紅藍LED光對水稻秧苗形態(tài)建成的影響

劉曉英 焦學(xué)磊 徐志剛 陳 彬

(1南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江蘇南京 210095;2南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，江蘇南京 210095)

光是自然界中影響植物生長和發(fā)育最重要的環(huán)境因子之一，對植物的生長發(fā)育、形態(tài)建成、光合作用、物質(zhì)代謝以及基因表達均有調(diào)控作用，而且還作為環(huán)境信號調(diào)節(jié)植物整個生命周期［1］。隨著光電技術(shù)的不斷發(fā)展，LED光源在植物栽培領(lǐng)域的研究逐漸受到世界各國研究人員的重視。特別是紅藍光在植物照明中的研究應(yīng)用，已經(jīng)取得了一定的成果。有研究表明，紅、藍光可以通過增加凈光合速率以提高植物的生長和發(fā)育。紅光有利于單株總?cè)~面積和總莖長的增加［2］，藍光能提高植株幼苗根系活力、總吸收面積和活躍吸收面積［3，4］。而不同種類的植物、不同發(fā)育年齡或器官對同一光質(zhì)的反應(yīng)不盡相同，表現(xiàn)出光質(zhì)生物學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性［5］。另外，紅藍復(fù)合光在某些植株及形態(tài)指標上比單一紅藍光表現(xiàn)出一定的優(yōu)越性，如Hahn等［6］研究發(fā)現(xiàn)，單一紅光或藍光LED處理的毛地黃組培苗出現(xiàn)徒長現(xiàn)象，但是在紅藍LED復(fù)合光下生長健壯。

水稻是世界三大糧食作物之一，是我國最主要的糧食作物。水稻是喜光作物，只有在充足的直射陽光下才能生長健壯，光照的強弱和光照時數(shù)的長短決定著水稻生長的快慢、生育期的長短、開花結(jié)實的好壞及產(chǎn)量的高低［7，8］。水稻秧苗質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響最終的產(chǎn)量和質(zhì)量，培育壯苗是生產(chǎn)上的一個重要環(huán)節(jié)，而工廠化育苗是培育水稻壯苗的的一種重要方式。

工廠化育苗光照條件完全是人工光源，為培育良好的壯苗，植株培育的光照標準的建立是非常重要的。不同光質(zhì)對水稻生長發(fā)育影響研究表明藍光比白光對水稻秧苗株高具有更強的抑制作用［10］。郭銀生等［11］研究指出紅光能顯著提高三葉期水稻秧苗的莖基直徑、壯苗指數(shù)以及五葉期葉片的可溶性糖和淀粉含量;紅藍復(fù)合光顯著提高三葉期幼苗的根數(shù)、莖基直徑、壯苗指數(shù)、根系活力和可溶性糖含量，以及五葉期幼苗的鮮、干質(zhì)量、壯苗指數(shù)、葉片可溶性糖和蔗糖含量;黃光可在幼苗生長初期明顯增加株高，提高葉片色素含量。

雖然近幾年國內(nèi)外研究人員利用不同光質(zhì)對植物的生長發(fā)育影響已經(jīng)進行了深入的研究，但在國內(nèi)利用LED光源研究對水稻育秧的報道也較少，采用不同配比的LED光對水稻影響的文獻更少報道，利用高純度、波長可控的LED光源研究其對水稻育秧的生長有非常重要的意義。本研究采用新型LED光源，采用不同配比紅藍LED作為水稻育秧光源，通過測定水稻秧苗的干鮮重、莖粗、株高、根數(shù)、根長、葉片數(shù)等指標，研究不同配比的紅藍LED光源對水稻秧苗形態(tài)建成的影響，以期為水稻工廠化育苗光控標準的建立提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與光處理

試驗材料由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻所提供的‘寧粳1號’，育苗基質(zhì)為草炭和蛭石 (體積比為1:1)，待水稻秧苗出苗時，以自然光為對照 (CK)，分別置于紅光 (R)、紅藍7:4(RB74)、紅藍組合光1:1(RB11)、紅藍組合光4:7(RB47)、藍光(B)照射，紅光的峰值波長為660nm，藍光的峰值波長為450nm，紅藍光的比值為光通量之比。光周期為12h/d;光通量密度均設(shè)為220μmolm－2s－1;晝/夜溫度為28℃/18℃;環(huán)境濕度為60%－80%。

1.2 測定指標與方法

光照30天后，隨機選取3株進行水稻秧苗形態(tài)指標的測定。測定的形態(tài)指標主要有:干鮮重、株高、莖粗、葉片數(shù)、比葉面積、根數(shù)、根長。用直尺測量株高、根長;用游標卡尺測量莖粗;根數(shù)和葉片數(shù)用人工數(shù);用萬分之一天平稱得植株地上部和地下部的鮮質(zhì)量，然后將鮮樣置于105℃殺青處理15min，80℃高溫處理至恒重，再分別稱取地上部和地下部的干重;采用打孔稱重法測得比葉面積，計算公式為:比葉面積=葉面積/葉片鮮質(zhì)量;壯苗指數(shù)計算公式:壯苗指數(shù)=莖粗×鮮重/株高。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel2007和SAS8.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析，采用Duncan’s新復(fù)極差法進行多重比較顯著水平a=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅藍LED光對水稻秧苗鮮重的影響

如表1顯示，與CK相比，含有紅光的LED處理水稻秧苗的地上部鮮重、地下部鮮重和總重都有了明顯的增加，而B處理則無顯著變化。其中RB74和RB11處理各部分的鮮重在數(shù)值略大些。而干重則不同，LED光處理的地上部、地下部干重和總干重都大于CK，RB74處理的干重顯著大于除RB47處理之外的其他處理，同樣，B處理干物質(zhì)積累較其他LED光處理較小。此研究表明在環(huán)境條件可控的條件下育秧好于自然條件下，育秧紅藍LED光源需要有紅光，具紅光比例較大有利于生物量的積累。

表1 紅藍LED光對水稻秧苗生物量的影響Table 1 Effect of red and blue LED light on rice seedling fresh weight

2.2 紅藍LED光照對水稻秧苗形態(tài)指標參數(shù)的影響

如圖1(a)顯示，不同配比的紅藍LED光對水稻秧苗的株高有顯著影響，與CK相比，所有LED光處理的株高都顯著增高，其中R處理的株高最高，顯著地大于其他處理，B處理的株高顯著地低于其他LED光處理，紅藍復(fù)合LED光處理的株高無顯著差異。數(shù)據(jù)表明，紅光有明顯的促進株高伸長的作用，而藍光有矮化植株的作用。

如圖1(b)顯示，水稻秧苗葉片數(shù)在不同光處理下顯著不同，與CK相比，LED光處理的葉片數(shù)顯著增多，其中RB47和RB74處理增多比例幅度大，顯著大于其他處理，其他LED處理間無顯著差異。數(shù)據(jù)表明，環(huán)境可控的紅藍復(fù)合光能促進水稻秧苗葉片的生長。

如圖1(c)顯示，隨著紅藍光LED光中紅光比例的減少，水稻秧苗莖粗先增粗后變細，RB74處理的莖粗最粗，但其RB11和RB47的莖粗無顯著差異，而比單色的R和B處理的莖粗顯著粗些。數(shù)據(jù)表明，紅藍復(fù)合光有利于水稻秧苗莖粗增粗。

如圖1(d)(e)顯示，與CK相比，各LED光處理的根長無顯著變化，各LED處理根長之間也無顯著差異，但對根數(shù)卻有顯著變化，RB74和RB11的根數(shù)顯著增多，約增加了60%，而B處理的根數(shù)略有減少，平均只有11根左右。數(shù)據(jù)表明，單色藍光對水稻秧苗根的生長有抑制作用。

如圖1(f)顯示，不同光處理對比葉面積也有顯著影響，有藍光的處理比單色R處理的比葉面積值大，且RB74，RB47和B處理顯著增大。說明，藍光有對葉片增厚的作用。

圖1 紅藍LED光對水稻秧苗形態(tài)指標的影響

2.3 紅藍LED光對水稻秧苗根冠比和壯苗指數(shù)的影響

圖2 紅藍LED光對水稻秧苗根冠比的影響Fig.2 Effect of red and blue LED on the ratio of root and shout of rice seedings

如圖2，3顯示，不同配比的紅藍LED光對水稻秧苗的根冠比有顯著影響，跟CK相比，所有LED光處理的根冠比都顯著變小，但各處理之間根冠比無顯著差異。在不同光處理下，植株的健壯程度也顯著不同，除單色B處理處，所有LED光處理秧苗的壯苗指數(shù)都顯著大于CK處理，且RB74壯苗指數(shù)最大。數(shù)據(jù)表明，LED光處理有利于地上部生物量積累，且RB74光照比例可以使水稻秧苗更健壯。

圖3 紅藍LED光對水稻壯苗指數(shù)的影響Fig.3 Effect of red and blue LED on the healthy index of rice seedings

3 討論和結(jié)論

高效、優(yōu)質(zhì)的水稻秧苗具有合適的株高、良好的分蘗性狀、葉片、莖粗和根系發(fā)育良好的壯苗光形態(tài)特征。植物受光誘導(dǎo)和調(diào)節(jié)發(fā)育的過程稱植物的光形態(tài)建成［12］。光形態(tài)建成是依賴光照控制細胞的分化、結(jié)構(gòu)和功能的改變，最終匯集成組織和器官的建成。它是一個低能的反應(yīng)，光作為環(huán)境信號去激發(fā)光受體，推動細胞內(nèi)一系列反應(yīng)，最終表現(xiàn)為形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化。

光質(zhì)顯著地影響著植物的光形態(tài)建成。很多研究表明，紅光顯著地影響植物的莖的伸長和生物量的積累等方面。在1W/m2較弱的各種光下，高粱的生長都受到抑制，其中胚軸的延長生長受紅光的抑制作用比藍光強的多;紅光對黃瓜和歐白芥幼苗下胚軸生長的抑制效應(yīng)大于藍光;紅光和藍光都促進六天齡黃瓜子葉的生長，鮮重增加和面積擴大，且紅光效應(yīng)遠遠大于藍光效應(yīng)［13］，倪紀恒等［14］研究表明，紅光能夠促進水稻秧苗莖的生長，有利于干物質(zhì)的積累，促進同化產(chǎn)物向營養(yǎng)器官的分配。本研究在紅光條件下跟前人的研究結(jié)果相同，紅光對水稻秧苗莖的伸長有顯著作用，這也與Nhut等［15］對草莓的研究結(jié)果相似，在紅光下生長的草莓幼苗莖和葉柄明顯伸長。郭雙生等［16］也研究表明，在生菜植株生長的早期用LED紅光照射可使其莖細長。紅光也顯著提高了水稻秧苗的根長。這與Rey等［17］認為紅光可有效促進根形態(tài)建成的結(jié)論相符。

藍光也顯著地影響著植物的光形態(tài)建成。有研究表明，藍光條件下培育的作物幼苗發(fā)根數(shù)目多，根系粗壯，生物量大［18－20］。Kurilik 等［21］研究得出，藍光可以增大菊花干重與鮮重比率;鄧江明等［22］報道，藍光處理的水稻秧苗葉片展開早使得幼苗在生長初期接收的光量多。Sasakawa等［23］指出藍光的光感受器在水稻葉片尖端的0.5－2.0cm范圍內(nèi)，有利于葉片的展開。本試驗表明，與其他處理相比，藍光對水稻秧苗的莖粗、株高、根長、根數(shù)、葉片數(shù)等形態(tài)指標都沒有顯著的有利作用，這與Chang等［24］培養(yǎng)馬蹄蓮和 Heo等［25］在葡萄上得到結(jié)果相同。Heo等［25］認為單獨的藍光照射可能增強了葡萄的呼吸速率同時抑制其光合作用，而使藍光處理下，生物量積累降低。

有不少報道認為，紅藍LED組合對植物的生長發(fā)育有積極影響，優(yōu)于單色光處理。Yanagi和Okamoto［26］研究發(fā)現(xiàn)，紅光LED對菠菜生長效應(yīng)不明顯，增加藍光LED后菠菜生長形態(tài)指標顯著提高。Shin等［27］的研究發(fā)現(xiàn)，紅藍LED復(fù)合光照射下生長的甜菜生物積累量最大，毛根中甜菜素積累最顯著，并在毛根中產(chǎn)生最高的糖分和淀粉積累。同樣，本試驗也發(fā)現(xiàn)，紅藍LED復(fù)合光對水稻秧苗的形態(tài)建成存在積極的作用。有研究認為，紅藍光LED組合可以通過增加凈光合速率以影響植物的生長發(fā)育是因為紅光與藍光的光譜能量分布與葉綠素吸收光譜一致［28］。

綜上所述，單色紅光、藍光和不同配比紅藍LED對植物影響因光控機理不同而植株的形態(tài)建成顯著不同。本研究發(fā)現(xiàn)不同配比紅藍LED顯著地影響著水稻秧苗的光形態(tài)建成，株高、莖粗、葉片數(shù)、根長和根數(shù)及生物量的積累與紅藍光比例變化無顯著趨勢關(guān)聯(lián)性，RB74和RB47處理下葉片數(shù)較多，生物量分配較多在地上部尤其在葉片，有利于光能的吸收而使植株長勢較為健壯。

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