西紅花葉片的光合光譜響應(yīng)曲線測(cè)量

季心雨，高 丹，裴衛(wèi)忠，張 雪，李福生，韓秋漪，張善端

(1.復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200438；2.上海市藥材有限公司，上海 200002)

引言

西紅花，也叫藏紅花、番紅花，屬于鳶尾科草本植物，是名貴的婦科藥材，并可作為香料、染料、調(diào)味品等，且已有研究發(fā)現(xiàn)西紅花的花絲能夠抑制腫瘤的形成，并對(duì)正常細(xì)胞沒有不良影響，可用于癌癥的治療和預(yù)防[1]。因產(chǎn)量稀少，西紅花的價(jià)格十分昂貴，有“紅色金子”之稱，目前已在上海崇明開展規(guī)模化種植[2]。

光照是植物進(jìn)行光合作用必不可少的條件。光質(zhì)作為光照的一個(gè)主要參數(shù)，能夠直接影響植物生長(zhǎng)。植物光合作用對(duì)不同光質(zhì)的敏感度不同，可用光合光譜響應(yīng)曲線來(lái)表征。目前尚無(wú)西紅花光合光譜響應(yīng)曲線的報(bào)道，無(wú)法對(duì)西紅花補(bǔ)光開展定量分析。

本文設(shè)計(jì)并搭建了一套葉片光譜響應(yīng)曲線測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量了西紅花葉片的光合光譜響應(yīng)曲線，可為西紅花補(bǔ)光光譜的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1 植物光合光譜響應(yīng)曲線

1.1 植物光合光譜響應(yīng)曲線的概念

可用各種窄帶單色光照明，測(cè)定植物光合作用的光譜依賴性。多項(xiàng)研究結(jié)果表明，在相同的光照強(qiáng)度下，植物的光合速率隨光照波長(zhǎng)的變化而變化。測(cè)試結(jié)果以光合光譜響應(yīng)曲線表現(xiàn)，其中，作用光譜P(λ)表示為單位入射光量子使葉片同化的CO2分子數(shù)，而量子產(chǎn)額Y表示為葉片在單位吸收光量子下同化的CO2分子數(shù)[3]，具體計(jì)算公式分別為：

(1)

(2)

其中，nc表示葉片光合作用消耗的CO2分子數(shù)，np表示到達(dá)葉片的光量子數(shù)，na表示葉片吸收的光量子數(shù)，P表示葉片的光合速率(μmol CO2m-2s-1)，PPFD(photosynthetic photon flux density)表示到達(dá)葉片的光合光子通量密度(μmol m-2s-1)，α表示葉片對(duì)光的吸收率。

1.2 植物光合光譜響應(yīng)曲線的相關(guān)研究

目前關(guān)于植物光合光譜響應(yīng)曲線的知識(shí)主要基于McCree曲線[4]。McCree[4]利用氙燈配合單色儀和差分紅外氣體分析儀，測(cè)量了玉米、小麥、花生等22種植物在350～750 nm波段的光合光譜響應(yīng)曲線，測(cè)得的平均相對(duì)作用光譜和相對(duì)光譜量子產(chǎn)額曲線分別如圖1、圖2所示。結(jié)果表明，植物在不同波長(zhǎng)下的光合效率存在差異，藍(lán)光和紅光對(duì)于植物的光合作用最為有效，且不同植物的光合光譜響應(yīng)曲線整體趨勢(shì)相近，但在500 nm以下的藍(lán)光和紫外光范圍內(nèi)，葉片的相對(duì)光合效率隨植物種類變動(dòng)較大。

圖1 McCree所有樣品的平均相對(duì)作用光譜[4]Fig.1 Average relative action spectrum of all samples from McCree

圖2 McCree所有樣品的平均相對(duì)光譜量子產(chǎn)額[4]Fig.2 Average spectral quantum yield of all samples from McCree

后續(xù)還有許多學(xué)者測(cè)量了多種植物的光合光譜響應(yīng)曲線。Inada[5]發(fā)現(xiàn)在紫外到綠光范圍內(nèi)不同植物相對(duì)作用光譜的變化很大程度上取決于其葉片對(duì)綠光吸收率的差異，在紫外和藍(lán)光下的相對(duì)光合效率較低的植物往往具有較高的綠光吸收率。Paradiso等[3]和Lee等[6]分別對(duì)綠色和紅色的玫瑰葉片以及生菜葉片進(jìn)行了測(cè)試，均發(fā)現(xiàn)在綠光區(qū)域紅葉的光合效率顯著低于綠葉，這是因?yàn)榧t葉中的花青素含量較高，葉片表皮花青素對(duì)綠光的吸收限制了下層葉肉細(xì)胞中葉綠體對(duì)綠光的利用[7]。

各項(xiàng)研究測(cè)得的光合光譜響應(yīng)曲線總體呈現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，但在具體的形狀細(xì)節(jié)上存在差異，包括藍(lán)光和紅光峰值的偏移。這些差異主要是由于各研究所測(cè)植物的品種不同，且在測(cè)試中采用了不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和光學(xué)參數(shù)，包括光源、濾波技術(shù)、峰值波長(zhǎng)及半寬、測(cè)試光強(qiáng)及其測(cè)量單位等，Wu等[8]認(rèn)為這或許比物種差異更加重要。表1對(duì)比了McCree[4]、Inada[5]、Nilsen[9]、Evans[10]、Paradiso[3]、Hogewoning[11]、Lee[6]等的測(cè)試細(xì)節(jié)，其中McCree[4]采用的方法與眾不同，是通過(guò)調(diào)節(jié)不同波長(zhǎng)下的輻照度以獲得恒定的光合速率來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但并未披露在每個(gè)波長(zhǎng)下使用的輻照度水平。

迄今為止，尚無(wú)對(duì)西紅花或其他鳶尾科植物光合光譜響應(yīng)曲線的測(cè)試結(jié)果。測(cè)量西紅花葉片的光合光譜響應(yīng)曲線，有助于確定對(duì)西紅花物質(zhì)積累最有效的光質(zhì)，從而為西紅花補(bǔ)光燈具的光譜設(shè)置提供理論依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 窄帶單色光的產(chǎn)生

綜合前人的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)選取380～760 nm區(qū)間內(nèi)每隔20 nm作為峰值波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，并采用連續(xù)譜光源搭配帶通濾光片的方法產(chǎn)生窄帶單色光，濾光片的半峰全寬為10 nm，各波長(zhǎng)下的測(cè)試光強(qiáng)統(tǒng)一為100 μmol m-2s-1。與以往的研究相比，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有單色光帶寬窄、波長(zhǎng)間隔相等、覆蓋波長(zhǎng)全面等特點(diǎn)，以期得到更準(zhǔn)確、更豐富的測(cè)試數(shù)據(jù)。

光源為500 W短弧氙燈(卓立漢光，GLORIA-X500A)，氙燈后側(cè)加裝凹面鏡以將光線匯聚于出光口，增強(qiáng)出射光強(qiáng)。由于葉片測(cè)量時(shí)為水平方向放置，在氙燈出光口還安裝了垂直轉(zhuǎn)換光路(內(nèi)置反射鏡)，以將出射光線從水平方向改為垂直照向葉室。由植物光照分析儀(杭州遠(yuǎn)方，PLA-20)測(cè)得的氙燈光譜如圖3所示，其在380～760 nm之間保持連續(xù)，且整體光強(qiáng)相對(duì)穩(wěn)定，僅在400 nm以下區(qū)域呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。

圖3 氙燈光譜Fig.3 The spectrum of the xenon lamp

2.2 葉片光合速率的測(cè)量

利用LI-6400XT光合儀及其自帶的2×3 cm2標(biāo)準(zhǔn)葉室，對(duì)西紅花葉片的光合速率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試中采用CO2鋼瓶使葉室的CO2濃度維持在430 μmol mol-1(=430 ppm)，H2O通道設(shè)置為bypass，葉室溫度設(shè)定為25 ℃。光合儀通過(guò)測(cè)定單位時(shí)間內(nèi)單位面積葉片凈消耗的CO2量來(lái)得到葉片的凈光合速率(Pn)，此外，測(cè)量黑色卡紙遮光下(PPFD=0)葉片的凈光合速率，可得到其呼吸速率(R)，葉片的光合速率(P)即可計(jì)算為：

P=Pn+R

(3)

圖4為測(cè)量西紅花葉片在窄帶單色光下光合速率的系統(tǒng)示意圖。

圖4 單色光下光合速率測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of photosynthetic rate measuring system under narrow band monochromatic light

2.3 葉片光譜吸收率的測(cè)量

采用高精度分光測(cè)色儀(杭州遠(yuǎn)方，HACA-3000)，對(duì)西紅花葉片在380～780 nm的光譜反射率和光譜透射率進(jìn)行測(cè)試(波長(zhǎng)間隔1 nm)。測(cè)量透射率時(shí)，將葉片夾在積分球的輸入端口，背面朝向積分球；測(cè)量反射率時(shí)，將葉片夾在積分球出口處，正面朝向積分球。根據(jù)葉片反射率(r)、透射率(τ)和吸收率(a)的關(guān)系，葉片對(duì)各波長(zhǎng)光的吸收率可通過(guò)以下公式計(jì)算：

α=100%-(r+τ)

(4)

2.4 測(cè)試材料

測(cè)試所用的西紅花樣品種植于上海崇明西紅花基地，于2020年12月植入大田，在自然條件下生長(zhǎng)。2021年3月初，在田間隨機(jī)挑選了6顆球莖，連根挖出移植入花盆后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試時(shí)葉片已處于完全成熟期，葉尖開始發(fā)黃，但葉片絕大部分仍為健康的深綠色，可正常進(jìn)行光合作用，是合適的測(cè)試樣品。下文中的測(cè)試結(jié)果均為此6顆球莖生長(zhǎng)的植株測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 西紅花葉片的光譜吸收率

西紅花葉片在380～780 nm的光譜反射率和光譜透射率曲線如圖5所示?？梢钥吹剑骷t花葉片在藍(lán)紫光區(qū)域(380～500 nm)的反射率和透射率較低，在黃綠光區(qū)域(500～600 nm)的反射率和透射率較高，并在550～555 nm處有一個(gè)峰值；在紅橙光區(qū)域(600～680 nm)，西紅花葉片的反射率和透射率逐漸下降，而在之后的遠(yuǎn)紅光區(qū)域(680～760 nm)內(nèi)急劇上升；波長(zhǎng)超過(guò)760 nm后，西紅花葉片的反射率和透射率分別穩(wěn)定在52%和36%左右。在綠光區(qū)域較高的反射率與葉片呈現(xiàn)綠色外觀是相吻合的，且與其他研究者對(duì)綠葉植物測(cè)得的反射率和透射率曲線相近，例如Paradiso等[3]對(duì)玫瑰葉片的測(cè)試結(jié)果。

圖5 西紅花葉片的光譜反射率和光譜透射率曲線Fig.5 Percentage of reflectance and transmittance spectra of saffron leaves

圖6為西紅花葉片在380～780 nm的光譜吸收率曲線及其與McCree測(cè)量結(jié)果的對(duì)比[4]。與反射率和透射率曲線的趨勢(shì)相反，西紅花葉片的吸收率在380～500 nm和600～680 nm范圍內(nèi)較高，而在500～600 nm區(qū)域內(nèi)較低，其谷值位于550～555 nm；在680～760 nm區(qū)域內(nèi)，葉片吸收率急劇下降，超過(guò)760 nm后穩(wěn)定在11%左右。這與McCree[4]測(cè)得的“平均植株”(包括20個(gè)生長(zhǎng)室樣品和8個(gè)田間樣品)的光譜吸收率非常相似。略有不同的是，西紅花葉片在550 nm處的吸收率高于80%，但這與在生長(zhǎng)室中生長(zhǎng)的燕麥、蓖麻和大豆的吸收率情況是相同的[4]。

植物葉片依靠多種色素對(duì)光能進(jìn)行吸收，其中葉綠素對(duì)光合作用的貢獻(xiàn)最大，主要吸收紅光和藍(lán)光；類胡蘿卜素則作為輔助色素，通過(guò)將吸收的光能轉(zhuǎn)移給葉綠素而對(duì)光合作用產(chǎn)生貢獻(xiàn)。此外，葉片中還有一些對(duì)光合作用沒有貢獻(xiàn)的物質(zhì)，包括主要吸收藍(lán)紫光和紫外光的類黃酮[12]和主要吸收藍(lán)綠光的花青素[13]，葉片對(duì)綠光吸收率的差異就與其花青素含量的多少有關(guān)。

圖6 西紅花葉片的光譜吸收率曲線及其與McCree測(cè)量結(jié)果的對(duì)比[4]Fig.6 Percentage of absorbance spectrum of saffron leaves and its comparison with McCree’s results

3.2 西紅花葉片的光合光譜響應(yīng)曲線

西紅花葉片的作用光譜在480 nm和660 nm處有兩個(gè)峰值，其中660 nm的絕對(duì)值主峰為0.0552，480 nm的次峰為0.0323。在綠光區(qū)域的谷值為0.0242，作用光譜在680 nm以上迅速下降，最后在760 nm處到達(dá)很低的值(<0.002)。將作用光譜曲線相對(duì)660 nm處的最大值進(jìn)行歸一化處理，得到西紅花葉片的相對(duì)作用光譜，如圖7所示，可以看到，作用光譜的藍(lán)峰約為紅峰的59%，綠光區(qū)域的谷值約為紅峰的43.5%；在較為平坦的580～640 nm區(qū)域內(nèi)，作用光譜約為紅峰的60%～70%。

圖7 西紅花葉片的相對(duì)作用光譜Fig.7 The relative action spectrum of saffron leaves

西紅花葉片的光譜量子產(chǎn)額與作用光譜具有相似的形狀，其在480 nm和660 nm的絕對(duì)峰值分別為0.035 6和0.060 5，在520 nm的谷值為0.027 7。從圖8的相對(duì)光譜量子產(chǎn)額看來(lái)，西紅花葉片在綠光區(qū)域的谷值約為紅峰的45.5%，可見相比相對(duì)作用光譜，葉片的相對(duì)量子產(chǎn)額在綠光區(qū)域有明顯上升，這是由于葉片對(duì)綠光的吸收率較低。

圖8 西紅花葉片的相對(duì)光譜量子產(chǎn)額Fig.8 The relative spectral quantum yield of saffron leaves

西紅花葉片在藍(lán)光和紅光區(qū)域的光合效率較高，這與葉綠素的吸收光譜相符，且紅光對(duì)于西紅花的光合作用最為有效。總體而言，西紅花葉片的光合光譜響應(yīng)曲線與以往研究對(duì)不同植物的測(cè)試結(jié)果相似，但在藍(lán)光區(qū)域的波峰位置有一定偏移，這種偏差很可能源于植物品種的差異，且可能是由不同植物葉片中各種色素的含量不同引起的，特別是花青素含量的差異，這種遮光色素還可能導(dǎo)致了西紅花葉片在綠光區(qū)域較低的光合效率[7]。另一方面，與前人光譜特性和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的差異也會(huì)帶來(lái)不同形狀和波峰的光合光譜響應(yīng)曲線。

4 結(jié)論

根據(jù)本文的測(cè)試結(jié)果，對(duì)西紅花葉片光合作用最有效的藍(lán)紅波長(zhǎng)位于480～660 nm之間，因此建議將西紅花補(bǔ)光燈具的峰值波長(zhǎng)設(shè)置為480 nm和660 nm。由于時(shí)間原因，本次實(shí)驗(yàn)錯(cuò)過(guò)了西紅花生長(zhǎng)最旺盛的時(shí)期，測(cè)試時(shí)葉片已開始發(fā)黃，不同生長(zhǎng)階段葉片的光合光譜響應(yīng)曲線可能存在差異，未來(lái)可在不同時(shí)期分別對(duì)西紅花葉片開展測(cè)試，從而進(jìn)行更深入細(xì)致的分析。

致謝：感謝復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院郭海強(qiáng)老師提供了LI-6400XT光合儀。