不同光質照射對西瓜幼苗光合作用、碳氮代謝及酶活性的影響

秦偉 劉震 陳昆 任曉雪 王民乾

摘? ? 要：以西瓜幼苗為研究對象，以白光（W）為對照，紅光（R）、藍光（B）、紅藍光（R2B3）、紅藍光（R5B2）為處理，研究不同LED光源對西瓜幼苗SPAD值、凈光合速率、碳氮代謝及酶活性的影響，以探尋培育西瓜優(yōu)質壯苗的最佳光源。結果表明：在R5B2處理下，SPAD值、凈光合速率、總糖、蔗糖和淀粉含量值最大，較對照分別增加20.79%，17.11%，25.66%，15.01%，14.46%，與對照差異極顯著（P<0.01）。RuBP羧化酶在R5B2和R2B3處理下值較大，但二者差異不顯著（P>0.05）;B處理下碳代謝相關物質和酶活性最低，表明藍光不利于西瓜碳代謝水平的提高。全氮含量和GS活性以R5B2處理下最高;游離氨基酸和可溶性蛋白含量以R2B3處理下值最大，但與R5B2差異不顯著（P>0.05）;R處理下氮代謝相關物質和酶活性最低，表明藍光不利于西瓜氮代謝水平的提高?？傊?，R5B2處理最有利于西瓜SPAD值、凈光合速率、碳代謝水平和RuBP羧化酶活性的提高，及氮代謝水平的加強。因此，以紅藍光配比5∶2時為培育西瓜優(yōu)質壯苗的最佳光源。

關鍵詞：LED光源;西瓜;SPAD值;凈光合速率;碳氮代謝;酶活

Abstract： Taking watermelon seedling as the research object， white light（W） as the control， red light（R）， blue light（B）， red blue light （R2B3）， red blue light （R5B2） as the treatment， the effects of different LED light sources on the SPAD value， net photosynthetic rate， carbon and nitrogen metabolism and enzyme activity of watermelon seedlings were studied to explore the best light source for cultivating high-quality and strong seedlings. The results showed that under R5B2 treatment， SPAD value， net photosynthetic rate， total sugar， sucrose and starch content increased by 20.79%， 17.11%， 25.66%， 15.01% and 14.46% respectively， which was significantly different from the control （P<0.01）. Under R5B2 and R2B3 treatment， the value of RuBP carboxylase was higher， but the difference was not significant （P>0.05）; under B treatment， the carbon metabolism related substances and enzyme activity were the lowest， indicating that blue light was not conducive to the improvement of watermelon carbon metabolism. The content of total nitrogen and GS activity was the highest under R5B2 treatment; the content of free amino acid and soluble protein was the highest under R2B3 treatment， but there was no significant difference with R5B2（P>0.05）; the activity of related substances and enzymes of nitrogen metabolism was the lowest under R treatment， indicating that blue light was not conducive to the improvement of nitrogen metabolism level of watermelon. In a word， R5B2 treatment is most beneficial to the improvement of SPAD value， net photosynthetic rate， carbon metabolism level， RuBP carboxylase activity， and the enhancement of nitrogen metabolism level of watermelon. Therefore， the best light source for cultivating high-quality and strong watermelon seedlings was the red blue light ratio of 5∶2.

Key words： LED light source; watermelon;SPAD value; net photosynthetic rate; carbon and nitrogen metabolism; enzyme activity

植物的生長發(fā)育受光信號調控[1]，如種子萌發(fā)、蛋白質、維生素、可溶性糖含量和果實成熟等均與光信號有關[2]。光信號包括光質和光強2個方面，而光質對植物生長發(fā)育影響十分顯著，不同波長的光質對植物形態(tài)建成、葉片衰老、氣孔開放、光合能力、基因表達、次生代謝和碳氮代謝等生理生化過程的調控作用存在差異。楊期和等[3]研究指出，紅光可促進需光種子萌發(fā)，遠紅光對其有抑制作用。Kim等[4]研究得出，在紅、藍、綠三種組合光下有利于萵苣葉面積增大。陳祥偉等[5]研究表明，紅光下烏塌菜光合速率及蒸騰速率最高。因此，利用不同光質來調控植株的形態(tài)建成和生長發(fā)育，可作為發(fā)展蔬菜產業(yè)尤其是設施農業(yè)的一項重要技術。

華中地區(qū)早春設施西瓜如果能在4、5月份上市，就能以較高的價格出售，進而獲得顯著的經濟效益。但早春設施西瓜育苗期往往需要占用大量時間，且幼苗健壯程度易受外界環(huán)境影響，直接影響到后期西瓜幼苗的移栽時期。不同光質照射對西瓜幼苗的優(yōu)質壯苗的形成有重要影響，因此可利用人工LED光源補光來培育優(yōu)質西瓜幼苗，但目前有關西瓜幼苗生長最適光源的研究尚鮮見報道。為此，本文設置不同光質的LED光源，研究不同光質照射對西瓜幼苗SPAD值、凈光合速率、碳氮代謝及酶活性的影響，以期找到培育西瓜幼苗的最適光源，為LED調控在瓜菜領域中的應用提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 供試材料

以西瓜種子為供試材料，品種為‘早佳8424。

1.2 試驗設計

試驗于2019年4月20日開始，在商丘市農林科學院巴莊西瓜試驗站智能溫室內進行。試驗設置紅光（R，波長655.7 nm）、藍光（B，波長456.2 nm）、紅藍光（R2B3，2∶3的紅藍光）、紅藍光（R5B2，5∶2的紅藍光）、白光（W）五種光質，其中以白光（W）為對照。在栽培架頂部安裝LED照明設備，培養(yǎng)架四周用銀色遮光布包裹，栽培架高度可上下自由調節(jié)，光照處理期間LED光源與西瓜幼苗始終保持約45 cm的距離，光強為320 μmol·m-2·s-1。

西瓜種子浸種催芽后，均勻播種于50孔穴盤中，每盤播種30穴，每穴播種1粒，在種子上方覆蓋厚1.0～1.5 cm的基質并輕輕鎮(zhèn)壓，每2盤作為1次重復，每個處理設3次重復，共播種30盤。播種后置于人工氣候室內進行培養(yǎng)，白天溫度控制在25～28 ℃，夜間15～18 ℃，每天光照14 h，空氣濕度70%～80%。待幼苗3葉1心時，測定幼苗葉片SPAD值、光合特性、碳氮代謝相關物質及酶活性。

1.3 測定指標及方法

利用美國產LI-6400便攜式光合儀測定西瓜第一張真葉凈光合速率，并利用SPAD-502葉綠素儀測定其SPAD值。按照上海杰美基因醫(yī)藥科技有限公司生產試劑盒說明書的要求測定RuBP羧化酶活性。采用蒽酮比色法測定總糖、蔗糖和淀粉含量[6]。采用王學奎的方法測定全氮、可溶性糖、游離氨基酸、可溶性蛋白含量[7]。參照王小純等[8]的方法測定谷氨酞胺合成酶（GS）。

1.4 數據分析

利用Excel 2007軟件對數據進行處理和作圖，采用SPSS軟件進行統(tǒng)計分析，Duncan新復極差法對數據進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同光質對西瓜幼苗葉片光合特性的影響

由圖1可以看出，不同LED光源對西瓜幼苗葉片SPAD值和凈光合速率的影響存在差異。紅藍組合光R5B2和R2B3處理下的西瓜葉片SPAD值均高于對照，且以R5B2處理下值最大，較對照提高20.79%，與對照差異極顯著（P<0.01）;單色光R、B處理下的西瓜葉片SPAD值均低于對照，且以B處理下值最低，較對照降低26.46%，與對照差異極顯著（P<0.01）。紅藍組合光R5B2和R2B3處理下的西瓜葉片凈光合速率均高于對照，較對照分別增加17.11%和12.08%，與對照差異極顯著（P<0.01）;單色光R處理下，西瓜葉片凈光合速率高于對照，但與對照差異不顯著（P>0.05），B處理低于對照。

2.2 不同光質對西瓜幼苗碳代謝及酶活性的影響

由表1可知，不同LED光源對西瓜幼苗葉片碳代謝相關物質及酶活性的影響不同。紅藍組合光R5B2和R2B3處理下西瓜幼苗葉片總糖、蔗糖和淀粉含量均高于對照，且以R5B2處理下值最大，R2B3次之，二者間差異達顯著以上水平（P<0.05），二者較對照分別增加25.66%，15.01%，14.46%和15.42%，6.66%和8.68%，與對照差異均達到極顯著水平（P<0.01）;R處理下總糖、淀粉含量高于對照，蔗糖含量低于對照，但與對照差異均不顯著（P>0.05）。RuBP羧化酶在R5B2和R2B3處理下值較大，但二者差異不顯著（P>0.05）;單色B處理下值最低，但與R、對照W差異不顯著（P>0.05）。

2.3 不同光質對西瓜幼苗氮代謝及酶活性的影響

由表2可以得出，全氮和GS在不同LED光源處理下的變化規(guī)律類似，全氮含量和GS活性大小均為：R5B2>R2B3>W>B>R，這說明R5B2處理下有利于西瓜幼苗葉片氮含量的增加和GS酶活的提高。在不同LED光源處理下，游離氨基酸和可溶性蛋白含量的變化規(guī)律一致，二者呈現正相關關系，其含量大小依次為：R2B3>R5B2>B>W>R，這表明在R2B3處理下有利于西瓜幼苗葉片游離氨基酸和可溶性蛋白質的合成。另外，在R5B2和R2B3處理下，GS活性和全氮、游離氨基酸、可溶性蛋白含量差異不顯著（P>0.05），這表明這兩個處理對西瓜幼苗葉片氮代謝水平和相關酶活性的影響結果差異不顯著。

3 結論與討論

光質可通過光敏色素、隱花色素等不同的光受體來調控植物的光合性能、抗逆能力和衰老進程等。楊曉建等[9]研究指出，紅光照射下青蒜苗光合速率最大。謝景等[10]研究認為，藍光處理下可顯著促進黃瓜幼苗葉片凈光合速率的提高。董飛等[11]研究得出，紅/藍（3∶1）處理下櫻桃番茄凈光合速率最高。本試驗條件下，西瓜幼苗葉片凈光合速率在R5B2處理下值最大，這是因為紅藍組合光可通過促進葉片柵欄組織細胞和葉綠體結構發(fā)育來增強葉片光合能力[12]。單色光R、B處理下的西瓜葉片SPAD值均低于對照，而紅藍組合光R5B2和R2B3處理下的西瓜葉片SPAD值均高于對照，這表明光質對西瓜葉片SPAD值的影響不是簡單的疊加效應，還應存在某種互作效應，凈光合速率對光質的響應結果與SPAD值有一定的相似規(guī)律。

碳代謝即碳水化合物代謝，它包括3個階段，分別為通過光合作用將無機碳轉化為有機碳進行碳的同化固定，碳水化合物的互相轉化及碳的積累[13]。RuBP羧化酶在光照下呈活化狀態(tài)，是一種光調節(jié)酶，可催化光合作用中CO2的固定，是光合碳同化的關鍵酶，對植物光合速率起決定作用，又被稱作光合作用的限速酶。本試驗結果表明，不同光質處理下， RuBP羧化酶變化規(guī)律與凈光合速率變化規(guī)律一致，說明RuBP羧化酶活性的高低能夠影響西瓜幼苗凈光合速率大小。RuBP羧化酶活性在R5B2處理下值較大，表明在此處理下碳的同化固定較強。在碳代謝過程中，碳素的積累主要以淀粉或蔗糖的積累為標志。張歡等[14]研究認為，萵苣幼苗葉片的淀粉、蔗糖、可溶性糖的含量在紅藍光下高于紅光。孫娜等[15]通過試驗得出，3∶1的紅藍光能提高番茄幼苗葉片總糖和淀粉含量。本試驗結果表明，在紅藍組合光R5B2處理下，西瓜幼苗葉片總糖、蔗糖和淀粉含量最高，這表明在R5B2處理下最有利于西瓜幼苗碳素的積累，試驗結果與前人一致。

氮素是“生命元素”，對植物生長發(fā)育各個代謝階段均有顯著影響。游離氨基酸（FAA）與植株體內的氮素代謝密切相關，是植物體內氮素同化物的主要運輸形式，以及蛋白質的組成原料和水解產物[16]。蛋白質是氮素代謝的終極產物，在氮素代謝中起著代謝庫的作用，其含量高低可用于表征葉片對氮素同化能力的強弱[17]。肖春生等[18]研究指出，紅藍光3∶1時有利于煙苗葉片可溶性蛋白和NR酶活性的提高。寧宇等[19]研究認為，白+紅（WR）光質處理的蛋白質含量最高，氨基酸含量較低，GS活性明顯高于對照。本試驗條件下，紅藍組合光R3B3、R5B2處理可顯著提高西瓜幼苗葉片全氮、游離氨基酸及可溶性蛋白的含量。可見，光質處理方式的不同及作物品種的不同，對試驗結果的影響存在差異，這也表現出生物對光質反應的復雜性。不同光質處理下氨基酸和可溶性蛋白的變化規(guī)律一致，這是因為氨基酸是蛋白質合成的底物，游離氨基酸含量的增加又為蛋白質的合成提供充足的原料，促進了蛋白質含量的增加，二者呈現正相關關系[20]。谷氨酰胺合成酶（GS）是氮代謝中心的多功能酶[21]，參與多種氮代謝的調節(jié)，其活性高低可用來表征氮素同化能力的強弱。在紅光R處理下，GS活性最低，這可能是因為紅光下西瓜幼苗凈光合速率較低，呼吸底物減少，呼吸作用減弱，致使GS活性降低。

綜上所述，在復合光質R5B2處理下，西瓜幼苗葉片SPAD值、凈光合速率、總糖、蔗糖和淀粉含量值最大，最有利于培育西瓜優(yōu)質壯苗。因此，以紅藍光配比5：2時為培育西瓜優(yōu)質壯苗的最佳光源。

參考文獻：

[1]張蕾.光質在植物生長發(fā)育過程中的調控作用[D].石家莊：河北大學， 2000.

[2]楊其長， 魏靈玲， 劉文科， 等.植物工廠系統(tǒng)與實踐[M]. 北京： 化學工業(yè)出版社， 2012.

[3]楊期和， 宋松泉， 葉萬輝， 等. 種子感光的機理及影響種子感光性的因素[J]. 植物學通報， 2003， 20（2）： 238-247.

[4]KIM H H， GOINS G D，WHEELER R M， et al. Green light supplementation for enhaneed lettuce growth under red and blue light emitting diodes[J]. Hortseienee， 2004， 39（7）： 1617-1622.

[5]陳祥偉，劉世琦，王越，等.不同LED光源對烏塌菜生長、光合特性及營養(yǎng)品質的影響[J].應用生態(tài)學報，2014， 25 （7）： 1955-1962.

[6]高俊鳳.植物生理學實驗指導[M].北京：高等教育出版社，2006：144-148.

[7]王學奎. 植物生理生化實驗原理和技術[M]. 第2版. 北京： 高等教育出版社， 2006.

[8]王小純，熊淑萍，馬新明，等.不同形態(tài)氮素對專用型小麥花后氮代謝關鍵酶活性及籽粒蛋自質含量的影響[J].生態(tài)學報，2005， 25（4）： 802-807.

[9]楊曉建，劉世琦，張自坤，等.不同LED光源對青蒜苗生長及葉綠素熒光特性的影響[J].中國蔬菜，2011（6）： 62-67.

[10]謝景， 劉厚誠， 宋世威， 等.不同光質LED燈對黃瓜幼苗生長的影響[J]. 長江蔬菜（學術版），2012（6）：23-25.

[11]董飛， 王傳增， 張現征， 等.不同光質對櫻桃番茄幼苗生理與光合特性的影響[J].植物生理學報，2017，53（7）： 1208-1214.

[12]LIU Xiaoying， GUO Shirong， XU Zhigang， et al. Regulation of chloroplast ultrastructure， cross-section anatomy of leaves， and morphology of stomata of cherry tomato by different light irradiations of light-emitting diodes[J]. HortScience， 2011， 46（2）： 217-221.

[13]史宏志， 韓錦峰， 官春云， 等. 紅光和藍光對煙葉生長、碳氮代謝和品質的影響[J]. 作物學報， 1999， 25（2）： 215-220.

[14]張歡， 徐志剛， 崔瑾， 等. 光質對番茄和萵苣幼苗生長及葉綠體超微結構的影響[J].應用生態(tài)學報， 2010， 21（4）： 959-965.

[15]孫娜， 魏珉， 李巖， 等. 光質對番茄幼苗碳氮代謝及相關酶活的影響[J]. 園藝學報， 2016， 43（1）： 80-88.

[16]趙銘欽， 王玉勝， 劉國順， 等. 不同成熟條件卜烤煙葉片中氨基酸含量的變化[J]. 華中農業(yè)大學學報，2007， 26（4）： 448-450.

[17]劉曉明， 楊延杰， 李天來. 光強對番茄氮素代謝及相關酶活性的影響[J]. 北方園藝， 2008（5）： 1-5.

[18]肖春生， 陳頤， 鐘越峰， 等. 不同比例紅藍光對煙苗生長及碳氮代謝的影響[J]. 中國農學通報， 2013， 29（22）： 160-166.

[19]寧宇， 鄧惠惠， 李清明， 等. 紅藍光質對芹菜碳氮代謝及其關鍵酶活性的影響[J]. 植物生理學報， 2015， 51（1）： 112-118.

[20]王月福， 于振文， 李尚霞， 等. 土壤肥力對小麥開花后各器官游離氨基酸和籽粒蛋白質含量變化的影響[J]. 麥類作物學報， 2003， 23（1）： 41-43.

[21]胡綿好， 袁菊紅， 向律成， 等. 富營養(yǎng)化水體中水生植物氮代謝酶特性與不同形態(tài)氮去除的關系[J]. 農業(yè)環(huán)境科學學報， 2008， 27（4）： 1489-1494.