汪越，劉楠，任海，邵玲，陳雄偉，陳剛，王俊*

1. 中國(guó)科學(xué)院華南植物園，廣東 廣州 510650；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 肇慶學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，廣東 肇慶 526061

紫背天葵(Begonia fimbristipula Hance)葉片形態(tài)和生理生態(tài)特征對(duì)不同光強(qiáng)的響應(yīng)

汪越1, 2，劉楠1，任海1，邵玲3，陳雄偉3，陳剛3，王俊1*

1. 中國(guó)科學(xué)院華南植物園，廣東 廣州 510650；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 肇慶學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，廣東 肇慶 526061

摘要：紫背天葵（Begonia fimbristipula Hance）是我國(guó)特有的珍稀瀕危藥用植物。以紫背天葵組培球莖為材料，通過遮陰網(wǎng)設(shè)置3種光照強(qiáng)度，分析紫背天葵葉片形態(tài)、生理、營(yíng)養(yǎng)元素及次生代謝產(chǎn)物含量對(duì)光照的響應(yīng)特征，以期為其人工栽培提供理論指導(dǎo)。結(jié)果表明，紫背天葵的比葉面積和表觀量子效率隨光照強(qiáng)度的增大而降低，而上表皮厚度隨光照強(qiáng)度的增大而增加。盡管高光照（80%自然光照）處理下的紫背天葵葉片具有更高的最大光合速率、光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)、瞬時(shí)水分及光能利用效率，但對(duì)照（50%自然光照）下的紫背天葵葉片具有更豐富的總花青素含量（0.4 μmol·g-1）。與對(duì)照相比，低光照下（20%自然光照）的紫背天葵葉片最大光和速率、暗呼吸速率、光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)及瞬時(shí)水分利用效率顯著降低，且總花青素含量無(wú)顯著差異。上述結(jié)果表明，紫背天葵可通過調(diào)節(jié)自身形態(tài)生理特征來(lái)適應(yīng)較高或較低的光照條件，對(duì)不同的光環(huán)境有較好的適應(yīng)能力。但從葉片藥用成分保持的角度來(lái)看，紫背天葵在接近原生境光照條件的50%自然光照下具有更佳的光合作用和花青素合成能力，可作為其人工栽培的參考光照條件。

關(guān)鍵詞：紫背天葵；光照；形態(tài)解剖；光合生理；次生代謝產(chǎn)物

引用格式：汪越，劉楠，任海，邵玲，陳雄偉，陳剛，王俊. 紫背天葵(Begonia fimbristipula Hance)葉片形態(tài)和生理生態(tài)特征對(duì)不同光強(qiáng)的響應(yīng)[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(6): 957-964.

WANG Yue, LIU Nan, REN Hai, SHAO Ling, CHEN Xiongwei, CHEN Gang, WANG Jun. Responses of Leaf Morphological and Physiological Characteristics of Begonia fimbristipula Hance to Light Intensity [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(6): 957-964.

紫背天葵（Begonia fimbristipula Hance），屬秋海棠科秋海棠屬多年生無(wú)莖草本植物，為我國(guó)特有種，性喜溫暖濕潤(rùn)的環(huán)境，一般生長(zhǎng)在懸崖峭壁的蔭蔽石壁上（古粹芝，1999）。自然條件下主要有紅葵和綠葵（也稱青葵），其中紅葵葉片內(nèi)具有豐富的紅色素，已有的研究表明紅色素主要成分為花青素，且為其主要藥用成分（段志芳等，2006；譚雄斯等，2012；邵玲等，2014）。近十余年，由于過度的人為采摘及自身生長(zhǎng)環(huán)境脆弱，其自然種群急劇減少，2005年紫背天葵已被《中國(guó)珍稀植物》評(píng)估為瀕危物種的低危等級(jí)（邢福武，2005）。目前對(duì)紫背天葵的研究主要集中在組培、葉片內(nèi)化學(xué)成分、種群特性調(diào)查及小規(guī)模的人工栽培試驗(yàn)（張?zhí)m英和李耿光，1986；許旋等，2000；邵玲和梁霞，2012）。關(guān)于環(huán)境條件對(duì)紫背天葵形態(tài)、生理及次生代謝產(chǎn)物的影響尚未見報(bào)道，未能確定其高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培的光照條件。

光是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因子，光照過量和不足對(duì)植物都有一定的影響（Dai等，2009；Deng等，2012）。研究表明高光照條件下植物葉面積減小、葉厚度增大、柵欄組織發(fā)達(dá)、光飽和點(diǎn)和補(bǔ)償點(diǎn)較高（覃鳳飛等，2012）。低光條件下植物葉片通常較大且薄，光補(bǔ)償點(diǎn)和飽和點(diǎn)較低，柵欄組織退化而海綿組織發(fā)達(dá)，在適應(yīng)較低光照條件的同時(shí)最大限度的提高自身的光能利用率（Gratani等，2006）。此外，有關(guān)植物體內(nèi)次生代謝產(chǎn)物與光照環(huán)境關(guān)系研究表明，植物在適應(yīng)光照環(huán)境時(shí)光合能力與體內(nèi)次生代謝產(chǎn)物積累有一定關(guān)系。Croteau等（1972）認(rèn)為，植物光合作用的增加能提供較多的次生代謝前體，同時(shí)抑制了次生代謝產(chǎn)物的分解；光強(qiáng)對(duì)陰生植物人參體內(nèi)次生代謝產(chǎn)物的影響研究表明光強(qiáng)過大時(shí)人參皂苷的含量下降（張治安等，1994）；王洋等（2004）對(duì)喜樹次生代謝產(chǎn)物喜樹堿對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)研究表明，在嚴(yán)重遮陰的情況下喜樹堿含量降低。因此，光強(qiáng)對(duì)次生代謝產(chǎn)物的影響與植物本身生長(zhǎng)的特性及環(huán)境適應(yīng)能力有很大關(guān)系。次生代謝產(chǎn)物多作為藥用植物的藥用成分，研究光照對(duì)藥用植物形態(tài)、生理及次生代謝產(chǎn)物含量的影響對(duì)闡明栽培過程中道地性的維持機(jī)理具有重要意義。

本文通過觀測(cè)人工設(shè)置的3種光照梯度下紫背天葵葉片形態(tài)、生理、營(yíng)養(yǎng)元素及次生代謝產(chǎn)物含量特征，主要探討以下科學(xué)問題：（1）紫背天葵在不同光照強(qiáng)度下，其形態(tài)、生理和次生代謝產(chǎn)物含量會(huì)發(fā)生哪些變化？（2）紫背天葵葉片對(duì)光的適應(yīng)性如何？研究旨在為紫背天葵規(guī)?；a(chǎn)過程中適宜光照條件的選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1自然概況及實(shí)驗(yàn)處理

實(shí)驗(yàn)樣地位于廣東省廣州市中國(guó)科學(xué)院華南植物園（23°35' N，112°57'E），園內(nèi)以低丘陵臺(tái)地為主。屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季炎熱潮濕，秋冬溫暖干旱，年平均溫度21.8 ℃，最熱月（7─8月）平均氣溫28.3 ℃，最冷月（1月）平均溫度13.3 ℃。年降水量為1623.6～1899.8 mm，4─9月為濕季，10月─翌年3月為干季（楊勇等，2010）。

本實(shí)驗(yàn)紫背天葵球莖由肇慶學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院邵玲教授提供。野外自然條件下紫背天葵生于疏林下石上或懸崖石縫中（古粹芝，1999），不同生境光照條件差異較大，通過實(shí)地踏查，野外分布的紫背天葵的生境光照約為50%自然光照（50% NL），因此通過不同透光率的遮蔭網(wǎng)設(shè)定3個(gè)光照梯度分別為80%（80% NL）、50%（50% NL）和20%自然光照（20% NL），其中以最接近野外生長(zhǎng)條件的50% NL為對(duì)照，80% NL為高光照處理，20% NL為低光照處理。將紫背天葵球莖種于花盆，栽培土壤為泥炭土，再將花盆分別置于3種光照梯度下，每個(gè)光照處理下3個(gè)區(qū)組，每個(gè)區(qū)組10個(gè)球莖，栽培期間每天澆兩次水。試驗(yàn)于2013年12月開始持續(xù)到2014年4月，待其營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)達(dá)到最大時(shí)期（4月），進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定，各項(xiàng)指標(biāo)分別從每個(gè)重復(fù)中選取1～3片葉子。

1.2研究方法

1.2.1葉面積和比葉面積

將葉片收獲洗凈后平鋪于標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)紙上，用數(shù)碼相機(jī)對(duì)葉片進(jìn)行拍照后用Image-J計(jì)算葉片面積（Liu和Guan，2012）。之后將葉片置于65 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒重，稱量葉片干重后計(jì)算比葉面積（SLA=總?cè)~面積/總?cè)~重），每個(gè)處理9個(gè)重復(fù)。

1.2.2葉片橫切面指標(biāo)測(cè)量

采用半薄切片法觀察葉片橫切面結(jié)構(gòu)，每個(gè)處理9個(gè)重復(fù)。從葉片的中部避開葉脈切取0.5 cm×1 cm小葉片后迅速投入4%戊二醛溶液固定，于4 ℃中存放12 h。后再用2%的鋨酸固定4 h，梯度乙醇脫水后丙酮過夜，再用EP812環(huán)丙樹脂包埋，半薄切片機(jī)（LKB118000，LKB，Japan）切片（0.5～2 μm），甲苯胺藍(lán)染色后置于光學(xué)顯微鏡（SZX12，Olympus，Japan）下觀察并拍照。測(cè)量葉片厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度等指標(biāo)。

1.2.3葉片表皮結(jié)構(gòu)

利用掃描電鏡觀察葉片上、下表皮結(jié)構(gòu)，每個(gè)處理9個(gè)重復(fù)。在葉片中部避開葉脈切去5 mm×5 mm的葉片后立即投入4%的戊二醛溶液中，于4 ℃下保存12 h。用0.2 mol·L-1的磷酸緩沖液漂洗數(shù)次后梯度乙醇脫水，之后分別置于3∶1、1∶1、1∶3的乙醇：叔丁醇和純叔丁醇10 min，取出置于真空噴涂?jī)x內(nèi)進(jìn)行真空干燥。粘臺(tái)后于IB-5型離子鍍膜儀上噴涂后掃描電鏡（日本電子T-300）下觀察拍照。統(tǒng)計(jì)氣孔密度和上、下表皮毛密度等指標(biāo)。

1.2.4葉綠體超微結(jié)構(gòu)

前處理與半薄切片相同，ULPRACUT EXINXIN型超薄切片機(jī)切片（60 nm）后，經(jīng)醋酸雙氧鈾檸檬-檸檬酸鉛雙染色后置于日立H-800透射電子顯微鏡下觀察并拍照。葉綠體大小、基粒厚度等指標(biāo)為27個(gè)葉綠體測(cè)定平均值。

1.2.5光響應(yīng)曲線測(cè)定

于晴朗的天氣，用便攜式光合作用儀（LI-6400，USA）測(cè)定其光響應(yīng)曲線，設(shè)定光合有效輻射梯度為：1400、1200、1000、800、500、300、150、100、50、30、15、0 μmol·m-2·s-1。測(cè)定過程中保持環(huán)境穩(wěn)定，CO2為400 μmol·μmol-1，葉溫25 ℃，每次測(cè)定3個(gè)重復(fù)。利用非直角雙曲模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，并計(jì)算最大光合速率（Amax）、暗呼吸速率（Rd）、表觀量子效率（AQY）、光補(bǔ)償點(diǎn)（LCP）、光飽和點(diǎn)（LSP）、瞬時(shí)水分利用效率（IWUE=Pn/Tr）、瞬時(shí)光能利用效率（ILUE=Pn/PAR）等指標(biāo)（Nijs等，1997；Liu和Guan，2012）。

非直角雙曲模型公式為：

式中：Pn為凈光合速率，I為光照強(qiáng)度，?為表觀量子效率，Rd為暗呼吸速率，Amax為最大凈光合作用速率，θ為曲線性狀參數(shù)（Larcher，1980）。

1.2.6葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定

利用便攜式熒光儀（PAM-2100，Germany）測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，測(cè)定前將葉片置于葉夾中暗適應(yīng)30 min，每個(gè)測(cè)量選取9片葉，主要參數(shù)如下：光系統(tǒng)II最大光化學(xué)效率（Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm）、光化學(xué)熒光淬滅（qP=(Fm′-Fs)/(Fm′-Fo′）、非光化學(xué)熒光淬滅（NPQ=(Fm-Fm′)/Fm′）。其中，F(xiàn)m和Fo是暗適應(yīng)后的最大和初始熒光，F(xiàn)m′和Fo′是為光適應(yīng)后的最大熒光和初始熒光（Souza等，2004）。

1.2.7葉綠素含量測(cè)定

將葉圓片（直徑0.6 cm）置于80%丙酮溶液中，存放于黑暗處，每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)。待葉片完全褪色后用紫外分光光度計(jì)（UV-3802，Unico）測(cè)定浸出液在663、645、440 nm處的吸光值，后計(jì)算葉綠素a（Chl a）、葉綠素b（Chl b）和類胡蘿卜素含量（Car）（Lin等，1984）。

1.2.8總花青素含量測(cè)定

將葉片材料剪碎后置于甲醇和鹽酸混合溶液中（V甲醇∶V鹽酸=99∶1），存放在4 ℃黑暗處5 d，每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)。用紫外分光光度計(jì)（UV-3802，Unico）測(cè)定浸出液在530和650 nm處的吸光值，后計(jì)算總花青素含量（Murray和Hackett，1991；Reddy等，1995）。

1.2.9原花青素含量測(cè)定

將葉片材料剪碎后置于甲醇溶液中，用超聲波水浴（40 ℃）提取2 h，待提取液冷卻后過濾（0.45 μm）。將過濾液置于真空旋轉(zhuǎn)式濃縮儀內(nèi)，取50 mg濃縮后得到的固體溶解在25 mL蒸餾水中。取2 mL溶解液，加入20 mL硫酸亞鐵溶液（鹽酸∶正丁醇=2∶3），后將混合液置于95 ℃水浴下加熱1 h。用紫外分光光度計(jì)測(cè)定液體在540 nm處的吸光值，后計(jì)算原花青素含量（Skerget等，2005），每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)。

1.2.10植物營(yíng)養(yǎng)元素測(cè)定

將葉片材料置于65 ℃下烘干至恒重，用重鉻酸鉀法測(cè)定全碳含量，凱氏定氮法測(cè)定全氮含量，鉬銻比色法測(cè)定全磷含量（劉光崧，1996），每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)。

1.3數(shù)據(jù)分析方法

采用單因素方差分析法（One-way ANOVA）分析光照條件對(duì)紫背天葵葉片形態(tài)、生理特征的影響，不同光照條件下各生長(zhǎng)指標(biāo)的差異采用LSD進(jìn)行多重比較分析，數(shù)據(jù)差異顯著臨界值P=0.05。并用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件包（SPSS 12.0 for Windows，Chicago，USA）對(duì)光響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，用SigmaPlot及Excel繪制圖形。

表1　3種光強(qiáng)下紫背天葵葉片的形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)特征Table 1 Morphological and anatomical characteristics of B. fimbristipula in three different light conditions

2　結(jié)果

2.13種光照處理下葉片的形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)特征

方差分析結(jié)果表明，光照條件顯著影響紫背天葵葉片的形態(tài)特性。與接近紫背天葵自然生境的50% NL處理下葉片的形態(tài)特征相比，高光照（80% NL）處理后葉片的大小沒有顯著差異性變化（P=0.187），比葉面積（SLA）顯著的減小（P<0.001，表1）。在解剖結(jié)構(gòu)特征上二者差異較小，只有上表皮厚度、下表皮毛密度、氣孔密度3個(gè)指標(biāo)在80% NL下要顯著大于50% NL，葉厚、柵欄組織厚、海綿組織厚、柵欄組織/海綿組織厚、上表皮毛密度等指標(biāo)在80% NL和50% NL處理下無(wú)顯著差異性（P>0.05，表1，圖1），且80% NL下葉片上表皮覆蓋的蠟質(zhì)要多于50% NL下（圖2G、H）。葉綠體個(gè)數(shù)和大小、基粒厚度和片層數(shù)及比片層數(shù)等指標(biāo)在兩個(gè)處理間也沒有顯著性差異（P>0.05，表1，圖2）。

圖1　3種光強(qiáng)下紫背天葵表皮掃描圖；80%(A)、50%(B)和20%(C)NL下葉片氣孔，Bar=100 μm；80%(D)、50%(E)和20%(F)NL下上表皮毛，Bar=500 μmFig. 1 SEM photomicrographs of leaf surface. Stomata of B. fimbristipula in 80% (A), 50% (B), 20% NL(C), Bar=100 μm; epidermic trichome of B. fimbristipula in 80% (D), 50% (E), 20% NL(F), Bar=500 μm

圖2　3種光強(qiáng)下紫背天葵葉綠體超微結(jié)構(gòu)，80%(A)、50%(B)和20%(C)NL下葉綠體，Bar=1 μm；80%(A)、50%(B)和20%(C)NL下葉綠體基粒，Bar=100 nmFig. 2 Ultrastructure traits of chloroplasts in leaves of B. fimbristipula in three different light. Chloroplasts of B. fimbristipula in 80% (A), 50% (B), 20% NL(C). Bar=1 μm; Grana lamella of B. fimbristipula in 80% (D), 50% (E), 20% NL(F), Bar=100 nm

與50% NL處理下紫背天葵葉片特征相比，低光照（20% NL）處理后，葉片大小和SLA都顯著增大（P<0.05，表1）。葉厚、上表皮厚顯著減?。≒<0.05），而柵欄組織、海綿組織、柵欄組織/海綿組織厚、氣孔密度及上、下表皮毛密度上二者沒有顯著性差異（P>0.05，表1，圖1）。光照處理對(duì)葉片超微結(jié)構(gòu)也有一定影響，低光照顯著降低了海綿組織葉綠體個(gè)數(shù)、基粒片層數(shù)和比片層數(shù)（P<0.05），對(duì)柵欄組織葉綠體個(gè)數(shù)、葉綠體大小、基粒厚度等指標(biāo)無(wú)顯著性影響（P>0.05，表1，圖2）。低光照處理對(duì)葉綠體基粒片層形態(tài)發(fā)展有一定的影響，與50% NL處理下相比，低光照處理后基粒片層排列更加松散，在電鏡下難以被辨別（圖2F）。

2.23種光照處理下葉片光合生理特性

光響應(yīng)曲線參數(shù)表明（表2），紫背天葵葉片表觀量子效率隨著光照強(qiáng)度的降低而顯著上升（P<0.001），最大光合速率、光飽和點(diǎn)、光補(bǔ)償點(diǎn)、瞬時(shí)水分利用率都隨著光照強(qiáng)度的降低而顯著下降（P<0.05）。80% NL下葉片暗呼吸速率與50% NL處理下無(wú)顯著差異（P=0.843），且二者都顯著的大于20% NL處理下葉片的暗呼吸速率（P<0.05）。在瞬時(shí)光能利用效率（ILUE）方面，80% NL下葉片有最大的ILUE，顯著的大于50%和20% NL處理（P<0.05），后二者在ILUE上無(wú)顯著差異（P=0.511）。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)特征表明（表2），光照處理對(duì)光化學(xué)淬滅和非光化學(xué)淬滅沒有顯著影響（P>0.05），20% NL的紫背天葵光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學(xué)效率顯著低于80% NL（P<0.001）。

2.33種光照處理后葉片色素及營(yíng)養(yǎng)元素含量

與50% NL相比，80% NL處理下葉片的總?cè)~綠素含量、葉綠素a/b及原花青素含量無(wú)顯著性變化（P>0.05），類胡蘿卜素含量顯著增加（P=0.028），總花青素的含量顯著降低（P=0.021，表3）。20% NL處理下，葉片葉綠素a/b顯著減?。≒<0.05），而類胡蘿卜素及原花青素含量顯著增大（P<0.05，表3）。

光照條件對(duì)紫背天葵葉片的全氮、全磷含量及氮、磷比無(wú)顯著影響（P>0.05，表4）。但低光照處理顯著降低了葉片的全碳含量（P=0.005，表4）。

表3　3種光照條件下紫背天葵葉片色素含量Table 3 Pigment contents of B. fimbristipula in three different light condition

表4　3種光照條件下紫背天葵葉片碳、氮、磷含量及氮/磷特征Table 4 Macronutrient contents and N: P ratio in leaves of B. fimbristipula in three different light conditions

表2　3種光強(qiáng)條件下紫背天葵光和特性及熒光參數(shù)Table 2 Photosynthetic traits and chlorophyll fluorescence parameters of B. fimbristipula in three different light condition

3　討論

3.1光照強(qiáng)度對(duì)紫背天葵葉片形態(tài)、解剖和生理特征的影響

光對(duì)植物的形態(tài)特征和生理功能有著重要影響（Deng等，2012）。葉片不僅是紫背天葵主要的藥用部位，同時(shí)也是其進(jìn)行光合作用等生理代謝活動(dòng)的重要器官，栽培在不同光照下的紫背天葵在葉片結(jié)構(gòu)、光合作用特性和代謝物質(zhì)含量上都表現(xiàn)出一定的差異性。

80% NL的高光照處理下（光合有效輻射較強(qiáng)），紫背天葵葉片接受更多的光能，在生長(zhǎng)過程中，葉片通過增大氣孔以促進(jìn)氣體交換，同時(shí)通過增大下表皮毛密度及表皮覆蓋的蠟質(zhì)來(lái)減少水分蒸發(fā)及增加葉片抗旱能力（孟雷等，2002；呂晉慧等，2012）。80% NL處理下紫背天葵葉片SLA顯著降低，這與高光強(qiáng)下葉片通常降低SLA的研究結(jié)果一致，表明其通過調(diào)整葉片厚度和葉肉細(xì)胞密度而減小SLA這一結(jié)構(gòu)性狀，從而有利于自身對(duì)光的截獲，同時(shí)增強(qiáng)葉片對(duì)強(qiáng)光的防護(hù)作用（張林和羅天祥，2004）。20% NL的低光照處理下葉片通過增加葉面積來(lái)增大自身的光接受面積，減少上表皮厚度及葉片厚度以利于光照穿透葉片表皮達(dá)到葉肉組織并增強(qiáng)葉片對(duì)光的捕獲能力，進(jìn)而緩解光照下降對(duì)其光合能力的限制（Deng等，2012；Quero等，2006；Markesteijn等，2007）。植物葉片內(nèi)葉綠體數(shù)量和結(jié)構(gòu)與其光合能力密切相關(guān)，低光照處理下紫背天葵葉片降低了其海綿組織、葉綠體個(gè)數(shù)及基粒片層數(shù)，以適應(yīng)較低光照環(huán)境，但較低的光照似乎對(duì)葉綠體基粒的發(fā)育造成了一定負(fù)面影響，致其難以被清晰地辨別，這與Deng等人研究多瓣茉莉長(zhǎng)期生長(zhǎng)在低光照下?lián)p害了葉綠體發(fā)育的結(jié)果一致（Liang等，2010；Deng等，2012）。

植物生理特性受光照影響顯著，與50% NL相比，80% NL下紫背天葵葉片表觀量子效率顯著減小，20% NL處理下葉片表觀量子效率顯著增大，表明隨著光照降低葉片光量子捕獲能力增大，以促進(jìn)其在弱光環(huán)境下對(duì)光照的吸收（薛偉等，2011）。此外，研究表明，植物在適宜環(huán)境下生長(zhǎng)時(shí)其表觀量子效率通常在0.03～0.05，本研究中3種光照梯度下表觀量子效率處于或高于上述范圍，表明3種實(shí)驗(yàn)條件均適合紫背天葵的生長(zhǎng)（Larcher，1980；劉建鋒等，2011）。研究表明，光飽和點(diǎn)能反應(yīng)植物對(duì)強(qiáng)光的適應(yīng)能力，光補(bǔ)償點(diǎn)則能反應(yīng)植物對(duì)弱光的適應(yīng)能力（張其德，1992；劉玲等，2009）。80% NL處理下紫背天葵葉片的光飽和點(diǎn)和凈光合速率都顯著的高于50% NL下葉片的這兩個(gè)值，表現(xiàn)出其對(duì)高光照具較好的利用能力，而20% NL處理顯著的降低了紫背天葵葉片光補(bǔ)償點(diǎn)，則表明其對(duì)弱光具有較強(qiáng)的利用能力。同時(shí)，與前人的研究結(jié)果相似的是，20% NL處理下葉片通過降低暗呼吸速率來(lái)減小對(duì)光合產(chǎn)物的消耗（Jiang等，2004；孫小玲等，2010）。80% NL下的紫背天葵葉片光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）與50% NL處理下無(wú)顯著性差異，表明其在較強(qiáng)光照環(huán)境下沒有出現(xiàn)光抑制，而顯著地大于20% NL下的葉片F(xiàn)v/Fm則表明較低光照降低了其光系統(tǒng)II潛在光合能力（Demmig 和Adams，2006；劉建鋒等，2011）。

遮陰在改變光照強(qiáng)度的同時(shí)也改變了光譜組成，一般會(huì)使藍(lán)光比例增高。20% NL處理下紫背天葵通過增加其葉片內(nèi)葉綠素b的含量來(lái)提高自身對(duì)漫射光中藍(lán)光的利用率。植物體內(nèi)類胡蘿卜素行使光能捕獲和光破壞防御兩大功能（孫小玲等，2010），與50% NL處理相比，處于80% NL和20% NL處理下葉片的類胡蘿卜素含量都要顯著的增大，在較強(qiáng)光照下類胡蘿卜素有助于葉片將過剩的光能以熱量的形式散發(fā)出去，對(duì)光合器官起保護(hù)作用，而在低光照下則可能通過增加葉片內(nèi)類胡蘿卜素的含量來(lái)進(jìn)一步增加對(duì)光能的吸收和傳遞（Liang等，2010；孫小玲等，2010）。在50% NL下的紫背天葵葉片具有相對(duì)較低的類胡蘿卜素含量及適中的葉綠素含量，說明這一光照強(qiáng)度可能對(duì)紫背天葵葉片生長(zhǎng)較有利，葉片能充分的利用這一光強(qiáng)下的光能。

次生代謝產(chǎn)物在藥用植物體內(nèi)的合成和積累與所處環(huán)境具有緊密的聯(lián)系，其含量是藥材品質(zhì)的重要保障之一（黃璐琦等，2004）。紫背天葵葉片花青素的含量決定其藥用價(jià)值，本文研究結(jié)果表明，80% NL高光強(qiáng)處理顯著降低了葉片內(nèi)總花青素含量，表明較強(qiáng)光照不利于葉片內(nèi)花青素的合成和積累，而20% NL低光照處理下花青素含量與對(duì)照無(wú)顯著差異，這可能是由于隨著光照的減弱，其葉片光合能力減弱，合成花青素所必須的糖分、蛋白等供應(yīng)不足從而也限制了植株花青素合成（胡可等，2010）。此外，遮陰在影響光照條件的同時(shí)也對(duì)葉片所處環(huán)境的溫度、空氣濕度等其他因素產(chǎn)生影響，這些因素也可能間接影響了花青素的合成（Coley和Aide，1989）。

80% NL處理下葉片全碳、全氮、全磷含量與50% NL沒有顯著性差異，這表明雖然高光強(qiáng)下葉片光合能力提高，但其光合產(chǎn)物積累卻沒有相應(yīng)的增加，而20% NL環(huán)境下紫背天葵葉片全碳含量則顯著降低，光合作用產(chǎn)物是參與初生和次生代謝的必需物質(zhì)（Croteau，1972；焦曉林和高薇薇，2011），這表明50% NL下葉片具有合適的光合產(chǎn)物積累能力，有利于花青素的合成積累。

3.2紫背天葵葉片對(duì)光的適應(yīng)性及其光照試驗(yàn)實(shí)踐價(jià)值

通過比較生長(zhǎng)于不同光照環(huán)境下的紫背天葵葉片形態(tài)和生理特征，發(fā)現(xiàn)其對(duì)光照的適應(yīng)范圍較大。紫背天葵作為陰生植物，50% NL下具有典型的陰生植物特性，如較大的比葉面積、表觀量子效率，較低的光飽和點(diǎn)和補(bǔ)償點(diǎn)，而在強(qiáng)光照和低光照環(huán)境下，植株的形態(tài)和生理特性則出現(xiàn)了適應(yīng)性差異。較高光照環(huán)境下，植株通過調(diào)整形態(tài)結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)抗旱、保水、氣體交換和增大光合作用和水分利用能力，能維持自身正常的生長(zhǎng)和代謝，但較強(qiáng)的光照顯然不利于體內(nèi)花青素的積累。而處于低光照環(huán)境下時(shí)，紫背天葵則通過調(diào)節(jié)葉片厚度和體內(nèi)色素含量來(lái)增加其對(duì)弱光的利用和適應(yīng)能力，同時(shí)降低自身光合速率和暗呼吸速率以適應(yīng)較低光照環(huán)境，雖然能維持自身的生長(zhǎng)及代謝，但因自身光合能力過低，對(duì)花青素的合成產(chǎn)生了一定的限制作用。處于50% NL下的生長(zhǎng)的紫背天葵，其葉片內(nèi)花青素含量及葉片光能利用效率均處于較高水平，適于生長(zhǎng)和積累花青素。可見，過高或過低的光照條件均不利于紫背天葵葉片花青素的積累，在紫背天葵的生產(chǎn)栽培中，可參考50%左右自然光照作為其生長(zhǎng)的光環(huán)境條件，以促進(jìn)紫背天葵生長(zhǎng)及葉片藥用成分的積累。

4　結(jié)論

本研究表明，不同光照對(duì)紫背天葵葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理指標(biāo)及次生代謝物質(zhì)等特征具有一定的影響。與正常光照相比，生存于較高和較低光照處理下的紫背天葵都能通過調(diào)節(jié)自身形態(tài)特征來(lái)改善生理功能，從而達(dá)到對(duì)光照環(huán)境的適應(yīng)。紫背天葵作為典型的陰生植物，對(duì)光照有著較強(qiáng)的適應(yīng)能力，在較高和較低光強(qiáng)下都能正常的維持自身的生長(zhǎng)代謝。但作為藥用植物，人工生產(chǎn)中對(duì)藥用有效成分的維持尤為重要。本研究表明在50% NL下，紫背天葵能充分的利用光能，具有較強(qiáng)的光合能力和花青素合成能力，故人工生產(chǎn)上可參考接近自然環(huán)境的50% NL條件。但因花青素的合成除了受光照條件的影響，其他諸如溫度、空氣濕度、糖分等因素對(duì)植物花青素的合成也具有一定的影響，因此進(jìn)一步研究外界環(huán)境因子與紫背天葵體內(nèi)花青素合成的關(guān)系，對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)藥用有效成分高的紫背天葵具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)也能減少野外紅葵采摘現(xiàn)狀，緩解紅葵生存壓力。

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Responses of Leaf Morphological and Physiological Characteristics of Begonia fimbristipula Hance to Light Intensity

WANG Yue1, 2, LIU Nan1, REN Hai1, SHAO Ling3, CHEN Xiongwei3, CHEN Gang3, WANG Jun1
1. South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. College of Life Science, Zhaoqing University, Zhaoqing 526061, China

Abstract:Begonia fimbristipula Hance is a unique and endangered medicinal plant species in China. This study was conducted to detect the effects of light intensity on leaf morphological and physiological characteristics, nutrients and secondary metabolite contents of B. fimbristipula, germinated from bulbs, through artificial shade treatments. Specific leaf area and apparent quantum yield of B. fimbristipula leaves decreased with the increment of irradiation, while adaxial epidermis thickness showed the opposite trend. Compared with plants grown under control (50% natural light), plants grown under high irradiation (80% natural light) had higher maximum photosynthetic rate, light saturation point, light compensation point, instantaneous light and water use efficiency, but much lower anthocyanin content in leaves. Plants grown under low irradiation (20% natural light) were lower in chloroplast number in spongy, lamellae per granum, specific lamellae per μm, maximum photosynthetic rate, dark respiration rate, light saturation point, light compensation point, instantaneous water use efficiency and chlorophyll a/b than the plants grown under control. No significant difference in anthocyanin content was observed between plants grown under 20% natural light and control. These results indicated that B. fimbristipula can survive in high or low light condition through acclimatizing its morphological and physiological traits. Respecting to the maintenance of medicinal ingredients in leaves, the 50% natural light level is recommended in the artificial cultivation practices of B. fimbristipula, since plant has better photosynthesis and anthocyanin synthesis abilities (0.4 μmol·g-1) under such light condition.

Key words:Begonia fimbristipula Hance; irradiation; morphological and anatomical traits; photosynthetic physiology; secondary metabolite

收稿日期：2015-04-09

*通信作者：王俊，助理研究員，博士。Email: wxj@scbg.ac.cn

作者簡(jiǎn)介：汪越（1989年生），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榛謴?fù)生態(tài)學(xué)。E-mail: yueyayue@126.com

基金項(xiàng)目：廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013B060400016）

中圖分類號(hào)：Q945.79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2015）06-0957-08

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.06.008