药用植物生态学-第二章药用植物与光的关系20110324

2020/7/111《药用植物生态学》2020/7/112第二章药用植物与光的关系2020/7/113主要内容一、光的性质二、光照强度及其变化三、光谱成分的变化四、日照长度及其变化五、水体和植物群落中的光照情况•第一节光的性质和变化•第二节光与药用植物生态一、光强对药用植物的生态作用二、光质对药用植物的生态作用三、光能的信息作用2020/7/114第一节光的性质和变化2020/7/115一、光的性质太阳辐射光谱——指太阳辐射按波长不同顺序排列，太阳辐射波长范围很广，但占太阳辐射总能量的99%集中在150—4000nm范围内，将太阳辐射光谱分为:紫外光、可见光和红外光三部分。2020/7/1161“A”=0.1nm==1*10^-10m紫外光谱：波长小于380nm可见光谱：波长380~760nm红外光谱：大于760nm白光红760-620nm;橙626-595nm;黄595-575nm;绿575-490nm;蓝490-435nm;紫435-380nm2020/7/1172020/7/118全部太阳辐射中紫外线占1%2020/7/119生理辐射或光合有效辐射——指在太阳辐射光谱中，能直接参与植物光合作用，被植物吸收固定的太阳辐射。波长范围400-700nm橙红光600-700nm对植物的光合作用具有最大活性，其次是400-470nm蓝紫光，而对绿光的吸收较少。2020/7/1110二、光照强度及其变化光照强度——用光产生的热效应来测量。太阳辐射强度——指垂直于太阳光的单位面积（1m2）、单位时间(1min)的黑体上所获得的太阳总热量。单位(卡/cm2.min)太阳常数——指在地球大气上界垂直于太阳光的平面上所接受的太阳辐射强度为1.94卡/cm2.min1.94卡/cm2.min2020/7/1111影响太阳辐射的因素大气层—吸收、反射和散射太阳高度角—平行光束射向地面的太阳辐射与地面的交角纬度影响——赤道向两极随纬度的增加，太阳高度角减小，太阳辐射减弱海拔高度——随海拔高度升高而增强地形地貌——地面朝向和坡度2020/7/11122020/7/11132020/7/11142020/7/1115三、光谱成分的变化太阳辐射光谱受大气层吸收、散射等影响，光谱成分会发生变化。原因：大气层对不同波长的光谱的吸收和散射不同，具有选择性。大气对波长较短的辐射光谱的散射作用较强，随高度角的增加，紫外线和可见光的比例增加，红外线比例减小。为什么？2020/7/1116•日照长度——指每天太阳的可照时数，即昼长。四、日照长度及其变化日照长度随不同纬度和季节有规律地变化着，重复作用于植物，形成了与长短日照相适应的植物类型。长日照植物——每天日照时间在12h以上(黑夜短于12h)才能开花的植物。短日照植物——需要一定的短日照(通常每天12h以上黑夜)才能开花的植物。2020/7/1117五、水体和植物群落中的光照情况水体表面反射深处吸收水体中的辐射强度减弱，光谱组成发生变化影响水体中植物的分布变化2020/7/1118植物群落中的光照情况1、植物叶片对太阳辐射的吸收、反射和透过——吸收约占70%，反射占20%，透过约占2-10%。若叶片的性质及光波长不同，则反射、吸收和透过的程度不同。叶片也具有选择吸收特性。透过主要取决于叶片结构和厚度。红外光和绿光的透过较强。2、辐射在树冠中的分布——在树冠剖面上分为三层：光线充足外层、关照强度逐渐减弱的中层、光照不足的内层。3、辐射在植物群落中的分布——照射在群落上的太阳光，可分为三部分：一部分被吸收，一部分被反射，另一部分穿过间隙射入群落内部。2020/7/1119•植物种类、群落结构、季节不同，则这三部分光的比例不同。•特点：1、光照强度明显比群落外部弱。2、随季节不同，群落内部光照变化大。3、光质改变。群落中的植物具有分层的现象。2020/7/1120第二节光与药用植物生态2020/7/1121一、光强对药用植物的生态作用二、光质对药用植物的生态作用三、光能的信息作用主要内容2020/7/1122一、光强对药用植物的生态作用1、植物对光能的利用太阳能化学能植物光合作用CO2/O2扩散交换光反应吸收能量的光化学过程暗反应与光照无关的光能转移过程2020/7/1123二氧化碳同化（CO2assimilation）——简称碳同化，是指植物利用光反应中形成的同化力(ATP和NADPH)，将CO2转化为碳水化合物的过程。二氧化碳同化是在叶绿体的基质中进行的，有许多种酶参与反应。高等植物的碳同化途径有三条，即C3途径、C4途径和CAM（景天酸代谢）途径。2020/7/1124C3途径•1946年，美国加州大学放射化学实验室的卡尔文(M.Calvin)和本森(A.Benson)等人采用了两项新技术：(1)14C同位素标记与测定技术(可排除原先存在于细胞里的物质干扰，凡被14C标记的物质都是处理后产生的)；(2)双向纸层析技术(能把光合产物分开)。选用小球藻等单细胞的藻类作材料，藻类不仅在生化性质上与高等植物类似，且易于在均一条件下培养，还可在试验所要求的时间内快速地杀死。•经过10多年周密的研究，卡尔文等人终于探明了光合作用中从CO2到蔗糖的一系列反应步骤，推导出一个光合碳同化的循环途径，这条途径被称为卡尔文循环或卡尔文/本森循环。由于这条途径中CO2固定后形成的最初产物PGA为三碳化合物，所以也叫做C3途径或C3光合碳还原循环(C3photosyntheticcarbonreductioncycle,C3PCR循环)，并把只具有C3途径的植物称为C3植物(C3plant)。•此项研究的主持人卡尔文获得了1961年诺贝尔化学奖。2020/7/1125C4途径——在某些热带或亚热带起源的植物中，CO2最初固定于叶肉细胞，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的催化下将CO2连接到磷酸烯醇式丙酮酸上生成四碳化合物—草酰乙酸，经胞间连丝运向维管束鞘细胞，参与卡尔文循环，合成同化产物的途径。2020/7/1126碳四途径包括4个步骤：（1）羧化，叶肉细胞的细胞质中的磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）羧化，把CO2固定为草酰乙酸（OAA），后转变为C4酸（苹果酸或天冬氨酸）；（2）转移，C4酸转移到维管束鞘细胞；（3）脱羧与还原，维管束鞘细胞中的C4酸脱闳产生CO2，CO2再通过卡尔文循环被还原为糖类；（4）再生，C4酸脱羧形成的C3酸（丙酮酸或丙氨酸）再运回叶肉细胞再生成PEP。2020/7/1127——夜间吸收大量的二氧化碳产生苹果酸，白天苹果酸中的二氧化碳释放出来用于光合作用的植物。CAM（景天酸代谢）途径景天酸代谢植物（CAM-植物Crassulaceanacidmetabolism(CAM)）属于C4类植物。代表性的植物有仙人掌,凤梨和长寿花。2020/7/1128•光照与植物的黄化现象——多数植物在黑暗中生长时呈现黄色和其他变态特征的现象。植物在暗中不能合成叶绿素，显现出类胡萝卜素的黄色；节间伸长很快;叶片不能充分展开和生长;根系、维管束和机械组织不发达。2、光照强度对药用植物的生态作用2020/7/1129光补偿点lightcompensationpoint——植物的光合强度和呼吸强度达到相等时的光照度值。在光补偿点以上，植物的光合作用超过呼吸作用，可以积累有机物质。2020/7/1130光饱和点——光强超过补偿点后，随光强的增加，光合效率仍继续增加，一旦当光强增至某一数值，光合作用达最大值，再增加光强，光合效率也不会提高，这是的光强称光饱和点。2020/7/11313、药用植物对光照强度适应的生态类型阳性植物阴性植物耐阴植物生态类型——光补偿点饱和点较高——光补偿点饱和点较低——耐阴强弱与生长环境有关2020/7/1132阳性植物和阴性植物的区别•植株生长状态的区别•茎形态结构的区别•叶形态结构的区别•生理的区别2020/7/1133了解光生态类型对药用植物栽培中的指导作用•根据光照条件选择不同的栽培品种•根据药用植物的需光性确定栽种方式——确定选地、栽培措施等。•如:间作套种\引种驯化等都有重要的指导作用.•阴性植物选背阴地段，在一定条件下人工遮阴，如三七、西洋参等植物的栽培。2020/7/11344、光强对药用植物分布的影响•植物在长期不同光照环境下的适应，形成以光强为主导因子的三个生态类型：阳性植物——多生长在路边、草原、沙漠、平原。阴性植物——多生长在阴暗、潮湿的生境，森林内部或背阴的山涧。耐阴植物——分布的生境较广，如桔梗、党参等。三个生态类型分布2020/7/1135日照时数•一天内太阳直射光线照射地面的时间，以小时为单位。•光强一般用日照时数来表示。•我国日照时数与太阳总辐射的分布有相似的趋势。2020/7/11362020/7/1137二、光质对药用植物的生态作用•1、光质对药用植物生长的影响•2、光质与植物的光合作用的关系•3、光质与药用植物分布的影响2020/7/11381、光质对药用植物生长的影响蓝紫光青光——抑制植物的伸长生长，使植物形成短粗的形态。蓝紫光支配细胞分化，激活光合作用中同化CO2的酶类，影响植物向光性。——波长较长的光（红光橙光黄光）仅被叶绿素所吸收，而蓝光和紫光能被叶绿素和类胡萝卜素吸收。2020/7/1139红、橙光——促进茎延长生长，红光还能促进CO2的分解和叶绿素的形成，有利于碳水化合物的合成。紫外线——引起向光性的敏感和促进青花素的形成，高山植物具有茎杆短矮、叶面缩小毛茸发达叶绿素增加茎叶富含青花素，花色鲜艳等特征。这就是高山上的短波光及紫外线较多的缘故。红外线——主要是间接反应在热效应上。2020/7/11402、光质与植物的光合作用的关系红光下的光合强度比在蓝紫光下的大。——原因是光化反应的强度主要决定于量子的数目，相同的能量的红光所带的量子数较多。绿光为生理无效光——原因是蓝光紫光是短波光被叶绿、胡萝卜素强烈吸收，能转给叶绿素进行光合作用，而绿光很少被吸收。2020/7/11413、光质与药用植物分布的影响•不同高山、纬度的光照不同，形成不同的植物分布类型。•如高山紫外线较多，呈现出特色的高山药用植物。•如水体中，呈现有规律的垂直分布。2020/7/1142三、光能的信息作用•植物的光周期现象——指日照的长短对于植物的生长发育的反应，是植物发育的一个重要的因素．•植物光周期类型——长日植物、短日植物、中日性植物、日中性植物。2020/7/1143•长日植物——种植物都有它特定的临界日长，植物每天日照时间长于它的临界日长就开花，短于它的临界日长就不开花，这类植物就是长日植物。例如天仙子，日照时间长于11.5h就能开花。因而天仙子是长日植物，它的临界日长是11.5h。天仙子甚至在连续日照下也能开花。其他长日植物，如小麦（冬）临界日长12h，菠菜13h，燕麦9h等。长日植物多在仲夏开花。药用植物有：牛蒡、紫菀、莨菪、菘蓝等。2020/7/1144•短日植物——这种植物在日照长度短于某一定临界值时才能够开花，对于这种植物适当缩短光照，延长黒暗，可提早开花，在临界日长内，延长光照，就延迟开花，如果光照时数大于临界日长，就不进行花芽分化，不开花。短日照植物有大豆、紫苏、晚稻、苍耳、菊、烟草、一品红、落地生根等。2020/7/1145•中日性植物——•只有在某一特定的日照长度下才能开花，如甘蔗只有在11.5~12.5h的日照长度下才能开花，若延长或缩短这一日照长度都抑制其开花，这类植物称为中日性植物。2020/7/1146•日中性植物——•这种植物开花对日照长度没有特殊的要求，在任何日照长度下均能开花，因此可四季种植，这种植物开花受自身发育状态的控制。日中性植物包括蕃茄、四季豆、菜豆、蒲公英、月季、长春花等。2020/7/1147•临界日长——引起植物开花的最小（长日植物）或最大日照长度（短日植物）。•长日植物和短日植物的区别，在于各自对临界日长的反应。2020/7/1148形成光周期的主要因素•1、地球自转速度•2、季节和纬度•3、地表上的太阳光波组成的变动