孟霖,徐宜民,宋文靜,王程棟,劉曉冰,梁盟,王樹(shù)聲
1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所,農(nóng)業(yè)部煙草生物學(xué)與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島科苑經(jīng)四路11號(hào) 266101;2 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院, 北京中關(guān)村南大街12號(hào) 100081
紅藍(lán)單色光對(duì)水培煙草幼苗生長(zhǎng)發(fā)育及生理特性的影響
孟霖1,2,徐宜民1,宋文靜1,王程棟1,劉曉冰1,2,梁盟1,2,王樹(shù)聲1
1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所,農(nóng)業(yè)部煙草生物學(xué)與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島科苑經(jīng)四路11號(hào) 266101;2 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院, 北京中關(guān)村南大街12號(hào) 100081
為培育壯苗及優(yōu)化煙草育苗光環(huán)境提供依據(jù),以烤煙品種K326為材料,在水培條件下,研究了兩種單色光處理對(duì)煙草幼苗生長(zhǎng)發(fā)育及生理特性的影響。結(jié)果表明,與對(duì)照白光處理相比,紅光處理下的煙苗葉片面積和地上部鮮重均顯著增加,增幅分別為49.8%和48.8%,而藍(lán)光明顯抑制了葉片的發(fā)育;藍(lán)光處理下的煙苗莖稈的高度顯著增加,增幅為59.2%,而紅光明顯抑制了煙苗莖稈的伸長(zhǎng);就根系而言,紅光處理下煙苗根系鮮重、一級(jí)側(cè)根數(shù)量、二級(jí)側(cè)根數(shù)量及根系表面積均顯著高于白光對(duì)照和藍(lán)光處理;不同光質(zhì)處理下,煙苗葉片中葉綠素和類胡蘿卜素含量大小依次均為:白光>紅光>藍(lán)光;紅光和藍(lán)光處理下煙苗的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度均略低于對(duì)照白光處理,但紅光處理煙苗光合速率降低是由非氣孔因素限制所致,而藍(lán)光處理則可能是由氣孔導(dǎo)度降低所致。
單色光;水培;煙草幼苗;生長(zhǎng)發(fā)育; 根系
當(dāng)前,我國(guó)烤煙生產(chǎn)中煙苗的培育主要推行日光大棚集中育苗,但在南方一些烤煙的主產(chǎn)區(qū),如西南方的貴州、廣西、廣東和川渝等地區(qū),東南方的福建等地區(qū),在烤煙的育苗期都會(huì)不同程度的遭受低溫寡照天氣的影響。同時(shí),塑料薄膜及其他保溫措施使得原本陰雨的天氣下大棚內(nèi)光照嚴(yán)重不足。由此造成煙苗發(fā)育遲緩,育苗期變長(zhǎng),成本增加,煙苗素質(zhì)差也嚴(yán)重影響了烤煙的產(chǎn)量和品質(zhì)。鑒于此,優(yōu)化育苗大棚內(nèi)的光照環(huán)境就顯得尤為重要。但是,光的光譜組成不同,即不同光質(zhì),對(duì)植物的光合特性、形態(tài)建成、代謝物質(zhì)積累等均有較大影響。前人在該方面做了大量的研究,McCree[1]研究了7種谷物、4種油料作物、7種蔬菜瓜果以及4種其他植物對(duì)單色光的光合應(yīng)答,得到基本一致的響應(yīng)曲線,結(jié)果表明紅、藍(lán)光對(duì)植物光合作用的相對(duì)量子效率最高。提純的葉綠素對(duì)光波最強(qiáng)的吸收區(qū)也主要在紅光和藍(lán)光區(qū)域,而自然光中約30%的綠光和90%左右的的遠(yuǎn)紅光都會(huì)被葉片反射掉[2]。時(shí)向東等[3]發(fā)現(xiàn)藍(lán)光明顯抑制漂浮育苗中煙苗葉片、莖稈伸長(zhǎng)及光合作用,紅光則更有利于Chlb含量的增加,紅藍(lán)光處理并未對(duì)煙苗的莖圍造成明顯影響。張艷艷等[4]的研究結(jié)果顯示,紅、藍(lán)及綠光均不利于煙苗質(zhì)體色素的積累,深紅光處理下煙苗光合性能最強(qiáng),藍(lán)光顯著增加了可溶性蛋白的含量而減少了可溶性糖的積累,紅光處理的效應(yīng)正好與藍(lán)光相反。林葉春等研究了光質(zhì)對(duì)漂浮培育煙苗的影響,發(fā)現(xiàn)藍(lán)光顯著提高了Chla、Chlb及類胡蘿卜素的含量,藍(lán)光下煙苗凈光合速率最高而紅光處理最低。同時(shí),還發(fā)現(xiàn)紅、藍(lán)光均顯著增加了根系長(zhǎng)度、根系表面積、根系直徑和根系體積,其中藍(lán)光處理下根系長(zhǎng)度最長(zhǎng)[5-6]。
目前,對(duì)于不同光質(zhì)對(duì)煙苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響研究較多,也涉及到光合特性、質(zhì)體色素積累和形態(tài)建成等諸多方面,但不同光質(zhì)下煙苗根系的形態(tài)構(gòu)成及側(cè)根的發(fā)生發(fā)育的系統(tǒng)研究尚不完善。鑒于此,本研究采用類似于漂浮育苗的水培方式,以冷白光為對(duì)照,系統(tǒng)研究了紅、藍(lán)兩種對(duì)植物光合作用效率較高的單色光對(duì)煙苗地上部及根系形態(tài)構(gòu)成的影響,以期為煙草工廠化育苗大棚里的光環(huán)境調(diào)控提供依據(jù)。
試驗(yàn)于2014年4月至7月在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)牌樓教學(xué)試驗(yàn)基地的溫室內(nèi)進(jìn)行,以K326為試驗(yàn)材料,將草炭、蛭石以1:1(V/V)的比例混勻并滅菌,作為育苗基質(zhì)。待種子出苗后25天,用水輕輕將其從基質(zhì)中沖出,盡量不傷害根系。選擇長(zhǎng)勢(shì)一致(包括地上和地下部分)的煙苗,將其移至1/4霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液中,置于自然光下緩苗兩天。兩天后將水培煙苗置于紅、藍(lán)單色光及冷白光下培養(yǎng),待三種處理間煙苗形態(tài)表現(xiàn)出明顯差異后進(jìn)行性狀調(diào)查,本研究中13天煙苗的葉片及根系形態(tài)即表現(xiàn)出明顯差異,開(kāi)始調(diào)查除莖長(zhǎng)和莖粗以外的性狀,待處理至19天調(diào)查莖長(zhǎng)和莖粗。
以1/4霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液作為水培營(yíng)養(yǎng)液,置于不透明的塑料周轉(zhuǎn)箱中,周轉(zhuǎn)箱上方用不透明的泡沫板覆蓋,均勻打20個(gè)小孔,小心將幼苗放入孔中,并用海綿將煙苗固定。整個(gè)水培過(guò)程中,煙苗的根系處于避光條件下。周轉(zhuǎn)箱規(guī)格:長(zhǎng)×寬×高=31.5×23.5×14 cm,20株/箱,每處理三個(gè)周裝箱。每?jī)商旄鼡Q一次營(yíng)養(yǎng)液,并利用小型通氣泵每小時(shí)通氣十分鐘(定時(shí)開(kāi)關(guān)自動(dòng)控制)。日照時(shí)長(zhǎng)為13h(6:00~19:00)。根據(jù)天氣狀況,通過(guò)控制溫室上方遮陽(yáng)網(wǎng)和天窗及側(cè)面的風(fēng)機(jī)調(diào)整溫室內(nèi)的溫度,白天溫度為(28±2) ℃,夜間為21 ℃左右。
本研究中所用LED光源由青島卡爾光電科技有限公司提供,光強(qiáng)及光譜能量分布使用ASD FieldSpecHandHeld測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定,每種光的光譜能量分布見(jiàn)圖1。用鋼架組裝培養(yǎng)架,光源置于培養(yǎng)架頂部,通過(guò)紗網(wǎng)阻擋及調(diào)整光源與煙株之間的距離保證各處理的煙株接收的光照強(qiáng)度一致,均約為108 W·m–2。整個(gè)培養(yǎng)架用不透明的遮光布遮光,處理之間也采用遮光布阻隔。
圖1 三種光處理所用光源的光譜能量分布Fig1.Spectral energy distribution of the LED lamps under three light treatments
取煙苗中最大葉片,用掃描儀在同一像素下獲得圖片后用Image J軟件進(jìn)行測(cè)定,詳細(xì)參照高建昌等[7]提供的方法。采用直尺測(cè)量煙苗的莖長(zhǎng),用游標(biāo)卡尺測(cè)量莖稈的直徑以代表其莖粗。
取各處理長(zhǎng)勢(shì)一致的5株煙苗,用吸水紙將根系水分吸干,從根莖結(jié)合處剪斷,分別稱量地上部和地下部的鮮重。
各處理取5株長(zhǎng)勢(shì)一致的煙苗,用根系掃描儀和根系分析系統(tǒng)WinRhizo (Regent Instruments, Montreal,QC, Canada)測(cè)定根系總長(zhǎng)和根系表面積。用尺子測(cè)量一級(jí)側(cè)根的長(zhǎng)度,并數(shù)出一級(jí)側(cè)根和二級(jí)側(cè)根的數(shù)量。二級(jí)側(cè)根平均長(zhǎng)度=(根系總長(zhǎng) ? 一級(jí)側(cè)根總長(zhǎng))/二級(jí)側(cè)根數(shù)量。
用雙蒸水(ddH2O)將葉片沖洗干凈,用吸水紙將葉片表面水分吸干,去掉葉片主脈并將葉片剪成約1cm×1cm的碎塊,混勻,用分光光度計(jì)法測(cè)定并計(jì)算出葉片中葉綠素a、葉綠素b及類胡蘿卜素的含量,具體操作參照張志良的方法[8]。
不同光處理下煙苗的光合能力采用LI-6400便攜式光合儀在上午9:00-11:00測(cè)定,為了測(cè)定不同光處理培養(yǎng)的煙苗素質(zhì),我們采用光合儀自帶的紅藍(lán)光源,光強(qiáng)設(shè)置為 500μmol·m-2·s-1,主要關(guān)注葉片的凈光合速率Pn、氣孔導(dǎo)度Cond、胞間二氧化碳濃度Ci和蒸騰速率Tr。
數(shù)據(jù)的整理圖表的繪制主要采用excel 2007,處理間數(shù)據(jù)的差異顯著性分析采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SAS 9.2(美國(guó)SAS 軟件研究所)的Duncan法進(jìn)行。
在水培條件下,3種光處理13天后,煙苗的整體表型即出現(xiàn)了明顯的差異(見(jiàn)圖2)。與其它光質(zhì)相比,紅光處理?xiàng)l件下的煙苗株型較大,且根系發(fā)達(dá)。
圖2 紅、白、藍(lán) LED燈光處理13天的幼苗表型Fig.2 The phenotypes of tobacco seedlings after red, white and blue light treated
由圖3可知,不同光處理下的煙苗葉片面積、地上部鮮重和煙苗莖稈長(zhǎng)度差異明顯。處理13天時(shí),與對(duì)照白光處理相比,紅光處理下煙苗葉片面積和地上部鮮重顯著增加,增幅分別為49.8%和48.8%;而藍(lán)光處理下煙葉面積和地上部鮮重顯著降低,減幅分別為34.7%和26.3%。當(dāng)光處理延長(zhǎng)至19天時(shí),紅光處理的煙苗莖稈長(zhǎng)度較對(duì)照減少了33.9%,藍(lán)光處理下煙苗莖稈的長(zhǎng)度顯著增加,增幅為59.2%,但三種光處理下煙苗莖粗并未見(jiàn)差異。表明,紅光處理顯著促進(jìn)了煙苗葉片的生長(zhǎng),抑制了煙苗莖稈的伸長(zhǎng),而藍(lán)光處理抑制了葉片的發(fā)育,卻促進(jìn)了煙苗莖稈的伸長(zhǎng),同時(shí),不同光質(zhì)并未明顯影響煙苗的莖圍。
圖3 不同光質(zhì)處理下煙苗地上部表型Fig.3 Phenotypes in aerial part of tobacco seedlings grown under different light qualities
圖4 不同光質(zhì)處理下煙苗根系鮮重和根系表面積Fig.4 Surface area and fresh weight of tobacco seedling roots under different light qualities
不同光質(zhì)處理下的煙苗地下部鮮重和根系表面積差異顯著(見(jiàn)圖4)。與對(duì)照白光相比,紅光處理下煙苗根系的鮮重和根系表面積顯著增加,增幅分別為53.6%和28.5%;而藍(lán)光處理的根系鮮重和根系表面積減幅分別為34.2%和21.9%。
圖5 不同光質(zhì)處理下煙苗側(cè)根發(fā)育情況Fig.5 Development of tobacco lateral roots grown under different light qualities
不同光質(zhì)處理下煙苗的根系發(fā)育情況見(jiàn)圖5,在三個(gè)處理間各指標(biāo)的差異均達(dá)到顯著水平。紅光處理的煙苗一級(jí)側(cè)根及二級(jí)側(cè)根的數(shù)量均最多,其中一級(jí)側(cè)根數(shù)量比對(duì)照多出54.25%,二級(jí)側(cè)根數(shù)量比對(duì)照多出38.6%,與之相反,根系的一級(jí)側(cè)根和二級(jí)側(cè)根長(zhǎng)度均為三種光處理中最短,分別比對(duì)照短了11.3%和22.3%。與紅光處理下的根系發(fā)育變化情況相反,藍(lán)光雖然抑制了側(cè)根數(shù)量的增加,卻增加了側(cè)根的長(zhǎng)度。與對(duì)照相比,藍(lán)光處理下的煙苗一級(jí)側(cè)根數(shù)量減少了15.4%,二級(jí)側(cè)根數(shù)量減少了17.1%。同時(shí),一級(jí)側(cè)根長(zhǎng)度比對(duì)照增加了16.7%,二級(jí)側(cè)根長(zhǎng)度增加了25.1%。
表1 不同光質(zhì)處理下煙苗葉片質(zhì)體色素含量Tab.1 Plastid pigment content in leaves of tobacco seedlings grown under different light qualities
從表1中可以看出,煙苗葉片中葉綠素a(Chla)含量大小依次為:白光>紅光>藍(lán)光;白光處理與藍(lán)光處理間差異顯著,而紅光處理與藍(lán)、白光處理間的差異均不顯著。各處理間葉綠素b含量均達(dá)到顯著性差異,其中白光處理含量最高,藍(lán)光處理最低。不同處理間類胡蘿卜素含量變化趨勢(shì)與葉綠素a一致。
表2 不同光質(zhì)處理的煙苗的光合特性Tab.2 Photosynthetic characters of tobacco seedlings grown under different light qualities
為了研究不同光質(zhì)處理下煙苗的光合能力,采用光合儀自帶光源測(cè)定了煙苗的光合參數(shù)(表2),白光處理的凈光合速率最大,藍(lán)光處理的凈光合速率最低,三者之間達(dá)到顯著差異。各處理間氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的變化趨勢(shì)與凈光合速率一致。胞間二氧化碳濃度則是紅光處理最高,藍(lán)光最低。
植物對(duì)光譜中波長(zhǎng)范圍約在400-700nm之間的可見(jiàn)光較為敏感,因此可見(jiàn)光又被被稱作促進(jìn)光合作用的輻射(PAR)[9],而且對(duì)于植物的光合作用速率而言,藍(lán)、紅光的相對(duì)量子效率最高[1]。為優(yōu)化工廠化育苗內(nèi)的光照環(huán)境,應(yīng)選擇既利于煙苗的光合作用又能促進(jìn)其優(yōu)良形態(tài)建成的節(jié)能、高效光源。因此,本文采用類似于漂浮育苗的水培方式,主要研究了紅藍(lán)光與白光的光質(zhì)效應(yīng)。研究中發(fā)現(xiàn)紅光處理下煙苗鮮重、葉面積均最大,這與傅明華等[10]、馬光恕等[11]、蒲高斌等[12]和曹剛等[13]在番茄、黃瓜和茄子等作物上的研究結(jié)果一致。
煙苗的莖長(zhǎng)、莖粗也是生產(chǎn)育苗中體現(xiàn)煙苗素質(zhì)非常重要的指標(biāo)。本文的研究結(jié)果顯示,3種光質(zhì)處理下煙苗的莖粗并未見(jiàn)明顯差異,這與時(shí)向東等[3]的研究結(jié)果一致。與對(duì)照相比藍(lán)光明顯促進(jìn)了煙苗莖稈的伸長(zhǎng),而紅光對(duì)莖稈伸長(zhǎng)有顯著的抑制作用,這與時(shí)向東等[3]對(duì)漂浮培育煙苗的結(jié)果相反,這可能與使用的煙草品種或者光照強(qiáng)度設(shè)定的不同有關(guān),且有研究發(fā)現(xiàn)不同基因型的葡萄對(duì)紅藍(lán)光的響應(yīng)不同[14]。
在本研究中,雖然根系并未直接接受不同光質(zhì)的處理,但是紅光處理明顯促進(jìn)了煙苗根系的發(fā)育,一級(jí)側(cè)根和二級(jí)側(cè)根的數(shù)量、根系表面積均優(yōu)于其他處理,而藍(lán)光則明顯抑制了側(cè)根的發(fā)生。這一結(jié)果與菜豆[15]、垂葉松[16]和擬南芥[17]的研究結(jié)果類似。但Lim等[18]發(fā)現(xiàn)藍(lán)光處理下羅勒(OcimumbasilicumL.)外植體不定根數(shù)量要較紅白光處理多,與本研究結(jié)果不同。在根系發(fā)育的各個(gè)環(huán)節(jié),生長(zhǎng)素均是一個(gè)不可替代的調(diào)控者[19]。植物體內(nèi)存在紅光受體光敏色素和藍(lán)光受體隱花色素,Salisbury等[20]和Zeng等[17]分別利用擬南芥的光敏色素突變體和隱花色素突變體研究了光質(zhì)對(duì)根系發(fā)育影響的作用機(jī)理,結(jié)果認(rèn)為光敏色素接受紅光信號(hào)后促進(jìn)了生長(zhǎng)素由地上部往地下部的極性運(yùn)輸,而隱花色素接受藍(lán)光信號(hào)后抑制了生長(zhǎng)素向根部的極性運(yùn)輸,從而影響了根系的發(fā)育。此外,藍(lán)光雖然抑制側(cè)根的發(fā)生,但側(cè)根的長(zhǎng)度有所增長(zhǎng),這在其他作物的研究中也是根系生長(zhǎng)素含量降低的表現(xiàn)[21]。因此,本研究中紅光處理下煙苗側(cè)根數(shù)量增多,但側(cè)根長(zhǎng)度變短,而藍(lán)光抑制了側(cè)根的發(fā)生卻促進(jìn)了側(cè)根的伸長(zhǎng),這一結(jié)果極有可能是由于紅光促進(jìn)了地上部生長(zhǎng)素往根系的運(yùn)輸,而藍(lán)光抑制了生長(zhǎng)素的這一運(yùn)輸。
值得注意的是,本試驗(yàn)旨在研究不同光質(zhì)培育煙苗的素質(zhì),因此對(duì)于煙苗光合能力的測(cè)定是在同一光源(光合儀自帶光源)下進(jìn)行的。結(jié)果顯示白光處理的煙苗凈光合速率最高,與張艷艷等[4]的研究不一致,這可能是由于光合測(cè)定時(shí)所采用的光源不同所致,但本研究中不同光質(zhì)處理下煙苗的質(zhì)體色素含量與其研究中不同光質(zhì)處理15天的煙苗一致。另外,我們發(fā)現(xiàn)氣孔導(dǎo)度與光合速率變化一致,往往我們易根據(jù)此結(jié)果誤認(rèn)為光合速率受氣孔限制,但應(yīng)該指出的是CO2分壓的變化方向才是判斷光合速率降低是由氣孔限制還是由非氣孔限制因素引起的依據(jù)[22]。由此判斷,紅光處理煙苗的光合速率降低不是由于氣孔導(dǎo)度降低引起的CO2供應(yīng)不足,而是由于ATP和NADPH供應(yīng)不足,即同化能力不足引起的;而藍(lán)光處理下煙苗光合速率降低則可能是由于氣孔導(dǎo)度的變化引起的。
綜合本研究結(jié)果,與白光相比,紅光明顯促進(jìn)煙苗葉面積、鮮重和側(cè)根數(shù)量的增加,但抑制了莖稈的伸長(zhǎng)。藍(lán)光雖然抑制了煙苗葉片及根系的發(fā)育,但是能促進(jìn)莖稈的伸長(zhǎng)。因此,在煙苗生長(zhǎng)的早期應(yīng)該補(bǔ)以紅光,使得煙草幼苗側(cè)根數(shù)量迅速增加,葉片迅速增大,為煙草吸收營(yíng)養(yǎng)元素和光合作用打下基礎(chǔ)。在育苗中后期,當(dāng)煙苗葉片較大但莖稈仍較短時(shí),改補(bǔ)藍(lán)光,以減緩葉片增大,從而減少甚至避免剪葉煉苗。同時(shí),改補(bǔ)藍(lán)光還能促進(jìn)莖稈的伸長(zhǎng),有利于達(dá)到壯苗的標(biāo)準(zhǔn)。
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Effects of red and blue monochromatic lights on growth, development and physiological characters of hydroponic tobacco seedlings
MENG Lin1,2, XU Yimin1, SONG Wenjing1, WANG Chengdong1, LIU Xiaobing1,2LIANG Meng1,2, WANG Shusheng1*
1 Key Laboratory of Tobacco Biology and Processing, Ministry of Agriculture, Tobacco Research Institute, CAAS, Qingdao 266101, China;2 Graduate School, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
To provide a basis for optimization of light condition in tobacco seedling greenhouse, the effects of red and blue monochromatic lights on tobacco seedling growth and development were studied with white light treatment as control.Results showed that red light increased leaf area and fresh biomass by 49.8% and 48.8% while blue light curbed the growth of tobacco leaves.Blue light increased stalk height by 59.2% while red light did not.Fresh biomass, 1° and 2° lateral root numbers and root super fi cial area outweighed those under blue and while light.Content of chlorophyll and carotenoid varied under different light conditions with that under white light being the highest, that under blue light being the lowest and that under white light standing in-between.Net photosynthetic rate and stomatal conductance under red and blue light were slightly lower than those under white light.Blue light inhibited the photosynthesis by decreasing Gs while red light inhibited photosynthesis due to nonstomatal factors.
monochromatic light; hydroponics; tobacco seedlings; growth and development; lateral root
孟霖,徐宜民,宋文靜,等.紅藍(lán)單色光對(duì)水培煙草幼苗生長(zhǎng)發(fā)育及生理特性的影響[J].中國(guó)煙草學(xué)報(bào),2015,21(5)
國(guó)家煙草專賣局特色優(yōu)質(zhì)煙葉開(kāi)發(fā)重大專項(xiàng)“中間香型特色優(yōu)質(zhì)煙葉生態(tài)基礎(chǔ)研究”課題(TS-02-20110012)
孟霖(1987—),在讀博士,研究方向?yàn)闊煵菰耘嗯c生理生態(tài),Email:mlbio@126.com
王樹(shù)聲(1962—),博士,研究員,主要從事煙草栽培與生理研究,E-mail:wangshusheng@caas.cn
2015-01-05
:MENG Lin, XU Yimin, SONG Wenjing, et al.Effects of red and blue monochromatic lights on growth, development and physiological characters of hydroponic tobacco seedlings [J].Acta Tabacaria Sinica, 2015, 21(5)