基于不同光环境下筒花开口箭光合作用研究

倪 奎

(安徽新闻出版职业技术学院 基础部，安徽 合肥 230061)

筒花开口箭(TupistradelavayiFranch.)属于百合科开口箭属,多年生草本植物。分布于中国云南、贵州、四川、湖北、湖南。生长在海拔4 500～5 000 m的灌丛中或杂木林下荫湿处。根茎根状茎圆柱形,淡褐色,直径长约1～1.5 cm,多节。其根茎具有清热解毒、散瘀止痛之功效,可治疗支气管炎、咽喉肿痛、跌打损伤、消化道癌、小孩脱肛[1]。筒花开口箭用途广泛,药用价值非常高,然而野生资源的储量很有限。

近年来,有关筒花开口箭属植物的研究仅涉及到脂肪酸成分[2]和药用成分的报道,而筒花开口箭属主要活性成分为皂苷,从该属植物根茎中已分离提纯出多种皂苷成分[3-4]。对药用植物的驯化栽培可以有效地减轻人们野外采集对生态环境的破坏，是减轻野生资源压力、保护药用植物资源的最重要途径之一[5]。植物生长发育的重要生理过程是光合作用,对于树木庇护植物而言,影响植物的主导环境因子是光合作用。在不同光环境下,探究光合生理生态适应特性和生长状况之间的关系,光合潜能和光环境对光合产物分配的影响,对资源的栽培和保护具有重要的意义[6]。

本试验将筒花开口箭放在不同的光环境下培养,通过光合作用仪测出其光合作用的各项参数。分析其净光合速率日变化与气孔导度日变化,揭示影响其光合作用的因素。分别取2种光环境下培养的筒花开口箭的叶片,提取叶绿体色素,测定叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素在相应波长下的OD值,进而计算出其光合色素含量,比较2组光环境下生长的筒花开口箭叶绿体色素含量的差异。

1 材料和方法

1.1 仪器与试剂

V-T3分光光度计(上海屹普);KH23A离心机(凯达离心机)。丙酮,碳酸钙,石英砂等(AR,国药)。

1.2 材料与分组

1.2.1 材料 6株开口箭于2019年10月采集于湖北神农架林区野外,叶片为丛状,均为4片,条形,叶片宽2.5 cm左右,将其移栽到实验室。

1.2.2 分组 待植株完全成活后,2020年2月,随机分为室内组和光照组,每组3盆。其中室内组置于实验室内培养3个月,定期浇水,以保证盆里土壤湿润,观察其生长情况。光照组置于全光照的环境下培养3个月,定期浇水,每天早中晚测定温湿度,尽量保持室外一致,观察其生长情况。

1.3 色素的提取

分别取2种光环境下生长的新鲜开口箭叶片,剪成细丝,称取0.5 g放入研钵中加石英砂、丙酮5 mL和少许CaCO3,研磨成匀浆,加80%丙酮5 mL,在10 000 r/min下离心5 min，弃沉淀,上清液用80%丙酮定容至20 mL。测定OD值:取上述色素提取液1 mL,加80%丙酮4 mL稀释,以80%丙酮为对照,分别测定提取液在663、645、440 nm处的OD值。

1.4 光合特性的测定

分5个时间点(09:00、11:00、13:00、15:00、17:00)分别对2组筒花开口箭光合特性进行测定。用分光光度计测定2种情况下叶绿体色素吸光度(叶绿体色素含量),分别计算2种光环境培养的筒花开口箭叶片色素提取液中质量浓度,计算出每克鲜重筒花开口箭叶片中叶绿体色素的含量。用光合作用仪测定2种环境中光合特性参数:净光合速率(μmol/m2·s)、气孔导度(mmol/m2·s)、蒸腾速率(mmol/m2·s)、胞间CO2浓度(μmol/m2·s)等数据,分析各光合参数的日变化。

2 结果与分析

2.1 不同光环境下培养的筒花开口箭净光合速率日变化

植物光合作用日变化是植物生产过程中生理代谢和物质积累的基本单元,也是分析环境因素影响植物代谢和生长的重要手段[7]。一般条件下栽培植物的光合作用日变化是有规律可循的,其变化曲线呈双峰型或者单峰型[8]。

不同光环境下培养的筒花开口箭净光合速率日变化结果显示(图1)室内培养和全日光照下培养Pn日变化均呈现双峰型,而第1个主峰出现在11:00,第2个主峰出现在15:00;由图1可知,室内培养的筒花开口箭净光合速率均高于全光照培养的筒花开口箭,筒花开口箭在11:00之后由于光照强度比较强,净光合速率下降,说明筒花开口箭的光合作用受到了光抑制。

图1 不同光环境下培养的筒花开口箭净光合速率日变化

2.2 不同光环境下培养的筒花开口箭气孔导度日变化

不同光环境下培养的筒花开口箭气孔导度(mmol/m2·s)日变化试验结果显示(图2),在室内培养的筒花开口箭气孔导度在09:00-11:00呈上升趋势,11:00-13:00呈下降趋势,15:00之后又下降了,与净光合速率的变化趋势相同;气孔导度受环境因子的影响是很大的,适宜的光强有利于气孔张开,气孔阻力降低,气孔导度增大。全光照条件下培养的筒花开口箭气孔导度日变化一直低于室内培养的筒花开口箭,其净光合速率也低于室内培养的筒花开口箭。说明弱光下有利于气孔的张开,从而有利于筒花开口箭进行光合作用,提高其净光合速率。

图2 不同光环境下培养的筒花开口箭气孔导度日变化

2.3 不同光环境下培养的筒花开口箭光合作用蒸腾速率日变化

不同光环境下培养的筒花开口箭蒸腾速率(mmol/m2·s)日变化结果显示(图3),室内和全光照条件下培养的筒花开口箭蒸腾速率均呈双峰型,室内条件下培养的筒花开口箭第1个主峰出现在11:00,第2个主峰出现在15:00。随着净光合速率的升高,蒸腾速率也逐渐增大;全光照下培养的筒花开口箭也是第1个主峰出现在11:00,第2个主峰出现在15:00,蒸腾速率日变化趋势与净光合速率的日变化趋势相近。说明蒸腾速率也是影响筒花开口箭光合作用的因素之一。

图3 不同光环境下培养的筒花开口箭蒸腾速率日变化

2.4 不同光环境下培养的筒花开口箭光合作用胞间的CO2浓度日变化

不同光环境下培养的筒花开口箭叶片,进行光合作用的胞间CO2浓度(μmol/m2·s)日变化结果显示(图4),全光照条件下培养的筒花开口箭,在09:00-11:00之间,胞间CO2浓度一直处于上升趋势,说明这一段时间光合速率比较高,需要的养料比较多。在11:00-13:00时,胞间CO2浓度迅速上升,其他时段都比较平缓。可能是由于光合作用的速率比较低,CO2滞留在细胞间,使得细胞间的CO2浓度迅速上升。室内培养的筒花开口箭,在09:00-11:00之间气孔张开,胞间的CO2浓度上升,净光合速率增大。在11:00-15:00之间胞间CO2浓度变低,同化力最强,植物净光合速率高。在15:00之后净光合速率的下降,胞间CO2浓度呈上升。

图4 不同光环境下培养的筒花开口箭胞间CO2浓度的日变化

2.5 不同光环境下叶绿素含量的比较

叶绿素是反映植物生理活性变化重要指标之一,对光能吸收与传递以及光化学反应起着十分重要的作用,反映了植物生长状况。全光照培养的筒花开口箭下叶绿素a含量、叶绿素b含量、类胡萝卜素含量均低于室内培养的筒花开口箭(表1)。叶绿素a在红光部分的吸收带偏向于长光波方面,然而叶绿素b在蓝紫光部分的吸收带是较宽的。阴生植物的叶绿素a和叶绿素b的比值小,叶绿素b的含量大于叶绿素a的含量,即叶绿素b的含量相对来说是较多的。所以阴生植物能强烈地利用蓝紫光,适应于在遮阴的环境生长，筒花开口箭是阴生植物,野外生长环境为林下。经常生活在漫射光中,漫射光中较短的波长占优势[9]。

室内培养的筒花开口箭类胡萝卜素含量高于全光照下培养的筒花开口箭。在光合作用的原初反应中,光能转化成电能。能量可以在相同色素分子之间传递,也可以在不同色素分子之间传递。能量传递效率很高,类胡萝卜素所吸收的光能传递给叶绿素a的效率高达90%,叶绿素b所吸收的光能传给叶绿素a效率接近100%。能量的传递效率高,有利于提高其光合作用速率。

表1 不同光环境培养的筒花开口箭叶绿素含量

3 结论与讨论

光合作用是植物生长十分复杂的生理过程,叶片净光合速率与自身因素如叶绿素含量、叶片厚度、叶片成熟度等密切相关，且受光照强度、气温、空气相对湿度、土壤含水量等影响[10]。从“药用植物资源的可持续利用及其种群生态学研究与展望”研究可知,野生药用植物资源可持续利用的本质是如何解决种群的繁殖系统、个体数量与外界环境(光照强度、气温、空气湿度和土壤水量等)之间的关系。

室内培养的筒花开口箭平均净光合速率明显高于全光照下培养的筒花开口箭,2种光环境培养的筒花开口箭净光合速率的日变化均呈双峰型,峰值分别出现在11:00和15:00。说明筒花开口箭在光照强度比较大时光合作用受到了光抑制[11-12]。

气孔导度受环境因子的影响是很大的,适宜的光强有利于气孔张开。室内培养的筒花开口箭气孔导度大于全光照下培养的筒花开口箭,说明弱光下有利于气孔的张开,从而有利于筒花开口箭进行光合作用,提高其净光合速率[13]。

室内和全光照条件下培养的筒花开口箭蒸腾速率均呈双峰型,蒸腾速率随净关合速率的增大而增大,说明蒸腾速率是影响筒花开口箭光合所用速率的因素之一。

不同光环境下培养的筒花开口箭胞间CO2浓度日变化结果表明,全光照下培养的筒花开口箭虽然胞间CO2浓度比较大,但其净光合速率比较低,CO2滞留在细胞间。室内培养的筒花开口箭其胞间CO2浓度随其净光合速率变化一致[14-15]。

全光照培养的筒花开口箭下叶绿素a含量、叶绿素b含量、类胡萝卜素含量均低于室内培养的筒花开口箭,且室内培养的筒花开口箭净光合速率大于全光照环境培养的筒花开口箭,说明叶绿素是影响筒花开口箭净光合速率的原因之一。

综上,相对于全光照环境,筒花开口箭更适宜在室内生长。