干旱對虎耳草光合特性及有效成分含量的影響

賀安娜，　　左浪柱，　　李勝華，　　梁　娟

(懷化學院 1.生物與食品工程學院；　2.民族藥用植物資源研究與利用湖南省重點實驗室；3.湘西藥用植物與民族植物學湖南省高校重點實驗室，湖南 懷化　418008)

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干旱對虎耳草光合特性及有效成分含量的影響

賀安娜1，2，3，左浪柱1，李勝華1，2，3，梁娟1，2，3

(懷化學院 1.生物與食品工程學院；2.民族藥用植物資源研究與利用湖南省重點實驗室；3.湘西藥用植物與民族植物學湖南省高校重點實驗室，湖南 懷化418008)

摘要：為探討虎耳草人工栽培的水分條件，利用LI-6400便攜式光合儀研究了不同干旱條件下盆栽虎耳草的光合作用，同時采用LC-20AT高效液相色譜對虎耳草中沒食子酸和巖白菜素含量進行了測定.結果表明：土壤體積含水量隨處理天數(shù)的增加顯著減少，處理42 d后，體積含水量僅5.8%.凈光合速率隨干旱加劇顯著降低；蒸騰速率在干旱14 d時有所上升，達4.08 mmol·m-2·s-1，此時氣孔導度也有所升高.葉綠素熒光參數(shù)值顯示，光系統(tǒng)Ⅱ反應中心開放程度、光化學效率、電子傳遞速率等都隨干旱加劇而降低，處理28 d時下降最顯著.干旱能顯著降低虎耳草的生物產量，處理42天時，虎耳草干重僅10.7 g·pot-1，但適度的干旱能提高有效成分含量，沒食子酸和巖白菜素含量在干旱14 d時最高，分別為2.11 mg·g-1及4.13 mg·g-1.結論：虎耳草較耐旱，干旱處理14 d時仍能維持一定的光合作用，保證生物產量的積累，并顯著提高有效成分含量，人工種植虎耳草時可適度地控制水分給予.

關鍵詞：虎耳草；干旱；光合特性；有效成分

水分條件對植物的對光合作用有顯著影響[1]，干旱通常引起植物最大凈光合速率、光飽和點的降低和光補償點、葉片呼吸速率的增加[2]，同時對植物葉片葉綠素熒光參數(shù)及光合機構都有非常顯著的影響[3].對于種植藥用植物而言，充足的水分供應，可維持較高的光合作用，保證藥材高產，而適當?shù)乃置{迫可增加體內次生代謝產物的含量[4]，提高藥材品質，因此探討水分條件成為藥用植物栽培的熱點研究之一.

虎耳草是多年生草本植物，葉似虎耳形態(tài)優(yōu)美，常作為盆景觀賞植物.該草全草入藥，用于抗炎止咳等[5]，其主要活性成分為虎耳草素(巖白菜素)及有機酸類物質[6].虎耳草因生長的地域不同，活性成分含量有較大差異[7]，不同種植環(huán)境條件下，虎耳草活性成分也有明顯差異[8-10].目前關于虎耳草的研究主要集中在成分與藥理方面[11-13]，人工栽培方面的報道很少，更未見水分條件對虎耳草光合生理及有效成分的影響報道.本文通過盆栽控水的方法，研究了不同干旱條件對虎耳草光合作用及有效成分含量的影響，旨在為虎耳草的栽培提供依據(jù).

1實驗材料及種植

實驗材料來源于懷化學院生物園栽培種，經鑒定為虎耳草(Saxifraga stolonifera Curt.).2014年3月進行盆栽實驗，盆上口徑22 cm，底直徑15 cm，高20 cm，選用育苗基質土，曬干去雜，過40目篩后均勻放入盆內，選4-5葉健康的虎耳草盆栽，每盆3株.澆透清水后，置于懷化學院生物園玻璃房內，據(jù)前期實驗結果拉一層蔭網(透光率50%)[8]，注意通風保持室內溫濕度與室外一致.進行不同干旱天數(shù)的處理，每個處理重復5次.

2方法

2.1土壤體積含水量測定

干旱處理0 d、14 d、28 d及42 d后用TDR土壤水分速測儀測定每盆的土壤體積含水量.

2.2虎耳草氣體交換值測定

用Li-6400-2B(美國LI-COR公司生產)于上午9：00至11：00進測定葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間二氧化碳濃度(Ci)及氣孔導度(Gs)，儀器自帶紅藍光源，光強設為800 μmol·m-2·s-1，每個處理選發(fā)育完全的健康葉10片.

2.3虎耳草葉片葉綠素熒光參數(shù)測定

2.4沒食子酸及巖白菜素含量測定

收集不同干旱處理的虎耳草全草洗凈，殺青、烘干至恒重，粉碎后過100目篩.稱取虎耳草粉末1.0 g，置于50 mL錐形瓶中，加入甲醇，料液比為1∶25(g∶mL)，超聲波提取35 min，重復提取一次.合并兩次超聲提取液，過濾后用旋轉蒸發(fā)儀濃縮，甲醇定容至25 mL，溶液經0.22 μm針孔濾膜過濾.用LC-20AT高效液相色譜儀(日本島津)進行成分含量測定，色譜柱為Agilent Eclipse XDB-C18(150 mm×4.6 mm,5μm)；流動相:甲醇-0.1%磷酸溶液(73∶29)，流速:1.02 ml/min，檢測波長:272 nm，柱溫25 ℃，進樣量：20 μL.通過峰面積積分值計算巖白菜素和沒食子酸的含量.

3結果與分析

3.1土壤體積含水量

干旱處理0 d時，虎耳草的盆內澆透水，盆栽土壤最大體積含水量為32.2%(圖1).隨干旱時間的增加，體積含水量逐步減少，處理14 d的體積含水量為22.6%，占土壤最大持水量的70.2%，處理42 d時，盆內土壤的體積含水量僅5.8%，為土壤最大持水量的18.0%.

圖1　不同干旱處理盆內土壤體積含水量變化

3.2氣體交換參數(shù)

干旱可導致虎耳草葉片凈光合速率的顯著降低，其中處理14 d的降幅最大，凈光合速率僅為處理前的30%，但此時氣孔導度卻有所上升，導致蒸騰速率也在此時最高，達4.08 mmol·m-2·s-1(圖2).處理28 d時，虎耳草凈光合速率、蒸騰速率及氣孔導度持續(xù)下降，至處理42 d時，蒸騰速率及氣孔導度值僅為處理前的10%，此時凈光合速率已為負值.胞間二氧化碳濃度隨干旱加劇而上升，說明干旱對虎耳草葉片的內部酶活系統(tǒng)造成不良影響.

圖2　不同干旱處理虎耳草葉片氣體交換特性變化

3.3葉綠素熒光參數(shù)變化

葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fm為PSⅡ最大光化學效率，在非逆境生長條件下一般為0.75～0.85[14],從表1可知，干旱加劇導致虎耳草葉片F(xiàn)v/Fm值持續(xù)下降，但處理28 d時仍未有顯著差異，說明此時虎耳草PSⅡ反應中心原初光能轉換效率仍保持較高水平.Fv/Fo隨干旱加劇顯著降低，表明干旱處理虎耳草可顯著降低Cha/b蛋白復合體LHCP到PSⅡ的光能傳遞能力[15].qP和qN兩個參數(shù)反映葉片對激發(fā)能的利用情況，qP越大表明PSⅡ的電子傳遞活性越大，qN代表用于非光化學反應如熱耗散等的程度，與葉綠體光合膜質子梯度的建立及膜的高能態(tài)有關[16]，干旱可顯著降低虎耳草qP值及升高qN值.干旱同樣導致PSⅡ的ΦPSⅡ及電子傳遞速率(ETR)的降低，但干旱14 d時降低未達顯著水平.

表1　不同干旱處理虎耳草葉綠素熒光參數(shù)比較(n=10)

注：同列小寫字母表示0.05差異顯著.

3.4有效成分含量比較

干旱可引起虎耳草生物產量的顯著減少，干旱處理42 d后，干重僅10.7 g·pot-1，為未處理的55.7%(表2).虎耳草中的有效成分含量則在適當干旱時有所上升，其中處理14 d時，沒食子酸含量顯著最高，為2.11 mg·g-1，此時沒食子酸的生物量也顯著最高；巖白菜素含量則在干旱28 d時顯著最高，但因虎耳草生物產量的減少顯著，巖白菜素生物量在干旱處理14 d時最高.

表2　不同干旱處理虎耳草的沒食子酸及巖白菜素含量比較(n=3)

注：同列小寫字母表示0.05差異顯著.

4討論

干旱對植物光合速率的影響表現(xiàn)多樣，有研究表明，輕度干旱下植物能調節(jié)光合結構功能[17]，提高電子傳遞速率和光化學效率，使光合速率得以升高[18]，重度干旱時光合系統(tǒng)受到不同程度破壞，光合速率下降顯著[19,20].本文研究表明，干旱處理使虎耳草凈光合速率持續(xù)下降，葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fm、qP、ΦPSⅡ及ETR也不同程度的降低，這應該是實驗處理的時間較長導致.虎耳草葉片蒸騰速率在干旱處理14 d時出現(xiàn)上升，同時伴隨氣孔導度的升高，說明此時蒸騰速率的升高由于氣孔導度增大所致，與此同時凈光合速率卻在下降，胞間二氧化碳濃度的少許升高，表明該階段虎耳草的光合酶系統(tǒng)已受到輕度影響；Fv/Fm、qP、ΦPSⅡ及ETR的降低未達顯著水平，說明PSⅡ仍能通過自生的調節(jié)，維持較高的光化學效率.由此可知，虎耳草在遭受干旱逆境時，可通過主動調節(jié)氣孔導度、光合系統(tǒng)功能以維持較高的光合作用.

次生代謝產物是植物長期進化過程中對生態(tài)環(huán)境適應的結果，植物在逆境情況下，會產生并積累大量次生代謝產物，以增強自身抵抗力[21].干旱是植物常要面對的逆境之一，植物體內次生化合物的濃度與干旱的程度及發(fā)生時間的長短息息相關，植物在適度干旱條件下，生長受到限制，此時大量光合產物積累在體內，植物可利用這些光合產物合成更多的含碳次生化合物[22].已有研究表明，干旱對藥材品質甚至道地藥材的形成有很大影響[23,24].虎耳草在干旱處理后，生物產量下降顯著，但輕中度干旱可引起沒食子酸及巖白菜素含量的顯著升高.虎耳草是一種比較耐旱的常綠巖生植物，本文實驗對虎耳草進行長達14 d干旱處理時仍能保持較高的光合作用，且此時沒食子酸、巖白菜素生物量最高，因此，為保證藥材的高產高效，人工種植虎耳草應適當控制水分供給.

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Effects of Drought Stress on Photosynthetic Characteristics and Contents of Active Ingredients of Saxifraga Stolonifera Curt.

HE An-na1,2,3,ZUO Lang-zhu1,LI Sheng-hua1,2,3,LINAG Juan1,2,3

(1.CollegeofBiologicalandFoodEngineering;2.KeyLaboratoryofResearchandUtilizationofEthnomedicinalPlantResourcesofHunanProvince;3.KeyLaboratoryofXiangxiMedicinalPlantandEthnobotanyofHunanHigherEducation,HuaihuaUniversity,Huaihua,Hunan418008)

Abstract：In order to explore the artificial cultivation of water conditions ofS.StoloniferaCurt.,in this paper,photosynthesis of pottedS.StoloniferaCurt.was measured by LI-6400 portable under different drought conditions,and gallic acid and bergenin contents were determined by using LC-20AT HPLC.The results showed that,content of volumetric soil water significantly decreased with the increase number of drought days,the content of volumetric water was only 5.8% after 42 days treatment.Net photosynthetic rate decreased significantly with drought increased.Transpiration rate increased in drought 14 days time,up to 4.08 mmol·m-2s-1,when the stomatal conductance also increased.Chlorophyll fluorescence parameters showed that,openness of Photosystem Ⅱ Reaction Center,photochemical efficiency,the electron transfer rate reduced with increased days of drought,and decreased the most significant for 28 days.Drought could significantly reduce the biological yield ofS.StoloniferaCurt..The dry weight was only 10.7 g·pot-1when treated for 42 d.While moderate drought could increase the active ingredient content,14d’s drought treatment had the highest contents of gallic acid and bergenin,which were 2.11 mg·g-1and 4.13 mg·g-1,respectively.Conclusion:S.StoloniferaCurt.was resistant to drought,photosynthesis maintained high level when drought 14 days to ensure biomass accumulation,and significantly increased the active ingredient content.So water given can be appropriately controlled when plantS.StoloniferaCurt.

Key words：Saxifragastoloniferacurt.;drought;photosynthetic characteristics；active ingredients

收稿日期：2016-01-08

基金項目：植物學湖南省重點建設學科.

作者簡介：賀安娜，1981年生，女，湖南邵陽人，副教授，研究方向：藥用植物發(fā)育生物學.

中圖分類號：Q945

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9743(2016)05-0006-04