成都中醫(yī)藥大學西南特色中藥資源國家重點實驗室裴瑾課題組和馬云桐課題組合作在中科院TOP雜志Frontiers in Plant Science, Industrial Crops Products, Field Crop Research發(fā)表系列光調(diào)控中藥品質(zhì)和產(chǎn)量形成的生理生化機制研究論文。青年教師周濤為論文的第一作者或通訊作者，青年教師文飛燕為光調(diào)控重樓皂苷Ⅶ合成論文的第一作者，研究生柯汶佳參與大量研究工作。

光既是植物光合作用的能量來源，又在植物生長過程中扮演著重要的信號角色，調(diào)控植物形態(tài)建成、庫-源物質(zhì)流動，進而影響植物初生和次生代謝產(chǎn)物合成和積累。但是光在調(diào)控中藥品質(zhì)和產(chǎn)量形成過程中扮演的的角色并不清晰，系列研究分別選擇了一年生植物番紅花和多年生植物黃連、重樓作為研究對象，同時這些植物對光的喜好程度呈現(xiàn)極大差異。番紅花為典型的陽生植物，重樓為半陰生植物，而黃連為典型的陰生植物。

對黃連的研究發(fā)現(xiàn)，與 50 μmol m^-2 s^-1 條件下生長的植株相比，在 200 μmol m^-2 s^-1 條件下，黃連根莖在新葉擴展期碳水化合物和磷的損失較少。葉片迅速膨大后，高光照強度可提高新葉的光合能力和庫-源轉(zhuǎn)換速率，從而減少根莖的儲備消耗。在強光下，黃連老葉為新葉的生長提供碳水化合物，減少了根莖中儲備物質(zhì)的消耗。相反，在弱光條件下，新葉的光合作用效率較低，但新陳代謝強度相對較高，作為匯存活并得到其他器官的支持，這加劇了根莖中儲備物質(zhì)的損失。此外，在高光照強度下，新葉維持高光合速率所需的磷較少，導致從根莖到新葉的磷分布減少。相反，弱光條件下由于根莖中過多的儲存物質(zhì)消耗促使根莖中生物堿含量在早春出現(xiàn)一個高峰，但光照強度如何直接調(diào)控生物堿合成和積累仍有待進一步研究。本研究發(fā)現(xiàn)，光照能加速莖葉光合能力建成，從而減少根莖中儲備物質(zhì)的消耗，最終導致產(chǎn)量增加。在低光照和高溫條件下，黃連老葉可能通過消耗其他器官提供的能量而存活，這可能是陰生植物適應環(huán)境脅迫的一種新機制，但還需要更多的證據(jù)證明。

Ke, W., Li, Y., Zhong, F., Pen, M., Dong, J., Xu, B*., Y., Ma*, Zhou, T*. (2023). Relatively high light inhibits reserves degradation in the Coptis chinensis rhizome during the leaf expansion by changing the source-sink relationship. Frontiers in Plant Science, 14.

       在重樓研究中，從表型分析、亞細胞化學定位和 ¹³C 追蹤等生理層面證明，葉片而非根莖是滇重樓合成 PSⅦ 的主要器官。然而，PSⅦ并不儲存在葉片中，而是通過維管組織運輸?shù)礁o中儲存。葉片中 PSⅦ的合成速率不僅受遺傳因素的調(diào)節(jié)，還受光照強度等環(huán)境因素的影響。高光照強度對PSⅦ合成產(chǎn)生積極影響的生理機制有以下三種： (1）高光照強度增加了皂苷合成底物的濃度；(2）通過促進皂苷合成保護葉片免受強光傷害；(3) 強光加速了皂苷在葉片細胞間的區(qū)隔，如轉(zhuǎn)移到非合成上表皮細胞，進而反饋調(diào)節(jié)皂苷合成。這些工作部分揭示了滇重樓中 PS Ⅶ 合成的組織特異性和光調(diào)節(jié)特性，為發(fā)展雙高（高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)）栽培實踐奠定了理論基礎(chǔ)。研究同時提出，不同重樓皂苷類型合成的組織特異性以及光調(diào)皂苷合成的遺傳和生態(tài)機制應是今后工作的重點。

碳標記證明重樓皂苷Ⅶ在葉片的特異性合成

強光促進的重樓皂苷Ⅶ合成和葉片細胞間的區(qū)室化

Wen, F., Chen, S., Wang, Y., Wu, Q., Yan, J., Pei, J. *, & Zhou, T*. (2023). The synthesis of Paris saponin VII mainly occurs in leaves and is promoted by light intensity. Frontiers in Plant Science, 14.

對番紅花的研究發(fā)現(xiàn)，生殖生長期在最佳光照 200μmol m^-2 s^-1紅光藍光比例為3:2條件下生長的番紅花減少了母球莖營養(yǎng)儲備的分解，提高了子莖總產(chǎn)量和較大尺寸子莖的比例。番紅花整合了光照強度和光質(zhì)比例，通過減少葉片伸長，提高葉片的光形態(tài)建成速率、葉綠素合成率、氣孔開放率、光合作用強度和蔗糖濃度，最終決定了母株的養(yǎng)分和碳水化合物代謝。葉片中的高濃度蔗糖既是植物生長狀態(tài)的信號，啟動了對不協(xié)調(diào)生長的后備代謝反應，也是葉片生長的碳基質(zhì)。最后，母球莖中營養(yǎng)物質(zhì)和碳水化合物含量的增加提高了子球莖的產(chǎn)量和較大尺寸子球莖的比例。該研究加深了人們對光照如何調(diào)節(jié)母球莖營養(yǎng)儲備代謝以及子球莖產(chǎn)量的理解。通過優(yōu)化生育期的光照強度和光質(zhì)比例，可以提高柱頭的藥用質(zhì)量和產(chǎn)量以及子球莖的產(chǎn)量，這對于在番紅花在二段式種植系統(tǒng)中制定有效的栽培管理策略具有重要意義。

Zhou T, Qiu X, Zhao L, Yang W, Wen F, Wu Q, Yan J, Xu B, Chen J, Ma Y*, J Pei. (2022). Optimal light intensity and quality increased the saffron daughter corm yield by inhibiting the degradation of reserves in mother corms during the reproductive stage. Industrial Crops Products, 176: 114396.

此外，課題組還系統(tǒng)揭示了光環(huán)境如何介導碳水化合物和磷在地上、地下間的轉(zhuǎn)運進而調(diào)控根系的衰老和磷養(yǎng)分吸收。

Zhou T, Wang L, Sun X. (2021). Improved post-silking light interception increases yield and P-use efficiency of maize in maize/soybean relay strip intercropping. Field Crops Research, 262: 108054.

這一系列研究不僅對于構(gòu)建中藥優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培模式具有極強的理論指導意義，也對于理解植物生長與環(huán)境互作的生態(tài)過程提供了洞見，同時從提高植物光合效率、資源利用效率方面助力我國雙碳目標的實現(xiàn)。

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https://doi.org/10.3389/fpls.2023.1225895, https://doi.org/10.3389/fpls.2023.1199215, https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.114396, https://doi.org/10.1016/j.fcr.2020.108054

供稿：西南特色中藥資源國家重點實驗室、藥學院/現(xiàn)代中藥產(chǎn)業(yè)學院裴瑾課題組和馬云桐課題組。