光照强度对不同光照强度下曼陀罗和紫花曼陀罗生长发育及叶片解剖结构的影响

光照强度对不同光照强度下曼陀罗和紫花曼陀罗生长发育及叶片解剖结构的影响

曼陀罗是茄子科的一种大型草本植物，来自热带地区。它现在广泛分布在温带和热带地区，分布在中国的各个领域（中国科学院中国植物志编委会，2004）。由于其药用特性受到了关注,关于曼陀罗的植物化学(Berkovetal.,2006;张宏利等,2008)、花发育(Aliasgharpouretal.,2000)及花粉形态(周俊英,2003)、遗传多样性(Cavazosetal.,2000,2009)及其在农业上的应用(周琳等,2009)等方面有较多研究报道。我们在资源调查时发现,曼陀罗在陕西杨凌地区分布的有绿茎、白花的曼陀罗及紫茎、紫花的紫花曼陀罗(Daturastramoniumvar.tatual),除了外观颜色的差异外,曼陀罗与紫花曼陀罗其他生物特性的差异均属未知,特别是紫花曼陀罗呈紫色变化的原因未见研究报道。光照是植物生长发育必需的环境因子,近年来已有很多关于植物生长发育(Paivaetal.,2003;刘国顺等,2007;孙晶等,2011)、生理代谢(姜宏波等,2009;Srithongkuletal.,2011)、形态建成(安慧和上官周平,2009)、生物量分配(王俊峰和冯玉龙,2004;武高林等,2010;朱丹婷等,2010)等对光照强度响应的研究报道。植物体内的色素是植物显色的重要原因,研究表明光照强度通过调节植物色素含量比例影响植物显色(姜卫兵等,2005),而关于光照强度对曼陀罗茎呈色及其生长特性、叶片形态结构的影响还未见报道。本文以曼陀罗和紫花曼陀罗为供试材料,通过光照培养箱对其进行光照强度处理,研究了不同光照强度下曼陀罗生长发育及叶片显微结构和茎、叶的相关色素含量的变化,旨在明确不同光照对曼陀罗生长特性的影响,探讨曼陀罗紫变进化的光响应机制,同时比较了曼陀罗和紫花曼陀罗在不同光照强度的生长特性差异,研究结果为二者的区别提供了理论依据,同时对探讨植物变种的适应进化机制具有理论意义。1材料和方法1.1法苗苗分批培养供试曼陀罗和紫花曼陀罗种子于2009年9–10月采于陕西杨凌。2010年3月剥去种皮于直径11cm的培养皿中催芽,每皿50粒,待每皿发芽率达50%时,取芽长相似的种子播种于直径15cm的花盆中,于PGX-250B光照培养箱中分批培养,各批光照强度依次为弱光(5000和9000lx)、中等光照(13000和18000lx)和较强光(22000lx),每批曼陀罗与紫花曼陀罗各培育6盆,每盆6–7株。各批培养参数均为light:dark=12h:12h,25℃/20℃,50天后测定各个指标。1.2曼不同浓度的乙醇溶液和钢绞线叶片的显微组织测量形态指标测定:于培养第50天分别取供试曼陀罗各12株,小钢尺测量其株高,游标卡尺测量其基茎粗,并统计叶片数目及花蕾长度,随后阴干,1/10000天平测量其干重。分别取每株曼陀罗及紫花曼陀罗第3、4片叶片用叶面积仪(Li-3100C,Li-COR,Lincoln,USA)测量其叶片面积,晾干,1/10000天平测量其干重,记录数据,取其平均值。解剖结构测定:取不同光照强度培养的供试曼陀罗第三片真叶,于距叶基部及主脉约1cm处取1cm2小块叶片,FAA固定24h,各级乙醇脱水,二甲苯透明,石蜡包埋,Leica2015切片机(Leica,Wetzlar,Germany)切片,切片厚度12μm,番红固绿对染,加拿大中性树胶封片,制成永久装片(李和平,2009)。NikonE200采集图像,ImageJ图像分析系统进行显微测量,每片叶片显微图像取装片4张,每张取5个视野,共取6个叶片,取其平均值。气孔密度和气孔指数测定:取供试曼陀罗各6株,分别取其第3片真叶,于其上表皮和下表皮涂抹无色透明指甲油,涂抹均匀至其干燥时用透明胶带贴于叶片的上下表皮并轻轻撕下贴于洁净的载玻片上,400倍显微镜下统计气孔数目及表皮细胞数目,计算其气孔密度及气孔指数。每片叶片统计30个视野,取其平均值。叶片色素含量测定:取供试曼陀罗新鲜叶片,自来水洗净,用剪刀剪成1mm左右的小细条,准确称量0.1g,置于25mL提取液(乙醇:丙酮:蒸馏水=4.5:4.5:1)中,25℃黑暗条件下提取24h,期间摇动3–4次。用UV-3802紫外-可见光分光光度计(尤尼柯仪器有限公司,上海)分别测定470、645和663nm处的光密度值,以Arnon公式计算叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素含量(李合生,2000),每处理重复3次,结果取平均值。茎色素含量测定:将新鲜的曼陀罗茎称重后,将其切成1cm左右的小段于5mL1%盐酸甲醇溶液中4℃提取24h,UV-3802紫外-可见光分光光度分别测定280、320和530nm处的光密度值,分别以A280、A320和A530为一个单位U计算其总酚、类黄酮及花色素苷的含量(Pire&Micael,1976)。每处理重复3次,结果取其平均值。1.3数据分析采用SPSS13.0统计分析软件对数据进行统计分析,Origin8.0作图。2结果和分析2.1曼陀罗花枝及茎叶生物量的变化由表1的方差分析可看出,不同光照强度处理下的供试曼陀罗株高、基茎粗、叶片数目、花蕾长度、茎、叶生物量及比叶面积存在差异性(p<0.05)。在弱光(5000和9000lx)下,两供试曼陀罗植株均长势弱,二者株高、基茎粗、叶片数目、茎叶生物量值较小,比叶面积值大,且培育到第50天时紫花曼陀罗未见花蕾,曼陀罗在光强9000lx下出现花蕾;中等光强(13000和18000lx)下,曼陀罗与紫花曼陀罗株高、基茎粗、叶片数目均增长到最大值,茎叶生物量显著增大(p<0.05),比叶面积明显减小(p<0.05),且在培育箱中生长至第50天时二者均出现花蕾,与弱光强(5000和9000lx)相比,二者上述指标变幅分别为64.01%–84.34%、38.93%–95.10%,5.31%–50.30%、3.49%–65.77%,8%–31.71%、334.62%–515.79%,79.55%–218.42%、3.97%–12.67%,曼陀罗花蕾长度增幅为356.00%–416.00%;较强光(22000lx)下,曼陀罗与紫花曼陀罗的株高、基茎粗、叶片数目、比叶面积值较中等光强(13000和18000lx)均有显著的降低(p<0.05),与中等光强下的较大值相比分别下降2.72%、11.59%,10.71%、4.67%,35%、12.20%,130.68%、282.84%,花蕾长度、茎叶生物量均显著上升(p<0.05),与中等光强下的较小值相比分别增大82.98%、55.70%,41.15%、55.43%,41.77%、45.74%。弱光强下光照强度由5000lx增强到9000lx,曼陀罗的茎、叶生物量及紫花曼陀罗的株高、茎生物量、比叶面积变化差异性不显著(p<0.05),而曼陀罗的株高,基茎粗、叶片数目、比叶面积及紫花曼陀罗的基茎粗、叶片数目、叶生物量变化差异显著(p<0.05)。中等光照强度下光照强度由13000lx增强到18000lx,曼陀罗茎叶生物量及紫花曼陀罗的茎叶生物量变化差异显著(p<0.05),而曼陀罗株高、基茎粗、叶片数目、花蕾长、比叶面积及紫花曼陀罗的株高、基茎粗、叶片数目、花蕾长、比叶面积变化差异显著(p<0.05)。可见,一定强度范围内增强光照强度有利于曼陀罗株高及基茎粗、叶片数目的增长;光照强度的增强有利于其花的分化及茎、叶生物量的积累。在同一光照强度下,曼陀罗的株高、叶片数目、茎叶生物量略小于紫花曼陀罗,而其花蕾长度、茎粗却大于紫花曼陀罗,但差异性不显著(p<0.05)。2.2气孔密度、气孔指数、相关系数从表2的分析结果看,供试曼陀罗的叶片对光照的响应比较明显,其中叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、栅栏组织厚度与海绵组织厚度之比、气孔密度及气孔指数均随着光照强度的增强而表现出增大的趋势。其中弱光照强度下光照强度由5000lx增强到9000lx。曼陀罗栅栏组织、海绵组织厚度、上下表皮气孔密度、气孔指数及紫花曼陀罗叶片、栅栏组织、海绵组织厚度变化差异不显著(p<0.05),基本保持相同,而曼陀罗叶片厚度、栅栏组织与海绵组织厚度之比及紫花曼陀罗叶片上下表皮气孔密度、气孔指数、栅栏组织与海绵组织厚度之比变化差异显著(p<0.05)。当光强由弱光强(5000和9000lx)增加到中等光强(13000和18000lx),两供试曼陀罗叶片栅栏组织、海绵组织厚度有明显的增厚,上下表皮的气孔密度气孔指数也有明显上升(p<0.05),且中等光强下光强由13000lx增强到18000lx,两供试曼陀罗的叶片、栅栏组织、海绵组织厚度及栅栏组织与海绵组织厚度之比、下表皮气孔密度及曼陀罗的上下表皮气孔指数、下表皮气孔密度变化差异显著(p<0.05),紫花曼陀罗气孔上表皮气孔密度及上下表皮气孔指数变化差异显著(p<0.05)。光强由18000lx增强到较强光强22000lx,曼陀罗叶厚、栅栏组织与海绵组织厚度之比、上下表皮气孔密度及上表皮气孔指数及紫花曼陀罗栅栏组织厚度、栅栏组织与海绵组织厚度之比、上下表皮气孔密度、气孔指数变化差异明显(p<0.05),曼陀罗栅栏组织、海绵组织厚度及下表皮气孔指数及紫花曼陀罗叶厚、海绵组织厚度无明显变化(p<0.05)。在同一光照强度下,两供试曼陀罗的叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、栅栏组织厚度与海绵组织厚度之比无明显差异(p<0.05),但曼陀罗的气孔密度及气孔指数均明显低于紫花曼陀罗(p<0.05)。2.3曼陀罗的叶绿素及类胡萝卜素含量图1的结果显示:随着光照强度增加,两供试曼陀罗的叶绿素a、b及类胡萝卜素含量均呈先升后降的趋势。弱光强(5000和9000lx)下,曼陀罗的叶绿素a、类胡萝卜素含量及紫花曼陀罗的叶绿素a、b,类胡萝卜素含量随光强的增强而显著增多(p<0.05),而曼陀罗的叶绿素b含量变化不显著(p<0.05),且紫花曼陀罗的叶绿素a、b,类胡萝卜素含量均在9000lx光强下达到最大值。当光照强度由弱光强增强到13000lx,曼陀罗的叶绿素b及类胡萝卜素含量显著上升,紫花曼陀罗的叶绿素a显著下降(p<0.05),且在该光照强度下曼陀罗的叶绿素a、b及类胡萝卜素含量均为最大值,而紫花曼陀罗的叶绿素b、类胡萝卜素及曼陀罗的叶绿素a含量无明显变化(p<0.05)。光照强度进一步由13000lx增强到18000lx,曼陀罗叶绿素b、类胡萝卜素含量及紫花曼陀罗叶绿素b显著下降(p<0.05),曼陀罗叶绿素a含量及紫花曼陀罗叶绿素b、类胡萝卜素含量无显著变化(p<0.05)。当光照强度增强到较强光22000lx时,曼陀罗及紫花曼陀罗的叶绿素a、b及类胡萝卜素含量值显著下降(p<0.05)。2.4不同光照强度对紫花曼罗茎叶绿素及类黄酮含量的影响根据图2所示,随着光照强度的增强,两供试曼陀罗茎中的花色素苷、类黄酮及总酚含量升高,其中曼陀罗茎中的花色素苷含量在9000和13000lx光强下无差异性(p<0.05),其含量虽随着光照强度的增强而有明显的上升,但其含量维持于较低水平,类黄酮含量在5000和9000lx基本相同,其他光强处理下表现出显著差异性(p<0.05);而紫花曼陀罗茎花色素苷、类黄酮及总酚含量在不同光照强度处理之间均表现出显著差异性(p<0.05)。曼陀罗与紫花曼陀罗茎中的叶绿素a、b及类胡萝卜素随光照强度变化趋势明显不同,其中曼陀罗茎中叶绿素a、b及类胡萝卜素含量与其叶片对光强的响应保持一致,即随光强增强其含量先升后降,在较强光(22000lx)及弱光(5000和9000lx)下,其含量均明显低于中等光强(13000和18000lx)(p<0.05);紫花曼陀罗茎中叶绿素a、b及类胡萝卜素含量随光照强度的增强而增多,且叶绿素b及类胡萝卜素含量在光强9000lx下达最大值,叶绿素a在光强13000lx下达最大值,并在叶绿素a、b及类胡萝卜素含量达最大值后保持稳定,不再随光照强度的增强而变化。图2所示,紫花曼陀罗在不同光照强度下其茎中的花色素苷、类黄酮及总酚含量均明显高于曼陀罗(p<0.05),叶绿素a、b及类胡萝卜素含量在弱光下含量与曼陀罗无明显差异(p<0.05),在中等光强下其含量明显高于曼陀罗(p<0.05)。3结论和讨论3.1曼不同光照对曼陀罗叶绿素生长的影响研究发现,中等光照强度(13000和18000lx)下两供试曼陀罗长势最好,较弱或较强光照都不利其生长。光照强度作为环境信号通过光敏色素来影响植物的生长发育。植物体内的叶绿素是植物捕获利用光能的重要载体,其中叶绿素a含量反映了植物对光照的利用能力,而叶绿素总量尤其是叶绿素b含量可以反映植物对光照的捕获能力,不同的光照强度对植物光合作用的影响主要是通过植物对光照的捕获利用能力来实现的(王艺和韦小丽,2010)。在本研究中,光照强度弱(5000lx),两供试曼陀罗叶片及其茎中的叶绿素a、b合成受阻,捕获利用光能能力弱,体内代谢较弱,导致植株生长发育缓慢,植株矮小,叶片数目少,生物量积累不足,相同生长时间不孕花蕾,光辐射小,类胡萝卜素含量低;光照强度增强,二者叶绿素合成不再受阻,植株合成大量叶绿素,叶片数目增多,捕获利用光能的能力相对增强,代谢能力加强,从而合成更多的同化物以供植株的生长,加快植株营养器官的成熟及生殖器官的发育,茎、叶生物量相应增加,同时类胡萝卜素含量升高,提高了对光合过程中产生的氧自由基的清除能力,有效地保护了光合系统(Liaoetal.,2004);而在较强光(22000lx)下,植株为避免光抑制的发生,降低了叶绿素含量(方精云等,1999),类胡萝卜素含量相对升高,以更好地保护光合系统质膜被氧化,植株变矮、变小,叶片数目减少,以免过大的表面积带来过量的光辐射对自身产生伤害,同时强光下其生长发育较快,相同时间内积累的生物量多,生殖器官发育较早,表现出明显的光强适应性特征。两供试曼陀罗叶片叶绿素a、b,类胡萝卜素含量在光强9000和13000lx下有明显差异,较弱光强9000lx下曼陀罗叶片叶绿素b含量稍有不足,捕获光能能力较低,光合效率相对较低,在13000lx下,曼陀罗叶绿素b含量继续升高,以获得更好的光捕获能力,表现出对弱光的较差适应性,而紫花曼陀罗在较弱光9000lx下叶绿素合成已不再受光照强度的限制,并且以较多的叶绿素含量提高了对光照的利用效率,以合成更多的同化物以供自身的生长发育,表现出对弱光的较强适应性。曼陀罗起源于光照充沛的热带地区(张美淑和金大勇,2005),更适于在强光下生长,紫花曼陀罗为其变种,更适于在弱光环境中生存,这也许对曼陀罗进驻亚热带、温带地区分布具有重要意义。关于紫花曼陀罗对温度变化的适应性有待进一步研究。3.2光照强度对植物叶片发育的影响植物叶片是对生长环境最为敏感的营养器官。不同的生长环境对植物叶片的叶形、叶表面特征及叶片厚度和解剖结构有明显的影响。有研究表明,叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度及栅栏组织厚度与海绵组织厚度之比呈正相关,即光照强度的减弱相对地增厚了海绵组织(吴能表等,2005),本研究中两供试曼陀罗的叶片解剖结构特征随光强的变化与这种结论一致。栅栏组织中含较多的叶绿体,是植物进行光合作用的主要场所,在弱光强度(5000和9000lx)下叶绿体多分布于栅栏组织细胞的细胞质内(贺学礼,2005),以便叶绿体对光能的吸收,薄的栅栏组织有利于位于栅栏组织细胞胞质中的叶绿体对光能的吸收,增强光合强度以维持自身生长发育的需要,随着光照强度的增强,植物需求的光照足够后过多的光辐射会对叶绿体造成伤害,因此在较强光照强度下叶绿体多分布于栅栏组织细胞的侧壁(贺学礼,2005),以减少受光面积,而厚的栅栏组织为叶绿体的分布提供了更多的空间,保障植物需求的光合强度;海绵组织的主要功能是气体交换和蒸腾作用,随着光照强度的增强,植物的代谢速率相对加快,因此,气体交换及蒸腾作用速率加快,从而导致海绵组织厚度变厚,随着光照强度的减弱,植物为适应光环境会加强自身的蒸腾速率及气体交换以确保自身的生存,因而随光照强度的减弱会相对增厚海绵组织。有报道植物的气孔密度与光照强度呈正相关(Boardman,1977),而气孔指数主要受湿度的影响,与光照强度关系不大(Ticha,1982),但在本研究中发现,同一湿度条件下,气孔密度和气孔指数均与光照强度呈正相关。气孔密度、气孔指数及气孔导度共同控制着植物的水分、气体交换,光照强度的增强,植株的生理代谢活动加强,与外界水分、气体交换频率上升可能是导致本研究中气孔密度、气孔指数与光照强度呈正相关的原因。紫花曼陀罗气孔密度明显大于曼陀罗,使其有更强的水分代谢能力来适应干旱环境。关于紫花曼陀罗抗旱能力及蒸腾作用是否更强有待进一步研究。3.3加样中花色素苷、类黄酮及总酚含量的相关性在植物体内有3大类色素,即叶绿素(叶绿素a、b)、类胡萝卜素和花色素,这些色素的种类、分布、含量比例共同作用影响植物显色,而环境因子如水分、光照、温度等均影响这些色素的合成及相关酶活性,进而影响植物色素含量及比例的变化,最终影响植物的成色(姜卫兵等,2005)。本研究结果表明:两种茎色的供试曼陀罗茎中花色素苷、类黄酮及总酚含量均与光照强度呈正相关,这与前人的相关研究结论一致(Chalker-Scott1999;Nguyen&Cin,2009)。有研究表明参与花色素苷合成过程的酶,如苯丙氨酸裂解酶(PAL)、查尔酮合酶(CHS)、二氢黄酮醇4-还原酶(DFR)等均为光调节酶,光照强度的增强激活光敏色素,活化了参与花色素苷合成的酶的合成(姜卫兵等2009),从而促进了曼陀罗茎中类黄酮及总酚的增加,促进花色素苷的合成(史宝胜等,2007),导致各个光照强度下茎颜色变化。两供试曼陀罗茎叶绿素a、b,类胡萝卜素含量随光强变化趋势明显不同,紫花曼陀罗茎中叶绿素a、b,类胡萝卜素合成不再受光照强度制约后其