不同色膜遮光對棉花功能葉光合效能的影響

張友昌 張教海 王孝綱 夏松波 宋成攀 別墅

摘要：試驗選取長勢一致的、在盛蕾期的棉花功能葉作為測定對象，通過三種不同色膜遮光處理，測定葉綠素含量、硝酸還原酶活力和光合效能，以探討何種色膜有利于功能葉的光合作用。結(jié)果表明：功能葉的葉綠素含量以黃色透光膜遮光下最大，高于太陽光（對照）；功能葉的硝酸還原酶活性在開始時以黃色透光膜遮光的處理較強，大于藍(lán)色和紅色，隨著處理時間的延長，以紅色透光膜遮光處理較強，且大于黃色透光膜和藍(lán)色透光膜處理，但三者遠(yuǎn)小于對照處理；從胞間CO2濃度、外部光強、蒸騰作用、凈光合作用這幾個指標(biāo)來看，黃色透光膜遮光處理的光合效能較好，僅小于太陽光（對照），所以在人工光源選擇上，黃光是比紅光和藍(lán)光更適合植物進行光合作用的光源。

關(guān)鍵詞：光處理；光合作用；硝酸還原酶

中圖分類號：S562.01. 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號：2095-3143（2015）01-0012-06

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2015.01.003

0 引言

光合作用是綠色植物將來自太陽的能量轉(zhuǎn)化為化學(xué)能（糖）的過程。綠色植物在光合作用中捕獲光能，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓衔铮ù鎯瘜W(xué)能）。光合作用是一系列復(fù)雜的代謝反應(yīng)的總和，是生物界賴以生存的基礎(chǔ)。光是影響光合作用最重要的因素，植物利用的光能主要來自太陽光，太陽光不是單一的光，綠色植物主要利用太陽光譜中的紅光和藍(lán)紫光，因為葉綠素a主要吸收紅光，葉綠素b、胡蘿卜素與葉黃素主要吸收藍(lán)紫光。硝酸還原酶（Nitrate Reductase，簡稱NR）活力對光極為敏感，國內(nèi)外研究證明光是誘導(dǎo)硝酸還原酶活性的重要因子，光敏色素參與NR的誘導(dǎo)[1-2]。在光形態(tài)建成或光控發(fā)育過程中，硝酸還原酶的活性是受不同光質(zhì)影響的，如藍(lán)光、紅光、遠(yuǎn)紅光都可誘導(dǎo)小麥幼苗硝酸還原酶的活性。黃化幼苗經(jīng)紅光照射后立即照射遠(yuǎn)紅光，可逆轉(zhuǎn)紅光對硝酸還原酶活性的誘導(dǎo)效應(yīng)[3]。不同色光對植物硝酸還原酶誘導(dǎo)能力不一樣，從而對光合效能也不同，在余讓才，等[4]的研究中，藍(lán)光誘導(dǎo)NR 活性的能力最強， 紅光最弱， 白光介于這2種光質(zhì)之間，紅光處理材料的NR活性只有藍(lán)光處理的50% 左右；用 DCMU 處理后， 可以部分抑制藍(lán)光和紅光對硝酸還原酶的誘導(dǎo)， 其中對藍(lán)光誘導(dǎo)酶活性的抑制作用更強，光對NR的誘導(dǎo)可能是多途徑協(xié)同作用的結(jié)果。許德威，等[5]研究表明，棉花葉片用一層紗布、兩層紗布和黑紙遮光處理一天后，葉片中NR活性分別為不遮光的74%、32.2%和0.2%，在蔭蔽條件下葉片NR活力也遠(yuǎn)低于正常光照的。

目前，國內(nèi)對光與NR的誘導(dǎo)研究很多[3-6]，但是對在單色光處理下植物的光合作用和硝酸還原酶活性的變化研究的較少。人工光源一般都是單色光，本研究采用不同色的透光膜遮住生長發(fā)育期棉花的功能葉來測定葉片的光合作用、葉綠素含量及硝酸還原酶活力的變化，以期探明何種光有利于光合作用的進行和植物的生長發(fā)育，為設(shè)施栽培選膜及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)對日益頻繁的霧霾氣候時采取何種人工光源來減少農(nóng)作物損失提供參考。

1材料與方法

1.1試驗基本情況

試驗于2012年在湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗基地進行。試驗田地勢平坦，土壤肥力較均勻。試驗于4月24日營養(yǎng)缽播種育苗，5月19日移栽。

1.2試驗材料

試驗供試棉花品種為標(biāo)準(zhǔn)棉Tm-1。光學(xué)膜由廣州成燁節(jié)能科技有限公司提供，其紅色透光膜的透光率為20%、阻隔紅外線率為25%、阻隔黃外線率為99%，藍(lán)色透光膜的透光率為28%、阻隔紅外線率為25%、阻隔黃外線率為99%，黃色透光膜的透光率為35%、阻隔紅外線率為22%、阻隔黃外線率為99%。硝酸還原酶（NR）測試盒由南京建成生物工程研究所提供。

1.3 試驗設(shè)計

試驗于7月24日進行，設(shè)4個處理，3個重復(fù)。處理1為紅色（Red）透光膜遮蔽，處理2為藍(lán)色（Blue）透光膜遮蔽，處理3為黃色（Yellow）透光膜遮蔽處理，處理4為無遮光處理，即太陽光（對照）。棉花田間管理按照一般規(guī)程進行，要求田間每個處理施肥澆水均衡一致。在時間上作了兩個梯度，一是從早晨5：00開始連續(xù)遮光處理處理13個小時，二是從早晨5：00開始連續(xù)遮光處理處理26個小時。

1.4 調(diào)查與測定

1.4.1 農(nóng)藝性狀調(diào)查 在進行試驗前1天開展棉花農(nóng)藝性狀的調(diào)查。內(nèi)容包括株高、主莖真葉數(shù)等，觀察試驗用的棉株在生育指標(biāo)上的一致性。

1.4.2 功能葉葉綠素含量測定 采用SPAD-502 葉綠素儀來通過測量葉片在兩種波長光學(xué)濃度差方式650 nm 和940 nm來確定葉片當(dāng)前葉綠素的相對數(shù)量。

1.4.3 功能葉硝酸還原酶活力測定 采用硝酸還原酶（NR）測試盒。測定原理是硝酸還原酶催化植物體的硝酸鹽還原為亞硝酸鹽。產(chǎn)生的亞硝酸鹽與顯色劑反應(yīng)生成紅色化合物，在540 nm處比色測定。

1.4.4功能葉光合效能的測定 光合作用采用LI-6400XT便攜式光合作用測量系統(tǒng)進行測定，光源設(shè)置為自然光源，控制葉片周圍CO2濃度、H2O濃度、溫度、相對濕度、光照強度和葉室溫度等相關(guān)環(huán)境因子在相同的水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗前棉花生育性狀調(diào)查

從7月23日調(diào)查結(jié)果看（見表1），試驗田棉花的果枝數(shù)在13～14個，株高為86.7～94.3 cm，小區(qū)間生育指標(biāo)差異不顯著，生長趨勢一致，不存在差異顯著性，符合試驗要求。

2.2 不同色膜遮光處理對棉花功能葉葉綠素含量的影響

從表2可以看出，在兩組試驗中均以黃色透光膜處理的葉綠素含量值最大，其次是對照，再次是藍(lán)色透光膜，最后是紅色透光膜，順序是：黃色透光膜>無遮光處理（ck）>藍(lán)色透光膜>紅色透光膜，黃色透光膜處理的葉綠素含量最大值為45.5 SPAD，高于太陽光下的葉綠素合成，紅色透光膜處理的最小值低至38.9 SPAD。隨著色膜遮光處理時間延長，其葉綠素含量值低，如各處理第1組的值低于第2組，且差異達(dá)到顯著性。結(jié)果表明黃色透光膜有利于激發(fā)葉綠素合成。

2.3 不同色膜遮光處理對棉花功能葉硝酸還原酶活性的影響

在不同色光處理下，功能葉的硝酸還原酶活性值依大到小，2組（處理13個小時）為無遮光處理（ck）>黃色透光膜>紅色透光膜>藍(lán)色透光膜，且3種色膜遮光處理與對照（無遮光處理）的比值分別為：黃色透光膜20.7%、紅色透光膜19.5%、藍(lán)色透光膜16.8%；而1組（處理26個小時）為無遮光處理（ck）>紅色透光膜>藍(lán)色透光膜>黃色透光膜，3種色膜遮光處理與對照（無遮光處理）的比值分別為：黃色透光膜10.7%、紅色透光膜16.8%、藍(lán)色透光膜12%（見表2、圖1）。結(jié)果顯示，色膜遮光處理時間長（第1組），以紅色透光膜處理的功能葉硝酸還原酶活性值較藍(lán)色透光膜和黃色透光膜大；而色膜遮光處理時間短（第2組），以黃色透光膜處理的功能葉硝酸還原酶活性值較紅色透光膜和藍(lán)色透光膜大，黃色透光膜處理是隨著時間的延長先高后低，且他們之間的差異存在顯著性。沒有色膜遮光的處理（即太陽光）與遮光的3個處理間均存在極顯著性差異，且3個色膜遮光處理的功能葉硝酸還原酶活性值均不及太陽光1/4。說明遮光處理抑制了功能葉硝酸還原酶活性。

2.4 不同色膜遮光處理對棉花功能葉光合效能的影響

太陽光經(jīng)不同色光學(xué)膜透射后光強降低程度不同，從表3可以看出，紅色透光膜處理的光強為381.5 μmol/m2·s，只有太陽光的29.5%；藍(lán)色透光膜處理的光強為443.3 μmol/m2·s，只有太陽光的34.4%；黃色透光膜處理的光強為931.9 μmol/m2·s，占太陽光的72.1%。說明黃色透光膜處理光強削弱最少，其次是藍(lán)色膜，紅色膜削弱程度最大。

不同色光下蒸騰作用和胞間CO2濃度也會不同，試驗第2組（處理13個小時后），紅、藍(lán)和黃3個不同色膜遮光處理的蒸騰作用分別為7.7 mmol/m2·s、6.3 mmol/m2·s、6.7 mmol/m2·s，差異不顯著，而對照為14.3 mmol/m2·s，3個色膜遮光處理的蒸騰作用均約為太陽光的1/2。隨著處理時間的增加，第1組（處理時間為26小時）紅、藍(lán)和黃3個色膜遮光處理功能葉的蒸騰作用分別為5.9 mmol/m2·s、9.5 mmol/m2·s、10.5 mmol/m2·s。第1組比第2組的蒸騰作用紅色透光膜下降了23%，藍(lán)色透光膜上升了50.8%，黃色透光膜上升了56.7%， 但是均低于對照，且具有顯著性差異。說明紅色透光膜不利于蒸騰作用，藍(lán)色透光膜和黃色透光膜對蒸騰作用的削弱程度遠(yuǎn)小于紅色光膜。

胞間CO2濃度是植物葉片（G）在光合生理生態(tài)研究中經(jīng)常用到的一個參數(shù)。特別是在光合作用的氣孔限制分析中，Ci的變化方向是確定光合速率變化的主要原因和是否為氣孔因素的必不可少的判斷依據(jù)[6]。在處理13小時后，色膜遮光處理下胞間CO2濃度紅色透光膜為309.5 μμmol/mol，高于對照6.6%；藍(lán)色透光膜為271.1 μmol/mol，低于對照6.7%，黃色透光膜為245.7 μmol/mol，低于對照18.2%。說明黃色透光膜有利于光合作用的進行，紅色透光膜卻抑制了光合作用的進行。隨著色膜遮光處理時間的加長（處理26小時后），各處理胞間CO2濃度都升高了，紅色透光膜升高了4.2%，藍(lán)色透光膜升高了8.5%，黃色透光膜升高了25%。

凈光合作用是衡量光合效能的最直接指標(biāo)，在不同色膜遮光處理下，凈光合作用差異明顯。在處理13小時候后，紅色透光膜處理的凈光合作用為11.4 μmol/m2·s、藍(lán)色透光膜為10.8 μmol/m2·s、黃色透光膜為13.4 μmol/m2·s、對照為25.4 μmol/m2·s，且各色膜遮光處理均小于對照。隨著處理時間的延長，凈光合作用發(fā)生了變化，處理26個小時后測定結(jié)果顯示：紅色透光膜的凈光合作用下降6.1%，藍(lán)色透光膜的凈光合作用提高22.2%，黃色透光膜的光合作用提高58.2%。說明黃色透光膜處理最有利于葉片光合作用的進行。

在不同色膜遮光處理下，外部光強不一樣，光量子大小不一，光合效能就呈現(xiàn)不一樣的結(jié)果，胞間CO2濃度、蒸騰作用、凈光合作用都呈現(xiàn)不一樣的變化趨勢。如表3所示，外部光強、蒸騰作用和凈光合作用大小順序均為：ck >黃色透光膜>藍(lán)色透光膜>紅色透光膜，且處理時間長，其值明顯降低；胞間CO2濃度在色膜遮光處理下各色都呈現(xiàn)上升趨勢，在開始時只有紅色透光膜處理高于對照，隨著處理時間的延長，3個色膜遮光處理都高于對照。

3討論

試驗選取長勢一致的、在盛蕾期的棉花功能葉作為測定對象，通過不同色膜遮光處理，測定葉綠素含量、硝酸還原酶活力和光合效能，以探討何種色光有利于功能葉的光合作用進行。

在本研究中，黃色透光膜遮光處理下的功能葉葉綠素含量高于對照，硝酸還原酶活性在處理13個小時后大于藍(lán)色透光膜和紅色透光膜，在處理26個小時后降低，低于紅色和藍(lán)色兩種透光膜，但3個色膜遮光均遠(yuǎn)小于對照；光合效能（胞間CO2濃度、外部光強、蒸騰作用、凈光合作用）也是黃色透光膜處理小于對照，而大于藍(lán)色和紅色兩種透光膜處理。由此可見，葉片光合作用與葉綠素含量呈正相關(guān)，這與Leonard Beevers研究表明葉片光合作用與RuBP 羧化酶活性、葉片全氮含量、可溶性蛋白和葉綠素含量呈正相關(guān)的結(jié)果相一致[7]。

高等植物硝酸還原酶（ NR， nitrate reductase， EC1. 6. 6. 1） 是植物氮代謝的關(guān)鍵酶和限速酶。 它是底物誘導(dǎo)酶， 同時也受到光的調(diào)控[8]。通常在有 NO3存在時， 在黑暗下植物也有硝酸還原酶活性（ NRA， n-itrate reductase act ivity ） ， 但活性很低； 一經(jīng)照光， 硝酸還原酶活性大大提高。光照可通過加強植物對硝酸鹽的吸收而提高NRA。光對植物 NRA 的快速調(diào)控， 對維持植物正常的生理代謝具有非常重要的意義[9]。在20世紀(jì)70 年代以來，國內(nèi)外用體內(nèi)測定法對大豆氮代謝中起重要作用的硝酸還原酶（ NR） 進行了廣泛研究， 認(rèn)為光合作用與葉片NR 活性呈正相關(guān)[10]。該研究不同色膜遮光處理下硝酸還原酶活性變化趨勢與凈光合作用的變化趨勢一致，進一步佐證了光合作用與葉片NR 活性呈正相關(guān)。光對硝酸還原酶的誘導(dǎo)起重要作用，藍(lán)光的誘導(dǎo)相對穩(wěn)定，紅光誘導(dǎo)作用最弱，黃光在開始的時候比較強，隨著處理時間加長而減弱。余讓才，等[4]在研究不同光質(zhì)對黃化小麥幼苗硝酸還原酶和乙醇酸氧化酶誘導(dǎo)的影響中得出：在藍(lán)光、紅光及白光中， 藍(lán)光對硝酸還原酶和乙醇酸氧化酶誘導(dǎo)的能力最強， 而紅光最弱；紅光和藍(lán)光誘導(dǎo)葉綠素積累的能力比較接近， 都低于白光，在光誘導(dǎo)的0～24 h 時期內(nèi)， NR 活性上升較快， 而在24～48 h 時期內(nèi)， 紅光和白光下 NR 活性上升較小， 而藍(lán)光處理還有一定的增加；在3種光質(zhì)中， 藍(lán)光誘導(dǎo)NR 活性的能力最強， 紅光最弱， 白光介于藍(lán)和紅光質(zhì)之間，紅光處理材料的NR活性只有藍(lán)光處理的50% 左右。本研究結(jié)果與這一結(jié)論相近。硝酸還原酶活性在采用光學(xué)膜遮蔽后，活性下降很大，僅僅只有對照的20%，這與許德威，等[5]的研究中得出的結(jié)論相一致。

不同光源對棉株光合作用的影響，從外部光強就可以看出黃色透光膜的光強最接近自然光源，其次是藍(lán)色透光膜，最小的是紅色透光膜。各色透光膜產(chǎn)生的光強不一樣，其蒸騰速率、胞間CO2濃度、凈光合作用就不一樣，表現(xiàn)出黃色透光膜處理的光合效能僅次于自然光。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，隨著環(huán)境的惡化，霧霾越來越頻繁，將成為人類和植物共同的環(huán)境災(zāi)害，不亞于干旱、暴雨等自然災(zāi)害。研究不同色光對植物光合作用的影響，將有助于人類在應(yīng)對霧霾的氣候時選擇人工光源做出科學(xué)的依據(jù)。

致謝

本研究得到湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)科院經(jīng)濟作物研究所棉花栽培團隊的全力配合，武漢大學(xué)研究生宋成攀的協(xié)助，國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)棉花產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心基金和湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年科學(xué)基金的經(jīng)費資助，特此致謝！。

參考文獻

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？收稿日期：2014-11-05

項目基金：國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)棉花產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項目（CARS-18-22）；湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心資助項目（2007-620-001-03）；湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年科學(xué)基金項目（2014NKYJJ21）。

作者簡介：張友昌（1984-），男，碩士，zhych307@163.com。

通訊作者：別墅，研究員 bieshu02@163.com。