光强对金银花药材性状、光合特性及抗氧化酶活性的影响

刘 新,王梦皎,李一鸣,房海灵,亓希武,于 盱,梁呈元,3

(1.南京林业大学 生物与环境学院,江苏 南京 210037;2.江苏省中国科学院 植物研究所 南京中山植物园,江苏 南京 210014;3.江苏省农业种质资源保护与利用平台,江苏 南京 210014)

金银花(LonicerajaponicaThunb.)为忍冬属多年生灌木,其干燥花蕾或初开的花具有清热解毒、疏散风热功效,为我国重要的大宗药材,临床上可用于治疗感冒、上呼吸道感染、高血脂等症,曾在SAS、H7N9等流行性病毒病的治疗上发挥了巨大作用[1-2]。此外,金银花还被广泛用于化工、食品、饮料等诸多领域,需求量极大。人工种植金银花是满足市场需求的主要途径。

光是植物生长发育、形态建成中重要的环境调控因子。适当改变光照强度可在一定程度上促进植物的生长发育及次生代谢产物的合成。例如：弱光条件有利于喜树碱的合成与积累[3];低光照可提高长春花叶片中文朵灵碱和长春质碱含量,而抑制长春碱的合成[4];75%光照条件可促进喜树植株生长,提高光合速率[5];78%光照条件有利于老鸦瓣产量的积累[6]。可见,研究光照对药用植物形态、生理的影响对提高药材产量、品质尤为重要。本研究通过分析不同光强条件下金银花药材性状、光合特征和抗氧化酶活性的差异,探讨了光强对金银花药材性状和生理特性的影响,旨在为金银花人工栽培中的光照管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

本试验于2017年4月25日至6月15日在江苏省中国科学院植物研究所中药材种植基地进行,供试金银花品种为“九丰1号”一年生苗。采用育苗移栽的方法,于2015年11月下旬选择地径、苗高一致的金银花扦插苗进行露地栽培,株行距1.2 m×1.2 m,进行正常水、肥管理，备用。

1.2 试验设计

设置3个遮光处理，即：CK，全光照,无遮阴网(透光率为100%); LI50，一层遮阴网(透光率为50%); LI25，二层遮阴网(透光率为25%)。遮光材料为黑色遮光网。为了防止不同处理光照的互相影响,各处理间均留出2 m间隔。在试验期间各处理的田间管理措施保持一致,每个处理10株。

1.3 检测项目及方法

1.3.1 药材性状的测定 采集大白期花蕾,用游标卡尺对单花长度进行测量,精确到0.001 cm;在用1/10000的天平称量花蕾鲜重后,在45 ℃下烘干至恒重,称其干质量,计算干鲜比。

1.3.2 叶片光合色素含量和光合速率的测定 采用LI-6400XT型光合仪,于5月25日9:00～11:00,选择生长一致的金银花顶部第5～6对叶片进行净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)等光合指标的测定,并计算水分利用率WUE(WUE=Pn/Tr)及气孔限制值Ls(Ls=1-Ci/Ca,Ca为大气CO2浓度)。每个处理随机选取5株,重复测定10次,取平均值。光合色素(叶绿素和类胡萝卜素)含量的测定参考李合生[7]的方法。

1.3.3 抗氧化酶活性的测定 分别于处理7、14、21、28、35 d，测定金银花叶片的MDA含量和抗氧化酶活性,包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)。相关试剂盒购自南京建成生物技术有限公司,具体操作方法参见试剂盒说明书。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2010和SPSS 19.0软件对试验数据进行统计分析,处理间差异显著性分析采用LSD方法。

2 结果与分析

2.1 光强对金银花药材性状的影响

由表1可知,金银花花蕾长和单花鲜重随光强增加均呈先升高后降低的趋势,其中以透光率50%时花蕾长度最长,其次为透光率25%和透光率100%。差异显著性分析表明,在不同处理间单花鲜重差异性不显著;花蕾长度呈显著或极显著差异,表现为透光率50%处理的花蕾长度极显著高于全光照对照的。单花干重、干鲜比的变化趋势与光照强度一致,即随光照强度的增加而升高;差异显著性分析表明,全光照处理下的单花干重和干鲜比显著高于25%和50%透光率处理下的。

表1 光强对金银花药材性状的影响

注:同一列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)；不同大写字母表示处理间差异极显著(P<0.01)。下同。

2.2 光强对金银花叶片光合特性的影响

2.2.1 光合色素含量 由表2可以看出：金银花叶片中叶绿素a(Chla)和叶绿素b(Chlb)含量随着光照强度的减弱而呈增加趋势，其中25%、50%透光率处理的Chla含量较100%光照处理分别增加了38.155%、13.332%,Chlb含量分别增加了68.732%、33.005%,类胡萝卜素(Car)含量分别增加了34.605%、32.893%;Chla/Chlb则随光强的减弱而降低。以上结果表明,弱光处理可提高金银花叶片的光合色素含量,且Chlb含量增加更多,这有利于植物吸收短波长的蓝紫光,增加对弱光的利用以满足生长需要,是金银花对弱光环境的一种适应性表现。

表2 光强对金银花叶片中光合色素含量的影响

注：表中数据为平均值±标准差，样本数为4。

2.2.2 光合参数 由表3可知,遮光处理对金银花叶片的光合参数具有显著影响,随着光强增加,叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)及蒸腾速率(Tr)均呈上升趋势;而水分利用率和气孔限制值随光强的减弱而上升。以上结果说明,低光照条件可引起金银花气孔导度减小,气孔阻力增加,光合速率降低。

表3 光强处理对金银花叶片光合参数的影响

注：表中数据为平均值±标准差，样本数为10。

2.3 光强对金银花叶片中MDA含量的影响

由表4可知,不同光强对金银花叶片中MDA含量具有显著影响。MDA含量随着光强减弱呈先降低后升高的趋势。50%透光率条件下金银花叶片的MDA含量显著低于其他光强处理下的。表明强光或弱光均会对金银花叶片细胞产生逆境胁迫,导致膜脂质过氧化反应,造成细胞膜损伤。与100%自然光处理(CK)相比,在处理2135 d期间50%透光率条件下MDA含量呈下降趋势；在处理35 d时,25%透光率下的MDA含量也较CK显著下降,这可能是由于在处理后期夏季到来,遮阴有利于缓解强光和高温带来的逆境胁迫,可减缓细胞膜脂质过氧化反应。

表4 光强处理对金银花叶片MDA含量的影响nmol/mg

注：表中数据为平均值±标准差，样本数为3。下同。

2.4 光强对金银花叶片抗氧化酶活性的影响

2.4.1 超氧化物歧化酶(SOD)活性 SOD是植物体内一种重要的清除活性氧自由基的酶,可将O2-转化为O2和H2O2。如表5所示,随着光强减弱,金银花叶片中SOD活性呈先降低再升高的趋势,以25%透光率处理的SOD活性最高,其次为全光照CK的,而以50%透光率处理的最低。表明强光和弱光均对金银花叶片细胞产生了胁迫,50%透光率条件在一定程度上缓解或解除了逆境胁迫,有利于植株生长。另外，金银花叶片的SOD活性随处理时间的延长呈先升高后降低的趋势；25%透光率处理下的SOD活性在处理后期较全光照CK组低。

表5 光强处理对金银花叶片SOD活性的影响nmol/mg

2.4.2 过氧化氢酶(CAT)活性 过氧化氢酶(CAT)可将H2O2分解为O2和H2O,也是一种重要的抗氧化酶。如表6所示,随着光照强度的增强，金银花叶片中的CAT活性呈先降后升的变化趋势,且随处理天数的增加而逐渐增大；在处理28 d时,CAT活性最高,且25%透光处理的CAT活性显著高于全光照CK组的。这可能是由于在处理2128 d期间,金银花叶片的SOD活性较强,产生了大量的H2O2,导致CAT活性也随之增强。

表6 光强处理对金银花叶片CAT活性的影响nmol/mg

2.4.3 过氧化物酶(POD)活性 POD的功能与CAT类似,与SOD、CAT等共同组成了植物细胞膜抗氧化酶保护系统。由表7所示,POD活性的变化趋势与CAT较为相似,均随光强增强而呈先降后升的趋势,且随着处理时间延长呈升高趋势。25%透光率处理组在处理初期POD活性高于全光照对照,后期则略低于CK,可能是由于在处理后期高温强光条件下,光能过剩导致超氧阴离子自由基激增,膜脂质过氧化加剧,进而诱导POD活性升高；25%透光率处理通过遮阴适当缓解了高温强光胁迫,减缓了对细胞膜的损伤。

表7 光强处理对金银花叶片POD活性的影响nmol/mg

3 结论与讨论

3.1 光强对金银花药材性状的影响

植物在长期的进化过程中因生长于不同的光照强度下，会形成喜阴或喜阳的特性。因此,对光照强度的响应也会因植物的不同而产生不同结果。万小燕等[8]研究发现遮阴处理后凉粉草、水田七和牛耳枫的株高变高,茎粗和折干率变低;秦健等[9]发现在同一光质下高光强对青钱柳苗木的苗高、地径增长量和生物量等有促进作用。以上研究表明植物茎、叶等外观性状对光强最为敏感。本研究发现,遮阴处理后,植株叶片明显增多，株高变高,有利于利用弱光环境中有限的光照。此外,光强不仅能影响植物茎、叶等营养器官的形态变化,对生殖器官的形态也有较大的影响。侯兴亮等[10]研究发现遮光可引起番茄花芽分化延迟,总花数下降;余婷等[11]对凤仙花的研究发现适度遮阴有利于增加植株的单株开花量。本研究结果表明50%透光率处理可有效提高金银花的花芽数,促进花蕾生长,可能是由于CK全光照下的光照强度过大,使植株花芽受损,而过度遮阴则会抑制花芽分化。此外,与CK相比,遮阴处理组的花蕾折干率呈下降趋势,可能是由于低光照强度下蒸腾速率较低,花蕾中水分含量较全光照处理组高所致。

3.2 光强对金银花光合特性的影响

高等植物吸收光能进行光合作用的色素包括叶绿素(Chl)和类胡萝卜素(Car)。其中Chl是进行光合作用的主要色素,由叶绿素a (Chla,吸收光谱高峰为红光)和叶绿素b (Chlb,吸收光谱高峰为蓝紫光)组成;类胡萝卜素可吸收蓝紫光,除参与光合作用外,还可清除反应中心氧化侧单线态叶绿素,起到光保护作用[12]。大量研究表明,弱光环境会导致植物叶片中的Chlb含量增加,Chla/b降低,这种改变有利于植物吸收弱光条件下漫射光中的蓝紫光和橙光,捕获更多的光能进行光合作用[13,14]。本研究结果亦符合该结论。25%和50%光强处理下金银花叶片中Chla、Chlb含量均显著增加，有利于植株对弱光的利用,以满足生长需求;100%光强处理下Chla、Chlb含量降低,Car含量升高,表明强光引起了植物叶绿素的破坏,启动了叶黄素循环保护机制,减少了叶片对光能的吸收,保护光合机构免受强光破坏。

光合参数反映了植物对光能的利用效率。弱光条件会引起植物净光合速率降低[15-16]。Gutiérrez等[16]认为产生这一现象主要有两个原因：一是气孔限制,即由气孔关闭引起的胞间CO2浓度降低,表现在Ci和Pn同时减少,Ls增大;二是非气孔限制,即指过多光能使光反应中心及叶绿体破坏,表现在Pn下降,Ci上升,Ls减小。在本研究中，遮光处理引起金银花叶片Pn、Gs、Ci下降,Ls上升,表明气孔因素是导致弱光处理下金银花净光合速率降低的主要原因。这与徐红建等[6]对老鸦瓣的研究结果一致。同时由于弱光下植株叶片气孔关闭,水分蒸发减慢,从而减少根系对水分的吸收,水分利用率提高。

3.3 光强对金银花MDA含量及抗氧化酶活性的影响

植物细胞在代谢受阻时会产生大量的活性氧,进而导致膜脂质过氧化,MDA是细胞膜脂质过氧化过程中的产物,其含量的高低反映了细胞膜的损伤程度[17]。SOD、CAT和POD等抗氧化酶协调运作负责清除超氧阴离子自由基(O2-)、羟基自由基(OH)和过氧化氢(H2O2),是细胞抵御活性氧损伤的保护酶体系的主要组成部分[18]。朱志国等[19]研究表明,强光照降低了马蹄金中SOD、POD和CAT的活性。孟祥海等[20]研究发现喜阴植物半夏在遮阴处理后SOD活性低于全光照处理,CAT活性在处理前期高于全光照处理的,之后下降。本研究结果表明,随着光强减弱和处理时间延长,金银花叶片中的MDA含量逐渐增加,表明细胞膜在弱光条件下出现脂质过氧化反应;与此同时,金银花叶片内SOD、CAT和POD活性均随光强减弱呈先降后升的趋势,这与马晓华[21]对喜树的研究结果一致。表明50%透光处理可有效缓解强光对植物的光抑制伤害,而过高或过低的光照强度对金银花生长形成强光或弱光抑制,使植株体内产生大量的活性氧,引发抗氧化酶活性增强,以维持细胞内活性氧产生与消除之间的平衡。此外,随着处理时间延长,金银花叶片的SOD、CAT和POD活性均呈先升后降的趋势,这与付涛等[22]研究的幼年鄞红葡萄在弱光胁迫下的抗氧化酶活性表现一致,表明逆境胁迫初期因保护酶活性的增强可及时消除多余活性氧；但在长期胁迫下,活性氧产生与消除平衡被打破,细胞膜受损,导致保护酶合成减少。