不同半夏属植物光合作用相关生理特征研究

陈美倩 夏令 罗睿

摘 要：半夏属植物多为重要的药用植物，其光合生理相关特征的探究对栽培生产、野生资源保护等具有重要意义。本文对半夏属的三个物种四种材料（半夏、盾叶半夏、绿叶型滴水珠和斑叶型滴水珠）进行了光响应曲线、光合色素含量及叶片下表皮气孔特征的比较研究。结果表明：半夏属植物都具有低光补偿点（≤23.72 μmol光子·m-2·s-1）、低光饱和点（≤775.12 μmol光子·m-2·s-1）、较高的表观光合量子效率（除半夏外都在0.05左右）、较低的叶绿素a/b比值（≤2.88）和较低的气孔密度（≤58.46个·mm-2），都是典型的阴生植物。结果显示半夏属植物的栽培生产和资源保护需要进行适当的遮阴处理。

关键词：光响应曲线;光合色素;气孔特征;阴生植物

中图分类号：Q945

文献标志码：A

天南星科半夏属植物（Pinellia Tenore）是主要分布在东亚的多年生草本植物，目前在中国发现半夏（P.ternata）、盾叶半夏（P.peltata）和滴水珠（P.cordata）等10种[1-3]。半夏属植物多作为传统的中药材，具有燥湿化痰、降逆止呕、消痞散结等作用[4]。半夏是本属中分布与使用最为广泛的中药植物，在中国多数省区均有分布，其块茎制成品包括清半夏、法半夏和姜半夏等[5]。盾叶半夏是我国特有濒危药用植物[6]，主要分布于浙江、福建少数地区，分布狭窄且因人为干扰导致分布区逐渐缩小。滴水珠主要分布于长江以南地区，在自然环境中存在绿叶型（gree leaves， GL）和斑叶型（variegated leaves， VL）两种生态型。

半夏是众多中药复方中的主要配伍药材，目前主要通过栽培生产满足市场需要[5]。光合作用是产量形成的基础，植物光合特征的研究对于栽培生产具有重要的指导意义。半夏的光合生理研究表明适当遮阴有利于其生长并增加药材产量[7-8]。除此之外，部分研究探究了半夏的光补偿点、光饱和点和表观量子效率等光合特性[9-11];也对其光合色素含量[11-12]和气孔[13]的特征进行了初步研究。盾叶半夏与滴水珠主要是在民间应用，没有形成大规模的市场需求，目前尚未进行栽培生产且缺乏光合特征相关的研究报道。植物光合特性也是探讨其光照条件适应性、生态型差异稳定性、濒危植物保护的基础。鉴于目前半夏属植物光合特性的研究主要集中在半夏上，本研究拟对半夏、盾叶半夏和滴水珠的光合特性进行比较研究，以揭示该属不同物种的光合特性差异，为半夏属的进一步开发利用及资源保护等提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

野外采集的半夏（采自贵州省贵阳市花溪区）、盾叶半夏（采自浙江省温州市永嘉县）和滴水珠两个生态型（绿叶型滴水珠、斑叶型滴水珠，均采自浙江省温州市永嘉县）植株种植于实验室内。在5月中旬，选择生长良好、展叶充分的植株叶片进行光合特性研究。

1.2 试验方法

1.2.1 光响应曲线测定

从栽培植株中选择生长情况一致且生长旺盛的植株在早上8：00—16：00进行试验，半夏、盾叶半夏、绿叶型滴水珠和斑叶型滴水珠光响应曲线测定时选择个体数分别为3、3、6、4株（每株选1片叶片进行测定）。光响应曲线测定（YsZQ-100C，翼鬃麒科技（北京）有限公司）时设置的光强梯度如下：0～300 μmol·m-2·s-1时光强梯度为30 μmol·m-2·s-1;300～2 460 μmol·m-2·s-1时光强梯度为90 μmol·m-2·s-1。光合速率测定的稳定时长为60 s，预照时长为150 s，重复测定3次，计算各光照强度下光合速率的平均值，并通过Excel 2010处理绘制实测光响应曲线。利用SPSS Statistics 24软件对光响应曲线进行拟合，拟合模型采用直角双曲线修正模型[14]：Pn（I）=α1-βI1+γI I-Rd。其中，Pn为净光合速率，μmol·m-2·s-1;I为光合有效辐射，μmol·m-2·s-1;α为初始量子效率;Rd为暗呼吸速率，μmol·m-2·s-1。拟合（非线性回归分析）时设置各参数初始值为α=0.05、β=0.000 1、γ=0.01、Rd=1、Pn max=实测值，参数限制为α≤0.125、Pn max≤30，保存数据选择预测值，运用序列二次规划法或迭代法[15]估算模型中不同植物的各参数值，以及运用直角双曲线修正模型拟合得到光响应拟合曲线散点图[14]。由于直角双曲线模型是一个有极值的函数，可直接由上述表达式求出4种半夏属植物的最大凈光合速率Pn max、光饱和点Isat和光补偿点Ic的解析解[16]。最后将不同半夏属植物在弱光条件下（I≤200 μmol·m-2·s-1）净光合速率的直角双曲线修正模型拟合预测值与其各对应的光照强度进行线性回归处理[17]。

1.2.2 光合色素含量的测定

每种半夏属植物选择4株植物的成熟叶片进行光合色素含量的测定，测定方法为丙酮提取法[18-19]。测定结果利用Excle 2010进行单因素方差分析，并在0.05和0.01水平上进行新复极差检验（the shortest significant range method，SSR）的多重比较分析。

1.2.3 叶片下表皮气孔特征观察

每种半夏属植物选择3株植株的成熟叶片取下表皮进行制片、观察和拍照（OLYMPUS BX53），利用Image-Pro Plus 6.0进行下表皮细胞和气孔计数，然后计算气孔密度和气孔指数[13]。利用Excle 2010进行测定结果的分析。

2 结果与分析

2.1 光响应曲线

不同半夏属植物的光响应实测曲线（图1（a））表明：光照强度在0～200 μmol·m-2·s-1时，净光合速率呈线性增加;在200～800 μmol·m-2·s-1时，净光合速率随着光照强度的增加而增加，但增加速率逐渐降低;高于800 μmol·m-2·s-1后，不同植物均达到光饱和（斑叶型滴水珠的光合速率最大、盾叶半夏次之，绿叶型滴水珠和半夏最小且两种植物基本一致）。数据拟合得到的光响应拟合曲线（图1（b））表明：不同植物在低于800 μmol·m-2·s-1的光照条件下达到光饱和;在1 800 μmol·m-2·s-1左右的高光强下有明显的光抑制现象。弱光条件下（I≤200 μmol·m-2·s-1）回归分析表明：表观光合速率Pn与光照强度呈线性关系（最小的R2值为0.967 7），净光合速率由低到高依次是半夏、绿叶型滴水珠、盾叶半夏和斑叶型滴水珠（图1（c））。

不同植物的光饱和点、光补偿点和表观光合量子效率等有明显差异（表1）。绿叶型滴水珠光饱和点最高，为775.12 μmol光子·m-2·s-1，而斑叶型滴水珠光饱和点最低，为484.23 μmol光子·m-2·s-1。斑叶型滴水珠光補偿点最低，为16.16 μmol光子·m-2·s-1，而盾叶半夏光补偿点最高，为23.72 μmol光子·m-2·s-1，两种生态型的滴水珠光补偿点都低于其它两种植物。在表观光合量子效率上盾叶半夏最高，为0.060;半夏最低，为0.037。不同植物拟合时的决定系数R2均在0.98左右，但半夏的拟合程度最好，R2为0.99。

2.2 光合色素含量

不同植物叶片光合色素含量测量结果（表2）表明：叶绿素a含量、叶绿素总含量、类胡萝卜素含量、总光合色素含量都是半夏属植物高于其它植物，呈极显著差异（P<0.01），但是斑叶型滴水珠、绿叶型滴水珠和盾叶半夏之间差异不显著（P>0.05）;叶绿素b含量从高到低依次为半夏、斑叶型滴水珠、盾叶半夏和绿叶型滴水珠，半夏和斑叶型滴水珠之间及盾叶半夏和绿叶型滴水珠之间差异不显著（P>0.05）;叶绿素a与叶绿素b的比值从高到低依次为半夏、绿叶型滴水珠、盾叶半夏和斑叶型滴水珠，其间的差异在显著水平上有差异（P<0.05），但在极显著水平上无差异（P>0.01）;叶绿素与类胡萝卜素比值在不同植物间存在差异，但差异不显著（P>0.05）。

2.3 气孔形态特征

四种植物下表皮上的气孔均为肾形，保卫细胞中有大量叶绿体（图2）。不同植物的气孔数量特征上存在差异（表3）：斑叶型滴水珠叶片下表皮单位面积表皮细胞数与其它三种之间差异极显著（P<0.01），而这三种之间差异不显著（P>0.05）;气孔密度从大到小依次为斑叶型滴水珠、半夏、绿叶型滴水珠和盾叶半夏，半夏与绿叶型滴水珠之间存在极显著差异（P<0.01），而绿叶型滴水珠与盾叶半夏之间差异不显著（P>0.05）;气孔指数从大到小为半夏、斑叶型滴水珠、绿叶型滴水珠和盾叶半夏，在斑叶型滴水珠与绿叶型滴水珠之间存在极显著差异（P<0.01），而绿叶型滴水珠与盾叶半夏之间差异不显著（P>0.05）。

3 讨论与结论

本研究显示半夏属植物具有20.76 μmol光子·m-2·s-1的光补偿点和0.037的表观光合量子效率，测定结果与已报道的半夏光补偿点为19.19 μmol光子·m-2·s-1[9]、表观光合量子效率为0.03[10]等结果基本一致。在光合色素的研究中，肖亚雯等[11]发现在不同居群的半夏植株中其叶绿素a含量在1.20～1.84 mg·g–1之间，叶绿素b含量在0.44～0.66 mg·g–1之间，叶绿素总量在1.68～2.58 mg·g–1之间，叶绿素a与叶绿素b的比值在2.47～2.74之间，类胡萝卜素含量在0.25～0.40 mg·g–1之间，本研究测定结果与此相符（表2）。张乐容[13]对半夏气孔的研究结果显示半夏、盾叶半夏和滴水珠的气孔指数分别为18.44%、12.00%、12.16%，报道结果与本文所得数据基本一致（表3）。

植物对环境的光强适应表现在光响应曲线特征上，阳生植物的光饱和点一般为1 500～2 000 μmol光子·m-2·s-1，光补偿点为50～100 μmol光子·m-2·s-1;阴生植物的光饱和点为500～1 000 μmol光子·m-2·s-1，光补偿点小于20 μmol光子·m-2·s-1[20]，而植物在自然条件下测定的表观光合量子效率范围为0.03～0.05，一般表观光合量子效率越高的植物越耐阴[21]。半夏、盾叶半夏和滴水珠（绿叶型与班叶型）的光饱和点在484.00～776.00 μmol光子·m-2·s-1范围之间，光补偿点在20 μmol光子·m-2·s-1左右，表观光合量子效率大于或几乎等于0.05（除了半夏为0.037，但其光饱和点和光补偿点都相对较低）。因此，半夏、盾叶半夏和滴水珠都属于阴生植物。有学者认为阴生植物叶片的叶绿素a/b小于3[22]，气孔密度低于100个·mm-2[23]，而4种植物的叶绿素a/b均小于3，气孔密度更是远远小于100个·mm-2，所以半夏、盾叶半夏和滴水珠的光合色素含量特征和气孔特征也具有典型的阴生植物特征。

综上所述，半夏、盾叶半夏和滴水珠（绿叶型与班叶型）都是适应阴生环境的植物，在栽培生产中进行适当的遮阴处理可利于植株生长。

参考文献：

[1]ZHU G H， LI H， LI R. A synopsis and a new species of the E Asian genus Pinellia （Araceae）[J]. Willdenowia， 2007， 37（ 2）： 503-522.

[2]LI H， BOGNER J. Flora of China（PINELLIA Tenore）[M]. Beijing： Science Press and Missouri Botanical Garden Press， 2010.

[3]LIU Y J， NEWMASTER S G， WU X J， et al. Pinellia hunanensis （Araceae）， a new species supported by morphometric analysis and DNA barcoding[J]. Phytotaxa， 2013， 130（ 1）： 1-13.

[4]蔡世珍， 邹忠梅， 徐丽珍， 等. 半夏属药用植物的研究进展[J]. 国外医学（中医中药分册）， 2004， 26（1）： 17-24.

[5]国家药典委员会. 中华人民共和国药典[M]. 北京： 中国医药科技出版社， 2015.

[6]环境保护部， 中国科学院， 中国生物多样性红色名录-高等植物卷[DB/OL]. [2013-9-2]. http：//www.iplant.cn/rep/protlist/4.

[7]郑茹茹. 光照和水分对半夏生长及药材质量的影响[D]. 陕西： 西北农林科技大学， 2016.

[8]任丽华， 高秋美， 孟庆峰， 等. 不同遮荫处理对林下半夏生长及光合特性的影响[J]. 山东农业科学， 2017， 49（5）： 60-62.

[9]靳忠英， 彭正松， 李育明， 等. 半夏的光合特性[J]. 作物学报， 2006， 32（10）： 1542-1548.

[10]孙年喜， 李隆云， 钟国跃， 等. 半夏光合特性研究[J]. 西南农业学报， 2009， 22（ 1）： 71-73.

[11]肖亚雯， 王康才， 杨磊， 等. 不同居群半夏光合及荧光动力学研究[J]. 中国中药杂志， 2009， 34（11）： 1339-1342.

[12]孟祥海， 张跃进， 皮莉， 等. 遮荫对半夏叶片光合色素与保护酶活性的影响[J]. 西北植物学报， 2007（6）： 1167-1171.

[13]张乐容， 杨在君， 魏淑红， 等. 中国半夏属叶表皮特征初步研究[J]. 时珍国医国药， 2014， 25（3）： 753-755.

[14]李晓宇， 韩丹， 王敏. 小叶杨的光响应曲线及其模型拟合[J]. 湖南林业科技， 2018， 45（4）： 40-44.

[15]叶子飘， 李进省. 光合作用对光响应的直角双曲线修正模型和非直角双曲线模型的对比研究[J]. 井冈山大学学报（自然科学版）， 2010， 31（3）： 38-44.

[16]柴胜丰， 唐健民， 杨雪， 等. 4种模型对黄枝油杉光合光响应曲线的拟合分析[J]. 广西科学院学报， 2015， 31（4）： 286-291.

[17]蒋冬月， 钱永强， 费英杰， 等. 柳属植物光合-光响应曲线模型拟合[J]. 核农学报， 2015， 29（1）： 169-177.

[18]王瓊. 喜旱莲子草和接骨草光合色素含量测定方法研究[J]. 西华师范大学学报（自然科学版）， 2009， 30（4）： 340-344.

[19]何春霞， 李吉跃， 张燕香， 等. 5种绿化树种叶片比叶重、光合色素含量和δ～（13）C的开度与方位差异[J]. 植物生态学报， 2010， 34（ 2）： 134-143.

[20]蒋高明. 植物生理生态学[M]. 北京： 高等教育出版社， 2004.

[21]李合生. 现代植物生理学[M]. 北京： 高等教育出版社， 2002.

[22]王沙生， 高荣孚， 吴贯明.植物生理学 [M]. 2版. 北京： 中国林业出版社， 1991.

[23]杨世杰. 植物生物学 [M]. 2版. 北京： 高等教育出版社， 2010.

（责任编辑：于慧梅）

Abstract：

Species in Pinellia Tenore are generally important medicinal plants. Exploring about photosynthetic characteristics is of great significance for cultivation， production and wild resource protection for these species. Here， the light response curves， contents of photosynthetic pigment， and stomatal characteristics for four kinds of individuals from three species （P. ternata， P. peltata， green leaf type P. cordata and variegated leaf type P. cordata） were compared and studied. Results show that species in Pinellia tenore all possess low light compensation point （≤23.72 μmol photon·m-2·s-1）， low light saturation point（≤775.12 μmol photon·m-2·s-1）， highly apparent quantum efficiency （all except pinellia ternate were around 0.05）， lower value to chl a/b （≤2.88）， and low stomatal density （≤58.46 mm-2）. Pinellia spp.are typical shade plants. These result indicate that shading treatment is necessary for Penellia spp.culture and protection.

Key words：

light response curve; photosynthetic pigements; stomotal characteristic; shade plants