LED补光对石楠有效药用结构的影响分析*

段 然， 谢 青， 王志刚

(1.重庆工商大学 艺术学院，重庆，40067；2.重庆大学 建筑城规学院，重庆400030)

中药植物在药用成分的开发上有着非常高的研究价值，随着中药植物的发展，越来越多的中药植物成为国内外研究者重要的研究对象[1-2]。在中药植物栽培中，能否利用LED补光促进中药植物有效药用结构，具有较大的研究价值。LED光源以其体积小、结构简单、放热少、启动快、节能等优势，成为中药植物进行近距离补光、逐点照射补光的重要补光光源[3-4]。相对于传统光源，LED能够节约近80%的能耗，且光谱中不含有紫外线，无污染，光源使用寿命长，LED波谱能够控制在极窄范围，可极大程度的满足植物光合作用及光形态建成所需要的光谱能量，可根据叶绿素吸收光谱的特性有针对性地进行补光，提高植物的光合效率。

人工光源的光谱能量分布、光照强度及光照周期都会影响园林植物的生长[5]。植物光合有效辐射的波长范围为400～700 nm[6]，植物只能接收一定量特定波长的光谱能量进行光合作用，其他波长和过量特定波长的光谱对植物生长并没有明显作用。植物用来进行光合作用的辐射光能叫做光合有效辐射(PAR)，是影响植物光合作用的重要物理参量。光合有效辐射量子表达式为

其中，h为普朗克常数6.625 5×10-34j·s；c为真空光速2.997 8×108m/s；Av取值6.02×1023photo/mol；λ1为400 nm，λ2为700 nm。根据公式，在相同光谱下，可进行重要植物补光光照强度与光量子间的转化。

1 材料与方法

1.1 实验材料

石楠(Photinia)，蔷薇科，广泛分布于陕西、华东、中南、西南等地，具有祛风止痛之功效，用于头风头痛，腰膝无力，风湿筋骨疼痛等，其叶富含氢氰酸、野樱皮甙(Prunasin)、熊果酸、皂甙、挥发油等多种成分，是优良的景观中药材植物。实验通过对中药石楠进行不同光谱、光强的补光照射，并测量植物叶片面积、叶周长、叶长，以得到光源光谱与中药植物有效药用结构之间的关系。

实验材料为重庆大学园林实验田所提供的3 a生石楠，栽培基质为东北泥炭∶腐熟木屑∶腐熟砻糠=1∶2∶2。中药石楠均高0.5 m左右，长势一致。共5组，每组3盆，每盆5株，另设置1组参照组(不进行LED补光照明)。

1.2 补光LED光照处理

实验于2016-03-02—2016-05-01，利用4种光谱能量分布的LED光源对石楠进行补光实验。根据植物对光谱的利用，有针对性地选择LED光源光谱进行补光，所选择实验LED光源光谱为，复合白光LED、复合黄光LED、单色光蓝光LED及单色光红光LED。为了降低季节变化干扰植物的生理指标，实验以季节为补光周期，实验在3～5月份进行，每日补光3 h，补光时间为18∶30～21∶30。

由于植物对光照强度的需求量不同，光照强度过高或过低都会影响植物的生长和发育[7]。根据植物喜光特性，确定植物生理作用所需光强值[8]。石楠为阳性植物，根据阳性植物的喜光特点，设置光源光照强度为(200±5)μmol m-2s-1。

1.3 测量与统计

实验利用Yaxin-1241叶面积仪进行中药石楠叶面积、叶周长、叶长的测量。于2016-05-01对叶片进行离体测量，随机选取植物每株40片成熟健康叶片作为药效结构指标检测材料，将样本叶片去柄测量，舍去错误数据，将实验数据录入SPSS 22分析，并利用origin 9.0进行可视化处理。

2 结果与分析

2.1 光源光谱测量及分析

在光学实验室利用CL-500A测量LED光源光谱参数，如表1，白光LED(6 500 k)其主波长为450 nm，色坐标为(0.32，0.33)；黄光LED(3 000 k)，其主波长为578 nm，色坐标为(0.42，0.42)；红光LED主波长为618 nm，其色坐标为(0.69，0.31)；蓝光LED主波长为425 nm，其色坐标为(0.13，0.06)，见图1。从植物光合有效辐射可知，植物叶绿素a吸收光谱峰值为430 nm蓝光及红光680 nm；叶绿素b吸收光谱的峰值为470 nm和650 nm；叶绿素c吸收光谱最高峰值为460 nm和640 nm，所以提供补光光谱能量分布位于植物所吸收的光谱能量范围内。

表1 不同类型光源处理的叶片形态指标

图1 实验光源主波长及其参数

2.2 中药石楠实验数据

由于所受天然光照的不同，植物在进化过程中叶片形成不同形态特性[9]，尤其体现在植物叶面积、叶周长等方面；植物叶片会根据光照变化而变化[10]。利用公式f=4πα/p2(f为形状因子，α为叶面积，p为叶周长)计算植物叶片形状因子，确定窄叶石楠形态变化程度，分析比较实验组植物与样本植物叶片有效用药用结构生物量变化情况。

对所测得中药石楠叶面积、叶周长、叶长等数据进行平均值计算及形态因子计算，见表1，得出LED补光照射后中药石楠叶片叶面积、叶周长、叶长及形态指标的变化，从而掌握LED补光对中药石楠叶片的影响程度。

2.3 中药石楠药用结构数据分析

利用ORIGIN9.0对实验数据进行可视化分析，见图2。

图2 LED补光后药用部分结构变化比较

不同光谱能量分布对石楠药用结构的影响作用不同，根据图2可知： 补光照射后中药石楠叶片面积大小规律为：黄光LED>白光LED>样本植物>红光LED>蓝光LED;叶片周长的影响规律为：黄光LED>样本植物>白光LED>蓝光LED>红光LED；叶长影响规律为：样本植物>黄光LED>红光LED>蓝光LED>白光LED。

综上可知，复合光源白光LED、黄光LED处理的窄叶石楠叶片面积较参照组叶片面积大，补光有增大中药石楠药用结构量的作用；红光LED、蓝光LED处理下植物叶面积较参照组植物叶片面积小，对中药石楠有效药用结构面积有明显减弱作用。

2.4 中药石楠药用结构形状因子分析

中药植物的叶片形状因子是研究植物物种的形态变异和分化的指标，可推测出植物受外界环境干扰的变化程度。根据图3，经过不同光谱的补光照射后，中药石楠的叶片形状发生了变化，中药石楠叶片形状因子的变化程度为：红光LED>白光LED>蓝光LED>黄光LED>样本植物，说明红光LED对中药石楠叶片的影响最为强烈。

图3 LED补光后中药石楠叶片形态变化

3 结论与讨论

通过实验分析表明：复合光白光LED、黄光LED光谱可极大提高中药石楠的有效药用结构面积，单色光红光LED、蓝光LED降低药用结构面积。在中药石楠的栽培过程中可以利用复合光白光LED及黄光LED对植物进行补光照射，可提高中药石楠的药用结构面积。其中，红光LED对中药石楠叶片形态的影响大，这一现象可能与红光能够促进赤霉素(GA)对植物叶片的积累有关[11]，其抑制生长素(IAA)的生长从而改变了叶片的形状[12]。LED补光对石楠有效药用结构的影响分析为人工光源光谱能量分布诱导药用植物有效药用结构面积提供了理论依据与实验依据，也为中药材补光提供了技术指标。