云曼红豆杉生长和次生代谢产物对光照胁迫的响应.pdf
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1、西 北 农 业 学 报 2 0 2 3,3 2(9):1 3 8 6-1 3 9 3A c t a A g r i c u l t u r a e B o r e a l i-o c c i d e n t a l i s S i n i c ad o i:1 0.7 6 0 6/j.i s s n.1 0 0 4-1 3 8 9.2 0 2 3.0 9.0 0 7h t t p s:/d o i.o r g/1 0.7 6 0 6/j.i s s n.1 0 0 4-1 3 8 9.2 0 2 3.0 9.0 0 7云曼红豆杉生长和次生代谢产物对光照胁迫的响应收稿日期:2 0 2 2-0 3
2、-1 8 修回日期:2 0 2 2-0 7-0 6基金项目:四川省重点研发项目(2 0 1 8 N Z 0 0 5 7);中央财政林业科技推广示范项目(2 0 1 9)1 0号。第一作者:王 刚,男,博士研究生,研究方向为森林培育。E-m a i l:1 3 7 8 8 8 4 3 1q q.c o m通信作者:蒲尚饶,男,副教授,研究方向为药用植物成份分离及鉴定分析。E-m a i l:5 7 4 8 0 3 4 8 5q q.c o m王 刚,男,教授,研究方向为森林培育。E-m a i l:1 3 9 0 8 0 0 0 5 1 9q q.c o m王 刚1,2,孙志鹏3,李亚平1,2,
3、余雨红1,2,唐淑琴1,2,刘 茜1,2,郭 骐1,2,蒲尚饶2,4,王 刚1,2(1.四川农业大学 林学院,成都 6 1 1 1 3 0;2.国家林业草原红豆杉西南工程技术研究中心,成都 6 1 1 1 3 0;3.四川省林业科学研究院,成都 6 1 0 0 8 1;4.四川农业大学 风景园林学院,成都 6 1 1 1 3 0)摘 要 旨在研究不同光照强度对云曼红豆杉主要生长及次生代谢产物的动态变化特征,探索其人工栽培适宜光照条件和最佳采收时间。以2 a生云曼红豆杉实生苗为试验材料,采用不同层数黑色遮阳网模拟光照胁迫,设置4个遮光处理(0%、3 0%、6 0%、9 0%),以期发现云曼红豆杉
4、苗木地径、苗高、生物量和紫杉醇、1 0-去乙酰基巴卡亭(1 0-D A B)在不同生长时期的累积分布规律。结果表明:随着遮光增强,苗木各生长指标均呈先增大后减小的变化趋势,其中,6 0%遮光显著高于3 0%遮光、9 0%遮光和0%遮光,各生长指标随时间的增加而升高,6月和9月增幅较大;不同遮光处理下光合参数日变化表明,蒸腾速率(Tr)与净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)正相关,C O2浓度(Ci)与Pn、Gs负相关;次生代谢产物紫杉醇和1 0-D A B含量随光照强度降低呈不同的变化规律,随着遮光的增强,紫杉醇含量逐渐下降,而1 0-D A B含量变化较小。研究发现,较强的光照有利于云曼红豆
5、杉次生代谢产物紫杉醇合成,但不利于其生长,9月和1 2月,6 0%遮光下紫杉醇和1 0-D A B累积量分别达到峰值。因此,2 a生云曼红豆杉苗木在6 0%遮光下有利于生长和生物量积累,6-9月为生长旺盛期,最佳采收时间为9-1 2月。关键词 云曼红豆杉;遮光;生长;光合;次生代谢产物 光照作为重要的环境因子,不仅对植物的生长发育具有重要的作用,而且影响植物的次生代谢过程,有利于药用植物次生代谢产物累积的调控1-5。红豆杉是一种具有重要经济价值的珍贵木本植物6,被列为中国 主要林木育种科技创新规划(2 0 1 6-2 0 2 5年)中珍贵树种育种工程的特色树种,是当今工业化生产抗癌药物紫杉醇及
6、其衍生物(多西紫杉醇、卡巴他赛等)的唯一原料和世界第一抗癌植物,其紫杉醇全球市场规模预计将在2 0 2 0年至2 0 2 5年的预测期内年增长率为8.2%7-1 1。随着紫杉醇市场的巨大需求,同时为了更好地保护野生红豆杉资源1 2-1 3,红豆杉被大量人工栽培和开发利用,但不同光照条件对药用植物红豆杉的品质差异较大1 4-1 5。因此,关于红豆杉栽培的研究受到广大科研人员的普遍关注。邓哲等1 6在研究不同土壤含水率对太行红豆杉生长及相关品质的试验中发现,8 0%9 0%和6 0%7 0%的土壤含水量分别有利于太行红豆杉的生长和多糖量的积累。孙志鹏等1 7通过测定不同海拔、不同季节和不同采收期的
7、云南红豆杉(T a x u s y u n n a n e n s i s)枝叶中1 0-去乙酰基巴卡 亭(1 0-D A B)含量及枝叶生物量,结果表明,生长年限、生物量、季节和海拔均显著影响云南红豆杉的单株1 0-D A B累积量。此外,已有研究1 8-2 0分别以曼地亚红豆杉(T a x u s m e d i a)和南方红豆杉(T a x u s w a l l i c h i a n a v a r.m a i r e i)为研究对象,研究不同处理方式对红豆杉的生长生理和主要次生代谢物积累的影响。目前,虽然国内外学者在营养元素、树龄等方面对红豆杉生长和次生代谢产物的影响进行了相关研究
8、,但缺少在光照强度和采收期方面的探讨,尤其是光照对云曼红豆杉的生长和次生代谢产物的影响尚鲜见报道。云曼红豆杉(T a x u s m a d i aT.y u n n a n e n-s i s Y u n m a n)良种是近年来选育的新品种,苗木(树龄4 a)枝叶中紫杉醇、1 0-D A B含量高于我国现有红豆杉,是生产天然紫杉醇和优质1 0-D A B的最好原料之一。因此,通过评价光照条件和采收时间对云曼红豆杉生长和主要次生代谢产物积累的影响,探究云曼红豆杉生长性状及其紫杉醇和1 0-D A B累积对不同光照环境的适应机制,为云曼红豆杉营建短周期优质药用原料林确立最佳光照条件及采收期提供
9、科学依据。1 材料与方法1.1 试验区域概况试验地位于四川省都江堰市胥家镇(东经1 0 3 4 1 4 2,北纬3 1 0 3 0),土壤类型为黄壤土。地势平整,平均海拔6 8 0 m,属中亚热带湿润季风气候,四季分明,无极端天气,年均降水量1 2 4 3 mm,年均温1 7.1,年均日照时数1 0 4 5 h,无霜期2 6 9 d。1.2 试验材料选用2 a生云曼红豆杉实生苗,由国家林业草原红豆杉西南工程技术研究中心提供,平均地径2.5 9 mm,平均苗高2 2.6 4 c m,单株生物量平均值为3.7 6 g。1.3 试验设计2 0 1 9年1 2月,将云曼红豆杉苗木移栽至地势平坦且土壤水
10、分和温度等生境条件均匀一致的实验地,栽植株行距0.5 5 m0.5 0 m。利用不同遮阳网处理(0层、1层、2层、3层)进行光照梯度设置,共分为4个光区域,分别为0%遮光、3 0%遮光、6 0%遮光和9 0%遮光,遮阳网设置光区域长1 2 m、宽2 m、离地面1 m。苗木生长期间养分、水分持续供应充足,按照常规技术管理,定期除草,避免光照条件与其他环境因子的交互作用影响。自2 0 2 0年3月中旬起,每间隔3个月,分别在4块不同光区域中随机测量和采集长势均匀的2 a生云曼红豆杉苗木,3株为1个重复,重复5次,每组采样1 5株/次,4组共计6 0株/次。1.4 测定项目及方法 苗木地径、苗高分别
11、采用电子游标卡尺和钢卷尺测定,测定结果保留小数点后两位。生物量(干质量)测定用烘干箱7 0 将样品烘干至恒重,然后1/1 0 0电子天平精确称量,采用H P L C法测定活性成分紫杉醇和1 0-D A B含量1 7,2 1,累积量即生物量和含量的乘积。2 0 2 0年7月下旬选择晴朗天气,采用L D-GH 8 0便携式光合仪从 6:0 0 时到1 8:0 0 时每间隔2 h测定1次不同处理的云曼红豆 杉 叶 片 的 净 光 合 速 率(Pn)、蒸 腾 速 率(Tr)、气孔导度(Gs)、C O2浓度(Ci)等指标。每处理重复测定3次。1.5 数据分析采用M i c r o s o f t E x
12、 c e l 2 0 1 7软件进行数据处理,运用S P S S 1 9.0软 件 进 行 方 差 分 析,采 用D u n c a ns法进行显著性检验,使用O r i g i n 8.0进行绘图。2 结果与分析2.1 遮光对云曼红豆杉苗木生长的的影响由表1可知,遮光和生长时间对云曼红豆杉苗木地径、苗高及生物量存在不同的影响。从光照强度来看,随着遮光的增强,各时期不同生长指标均呈先升高后降低的趋势,总体上6 0%遮光高于3 0%遮光、9 0%遮光和0%遮光。其中3月,6 0%遮光的苗木地径、苗高、生物量依次是0%遮光的1.1 8倍、1.0 8倍、1.2 5倍,3 0%遮光的1.0 1倍、1.
13、0 2倍、1.0 5倍,9 0%遮光的 1.0 7倍、1.0 6倍、1.2 1倍。从生长时期来看,随着时间的增加,各生长指标逐渐升高,其中在0%遮光下,苗木地径、苗高、生物量分别在3月增长0.1 3 mm、1.1 0 c m、0.3 2 g,6月增长1.3 3 mm、3.7 6 c m、3.8 5 g,9月增长0.9 8 mm、1.8 0 c m、2.1 3 g,1 2月增长0.3 5 mm、0.9 8 c m、0.5 8 g。1 2月与3月相比在0%遮 光 下,苗 木 地 径、苗 高、生 物 量 分 别 增 长 9 7.8%、2 7.5%、1.6 1倍,3 0%遮光下分别增长 1 3 1.1
14、%、5 1.4%、2 0 0.4%,6 0%遮光下分别增长1.4 3倍、5 4.5%、2.0 7倍,9 0%遮光下分别增长9 7.0%、3 5.7%、2.1 8倍。由此可得,2 a生云曼红豆杉苗木在6 0%遮光生长较好,6-9月是其生长旺盛期,1 2月各生长指标达到最大。2.2 遮光对云曼红豆杉苗木光合特性的影响从图1可以看出,在不同遮光处理下,云曼红豆杉苗木的Pn在3 0%和9 0%遮光下日变化呈现“双峰型”曲线,有明显的“光午休”现象,受到了光抑制。其中:9 0%遮光下最明显,在8:0 0 时出现第1峰值为 7.9 6 m o l/(m2s),之后随着光合有效辐射的增强,空气相对湿度逐渐下
15、降,气温逐渐上升,Pn开始下降;在1 6:0 0时出现第2峰值为4.0 4 m o l/(m2s),比 第1峰 值 下 降 78319期王 刚等:云曼红豆杉生长和次生代谢产物对光照胁迫的响应 4 9.2 5%。在6 0%遮光和0%遮光下,光合有效辐射相对较弱,未达到其光饱和点,苗木未发生“光午休”现象,其Pn日变化均为单峰曲线。对比云曼红豆杉苗木的Pn与Gs的日变化趋势,可以发现Pn与Gs有显著的正相关并且与其“光午休”对应,说明Pn对Gs具有反馈调节作用,当Gs增大时利于叶片的光合作用,相反,Gs减小不利于叶片的光合作用。不同遮光处理下Tr与Pn、Gs日变化趋势基本一致。此外,Ci在午间有所
16、上升,Pn和Gs降 低,Ci 升 高,这 是 一 种 非 气 孔 限制。表1 不同遮光下苗木生长动态变化(x s,n=5)T a b l e 1 D y n a m i c c h a n g e s o f YM g r o w t h u n d e r d i f f e r e n t s h a d i n g t r e a t m e n t s月份M o n t h遮光S h a d i n g苗高/c m H e i g h t地径/mm D i a m e t e r生物量/g B i o m a s s30%2 3.7 40.6 9 b2.7 20.4 9 b4.0 80
17、.5 9 c3 0%2 4.9 90.6 2 a3.1 50.0 4 a4.8 30.3 6 a b6 0%2 5.5 40.8 1 a3.2 00.0 2 a5.0 90.6 2 a9 0%2 4.0 90.4 9 a3.0 20.3 4 a b4.1 90.4 0 b c60%2 7.5 01.2 8 b4.0 50.6 1 b7.9 30.4 5 c3 0%3 2.9 21.9 2 a5.4 60.4 8 a1 0.0 40.7 2 b6 0%3 3.8 01.8 3 a5.9 80.6 9 a1 1.0 90.7 4 a9 0%2 9.3 50.8 1 b4.4 50.6 1 b9.3
18、 20.8 3 b90%2 9.3 00.8 8 c5.0 30.7 7 b1 0.0 61.4 6 c3 0%3 6.0 00.9 6 a6.9 10.1 2 a1 3.8 50.1 9 a b6 0%3 7.3 71.6 7 a7.5 40.5 2 a1 4.9 11.2 8 a9 0%3 1.5 11.2 8 b5.4 80.7 6 b1 2.8 30.6 8 b1 20%3 0.2 81.4 5 c5.3 80.8 7 b1 0.6 41.2 2 c3 0%3 7.8 30.9 2 a7.2 80.2 4 a1 4.5 11.0 4 a b6 0%3 9.4 50.7 2 a7.7 6
19、0.6 3 a1 5.6 31.1 0 a9 0%3 2.7 01.5 7 b5.9 51.2 2 b1 3.3 40.9 3 b注:同列不同小写字母表示在0.0 5水平上差异显著。N o t e:D i f f e r e n t l o w e r c a s e l e t t e r s i n t h e s a m e c o l u m n i n d i c a t e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s a t 0.0 5 l e v e l.图1 不同遮光下苗木叶片光合参数日变化F i g.1 D i u r n a l
20、c h a n g e s o f p h o t o s y n t h e t i c i n d e x e s i n l e a v e s o f YM u n d e r d i f f e r e n t s h a d i n g t r e a t m e n t s8831西 北 农 业 学 报3 2卷2.3 遮光对云曼红豆杉苗木次生代谢产物的 影响2.3.1 对云曼红豆杉苗木紫杉醇含量及单株累积量的影响 由图2-A可知,遮光对云曼红豆杉苗木枝叶中紫杉醇含量存在极显著差异(P 0.0 1),随着遮光的增强,紫杉醇含量降低。4个遮光条件下的云曼红豆杉苗木枝叶中紫杉醇含量为
21、0.0 2 0%0.0 3 6%,6月,各遮光下的云曼红豆杉苗木枝叶中紫杉醇含量均表现为最高,分别比3月、9月 和1 2月 同 遮 光 增 加7.5 8%、7.5 7%、1 2.7 0%,有显著性差异(P0.0 5)。由图2-B可知,遮光对云曼红豆杉单株紫杉醇累积量影响差异极显著(P0.0 1)。4个遮光下的云曼红 豆 杉 苗 木 枝 叶 中 单 株 紫 杉 醇 累 积 量 为 1.1 54.5 1 m g;各遮光条件下苗木枝叶中单株紫杉醇累积量最高值均出现在9月,其中6 0%遮光最高,是0%遮光条件下的1.3 6倍。从生长时期来看,各测定月份间枝叶单株紫杉醇累积量差异极显著,4个遮光条件下的
22、云曼红豆杉苗木单株紫杉醇累积量在9月都出现最高值,其次分别为1 2月、6月和3月。由此可得,不同遮光强度对云曼红豆杉苗木紫杉醇的合成具有一定影响,6月全光照条件更有利于苗木枝叶紫杉醇的合成;6 0%遮光有利于苗木单株紫杉醇的积累,9月是紫杉醇利用的最佳采收时间。*表示差异显著(P0.0 5);*表示差异极显著(P0.0 1)。下同*e x p r e s s e d s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s(P0.0 5);*s h o w e d e x t r e m e l y s i g n i f i c a n t d i f f e
23、r e n c e(P0.0 1).T h e s a m e b e l o w图2 不同遮光下苗木紫杉醇含量和单株累积量的动态变化F i g.2 D y n a m i c c h a n g e s o f p a c l i t a x e l c o n t e n t a n d a c c u m u l a t i o n p e r p l a n t i n YM u n d e r d i f f e r e n t s h a d i n g t r e a t m e n t s2.3.2 对云曼红豆杉苗木1 0-D A B含量及单株累积量的影响 由图3-A可知,遮光
24、对云曼红豆杉苗木枝叶中1 0-D A B含量差异不显著,3月和9月,1 0-D A B含量随遮光增强而缓慢降低,6月和1 2月,1 0-D A B含量变化不明显。4个遮光条件下的 云 曼 红 豆 杉 苗 木 枝 叶 中1 0-D A B含 量 为 0.3 2 8%0.3 8 3%,9月0%遮光达到峰值,分别是3月、6月和1 2月最低值的1.1 7倍、1.0 7倍和 1.0 8倍。由图3-B可知,遮光对云曼红豆杉苗木单株1 0-D A B累积量有 显著影响。除3月 外,6 0%遮光与0%遮光相比,单株1 0-D A B累积量存在极显著差异(P3 0%遮光9 0%遮光0%遮光,6 0%遮光是0%遮
25、光下的1.4 6倍。从生长时间上看,6月、9月和1 2月与3月相比,苗木单株1 0-D A B累积量差异变化明显。分析相同遮光不同生长时期的单株1 0-D A B累积量可以发现:4个遮光条件的苗木单株1 0-D A B累积量均在1 2月出现较高峰值,其次分别为9月、6月和3月,这与苗木生长相似,均随着时间的增长而增加。由此可得,不同遮光强度对苗木枝叶1 0-D A B的合成具有一定影响,9月全光照条件更有利于苗木枝叶1 0-D A B的合成;6 0%遮光有利于苗木1 0-D A B的积累,1 2月是1 0-D A B利用的最佳采收时期。3 讨 论3.1 不同光照下苗木生长节律的变化不同遮光强度
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