LED光質(zhì)補(bǔ)光對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)和光合特性的影響

蘇娜娜 鄔 奇 崔 瑾

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210095）

育苗是蔬菜設(shè)施栽培中的重要環(huán)節(jié)，生產(chǎn)實(shí)踐中常使用植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等化學(xué)物質(zhì)調(diào)節(jié)幼苗的生長(zhǎng)，造成蔬菜污染，影響人類(lèi)健康（王云濱，2010）。研究開(kāi)發(fā)安全環(huán)保、經(jīng)濟(jì)有效的育苗技術(shù)是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展所面臨的重要課題。利用光調(diào)控技術(shù)來(lái)培育幼苗是一項(xiàng)環(huán)保有效且簡(jiǎn)便易行的新技術(shù)，優(yōu)勢(shì)突出。有研究表明，不同波長(zhǎng)的光對(duì)植物影響廣泛，不僅影響種子萌發(fā)（Dissanayake et al.，2010），根、莖、葉的生長(zhǎng)（Muleo & Morini，2006；Iacona & Muleo，2010；Macedo et al.，2011），葉片衰老（王虹 等，2010），還影響植物的基因表達(dá)（Azari et al.，2010）以及次生代謝（王旺田 等，2010）等。例如，藍(lán)光可以抑制黃瓜（孫莉莉 等，2011）、青蒜苗（楊曉建，2011）、番茄和萵苣（張歡 等，2010）等多種蔬菜幼苗莖的伸長(zhǎng)；紅光可以增加葉用萵苣（陳文昊 等，2011）、油麥菜（唐永康 等，2010）等多種蔬菜的葉面積。

發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）作為第4 代新型照明光源，不僅具有體積小、壽命長(zhǎng)、耗能低、波長(zhǎng)固定與低發(fā)熱等優(yōu)點(diǎn)（Choi et al.，2003；Guo et al.，2008），而且還能根據(jù)植物生長(zhǎng)需要進(jìn)行發(fā)光光譜的精確配置，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光源無(wú)法替代的節(jié)能、環(huán)保和空間高效利用等功能（楊其長(zhǎng)，2008），被認(rèn)為是21世紀(jì)農(nóng)業(yè)與生物領(lǐng)域最有前途的人工光源（崔瑾 等，2008），具有良好的發(fā)展前景（Kim et al.，2004），在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用正逐漸受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。

目前國(guó)內(nèi)在工廠(chǎng)化育苗領(lǐng)域，LED光質(zhì)補(bǔ)光的應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究較為薄弱，限制了這項(xiàng)技術(shù)在生產(chǎn)上的廣泛應(yīng)用。因此，全面深入地研究蔬菜工廠(chǎng)化育苗LED光調(diào)控技術(shù)及其應(yīng)用機(jī)理，對(duì)于設(shè)施栽培產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。黃瓜（Cucumis sativusL.）作為主要蔬菜，在生物學(xué)特征、需光特性、光形態(tài)建成、光合特性等方面具有典型性。且黃瓜基因組的精細(xì)圖已繪制，是進(jìn)一步開(kāi)展分子生物學(xué)研究的良好材料。本試驗(yàn)以黃瓜幼苗為材料，研究了育苗階段的光質(zhì)補(bǔ)光對(duì)其生長(zhǎng)和光合特性的影響，相關(guān)結(jié)果不僅可以拓展植物光生物學(xué)理論研究，而且對(duì)發(fā)展其他蔬菜的工廠(chǎng)化設(shè)施育苗有借鑒價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為黃瓜幼苗，品種為津春4號(hào)，種子購(gòu)于南京市神州種業(yè)。

1.2 培養(yǎng)條件

試驗(yàn)于2011年3～10月在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院植物光生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。黃瓜種子浸泡4 h后置于25℃培養(yǎng)箱中催芽，出芽后的種子播于營(yíng)養(yǎng)缽（6.5 cm×6.5 cm）中育苗，基質(zhì)為蛭石∶草炭（1V∶1V），每組處理25 缽。幼苗置于LED 冷光源培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)箱內(nèi)相對(duì)濕度為（75±5）%，溫度為（28±1）℃，黑暗（23±1）℃，培養(yǎng)周期為35 d。

1.3 光質(zhì)處理

LED 冷光源培養(yǎng)箱（寧波海曙賽福實(shí)驗(yàn)儀器廠(chǎng)）具頂置LED光源，培養(yǎng)箱光譜能量分布主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1（由于目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)LED 產(chǎn)品中UV-B 價(jià)格昂貴且不易購(gòu)買(mǎi)，故用UV-B 紫外窄譜燈管替代），調(diào)節(jié)電流以及光源與植株的距離，使光照強(qiáng)度為（50±3）μmol·m-2·s-1。光照強(qiáng)度用照度計(jì)（Hansatech，UK）進(jìn)行測(cè)定。對(duì)照組（CK）每天12 h 白光+12 h 黑暗。設(shè)5個(gè)補(bǔ)光處理組（表1），每天12 h 白光+4 h光質(zhì)補(bǔ)光+8 h 黑暗，補(bǔ)光光質(zhì)分別為白光（W）、紅光（R）、藍(lán)光（B）、紫外光（UV-B）、紅/藍(lán)1∶1（R/B 1∶1）（圖1）。

表1 不同LED光譜能量分布的主要技術(shù)參數(shù)

圖1 LED光培養(yǎng)小區(qū)示意圖

1.4 指標(biāo)測(cè)定

用直尺測(cè)定株高、根長(zhǎng)，用游標(biāo)卡尺測(cè)定莖基部作為莖粗；葉面積用便攜式葉面積儀Li-3000C（gene company limited）測(cè)量；干、鮮質(zhì)量用電子天平測(cè)定。測(cè)定時(shí)各處理的幼苗均隨機(jī)取樣。

壯苗指數(shù)=莖粗/株高×全株干質(zhì)量（張振賢 等，1993）

葉綠素含量采用乙醇∶丙酮（1∶1）提取法（郝建軍和劉延吉，2001）測(cè)定，根系活力采用TTC 法（王學(xué)奎，2006）測(cè)定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法（李合生，2000）測(cè)定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)法（王學(xué)奎，2006）測(cè)定，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑比色法（郝再彬 等，2005）測(cè)定，過(guò)氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法（郝再彬 等，2005）測(cè)定，過(guò)氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法（王學(xué)奎，2006）測(cè)定，MDA含量采用TBA 顯色反應(yīng)法（王學(xué)奎，2006）測(cè)定，葉綠素?zé)晒鈪?shù)采用FMS-2 葉綠素?zé)晒鈨x（Hansatech，UK）測(cè)定。

所有測(cè)試指標(biāo)均3次重復(fù)，隨機(jī)取樣，采用Excel 2003 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析，顯著性由Duncan’s 新復(fù)極差法檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 LED光質(zhì)補(bǔ)光對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)的影響

圖2 LED光質(zhì)補(bǔ)光對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)的影響

表2 LED光質(zhì)補(bǔ)光對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)的影響

由圖2和表2可以看出，與對(duì)照相比，各補(bǔ)光處理均顯著提高了黃瓜幼苗的真葉數(shù)和干質(zhì)量；除UV-B處理外，其余光質(zhì)處理均顯著提高了黃瓜幼苗的葉面積、莖粗和鮮質(zhì)量；白光、紅光和藍(lán)光處理顯著提高了黃瓜幼苗的株高。紅光處理下黃瓜幼苗的真葉數(shù)、葉面積、株高和干鮮質(zhì)量均達(dá)到最大，且顯著高于對(duì)照。

表3表明，與對(duì)照相比，除UV-B處理外，其余各光質(zhì)處理均顯著提高了黃瓜幼苗的根系活力；紅光處理顯著提高了黃瓜幼苗的壯苗指數(shù)?？梢?jiàn)，紅光處理顯著提高了黃瓜幼苗的根系活力和壯苗指數(shù)，有利于培育壯苗。

表3 LED光質(zhì)補(bǔ)光對(duì)黃瓜幼苗素質(zhì)的影響

2.2 LED光質(zhì)補(bǔ)光對(duì)黃瓜幼苗生理特性的影響

表4表明，與對(duì)照相比，紅光處理顯著提高了黃瓜幼苗SOD 的活性，降低了POD 的活性，增加了可溶性蛋白的含量；藍(lán)光處理顯著提高了黃瓜幼苗CAT 的活性，增加了MDA 和可溶性蛋白的含量；紅/藍(lán)（1∶1）處理顯著提高了黃瓜幼苗CAT 的活性，增加了可溶性蛋白的含量；各光質(zhì)補(bǔ)光處理均顯著降低了黃瓜幼苗游離氨基酸的含量；另外，白光處理顯著提高了黃瓜幼苗CAT 的活性，增加了可溶性糖的含量，但顯著降低了POD 的活性；UV-B處理顯著增加了黃瓜幼苗可溶性蛋白的含量，但顯著降低了POD 的活性和MDA 的含量。

表4 LED光質(zhì)補(bǔ)光對(duì)黃瓜幼苗生理特性的影響

2.3 LED光質(zhì)補(bǔ)光對(duì)黃瓜幼苗色素含量及葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h3>

由表5可知，與對(duì)照相比，UV-B處理黃瓜幼苗葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類(lèi)胡蘿卜素的含量都顯著提高，但Fv/Fm 顯著降低；白光處理黃瓜幼苗葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量、類(lèi)胡蘿卜素的含量和ETR 均顯著降低；藍(lán)光處理黃瓜幼苗葉綠素b 的含量顯著提高；紅∶藍(lán)（1∶1）處理黃瓜幼苗ФPSⅡ顯著降低。

表5 LED光質(zhì)補(bǔ)光對(duì)黃瓜幼苗葉片色素含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

3 結(jié)論與討論

3.1 LED光質(zhì)補(bǔ)光對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)的影響

與對(duì)照相比，除UV-B處理外，其他光質(zhì)補(bǔ)光處理的黃瓜幼苗的真葉數(shù)、葉面積、莖粗、干鮮質(zhì)量和根系活力均顯著提高。Li 等（2011）研究發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)在16 h 下的柴胡比生長(zhǎng)在短日照下的柴胡具有更多的光敏色素基因表達(dá)量和更長(zhǎng)的莖，且兩者具有一致性。說(shuō)明長(zhǎng)日照更利于幼苗體內(nèi)紅光/遠(yuǎn)紅光受體光敏色素的生成。本試驗(yàn)也證明16 h 的光照周期更利于黃瓜幼苗的生長(zhǎng)，說(shuō)明4 h 的補(bǔ)光更利于黃瓜壯苗的培育。

光質(zhì)處理之間存在顯著差異。紅光處理的黃瓜幼苗的真葉數(shù)、葉面積、株高和鮮質(zhì)量均最高，且顯著高于對(duì)照；藍(lán)光處理的黃瓜幼苗莖粗達(dá)到最大且顯著高于對(duì)照。表明紅光利于葉的生長(zhǎng)和莖的伸長(zhǎng)，藍(lán)光利于莖的增粗，這與Poudel 等（2008）、Barre 等（2010）對(duì)葡萄幼苗和黑麥草的研究結(jié)論一致。這種現(xiàn)象可能與紅藍(lán)光調(diào)節(jié)植物體內(nèi)激素的分配有關(guān)，紅光促進(jìn)赤霉素（GA）在莖葉中的積累（Drozdova et al.，2000），抑制生長(zhǎng)素（IAA）的生成，從而增加了頂端優(yōu)勢(shì)（Poudel et al.，2008），促進(jìn)莖葉伸長(zhǎng)；藍(lán)光促進(jìn)莖中細(xì)胞分裂素（cytokinins）和IAA 的積累（Drozdova et al.，2000），增加莖粗。

3.2 LED光質(zhì)補(bǔ)光對(duì)黃瓜幼苗生理特性的影響

本試驗(yàn)中紅光處理的黃瓜幼苗葉片中SOD 的活性顯著提高，POD 的活性顯著降低，造成植株中H2O2的積累。Wang 等（2010）研究發(fā)現(xiàn)紅光處理后的黃瓜幼苗含有較多的H2O2和水楊酸，使黃瓜幼苗對(duì)白粉菌的抗性增強(qiáng)，說(shuō)明紅光能提高黃瓜幼苗葉片中部分抗氧化酶類(lèi)的活性，增加幼苗的抗逆性，降低幼苗脂質(zhì)過(guò)氧化的程度，利于黃瓜幼苗的生長(zhǎng)。各光質(zhì)補(bǔ)光處理均顯著降低了黃瓜幼苗葉片中游離氨基酸的含量，同時(shí)，除白光處理外，其他光質(zhì)補(bǔ)光顯著提高了黃瓜幼苗葉片中可溶性蛋白的含量，說(shuō)明光質(zhì)補(bǔ)光有利于游離氨基酸向可溶性蛋白的轉(zhuǎn)化。植物葉片中可溶性蛋白一半以上是Rubisco，且王虹等（2010）指出葉綠素和可溶性蛋白的含量可以反映植物葉片的抗衰老能力，表明除白光處理外的光質(zhì)補(bǔ)光顯著提高了黃瓜幼苗的抗衰老能力和光合能力。

3.3 LED光質(zhì)補(bǔ)光對(duì)黃瓜幼苗光合特性的影響

UV-B處理的黃瓜幼苗葉片中葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素含量最高，但UV-B處理的葉面積較小。說(shuō)明UV-B 并不能影響葉片中葉綠素的濃度，但可以通過(guò)葉面積來(lái)調(diào)節(jié)植株中葉綠素的總量。藍(lán)光處理顯著提高了黃瓜幼苗葉片中葉綠素b 的含量，這與Puapa 等（2008）的研究結(jié)果一致，可能與藍(lán)光受體隱花色素有關(guān)。

UV-B處理的黃瓜幼苗葉片F(xiàn)v/Fm 顯著低于對(duì)照，其他處理間無(wú)顯著差異，都在0.8 左右。Fv/Fm 是指沒(méi)有遭受環(huán)境脅迫并經(jīng)過(guò)充分暗適應(yīng)的植物葉片PSⅡ最大的或潛在的量子效率指標(biāo)，是比較恒定的，在高等植物中往往接近于0.8，它的降低常常反映了植物PSⅡ受損傷的程度（韓張雄 等，2011）。說(shuō)明UV-B 對(duì)黃瓜幼苗葉片的光合系統(tǒng)Ⅱ造成了一定傷害，阻礙了光合系統(tǒng)Ⅱ的電子傳遞速率（ERT）。

3.4 LED光質(zhì)補(bǔ)光在蔬菜工廠(chǎng)化育苗中的應(yīng)用前景

育苗是蔬菜生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，由于幼苗的形態(tài)建成是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的過(guò)程，培育出的幼苗的健壯程度將直接影響植株的生長(zhǎng)發(fā)育，并與作物的產(chǎn)量和品質(zhì)密切相關(guān)（汪俏梅，2000）。隨著LED 技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用LED 技術(shù)進(jìn)行苗期光質(zhì)補(bǔ)光，能顯著提高幼苗素質(zhì)，在工廠(chǎng)化育苗過(guò)程中將有廣闊的應(yīng)用前景。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，與未補(bǔ)光處理相比，在黃瓜育苗期間，每天4 h 的白光、紅光、藍(lán)光和紅/藍(lán)（1∶1）補(bǔ)光顯著促進(jìn)了黃瓜幼苗的生長(zhǎng)，不同光質(zhì)對(duì)黃瓜幼苗的生長(zhǎng)和光合特性的影響具有一定差異。整體而言，紅光較適合作為黃瓜育苗的補(bǔ)光光質(zhì)。今后應(yīng)進(jìn)一步深入研究光量、光質(zhì)、光周期的協(xié)同效應(yīng)，光質(zhì)參數(shù)的優(yōu)化，植物光形態(tài)建成機(jī)制以及光環(huán)境結(jié)合其他環(huán)境因素對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響等問(wèn)題，這些方面的研究不僅是光生物學(xué)理論研究的熱點(diǎn)，也可以為蔬菜工廠(chǎng)化育苗中光環(huán)境調(diào)控技術(shù)的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

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