不同光强LED黄光对滇重楼生长、光合特性和皂苷含量的影响

张勤涛，梁社往，曹嘉芮，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）

光是植物生命活动的基本能量来源，也是植物生长发育、开花结实的重要调节因子。植物的生长发育不仅受到光强的制约，而且也受光质即不同波长的光辐射及它们不同组成比例的影响[1]。自然环境中太阳光的光质组成及光照强度是不相同的，而且在不断的发生变化[2]。其中，不同的光质可以调控不同层次次生代谢产物的形成与积累。大量的研究表明，光质对农作物幼苗生长发育、种子萌发[3]和光合特性[4]等均有调控作用[5]。许多植物的光合特性和生理生化指标等受光质的影响[6,7]，通过改变光质，不仅能促进药用植物的生长，而且也有利于药效成分的合成，是一种安全、高效和环保的手段。

滇重楼（Paris polyphylla var. yunnanensis）是延龄草科（Trilliaceae）重楼属（Paris L.）多年生草本植物，主要分布于我国西南部的云南、四川和贵州一带，主产于云南，生长于海拔1400～3100 m的常绿阔叶林、云南松林、竹林、灌木林下及阴湿山谷中[8]。滇重楼具有凉肝定惊、清热解毒和消肿止痛等功效，主治蛇虫咬伤、跌打损伤等症有独特疗效，此外还有抑菌、止血等作用，是“云南白药”和“季胜德蛇药片”等多种中成药的主要原料之一[9]。滇重楼根茎生长缓慢，从种子萌发到入药需要10年以上的时间。随着对重楼资源需求的增加，野生重楼遭到掠夺式采挖，致使重楼资源日趋枯竭。重楼资源的短缺已严重制约相关制药企业可持续发展，滇重楼人工种植已成为解决资源匮乏的必要手段。

迄今为止，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。由于不能精确定量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。覆膜的同时降低了光照强度，还存在老化和退色等问题，彩色荧光灯存在光照强度低，高压钠灯存在发热高、耗能高等缺点，影响了其在生产实践中的广泛应用和研究结果的准确性[10]。发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）是新一代半导体固态冷光源，具有光质纯、光效高、体积小、光谱能量调制便捷、寿命长、发热低和波长类型丰富等优点[11]。可根据植物对光质的不同需求进行精确调控，是21世纪最具发展前景的人工光源。滇重楼属于荫生C3植物，喜冷凉阴湿的环境，生长期间需要适宜的遮荫。近年来，国内外的许多学者对滇重楼的研究主要集中在栽培技术[12]和营养调控[13]等方面的研究。本课题组前期的研究表明：营养调控可显著提高滇重楼根茎产量和皂苷含量[13]，单质光白光和蓝光有利于滇重楼的生长发育[14]。目前，LED光源对植物进行光调控也多为研究不同光质以及组合光源对其生长的调控[15,16]，研究最多的属红光、蓝光以及红蓝组合光源[17,18]，对黄光的研究甚少。因此，本试验将LED单质光黄光作为研究光源，通过不同光强LED黄光对滇重楼光合特性、荧光参数和皂苷含量的影响，筛选出最佳光强，为LED光源在滇重楼栽培中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与处理

试验光源由杭州汉徽光电科技有限公司提供，黄光灯珠均匀排布，波长波动范围为590±2 nm，灯板功率为17.8 W，灯板电流为0.45 A。实验于2017年3月10日～2017年6月10日在光调控箱内进行。选用生长一致、整株鲜重差异＜0.1 g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），将滇重楼种苗定植于13 cm×10 cm塑料盒内，每盒装土（腐殖土：蛭石：珍珠岩=3：1：1）350 g。试验设置 4个光强处理分别为 25、50、75、100 μmol/(m2·s)，每个处理设置三次重复，每天光照 10 h(8：00～18：00)，其他试验条件保持一致。光照3个月后采收整株，用自来水冲洗掉泥土，再用洗洁精清洗，然后用含 1%柠檬酸的蒸馏水清洗去表面附着的矿质元素，最后用蒸馏水冲洗干净，晾去附着水分，茎、叶、根茎和须根分开称鲜重。再将其装入编号的信封中，105 ℃杀青30 min，再将温度降到80 ℃烘干至恒重，称各部分干重，将根茎研磨粉碎测定皂苷组分含量。

1.2 测定指标与方法

1.2.1 叶绿素荧光参数测定

采用 Li-6400便携式光合仪测定净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间 CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr），并计算PSⅡ原初光能转化效率(Fv/Fm)、反应中心活性（Fv/F0）。

1.2.2 根茎皂苷含量测定

Agilent1200高效液相色谱仪（G1315D检测器、G1311A输液泵、G1329A自动进样器、G1322A在线脱气机、G1316A柱温箱）；AR2140电子天平，AS20500A型超声仪；供试种苗经云南农业大学何忠俊教授鉴定为Paris polyphylla var. yunnanensis；薯蓣皂苷Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ、偏诺皂苷Ⅵ、Ⅶ、H、薯蓣皂苷（dioscin）、纤细薯蓣皂苷(gracillin)均为对照品，纯度＞98%，购自中国科学院昆明植物研究所；乙腈和甲醇为色谱纯（美国TEDIA公司），无水乙醇为分析纯，水为娃哈哈纯净水。精密称取重楼粉末1.0 g，置于具塞锥形瓶内，精密移取无水乙醇10 mL，称取总质量。放置20～30 min，超声提取30 min后放冷称重，并用无水乙醇补重，摇匀，经0.45 µm微孔滤膜滤过，取续滤液进行试验测定。并以皂苷对照品做标准曲线，计算各样品皂苷含量。色谱条件：色谱柱：Eclipse XDB-C18(150 mm×4.6 mm，5 μm)，检测波长203 nm，柱温25 ℃，流速1.0 mL/min，进样量10 μL，流动相：乙腈（B）/水（A），梯度洗脱程序（参照药典、结合仪器、色谱柱条件，对应计算出实际洗脱梯度值），见表1。

表1 梯度洗脱程序Table 1 Gradient elution procedure

1.2.3 数据分析方法

采用Excel和SPSS 19.0统计分析软件对数据进行单因素方差分析。

2 结果与讨论

2.1 LED黄光不同光强对滇重楼生长状况的影响

光在植物生长中具有特殊作用，除了能控制植物的光合作用之外，它还以环境信号的形式调节植物的生长、发育和形态变化，使植物更好的适应外界环境[19]。有研究表明，光照强度、光质与植物的生长发育、形态结构和次生代谢产物积累有密切关联[4,20]。由表2可知，LED黄光不同光强对滇重楼株高和生长状况有显著的影响。重楼叶片、茎和根茎干鲜重随着黄光光强的增加呈现先增加后减少的趋势，过强的黄光光照会抑制滇重楼的生长。在黄光光强为 75 μmol/(m2·s)处理下植株最高、茎、叶、根茎干鲜重最大，25 μmol/(m2·s)处理下显著低于其他处理。其中，株高、茎、叶、根茎干鲜重在25 μmol/(m2·s)和100 μmol/(m2·s)间差异不显著。说明在一定范围内增加光强可以促进滇重楼地上部和根茎的生长，但光强过高会引起一定的抑制作用。与匡双边[21]研究的结果一致。樊小雪[22]发现的黄光明显降低生菜的干、鲜样质量与本试验结果相反，其主要原因可能是植物种类不同所致。

总的来说，在 75 μmol/(m2·s)处理下的各个指标的干鲜重显著大于其他光照强度处理，说明黄光 75 μmol/(m2·s)处理有利于干物质的积累。

表2 LED黄光不同光照强度对滇重楼干鲜重的影响Table 2 Effects of different intensity of LED yellow light on the dryweight, fresh weight of Paris polyphylla var. yunnanensis

2.2 LED黄光不同光强对滇重楼叶片光合荧光特性的影响

叶片光合速率受气孔导度影响，一般呈正相关关系[23]，与本研究结果一致。由表3可知，叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均在黄光光强为 75 μmol/(m2·s)时呈最大值。且随着光强的增加，净光合速率、气孔导度和蒸腾速率出现相同的变化趋势（先降低后升高再降低），这与蔡虎铭[14]的研究结果相同。气孔导度和蒸腾速率的变化规律一致，50 μmol/(m2·s)处理最低，75 μmol/(m2·s)处理最高。而胞间 CO2浓度与光合速率变化趋势相反，在100 μmol/(m2·s)处理下达到最高，75 μmol/(m2·s)处理下最低，具体是什么原因导致这种结果还需要进一步验证。

叶绿素荧光被称为光合作用的探针[24]，能反应植物光合作用的强弱。光化学量子产量Fv/Fm可以反映ΦPSⅡ光化学效率的高低，常用来度量植物叶片ΦPSⅡ潜在活性和原初光能转化效率[25]，Fv/Fo通常用来度量ΦPSⅡ的潜在活性[26]。本研究表明，滇重楼叶片原初光能转化效率Fv/Fm和反应中心活性Fv/Fo均表现为 75 μmol/(m2·s)处理下最高，25 μmol/(m2·s)处理下最低，且随黄光光强增加呈现先升高后降低的趋势。75 μmol/(m2·s)处理比 25 μmol/(m2·s)处理的Fv/Fm和Fv/Fo分别高71.8%和18.5%，然而蔡虎铭[14]等在 LED光调控对滇重楼叶片光合荧光特性和解剖结构的影响试验中得出，各处理间的Fv/Fm差异不显著。柴胜丰[27]等对濒危植物毛瓣金花茶的研究中，随着光强的增加 Fv/Fm、Fv/Fo呈逐渐降低的趋势与本研究的结果不一致，可能是由于不同种类植物的叶片对不同光质的反应不同。

表3 LED黄光不同光照强度对滇重楼叶片光合荧光特性的影响Table 3 Effects of different intensity of LED yellow light on leaf photosynthetic fluorescence characteristics of Paris polyphylla var.yunnanensis

2.3 LED黄光不同光强对滇重楼根茎皂苷含量的影响

滇重楼主要以根茎入药，而皂苷是滇重楼根茎的主要药效成分。光强不仅影响植物的生长发育，还影响次生代谢物的积累与转化[28]。有研究表明，不同光照强度对西洋参产量和总皂苷含量积累有显著影响[29]。由表4可以看出，不同黄光光强对滇重楼根茎皂苷含量有显著影响。随着黄光光照强度增加，皂苷Ⅰ、Ⅱ、Ⅶ、D及总皂苷呈逐渐增加的趋势，以 100 μmol/(m2·s)处理显著高于 25 μmol/(m2·s)处理，且 25 μmol/(m2·s)、50 μmol/(m2·s)和 75 μmol/(m2·s)处理间差异不显著。皂苷H在四个光强处理下差异显著，以100 μmol/(m2·s)处理显著高于其他处理。皂苷Ⅴ变化规律不明显，皂苷Ⅵ未检出。总体看来，黄光光强为 100 μmol/(m2·s)处理时最有利于滇重楼皂苷的积累，但光强为100 μmol/(m2·s)时，滇重楼的净光合速率并不是最高。这与罗美佳[30]在黄光不同光照条件下三七的净光合速率较高，生长表现较好，根生物量积累及单株总皂苷含量积累较多这个结论不一致，说明有利于滇重楼生长的光强不一定有利于其皂苷的累积。

表4 LED黄光不同光照强度对滇重楼皂苷含量的影响Table 4 Effects of different intensity of LED yellow light on the saponin content of Paris polyphylla var. yunnanensis

3 结论

LED 黄光75 μmol/(m2·s)处理下滇重楼的生长、叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、Fv/Fm和Fv/Fo值均为最高，25 μmol/(m2·s)处理下的各项荧光指标最低。而滇重楼根茎皂苷组分和总的含量在 100 μmol/(m2·s)处理下最大，但与 50、75 μmol/(m2·s)处理差异不显著，在25 μmol/(m2·s)处理下最小。综合分析滇重楼的生长状况、光合荧光特性和根茎皂苷组分含量，建议在滇重楼设施栽培中将黄光光强控制在75～100 μmol/(m2·s)为宜。

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