光強對羅平小黃姜生長和葉綠素熒光參數的影響

韓利紅 劉潮 楊云錦 唐利洲

摘要：為明確光照強度對生姜生長和生理參數的影響，確定該植物的最佳光照強度，采用盆栽法研究不同遮光處理（100%、75%、50%、25%、12.5%光照）對小黃姜生長、生理及葉綠素熒光參數的影響。結果表明，25%光強下的小黃姜株高、冠幅、葉寬、單株總葉面積較高，100%光強下所有生長參數均較低；50%光強下，過氧化物酶活性、過氧化氫酶活性、可溶性蛋白含量均較高，而丙二醛含量和可溶性糖含量均較低，100%光強下的結果與50%光強相反；50%光強下小黃姜產量最高；隨光強的增加，葉片中脯氨酸含量呈遞增趨勢，而葉綠素含量呈遞減趨勢；50%光強下最大熒光和最大光化學效率較高，而100%光強下均較低。50%光強為羅平小黃姜的最適生長光強，研究結果為羅平小黃姜的田間栽培提供了理論依據。

關鍵詞：光照強度；植物；小黃姜；生長特性；脅迫；葉綠素熒光

中圖分類號：Q945.78文獻標志碼：A論文編號：cjas2020-0121

Effect of Different Light Intensities on the Growth and Chlorophyll Fluorescence Characteristics of Luoping Zingiber offiinale

HAN Lihong， LIU Chao， YANG Yunjin， TANG Lizhou

（College of Biological Resource and Food Engineering/Center for Yunnan Plateau Biological Resources Protection and Utilization， Qujing Normal University， Qujing 655011， Yunnan， China）

Abstract： To clarify the effect of different light intensities （100%，75%，50%，25%，12.5%） on the growth and physiological parameters of Zingiber offiinale and determine the optimum light intensity， a pot experiment was conducted to study the growth and physiological and chlorophyll fluorescence parameters of Z. offiinale. The results showed that the plant height， crown diameter， leaf width and total leaf area were relatively high under 25% light intensity， and all the measured growth parameters were relatively low under 100% light intensity. The peroxidase activity， catalase activity and soluble protein content were high， while malondialdehyde and soluble sugar content were low under 50% light intensity， the values of parameters under 100% light intensity were opposite to those under 50% light intensity. The yield of Z. offiinale was the highest under 50% light intensity. With the increase of light intensity， the proline content increased， and the chlorophyll content decreased. The maximum fluorescence and the maximum light chemical efficiency were relatively high under 50% light intensity， and were relatively low under 100% light intensity. In conclusion， the optimum growth light intensity of Luoping Z. offiinale is 50% ， and the study could provide a theoretical basis for field cultivation of Luoping Z. offiinale.

Keywords： light intensity； plant； Zingiber offiinale； growth characteristic； stress； chlorophyll fluorescence

0引言

光照強度是影響植物生長的重要生態因子之一。植物通過遺傳和表現型上的適應性對不同光強產生響應[1]，異質性環境的適應能力對植物的大規模栽培生產應用具有重要的指導意義。光合作用直接影響植物生長和植物內部生理生化特性的改變，比如光合作用中的光化學反應、暗反應循環中酶活性、葉綠素含量的變化和植物相關酶活性的變化等[2]；丙二醛、抗氧化酶是膜保護酶的重要組成部分，這些指標的變化又導致光合產物可溶性糖和可溶性蛋白等滲透性物質在葉片中的積累[3-4]。適宜光強下，植物能獲得較高光合速率，過度光照則會抑制光合作用甚至導致光合機構損傷[5]。

羅平小黃姜（Zingiber offiinale）為云南省羅平縣地方品種，屬弱光性植物，不耐強光，其塊莖個體較小，外觀顏色鮮黃，具有產量高、香味濃、營養價值高的特點，具有重要的食藥用價值[6]。近年來羅平小黃姜種植區域逐步擴大，已從種姜適宜區向次適宜區大力擴展，但目前關于光強對羅平小黃姜生長及生理的研究很少。本研究采用人工遮蔭的方法，研究不同光強對小黃姜生長發育及生理代謝的影響，以期為小黃姜的栽培管理和推廣提供理論指導。

1材料與方法

1.1試驗時間、地點

試驗于2017年5—9月在曲靖師范學院智能溫室開展。

1.2試驗材料

試驗所用羅平小黃姜購買自云南省羅平縣農貿市場，選取健康飽滿的姜塊在50%遮蔭環境下育苗。

1.3試驗設計

使用黑色尼龍遮蔭網建立相對光強分別為12.5%、25%、50%、75%和100%（不遮蔭）的遮蔭棚5個。在光強50%的蔭棚內育苗，選擇大小一致的幼苗移栽到高30 cm、直徑28 cm的栽培袋中，每袋3個實生芽苗，栽培基質由等體積的林下10 cm以上表土（磚紅壤）與河沙混勻而成。試驗期間每天傍晚澆足水，每月施復合肥1次，隨時防治病蟲害。

1.4參數測定

植株生長90天后測定生長參數，用直尺（精確度1 mm）測定株高、冠幅，用游標卡尺（精確度0.1 mm）測定葉寬，用YMJ-D手持活體葉面積測量儀測定單葉面積、單株總葉面積，用電子天平（精確度0.01 g）測定小黃姜鮮重。試驗設5次生物學重復。

過氧化物酶（POD）活性采用愈創木酚法測定，酶活性以每分鐘OD470變化0.01為1個活性單位（U）[7]；過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法測定，酶活性以1 min內A240減少0.1的酶量為1個酶活單位（U）[7]；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TBA）法測定[7]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定[8]；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250法測定[7]；脯氨酸含量采用酸性茚三酮法測定[7]；葉綠素含量使用SPAD-502 PLUS便攜式葉綠素測定儀測定；葉綠素熒光參數使用Yaxin-1161G葉綠素熒光儀測定。

1.5數據統計與分析

使用One-way ANOVA對不同處理小黃姜測定參數進行比較，使用S-N-K（Student Newman-Keuls）法對各均數多重比較進行檢驗。所有分析使用SPSS 20.0完成，所有圖表使用Excel 2010繪制。

2結果與分析

2.1光強對小黃姜生長參數的影響

12.5%光強下生長的小黃姜，葉片顏色呈深綠色，植株節間較長，葉片較長，隨光照增強植株逐漸變矮，顏色由深綠轉為黃綠色，葉尖變黃（圖1），說明光照明顯影響了小黃姜的生長。同時25%～75%光照下小黃姜葉片變黃，也與人為設置的溫室環境溫度較高有關。

隨光照的增強，小黃姜各生長參數總體呈先增后降的趨勢（圖2）。25%光強下小黃姜株高為最高，100%光強為最低；冠幅除100%光強顯著降低外，其他光照的差異不大；100%光照下小黃姜葉寬最低；75%光強下小黃姜單葉葉面積為最高，100%光強下為最低；25%光強下小黃姜單株總葉面積為最高，100%光強下為最低（圖2）。而50%光強下小黃姜產量最高，其次是75%和100%光強，12.5%和25%光強下小黃姜產量相對較低。表明較弱或較強的光照顯著抑制了小黃姜的生長。

2.2光強對小黃姜生理參數的影響

不同光強顯著影響了小黃姜的生理參數。隨光照的增強，過氧化物酶活性、過氧化氫酶活性、可溶性蛋白含量呈先增后降的趨勢，丙二醛和可溶性糖含量呈先降后升的趨勢，脯氨酸含量呈遞增趨勢，葉綠素含量呈遞減趨勢（圖3）。過氧化物酶、過氧化氫酶活性和可溶性蛋白含量均為50%光強下最高，100%光強下最低；丙二醛和可溶性糖含量均為50%光強下最低，丙二醛含量在12.5%光強下最高，而可溶性糖含量在100%光強下最高；葉片脯氨酸含量與光強呈正相關關系（圖3）。

2.3光強對小黃姜葉綠素熒光參數的影響

隨光照增強，小黃姜葉綠素初始熒光（Fo）呈遞增趨勢，最大熒光（Fm）和最大光化學效率（Fv/Fm）呈先增后降的趨勢，100%光強下Fo達最大值，50%光強下Fm和Fv/Fm達最大值（圖4）。

3結論

（1）羅平小黃姜各生長參數受光強影響顯著，25%和50%光強條件下，羅平小黃姜株高、冠幅、總葉面積等生長參數均較高，表明較弱或較強的光強限制了羅平小黃姜的生長。

（2）強光下羅平小黃姜POD和CAT活性顯著較低，葉片可溶性糖和脯氨酸含量較高，隨光照增強葉綠素含量降低，表明羅平小黃姜具有一定的光適應能力，通過調整生理代謝適應不同的光強。

（3）過低或過強的光照均對羅平小黃姜形成了光抑制，影響了光合有機物的積累。

綜合以上分析，過強或過弱的光強不利于羅平小黃姜的生長和產量積累，50%光強是小黃姜的最適生長光強。

4討論

光照是影響植物生長和物種分布的重要環境因子。較低的光照水平會限制植物光合作用，導致生長發育不良，但過量的光照同樣對生長不利。在高光強輻射下，光合系統吸收過多光能，導致葉綠體光反應中心失活或損傷[9]。研究表明，適當遮蔭明顯提高了香榧（Torreya grandis）幼苗的生長，且25%的光照為最優生長光強[10]。本研究中生長光強顯著影響了羅平小黃姜生長形態特征，株高、冠幅、總葉面積均在25%和50%光強下數值較高，而在12.5%和100%光強下數值較低。弱光下植物通過增大株高、總葉面積來增加捕光面積，提高植物對弱光的適應能力[11-12]，過低光強顯著影響了小黃姜的生長，造成地上部生長參數相對降低，表明較弱或較強的生長光強限制了羅平小黃姜的生長。

在強光或弱光條件下，植物會產生活性氧（reactive oxygen species，ROS），ROS的積累會導致光合抑制，POD和CAT是植物重要的氧化還原酶類，能夠有效去除ROS，在植物抵御環境脅迫過程中發揮重要作用[13- 14]。隨著光照強度的降低紫花地丁（Viola phillipina）SOD與POD活性呈先升后降趨勢，總香豆素含量與總黃酮含量隨著光照強度的降低均呈下降趨勢[15]。本研究中強光下POD和CAT活性顯著較低，可能是強光環境導致植物體內產生大量有害物質，這些氧化還原酶被用于清除積累的ROS，導致酶活性大大降低，同時強光導致細胞多種功能酶及膜系統遭到破壞，生理代謝紊亂[13-14]，而50%光強下的小黃姜生長狀況較好，體內積累了一定量的氧化還原酶。丙二醛含量與植物受到的脅迫程度有關，丙二醛含量升高，表明植物細胞膜質發生了過氧化，逆境條件下，植物細胞膜質過氧化產生丙二醛，導致細胞膜透性增大，產生細胞膜損傷。可溶性糖、脯氨酸作為滲透調節物質，通過調節胞內滲透勢，具有保護細胞、維持細胞正常生理功能的作用[16]。隨著環境脅迫條件的增強，植物組織中脯氨酸的含量隨之增加[17]。茅蒼術（Rhizoma Areactylodis）通過提高抗氧化酶活性及調節滲透壓物質緩解強光脅迫的抑制作用[18]。適宜光強下，小球藻（Chlorella vulgaris）葉綠素和蛋白質的含量達到最優[19]。本研究中，高光強下葉片可溶性糖和脯氨酸含量較高，而可溶性蛋白含量較低，可能是強光抑制了蛋白質的合成。強光條件下，小黃姜主要通過可溶性糖和脯氨酸來調節細胞的滲透勢。弱光下植物葉綠素含量增加，有利于植物吸收更多光能，提高光合能力，但因植物獲得總光量較少，導致生長較慢。隨光照的增加小黃姜葉綠素含量呈下降趨勢，可能較強的光照破壞了細胞中的葉綠體，導致葉綠素含量降低。通過分析生理參數發現，50%光強下小黃姜積累了較高的POD和CAT，較低的丙二醛含量和可溶性糖含量，小黃姜生長狀況較好，50%光強是小黃姜的最適生長光強。

葉綠素熒光參數可有效反映綠色植物光能捕獲效率[20]。初始熒光（Fo）升高說明PSII反應中心受到傷害或不可逆失活，最大熒光產量（Fm）反映了PSII的電子傳遞情況，最大光化學效率（Fv/Fm）反映葉片PSII原初光能轉換效率，其在非脅迫條件下變化較小，但在脅迫條件下數值明顯下降[21]。研究表明，強光可引起姜葉片光合能力及效率的降低[22]。遮陰條件下紫斑牡丹（Paeonia suffruticosa var. papaveracea）通過提高葉片色素含量、表觀量子效率、最大光化學效率（Fv/Fm）來提高對光能的吸收利用效率，以適應弱光環境[23]。牡丹（Paeonia suffruticosa）葉片Fv/Fm等隨光強的增強而顯著降低[24]。強光下蘆薈Fv/Fm下降，50%的光強為蘆薈（Aloe vera）最適生長條件[25]。過低或過強的光照下小黃姜Fm和Fv/Fm均較低，表明低光或高光均對葉片形成了光抑制，影響了小黃姜光化學效率。

盆栽試驗因研究條件和栽培植株數量的限制，存在一定不足，今后需進一步增加水分和肥力等研究條件，繼續開展田間栽培試驗，擴大試驗規模，摸索小黃姜的最適栽培條件，為小黃姜栽培區域的擴大和高產提供支撐。

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