不同光質(zhì)LED光源對彩葉草生長及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

孟力力， 柳 軍， 皮 杰， 劉建龍， 余 剛， 夏禮如

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所/農(nóng)業(yè)部長江中下游設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210014)

光質(zhì)是植物生長發(fā)育過程中重要的環(huán)境因子，對植物的生長發(fā)育、形態(tài)建成、物質(zhì)生理代謝、光合作用、抗逆性、果實(shí)品質(zhì)以及基因表達(dá)等有廣泛的調(diào)節(jié)作用。研究發(fā)現(xiàn)，紅藍(lán)光可以顯著提高番茄幼苗莖粗、干鮮樣質(zhì)量、壯苗指數(shù)及可溶性糖含量[1-2]，并對水稻苗莖伸長和根系盤結(jié)有促進(jìn)作用[3]，還可以顯著提高生菜地上部花青素含量[4]；紅光處理可提高豌豆芽苗菜產(chǎn)量及可溶性糖蛋白含量[5]，并有利于提高草莓葉片的凈光合速率與蒸騰速率[6]；藍(lán)光處理可提高草莓葉片的氣孔導(dǎo)度與胞間CO2濃度[6]，但會(huì)降低生菜地上部花青素含量[4]；光質(zhì)還會(huì)對離體誘導(dǎo)棕色棉纖維基因表達(dá)產(chǎn)生影響[7]，目前關(guān)于不同光質(zhì)對彩葉觀賞植物影響的研究較少。彩葉草(Plectranthusscutellarioides)為唇形科鞘蕊花屬多年生常綠草本植物，葉片對生、卵形，因葉面具有黃、紅、紫等斑點(diǎn)而得名[8-9]，觀賞價(jià)值高。同時(shí)，彩葉草也是改善環(huán)境的植物，具有消毒殺菌的作用[10]，其應(yīng)用范圍較廣泛。

本研究旨在探索不同光質(zhì)對彩葉草幼苗生長指標(biāo)、色素含量、葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?，探索找出適合幼苗健壯生長的光譜，以期為彩葉植物培育人工光源光質(zhì)的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試彩葉草品種為航路晚霞色。于2016年5月在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代智能溫室內(nèi)用育苗盤育苗，上覆無紡布保溫保濕，待出苗后揭去并正常養(yǎng)護(hù)管理，每5 d澆1次營養(yǎng)液。待幼苗長至2葉1心時(shí)，選取長勢健壯一致、無病蟲害的幼苗移栽于24 cm×18 cm(上口直徑×高度)的塑料花盆內(nèi)，栽培基質(zhì)是泥炭白珍珠巖以3 ∶1的體積比混合而成。將盆栽放置于組培室進(jìn)行不同光質(zhì)處理，每個(gè)處理10株，重復(fù)3次。組培室環(huán)境：光周期為8 h/d，溫度為26 ℃/18 ℃(白天/夜間)。

1.2 LED光處理

組培架為角鋼結(jié)構(gòu)，高度可調(diào)，光源設(shè)置于頂部，組培架各區(qū)域采用鍍鋁反光膜隔開，外部是黑色遮光布。試驗(yàn)用LED光源(深圳市四海新宇照明科技有限公司出品)有3種不同光質(zhì)：紅光(R)，波峰為636 nm；藍(lán)光(B)，波峰為 458 nm；黃光(Y)，波峰為592 nm。本試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)LED光質(zhì)配比組合，分別是紅光(R)、藍(lán)光(B)、黃光(Y)、紅藍(lán)組合光(RB)(其組合比例為R ∶B=8 ∶1)、紅藍(lán)黃組合光(RBY)(其組合比例為R ∶B ∶Y=8 ∶1 ∶1)。以白色熒光燈管作對照將植物盆栽置于燈架下，通過調(diào)節(jié)高度，使各處理光照度控制在85～90 μmol/(m2·s)。光照波峰和組合比例使用AvaSpec光纖光譜儀測定，光照度使用Li-250A光照計(jì)進(jìn)行測定。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 植株形態(tài)指標(biāo)動(dòng)態(tài)測定 分別于處理10、15、20、25、30 d時(shí)，每個(gè)處理選取有代表性的3株，采用鋼尺測量株高，采用手持活體葉面積儀YMJ-D(浙江托普儀器有限公司)測量最大葉面積，采用精度為0.1 mm的游標(biāo)卡尺測量莖粗。

1.3.2 葉片色素含量動(dòng)態(tài)測定 選取頂部以下第2對完全展開葉分別于處理30 d時(shí)參照李合生的方法[11]，測定葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素的含量，并計(jì)算葉綠素a/葉綠素b；花色素苷含量的測定參照馬志本等的方法[12]。

1.3.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)動(dòng)態(tài)測定 采用Handy PEA連續(xù)激發(fā)式熒光儀(英國漢莎科學(xué)儀器有限公司)測定葉片的快速熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線，并通過JIP-test分析得到一系列的葉綠素?zé)晒鈪?shù)指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

本試驗(yàn)中的各處理均隨機(jī)選3株為測定樣本，每次均取3次測定值，數(shù)據(jù)取其平均值。采用DPS軟件進(jìn)行顯著性分析，通過Turkey法進(jìn)行多重比較，使用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光質(zhì)對彩葉草幼苗生長的影響

由圖1-a可以看出，不同處理下的株高、莖粗、最大葉面積隨著處理時(shí)間的延長呈現(xiàn)整體增加的趨勢。在處理10 d時(shí)，各處理的株高與CK之間無顯著差異；在處理15 d時(shí)，各處理與CK差異逐漸顯現(xiàn)，其中Y處理、RBY處理、R處理、RB處理的株高分別比CK高35.4%、40.2%、80.3%、32.8%，且差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)，B處理比CK高 5.9%，差異不顯著；生長后期R處理的株高顯著高于其他處理(P<0.05)。

葉片最大葉面積反映了面積的整體變化趨勢。由圖 1-b 可以看出，在處理10 d時(shí)，彩葉草最大葉面積變化不大；在處理15 d時(shí)，RB處理、RBY處理、R處理、RBY處理的最大葉面積與CK差異顯著(P<0.05)；隨著處理時(shí)間的延長，R處理、RB處理的增幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他處理，其中R處理的最大葉面積在15、20、25、30 d 時(shí)分別比CK大156.0%、186.0%、170.0%、159.0%；RB處理在15、20、25、30 d時(shí)分別比CK大88.9%、150.0%、130.0%、114.0%。說明不同的光質(zhì)對彩葉草幼苗葉片的擴(kuò)展有顯著的影響，影響程度排列依次為紅、紅藍(lán)、紅藍(lán)黃；B處理的最大葉面積變化不大，與CK差異不顯著；Y處理的最大葉面積增速最慢，在15 d已顯著低于CK并一直維持該趨勢，幼苗后期出現(xiàn)“僵苗”現(xiàn)象。

由圖1-c可以看出，各處理的莖粗變化趨勢復(fù)雜，在處理10 d時(shí)，RB處理的莖粗顯著高于CK，且隨著處理時(shí)間的延長，RB處理的莖粗一直維持最大，其次為RBY處理、B處理。其中B處理下莖粗的增長呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，在10、15 d時(shí)顯著高于CK(P<0.05)，但隨著處理時(shí)間的延長，B處理的莖粗與CK的差異不顯著；Y處理與CK在處理10 d時(shí)莖粗差異不顯著，當(dāng)處理20、25、30 d時(shí)，Y處理的莖粗顯著低于CK的莖粗，并一直保持該趨勢，后期長勢明顯停滯；R處理莖粗在10、15 d時(shí)與CK差異不顯著，隨著處理時(shí)間延長，20 d之后，R處理莖粗顯著低于CK(P<0.05)，30 d時(shí)R處理莖粗顯著低于RB處理、RBY處理、BY處理、CK(P<0.05)。

2.2 不同光質(zhì)對彩葉草色素含量的影響

由表1可知，彩葉草葉片的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素 (a+b)含量均以RB處理為最高，分別比CK顯著高 282.0%、285.0%、283.0%，其次為R處理、B處理、RBY處理；Y處理葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)含量分別比CK低43.4%、23.7%、39.4%；葉綠素a含量/葉綠素b含量以R處理最高，比CK高22.6%，其次為RBY處理、B處理、RB處理，而Y處理葉綠素a含量/葉綠素b含量比CK低22.3%；類胡蘿卜素含量以R處理最高，比CK顯著高281.0%，其次為RB處理、B處理、RBY處理，Y處理的類胡蘿卜素含量比CK低41.8%；花色素苷a含量/葉綠素b含量以R處理最高，比CK顯著增加 121.6%，其后依次為RB處理、RBY處理、B處理，Y處理比CK顯著減少63.0%。

2.3 不同光質(zhì)對彩葉草幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

2.3.1 不同光質(zhì)對彩葉草葉片F(xiàn)o、Fv/Fm的影響 初始熒光(Fo)光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應(yīng)中心處于完全開放狀態(tài)時(shí)的熒光產(chǎn)量，與PSⅡ反應(yīng)中心活性相關(guān)[13]。如圖2-A所示，隨著處理時(shí)間的延長，B處理、Y處理下的Fo逐漸增大，明顯高于其他處理，說明藍(lán)光和黃光處理會(huì)引起葉片PSⅡ反應(yīng)中心失活，發(fā)生了可逆或不可逆?zhèn)?；其他處理間差異不明顯。最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)是指開放的PSⅡ反應(yīng)中心捕獲激發(fā)能的效率，在發(fā)生光抑制時(shí)會(huì)降低。由圖2-B可知Y處理在15 d時(shí)明顯下降，20 d時(shí)有所回升，但最終呈現(xiàn)下降趨勢；B處理始終為緩慢下降趨勢，R處理、RB處理、RBY處理、CK之間差異不明顯。表明藍(lán)光和黃光處理降低了葉片PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率，紅光、紅藍(lán)光和紅藍(lán)黃光對PSⅡ反應(yīng)中心影響很小，且隨著處理時(shí)間的延長，反應(yīng)中心的活性得到一定程度的恢復(fù)和提升，說明彩葉草葉片PSⅡ光反應(yīng)中心對不同光質(zhì)處理有一個(gè)響應(yīng)與適應(yīng)過程，在生長初期對光環(huán)境逆境有一定的適應(yīng)能力。

2.3.2 不同光質(zhì)對彩葉草葉片PSⅡ供體和受體側(cè)參數(shù)的影響Mo代表熒光動(dòng)力學(xué)曲線從初始點(diǎn)O到最高峰P的過程中初級醌受體QA被還原的速率，其大小表示電子傳遞被抑制的程度。由圖3-A可知，B處理、Y處理隨著處理時(shí)間的延長呈現(xiàn)不斷升高的趨勢，與其他處理差異明顯，表明藍(lán)光和黃光對葉片的電子傳遞影響較大；R處理、RB處理、RBY處理均與CK差異不明顯，表明紅藍(lán)和紅藍(lán)黃對電子傳遞抑制的程度最輕。

表1 不同光質(zhì)對彩葉草葉片色素含量的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著(P<0.05)。

Sm表示PSⅡ受體側(cè)的電子受體庫的容量，其大小可以影響電子傳遞的速率，由圖3-B可知，B處理、Y處理呈下降趨勢，與其他處理差異明顯；RB處理在處理期間比RBY處理、R處理、CK處理略高；R處理在20 d之后明顯低于RBY處理、CK處理，表明紅藍(lán)光下的電子傳遞速率最大，純紅光在處理后期的電子傳遞速率有所下降。

Ψo表示的是反應(yīng)中心能量對初級醌受體QA下游電子傳遞的推動(dòng)量子產(chǎn)額。由圖3-C可知，RB處理呈現(xiàn)比較平穩(wěn)的上升趨勢，后期略高于其他處理(R處理除外)；RBY處理、CK處理在15 d時(shí)有短暫下降，后又逐步上升，B處理、Y處理呈現(xiàn)整體下降趨勢，且與其他處理差異明顯。

φeo代表用于電子傳遞的量子產(chǎn)額，可以表征PSⅡ反應(yīng)中心的活躍程度。由圖3-D可知，Y處理在15 d時(shí)明顯低于其他處理，后又緩慢上升再下降；B處理一直呈現(xiàn)下降趨勢；其他處理保持緩慢上升趨勢，25 d之后，R處理、RB處理、RBY處理高于B處理、Y處理。

3 結(jié)論與討論

光是植物生長發(fā)育的基本環(huán)境因素，不僅是光合作用的基本能源，而且是植物生長發(fā)育的重要調(diào)節(jié)因子，其中光質(zhì)條件對植物影響尤為重要。從本試驗(yàn)的結(jié)果看，黃光處理20 d后的植株最大葉面積和莖粗顯著低于對照，植株整體徒長明顯，長勢較弱，這與蒲高斌等的研究結(jié)果[1]一致；而單一的紅光或藍(lán)光都不能有效地促進(jìn)植株的生長，藍(lán)光對株高有一定的抑制作用，可有效防止植株徒長，但植株弱?。粡?fù)合光紅藍(lán)黃、紅藍(lán)光可以顯著提高植株的生長各項(xiàng)指標(biāo)，這與烤煙[14]、黃瓜、辣椒、番茄[2]的研究結(jié)果基本一致。

葉綠素是用于植物光合作用的色素，可以吸收和傳遞光量子，可用來衡量植物對光能利用能力的高低，葉綠素含量的變化反映了葉片生理活性的狀態(tài)[15-16]。隨著光質(zhì)的變化，植物為更好地利用現(xiàn)有環(huán)境光能，光合色素含量會(huì)有一些應(yīng)激反應(yīng)。本試驗(yàn)中，紅光、藍(lán)光、紅藍(lán)光下的色素含量都比對照顯著增加，與葉綠素a吸收紅光，葉綠素b吸收藍(lán)光的理論相輔相成；且紅藍(lán)光下葉片葉綠素(a+b)含量最高，這與植物的生長指標(biāo)所呈現(xiàn)的結(jié)果類似，并且顯著高于紅光、紅藍(lán)黃光下葉綠素(a+b)含量，表明紅藍(lán)組合光最有利促進(jìn)葉綠素的合成。葉綠素a含量/葉綠素b含量反映光色素復(fù)合體Ⅱ在所有葉綠素的結(jié)構(gòu)中所占比例，該比值高說明捕光能力強(qiáng)，紅光和紅藍(lán)光都有高于對照熒光燈的捕光能力。

花色素苷是一類重要的天然色素物質(zhì)，是植物主要呈色物質(zhì)之一，受外界溫度、濕度、光質(zhì)及栽培措施等影響[17]，其中光質(zhì)是影響植物葉片花色素苷合成的關(guān)鍵環(huán)境因子之一，且不同光質(zhì)對彩葉草葉片的花色素苷含量影響不盡一致。本試驗(yàn)中，紅光和紅藍(lán)光可以比對照顯著增加葉片的花色素苷含量，這與前人在葡萄皮[18-19]、馬鈴薯[17]上的研究結(jié)果一致。

植物本身的生理變化或者逆境脅迫等都能夠直接或間接地影響植物PSⅡ的功能。葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)是探測和分析植物光合功能的重要手段，為研究光系統(tǒng)對光能的吸收、傳遞、分配及熱耗散等過程提供了豐富信息。本試驗(yàn)中，黃光和藍(lán)光處理的Fo和Mo均明顯升高，表明黃光和藍(lán)光處理導(dǎo)致彩葉草葉片PSⅡ反應(yīng)中心的整體活性受到了嚴(yán)重影響，用于熱耗散的量子產(chǎn)額增大；而Fv/Fm、Ψo、φeo均明顯下降，說明彩葉草葉片受到了一定程度的光抑制[20]，PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率、電子傳遞速率及整體性能都明顯下降。紅光和紅藍(lán)光下的各項(xiàng)熒光參數(shù)均優(yōu)于其他處理，這也與植株長勢和色素含量的測定結(jié)果類似。

綜合考慮，紅藍(lán)組合光更有利于彩葉草植株生長、光合色素的合成及花色素苷含量的增加。