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        不同LED光質(zhì)對陜產(chǎn)重樓生理特性和成分積累的影響△

        2019-12-05 06:15:16李鉑唐志書王楠孫曉春黃文靜宋忠興楊新杰程虎印黃柯朝
        中國現(xiàn)代中藥 2019年10期

        李鉑,唐志書*,王楠,孫曉春,黃文靜,宋忠興,楊新杰,程虎印,黃柯朝

        1.陜西中醫(yī)藥大學(xué) 陜西省中藥資源產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心,陜西 咸陽 712083;2.秦藥特色資源研究與開發(fā)國家重點實驗室(培育),陜西 咸陽 712083;3.陜西中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院,陜西 咸陽 712046

        光是植物生長發(fā)育最重要的生態(tài)因子和調(diào)節(jié)因子之一[1],適宜的光質(zhì)能夠影響藥用植物的初生代謝,調(diào)控不同次生代謝產(chǎn)物的積累和分配,從而影響藥材的產(chǎn)量和品質(zhì)[2]。發(fā)光二極管(LED)作為新型光源,廣泛應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)、園藝作物、植物工廠等領(lǐng)域,在藥用植物人工栽培方面具有良好的應(yīng)用前景,無論是作為唯一光源或補充光源,可以通過精準(zhǔn)控制光照強度、混合光質(zhì)組合,提高藥用植物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

        七葉一枝花ParispolyphyllaSmith為百合科重樓屬多年生草本,又名重樓、蚤休、燈臺七、螺絲七[3],主要分布于陜西南部、云南、四川、廣西、貴州等地,為特色秦藥之一[4]。重樓根和根莖入藥,富含皂苷類、多糖、三萜類、黃酮類等多種化合物,具有清熱解毒、消腫止痛等功效[5-6]。秦嶺地區(qū)氣候環(huán)境適宜,植被類型豐富,分布有七葉一枝花、寬葉重樓、柄葉重樓、北重樓等多種重樓屬植物[7-8]。重樓常生長于疏林下或灌叢陰濕處,喜涼爽、陰濕的環(huán)境,因此對光照強度和光質(zhì)的選擇較為敏感。

        重樓作為傳統(tǒng)中藥,隨著市場需求不斷增加,野生資源遭到極度破壞,重樓人工種植技術(shù)的突破和改進迫在眉睫,研究光質(zhì)對重樓藥材產(chǎn)量和品質(zhì)的影響具有重要的指導(dǎo)意義。本研究通過設(shè)置5種不同光質(zhì)處理基質(zhì)栽培的陜產(chǎn)重樓,通過測定不同生長期重樓生物量、葉綠素含量、蛋白質(zhì)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、總多糖和總皂苷含量,綜合多項指標(biāo),評價陜產(chǎn)重樓對不同LED光質(zhì)的響應(yīng)機制,為重樓藥材規(guī)范化種植過程中最適光質(zhì)的選擇提供技術(shù)指導(dǎo)。

        1 材料與方法

        1.1 儀器

        Multiskan GO全波長酶標(biāo)儀(美國Thermo Scientific公司);UV-2600紫外可見分光光度計(日本Shimadzu公司);萬分之一電子天平(日本Shimadzu公司);101型電熱鼓風(fēng)干燥箱(北京科偉永興儀器公司)。

        1.2 試藥

        葡萄糖(批號:180519)、重樓皂苷I(批號:180607)購自陜西樂博生化有限公司;BCA蛋白濃度測定試劑盒(P0010S)、總SOD活性檢測試劑盒(S0101)購自上海碧云天生物科技公司;其余試劑均為國產(chǎn)分析純。

        三年生重樓幼苗采自陜西省商洛市鎮(zhèn)安縣云蓋寺鎮(zhèn),經(jīng)陜西中醫(yī)藥大學(xué)王繼濤教授鑒定為百合科重樓屬植物七葉一枝花P.polyphylla。取30 cm×25 cm塑料盆,裝入適量基質(zhì)(PindStrup,Denmark,粒徑0~6 mm,pH 6.0);挑選大小一致的重樓幼苗,洗凈,栽植于基質(zhì)內(nèi),使芽尖露出基質(zhì)表面,置于組織培養(yǎng)間培養(yǎng)(20 ℃,12 h光照/12 h黑暗,相對濕度55%~60%),待葉片完全展開,用于不同光質(zhì)處理。

        1.3 方法

        1.3.1 LED光源設(shè)置 分別設(shè)置LED紅光、藍(lán)光、紅光/藍(lán)光4∶1、紅光/藍(lán)光2∶1不同光質(zhì),不同顏色燈珠按比例均勻交叉排布,以白色熒光燈為對照(FL,T5,飛利浦照明工業(yè)有限公司),調(diào)整光源數(shù)量和高度,使距離重樓葉片處的平均光照強度為80 μmol·(m2·s)-1。每個處理設(shè)3次重復(fù),每重復(fù)30株苗,光周期:12 h光照/12 h黑暗(20 ℃、相對濕度55%~60%),分別于處理10、20、30 d時取樣,新鮮樣品經(jīng)液氮速凍,存于-80 ℃冰箱,用于葉綠素含量、蛋白含量和SOD酶活性測定;另取不同處理的重樓根莖洗凈,40 ℃烘干,粉碎過篩,用于多糖和總皂苷含量測定。LED光源由廣東偉照業(yè)光電節(jié)能有限公司制造,單支LED光源的相關(guān)參數(shù)見表1。

        表1 LED光源相關(guān)參數(shù)

        注:峰值波長代表不同LED光源的光強達到最大時對應(yīng)的波長;—表示白光為全波長;組合光質(zhì)的該值為兩種LED光源各自的峰值波長。

        1.3.2 生物量測定 不同光質(zhì)處理30 d后取樣一次,各處理隨機取樣3株,洗凈,拭干水分,分別測定并記錄地上部分與根莖的質(zhì)量,根據(jù)公式(1)計算根冠比。

        根冠比=地下部分(g)/地上部分(g)

        (1)

        1.3.3 葉綠素含量測定 精密稱取處理30 d的新鮮重樓葉片各0.1 g,洗凈,擦干,剪碎,加入適量80%丙酮,研磨至組織變白,過濾至25 mL容量瓶,定容,每個處理重復(fù)3次。分別在663、646 nm處測定提取液吸光值,按照文獻描述方法計算葉綠素a和葉綠素b含量[9]。

        1.3.4 總蛋白含量與SOD酶活性測定 分別取不同光質(zhì)處理10、20、30 d的新鮮重樓葉片,洗凈雜質(zhì),吸干水分,精確稱取0.5 g,加入5.0 mL磷酸緩沖液(0.05 mol·L-1,pH 7.8),冰上迅速研磨成勻漿,4 ℃、10 000 r·min-1離心10 min,上清液用于蛋白含量測定和SOD酶活性測定。利用BCA蛋白濃度測定試劑盒測定葉片中蛋白含量,蛋白含量以mg·g-1FW(鮮質(zhì)量)表示;利用總SOD活性檢測試劑盒測定葉片中超氧化物歧化酶活性,SOD酶活力以U·mg-1蛋白含量表示。

        1.3.5 總多糖含量測定

        1.3.5.1 重樓粗多糖的制備 精密稱取重樓樣品0.250 g,置于錐形瓶中,加入10 mL蒸餾水,60 ℃超聲20 min,濾取上清液,向沉淀中加入10 mL蒸餾水,重復(fù)上述操作。合并兩次水提液,加入無水乙醇,使乙醇終濃度為80%。4 ℃靜置24 h,10 000 r·min-1離心5 min,棄去上清液,40 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒質(zhì)量,得到重樓粗多糖粉末。向烘干的粗多糖粉末中加入25 mL蒸餾水,充分溶解,備用。

        1.3.5.2 重樓多糖含量測定 重樓多糖含量采用苯酚-硫酸法進行測定[10]。精密量取0.2 mg·mL-1葡萄糖對照品溶液0、25、50、150、250、300 μL,蒸餾水補體積至300 μL,加入5%苯酚溶液1 mL,混勻;加入濃硫酸5 mL,搖勻并靜置10 min,40 ℃水浴15 min;取出后冰浴10 min,測定490 nm處吸光值。以葡萄糖對照品濃度為橫坐標(biāo),以吸光值為縱坐標(biāo),得到如下線性回歸方程:Y=9.941 8X+0.015 5,r=0.995 5(n=3)。分別吸取1.3.5.1項中待測樣品300 μL,按相同方法測定490 nm處吸光值,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算多糖含量,多糖含量以mg·g-1DW(干質(zhì)量)表示。

        1.3.6 總皂苷含量測定 精密稱取重樓根莖粉末0.2 g,置于具塞錐形瓶中,加入25 mL甲醇,超聲提取15 min,用甲醇補足減少的質(zhì)量。參考楊驍?shù)萚11]的方法進行測定,以重樓皂苷I作為對照品,重樓皂苷I含量為橫坐標(biāo),吸光度值為縱坐標(biāo),得到如下線性回歸方程:Y=3.026 8X-0.013 7,r=0.996 7(n=3),表明重樓皂苷I在0~0.023 mg·mL-1線性關(guān)系良好。總皂苷含量以mg·g-1DW(干質(zhì)量)表示。

        1.4 數(shù)據(jù)分析

        數(shù)據(jù)分析采用Excel 2013和SPSS 22.0軟件,采用單因素方差分析結(jié)合多重比較進行多組樣本間的差異顯著性分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同LED光質(zhì)對重樓生物量的影響

        由表2可知,不同光質(zhì)處理重樓植株30 d后,地上部分與根莖的生物量略有變化,2R1B處理的重樓地上部分生物量達到最大,地下部分生物量以4R1B處理為最高,但不同處理組與對照組相比均未達到顯著差異。同時,藍(lán)光和紅光/藍(lán)光2∶1處理的重樓根冠比減小,表明其對重樓地上部分生長的促進作用高于地下部分。

        表2 不同LED光質(zhì)對重樓生物量的影響

        2.2 不同LED光質(zhì)對重樓葉綠素含量的影響

        重樓葉片中葉綠素含量在不同光質(zhì)處理后變化明顯。葉綠素a含量在R、B與2R1B光質(zhì)處理后均顯著增加,分別為對照組的1.331倍(P<0.05)、1.432倍(P<0.01)和1.521倍(P<0.01)。不同處理組葉片中葉綠素b含量均低于葉綠素a,B與2R1B處理組葉綠素b含量均顯著高于白光處理(CK),分別為對照組的1.269倍(P<0.05)和1.445倍(P<0.01),見圖1。結(jié)果表明,藍(lán)光和紅光/藍(lán)光2∶1處理均可顯著提高陜產(chǎn)重樓葉片中兩種葉綠素含量,以后者的處理效果為佳,其對重樓植株光合的影響有待進一步研究,以探明葉綠素含量增加與光合作用變化之間的關(guān)系。

        注:Chl a.葉綠素a;Chl b.葉綠素b;分別以白光處理作為對照,*P<0.05;**P<0.01。圖1 不同LED光質(zhì)對重樓葉片中葉綠素含量的影響

        2.3 不同LED光質(zhì)對重樓葉片蛋白含量和SOD酶活性的影響

        不同光質(zhì)處理重樓植株,葉片中總蛋白含量相比對照組顯著增加。B、4R1B和2R1B處理10 d后葉片中蛋白含量均顯著增加,分別為對照組(白光)的1.741倍、1.312倍和1.313倍;不同光質(zhì)處理重樓植株20 d,各處理組葉片蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)在(69.579±2.100)~(92.171±2.286)mg·g-1FW;處理30 d后,不同光質(zhì)處理的葉片中蛋白含量均顯著高于對照組,以紅/藍(lán)2∶1處理的蛋白含量為最高,是對照組的1.628倍(P<0.01),藍(lán)光處理的重樓葉片蛋白含量為對照組的1.523倍,亦達到顯著差異(圖2)。因此,單色光以藍(lán)光處理的重樓葉片蛋白含量增加明顯,不同比例光質(zhì)以紅光/藍(lán)光2∶1處理對重樓葉片蛋白積累的促進作用顯著。實際生產(chǎn)中可通過調(diào)整紅藍(lán)光質(zhì)配比,提高重樓葉片中的蛋白質(zhì)含量。

        注:分別以白光處理作為對照,*代表P<0.05;**代表P<0.01。圖2 不同LED光質(zhì)對重樓葉片蛋白含量的影響

        由圖3可知,不同光質(zhì)處理初期(10 d),紅光和紅光/藍(lán)光4∶1處理的重樓葉片中SOD酶活性相比對照組(白光)有所上升。隨著處理時間的增加,各處理組葉片SOD酶活性相比對照均有所下降,以藍(lán)光和紅/藍(lán)2∶1處理組酶活性下降幅度明顯。處理30 d時,B、4R1B和2R1B處理的葉片中SOD活性均顯著降低,分別為(1.398±0.077)、(1.301±0.104)、(0.979±0.058)U·mg-1,均低于對照組葉片中SOD酶活性,以紅光/藍(lán)光2∶1處理的葉片SOD酶活性降幅為最大,相比對照組降低55.40%(P<0.01)。

        注:分別以白光處理作為對照,*P<0.05;**P<0.01。圖3 不同LED光質(zhì)對重樓葉片SOD酶活性的影響

        2.4 不同LED光質(zhì)對重樓總多糖含量的影響

        本研究中,不同光質(zhì)不同時間處理的陜產(chǎn)重樓根莖中多糖含量相比對照組(白光)明顯升高。不同處理時間R、B和2R1B處理的重樓根莖中,多糖含量均在較高水平,以紅光/藍(lán)光2∶1處理的促進作用最為顯著,分別為對照組的1.918倍(10 d)、2.165倍(20 d)和3.151倍(30 d)。隨著紅光/藍(lán)光4∶1處理時間的延長,對重樓根莖中多糖含量的積累由抑制轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M,處理30 d后根莖中多糖含量達(25.738±2.362)mg·g-1DW,顯著高于對照組(P<0.01,圖4)。綜合考慮,以紅光/藍(lán)光2∶1為提高陜產(chǎn)重樓根莖中多糖含量的最佳LED光質(zhì)處理組合。

        注:分別以白光處理作為對照,**P<0.01。圖4 不同LED光質(zhì)對重樓根莖中多糖含量的影響

        2.5 不同LED光質(zhì)對重樓總皂苷含量的影響

        由圖5可知,不同光質(zhì)處理的重樓根莖中,重樓總皂苷含量隨處理時間的延長總體表現(xiàn)為逐漸升高的趨勢。紅光和藍(lán)光處理10 d,重樓根莖中總皂苷含量均顯著高于對照(白光),以藍(lán)光處理的效果為好,達到(44.766±1.445)mg·g-1DW,相比對照組提高91.20%(P<0.01)。處理20 d時不同處理之間總皂苷含量無顯著差異。不同光質(zhì)處理30 d時,總皂苷含量相比對照組均有所增加,以藍(lán)光處理的促進作用為最強,達到(63.343±4.269)mg·g-1DW,是對照組的1.595倍(P<0.01)。因此,藍(lán)光對陜產(chǎn)重樓根莖中總皂苷積累的促進作用最為顯著。

        注:分別以白光處理作為對照,*P<0.05;**P<0.01。圖5 不同LED光質(zhì)對重樓根莖中總皂苷含量的影響

        3 討論

        光是藥用植物積累同化產(chǎn)物的能量來源,次生代謝產(chǎn)物的合成與積累則依賴于植物體內(nèi)的初生代謝。研究表明,不同光質(zhì)的LED光源能夠影響植物的生長[12-13]、光合作用[14]、保護酶系統(tǒng)[15],以及次生代謝產(chǎn)物的積累與轉(zhuǎn)化[16-17]。陜產(chǎn)重樓是秦巴山區(qū)特色秦藥之一,隨著市場需求的不斷增加,解決重樓人工栽培過程中的關(guān)鍵性問題迫在眉睫。本研究利用LED發(fā)光二極管,設(shè)置不同單色光質(zhì)及混合光質(zhì)組合,處理基質(zhì)栽培的陜產(chǎn)重樓,分別考察植株生長、葉綠素含量、蛋白含量、超氧化物歧化酶活性、多糖含量和總皂苷積累對不同光質(zhì)的響應(yīng)。結(jié)果表明,紅光/藍(lán)光2∶1處理對重樓生長和生物量積累具有一定的促進作用,并能夠顯著提高葉片中葉綠素a、b的含量。葉綠素含量水平與植物的光合作用密切相關(guān),黃希等[18]研究發(fā)現(xiàn),橙光/藍(lán)光4∶1有利于促進滇重樓葉片的光合作用,本研究中紅光/藍(lán)光2∶1對陜產(chǎn)重樓光合作用的影響有待進一步探究。同時,本研究結(jié)果顯示,紅光/藍(lán)光2∶1處理對重樓葉片蛋白質(zhì)含量具有顯著的促進作用,并能夠顯著降低葉片超氧化物歧化酶活性。

        聞永慧等[19]利用不同光質(zhì)LED處理白及二倍體與四倍體組培苗,發(fā)現(xiàn)紅/藍(lán)1∶1最有利于白及組培苗中多糖的積累;紅藍(lán)LED復(fù)合光照有利于鐵皮石斛葉綠素與多糖含量的增加,藍(lán)光則有利于種苗的增粗與生物堿的積累[16]。張勤濤等[20]利用藍(lán)光處理滇重樓,重樓產(chǎn)量及根莖中皂苷含量達到最高。重樓主要以根莖入藥,皂苷和多糖為根莖的主要成分。本研究結(jié)果顯示,紅光/藍(lán)光2∶1處理可顯著提高陜產(chǎn)重樓根莖中多糖的含量,而總皂苷含量的提高以LED藍(lán)光處理的效果為佳,這與上述文獻報道的結(jié)果基本一致。

        LED光源是設(shè)施農(nóng)業(yè)常用的技術(shù)手段之一,具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點,隨著珍稀藥用植物人工種植規(guī)模的擴大,充分利用LED光源在植株生長和有效成分積累關(guān)鍵期進行處理,可為提高藥材產(chǎn)量和品質(zhì)提供參考。同時,進一步研究不同LED光質(zhì)處理藥用植物后體內(nèi)初生代謝與次生代謝之間的轉(zhuǎn)化,以及關(guān)鍵酶基因的表達、調(diào)控過程,闡明不同光質(zhì)影響藥用植物生長和藥材品質(zhì)形成的分子機制,可為合理利用LED光源指導(dǎo)藥材生產(chǎn)提供理論和實踐依據(jù)。

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