光強和光質對大豆幼苗形態(tài)及光合特性的影響

程亞嬌，諶俊旭，王仲林，范元芳，陳思宇，李澤林，劉沁林，李中川，楊峰，楊文鈺

（四川農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/作物帶狀復合種植工程技術研究中心，成都 611130）

0 引言

【研究意義】近年來，大豆種業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進入全面競爭時代[1]，但國產(chǎn)大豆出現(xiàn)加工原料不足，產(chǎn)業(yè)鏈不成熟和加工能力粗放等問題[2]，將嚴重阻礙我國大豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而玉米大豆帶狀間套作種植模式對提高大豆產(chǎn)量、保障大豆糧食安全起到了積極的作用[3]。但是在這種種植模式中，大豆易遭受玉米蔭蔽脅迫，直接影響大豆的形態(tài)建成和產(chǎn)量構成[4]，蔭蔽條件下不僅光強降低，而且光質也發(fā)生改變，特別是紅光與遠紅光比值降低[5]，直接影響大豆的生長發(fā)育?！厩叭搜芯窟M展】前人主要從光強和光質單一因素來研究植物生長的響應機制。在光強研究方面，植物隨著光照強度的下降，葉綠素a和葉綠素b含量下降[6]。同時，通過伸長莖稈[7]、節(jié)間[8]，增加株高[9]、葉面積、葉柄長度[10]，降低葉片厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、凈光合速率來響應弱光環(huán)境[11]。此外，套作弱光脅迫下大豆主根長、側根長均顯著下降，根系表面積減少[12]。在光質研究方面，紅藍光組合有利于幼苗生長[13]，紅光顯著促進花生幼苗根系生長[14]，有利于生物量積累，藍光有利于增加莖粗、葉綠素和類胡蘿卜素含量，促進株高；同時，藍光、黃光和綠光均顯著抑制根系生長[14]；低的紅光與遠紅光比值會抑制野生型番茄和phy b1突變體番茄開花[15]，抑制菊花發(fā)育進程，遠紅光抑制花干物質分配，而紅光與遠紅光比值在2.5 時有利于菊花發(fā)育[16]，葉片光系統(tǒng)活性最高，光合能力最強[17]?！颈狙芯壳腥朦c】前人研究主要圍繞單一的光強或者光質變化對植物生長發(fā)育的影響，而關于蔭蔽環(huán)境下的光強和光質分別如何對植物形態(tài)進行調(diào)控的研究還鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】本研究以南豆12為研究對象，在人工氣候室內(nèi)設置不同光環(huán)境包括光強和光質的變化。以正常光照為對照，分析不同光環(huán)境下大豆幼苗形態(tài)特征和光合參數(shù)，揭示蔭蔽下大豆對光強和光質的形態(tài)和生理響應。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試大豆品種為南豆12，株型收斂，抗倒力強，耐蔭、耐肥性好，適宜與玉米間套作種植。

1.2 試驗設計

試驗于2017年6月21日至7月13日，在四川農(nóng)業(yè)大學日光型人工氣候室（浙江求是人工環(huán)境有限公司）進行。挑選均勻飽滿的大豆種子放在濕潤濾紙上，在30°C條件下催芽1 d；采用單因素完全隨機盆栽試驗，壤土與基質以1∶1比例混合裝入花盆（50 cm×20 cm），挑選萌發(fā)均勻的大豆種子穴播，兩行5穴，每穴播種3顆，出苗后間苗，保留單株，株距10 cm，行距8 cm。試驗設置4個光環(huán)境：A1處理（正常光照+遠紅光；光強不變，紅光和遠紅光比值降低），A2處理（弱光+遠紅光；光強降低，紅光和遠紅光比值降低），A3處理（弱光；光強降低，紅光和遠紅光比值不變），對照CK（正常光照；光強不變，紅光和遠紅光比值不變）。弱光采用透光率為10%的黑色遮陰網(wǎng)處理，遠紅光采用36W波峰為735 nm左右的LED燈處理，各處理光強和光質數(shù)據(jù)見表1。人工氣候室白天和晚上溫度分別設置為25 °C和20°C，光周期同當?shù)刈匀画h(huán)境。播種后，每個處理下種植4盆重復，隨機排列。每隔2 d定期澆水和0.2% Hoagland營養(yǎng)液，保證大豆苗期水肥供應充足。

表1 不同處理下大豆冠層光強和光質Table 1 Light intensity and quality of soybean canopy under different treatments

1.3 測定項目與方法

1.3.1 大豆冠層光環(huán)境 在晴天的10：00至14：00進行光合有效輻射（PAR）測定。用 LI-1400光量子儀（美國LI-COR公司）連接LI-191SA探桿測定PAR，在各處理大豆冠層頂部5 cm處，從左往右依次取3個點測定，求得的各位點的平均值為大豆冠層光合有效輻射。光質測量采用荷蘭 Avantes便攜式光譜儀（AvaSpec-2048），選取紅光區(qū)域 655—665 nm，遠紅光區(qū)域725—735 nm波段，在大豆冠層測定，將光譜儀探頭垂直向上，從左往右依次取3個點測定[18]，按HERTEL等[19]方法計算紅光與遠紅光比值。

1.3.2 形態(tài)特征 在大豆第 3節(jié)齡期（V3）隨機選取長勢均勻一致的大豆幼苗4株，采用傳統(tǒng)挖掘方法，以大豆主莖為中心，挖取長×寬×深（5 cm×5 cm×10 cm）的根土混合物[20]。用卷尺測定植株地上部至頂端生長點的距離為植株株高；用游標卡尺測定植株基部子葉節(jié)間寬度為植株莖粗；以子葉節(jié)間為界限將地上部與地下部分開，清洗根系，用愛普生 LA2400根系掃描儀（加拿大Regent公司）對4株完整根系掃描并用根系分析系統(tǒng)WinRHIZO分析，測定根系長度、根體積、根表面積[12]。

1.3.3 生物量 在大豆V3期選取功能葉（倒3葉），用直徑為15 mm的打孔器將每個小葉打孔（避開主脈）2個裝入信封袋，剩余地上部各器官分離裝入信封袋，105℃殺青0.5 h，80℃烘干，用精確度為0.0001 g的電子天平稱量植株各器官干重。

1.3.4 光合色素含量 將4個已烘干的孔狀葉片稱重后放入裝有10 mL 80%的丙酮溶液的試管中，保鮮膜封口，20℃下暗處理浸提 48 h，浸提過程中間隔幾小時進行震蕩，浸提至葉片成乳白色過濾。測定波長在663、645、470 nm下的吸光度，計算葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量，并得出總葉綠素含量、葉綠素a/葉綠素b以及總葉綠素/類胡蘿卜素的數(shù)值，每個處理以測定 3次的平均值為其光合色素含量[21-22]。

1.3.5 光合特性 大豆 V3期，在晴朗的早晨 9：00至10：00，選擇大豆功能葉（倒3葉中間的小葉），采用Li-6400便攜式光合儀（美國Li-COR公司）測定凈光合速率（photosynthetic rate，Pn）、氣孔導度（stomatal conductance，Gs）、胞間二氧化碳濃度（intercellular CO2concentration，Ci）及蒸騰速率（transpiration rate，Tr），光量子通量密度為 600 μmol·m-2·s-1。各處理測定 5 次，計算平均值為其光合參數(shù)數(shù)值[23-24]。

1.3.6 葉綠素熒光 與光合參數(shù)測定相同，選取大豆功能葉，用 CFI葉綠素熒光成像系統(tǒng)（英國Technologica公司）測定PSⅡ最大光化學量子產(chǎn)量（XE）、非光化學猝滅系數(shù)（NPQ）、PSⅡ有效光化學量子產(chǎn)量（XE’）、化學熒光猝滅系數(shù)（QP）、實際光化學量子效率（OE）。測定過程中，使大豆葉片充分暗處理15 min后獲得暗反應數(shù)據(jù)，設置光強 700 μmol·m-2·s-1光處理葉片 15 min 后獲得光處理數(shù)據(jù)，各處理重復3次，求平均值作為其熒光參數(shù)數(shù)值[25-26]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用 Microsoft Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)并作圖，SPSS17.0 軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果

2.1 大豆形態(tài)特征

不同的光環(huán)境對植物形態(tài)建成的影響存在差異。由表2可知，與正常光照強度（CK和A1處理）下生長的大豆植株相比，弱光（A2和A3處理）顯著促進了株高的伸長，而根系長度、根表面積及根體積顯著下降。在光強不變，紅光和遠紅光比值下降的條件下，A1處理下的大豆株高顯著高于CK，而根系參數(shù)顯著低于CK；與A3相比，A2處理大豆株高顯著降低，莖粗顯著增加，但根系參數(shù)差異不顯著。與CK相比，A1、A2、A3處理的株高分別增加了 0.43倍、0.88倍和1.43倍，莖粗分別降低了 1.11%、14.9%和 5.2%，根長較之顯著降低了34%、82.8%和86.6%，根表面積分別降低了37.8%、81.9%和84.5%，根體積分別降低了35.7%、79%和80.3%。

2.2 大豆生物量及分配

生物量反映了植物在不同環(huán)境下的光能利用效率[20]。由圖1-A可以看出，大豆生物量在正常光照下（CK和A1處理）顯著高于弱光（A2和A3處理），而A1處理生物量積累較CK增加了16.3%，A2和A3處理間差異不顯著。各器官生物量分配如圖 1-B所示，在正常光照條件下（CK和A1處理），葉片生物量占植株總生物量的比例最大，分別為60%和55%；而在弱光條件下（A2和A3處理），莖生物量占植株總生物量的比例分別為52%和59%。在相同的光強環(huán)境下增加遠紅光顯著提高了柄在整個植株生物量所占的比例。

表2 不同光環(huán)境下大豆形態(tài)特性Table 2 Morphological characteristics of soybean in different light environment

圖1 不同光環(huán)境下大豆生物量積累及分配Fig. 1 The biomass accumulation and allocation of soybean in different light environment

2.3 大豆光合色素含量

光合色素含量的高低對光合作用具有重要的調(diào)節(jié)作用[11]。由表3可知，在相同光質條件下，比較不同的光照強度對光合色素的影響可以發(fā)現(xiàn)，與正常光照相比（A3和CK相比，A2和A1相比），弱光條件下葉綠素 a、總葉綠素和類胡羅卜素含量顯著下降，總葉綠素與類胡蘿卜素比值顯著提高（表3）。在光強不變，紅光和遠紅光比值降低的條件下（A1和CK相比，A2和A3相比），大豆光合色素含量差異不顯著。與 CK相比，A1、A2、A3處理葉綠素 a含量顯著降低了 2.6%、25.6%和 29.4%；總葉綠素含量分別降低了0.6%、1.2%和24.3%，總葉綠素與類胡蘿卜素含量的比值分別增加了11.2%、32.8%和 28.9%。A1處理葉綠素 b含量較CK增加了 7.2%，A2、A3處理較 CK分別降低了10%和 4.2%；A2、A3處理類胡蘿卜素含量相同，較CK顯著降低了41.5%。

2.4 大豆光合參數(shù)

由表4可知，在光強不變，紅光和遠紅光比值降低的條件下，A1處理凈光合速率和蒸騰速率顯著高于CK，分別提高了27.73%和47.06%，相反，胞間二氧化碳濃度顯著降低；而 A2處理凈光合速率顯著高于 A3處理，氣孔導度和蒸騰速率差異不顯著。在光質不變的條件下，與正常光照相比（A3和 CK相比，A2和 A1相比），弱光條件 A3、A2凈光合速率顯著降低。此外與CK相比，A3處理氣孔導度、胞間二氧化碳濃度和蒸騰速率顯著增加。與A1處理相比，A2處理下胞間二氧化碳濃度顯著增加，氣孔導度和蒸騰速率差異不顯著。

表3 不同光環(huán)境下大豆光合色素含量Table 3 Photosynthetic pigment content of soybean in different light environments (mg·dm-2)

表4 不同光環(huán)境下大豆光合參數(shù)Table 4 Photosynthetic parameters of soybean in different light environments

2.5 大豆葉綠素熒光參數(shù)

在正常光照強度（CK和A1處理）下，實際光化學量子效率顯著高于弱光（A2和A3處理）；在光強不變，紅光和遠紅光比值降低的條件下，大豆葉片 PSⅡ最大光化學量子產(chǎn)量和 PSⅡ有效光化學量子產(chǎn)量顯著上升（A1和CK相比，A2和A3相比）；在相同的光質條件下，降低光照強度（A3和CK相比，A2和A1相比），大豆葉片熒光參數(shù)逐漸降低，PSⅡ最大光化學量子產(chǎn)量和實際光化學量子產(chǎn)量顯著降低。與CK比較，A1、A2、A3處理化學熒光猝滅系數(shù)分別降低了3.08%、10.77%、4.62%，實際光化學量子效率分別降低了5.88%、20.59%、20.59%。

表5 不同光環(huán)境下大豆葉綠素熒光參數(shù)Table 5 Chlorophyll fluorescence parameters of soybean in different light environments

3 討論

光環(huán)境是作物生長發(fā)育過程中重要的環(huán)境因子之一，通過光強和光質作為信號因子直接影響植株的形態(tài)建成[4]。在玉米大豆帶狀套作種植模式下，大豆的生長發(fā)育受玉米的蔭蔽影響，導致冠層光強降低、紅光與遠紅光比值降低，從而影響大豆植株地上地下部的生長發(fā)育和物質積累[27]。

光合形態(tài)作為判斷植物生長發(fā)育狀況的一項重要指標，可以直觀反映出植株對不同光環(huán)境的生長響應[11]。本試驗結果與前人研究相似[7,11]，隨著光照強度降低，大豆株高逐漸增加，莖稈變細，且莖稈中生物量積累增加（表2，圖1），這是由于弱光環(huán)境下，大豆為獲得足夠的光能，抑制了莖的橫向生長并促進了莖稈的伸長從而導致莖粗降低、株高增加，同時光合同化產(chǎn)物向莖稈轉移比例增加，以保證莖稈生長所需的養(yǎng)分。低的紅光和遠紅光比值能調(diào)節(jié)植物光合形態(tài)建成[28]。本試驗中，正常光照環(huán)境下A1與CK處理，弱光環(huán)境下A2與A3處理間株高、莖粗、生物量之間的差異可能是由于正常光照下低的紅光和遠紅光比值促進葉片增大，導致光能捕獲面積增大和光合同化物積累增加，而弱光條件下低的紅光和遠紅光比值在促進葉片生長的同時有利于調(diào)控植株莖葉協(xié)調(diào)生長，保證植株在外界蔭蔽脅迫下更好的生長。這與PARK[28]等研究低的紅光與遠紅光比值有利于促進植株葉片擴大、生物量積累結果一致，而KUREPIN[29]等研究結果表明高山生態(tài)型的植物在較低的紅光與遠紅光比值下生物量未增加，但在弱光環(huán)境下生物量增加，與本試驗結果存在差異，可能是由于物種不同以及對光照強度的感應不同。

根系形態(tài)決定了植株對水分和礦質元素的吸收能力[12]，根系的生長發(fā)育與地上部相互協(xié)調(diào)，受光環(huán)境影響[20]。本試驗結果與于小波等[12]研究套作弱光脅迫對大豆苗期根系形態(tài)和生理活性的影響中結果一致，隨著光照強度降低，大豆根長、根表面積和根體積減小，導致根系生物量減小（圖 1），這是由于弱光環(huán)境下限制同化物生成及轉運，導致光合同化物主要供給地上部生長而地下部根系發(fā)育受到抑制。本試驗結果與先前研究大豆根系生物量與地上部成正相關并受冠層光環(huán)境的影響的結果一致[20]。

光合熒光作為光合作用的靈敏探針，能很好地反映逆境因子對光合作用的影響[11]。本試驗中，隨著光照強度降低，大豆植株光合色素含量、凈光合速率逐漸降低，氣孔導度、胞間二氧化碳濃度和蒸騰速率呈升高趨勢（表3—表5）?？赡苁怯捎谌豕鈼l件下，大豆光合作用減弱，光合同化率降低，導致胞間二氧化碳濃度增加，對這一現(xiàn)象有待進一步研究證實。A1與CK、A2與A3處理相比，大豆葉綠素b含量增加、凈光合速率顯著增高，蒸騰速率增加，胞間二氧化碳濃度降低，實際光化學量子效率和化學熒光猝滅系數(shù)降低。這些結果表明，增加遠紅光處理使葉片中葉綠素b含量增加，其中葉綠素b作為天線色素促進光能的吸收和傳遞，提高凈光合速率，促進光合作用，而也有研究表明低的紅光和遠紅光的比值降低了葉綠素b的活性，使得植物色素相互作用因子（PIFs）直接激活生長素合成基因的轉錄，從而促進植物生長[30]。此外，本試驗主要圍繞大豆苗期光環(huán)境變化，通過設置不同的光環(huán)境研究幼苗形態(tài)、生物量及光合生理特性對光強、光質的響應，今后需要進一步分析大豆在不同光環(huán)境下的同化物分配調(diào)控機制及相關代謝酶的活性。

4 結論

在玉米大豆帶狀套作種植蔭蔽環(huán)境下，大豆冠層光強的減弱，導致大豆株高增加、莖粗降低、根系生長發(fā)育受到抑制，莖生物量分配比例增加，而在正常光照和弱光環(huán)境下增加遠紅光（降低紅光和遠紅光比值），提高大豆凈光合速率，增加生物量的積累及柄生物量分配比例。因此，光強直接影響大豆形態(tài)建成和物質積累，而低的紅光和遠紅光比值顯著提高大豆光合速率，促進物質的積累及調(diào)節(jié)物質分配的方向。