性的影响

表3表明，蓝光不同光强对滇重楼叶片光合特性的影响显著。滇重楼叶片净光合速率在150 μmol/(m2·s)处理下最高，在200 μmol/(m2·s)处理下最低，与其他处理差异显著。气孔导度是衡量叶片气孔开闭大小和调控蒸腾耗水能力的主要指标，滇重楼叶片气孔导度随光强的增加表现出先增加后降低的趋势，与蒸腾速率变化规律相同。本试验中，滇重楼叶片胞间CO2浓度与净光合速率呈负相关，净光合速率越高的处理，其对应的胞间CO2浓度则越低。

2.4 蓝光不同光强对滇重楼叶片荧光特性的影响

Fv/Fm表示PSⅡ最大光化学效率，常用来度量植物叶片光反应中心PSⅡ的潜在活性，由表4可知，随着光照强度的增加，Fv/Fm值呈降低的趋势，但处理间差异不显著，说明蓝光光强对滇重楼叶片PSⅡ最大光化学效率影响较小。Fv′/Fm′值表示光适应下PSⅡ最大光化学效率，以150 μmol/(m2·s)处理最高，200 μmol/(m2·s)处理最低，各处理间差异显著。φPSⅡ和qP均随光强的增加呈现出先增后减的规律，150 μmol/(m2·s)处理最大，50 μmol/(m2·s)处理最小。

2.5 蓝光不同光强对滇重楼叶片解剖结构的影响

植物叶片是对生长环境最为敏感的营养器官。不同的生长环境对植物叶片的形状、叶表面特征、叶片厚度和解剖结构有明显的影响[16]。由表5可知，随着光照强度的减弱，叶片上表皮厚度呈上升趋势，但各处理间差异不显著。栅栏组织厚度随光照强度的减弱表现出先增后减的规律，150 μmol/(m2·s)处理最高，50 μmol/(m2·s)处理最低，且二者间差异显著。海绵组织厚度200 μmol/(m2·s)、150 μmol/(m2·s)、50 μmol/(m2·s) 3个处理间差异不显著，但200 μmol/(m2·s) 处理、50 μmol/(m2·s) 处理与100 μmol/(m2·s)处理间差异显著。下表皮厚度以150 μmol/(m2·s)处理最高，但不同处理间差异不显著。

表4 蓝光不同光强下滇重楼叶片荧光特性Table 4 Leaf fluorescence parameter of P.polyphylla var. Yunnanensis under different blue light intensity

表5 蓝光不同光强下滇重楼叶片解剖结构特征Table 5 Leaf anatomical features of P.polyphylla var. Yunnanensis under different blue light intensity

3 讨 论

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，在光合作用的光吸收中起核心作用，其含量高低直接影响光合速率。本研究中，叶绿素总含量和类胡萝卜素的含量随着蓝光光强的增加呈现先升后降的趋势，在150 μmol/(m2·s)处理下最大，与滇重楼鲜重变化一致。在100 μmol/(m2·s) 处理和50 μmol/(m2·s)处理下，随着光强的减弱，叶绿素的总含量上升，叶绿素a/b值下降。该结果与弱光条件下，叶绿素含量升高有利于提升对光能的利用率[17～18]的结论一致。

本研究中，净光合速率与叶片胞间二氧化碳浓度成反比，与李雯琳[19]等研究LED不同光质对叶用莴苣幼苗影响结果一致。200 μmol/(m2·s)处理下，净光合速率显著低于其他3个处理，气孔导度和蒸腾速率也是4个处理中最低，说明200 μmol/(m2·s)处理的光强过强，导致光合速率下降，气孔导度降低，使胞间CO2浓度上升，从而使滇重楼生物量累积下降。

光不仅直接引发光合结构和功能的变化，同时也影响光合电子的传递[20]。最大光化学效率Fv/Fm是衡量光抑制程度的重要指标[21]，本研究中Fv/Fm值各处理间无差异，表明蓝光不同光强处理下滇重楼叶片光合电子传递并未受到光抑制，反应中心工作正常。Fv′/Fm′值即最大天线转换效率，在4个处理中的变化规律与叶片光合色素含量和净光合速率一致，说明蓝光对这几个指标的调节作用具有相似性。φPSⅡ反映在光照条件下PSⅡ反应中心部分关闭的情况下的实际光化学效率，qP反应了PSⅡ反应中心的开放程度，qP越大，PSⅡ的电子传递活性越大；150 μmol/(m2·s)处理下的φPSⅡ和qP值最大，说明150 μmol/(m2·s)处理叶片PSⅡ反应中心开放程度最大，并且提高了叶片用于光化学电子传递的份额，进而提高了实际光化学效率。

栅栏组织是植物进行光合作用的主要场所，细胞内含有大量的叶绿体。本研究中，随着蓝光光照强度的减弱，栅栏组织厚度先增加后降低，与净光合速率变化趋势一致。叶片叶肉细胞中海绵组织的厚度一般大于栅栏组织的厚度，其主要的功能是气体交换和蒸腾作用[22]。蓝光4个处理中，海绵组织厚度在100～200 μmol/(m2·s)光强下，随光强减弱而减小，但在50 μmol/(m2·s)光强下海绵组织厚度变厚，且显著高于其他处理，说明在弱光条件下，植物代谢速率减弱，植物为了确保生存，会通过增厚海绵组织来加强自身蒸腾作用及气体交换以适应环境。

4 结 论

LED蓝光不同光强下滇重楼生物量累积、叶片叶绿素组分含量、叶片光合荧光特性、叶片解剖结构均存在较大差异。200 μmol/(m2·s)处理光照过强，50 μmol/(m2·s)处理光照过弱；150 μmol/(m2·s)处理叶片叶绿素组分含量、叶片净光合速率、叶绿素荧光参数Fv′/Fm′、φPSⅡ、qP均最高，滇重楼生物量累积也最大，表明蓝光150 μmol/(m2·s)为滇重楼生长的适宜光强。

[1]刘文科,杨其长,魏灵玲,等. LED光源及其设施园艺应用[M].北京:中国农业科技出版社,2012.

[2]刘文科,杨其长.设施园艺半导体照明[M].北京:中国农业科技出版社,2016.

[3]杨其长.LED在农业与生物产业的应用与前景展望[J].中国农业科技导报,2008,10(6):42-47.

[4]杨其长,徐志刚,陈弘达,等.LED光源在现代农业的应用原理与技术进展[J].中国农业科技导报, 2011,13(5):37-43.

[5]Liu Xiaoying, Guo Shirong, Xu Zhigang, et al. Regulation of chloroplast ultra-structure, cross-section anatomy of leaves and morphology of stomata of cherry tomato by different light irradiation of LEDs[J]. Hortiscience, 2011, 45(2):1-5.

[6]Hogewoning S W, Trouwborst G, Maljaars H, et al. Blue light dose-responses of leaf photosynthesis, morphology, and chemical composition ofCucumissativugrown under different combinations of red and blue light[J]. Journal of Experimental Botany, 2010, 61(11):3107-3117.

[7]文 婧,杨其长,魏灵玲,等.不同红蓝LED组合光源对叶用莴苣光合特性和品质的影响及节能评价[J].园艺学报, 2011,38(4):761-769.

[8]刘再亮,马承伟,杨其长.设施环境中红光与远红光比例调控的研究进展[J].农业工程学报, 2004,20(1):270-273.

[9]邸秀茹,焦学磊,崔 瑾,等.新型光源LED辐射的不同光质配比光对菊花组培苗生长的影响[J].植物生理学通讯, 2008,44(4):661-664.

[10]李 恒.重楼属植物[M].北京:科学出版社,1998.

[11]武珊珊,高文远,段宏泉,等.重楼化学成分和药理作用研究进展[J].中草药,2004,35(3):344-345.

[12 于素强,武 毅,曲 玮,等.重楼属植物的研究进展[J].海峡药学,2011,23(5):1-6.

[13]陈 翠,康平德,杨丽云,等.云南重楼种苗繁育技术[J].中国现代中药,2010,12(2):23-28.

[14]何忠俊,杨 威,韦建荣,等.氮素形态及其组合对滇重楼产量及有效成分的影响[J].云南农业大学学报, 2010,25(1):107-112.

[15]王 茜.滇重楼内生真菌多样性及不同组织的解剖结构研究[D].昆明:云南大学,2013.

[16]毛立彦,慕小倩,董改改,等.光照强度对曼陀罗和紫花曼陀罗生长发育的影响[J].植物生态学报,2012,36(3):249-257.

[17]战吉宬,黄卫东,王利军,等.植物弱光逆境生理研究综述[J].植物学通报,2003,20(1):43-50.

[18]闻 婧,孟力力,张 俊,等.弱光对植物光合特性影响的研究进展[J].江苏农业科学,2014(7):22-24.

[19]李雯琳,郁继华,张国斌,等.LED光源不同光质对叶用莴苣幼苗叶片气体参数和叶绿素荧光参数的影响[J].甘肃农业大学学报,2010,45(1):47-51.

[20]周忆堂,马红群,梁丽娇,等.不同光照条件下长春花的光合作用和叶绿素荧光动力学特征[J].中国农业科学,2008,41(11):3589-3595.

[21]马彦霞,郁继华,张国斌,等.谷胱甘肽对自毒作用下辣椒叶片光合特性的影响[J].核农学报,2012,26(2):396-402.

[22]胡正海.植物解剖学[M].北京:高等教育出版社,2010.