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光照强度对长春花叶片光合特性和叶绿素含量的影响

花匠小妙招
2024-11-05 05:56

光照强度对长春花叶片光合特性和叶绿素含量的影响
Effects of Light Intensity on Photosynthetic Characteristics and Chlorophyll Content of Leaves of Catharanthus roseus

1. 引言

光作为一种重要的环境因子贯穿植物的生活史[1]-[3]，不仅给植物提供能量进行光合作用，同时还作为信息信号调控植物的生长、发育以及代谢等生理生化过程[4] [5]。光照强度在植物光合作用及生长发育过程中起到重要作用[6]，适宜的光照强度能提高植物光合生产能力，不同种类植物或同一植物不同时期对光强的需求差异较大，能耐受的遮荫程度也有所不同，因此探究光强与植物光合作用之间的关系，对提高植物的栽培管理具有一定的意义。

长春花(Catharanthus roseus)是夹竹桃科长春花属的一种草本半灌木植物，其生长周期为一年或多年，原产地在非洲东部及亚洲东南部[7]。长春花品系繁多，花期较长，是一种常见的观赏植物，同时也是富含萜类吲哚生物碱(Terpenoid Indole Alkaloids, TIAs)的药用植物，其中大多生物碱类具有生物活性，长春新碱(Vincristine)和长春碱(Vinblastine)因其具有良好的抗癌作用而被广泛关注[8]。作为一种喜阳植物，长春花目前多以全光方式栽培，研究不同光照强度下长春花初生代谢和次生代谢产物的变化，对于生产实践中提高具有药用价值的次生代谢产物得率具有重要的意义。尽管光照强度对长春花初生与次生代谢特征影响已得到一定研究，但由于不同地区光照强度差别较大，本试验以3~4月黑龙江省大庆市光照强度为例，通过人工遮荫方法，设置4组不同的光照强度梯度，形成对照实验，探究光照强度对长春光合特性和叶绿素含量的影响，以期更好地发挥长春花在园林绿化和药用栽培领域的应用价值，为长春花园林绿化、药用栽培技术定向培育提供参考依据。

2. 材料与方法

2.1. 长春花幼苗的培育

选取颗粒饱满的粉红色花长春花种子，用10%的NaClO消毒后，均匀播种于装有蛭石的育苗盆中并保持湿润环境，放置于遮荫处萌发。培养至长出真叶后进行移栽处理，为确保不损害长春花幼苗的根部，连同蛭石一并移至12 × 12 × 15 cm培养钵中。定期浇灌1/2的Hogland’s营养液，待长春花幼苗长出两对叶片时，进行试验处理。

2.2. 实验设计

选择生长状况良好、长势基本一致的长春花幼苗，处理组用长43 cm、宽24 cm、高26 cm的长方体形支架罩住，用不同程度遮光网(黑色)进行覆盖，根据透光率设置遮光网形成四面遮荫环境，控制光照强度，共设置4个处理：1) 100%自然光照(natural sunlight, NS)；2) 覆盖1层遮光网70% NS；3) 覆盖2层遮光网40% NS；4) 覆盖3层遮光网10% NS。每个处理组10株苗，并设置3次重复，试验用苗共计120株。处理组间距为10 cm，遮光罩底部距地面留一定高度通风，处理15 d后进行试验测定。试验时间为2024年3月1日~2024年4月30日。

2.3. 试验方法

1) 光合参数。选择晴朗无云天气上午9:00~11:00，每个处理3株试验苗，选择长春花幼苗上端并且大小相近的叶片进行测量。用JC-FS-80D光合作用测定仪分别测量4组处理长春花的净光合速率(Pn)，设置光合有效辐射(Par)范围为0~1500 μmol∙m−2∙s−1。在测量Par为0 μmol∙m−2∙s−1的长春花的Pn时，使用锡纸将测量探头和叶片包住，以达到完全隔绝光源的目的，并等待所测叶片的Pn稳定后开始记录数据。

2) 叶绿素相对含量的测定。采用乙醇提取法，从每株长春花的上、中、下段分别取材，清洗擦拭干净并剪碎，称取0.2 g长春花叶片，充分研磨后用2 mL 95%的乙醇提取，并适当稀释后，在663 nm，645 nm下测量光密度值，根据Lamber-Beer定律，数据代入公式(1)、(2)计算叶绿素a (Chla)和叶绿素b (Chlb)含量，每组三次重复。

Chla=(12.72D663−2.69OD645)×V1000×W" role="presentation">Chla=(12.72D663−2.69OD645)×V1000×W (1)

Chlb=(22.88OD645−4.68OD663)×V1000×W" role="presentation">Chlb=(22.88OD645−4.68OD663)×V1000×W (2)

2.4. 数据处理

采用Excel 2019软件进行数据整理，QriginPro 2018软件进行绘图。

3. 结果与分析

3.1. 不同光照条件对长春花光合特性的影响

100% NS (CK)条件下长春花叶片光补偿点(LCP)为16.22 μmol∙m−2∙s−1，光饱和点(LSP)为1000 μmol∙m−2∙s−1，最大净光合速率(Pnmax)为18.56 μmol∙m−2∙s−1。70% NS条件下长春花叶片的LCP为14.55 μmol∙m−2∙s−1，LSP为950 μmol∙m−2∙s−1，Pnmax为16.55 μmol∙m−2∙s−1。100% NS与70% NS条件下长春花的LCP相差为1.67 μmol∙m−2∙s−1，LSP相差为50 μmol∙m−2∙s−1，Pnmax相差为2.01 μmol∙m−2∙s−1 (图1)。

40% NS条件下长春花的LCP为14.06 μmol∙m−2∙s−1，LSP为700 μmol∙m−2∙s−1，Pnmax为14.6 μmol∙m−2∙s−1。100% NS与40% NS条件下长春花的LCP相差为2.16 μmol∙m−2∙s−1，LSP相差为300 μmol∙m−2∙s−1，Pnmax相差为3.96 μmol∙m−2∙s−1 (见图2)。

10% NS条件下长春花的LCP为13.41 μmol∙m−2∙s−1，LSP为500 μmol∙m−2∙s−1，Pnmax为13.45 μmol∙m−2∙s−1。100% NS与10% NS条件下长春花叶片的LCP相差2.81 μmol∙m−2∙s−1，LSP相差500 μmol∙m−2∙s−1，Pnmax相差5.11 μmol∙m−2∙s−1 (见图3)。

Figure 1. Photosynthetic curves of Catharanthus roseus under 100% NS and 70% NS treatments

图1. 100% NS与70% NS处理下长春花的光合曲线

Figure 2. Photosynthetic curves of Catharanthus roseus under 100% NS and 40% NS treatments

图2. 100% NS与40% NS下长春花的光合曲线

4组Pn-Par曲线增长趋势相近但数值不同，100% NS条件下长春花的LCP、LSP、Pn均为最大值，曲线最高，10% NS条件下长春花的LCP、LSP、Pn最小，曲线最低，70%和40% NS条件下长春花的曲线位于中间位置，且70%自然光照条件下的曲线高于40%自然光照条件下的曲线(见图4)。

由长春花在不同光照强度下生长一段时间的Pn-Par曲线可分析出，长春花在生长发育过程中对光照条件的响应趋势，其光合作用能力随着光照强度的降低而降低，具体表现为LCP、LSP与Pn均随着自然光照的减弱而有序下降。其中最能体现这种差异的是4组不同光照处理下长春花Pnmax，70% NS处理下比100% NS处理下长春花Pnmax低10.82%，40% NS处理下比100% NS处理下长春花Pnmax低21.33%，10% NS处理下比100% NS处理下长春花Pnmax低27.53%。在弱光环境中种植培育长春花，将会危害长春花植株的生长发育，使其供给自身的营养物质减少，有效活性物质含量下降，影响长春花的经济效益。

Figure 3. Photosynthetic curves of Catharanthus roseus under 100% NS and 10% NS treatments

图3. 100% NS与10% NS下长春花的光合曲线

Figure 4. Photosynthetic curves of Catharanthus roseus under four groups light treatments

图4. 四组不同光照处理下长春花的光合曲线

3.2. 不同光照条件对长春花叶绿素含量的影响

由表1可知，随着光照强度降低，长春花叶片Chla与Chlb的含量均逐渐递增，并且Chlb的增长幅度较大，叶绿素总量呈上升趋势。100% NS比70% NS条件下长春花叶片中Chla含量少0.029 mg∙g−1，Chlb的含量少0.03 mg∙g−1；100% NS比40% NS条件下长春花叶片中Chla含量少0.052 mg∙g−1，Chlb的含量少0.059 mg∙g−1；100% NS比10% NS条件下长春花叶片中Chla含量少0.103 mg∙g−1，Chlb的含量少0.114 mg∙g−1。四种不同光照处理下长春花叶片中Chla/Chlb可以看出，在短期内人工控制遮荫使自然光照强度减弱，会使长春花的Chla/Chlb数值下降。相对于100% NS条件下，70% NS条件下长春花Chla/Chlb值下降3.92%，40% NS条件下长春花Chla/Chlb值下降7.83%，10% NS条件下长春花Chla/Chlb值下降12.87%。

Table 1. Relative chlorophyll content of leaves of leaves of C. roseus under different light intensity treatments

表1. 不同光照处理下长春花叶片叶绿素相对含量

相对光照强度叶绿素aChla (mg∙g−1) 叶绿素bChlb (mg∙g−1) 叶绿素总量mg∙g−1 Chla/Chlb CK 0.579 0.324 0.903 1.787 70% 0.608 0.354 0.965 1.717 40% 0.631 0.383 1.014 1.647 10% 0.682 0.438 1.119 1.557

长春花叶绿素相对含量与光照强度密切相关，为抵抗不良环境，长春花会通过自身生长机制做出相应调整。结果显示，长春花中Chla与Chlb的含量会随着光照强度的降低出现增长趋势，并且Chlb的含量增长明显，从而使Chla/Chlb值下降。叶绿素通过捕获光能并将光能转化为供自身生长发育所需的化学能，Chla与Chlb不同的光谱特性决定了叶绿素变化趋势。70% NS与40% NS处理下，长春花的Chla的含量增长较小，Chlb的含量增长较大，而10% NS处理下较其他3组处理下长春花叶绿素含量均出现明显增长。长春花Chla/Chlb值在梯度遮光的情况下，同样出现梯度差距，且随着遮光程度的加深，这一比值逐渐下降，长春花的叶绿素含量变化可能与其抗逆性相关。

4. 讨论与结论

当光照过强时植物不能及时消耗光能，会降低植物净光合速率，甚至造成光破坏[9]。而光照不足时会抑制植物光合作用，影响植物生长发育导致产量下降[10]。光照强度不仅影响植物的品质和产量，还会影响植物的叶绿素含量和CO2的同化速率，在不同光照条件下，叶片会对环境做出不同的响应，当植物生长在低于正常光照强度的环境中时，植物叶片为了更加充足地吸收Par，及时对弱光条件做出响应，通过调控叶绿素的含量并使其增加，从而促进光合作用，为植物体提供足够的能量以满足其生长发育的需要[11]。

4.1. 光照对植物光合特性的影响分析

植物的光合作用由多个复杂的生理生化反应组成，为了适应生长环境中光的变化，植物通常随着环境的变化而改变自身的光合作用特性。植物遮荫处理后光合效率降低，叶片光合产物积累减少，植物蒸腾速率下降，吸水性减弱[12]。本试验采用人工遮荫模拟弱光环境，发现长春花生长在光照强度较弱的环境中时，光合速率出现显著的下降。4组不同的光照处理下长春花的Pn随着环境中光照强度的减弱呈递减趋势。在100% NS条件下长春花的Pnmax在4组中最高，且并未发现光“午休”现象，这一现象表明黑龙江地区春季正午的自然光照并未对长春花幼苗的叶片造成伤害，这与魏春燕等人对七子花的研究结果相似[13]，表明阳生植物对自然光具有较强的耐受性。

在70% NS条件下，长春花可接收并转化利用的光能减少，但长春花幼苗仍有较高的Pn，表明长春花对生长环境中光照的变化具有一定的适应能力。随着遮荫程度的增加，长春花幼苗所能接收的Par大幅下降，Pn下降显著，此时限制长春花幼苗进行光合作用的主要环境条件是Par，由此可知，长春花幼苗并不具有耐阴性，在种植培育长春花的过程中，需要注意控制种植间隔，保证每棵长春花都受到充足的阳光照射以提高产量。

4.2. 光照对植物叶绿素含量的影响分析

叶绿素作为植物光合色素之一，在植物光合作用过程中发挥光能的吸收、传递及转化等功能。多数情况下，植物生长环境中的光照强度减弱时，植物叶片的叶绿素含量最先出现变化，植物常常会通过增加叶绿素含量来利用转化更多的光能，从而满足其生长发育的需要。在遮光条件下，植物可通过增加单位面积色素密度来吸收更多的光能，故总叶绿素含量升高可作为植物利用弱光能力增强的判断标准[14]。本试验长春花在弱光条件下叶片Chla与Chlb的含量均增加，这与闽楠[15]，山药[16]研究结果一致，表明弱光下Chla、Chlb、总叶绿素含量都升高。光照不足时叶绿素的含量增加，分析其原因可知是植物对弱光具有适应性使其在光照较弱时会选择消耗更多的营养物质，并用于扩大接受光能的面积，从而保证短期内维持较为正常的光合速率[17]。

然而，遮荫改变光照条件并不只是降低光照的强度，通常伴随着光性质的改变[18]，Chla对红光的吸收能力较强，Chlb对蓝紫光的吸收能力较强，因此随着长春花生长环境中的光照强度减弱时，长春花叶绿素所能捕获的光能中红光比例下降，此时长春花为了维持自身正常的生长发育而适应弱光环境，被迫增加叶绿素的含量从而最大限度地固定光能，提高光合能力。在100% NS条件下，长春花的Chla含量较高，表明长春花可能对光能的捕获、固定能力较强，对红光的利用效率较高。在不同的遮荫条件下，长春花的Chla、Chlb、总叶绿素的含量随着光照强度的减弱而均有不同程度的增加，但Chla/Chlb值呈现出下降趋势，这与辣椒[19]在弱光环境中叶绿素的变化趋势比较接近。表明同类阳性植物在弱光环境中会对红光的利用率增强，有利于捕获、固定光能，这一特性有利于长春花在弱光中提高光合速率，体现了阳性植物对弱光逆境的适应。

植物长期在弱光下生长，如生长过程中经历阴雨天气、季节更替等时期，会导致植株叶绿素含量减少、植物枯萎、不结果实、淀粉和可溶性糖含量降低等情况，显著抑制植物的生长[20] [21]。长期的弱光条件使得长春花改变其营养物质的分布，由于捕获的光能不足，淀粉合成不足并伴随着营养物质的大量消耗，导致长春花生长发育受限，极大的影响长春花的性状和产量。

基金项目

黑龙江省自然科学基金(LH2021C001) CrHY5介导光信号调控长春花中酚类代谢差异研究。