初花后短日照誘導(dǎo)對(duì)小豆葉片生理參數(shù)的影響

董偉欣，尹寶重，張彥麗，張?jiān)鲁?/p>

(1.河北廣播電視大學(xué)，河北 石家莊 050080；2. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河北省作物生長(zhǎng)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071001)

光照是決定作物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵環(huán)境因子之一，葉片是感受光照的主要器官，葉片內(nèi)生理參數(shù)的變化直接或間接地影響作物后期的生長(zhǎng)發(fā)育。小豆對(duì)光照敏感，晚熟品種尤為明顯，河北省作物生長(zhǎng)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室前期的研究發(fā)現(xiàn)，初花前短日照誘導(dǎo)使小豆的花期提前，提早成熟，通過短日照誘導(dǎo)可以調(diào)整播期，提高產(chǎn)量，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)實(shí)踐，在引種和育種方面也起到一定的積極作用，因小豆?fàn)I養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)并進(jìn)時(shí)間長(zhǎng)，花莢同步，而作物都存在光周期效應(yīng)，所以，初花后短日照誘導(dǎo)對(duì)小豆葉片生理參數(shù)的變化也具有一定的研究意義。

開花后短日照誘導(dǎo)對(duì)葉片生理參數(shù)的影響在其他植物上也有較多的研究，如任萬軍等[1]認(rèn)為，在始穗后短日照使水稻葉片的葉綠素含量提高，但降低了葉綠素a/b的值。劉科等[2]的研究也發(fā)現(xiàn)，超級(jí)雜交稻在齊穗后短日照其葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b的含量均有所提高，其中，葉綠素b含量增加的幅度高于葉綠素a。牟會(huì)榮等[3]研究表明，小麥在拔節(jié)至成熟期短日照后可使小麥旗葉的Pn降低，同時(shí)ΦPSⅡ降低，而提高了光系統(tǒng)Ⅱ的Fo和Fv/Fm，短日照處理使雞爪槭葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm也增加[4]。而戰(zhàn)吉成等[5]的研究卻認(rèn)為，短日照誘導(dǎo)使葡萄葉片的Fv/Fm降低。短日照誘導(dǎo)使桃葉PSⅡ的光化學(xué)效率也降低，且后期降低幅度較大[6]。徐建堂等[7]研究發(fā)現(xiàn)，短日照誘導(dǎo)使麻類植物葉片中的可溶性糖和蛋白含量出現(xiàn)先降低之后升高而后又降低的趨勢(shì)。郝建博[8]通過對(duì)桃品種燕紅和保佳紅進(jìn)行短日照發(fā)現(xiàn)，2個(gè)品種葉片的可溶性糖含量降低，而尹淑麗等和李婭莉[9-10]研究表明，短日照誘導(dǎo)對(duì)小豆葉片的可溶性糖和蛋白含量沒有明顯的影響。符冠富等[11]在水稻灌漿期進(jìn)行短日照誘導(dǎo)后發(fā)現(xiàn)，蔗糖合成酶的活性降低，從而導(dǎo)致籽粒蔗糖含量降低。

以上可見，其他作物在開花后以及小豆在初花前通過短日照誘導(dǎo)對(duì)葉片生理參數(shù)影響都有相關(guān)的研究，但關(guān)于初花后短日照誘導(dǎo)引起小豆葉片內(nèi)生理參數(shù)的變化卻未見報(bào)道。

本研究以中熟品種冀紅9218和晚熟品種唐山紅小豆為試材，分時(shí)期在初花后進(jìn)行短日照誘導(dǎo)，測(cè)定葉片生理參數(shù)對(duì)短日照的響應(yīng)，為小豆葉片生理參數(shù)對(duì)初花后短日照誘導(dǎo)的響應(yīng)提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用中熟品種冀紅9218和晚熟品種唐山紅小豆作為試驗(yàn)材料，在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)保定教學(xué)實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行。

1.2 供試土壤肥力測(cè)定

經(jīng)測(cè)定，試驗(yàn)小區(qū)(0～20 cm)的有機(jī)質(zhì)含量為16.025 mg/g，全氮含量為1.023 mg/g，堿解氮、有效磷和速效鉀的含量分別是91.750，66.075，126.400 mg/kg。由此可見，試驗(yàn)小區(qū)土壤肥沃，有利于小豆良好生長(zhǎng)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)置10 h光/14 h暗(10 h L/14 h D)和12 h光/12 h暗(12 h L/12 h D)2種日照長(zhǎng)度，分別在初花-初莢(EF-EP)、初莢-初粒(EP-ES)和初花-初粒(EF-ES)3個(gè)時(shí)期進(jìn)行短日照處理，以自然光作為對(duì)照(CK)。

試驗(yàn)每年于6月24日播種，小區(qū)面積為5 m×1 m，每小區(qū)采用點(diǎn)播種植2行，行距為40 cm，株距為15 cm，每個(gè)處理3次重復(fù)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用隨機(jī)區(qū)組排列，遮光處理是每天用不透光的黑紅布在18：00和19：00進(jìn)行遮光，次日早晨8：00和7：00揭開，遮光結(jié)束后在自然條件下生長(zhǎng)至成熟。

1.4 試驗(yàn)方法

葉片生理參數(shù)測(cè)定：①葉綠素含量參照鄒琦[12]的方法測(cè)定。②使用便攜式光合儀(Li-6400)在晴天無云的上午9：30-11：00時(shí)選取中間葉片測(cè)定凈光合速率(Pn)。③采用英國(guó)Hansatech公司FMS-2調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x，選取中間葉片測(cè)定PS Ⅱ原初光能轉(zhuǎn)化效率Fv/Fm。④可溶性蛋白含量參照Read等[13]的方法測(cè)定。⑤可溶性糖含量采用白寶璋等[14]的方法測(cè)定。⑥蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性測(cè)定步驟、測(cè)定方法和計(jì)算方法見試劑盒使用說明(由南京建成生物工程研究所提供)。⑦參照植物生理實(shí)驗(yàn)手冊(cè)測(cè)定谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶(GOT)和谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶(GTP)的活性。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2013整理，使用SPSS 17.0和SAS 9.4軟件在α=0.05水平上進(jìn)行方差分析及多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 初花后短日照誘導(dǎo)對(duì)小豆葉綠素含量和葉綠素a/b值的影響

由表1可知，在10，12 h下，冀紅9218的葉綠素總量在開花期的EF-EP處理下稍有升高，而EP-ES和EF-ES卻顯著降低，結(jié)莢期在EF-ES處理下分別降低10.42%和3.47%，12 h下的EF-EP和EP-ES都顯著升高4.00%，鼓粒期的各個(gè)處理較對(duì)照都顯著降低。唐山紅小豆在開花期的EF-EP(10 h)和EF-EP(12 h)較對(duì)照升高，其余處理都降低，結(jié)莢期和鼓粒期也都呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，且以EF-ES處理降低尤為明顯。

葉綠素含量的變化會(huì)影響葉綠素a/b值的波動(dòng)，冀紅9218的葉綠素a/b值在開花期的EP-ES(10 h)、EF-ES(10 h)和EF-ES(12 h)處理下較對(duì)照分別顯著升高16.76%，18.95%和11.49%，結(jié)莢期的EP-ES(10 h)、EF-ES(10 h)和EF-ES(12 h)處理分別顯著升高7.28%，17.16%和7.89%，鼓粒期的3個(gè)處理較對(duì)照都顯著升高。唐山紅小豆開花期的EF-ES(10 h)、EP-ES(12 h)和EF-ES(12 h)處理較對(duì)照分別顯著升高22.40%，21.58%和24.75%，而在結(jié)莢期和鼓粒期總體呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，在結(jié)莢期EF-EP (10 h)處理下較對(duì)照升高3.23%，EP-ES (10 h)和EF-ES(10 h)顯著升高6.83%和16.67%，12 h下的3個(gè)處理分別顯著升高6.25%，7.41%和12.28%，鼓粒期10 h和12 h下較對(duì)照分別顯著升高9.84%，17.92%，12.56%，8.42%，17.54%和13.86%。說明初花后短日照對(duì)葉綠素含量也有影響，進(jìn)而影響小豆的發(fā)育。

表1 初花后短日照誘導(dǎo)對(duì)葉綠素含量和葉綠素a/b的影響Tab.1 Effects of short day photoperiod inducement after early flowering on chlorophyll content and chlorophyll a/b

注：均值±SE，每列不同的小寫字母表示在α=0.05水平上的統(tǒng)計(jì)顯著性。表2同。
Note：Values are means ± SE，each column with different lowercase letters indicates statistical significance at the level of α=0.05. The same as Tab.2.

2.2 初花后短日照誘導(dǎo)對(duì)小豆凈光合速率(Pn)和最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)的影響

由表2可見，初花后短日照誘導(dǎo)使2個(gè)小豆品種的Pn在開花期和鼓粒期較對(duì)照都降低，結(jié)莢期2個(gè)品種的EP-ES (10 h)處理較對(duì)照稍有升高，其余處理都降低，在3個(gè)時(shí)期中呈現(xiàn)短日照誘導(dǎo)時(shí)間越長(zhǎng)，降低就越多的趨勢(shì)。

冀紅9218的Fv/Fm在開花期的EF-EP(10 h)處理較對(duì)照顯著降低13.51%，結(jié)莢期降低均不明顯，鼓粒期10 h下的3個(gè)處理分別顯著降低9.88%，8.64%和8.64%，而12 h下的3個(gè)處理降低不明顯。唐山紅小豆在開花期和結(jié)莢期的各個(gè)處理較對(duì)照降低都不明顯，鼓粒期EF-ES(10 h)較對(duì)照顯著降低7.69%，其余處理降低不明顯。說明2個(gè)供試小豆品種均未受到光抑制。這與PS Ⅱ反應(yīng)中心可能發(fā)生可逆性失活、短日誘導(dǎo)僅減弱小豆光能利用有關(guān)。在短日照誘導(dǎo)結(jié)束后，小豆能恢復(fù)或加強(qiáng)對(duì)光能的利用，在生殖發(fā)育時(shí)期能夠提供更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來維持植株生長(zhǎng)需要。

表2 初花后短日照對(duì)凈光合速率和最大光化學(xué)量子產(chǎn)量的影響Tab.2 Effectsof short-dayphotoperiod after early flowering on netphotosynthetic rate and maximum photochemical quantum yield

2.3 初花后短日照誘導(dǎo)對(duì)小豆可溶性蛋白含量的影響

從圖1可看出，在10，12 h，2個(gè)品種的可溶性蛋白含量在3個(gè)時(shí)期較對(duì)照呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。冀紅9218開花期在EF-ES(10 h)和EF-ES(12 h)處理下分別顯著降低17.92%和31.36%，在結(jié)莢期略有降低，鼓粒期10 h下的EF-ES處理降低22.00%，12 h下的3個(gè)處理較對(duì)照都顯著降低(圖1-A)。

而唐山紅小豆在開花期的EF-ES(10 h)和EF-ES(12 h)處理顯著降低16.96%和10.69%，其余處理降低不明顯，結(jié)莢期EP-ES(10 h)和EP-ES(12 h)較對(duì)照顯著升高18.74%和13.56%，其余處理使葉片的可溶性蛋白含量降低，而在鼓粒期的各個(gè)處理較對(duì)照顯著降低(圖1-B)。

均值±SE，每個(gè)圖注上不同的小寫字母表示在α=0.05水平上的統(tǒng)計(jì)顯著性。圖2-6同。Values are means ± SE，each bar with different lowercase letters indicates statistical significance at the level of α=0.05. The same as Fig.2-6.

2.4 初花后短日照誘導(dǎo)對(duì)小豆可溶性糖含量的影響

由圖2可見，冀紅9218的可溶性糖含量在3個(gè)時(shí)期對(duì)照總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，其中，開花期的EF-ES(10 h)和EF-ES(12 h)處理較對(duì)照分別顯著降低36.04%和26.16%，而EP-ES(12 h)處理顯著升高17.51%，結(jié)莢期的EF-ES(10 h)顯著降低43.01%，鼓粒期的EF-ES(12 h)處理顯著降低32.60%，其余處理降低都不明顯(圖2-A)。唐山紅小豆在開花期和結(jié)莢期的各個(gè)處理較對(duì)照都無明顯變化且差異都未達(dá)到顯著水平，鼓粒期10 h下的3個(gè)處理較對(duì)照分別顯著升高27.21%，33.36%和23.77%，12 h下的EP-ES處理顯著升高22.35%，其余2個(gè)處理升高不明顯(圖2-B)。以上可見，初花后不同時(shí)期遮光使小豆葉片內(nèi)可溶性糖含量變化因品種而異。

圖2 初花后短日照對(duì)可溶性糖含量的影響Fig.2 Effects of short-day photoperiod after early flowering on soluble sugar

2.5 初花后短日照誘導(dǎo)對(duì)小豆蔗糖合成酶(SS)活性的影響

由圖3可見，冀紅9218在開花期和結(jié)莢期較對(duì)照呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，其中結(jié)莢期的EP-ES(10 h)、EF-ES(10 h)和EF-ES(12 h)處理較對(duì)照分別顯著降低9.64%，6.17%和9.49%，其余處理降低程度未達(dá)到顯著水平，鼓粒期與對(duì)照相比變化不大(圖3-A)。唐山紅小豆在3個(gè)時(shí)期的各個(gè)處理較對(duì)照都無明顯變化且2個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間變化也不大(圖3-B)。

圖3 初花后短日照對(duì)蔗糖合成酶(SS)活性的影響Fig.3 Effects of short-dayphotoperiod after early flowering on SS activity

2.6 初花后短日照誘導(dǎo)對(duì)小豆蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性的影響

由圖4可見，冀紅9218在3個(gè)時(shí)期較對(duì)照總體呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，其中，開花期的EF-EP(10 h)較對(duì)照顯著升高36.04%，鼓粒期的EF-EP(12 h)較對(duì)照顯著升高48.37%，其余處理升高不明顯，結(jié)莢期較對(duì)照差異都未達(dá)到顯著水平(圖4-A)。唐山紅小豆在開花期和結(jié)莢期降低，鼓粒期的EF-ES (10 h)和EF-ES (12 h)處理較對(duì)照降低，其余處理都升高，但差異都不明顯，且2個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間變化也較小(圖4-B)。以上可見，SS和SPS活性總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，說明初花后不同時(shí)期短日照誘導(dǎo)使小豆葉片的蔗糖合成能力降低，能源物質(zhì)降低，由此可能對(duì)產(chǎn)量形成產(chǎn)生不利影響。

2.7 初花后短日照誘導(dǎo)對(duì)小豆谷草轉(zhuǎn)氨酶(GOT)活性的影響

由圖5可見，初花后不同時(shí)期短日照誘導(dǎo)對(duì)2個(gè)小豆品種葉片內(nèi)GOT的影響不大。冀紅9218開花期的各個(gè)處理較對(duì)照都稍有降低，差異較對(duì)照都不明顯，結(jié)莢期EF-EP(10 h)處理較對(duì)照顯著升高8.02%，其余處理較對(duì)照變化不大，鼓粒期呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但與對(duì)照相比都未達(dá)到顯著水平(圖5-A)。唐山紅小豆在開花期和結(jié)莢期的各個(gè)處理較對(duì)照稍有降低，鼓粒期升高，但都未達(dá)到顯著水平，2個(gè)品種在開花期、結(jié)莢期和鼓粒期的變化也不大。(圖5-B)。

圖4 初花后短日照對(duì)蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性的影響Fig.4 Effects of short-day photoperiod after early flowering on SPS activity

圖5 初花后短日照對(duì)谷草轉(zhuǎn)氨酶(GOT)活性的影響Fig.5 Effects of short-day photoperiod on GOT activity after early flowering

2.8 初花后短日照誘導(dǎo)對(duì)小豆谷丙轉(zhuǎn)氨酶(GPT)活性的影響

由圖6可見，初花后不同時(shí)期短日照誘導(dǎo)對(duì)2個(gè)小豆品種葉片內(nèi)GPT酶活性的影響與GOT類似。冀紅9218在開花期、結(jié)莢期和鼓粒期的各個(gè)處理較對(duì)照都呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但差異都未達(dá)到顯著水平(圖6-A)。唐山紅小豆在開花期的EF-EP(10 h)和EP-ES(12 h)處理較對(duì)照分別顯著降低5.75%和4.60%，結(jié)莢期稍有升高，鼓粒期EF-EP (10 h)和EF-ES (10 h)稍有升高，其余處理降低，但與對(duì)照相比差異都不明顯，2個(gè)品種相比差異變化也不大(圖6-B)。由此可見，短日照誘導(dǎo)對(duì)GOT和GPT的影響不大，這2種酶在小豆植株體內(nèi)保持穩(wěn)定狀態(tài)。因此，短日照誘導(dǎo)對(duì)小豆葉片內(nèi)的轉(zhuǎn)氨基代謝調(diào)控效應(yīng)較小。

圖6 初花后短日照對(duì)谷丙轉(zhuǎn)氨酶(GPT)活性的影響Fig.6 Effects of short-day photoperiod after early flowering on GPT activity

3 討論與結(jié)論

葉片是感受光周期的主要部位，在不同的光周期誘導(dǎo)下，葉片內(nèi)生理參數(shù)的變化會(huì)影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育過程。葉綠素作為光合作用的重要色素，日照長(zhǎng)度的改變會(huì)影響葉綠素的含量，進(jìn)而影響光合作用。如短日照條件下臭牡丹的葉綠素b以及總?cè)~綠素含量低于對(duì)照[15]。而姜楠等[16]的研究發(fā)現(xiàn)，短日照均導(dǎo)致了不同穗型粳稻品種葉綠素含量的增加。紫葉加拿大紫荊葉片的Pn在短日照誘導(dǎo)條件下呈現(xiàn)下降趨勢(shì)且日變化均呈單峰曲線[17]。短日照處理?xiàng)飨闳~片的Pn和Fv/Fm較對(duì)照降低[18]，花后遮光漬水也會(huì)導(dǎo)致冬小麥的Pn下降[19]。而繳麗莉等[20]研究表明，在短日照誘導(dǎo)條件下，青榨槭葉片色素含量增加，葉綠素a/b減小，Pn和Fv/Fm增加。本研究表明，初花后短日照誘導(dǎo)使2個(gè)小豆品種的葉綠素含量、光合速率和PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)且在EF-ES處理降低幅度最大，與前人研究略有差異，可能與品種對(duì)光照的感受以及感受的時(shí)期不同有關(guān)，葉綠素含量下降導(dǎo)致葉片對(duì)光的捕捉和利用能力降低，使捕獲和傳遞給PS Ⅱ反應(yīng)中心的光能減少，進(jìn)而影響原初反應(yīng)，PSⅡ光化學(xué)反應(yīng)活性的降低影響了電子傳遞速率。然而，初花后短日照誘導(dǎo)使電子傳遞速率降低是光合作用下降的部分原因，至于是否影響光合磷酸化和碳同化階段而造成產(chǎn)量降低，有待進(jìn)一步深入研究。

碳氮代謝是反映葉片生理功能的主要指標(biāo)，光照改變會(huì)影響作物體內(nèi)碳氮代謝的平衡。如尹寶重等[21]研究發(fā)現(xiàn)，短日照誘導(dǎo)使小豆葉片內(nèi)的可溶性糖和蛋白含量降低。宋艷霞等[22]研究表明，短日照誘導(dǎo)使大豆功能葉片中的蛋白質(zhì)含量顯著降低，降低程度因品種而異，耐陰品種中可溶性蛋白含量的變化不大，而不耐陰品種中可溶性蛋白含量降低幅度較大。李天等[23]研究發(fā)現(xiàn)，短日照誘導(dǎo)使日本睛和IR72籽粒內(nèi)蔗糖和淀粉含量均呈現(xiàn)顯著的降低趨勢(shì)。本研究發(fā)現(xiàn)，初花后短日照誘導(dǎo)使小豆葉片內(nèi)的可溶性糖和蛋白含量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)且在EF-ES處理降低最多，這與前人研究結(jié)果相一致。說明光照與作物碳氮代謝具有明顯的相關(guān)性，短日照條件下NO3-的還原能力減弱，碳水化合物供應(yīng)減少；而恢復(fù)光照時(shí)，碳氮供應(yīng)能力增強(qiáng)，也與碳氮的利用率有關(guān)，由此可見，光照長(zhǎng)度和碳氮代謝協(xié)同互作影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育、物質(zhì)生產(chǎn)和分配。

短日照會(huì)影響保護(hù)酶的活性[24]。進(jìn)一步測(cè)定了相關(guān)酶活性后發(fā)現(xiàn)，初花后短日照誘導(dǎo)使小豆葉片的SS和SPS酶活性呈現(xiàn)降低趨勢(shì)且EF-ES處理降低最多，GOT和GPT酶活性受光照的影響不大。在其他作物上，玉米在生育后期進(jìn)行短日照誘導(dǎo)后使SS活性降低[25]。水稻灌漿期經(jīng)過短日照誘導(dǎo)后SS和SPS的活性也降低，從而導(dǎo)致籽粒蔗糖含量降低[11]。這與前人在其他作物上的研究結(jié)果相一致。說明伴隨著植株的不斷衰老，在短日照誘導(dǎo)后植株的代謝能力緩慢，自我調(diào)節(jié)能力下降，抗氧化酶的能力降低，細(xì)胞膜透性加強(qiáng)，植株提前成熟，但其內(nèi)部機(jī)理非常復(fù)雜，有關(guān)短日照誘導(dǎo)時(shí)期及處理調(diào)控小豆的生化代謝機(jī)制仍有待進(jìn)一步探討。

通過本研究發(fā)現(xiàn)，初花后短日照誘導(dǎo)也明顯影響小豆葉片的生理參數(shù)，且在EF-ES(初花-初粒)處理下的影響較大，在EF-EP(初花-初莢)處理下的影響較小，即處理時(shí)間越長(zhǎng)，影響越大，進(jìn)而影響小豆的生長(zhǎng)發(fā)育，說明小豆的一生對(duì)光照都有感應(yīng)，只是花前更為敏感，本研究通過初花后短日照誘導(dǎo)闡述了葉片生理參數(shù)的變化，進(jìn)一步了解初花后短光照誘導(dǎo)對(duì)小豆生理參數(shù)的影響，為初花后光照變化對(duì)小豆籽粒品質(zhì)的影響研究奠定了基礎(chǔ)。