西红花叶片的光合光谱响应曲线测量

季心雨，高 丹，裴卫忠，张 雪，李福生，韩秋漪，张善端

(1.复旦大学电光源研究所，上海 200438；2.上海市药材有限公司，上海 200002)

引言

西红花，也叫藏红花、番红花，属于鸢尾科草本植物，是名贵的妇科药材，并可作为香料、染料、调味品等，且已有研究发现西红花的花丝能够抑制肿瘤的形成，并对正常细胞没有不良影响，可用于癌症的治疗和预防[1]。因产量稀少，西红花的价格十分昂贵，有“红色金子”之称，目前已在上海崇明开展规模化种植[2]。

光照是植物进行光合作用必不可少的条件。光质作为光照的一个主要参数，能够直接影响植物生长。植物光合作用对不同光质的敏感度不同，可用光合光谱响应曲线来表征。目前尚无西红花光合光谱响应曲线的报道，无法对西红花补光开展定量分析。

本文设计并搭建了一套叶片光谱响应曲线测试系统，测量了西红花叶片的光合光谱响应曲线，可为西红花补光光谱的优化提供理论指导。

1 植物光合光谱响应曲线

1.1 植物光合光谱响应曲线的概念

可用各种窄带单色光照明，测定植物光合作用的光谱依赖性。多项研究结果表明，在相同的光照强度下，植物的光合速率随光照波长的变化而变化。测试结果以光合光谱响应曲线表现，其中，作用光谱P(λ)表示为单位入射光量子使叶片同化的CO2分子数，而量子产额Y表示为叶片在单位吸收光量子下同化的CO2分子数[3]，具体计算公式分别为：

(1)

(2)

其中，nc表示叶片光合作用消耗的CO2分子数，np表示到达叶片的光量子数，na表示叶片吸收的光量子数，P表示叶片的光合速率(μmol CO2m-2s-1)，PPFD(photosynthetic photon flux density)表示到达叶片的光合光子通量密度(μmol m-2s-1)，α表示叶片对光的吸收率。

1.2 植物光合光谱响应曲线的相关研究

目前关于植物光合光谱响应曲线的知识主要基于McCree曲线[4]。McCree[4]利用氙灯配合单色仪和差分红外气体分析仪，测量了玉米、小麦、花生等22种植物在350～750 nm波段的光合光谱响应曲线，测得的平均相对作用光谱和相对光谱量子产额曲线分别如图1、图2所示。结果表明，植物在不同波长下的光合效率存在差异，蓝光和红光对于植物的光合作用最为有效，且不同植物的光合光谱响应曲线整体趋势相近，但在500 nm以下的蓝光和紫外光范围内，叶片的相对光合效率随植物种类变动较大。

图1 McCree所有样品的平均相对作用光谱[4]Fig.1 Average relative action spectrum of all samples from McCree

图2 McCree所有样品的平均相对光谱量子产额[4]Fig.2 Average spectral quantum yield of all samples from McCree

后续还有许多学者测量了多种植物的光合光谱响应曲线。Inada[5]发现在紫外到绿光范围内不同植物相对作用光谱的变化很大程度上取决于其叶片对绿光吸收率的差异，在紫外和蓝光下的相对光合效率较低的植物往往具有较高的绿光吸收率。Paradiso等[3]和Lee等[6]分别对绿色和红色的玫瑰叶片以及生菜叶片进行了测试，均发现在绿光区域红叶的光合效率显著低于绿叶，这是因为红叶中的花青素含量较高，叶片表皮花青素对绿光的吸收限制了下层叶肉细胞中叶绿体对绿光的利用[7]。

各项研究测得的光合光谱响应曲线总体呈现出相似的趋势，但在具体的形状细节上存在差异，包括蓝光和红光峰值的偏移。这些差异主要是由于各研究所测植物的品种不同，且在测试中采用了不同的实验设计和光学参数，包括光源、滤波技术、峰值波长及半宽、测试光强及其测量单位等，Wu等[8]认为这或许比物种差异更加重要。表1对比了McCree[4]、Inada[5]、Nilsen[9]、Evans[10]、Paradiso[3]、Hogewoning[11]、Lee[6]等的测试细节，其中McCree[4]采用的方法与众不同，是通过调节不同波长下的辐照度以获得恒定的光合速率来实现的，但并未披露在每个波长下使用的辐照度水平。

迄今为止，尚无对西红花或其他鸢尾科植物光合光谱响应曲线的测试结果。测量西红花叶片的光合光谱响应曲线，有助于确定对西红花物质积累最有效的光质，从而为西红花补光灯具的光谱设置提供理论依据。

2 实验方案

2.1 窄带单色光的产生

综合前人的测试经验，本实验选取380～760 nm区间内每隔20 nm作为峰值波长进行测量，并采用连续谱光源搭配带通滤光片的方法产生窄带单色光，滤光片的半峰全宽为10 nm，各波长下的测试光强统一为100 μmol m-2s-1。与以往的研究相比，本实验设计具有单色光带宽窄、波长间隔相等、覆盖波长全面等特点，以期得到更准确、更丰富的测试数据。

光源为500 W短弧氙灯(卓立汉光，GLORIA-X500A)，氙灯后侧加装凹面镜以将光线汇聚于出光口，增强出射光强。由于叶片测量时为水平方向放置，在氙灯出光口还安装了垂直转换光路(内置反射镜)，以将出射光线从水平方向改为垂直照向叶室。由植物光照分析仪(杭州远方，PLA-20)测得的氙灯光谱如图3所示，其在380～760 nm之间保持连续，且整体光强相对稳定，仅在400 nm以下区域呈现显著下降趋势。

图3 氙灯光谱Fig.3 The spectrum of the xenon lamp

2.2 叶片光合速率的测量

利用LI-6400XT光合仪及其自带的2×3 cm2标准叶室，对西红花叶片的光合速率进行测试，测试中采用CO2钢瓶使叶室的CO2浓度维持在430 μmol mol-1(=430 ppm)，H2O通道设置为bypass，叶室温度设定为25 ℃。光合仪通过测定单位时间内单位面积叶片净消耗的CO2量来得到叶片的净光合速率(Pn)，此外，测量黑色卡纸遮光下(PPFD=0)叶片的净光合速率，可得到其呼吸速率(R)，叶片的光合速率(P)即可计算为：

P=Pn+R

(3)

图4为测量西红花叶片在窄带单色光下光合速率的系统示意图。

图4 单色光下光合速率测试系统示意图Fig.4 Schematic diagram of photosynthetic rate measuring system under narrow band monochromatic light

2.3 叶片光谱吸收率的测量

采用高精度分光测色仪(杭州远方，HACA-3000)，对西红花叶片在380～780 nm的光谱反射率和光谱透射率进行测试(波长间隔1 nm)。测量透射率时，将叶片夹在积分球的输入端口，背面朝向积分球；测量反射率时，将叶片夹在积分球出口处，正面朝向积分球。根据叶片反射率(r)、透射率(τ)和吸收率(a)的关系，叶片对各波长光的吸收率可通过以下公式计算：

α=100%-(r+τ)

(4)

2.4 测试材料

测试所用的西红花样品种植于上海崇明西红花基地，于2020年12月植入大田，在自然条件下生长。2021年3月初，在田间随机挑选了6颗球茎，连根挖出移植入花盆后带回实验室进行测量。测试时叶片已处于完全成熟期，叶尖开始发黄，但叶片绝大部分仍为健康的深绿色，可正常进行光合作用，是合适的测试样品。下文中的测试结果均为此6颗球茎生长的植株测量数据的平均值。

3 结果与讨论

3.1 西红花叶片的光谱吸收率

西红花叶片在380～780 nm的光谱反射率和光谱透射率曲线如图5所示。可以看到，西红花叶片在蓝紫光区域(380～500 nm)的反射率和透射率较低，在黄绿光区域(500～600 nm)的反射率和透射率较高，并在550～555 nm处有一个峰值；在红橙光区域(600～680 nm)，西红花叶片的反射率和透射率逐渐下降，而在之后的远红光区域(680～760 nm)内急剧上升；波长超过760 nm后，西红花叶片的反射率和透射率分别稳定在52%和36%左右。在绿光区域较高的反射率与叶片呈现绿色外观是相吻合的，且与其他研究者对绿叶植物测得的反射率和透射率曲线相近，例如Paradiso等[3]对玫瑰叶片的测试结果。

图5 西红花叶片的光谱反射率和光谱透射率曲线Fig.5 Percentage of reflectance and transmittance spectra of saffron leaves

图6为西红花叶片在380～780 nm的光谱吸收率曲线及其与McCree测量结果的对比[4]。与反射率和透射率曲线的趋势相反，西红花叶片的吸收率在380～500 nm和600～680 nm范围内较高，而在500～600 nm区域内较低，其谷值位于550～555 nm；在680～760 nm区域内，叶片吸收率急剧下降，超过760 nm后稳定在11%左右。这与McCree[4]测得的“平均植株”(包括20个生长室样品和8个田间样品)的光谱吸收率非常相似。略有不同的是，西红花叶片在550 nm处的吸收率高于80%，但这与在生长室中生长的燕麦、蓖麻和大豆的吸收率情况是相同的[4]。

植物叶片依靠多种色素对光能进行吸收，其中叶绿素对光合作用的贡献最大，主要吸收红光和蓝光；类胡萝卜素则作为辅助色素，通过将吸收的光能转移给叶绿素而对光合作用产生贡献。此外，叶片中还有一些对光合作用没有贡献的物质，包括主要吸收蓝紫光和紫外光的类黄酮[12]和主要吸收蓝绿光的花青素[13]，叶片对绿光吸收率的差异就与其花青素含量的多少有关。

图6 西红花叶片的光谱吸收率曲线及其与McCree测量结果的对比[4]Fig.6 Percentage of absorbance spectrum of saffron leaves and its comparison with McCree’s results

3.2 西红花叶片的光合光谱响应曲线

西红花叶片的作用光谱在480 nm和660 nm处有两个峰值，其中660 nm的绝对值主峰为0.0552，480 nm的次峰为0.0323。在绿光区域的谷值为0.0242，作用光谱在680 nm以上迅速下降，最后在760 nm处到达很低的值(<0.002)。将作用光谱曲线相对660 nm处的最大值进行归一化处理，得到西红花叶片的相对作用光谱，如图7所示，可以看到，作用光谱的蓝峰约为红峰的59%，绿光区域的谷值约为红峰的43.5%；在较为平坦的580～640 nm区域内，作用光谱约为红峰的60%～70%。

图7 西红花叶片的相对作用光谱Fig.7 The relative action spectrum of saffron leaves

西红花叶片的光谱量子产额与作用光谱具有相似的形状，其在480 nm和660 nm的绝对峰值分别为0.035 6和0.060 5，在520 nm的谷值为0.027 7。从图8的相对光谱量子产额看来，西红花叶片在绿光区域的谷值约为红峰的45.5%，可见相比相对作用光谱，叶片的相对量子产额在绿光区域有明显上升，这是由于叶片对绿光的吸收率较低。

图8 西红花叶片的相对光谱量子产额Fig.8 The relative spectral quantum yield of saffron leaves

西红花叶片在蓝光和红光区域的光合效率较高，这与叶绿素的吸收光谱相符，且红光对于西红花的光合作用最为有效。总体而言，西红花叶片的光合光谱响应曲线与以往研究对不同植物的测试结果相似，但在蓝光区域的波峰位置有一定偏移，这种偏差很可能源于植物品种的差异，且可能是由不同植物叶片中各种色素的含量不同引起的，特别是花青素含量的差异，这种遮光色素还可能导致了西红花叶片在绿光区域较低的光合效率[7]。另一方面，与前人光谱特性和实验设计的差异也会带来不同形状和波峰的光合光谱响应曲线。

4 结论

根据本文的测试结果，对西红花叶片光合作用最有效的蓝红波长位于480～660 nm之间，因此建议将西红花补光灯具的峰值波长设置为480 nm和660 nm。由于时间原因，本次实验错过了西红花生长最旺盛的时期，测试时叶片已开始发黄，不同生长阶段叶片的光合光谱响应曲线可能存在差异，未来可在不同时期分别对西红花叶片开展测试，从而进行更深入细致的分析。

致谢：感谢复旦大学生命科学学院郭海强老师提供了LI-6400XT光合仪。