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Effects of shading on photosynthetic characteristics of Pinellia ternata leaves

遮荫对半夏光合特性的影响



全 文 :遮荫对半夏光合特性的影响
薛建平1,王 兴1,2,张爱民1,黄训端2,何家庆2,常 莉1
(1.淮北煤炭师范学院 生命科学学院 资源植物生物学安徽省重点实验室,安徽 淮北 235000;
2.安徽大学 生命科学学院,安徽 合肥 230039)
[摘要] 目的:以盆栽半夏为材料,研究遮荫条件下半夏生长、叶绿素含量、净光合速率(Pn)以及叶绿素荧光
参数的变化。方法:待半夏苗高15cm左右时,进行遮荫70%,90%和全光照(CK)处理,30d后以三叶半夏中间叶
片为材料测定半夏生长、叶绿素含量、净光合速率(Pn)以及叶绿素荧光参数的变化。结果:与全光照相比,遮荫后
半夏块茎鲜重、株高、叶长、叶宽、叶面积、比叶面积(SLA)和叶绿素含量增加,其中叶绿素a/b减小;与全光照相比,
遮荫后叶片Pn、光补偿点(LCP)、光饱和点(LSP)下降,而表观量子效率(AQY)上升;光系统Ⅱ的实际量子产量
(ΦPSⅡ),初始荧光(Fo)和最大荧光(Fm),PSⅡ最大量子产量(Fv/Fm)和光化学猝灭系数(qP)增加,但非光化学猝
灭系数(NPQ)降低。结论:与对照相比,70%,90%遮荫条件下半夏株高、SLA,Chl,Pn,叶绿素荧光特征表现差异显
著,其中,遮荫70%半夏块茎鲜重增加显著,为半夏生长发育提供较好的环境条件。
[关键词] 半夏;遮荫;光合特性;叶绿素荧光
[中图分类号]S567 [文献标识码]A [文章编号]10015302(2008)24289605
[收稿日期] 20080202
[基金项目] 国家农业成果转化资金项目(05EFN213400124);
淮北市重大专项(06085)
[通讯作者] 薛建平,Tel:(0561)3802025,Email:xuejp2000
@yahoo.com.cn
  半夏Pineliaternata(Thunb.)Berit.为天南星
科半夏属多年生草本植物,是我国常用中药材之一,
以块茎入药,具有燥湿化痰、降逆止呕、清痞散结等
功效[1]。半夏不耐干旱及强光照射,在芒种夏至期
间,由于高温和强光照,使半夏的呼吸作用过强,消
耗物质超过光合积累,导致细胞原生质结构破坏,半
夏的地上部分随即枯萎,俗称倒苗[2]。半夏倒苗既
是对不良环境条件的一种适应[3],也是一种有效的
无性生殖方法[4]。但就半夏生产而言,倒苗缩短了
半夏的生长期,严重影响了半夏的产量。因而在半
夏生产中,防倒苗是一项非常重要的增产技术[56]。
在影响叶片结构的因素中(光、温度、水分及荧光
等),光照强度对植物的光合特性有显著影响[1]。
叶绿素含量、光合速率和叶绿素荧光参数是评价植
物耐荫性的重要生理指标,对揭示植物耐荫性及其
机制有重要作用[7]。张吉旺等[8]报道大田遮荫后
导致夏玉米叶面积指数、叶绿素含量、净光合速率等
显著降低。研究表明,光照条件的改变可明显地改
变植物的生长环境,进而影响光合作用、营养物质的
吸收及其在植物体内的重新分配等一系列生理过
程[9]。如何在夏季晴天中午采取适当的人工遮荫
措施,减少光照强度并降低叶面温度,满足半夏的生
长环境,是一个值得深入探讨和解决的现实问题。
现有的研究表明,由于遮荫使光合作用的能量来源
减少,引起净光合速率的下降,导致干样质量减少并
降低产量[1012]。然而,在炎热的夏季晴天中午,由
于强光高温的胁迫,大部分植物经常表现出明显的
“午休”现象,在一定程度上减少了光合产物的积
累,因此,遮荫并不只是导致植物光合作用的降低,
还会增加植物产量。但到目前为止,遮荫对半夏光
合特性影响的研究未见报道。本研究以期探明遮荫
影响半夏光合生理基础,为半夏的高产栽培提供理
论依据。
1 材料
半夏种源采自淮北市南湖开发区高科技农业示
范中心国家“半夏人工种子中试”基地,经本院薛建
平教授鉴定为天南星科植物三叶半夏 P.ternata的
块茎。选择大小一致的半夏块茎于盆中播种,待半
夏苗高15cm左右时,进行3种光照处理:全光照、1
层黑色遮荫网、2层黑色遮荫网。利用照度计分别
于半夏生长期内晴天中午12:00-13:00同时测定
各处理的相对透光率,其平均值为自然光透光率
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100%;1层遮荫透光率30%,相当于70%遮荫;2层
遮荫透光率10%,相当于90%遮荫。以不遮荫(全
光照)为对照,每处理重复10盆,约300棵。遮荫
30d后以三叶半夏中间叶片为材料测定各指标。
2 方法
2.1 叶绿素含量的测定 精确称取新鲜叶片02
g,剪碎,加入10mL丙酮乙醇1∶1混合液,置于暗
处,待叶片组织变白后,混匀并取上清液用紫外可
见分光光度计(UV-4802双光束扫描型,上海产)
于663nm和645nm处测定吸光度,按 Arnon法[13]
计算叶绿素含量。
2.2 叶片干重、叶面积、比叶面积 叶片于105℃
烘箱中杀青30min,70℃烘至恒重,进行称量,即为
干重。利用数码相机和 Photoshop软件非破坏性法
测定叶面积[14]。比叶面积(cm2·g-1)=叶面积/叶
干物重。
2.3 叶片光合参数的测定 用Li6400便携式光合
测定系统(美国 LICOR公司产),CO2浓度均为(450
±150)μmol·mol-1下测定光响应曲线(PnPFD),测
定时光强由强到弱,依次设定光量子通量密度
(PPFD)为2000,1500,1000,800,600,400,200,100,
50,0μmol·m-2·s-1,回归法求得光饱和点(LSP),
光补偿点(LCP)为光照强度下(0~200μmol·m-2·
s-1)光合速率和光照强度拟合直线在 x轴上的交
点[15],初始斜率(低于200μmol·m-2·s-1PPFD下的
数据的直线回归)为表观量子效率(AQY)。
不同处理选择半夏 10株,于晴朗天气,从
7:00-17:00,每隔2h测定1次光合日变化,每株
重复3次,由测定仪自动输出数据,分别取所测10
株共30次数据的平均值。
2.4 叶片叶绿素荧光参数的测定 测定仪器为
Mini-PAM荧光仪(Heina,Walz德国产)。测光适
应下最小荧光产量(Fo′)、最大荧光产量的荧光参数
(Fm′)、光系统Ⅱ的实际量子产量(ΦPSⅡ);暗适应2
h后,测定最小荧光产量(Fo)、最大荧光产量(Fm)、
光系统Ⅱ的最大量子产量(Fv/Fm)、光化学淬灭系
数(qP)、非光化学淬灭系数(NPQ)。
2.5 数据分析
利用 Excel2003整理原始数据,用 SPSS130
软件对数据进行方差分析,采用Duncan氏新复极差
测验法进行平均数的比较。
3 结果与分析
3.1 遮荫对半夏生长的影响
在不同遮荫处理下,半夏的生长有很大的差
异(表1)。与 CK相比,70%,90%遮荫处理的株
高、主叶长、主叶宽、主叶面积和比叶面积均有显
著(P<005)差异,表现为遮荫处理的半夏叶片变
大,株高增加,块茎鲜重增加,其中70%遮荫块茎
鲜重增加显著(P<005)。遮荫 70%,90%处理
与 CK相比,株高分别增高了395%,7589%,主
叶长分别增加了 412%,2748%,主叶宽分别增
加了 885%,1992%,主叶面积分别增加了
2892%,4747%,比叶面积分别增加了4033%,
6133%。
表1 不同遮荫处理对半夏生长的影响(珋x±s,n=10)
处理 块茎鲜重/g 株高/cm 主叶长/cm 主叶宽/cm 主叶面积/cm2 比叶面积/cm2·g-1
CK 227±001b 562±131c 388±032b 226±013c 567±074c 3439±3105c
70% 244±003a 784±112b 404±031b 245±024b 731±073b 4827±9445b
90% 230±005b 1379±169a 515±069a 298±017a 1078±103a 5549±6100a
  注:统计分析是在项目内分别进行的,同列数值不同字母表示差异在5%显著水平(表2同)
3.2 遮荫对半夏叶片光合色素含量的影响
半夏叶片光合色素含量在遮荫条件下普遍高于
对照。遮荫70%,90%处理的叶绿素a、叶绿素b和
叶绿素总量显著(P<005)高于对照,叶绿素 a/b
显著(P<005)低于对照。而遮荫70%,90%之间
没有显著差异。可见,遮荫有利于光合色素含量的
提高(表2)。
3.3 遮荫对半夏叶片光合作用的影响
表2 不同遮荫强度对半夏叶片叶绿素含量的影响(珋x±s,n=10)
处理 叶绿素(a+b)/mg·g-1 叶绿素a/mg·g-1 叶绿素b/mg·g-1 叶绿素a/b
CK 386±023b 289±021b 096±004b 300±00002a
70% 539±041a 382±031a 157±014a 242±00002b
90% 598±085a 417±061a 181±026a 230±00001b
3.3.1 遮荫对半夏叶片光合光强曲线的影响 生 长在自然光照条件下(CK)的半夏叶片光合作用光
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饱和点(LSP)为1375μmol·m-2·s-1,其光补偿
点为 1863μmol·m-2·s-1,AQY为 00482(表
3)。而生长在70%,90%遮荫条件下的半夏叶片,
其饱和点分别为1364,1351μmol·m-2·s-1,光
补偿点分别为1760,1612μmol·m-2·s-1,表观
量子效率分别为00487,00578。由生长在不同
光照水平下半夏的光合光强曲线(图1),可以看出
半夏叶片的光合作用能力受其发育过程中所经历的
光强的影响,遮荫下生长的半夏叶片具有阴生叶的
特点,光补偿点和光饱和点低于自然光照条件下的
叶片,表观量子效率提高。
3.3.2 遮荫对半夏叶片光合作用日变化的影响 
表3 不同遮荫对半夏光响应特性的影响
处理 回归方程 光补偿点/μmol·m-1·s-1 光饱和点/μmol·m-1·s-1 表观量子效率
CK
Y= -80E-006X2 +0022X2 +
1687
1863 1375 00482
70%
Y= -77E-006X2 +0021X2 +
1481
1760 1364 00487
90% Y=-74E-006X2+002X2+1457 1612 1351 00578
图1 不同遮荫遮荫对半夏叶片光合光强
响应曲线的影响
  全光照和70%遮荫处理半夏叶片净光合速率
的日变化为“双峰”型曲线,有明显的光合“午休”现
象,峰值分别出现在11:00和15:00;90%遮荫处理
半夏叶片Pn日变化为“单峰”型,11:00出现峰值。
与对照相比,遮荫显著降低了半夏的光合速率(P<
005)。
在7:00-11:00遮荫和对照处理半夏的蒸腾速
率呈上升趋势,11:00达到“峰值”。对照半夏叶片
蒸腾总量明显高于遮荫半夏。不同程度遮荫降低了
半夏叶片的蒸腾速率。
对照半夏叶片胞间 CO2浓度日变化呈现“双
峰”曲线,在11:00和15:00达到“峰值”,除15:00
外对照低于同期遮荫处理。
对照半夏叶片气孔导度日变化呈现“双峰”曲
线,峰值出现在11:00和15:00;不同遮荫处理叶片
Gs日变化为“单峰”型,11:00出现“峰值”。对照在
15:00时达到低谷。除15:00外对照高于同期遮荫
处理(图2)。
图2 遮荫对半夏叶片光合速率及相关参数日变化的影响
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3.4 遮荫对半夏叶片荧光参数的影响
与对照相比,初始荧光 Fo和最大荧光 Fm随遮
荫程度的增加逐渐升高。不同遮荫条件下叶绿素含
量与Fo和Fm的同步增加,说明叶绿素含量(表2)增
加是Fo和Fm升高的内在原因。70%,90%遮荫条件
下PSⅡ的实际量子产量ΦPSⅡ和PSⅡ的最大量子产
量Fv/Fm显著(P<005)高于全光照,说明遮荫可
提高半夏叶片PSⅡ光能转化效率。与对照相比,全
光照和70%遮荫 qP显著(P<005)低于 90%遮
荫。说明90%遮荫处理增加了 PSⅡ反应中心开放
比例,提高了 PSⅡ反应中心氧化态 QA的数量和光
能转化利用效率。遮荫处理的 NPQ显著低于全光
照处理,并且随着遮荫程度加大,NPQ逐渐降低
(表4)。
表4 遮荫对半夏叶片叶绿素荧光参数的影响(珋x±s,n=10)
处理
初始荧光
Fo
最大荧光
Fm
PSⅡ的实际量子
产量ΦPSⅡ
PSⅡ的最大量子
产量Fv/Fm
非光化学猝灭
系数qP
非光化学猝灭
系数NPQ
CK 21633±1136b 109733±17381b 0492±0113c 0799±0026c 091±0031b 0026±0003a
70% 23473±1539a 125546±8369a 0651±0019b 0825±0008b 091±0045b 0021±0004b
90% 24144±1062a 122622±5191a 0741±0015a 0836±0008a 096±0017a 0017±0021c
4 讨论
对辣椒[16]、苦瓜[17]等的研究表明,弱光下比叶
面积增加是植株耐荫性的一种形态适应性变化,可
以增加叶片同化组织对结构组织、输导组织的相对
比例,降低单位面积的呼吸速率。本实验结果表明,
遮荫条件下,半夏植株生长旺盛,株高增加,叶片长
宽和叶面积增大,比叶面积比全光照下显著增加,有
利于植株在荫蔽环境中接受光能。
叶绿素是捕获光能的物质基础,遮荫条件下其
含量增加和Chla/b下降不仅有利于对光能的捕获
和吸收,而且有利于对弱光的利用,是耐荫植物的
典型特征[7]。本试验遮荫处理显著提高了半夏叶
片的叶绿素含量,特别是叶绿素 b含量,叶绿素
a/b下降,说明遮荫可提高半夏叶片对光能的捕获
和吸收能力。这与草莓[18]和黄瓜[19]的研究结果一
致。另外,遮荫处理下生长的半夏叶片光补偿点、
光饱和点降低,而表观量子效率升高,具有阴生叶
的部分特性。
Farquhar和Sharkey认为光合速率的降低伴随
着细胞间隙CO2浓度的提高时,光合速率降低的主
要原因一定是非气孔因素,是叶肉细胞光合活性的
下降造成的[20]。本试验结果表明,遮荫后半夏叶片
的气孔导度减小,细胞间隙CO2浓度增加,这说明遮
荫降低了光合速率,不是气孔限制,而是非气孔因素
即叶肉细胞光合活性的下降造成的。植物光合“午
休”现象受气孔和非气孔限制的调节,且与“光抑
制”有关[2122]。全光照和70%遮荫处理半夏叶片Tr
日变化和Pn日变化为“双峰”型曲线,有明显的光合
“午休”现象,而90%遮荫处理半夏叶片 Pn日变化
为“单峰”型,没有明显“午休”现象。
叶绿素荧光是光合作用的探针[23],通过荧光参
数分析可以了解光合机构内部一系列重要的调节过
程,真实而准确地揭示遮荫处理对半夏 Pn的影响机
制。在叶绿素荧光参数中,Fv/Fm是 PSⅡ光能转化
效率的指标;qP是 QA氧化态的度量,反映了 PSⅡ
反应中心开放的比例;NPQ反映的是PSⅡ天线色素
吸收的不能用于光合电子传递而以热形式耗散掉的
光能部分。Fv/Fm作为反映 PSⅡ活性中心的光能
转化效率的参数,一般维持在0832±0004,只有
发生光抑制的情况下,该值才会降低[24]。本试验中
随着遮荫程度增加,Fv/Fm逐渐增大,说明遮荫处理
提高了PSⅡ反应中心开放比例;遮荫处理为90%
时,qP显著(P<005)高于全光照,说明90%遮荫
处理提高了PSⅡ光化学效率;NPQ随遮荫程度的增
加而降低,说明遮荫处理降低了PSⅡ以热能形式耗
散的所吸收的光能,使天线色素所捕获的光能以更
高比例用于推动光合电子传递,有利于光合作用的
顺利进行,是遮荫条件下Pn较高的内在原因。
半夏为喜荫植物,自然光照条件下很容易导致
PSⅡ反应中心的失活而出现光合作用的“光抑制”,
不利于半夏的生长。本研究结果表明,70%,90%遮
荫虽降低光合有效辐射,但半夏可通过增加叶绿素
含量、降低Chla/b来提高对光能的吸收能力;通过
增加PSⅡ反应中心开放的比例、减少热耗散等途径
来提高PSⅡ光能转化效率,进而保证光合作用正常
进行和半夏正常生长。70%,90%遮荫处理为半夏
生长提供更温和的条件,遮荫下半夏生长更好,块茎
鲜重增加,随着遮荫程度的增加,半夏株高、叶片长
宽、叶片面积和比叶面积显著增加;遮荫可以减轻半
夏的光抑制,有利于半夏的生长发育,为半夏的高产
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栽培奠定基础。
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Huaibei235000,China;2.SchoolofLifeScience,AnhuiUniversity,Hefei230039,China)
[Abstract] Objective:TostudytheefectsofshadingonphotosyntheticphysiologyandchlorophylfluorescenceofPineliater
nata.Method:Plantgrowth,chlorophylcontent,netphotosyntheticrate(Pn)andchlorophylfluorescenceinP.ternatawereinves
tigatedunderdiferentshadingtreatments(0%,70% and90%)whenitgrewabout15cmhigh.Result:Theresultsshowedthat
freshweightofatuber,height,leaflength,width,leafarea,specificleafarea(SLA)andcontentsofchlorophylcontentwereen
hancedaftershaded,andchlorophyla/bratedeclined.Comparedwithcontrol,netphotosyntheticrate,lightcompensationpoint
(LCP)andlightsaturationpoint(LSP)ofP.ternatadecreasedaftershading,butapparentquantumyield(AQY)increased;quan
tumyieldofPSⅡ(ΦPSⅡ),minimalfluorescence(Fo),maximalfluorescence(Fm),intrinsicphotochemicaleficiencyofPSⅡ
(Fv/Fm)andphotochemicalquenchingcoeficient(qP)wereenhanced.Conclusion:Comparedwithcontrol,aldataindicatedthat
thereweredistinctivediferencesbetweentheheight,SLA,chlorophylcontent,Pnandchlorophylfluorescencecharacteristicsunder
theshadingtreatments(70% and90%),thefreshweightofatuberincreasedafter70% shading,andprovidedbeterenvironmental
conditionsforthegrowthofP.ternata.
[Keywords] Pineliaternata;shading;photosynthetic;chlorophylfluorescence [责任编辑 吕冬梅]
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第33卷第24期
2008年12月
         
    中 国 中 药 杂 志
ChinaJournalofChineseMateriaMedica
       
Vol.33,Issue 24
 December,2008