光質(zhì)對(duì)苦瓜幼苗形態(tài)建成及碳氮代謝的影響

秦永梅 韓鳳英 楊慧 劉敏

摘? ? 要：為探究培育苦瓜壯苗的最適光源，設(shè)置紅光（R）、藍(lán)光（B）、紅藍(lán)光（R1B2）、紅藍(lán)光（R2B1）4個(gè)處理，以白光（W）為對(duì)照，研究不同光質(zhì)照射對(duì)苦瓜幼苗形態(tài)建成、光合特性、碳氮代謝的影響。結(jié)果表明，與W相比，R促進(jìn)苦瓜幼苗高度的增加，抑制莖的橫向加粗，B的作用與之相反;R2B1的總?cè)~面積、全株干質(zhì)量、壯苗指數(shù)、凈光合速率和水分利用效率最大，B的蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度值最大，水分利用效率最低，R的凈光合速率值最低，胞間CO2濃度最高。與W相比，R2B1的總糖、淀粉含量最大，RUBPcase、SPS、SS活性最高，W的蔗糖含量最高。B的葉片全氮、游離氨基酸、可溶性蛋白含量最高，較對(duì)照分別增加27.88%、37.92%、30.54%，R1B2次之，但GS和GOGAT活性以R1B2最高，NR活性以R2B1最高。另外，在紅藍(lán)組合光中，增加紅光比例可以促進(jìn)苦瓜幼苗葉片碳代謝的加強(qiáng)，而增加藍(lán)光比例可以促進(jìn)苦瓜幼苗葉片氮代謝的加強(qiáng)。綜上所述，R2B1處理的苦瓜幼苗最符合壯苗標(biāo)準(zhǔn)，且凈光合速率最大、水分利用率最高、碳代謝最強(qiáng)且氮代謝水平較高。

關(guān)鍵詞：苦瓜;光質(zhì);形態(tài)建成;光合特性;碳代謝;氮代謝

中圖分類號(hào)：S642.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-2871（2020）07-024-04

Abstract： In order to explore the best light source for cultivating strong seedlings of bitter gourd， four treatments of red light （R）， blue light （B）， red blue light （R1B2） and red blue light （R2B1） were set up. White light （W） was used as tcontrol to study the effects of different light quality on the morphogenesis， photosynthetic characteristics， carbon and nitrogen metabolism of bitter gourd seedlings. The results showed that compared with W， R promoted the height of bitter gourd seedling and inhibited the transverse thickening of stem， while B had the opposite effect;R2B1 had the largest total leaf area， dry weight of whole plant， strong seedling index， net photosynthetic rate and water use efficiency， B had the largest transpiration rate and stomatal conductance， and the lowest water use efficiency. R had the lowest net photosynthetic rate and the highest intercellular CO2 concentration. Compared with W， R2B1 had the highest content of total sugar and starch， RuBPcase， SPS and SS， and W had the highest content of sucrose. The content of total nitrogen， free amino acid and soluble protein in leaves of B increased by 27.88%， 37.92% and 30.54% respectively， followed by R1B2， but the activities of GS and GOGAT were the highest in R1B2， and the activities of NR was the highest in R2B1. In addition， in the red blue light combination， increasing the red light ratio can enhance the carbon metabolism of balsam pear seedling leaves， while increasing the blue light ratio can enhance the nitrogen metabolism of balsam pear seedling leaves. In a word， R2B1 is the best treatment for bitter gourd seedlings， with the highest net photosynthetic rate， water use efficiency， carbon metabolism and nitrogen metabolism.

Key words：Bitter gourd; Light quality; Morphogenesis; Photosynthetic characteristics; Carbon metabolism; Nitrogen metabolis

光不僅是植物獲取能量的直接來源，還是影響植物生長(zhǎng)和產(chǎn)物積累的重要調(diào)控因子[1]，尤其是波長(zhǎng)380～760 nm的可見光被植物機(jī)體吸收后，可產(chǎn)生一系列化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而影響植株的形態(tài)建成和各種生理代謝活動(dòng)等。研究表明，從種子萌發(fā)到包括莖葉生長(zhǎng)在內(nèi)的營養(yǎng)形態(tài)學(xué)、節(jié)律運(yùn)動(dòng)、向地性、向光性、光合作用、物質(zhì)代謝和基因表達(dá)等均受光信號(hào)的調(diào)控[2]。因此，通過調(diào)節(jié)光質(zhì)來調(diào)控蔬菜作物的形態(tài)建成和生長(zhǎng)發(fā)育是發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)重要技術(shù)，尤其是在培育蔬菜優(yōu)質(zhì)壯苗方面有十分重要的利用價(jià)值。

在早春時(shí)期如果能提早培育出優(yōu)質(zhì)苦瓜壯苗，就有利于苦瓜的提早上市，并以較高的價(jià)格出售，從而獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。但當(dāng)前有關(guān)不同光質(zhì)照射對(duì)苦瓜生長(zhǎng)、光合、物質(zhì)代謝、酶活性、品質(zhì)、產(chǎn)量及基因表達(dá)等多方面的研究尚未見報(bào)道。為此，筆者利用LED精量調(diào)制光源對(duì)苦瓜幼苗進(jìn)行光照處理，研究不同光質(zhì)照射對(duì)苦瓜幼苗形態(tài)建成、光合特性、碳氮代謝等方面的影響，以探尋培育苦瓜優(yōu)質(zhì)壯苗的最佳光源，并探討光質(zhì)對(duì)苦瓜幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控機(jī)制，為苦瓜的光環(huán)境調(diào)控機(jī)制提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

供試苦瓜品種‘藍(lán)山苦瓜 由湖南省常德市鼎牌種苗有限公司提供，為雜交一代材料。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年3月25日在山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院試驗(yàn)站智能人工氣候室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)置紅光（R）、藍(lán)光（B）、紅藍(lán)光（R1B2）、紅藍(lán)光（R2B1）4個(gè)處理，以白光（W）為對(duì)照。4個(gè)處理的光量子通量密度均為330 μmol·m-2·s-1，其中紅藍(lán)光（R1B2）由光量子通量密度為110 μmol·m-2·s-1的紅光和光量子通量密度為220 μmol·m-2·s-1的藍(lán)光組成，紅藍(lán)光（R2B1）由光量子通量密度為220 μmol·m-2·s-1的紅光和光量子通量密度為110 μmol·m-2·s-1的藍(lán)光組成。利用LED精量調(diào)制光源進(jìn)行光照處理，LED光源由廣東純英光電科技有限公司提供，紅光波長(zhǎng)為655.7 nm，藍(lán)光波長(zhǎng)為457.2 nm。光照培養(yǎng)架采用鋼結(jié)構(gòu)，LED光源置于培養(yǎng)架頂部，高度可調(diào)，培養(yǎng)架四周用銀色遮光布包裹，以保證光照的純度。人工氣候室內(nèi)，距離LED光光源45 cm處的光量子通量密度為330 μmol·m-2·s-1，光照時(shí)間12 h·d-1，白天溫度28～30℃，夜間溫度18～20 ℃，空氣濕度60%～70%，植株頂部與LED光源始終保持約45 cm的距離。不同光質(zhì)圖譜如圖1所示。

苦瓜種子浸種催芽后，播種于50孔穴盤內(nèi)，穴盤內(nèi)基質(zhì)使用果菜育苗專用基，肥效可持續(xù)50 d以上。共播種40盤，待苦瓜幼苗1葉1心時(shí)，選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的苦瓜幼苗30盤，每處理6盤，每2盤作1次重復(fù)，共設(shè)置3次重復(fù)，分別放置于不同光質(zhì)下進(jìn)行照射處理。20 d后進(jìn)行各指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

采用隨機(jī)選取的方法對(duì)株高、莖粗、總?cè)~面積、全株干質(zhì)量等生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，每次重復(fù)選取10株取平均值，共進(jìn)行3次重復(fù)?？?cè)~面積采用葉面積儀C1-202測(cè)定。壯苗指數(shù)=（莖粗/株高+地下部干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量）/全株干質(zhì)量。凈光合速率采用英國PP-Systems公司生產(chǎn)的CARAS-2型光合儀測(cè)定，測(cè)定部位為倒數(shù)第3片葉。水分利用效率（WUE）用凈光合速率與蒸騰速率之比表示[3]。按照上海杰美基因醫(yī)藥科技有限公司生產(chǎn)試劑盒說明書的要求測(cè)定RuBP羧化酶活性。采用蒽酮比色法測(cè)定總糖、蔗糖和淀粉含量[4]。按照南京建成生物工程研究所生產(chǎn)的試劑盒說明書測(cè)定蔗糖磷酸合成酶（SPS）和蔗糖合成酶（SS）活性。參照趙世杰的方法測(cè)定全氮、可溶性糖、游離氨基酸、可溶性蛋白含量[5]。采用磺胺比色法測(cè)定硝酸還原酶（NR）活性[6]。參照王小純等[7]的方法測(cè)定谷氨酞胺合成酶（GS）和谷氨酸合成酶（GOGAT）活性。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，利用DPS 7.02軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Duncan新復(fù)極差法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光質(zhì)照射對(duì)苦瓜幼苗形態(tài)建成的影響

由表1可知，不同光質(zhì)照射對(duì)苦瓜幼苗形態(tài)建成的影響存在差異?？喙嫌酌缰旮咭訰處理下最高，且與其他處理和W對(duì)照差異達(dá)顯著水平，較對(duì)照增加10.61%，R2B1處理次之，B處理下最低。莖粗以B處理下值最大，較對(duì)照增加8.53%，與對(duì)照差異達(dá)顯著水平，R1B2、R2B1處理次之，但與B處理差異不顯著，表明紅藍(lán)組合光也有利于苦瓜莖的加粗?？?cè)~面積、全株干質(zhì)量、壯苗指數(shù)均以R2B1處理下值最大，較對(duì)照分別增加46.41%、39.66%、52.63%，與對(duì)照差異均達(dá)到顯著水平，R1B2處理次之;而R、B單色光處理下，總?cè)~面積和壯苗指數(shù)均低于對(duì)照，表明單色光不如組合光質(zhì)更有利于苦瓜壯苗的培育。

2.2 不同光質(zhì)對(duì)苦瓜幼苗葉片光合特性及水分利用效率的影響

由表2可以得出，不同光質(zhì)照射對(duì)苦瓜幼苗葉片光合特性及水分利用效率的影響不同。凈光合速率以紅藍(lán)組合光（R1B2、R2B1）處理下值最大，其中R2B1處理高于R1B2處理，但二者差異不顯著，較對(duì)照分別提高11.75%、10.11%，與對(duì)照差異顯著;R處理下值最低，較對(duì)照降低26.09%。蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度二者變化規(guī)律一致，二者表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，大小依次為B>R1B2>R2B1>W>R，說明在B處理下苦瓜幼苗新陳代謝最為旺盛，同時(shí)說明增加藍(lán)光占比能增大蒸騰速率。胞間CO2濃度與凈光合速率表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，以R處理下值最大，R2B1處理下值最小。在單色光R、B和紅藍(lán)組合光（R1B2、R2B1）處理下，苦瓜幼苗水分利用效率均高于對(duì)照，且以R2B1處理下值最大，較對(duì)照增加30.91%，與對(duì)照差異顯著。

2.3 不同光質(zhì)照射對(duì)苦瓜幼苗碳代謝的影響

由表3可知，光質(zhì)顯著影響苦瓜葉片碳代謝相關(guān)物質(zhì)的含量。紅藍(lán)組合光R2B1、R1B2處理下的RUBP羧化酶高于對(duì)照W，其中以R2B1處理下值最大，兩處理較對(duì)照分別提高45.83%、33.33%，與對(duì)照差異顯著，而單色光R、B處理下的RUBP羧化酶活性均低于對(duì)照，這種變化趨勢(shì)與苦瓜葉片凈光合速率保持一致，這表明紅藍(lán)組合光能促進(jìn)凈光合速率的提高?？偺呛偷矸酆康淖兓?guī)律類似，均以R2B1處理下值最大，B處理下值最小。在R、B、R2B1、R1B2處理下，蔗糖含量和蔗糖合成酶活性均低于對(duì)照，且以R處理下值最低。蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性以R2B1處理下最大，R次之，兩處理均高于對(duì)照，B處理下值最低。各處理蔗糖合成酶（SS）活性均低于對(duì)照。

2.4 不同光質(zhì)照射對(duì)苦瓜幼苗氮代謝的影響

由表4可知，B、R1B2、R2B1處理可以顯著提高苦瓜幼苗葉片全氮、游離氨基酸和可溶性蛋白含量，這表明B、R1B2、R2B1處理有利于植株氮素的積累。其中，B處理下上述指標(biāo)值最大，較對(duì)照分別增加27.88%、37.92%、30.54%，R1B2、R2B1處理下全氮和可溶性蛋白含量差異不顯著，但R1B2處理下的上述指標(biāo)均高于R2B1處理，說明在紅藍(lán)組合光中增加藍(lán)光比例，可促進(jìn)植株對(duì)氮的吸收利用。R處理下全氮和可溶性蛋白含量最低，對(duì)照W下游離氨基酸含量最低。R2B1、R1B2、B、R等4個(gè)處理均能提高硝酸還原酶（NR）的活性，且以R2B1處理下值最大，但R1B2與之差異不顯著，而R1B2與B差異也不顯著。不同光質(zhì)處理下，苦瓜幼苗葉片谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合成酶（GOGAT）活性的變化規(guī)律一致，依次為：B>R1B2>R2B1>W>R，這表明單色紅光、紅藍(lán)組合光均能提高GS、GOGAT的活性，進(jìn)而促進(jìn)氮的代謝活動(dòng)。

3 討論與結(jié)論

光質(zhì)是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因子，對(duì)植物的形態(tài)建成、光合能力及基因表達(dá)均有重要的調(diào)控作用[8]。R1B2、R2B1處理下，苦瓜總?cè)~面積大于R、B單色光質(zhì)處理，這可能與紅藍(lán)光質(zhì)的互作效應(yīng)有關(guān)，長(zhǎng)時(shí)間的紅光照射會(huì)引起Fv/Fm和光合能力下降的“紅光效應(yīng)”，而添加藍(lán)光可以減弱這種效應(yīng)[9]。凈光合速率R1B2、R2B1處理下值較大，這可能是因?yàn)榧t藍(lán)組合光有利于葉綠體結(jié)構(gòu)和葉片柵欄組織細(xì)胞的發(fā)育，進(jìn)而有利于光合作用的順利進(jìn)行[10]。R2B1處理下苦瓜幼苗水分利用效率最高，說明在該處理下植株保水能力最強(qiáng)。

碳代謝即碳水化合物代謝，它包括碳的同化、轉(zhuǎn)化和積累3個(gè)階段[11]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，R2B1處理下RUBP羧化酶活性最大、總糖和淀粉含量最高，說明在該處理下最有利于苦瓜幼苗葉片對(duì)無機(jī)碳向有機(jī)碳的同化固定和碳素的積累。有研究認(rèn)為，碳的同化代謝強(qiáng)度與轉(zhuǎn)化代謝強(qiáng)度正相關(guān)，而碳水化合物的積累代謝與碳的同化代謝強(qiáng)度、轉(zhuǎn)化代謝強(qiáng)度負(fù)相關(guān)[12]。在蔗糖代謝過程中，SPS是重要的合成代謝酶類，而SS是重要的分解代謝酶類。本試驗(yàn)結(jié)果表明，R2B1處理下SPS活性高于W，而SS活性低于W，這說明2∶1的紅藍(lán)組合光可使苦瓜幼苗葉片中糖的合成代謝加強(qiáng)，并使糖的分解代謝減弱?？偺恰⒌矸酆亢蚏UBPCase、SPS活性在R2B1處理下均高于R1B2，二者的SS活性差異不顯著，這說明在紅藍(lán)組合光中增加紅光比例可提高碳代謝相關(guān)酶活性，并增加碳代謝強(qiáng)度。

氮代謝是指植物體內(nèi)各種含氮化合物的代謝，它是植株體內(nèi)氨基酸和蛋白質(zhì)合成的主要途徑[13]。本試驗(yàn)條件下，B處理的游離氨基酸和可溶性蛋白含量最高，這可能是因?yàn)樗{(lán)光能促進(jìn)線粒體的暗呼吸，暗呼吸產(chǎn)生的有機(jī)酸可為氨基酸的合成提供碳架[14]。NR、GS、GOGAT等是氮素代謝的關(guān)鍵酶[15]，其活力高低可表征氮素代謝的強(qiáng)弱。在R2B1處理下，NR活性最大，表明該處理可提升苦瓜幼苗葉片將NO2-同化為NH4+的能力。B、R1B2、R2B1處理的游離氨基酸和可溶性蛋白含量均高于對(duì)照，這應(yīng)該與GS和GOGAT活性的提高有關(guān)，因?yàn)樵跓o機(jī)氮向有機(jī)氮轉(zhuǎn)化過程中，GS和GOGAT偶聯(lián)形成的循環(huán)反應(yīng)起著關(guān)鍵作用[16]。全氮、游離氨基酸、可溶性蛋白質(zhì)含量和GS、GOGAT活性在R1B2處理下均高于R2B1，這說明在紅藍(lán)組合光中增加藍(lán)光比例可提高氮代謝相關(guān)酶活性，并增加氮代謝強(qiáng)度。

在R2B1處理下，苦瓜幼苗總?cè)~面積、全株干質(zhì)量、壯苗指數(shù)、凈光合速率、總糖和淀粉含量最大，水分利用效率、RUBPcase、SPS和NR活性最高，碳代謝水平最強(qiáng)，氮代謝水平較高，表明R2B1處理下的組合光是培育苦瓜壯苗的最適光源。

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