單側(cè)紅光對(duì)大豆幼苗生長(zhǎng)的影響

王陽(yáng)昕 章有知

摘要：在光照培養(yǎng)室內(nèi)種植大豆[Giycine max （Linn.） Merrill]幼苗，以單側(cè)紅光和單側(cè)自然光作為光源，30 d后測(cè)定大豆幼苗的株高、鮮重和干重等生長(zhǎng)指標(biāo)和可溶性糖、葉綠素、蛋白質(zhì)含量等生理指標(biāo)。結(jié)果表明，單側(cè)紅光或單側(cè)自然光處理下的幼苗都有明顯的向光性生長(zhǎng)現(xiàn)象；單側(cè)紅光處理大豆幼苗株高顯著高于單側(cè)自然光處理；幼苗鮮重和干重沒有顯著差異；所測(cè)定的3項(xiàng)生理指標(biāo)在兩組中都存在極顯著差異，自然光中大豆幼苗的可溶性糖高于紅光中大豆幼苗的可溶性糖含量，前者大約為后者的16倍；紅光中大豆幼苗的蛋白質(zhì)、葉綠素a、葉綠素b和葉綠素（a+b）含量均高于自然光中大豆幼苗的含量，前者分別是后者的1.50倍、1.14倍，1.19倍和1.16倍。

關(guān)鍵詞：大豆[Giycine max （Linn.） Merrill]；光質(zhì)；單側(cè)紅光；生理特性；生長(zhǎng)特性

中圖分類號(hào)：S565.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2018）08-0020-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.08.005

Influence of the Exposure of Unilateral Red Light on the Growth of Soybean Seedlings

WANG Yang-xin，ZHANG You-zhi

（College of Life Science， Changchun Normal University， Changchun 130032， China）

Abstract： Soybean seedlings were cultivated in the light culture room， using unilateral red light and unilateral sunlight as light source. After a period of 30 days， the ecological indexes， including seedling height， fresh weight and dry weight of seedling were measured， and several physiological indexes such as soluble sugar content， chlorophyll content and protein content were also determined. The results showed that all the seedlings had the phenomenon of phototropism under exposure of unilateral red light or unilateral sunlight. The seedling height in the treated group of unilateral red light was significantly higher than in the treated group of unilateral sunlight. However， fresh weight and dry weight had no significant differences between two groups. The three physiological indexes had extremely significant differences between two groups. Soluble sugar content in unilateral sunlight treatment was 16 times higher than in the unilateral red light treatment. Protein content， chlorophyll a content， chlorophyll b content and chlorophyll（a+b） content in the unilateral red light treatment was 1.5 times， 1.14 times， 1.19 times and 1.16 times higher than in the unilateral sunlight treatment， respectively.

Key words： soybean[Giycine max（Linn.） Merrill]； light quality； unilateral red light； physiological characteristic； growth characteristic

在植物的生長(zhǎng)發(fā)育過程中，光是非常重要的因素。植物對(duì)光能的要求，除了光強(qiáng)和光周期外，光質(zhì)也是一個(gè)十分重要的因素[1]。光質(zhì)不僅作為一種能量來源參與植物的光合作用，還通過觸發(fā)植物體內(nèi)的不同光受體影響植物的生長(zhǎng)、產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性和衰老等[2]。光質(zhì)對(duì)植物的生長(zhǎng)、形態(tài)建成、光合作用、物質(zhì)代謝以及基因表達(dá)均有控制作用。

光質(zhì)或光譜組成是指太陽(yáng)輻射成分及其各波段所含能量，是光的重要屬性，其特征光譜包括紫外光、可見光和紅外光[3]。在生產(chǎn)中，不同光質(zhì)的塑料薄膜被作為物理方式來調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)。光通過塑料薄膜后使設(shè)施內(nèi)的光強(qiáng)與光質(zhì)發(fā)生改變，然而人們對(duì)光質(zhì)在植物生長(zhǎng)發(fā)育中產(chǎn)生的影響尚無明確認(rèn)識(shí)。近年來，光質(zhì)對(duì)植物光合作用的影響已經(jīng)引起研究人員的廣泛重視，并開展了多方面的研究，取得了大量的試驗(yàn)成果。

另外，植物在單側(cè)光的照射下會(huì)發(fā)生向光性彎曲的現(xiàn)象。而向光素則介導(dǎo)植物的向光性、葉綠體運(yùn)動(dòng)和抑制黃化幼苗生長(zhǎng)和葉的擴(kuò)張。對(duì)其結(jié)構(gòu)的分析表明，向光素C端有一個(gè)絲氨酸∕蘇氨酸蛋白激酶區(qū)域，N端有兩個(gè)約12 ku的FMN結(jié)合區(qū)域[4]。有研究者報(bào)道了豌豆黃化苗的上胚軸生長(zhǎng)區(qū)有一種能夠被光誘導(dǎo)而發(fā)生磷酸化作用的膜蛋白[5]。之后的研究表明，光引發(fā)的磷酸化作用與向光性有密切關(guān)系。

本研究以大豆幼苗為試驗(yàn)對(duì)象，初步研究了在單側(cè)紅光和單側(cè)自然光照射下大豆幼苗的向光性生長(zhǎng)中部分生長(zhǎng)指標(biāo)和生理指標(biāo)受到的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

本試驗(yàn)選用普通大豆[Giycine max （Linn.） Merrill]幼苗作為試驗(yàn)材料。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

挑選大小均一的大豆種子在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)以土培的方式種植，待其頂土剛要萌發(fā)時(shí)，分別置于單側(cè)紅光和單側(cè)自然光的處理下，每3 d澆水1次，生長(zhǎng)過程中白天溫度在20～25 ℃，夜晚在12～16 ℃。從開始頂土到試驗(yàn)結(jié)束，生長(zhǎng)時(shí)間為30 d。單側(cè)光源的設(shè)置方法為：用不透光的紙板將植物四周非透光區(qū)全部封閉，只留下透光區(qū)。如圖1所示。

1.3 方法

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定 株高的測(cè)定部分為幼苗的地上部，鮮重的測(cè)定使用株高測(cè)定完畢的植物，用鈍頭鑷子將其放入電子天平中進(jìn)行稱量，鮮重測(cè)定完畢后，將植株放入烘干箱中，105 ℃下烘干至兩次測(cè)定的差值在0.03%以內(nèi)，測(cè)定幼苗干重。

1.3.2 生理指標(biāo)的測(cè)定 可溶性糖含量測(cè)定的具體方法為：①制作葡萄糖吸光度值標(biāo)準(zhǔn)曲線：精確配制100 μg/mL的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液，取20 mL帶塞試管，編號(hào)，按表1配制葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液。然后在每只試管中加入5 mL蒽酮試劑，混勻，蓋上塞子，在沸水浴中煮沸10 min，取出，立即用水冷卻至室溫，在625 nm波長(zhǎng)下，用0號(hào)管調(diào)零，分別測(cè)量各管的OD值。以3次測(cè)定的OD值平均值為縱坐標(biāo)，葡萄糖含量為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，見圖2。②植物葉片在110 ℃烘箱烘5 min，然后調(diào)至70 ℃過夜。干葉片磨碎后稱取50 mg樣品倒入10 mL刻度離心管內(nèi)加入4 mL 80%乙醇，置于80 ℃水中不斷攪拌40 min，離心，收集上清液，其殘?jiān)? mL 80%乙醇重復(fù)提取2次，合并上清液。在上清液加10 mg活性炭，80 ℃脫色30 min，80%乙醇定容至10 mL，過濾后所得濾液即為可溶性糖測(cè)定提取液。取該提取液1 mL，加入5 mL蒽酮試劑混勻，用葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線制作過程中同樣的方法，在625 nm處測(cè)定溶液的OD值。由標(biāo)準(zhǔn)曲線查得提取液中的可溶性糖含量，然后根據(jù)每mL提取液含有5 mg干樣品中的糖，再計(jì)算樣品中的糖含量。

蛋白質(zhì)含量的測(cè)定方法具體為：①繪制蛋白質(zhì)吸光度值標(biāo)準(zhǔn)曲線：精確配制100 μg/mL的蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液，取20 mL帶塞試管，編號(hào)，按表2配制蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液。取配制的蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液2 mL，分別加入配制好的0.6 mg/mL的考馬斯亮藍(lán)G-250試劑2 mL，立即混勻，以去離子水2 mL加染料試劑2 mL作為對(duì)照，于分光光度計(jì)中波長(zhǎng)620 nm處測(cè)定其OD值。根據(jù)測(cè)定結(jié)果，繪制出OD值-蛋白質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)曲線，見圖3。②取0.5 g樣品于研缽中搗碎，加10 mL 0.15 mol/L NaCl溶液進(jìn)行蛋白質(zhì)提取，最后定容至20 mL，用標(biāo)準(zhǔn)曲線制作中同樣的方法，測(cè)定樣品溶液的620 nm處OD值，然后根據(jù)回歸線性方程計(jì)算蛋白質(zhì)含量。

葉綠素含量的測(cè)定方法具體為：取剪去粗大葉脈，并剪成碎塊的新鮮葉片0.5 g放入研缽中加純丙酮5 mL，少許CaCO3和石英砂，研磨成勻漿，再加80%丙酮5 mL，將勻漿轉(zhuǎn)入離心管，并用適量80%丙酮洗滌研缽，一并轉(zhuǎn)入離心管，離心后棄沉淀，上清液用80%丙酮定容至20 mL。取上述色素提取液1 mL，加80%丙酮4 mL稀釋后轉(zhuǎn)入比色杯中，以80%的丙酮為對(duì)照，分別測(cè)定663 nm、645 nm處的OD值。葉綠素a（mg/L）=12.7 OD663-2.69 OD645；葉綠素b（mg/L）=22.9 OD645-4.68 OD663；葉綠素（a+b）（mg/L）=8.02 OD663+20.21 OD645。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析 測(cè)定生長(zhǎng)指標(biāo)時(shí)，植物樣本容量為15株；生理指標(biāo)測(cè)定時(shí)，重復(fù)測(cè)量三次。使用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，顯著性檢驗(yàn)采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單側(cè)紅光對(duì)大豆幼苗株高的影響

單側(cè)紅光和單側(cè)自然光作為光源培養(yǎng)30 d后，大豆幼苗的株高分析數(shù)據(jù)表明，單側(cè)紅光照射的大豆幼苗植株高于單側(cè)自然光照射的植株。F值3.756，方差檢驗(yàn)無顯著性差異，平均值雙尾顯著性t檢驗(yàn)的P值為0.029，說明兩個(gè)處理之間在大豆幼苗株高上有顯著性差異。

2.2 單側(cè)紅光對(duì)大豆幼苗鮮重的影響

試驗(yàn)測(cè)定的大豆幼苗鮮重的分析數(shù)據(jù)表明，單側(cè)紅光和單側(cè)自然光照射的大豆幼苗植株鮮重相差不大。F值0.288，方差檢驗(yàn)無顯著性差異，雙尾顯著性t檢驗(yàn)的P值為0.847，說明兩個(gè)處理之間在大豆幼苗株高上沒有顯著性差異。

2.3 單側(cè)紅光對(duì)大豆幼苗干重的影響

試驗(yàn)測(cè)定的大豆幼苗干重的分析數(shù)據(jù)表明，單側(cè)自然光照射的大豆幼苗植株的干重大于單側(cè)紅光的干重。F值0.208，方差檢驗(yàn)無顯著性差異，雙尾顯著性t檢驗(yàn)的P值為0.054，說明兩個(gè)處理之間在大豆幼苗株高上沒有顯著性差異。

2.4 單側(cè)紅光對(duì)大豆幼苗生理指標(biāo)的影響

試驗(yàn)測(cè)定的可溶性糖含量、蛋白質(zhì)含量和葉綠素含量的結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，自然光中大豆幼苗的可溶性糖含量高于紅光中大豆幼苗的可溶性糖含量，前者大約為后者的16倍。紅光中大豆幼苗蛋白質(zhì)含量、葉綠素a含量、葉綠素b含量和葉綠素（a+b）含量都高于自然光中大豆幼苗的含量，前者分別是后者的1.50倍、1.14倍，1.19倍和1.16倍。

經(jīng)t檢驗(yàn)，大豆幼苗可溶性糖含量在紅光和自然光間存在極顯著差異，雙尾檢驗(yàn)P值為0.000；大豆幼苗蛋白質(zhì)含量在紅光和自然光間存在極顯著差異，雙尾檢驗(yàn)P值為0.000；大豆幼苗葉綠素a含量在紅光和自然光間存在極顯著差異，雙尾檢驗(yàn)P值為0.000；大豆幼苗葉綠素b含量在紅光和自然光間存在極顯著差異，雙尾檢驗(yàn)P值為0.002；大豆幼苗葉綠素（a+b）含量在紅光和自然光間存在極顯著差異，雙尾檢驗(yàn)P值為0.000。

3 討論

3.1 光質(zhì)對(duì)大豆幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

不同波長(zhǎng)的光可以通過影響植物體內(nèi)的內(nèi)源激素水平來實(shí)現(xiàn)對(duì)莖的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)。在分子水平上，紅光促進(jìn)細(xì)胞的伸長(zhǎng)；總的來說，波長(zhǎng)長(zhǎng)的光（紅光）促進(jìn)莖的伸長(zhǎng)，而波長(zhǎng)短的光（藍(lán)光）抑制莖的伸長(zhǎng)[6]。研究表明，單側(cè)紅光處理的大豆幼苗株高是單側(cè)自然光處理組株高的1.32倍，且兩組處理在株高上具有極顯著差異。說明在引起幼苗向光性生長(zhǎng)的的同時(shí)，單側(cè)紅光仍然具有促進(jìn)幼苗莖的伸長(zhǎng)效應(yīng)，這種伸長(zhǎng)效應(yīng)和光的方向性無關(guān)。

在鮮重和干重的結(jié)果上，兩個(gè)處理并未表現(xiàn)出顯著性差異的現(xiàn)象。鮮重的平均值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)非常接近，但是干重的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)卻是自然光組已經(jīng)表現(xiàn)出比紅光組大的趨勢(shì)。如果簡(jiǎn)單地把植物體內(nèi)的物質(zhì)分為水和有機(jī)物的話，那么在鮮重方面，紅光組的含水量則較自然光組要大；而有機(jī)物方面則以自然光組中植物生長(zhǎng)過程中積累的量為多，說明自然光的光合作用要強(qiáng)于紅光。雖然并沒有表現(xiàn)出顯著差異，但這極可能是試驗(yàn)時(shí)間太短所致。

3.2 光質(zhì)對(duì)大豆幼苗生理指標(biāo)的影響

可溶性糖主要為葡萄糖、果糖和蔗糖，可溶性糖是合成淀粉的前體，所以可溶性糖的變化能大致反映植株的碳素營(yíng)養(yǎng)代謝狀況。在光質(zhì)對(duì)高等植物的碳水化合物調(diào)節(jié)作用的研究中，有研究者認(rèn)為紅光下生長(zhǎng)的作物通常碳水化合物含量較高[7，8]。在試驗(yàn)中，可溶性糖含量的測(cè)定結(jié)果是：自然光處理中的可溶性糖含量是紅光處理中的16倍，似乎與以前的研究結(jié)果相反。但是分析原論文，一是將紅光與藍(lán)光進(jìn)行比對(duì)，而非自然光[7]；二是測(cè)定的植物體部分不同，前人多測(cè)定的是果實(shí)中糖的含量[9]，而本研究的試驗(yàn)中則測(cè)定的是植株體內(nèi)的糖含量。童哲等[10]認(rèn)為是由于光合碳循環(huán)中的Rubisco大亞基的編碼基因rbcL（在葉綠體中）和小亞基的編碼基因rbcS（在核基因組）的轉(zhuǎn)錄可以被光敏色素協(xié)調(diào)地調(diào)節(jié)，從而引起了R/FR對(duì)碳水化合物合成的影響。

在蛋白質(zhì)含量方面，紅光處理組大豆幼苗的蛋白質(zhì)含量較自然光處理中的蛋白質(zhì)含量高而且具有極顯著差異。一般而言，藍(lán)光對(duì)含氮化合物，如氨基酸和蛋白質(zhì)等的含量具有促進(jìn)效應(yīng)。原因可能是使藍(lán)光處理下葉片中硝酸還原酶活性的增加和呼吸作用較強(qiáng)有密切的關(guān)聯(lián)，前者為有機(jī)含氮化合物的合成提供了較多的可同化態(tài)的氮源，而且藍(lán)光可明顯促進(jìn)線粒體的暗呼吸，呼吸作用產(chǎn)生的有機(jī)酸為有機(jī)含氮化合物合成提供了充分的碳架[11，12]。在以白菜、黃瓜、西葫蘆和豆角進(jìn)行的補(bǔ)照白光和紅光的試驗(yàn)中[13]，補(bǔ)照白光的白菜和西葫蘆其蛋白質(zhì)含量明顯高于補(bǔ)照紅光（P<0.01）的含量，而補(bǔ)照紅光的豆角蛋白質(zhì)含量則明顯高于補(bǔ)照白光（P<0.01）的含量，這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果和本研究相同。原因可能是本研究的試驗(yàn)中的大豆和該補(bǔ)照試驗(yàn)中的豆角都屬于豆科，而且都具有與其他植物不一樣的試驗(yàn)結(jié)果，說明豆科植物在不同光質(zhì)下的生理代謝途徑和影響可能與其他植物存在本質(zhì)區(qū)別，值得進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。

光合色素是植物進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量與組成直接影響葉片的光合速率。在風(fēng)信子中，藍(lán)光能促進(jìn)愈傷組織中葉綠素的形成，而紅光降低葉綠素總含量[14]。在高粱、黃瓜和歐白芥中，與純紅光相比，紅光中分別混雜有藍(lán)光、黃光和橙光，對(duì)這些植物的葉片葉綠素合成的促進(jìn)都比較大；并認(rèn)為，混合光的這種效應(yīng)是由于純紅光或純藍(lán)光中混雜有其他波長(zhǎng)的光線后，活化態(tài)的光敏色素含量發(fā)生變化，隱花色素的激活也不相同，從而引起各種不同的生物學(xué)效應(yīng)[14]。試驗(yàn)表明，藍(lán)光可以提高多種藻類植物的葉綠素a含量，因此藍(lán)光培養(yǎng)的植株一般葉綠素a/b值較高，而紅光培養(yǎng)的植株葉綠素a/b較低[14]。在本試驗(yàn)中，紅光處理下大豆幼苗的葉綠素a含量、葉綠素b含量和葉綠素（a+b）含量都高于自然光處理，且具有顯著性差異。與前述試驗(yàn)結(jié)果并不一致，可能是不同光質(zhì)調(diào)節(jié)葉綠素含量會(huì)因植物種類、組織器官不同而不同。Saebo等[15]發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)在藍(lán)光下的樺樹功能葉葉綠體面積都比白光和紅光下大。紅光處理下大豆幼苗的葉綠體較多、基粒較大、葉綠體面積較大可能是葉綠素含量高的原因。

4 小結(jié)

通過對(duì)大豆幼苗進(jìn)行單側(cè)紅光和單側(cè)自然光處理，測(cè)定了部分生長(zhǎng)指標(biāo)和生理指標(biāo)，得到的結(jié)論為：?jiǎn)蝹?cè)紅光照射可以在引起幼苗向光性生長(zhǎng)的同時(shí)，仍然具有促進(jìn)幼苗莖的伸長(zhǎng)效應(yīng)，這種伸長(zhǎng)效應(yīng)和光的方向性無關(guān)；單側(cè)紅光和單側(cè)自然光處理對(duì)幼苗鮮重和干重的影響上沒有顯著差異；在可溶性糖的含量上，以自然光處理組中大豆幼苗的含量要高于紅光處理組。而在蛋白質(zhì)含量和葉綠素含量中，紅光處理組則高于自然光處理組。

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