一种利用光暗周期调控石斛属植物光合途径切换的方法与流程

本发明涉及石斛属植物栽培技术领域，具体涉及一种利用光暗周期调控石斛属植物光合途径切换的方法。

背景技术：

石斛属(dendrobium)为兰科(orchidaceae)第二大属，在我国主要分布于云南、海南、广西、广东、贵州和台湾等省区(邹成勇与刘燕,我国石斛属植物研究进展[j].安徽农业科学,2010.38(12):6164-6166)。部分石斛属植物在我国不仅是重要的观赏花卉，还具有重要的药用价值，是重要的设施园艺栽培种类。我国石斛属植物中有39种为药用石斛，2015年版《中华人民共和国药典》收录有5种：金钗石斛(dendrobiumnobile)、铁皮石斛(d.officinale)、环草石斛(d.loddigesii)、马鞭石斛(d.fimbriatum)、和黄草石斛(d.chrysanthum)。药用石斛的功效在《本草纲目》为“强阴益精，厚肠胃，补内绝不足，平胃气，长肌肉，益志除惊，轻身延年”；在《神农本草经》为“味干，平，无毒。主伤中，除痹，下气，补五脏虚劳、赢弱，强阴。久服厚肠胃，轻身延年”。因其药效显著且极难采挖，自古以来都是达官贵人的“救命仙草”。铁皮石斛、金钗石斛和鼓槌石斛，其药用有效成分为多糖、石斛碱和毛兰素(国家药典委员会.中华人民共和国药典[m].中国医药科技出版社,2015)。报春石斛源于傣药，药用有效成分为生物碱，具有清热除湿、消肿止痛、杀虫止痒、补土滋水等功效，虽未被中国药典收录，在民间却常被用于药用植物(中华本草编委会国家中医药管理局[m].中华本草：傣药卷上海:上海科学技术出版社,2005)。

在野生状态下，石斛属植物多附生于树干或岩石上，根部常处于水分状况频繁剧烈变化的环境中，与之相适应，其碳同化和水分生理具有独特的运行机制，即景天酸代谢(crassulaceanacidmetabolism,cam)(martinc.e.,mase.j.,luc.,andongb.l.thephotosyntheticpathwayoftherootsoftwelveepiphyticorchidswithcamleaves[j].photosynthetica,2010.48(1):42-50；sinclairr.waterrelationsoftropicalepiphytes:iii.evidenceforcrassulaceanacidmetabolism[j].j.exp.bot.,1984.35(1):1-7)。铁皮石斛的人工栽培主要采用设施和仿生栽培，设施栽培即利用玻璃温室或塑料大棚等设施，以太阳辐射作为光源、树皮等作为人工基质进行基质槽培或穴盘栽培；仿生栽培则利用原产地的野外林生环境进行种苗定植而实现规模量产(斯金平,俞巧仙,宋仙水,等.铁皮石斛人工栽培模式[j].中国中药杂志,2013.38(4):481-484；斯金平.铁皮石斛设施仿生栽培模式技术要点[j].浙江林业,2014.(8):26-27；袁颖丹,李志,胡冬南,等.铁皮石斛仿生栽培中不同附生树种和栽培基质的效应[j].江苏农业科学,2017.45(04):112-114)。这两种方法主要考虑石斛属植物的适宜环境和光环境，未曾考虑其特殊的光合途径。近年来已申请专利技术的气雾栽培石斛的方法(戴国平.铁皮石斛气雾栽培方法:cn102972269a[p].2012；黄茜菲.一种铁皮石斛的气雾栽培方法:cn106376445a[p],2017)和使用人工光栽培石斛的方法(贺冬仙,杜维芬.一种铁皮石斛的人工光栽培方法:cn101699984a[p],2010)也未曾针对石斛属植物特殊的光合途径进行调控。

技术实现要素：

本发明的目的在于利用光暗周期对特定植物光合途径切换进行调控，使其在人工栽培过程中尽量基于c3途径进行光合作用，从而促进植物的光合作用与生物量积累。

本发明提供一种利用光暗周期调控特定植物光合途径切换的方法。

本发明所提供的利用光暗周期调控特定植物光合途径切换的方法，为：通过短光暗周期调控将特定植物从兼性cam光合途径诱导成c3光合途径。

其中，光暗周期用光周期与暗周期的比值(即光期/暗期)来表达；

所述短光暗周期为小于等于4h/4h的光暗周期，具体可为4h/4h光暗周期或2h/2h光暗周期；

4h/4h表示每天4个小时光期，4个小时暗期，交替进行3个周期，如：光期8:00-12:00，暗期12:00-16:00；光期16:00-20:00，暗期20:00-24:00；光期0:00-4:00，暗期4:00-8:00；

2h/2h表示每天2个小时光期，2个小时暗期，交替进行6个周期，如：光期8:00-10:00，暗期10:00-12:00；光期12:00-14:00，暗期14:00-16:00；光期16:00-18:00，暗期18:00-20:00；光期20:00-22:00，暗期22:00-0:00；光期0:00-2:00，暗期2:00-4:00；光期4:00-6:00，暗期6:00-8:00。

所述特定植物可为：兼性cam植物，具体可为：铁皮石斛或报春石斛。

光期的光照强度可为：100-200μmolm^-2s^-1，具体可为：150μmolm^-2s^-1。

上述利用光暗周期调控特定植物光合途径切换的方法的具体操作为：

对长期(一年生以上)生长在常规的24h光暗周期(如8h/16h，12h/12h，16h/8h)中的特定植物用短光暗周期(小于等于4h/4h)处理，之后再将光暗周期切换(或不切换)回传统24h光暗周期。

其中，光期的光照强度可为：100-200μmolm^-2s^-1，具体可为：150μmolm^-2s^-1，

光期和暗期的环境温度可为：24±1℃/20±1℃，相对湿度可为：65±10％，co2浓度可为：400±50μmolmol^-1，气流速度可为：0.1-0.3ms^-1。

所述短光暗周期可进行多个，具体可为4-6个短光暗周期。

上述利用光暗周期调控特定植物光合途径切换的方法在特定植物栽培中的应用也属于本发明的保护范围。

所述应用，为：在促进兼性cam植物以c3途径或以c3途径为主进行光合作用的应用、提高铁皮石斛或与铁皮石斛叶片结构和光合特性类似的兼性cam植物的生物量积累的应用和/或缩短其栽培周期的应用、促进特定植物药用有效成分含量或产量的应用。

本发明中，利用暗期co2净交换率的指标定量地评价高等植物的光合途径，该值为负数表明该植物叶片的光合途径为c3途径或c4途径，该值为正值表明该植物叶片的光合途径为专性cam途径或兼性cam途径，c3、c4、专性cam植物无论如何进行光暗周期的调控，其光合途径不会发生本质的变化，但某些特定的兼性cam植物则可能从cam途径为主的光合途径转换成c3途径为主的光合途径，亦可调控其成为单纯的c3途径或cam途径。

本发明还提供一种通过提高特定植物的全天co2净交换量以促进其生长发育的方法。

所述方法为：采用短光暗周期调控将特定植物从兼性cam光合途径诱导成c3光合途径以提高全天co2净交换量，从而促进其生长发育；

所述特定植物为：铁皮石斛或与铁皮石斛叶片结构和光合特性类似的兼性cam植物。

所述方法中，在植物的整个生长期均采用短光暗周期处理，或经过短光暗周期处理后切换回或不切换回常规的24h光暗周期。

本发明的优点和积极效果在于：

(1)实现石斛属植物光合途径切换的调控

利用合理的光暗周期可调控石斛属植物光合途径在cam与c3之间切换；

(2)促进石斛属植物的光合作用与生物量积累

短光暗周期诱导有利于铁皮石斛光合能力的提高和生物量积累；

(3)适于特定石斛属植物或特定兼性cam植物的工厂化生产

短光暗周期调控适于在设施生产中进行与铁皮石斛叶片解剖结构类似的石斛属植物或特定兼性cam植物的高效人工栽培。

附图说明

图1为光暗周期对铁皮石斛、报春石斛与大叶落地生根的co2净交换速率的影响。

图2为光暗周期对铁皮石斛、报春石斛与大叶落地生根的暗期和光期co2净交换量的影响。

图3为铁皮石斛、报春石斛与大叶落地生根的叶片横切面显微结构、叶片厚度与叶肉细胞间隙百分比。

图4为光暗周期对铁皮石斛与草莓的co2净交换速率的影响。

图5为光暗周期对铁皮石斛与草莓的暗期和光期co2净交换量的影响。

图6为光暗周期对铁皮石斛鲜重增加量与相对生长速率的影响。

图7为光暗周期对铁皮石斛鲜重增加量、干重增加量、多糖含量与多糖产量的影响。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

购置于中国浙江省金华市的铁皮石斛和中国云南省普洱市的报春石斛作为药用石斛和观赏石斛的试验材料。在北京市海淀区日光温室进行多次繁殖的典型专性cam植物即大叶落地生根(kalanchoedaigremontiana)作为对照。两种石斛属植物和大叶落地生根均定植于容积为0.4l的营养钵，每钵3株。测试材料选取生长良好、具8-10片展开叶的铁皮石斛与报春石斛，及具有16片展开叶的大叶落地生根。石斛栽培基质选用水苔，大叶落地生根栽培基质选用蛭石和珍珠岩的混合物(体积比为3:1)。试验期间，每天日出2h后灌溉约70ml自来水，每周灌溉1次等量营养液。

营养液基于如下配方配制：ca(no3)2·4h2o、kno3、mgso4·7h2o、nh4h2po4、dtpa-fe-7、h3bo3、mnso4·h2o、znso4·7h2o、cuso4·5h2o、(nh4)6mo7o24·4h2o分别为205、117、60、201、29、1.14、0.62、0.09、0.04、0.01mgl^-1，混合均匀后的营养液ec为0.6-0.7ms/cm、ph为5.5-6.0。

其它共通的环境参数：光暗周期为12h/12h(光期8:00-20:00，暗期20:00-8:00)，光照强度为150μmolm^-2s^-1，环境温度为24±1℃/20±1℃，相对湿度为65±10％，co2浓度为400±50μmolmol^-1，气流速度为0.1-0.3ms^-1。上述环境条件使用人工气候室进行调控。

在人工气候室环境下对铁皮石斛、报春石斛与大叶落地生根先用5个12h/12h光暗周期(光期8:00-20:00，暗期20:00-8:00)处理，在第5个暗期结束后，将光暗周期切换为4h/4h(光期8:00-12:00，暗期12:00-16:00；光期16:00-20:00，暗期20:00-24:00；光期0:00-4:00，暗期4:00-8:00)，在第15个暗期结束后，再将光暗周期切换为上述相同的12h/12h，再经过5个12h/12h光暗周期后结束。在此期间连续监测co2净交换速率的变化。

当光暗周期从12h/12h转换为4h/4h，铁皮石斛与报春石斛的co2净交换速率在暗期由正值切换为负值，即从co2净吸收切换为净释放，而大叶落地生根的暗期co2净交换速率始终为正值(图1)。当光暗周期从4h/4h切换回12h/12h，铁皮石斛与报春石斛的co2净交换速率在暗期又从负值切换为正值，即依旧返回到之前的co2净吸收，而大叶落地生根的暗期co2净交换速率仍未发生实质性变化。

当光暗周期从12h/12h转换为4h/4h再转换回12h/12h，铁皮石斛与报春石斛的暗期co2净交换率从正值变为负值再变回正值，而专性cam植物的大叶落地生根的暗期co2净交换率始终为正值(表1)。对于专性cam植物而言，无论如何调节光暗周期，其在暗期吸收co2的特性不会发生变化。作为兼性cam植物的铁皮石斛与报春石斛则可能通过调控光暗周期使其在暗期吸收co2的特性发生本质变化。

表1光暗周期对铁皮石斛、报春石斛与大叶落地生根的暗期co2净交换率的影响

注：数值以均值±标准偏差表示。通过duncan法进行多重比较，不同字母表示显著性差异(p<0.05；n＝3)。

当光暗周期从12h/12h转换为4h/4h，铁皮石斛的暗期co2净交换量成为负值，表现出典型的c3光合特征，其光期和全天co2净交换量显著升高；当光暗周期从4h/4h再转换回12h/12h后，铁皮石斛的暗期co2净交换量重新返回到净吸收，其光期和全天co2净交换量与之前的光暗周期12h/12h下相比也有显著升高(图2)。在4h/4h光暗周期诱导前后，专性cam植物的大叶落地生根的全天co2净交换量并未出现显著性差异，但报春石斛的全天co2净交换量却显著降低。

因此，4h/4h光暗周期可以使得铁皮石斛与报春石斛的光合途径从cam途径切换为c3途径，切换后铁皮石斛的全天co2净交换量显著升高，而报春石斛的全天co2净交换量显著降低。这可能是由于铁皮石斛较薄的叶片与较大的叶肉细胞间隙百分比更有利于其对外界co2的吸收，而对于报春石斛则相反(图3)。

实施例2

以铁皮石斛作为试验材料，同时将c3植物的草莓(fragaria×ananassaduch.)作为对照进行光合途径切换调控试验，其栽培环境同实施例1。在人工气候室环境下对铁皮石斛和草莓植物先用5个12h/12h光暗周期(光期8:00-20:00，暗期20:00-8:00)处理，在第5个暗期结束后，将光暗周期切换为2h/2h(光期8:00-10:00，暗期10:00-12:00；光期12:00-14:00，暗期14:00-16:00；光期16:00-18:00，暗期18:00-20:00；光期20:00-22:00，暗期22:00-0:00；光期0:00-2:00，暗期2:00-4:00；光期4:00-6:00，暗期6:00-8:00)。在此期间连续监测铁皮石斛和草莓叶片的co2净交换速率变化。

当光暗周期从12h/12h转换为2h/2h，铁皮石斛的暗期co2净交换速率由正值切换为负值，而草莓的暗期co2净交换速率一直为负值(图4)。铁皮石斛的暗期co2净交换率由正值切换为负值，而草莓的暗期co2净交换率始终为负值(表2)。该结果表明：光暗周期调控无法改变c3植物的光合途径，但却能将兼性cam植物的光合途径从cam途径调控为c3途径。

表2光暗周期对铁皮石斛与草莓叶片暗期co2净交换率的影响

2h/2h光暗周期调控使得铁皮石斛的全天co2净交换量显著增加，而草莓的全天co2净交换量却显著降低(图5)。因此，2h/2h光暗周期可以使得铁皮石斛的光合途径从cam途径切换为c3途径，并可能显著地提高铁皮石斛的全天co2净交换量，但对c3植物则起不到同等的效果。

实施例3

以产于浙江金华的铁皮石斛在北京中国农业大学人工气候室内驯化栽培两年所生出的高位芽作为试验材料。将铁皮石斛苗平均分成3组，光暗周期分别为12h/12h(即每天12个小时光期，12个小时暗期，交替进行1个周期)、4h/4h(即每天4个小时光期，4个小时暗期，交替进行3个周期)与2h/2h(每天2小时光期，2个小时暗期，交替进行6个周期)，采用气雾栽培，每隔1小时喷雾一次，每次喷雾10秒，营养液配方与其他环境参数同实施例1。称量各试验样品的初始重量和60天后的重量，计算其鲜重增加量与相对生长速率。

与12h/12h光暗周期下培育60天的铁皮石斛植株相比，在4h/4h与2h/2h光暗周期下培育60天的铁皮石斛的鲜重增加量均提高了90％，而相对生长速率则翻倍增长(图6)。因此，4h/4h与2h/2h光暗周期可促进铁皮石斛生物量的积累，并有效地缩短其栽培周期。

实施例4

铁皮石斛的试验材料与栽培环境，及其光暗周期设置同实施例3，但栽培时间延长到150天，在第150天测量各试验样本的鲜重增加量、干重增加量、多糖含量与多糖产量。

与12h/12h光暗周期下培育150天的铁皮石斛植株相比，在4h/4h与2h/2h光暗周期下培育150天的铁皮石斛的鲜重增加量与干重增加量提高了1倍，2h/2h光暗周期下培育150天的铁皮石斛植株在保证较高的多糖含量的同时，多糖产量提高了1倍(图7)。因此，4h/4h与2h/2h光暗周期可促进铁皮石斛生物量的积累，并有效地缩短其栽培周期，2h/2h光暗周期可在保证铁皮石斛的多糖含量的同时，获得较高的生物产量和多糖产量。