金钗石斛(Dendrobium nobile)为石斛属植物，喜温暖、湿润、阴凉的环境，常生于有腐殖质聚集的岩石或树干上，在我国主要分布于台湾、福建、湖南、湖北、广东、广西、贵州、云南、四川、海南岛等长江以南的亚热带地区^[1-2]。其花形优美、花色艳丽，具有较高的观赏价值^[2-3]。同时，金钗石斛含石斛碱、石斛多糖等多种有效活性物质，是一种珍贵的药用植物。研究表明，石斛碱对心血管系统、内分泌系统、消化系统、神经系统等具有调节作用^[4]。石斛多糖具有抗氧化、抗肿瘤、抗炎、抗疲劳、提高人体免疫力等作用^[5-6]。

苏文华等^[7]报道，金钗石斛的光合作用可在CAM途径和C₃途径间变化，饱和光强为1000 μmol m^-2s^-1。杨丽娜等^[8]的研究表明金钗石斛在光强为300 μmol m^-2s^-1时达到光饱和点，光合作用日变化呈双峰曲线。任建武等^[9]报道金钗石斛冬季的光饱和点为300 μmol m^-2s^-1。

太空育种是指利用返回式航天器搭载生物种质材料进入宇宙空间，利用太空特殊环境诱变生物基因产生变异，再通过返回地面选育，培育新品种、新材料的育种新技术^[10]。太空育种具有变异类型多、变异频率高等特点，近年来太空育种在药用植物的研究取得了许多新的进展，如丹参(Salvia miltiorrhiza)、迷迭香(Rosmarinus officinalis)等^[11-12]。本研究比较了太空诱变和野生金钗石斛在光合特性和生长等方面的差别，为培育金钗石斛新品种和品质改良提供科学依据。

1 材料和方法 1.1 材料

金钗石斛(Dendrobium nobile)种子取自华南师范大学国兰中心栽培的生长健壮、无病虫害的金钗石斛的成熟蒴果，在超净工作台上取出种子密封于塑料袋中。神舟8号飞船于2011年11月1日5:58在中国酒泉卫星发射中心由长征2号F遥八运载火箭发射升空，在近地点200 km，远地点330 km的轨道飞行，时长397 h。2012年将太空诱变的金钗石斛种子和野生的种子进行无菌播种。经太空诱变的种子比野生的萌发启动慢，整体萌发率偏低，原球茎开始分化时间较野生的晚5 d左右。播种150 d后，幼苗出瓶，一部分太空苗分蘖增多，部分太空苗分化出花芽，少数太空苗出现白化现象。大部分太空诱变金钗石斛幼苗呈现矮化、茎加粗、分蘖多、叶片变短的趋势。将太空诱变的幼苗经多年的栽培、筛选，获得了一批性状稳定、株型矮壮、分蘖能力强的太空诱变金钗石斛植株。2016年5月选择生长均匀、健康无病虫害的金钗石斛太空苗(T)和野生苗(CK)各50株，均栽种于华南师范大学国兰中心遮阴度50%的玻璃温室内，每周使用1次10倍稀释的Hoagland溶液。

1.2 叶片显微结构观察

制作金钗石斛叶石蜡切片，于普通光学显微镜下观察。叶扫描电镜观察在中国科学院华南植物园公共实验室完成。石蜡切片制片和扫描电镜样品制备参考《植物显微技术》^[15]的方法。

1.3 光合特性

2016年7月选取金钗石斛健康功能叶(从顶部向下第4片叶)，用LI-6400便携式光合系统(Li-Cor，USA)测定净光合速率(Pn)、光合有效辐射(PAR)、温度(T_air)等指标，5次重复。

净光合速率(Pn)日变化  选择晴朗的一天, 从7:30到17:30每隔2 h同时测定Pn、PAR、T_air等参数。

光响应曲线  设置不同PAR梯度(0~1200 μmol m^-2s^-1)，用Pn-PAR自动测定功能测定Pn等相关参数。利用修正直角双曲线进行拟合，得出表观量子效率(AQY)、最大净光合速率(P_max)、光补偿点(LCP)、光饱和点(LSP)、呼吸速率(Rd)等参数。

CO₂响应曲线  设置不同二氧化碳浓度(50~1500 μmol m^-2s^-1)，用Ci-自动测定功能测定Pn等相关参数。曲线拟合方法同上，得出CO₂补偿点(CCP)、CO₂饱和点(CSP)、最大净光合速率(P_max)、光呼吸(Rp)等参数。

1.4 方法

株高和茎粗  选取生长良好的金钗石斛，用米尺测量株高，用游标卡尺测量茎粗。

干、鲜重  收获金钗石斛单株(1年生)，洗净于阴凉处晾干，对地上部分和地下部分分别进行称重，得鲜重。将鲜样于烘箱中105℃杀青20 min，再80℃烘至恒重，称量得干重。

叶面积和叶片厚度  用叶面积仪(Yaxin-1241) 测量从顶部向下第4片叶的面积，叶片厚度通过制作石蜡切片于显微镜下测定。

叶绿素含量  取金钗石斛从顶部向下第4片叶，参照舒展^[14]方法测定叶绿素含量，略有改动。

生物碱和多糖的测定  选取金钗石斛1年龄的茎，干燥后磨成粉末，过60目标准检验筛，得样品粉末。生物碱含量测定参照金蓉鸾等^[15]的方法，多糖含量测定采用苯酚-硫酸法，参照《中华人民共和国药典》2010版。

1.5 数据统计和分析

数据采用Sigmaplot、SPSS软件进行统计分析；Origin作图。

2 结果和分析 2.1 株型变化

和同龄的野生金钗石斛比较，太空诱变的金钗石斛株型较矮，植株总体显得矮粗，且分蘖较多(图 1，表 1)。野生种的叶片呈长圆形，叶缘中部有轻微的内凹或内凹不明显；太空诱变的金钗石斛叶面积显著降低，叶形更狭长，叶缘中部有明显的内凹。

2.2 叶片结构观察

如图 2所示，两种金钗石斛叶片的表皮细胞均呈正方形或长方形，排列整齐且紧密。和下表皮细胞相比，上表皮细胞较大，细胞更长。叶肉细胞呈无规则排列，无栅栏组织和海绵组织的分化，叶肉细胞大小无明显差异。

扫描电镜下，太空诱变和野生金钗石斛叶片上下表皮均覆盖有厚厚的蜡质，上表皮的蜡质更厚, 同时上下表皮均存在腺体，腺体上附有蜡质的片状结构能防止水分散失(图 3)。太空诱变的叶片气孔密度显著高于野生的，气孔器长度和宽度也明显大于野生的(表 2, 图 3: A)。

2.3 光合特性

从图 4可见，太空诱变和野生的金钗石斛净光合速率日变化均呈双峰曲线型。上午随着PAR增强，净光合速率不断上升，9:30达到一天中的最大值，而后呈现下降趋势，到13:30后又开始回升, 在15:30达到第二高峰，之后随PAR降低，净光合速率逐渐下降。第二高峰的光合速率远低于第一高峰，中午出现明显的低谷，说明他们均存在光合午休现象，这是受中午高光照强度、高温等环境因素影响的结果。太空诱变金钗石斛的净光合速率一直低于野生种。

两种金钗石斛的光响应曲线相似(图 5)。PAR在0~150 μmol m^-2s^-1时，随着光照增强，净光合速率呈线性增强，之后随着PAR增大，净光合速率增长缓慢并趋于稳定。野生金钗石斛的最大净光合速率(P_max)为6.8 μmol CO₂ m^-2s^-1、光补偿点为12.6 μmol m^-2s^-1、光饱和点为720 μmol m^-2s^-1, 而太空诱变金钗石斛的最大净光合速率为4.6 μmol CO₂ m^-2s^-1、光补偿点为18.3 μmol m^-2s^-1、光饱和点为1180 μmol m^-2s^-1(表 3)。太空诱变金钗石斛的光合速率低于野生种。

随着CO₂浓度升高，净光合速率逐渐增强。野生金钗石斛CO₂饱和点为2090 μmol CO₂ m^-2s^-1, 最大Pn为15.4 μmol CO₂ m^-2s^-1；太空诱变金钗石斛CO₂饱和点为2215 μmol CO₂ m^-2s^-1，最大Pn为11.2 μmol CO₂ m^-2s^-1。

2.4 叶绿素

从图 6可见，太空诱变金钗石斛叶片的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量都显著高于野生种的。太空和野生金钗石斛的Chl a/b值相近，分别为2.55和2.57，表现出C₃植物特征。

2.5 生长指标

鲜重和干重是反映植物生长状况的重要指标。结果表明(表 4)，太空诱变金钗石斛的单株鲜重和干重都显著低于野生种，分别降低了47%和67%。但太空诱变的金钗石斛分蘖较多，每盆株数是野生的2.5倍，因而尽管单株生物量降低，每盆总生物量反而增加。

金钗石斛中的主要药用成分是石斛碱和多糖^[2]。结果表明，太空诱变后的金钗石斛茎中总生物碱和多糖含量分别为0.55%和11.26%，野生金钗石斛茎中分别为0.21%和7.63%，太空诱变使金钗石斛总生物碱和多糖含量分别增加了160%和50%，差异显著。

3 讨论

太空中强辐射、弱地磁、超真空和超洁净的特殊空间环境可诱发生物种质材料产生基因变异，产生多样化诱变效果，获得优良新种质，进而通过地面选择育种获得新品种^[10]。光合作用对植物的生长和发育至关重要。叶片光合效率除与叶绿素含量、光照强度、环境温度等因子有关外，还受到叶片厚度、叶片成熟程度、空气湿度、土壤含水量等因子的影响^[16]。叶片是进行光合作用的主要器官，太空诱变后的叶面积较小，导致光合单叶面积降低，而叶片增厚在一定程度上补偿了叶面积降低导致的光合总面积下降。气孔是CO₂等气体进出叶片的门户，太空诱变后的金钗石斛气孔密度和气孔器长、宽都高于野生种，一定程度上增强了气体交换的速率。有研究表明，石斛属植物的光饱和点均很低, 为典型的阴生植物^[17-20]。朱巧玲等^[21-22]的研究表明, 黑毛石斛(Dendrobium williamsonii)、长距石斛(D. longicornu)、束花石斛(D. chrysanthum)和黄花石斛(D. dixanthum)均属于C₃植物类型，具有半阴生植物的特点。吴刚毅等^[23]从光合日变化、光响应曲线、CO₂响应曲线、光合酶活性等指标对金钗石斛、肿节石斛(D. pendulum)、鼓槌石斛(D. chrysotoxum)和密花石斛(D. densiflorum)的光合特性进行研究，结果表明这4种石斛都是半阴生C₃植物。本研究中野生金钗石斛的最大净光合速率与吴刚毅等^[2]的结果(6.06 μmol m^-2s^-1)相近^[23]。光合日变化研究表明, 太空诱变后的金钗石斛和野生种的净光合速率均呈现双峰曲线，符合C₃植物的光合“午休”特点。但太空诱变后金钗石斛的光合能力低于野生种，这可能是太空诱变导致碳同化过程中某些酶活性降低，因此限制了光合作用。有研究表明，太空诱变能明显提高梭梭(Haloxylon ammodendron)、番茄(Lycoper-sicon esculentum)、小桐子(Lycopersicon esculentum)等植物的光合能力，这说明太空诱变对不同植物光合能力的影响是不同的^[24-26]。LCP反映了植物对弱光的利用能力，LSP反映了光合机构暗反应过程对同化力的最大需求量，体现了植物对强光的适应能力^[27-28]。太空诱变金钗石斛的LCP、LSP高于野生的，表明太空诱变降低了金钗石斛对弱光的利用能力，同时提高了金钗石斛对强光的适应能力。两组石斛的CSP均超过1000 μmol mol^-1，表明提高CO₂水平有助于促进植物的光合速率，提高其产量和品质。

金钗石斛经太空诱变后叶绿素a和叶绿素b含量显著升高，导致叶绿素总量升高，增强了叶片吸收、传递和转化光能的能力。研究表明，多数植物(如丹参等)经太空诱变后叶绿素含量表现出升高^[11]，Li等^[29]报道空间诱变后的玉米(Zea mays)叶绿素总含量降低。太空诱变对不同植物株高的影响也不同, 太空诱变的金钗石斛株高明显降低，株型较矮粗。研究表明，航天搭载的桔梗(Platycodon grandiflorus)和二色胡枝子(Lespedeza bicolor)株高明显降低^[30-31], 芝麻(Sesamum indicum)株高明显增加^[32]，洋金花(Datura metel)没有显著变化^[33]。太空诱变降低了金钗石斛叶片的光合能力，也降低了单株的鲜重和干重。但太空诱变后的金钗石斛分蘖能力明显增强, 由于每盆单株数较多，整体的生物量仍然增加。

药用植物育种的目标除了产量，更多注重品质，特别是有效成分(次生代谢物)含量^[10]。生物碱和多糖是金钗石斛中主要的有效成分，因而很大程度上决定了石斛品质。据报道，金钗石斛生物碱含量约为0.41%~0.64%，以石斛碱为主^{[3, 15]}。王再花等^[34]的研究表明，金钗石斛的多糖含量为10%，大多数春石斛品种的多糖含量为10%~25%。据报道，红花(Carthamus tinctorius)、桔梗、甘草(Glycyrrhiza uralensis)等药用植物种子经太空搭载后，抗逆性增强、活性成分提高，品质明显改良^{[10, 30, 35-36]}。本研究结果表明，太空诱变的金钗石斛生物碱和多糖含量均显著高于野生的，大大提升了金钗石斛的品质。