光強對金銀花藥材性狀、光合特性及抗氧化酶活性的影響

劉 新,王夢皎,李一鳴,房海靈,亓希武,于 盱,梁呈元,3

(1.南京林業大學 生物與環境學院,江蘇 南京 210037;2.江蘇省中國科學院 植物研究所 南京中山植物園,江蘇 南京 210014;3.江蘇省農業種質資源保護與利用平臺,江蘇 南京 210014)

金銀花(LonicerajaponicaThunb.)為忍冬屬多年生灌木,其干燥花蕾或初開的花具有清熱解毒、疏散風熱功效,為我國重要的大宗藥材,臨床上可用于治療感冒、上呼吸道感染、高血脂等癥,曾在SAS、H7N9等流行性病毒病的治療上發揮了巨大作用[1-2]。此外,金銀花還被廣泛用于化工、食品、飲料等諸多領域,需求量極大。人工種植金銀花是滿足市場需求的主要途徑。

光是植物生長發育、形態建成中重要的環境調控因子。適當改變光照強度可在一定程度上促進植物的生長發育及次生代謝產物的合成。例如：弱光條件有利于喜樹堿的合成與積累[3];低光照可提高長春花葉片中文朵靈堿和長春質堿含量,而抑制長春堿的合成[4];75%光照條件可促進喜樹植株生長,提高光合速率[5];78%光照條件有利于老鴉瓣產量的積累[6]。可見,研究光照對藥用植物形態、生理的影響對提高藥材產量、品質尤為重要。本研究通過分析不同光強條件下金銀花藥材性狀、光合特征和抗氧化酶活性的差異,探討了光強對金銀花藥材性狀和生理特性的影響,旨在為金銀花人工栽培中的光照管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗于2017年4月25日至6月15日在江蘇省中國科學院植物研究所中藥材種植基地進行,供試金銀花品種為“九豐1號”一年生苗。采用育苗移栽的方法,于2015年11月下旬選擇地徑、苗高一致的金銀花扦插苗進行露地栽培,株行距1.2 m×1.2 m,進行正常水、肥管理，備用。

1.2 試驗設計

設置3個遮光處理，即：CK，全光照,無遮陰網(透光率為100%); LI50，一層遮陰網(透光率為50%); LI25，二層遮陰網(透光率為25%)。遮光材料為黑色遮光網。為了防止不同處理光照的互相影響,各處理間均留出2 m間隔。在試驗期間各處理的田間管理措施保持一致,每個處理10株。

1.3 檢測項目及方法

1.3.1 藥材性狀的測定 采集大白期花蕾,用游標卡尺對單花長度進行測量,精確到0.001 cm;在用1/10000的天平稱量花蕾鮮重后,在45 ℃下烘干至恒重,稱其干質量,計算干鮮比。

1.3.2 葉片光合色素含量和光合速率的測定 采用LI-6400XT型光合儀,于5月25日9:00～11:00,選擇生長一致的金銀花頂部第5～6對葉片進行凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)等光合指標的測定,并計算水分利用率WUE(WUE=Pn/Tr)及氣孔限制值Ls(Ls=1-Ci/Ca,Ca為大氣CO2濃度)。每個處理隨機選取5株,重復測定10次,取平均值。光合色素(葉綠素和類胡蘿卜素)含量的測定參考李合生[7]的方法。

1.3.3 抗氧化酶活性的測定 分別于處理7、14、21、28、35 d，測定金銀花葉片的MDA含量和抗氧化酶活性,包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)。相關試劑盒購自南京建成生物技術有限公司,具體操作方法參見試劑盒說明書。

1.4 數據統計與分析

采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件對試驗數據進行統計分析,處理間差異顯著性分析采用LSD方法。

2 結果與分析

2.1 光強對金銀花藥材性狀的影響

由表1可知,金銀花花蕾長和單花鮮重隨光強增加均呈先升高后降低的趨勢,其中以透光率50%時花蕾長度最長,其次為透光率25%和透光率100%。差異顯著性分析表明,在不同處理間單花鮮重差異性不顯著;花蕾長度呈顯著或極顯著差異,表現為透光率50%處理的花蕾長度極顯著高于全光照對照的。單花干重、干鮮比的變化趨勢與光照強度一致,即隨光照強度的增加而升高;差異顯著性分析表明,全光照處理下的單花干重和干鮮比顯著高于25%和50%透光率處理下的。

表1 光強對金銀花藥材性狀的影響

注:同一列數據后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示處理間差異極顯著(P<0.01)。下同。

2.2 光強對金銀花葉片光合特性的影響

2.2.1 光合色素含量 由表2可以看出：金銀花葉片中葉綠素a(Chla)和葉綠素b(Chlb)含量隨著光照強度的減弱而呈增加趨勢，其中25%、50%透光率處理的Chla含量較100%光照處理分別增加了38.155%、13.332%,Chlb含量分別增加了68.732%、33.005%,類胡蘿卜素(Car)含量分別增加了34.605%、32.893%;Chla/Chlb則隨光強的減弱而降低。以上結果表明,弱光處理可提高金銀花葉片的光合色素含量,且Chlb含量增加更多,這有利于植物吸收短波長的藍紫光,增加對弱光的利用以滿足生長需要,是金銀花對弱光環境的一種適應性表現。

表2 光強對金銀花葉片中光合色素含量的影響

注：表中數據為平均值±標準差，樣本數為4。

2.2.2 光合參數 由表3可知,遮光處理對金銀花葉片的光合參數具有顯著影響,隨著光強增加,葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)及蒸騰速率(Tr)均呈上升趨勢;而水分利用率和氣孔限制值隨光強的減弱而上升。以上結果說明,低光照條件可引起金銀花氣孔導度減小,氣孔阻力增加,光合速率降低。

表3 光強處理對金銀花葉片光合參數的影響

注：表中數據為平均值±標準差，樣本數為10。

2.3 光強對金銀花葉片中MDA含量的影響

由表4可知,不同光強對金銀花葉片中MDA含量具有顯著影響。MDA含量隨著光強減弱呈先降低后升高的趨勢。50%透光率條件下金銀花葉片的MDA含量顯著低于其他光強處理下的。表明強光或弱光均會對金銀花葉片細胞產生逆境脅迫,導致膜脂質過氧化反應,造成細胞膜損傷。與100%自然光處理(CK)相比,在處理2135 d期間50%透光率條件下MDA含量呈下降趨勢；在處理35 d時,25%透光率下的MDA含量也較CK顯著下降,這可能是由于在處理后期夏季到來,遮陰有利于緩解強光和高溫帶來的逆境脅迫,可減緩細胞膜脂質過氧化反應。

表4 光強處理對金銀花葉片MDA含量的影響nmol/mg

注：表中數據為平均值±標準差，樣本數為3。下同。

2.4 光強對金銀花葉片抗氧化酶活性的影響

2.4.1 超氧化物歧化酶(SOD)活性 SOD是植物體內一種重要的清除活性氧自由基的酶,可將O2-轉化為O2和H2O2。如表5所示,隨著光強減弱,金銀花葉片中SOD活性呈先降低再升高的趨勢,以25%透光率處理的SOD活性最高,其次為全光照CK的,而以50%透光率處理的最低。表明強光和弱光均對金銀花葉片細胞產生了脅迫,50%透光率條件在一定程度上緩解或解除了逆境脅迫,有利于植株生長。另外，金銀花葉片的SOD活性隨處理時間的延長呈先升高后降低的趨勢；25%透光率處理下的SOD活性在處理后期較全光照CK組低。

表5 光強處理對金銀花葉片SOD活性的影響nmol/mg

2.4.2 過氧化氫酶(CAT)活性 過氧化氫酶(CAT)可將H2O2分解為O2和H2O,也是一種重要的抗氧化酶。如表6所示,隨著光照強度的增強，金銀花葉片中的CAT活性呈先降后升的變化趨勢,且隨處理天數的增加而逐漸增大；在處理28 d時,CAT活性最高,且25%透光處理的CAT活性顯著高于全光照CK組的。這可能是由于在處理2128 d期間,金銀花葉片的SOD活性較強,產生了大量的H2O2,導致CAT活性也隨之增強。

表6 光強處理對金銀花葉片CAT活性的影響nmol/mg

2.4.3 過氧化物酶(POD)活性 POD的功能與CAT類似,與SOD、CAT等共同組成了植物細胞膜抗氧化酶保護系統。由表7所示,POD活性的變化趨勢與CAT較為相似,均隨光強增強而呈先降后升的趨勢,且隨著處理時間延長呈升高趨勢。25%透光率處理組在處理初期POD活性高于全光照對照,后期則略低于CK,可能是由于在處理后期高溫強光條件下,光能過剩導致超氧陰離子自由基激增,膜脂質過氧化加劇,進而誘導POD活性升高；25%透光率處理通過遮陰適當緩解了高溫強光脅迫,減緩了對細胞膜的損傷。

表7 光強處理對金銀花葉片POD活性的影響nmol/mg

3 結論與討論

3.1 光強對金銀花藥材性狀的影響

植物在長期的進化過程中因生長于不同的光照強度下，會形成喜陰或喜陽的特性。因此,對光照強度的響應也會因植物的不同而產生不同結果。萬小燕等[8]研究發現遮陰處理后涼粉草、水田七和牛耳楓的株高變高,莖粗和折干率變低;秦健等[9]發現在同一光質下高光強對青錢柳苗木的苗高、地徑增長量和生物量等有促進作用。以上研究表明植物莖、葉等外觀性狀對光強最為敏感。本研究發現,遮陰處理后,植株葉片明顯增多，株高變高,有利于利用弱光環境中有限的光照。此外,光強不僅能影響植物莖、葉等營養器官的形態變化,對生殖器官的形態也有較大的影響。侯興亮等[10]研究發現遮光可引起番茄花芽分化延遲,總花數下降;余婷等[11]對鳳仙花的研究發現適度遮陰有利于增加植株的單株開花量。本研究結果表明50%透光率處理可有效提高金銀花的花芽數,促進花蕾生長,可能是由于CK全光照下的光照強度過大,使植株花芽受損,而過度遮陰則會抑制花芽分化。此外,與CK相比,遮陰處理組的花蕾折干率呈下降趨勢,可能是由于低光照強度下蒸騰速率較低,花蕾中水分含量較全光照處理組高所致。

3.2 光強對金銀花光合特性的影響

高等植物吸收光能進行光合作用的色素包括葉綠素(Chl)和類胡蘿卜素(Car)。其中Chl是進行光合作用的主要色素,由葉綠素a (Chla,吸收光譜高峰為紅光)和葉綠素b (Chlb,吸收光譜高峰為藍紫光)組成;類胡蘿卜素可吸收藍紫光,除參與光合作用外,還可清除反應中心氧化側單線態葉綠素,起到光保護作用[12]。大量研究表明,弱光環境會導致植物葉片中的Chlb含量增加,Chla/b降低,這種改變有利于植物吸收弱光條件下漫射光中的藍紫光和橙光,捕獲更多的光能進行光合作用[13,14]。本研究結果亦符合該結論。25%和50%光強處理下金銀花葉片中Chla、Chlb含量均顯著增加，有利于植株對弱光的利用,以滿足生長需求;100%光強處理下Chla、Chlb含量降低,Car含量升高,表明強光引起了植物葉綠素的破壞,啟動了葉黃素循環保護機制,減少了葉片對光能的吸收,保護光合機構免受強光破壞。

光合參數反映了植物對光能的利用效率。弱光條件會引起植物凈光合速率降低[15-16]。Gutiérrez等[16]認為產生這一現象主要有兩個原因：一是氣孔限制,即由氣孔關閉引起的胞間CO2濃度降低,表現在Ci和Pn同時減少,Ls增大;二是非氣孔限制,即指過多光能使光反應中心及葉綠體破壞,表現在Pn下降,Ci上升,Ls減小。在本研究中，遮光處理引起金銀花葉片Pn、Gs、Ci下降,Ls上升,表明氣孔因素是導致弱光處理下金銀花凈光合速率降低的主要原因。這與徐紅建等[6]對老鴉瓣的研究結果一致。同時由于弱光下植株葉片氣孔關閉,水分蒸發減慢,從而減少根系對水分的吸收,水分利用率提高。

3.3 光強對金銀花MDA含量及抗氧化酶活性的影響

植物細胞在代謝受阻時會產生大量的活性氧,進而導致膜脂質過氧化,MDA是細胞膜脂質過氧化過程中的產物,其含量的高低反映了細胞膜的損傷程度[17]。SOD、CAT和POD等抗氧化酶協調運作負責清除超氧陰離子自由基(O2-)、羥基自由基(OH)和過氧化氫(H2O2),是細胞抵御活性氧損傷的保護酶體系的主要組成部分[18]。朱志國等[19]研究表明,強光照降低了馬蹄金中SOD、POD和CAT的活性。孟祥海等[20]研究發現喜陰植物半夏在遮陰處理后SOD活性低于全光照處理,CAT活性在處理前期高于全光照處理的,之后下降。本研究結果表明,隨著光強減弱和處理時間延長,金銀花葉片中的MDA含量逐漸增加,表明細胞膜在弱光條件下出現脂質過氧化反應;與此同時,金銀花葉片內SOD、CAT和POD活性均隨光強減弱呈先降后升的趨勢,這與馬曉華[21]對喜樹的研究結果一致。表明50%透光處理可有效緩解強光對植物的光抑制傷害,而過高或過低的光照強度對金銀花生長形成強光或弱光抑制,使植株體內產生大量的活性氧,引發抗氧化酶活性增強,以維持細胞內活性氧產生與消除之間的平衡。此外,隨著處理時間延長,金銀花葉片的SOD、CAT和POD活性均呈先升后降的趨勢,這與付濤等[22]研究的幼年鄞紅葡萄在弱光脅迫下的抗氧化酶活性表現一致,表明逆境脅迫初期因保護酶活性的增強可及時消除多余活性氧；但在長期脅迫下,活性氧產生與消除平衡被打破,細胞膜受損,導致保護酶合成減少。