不同LED光質(zhì)對(duì)香蕉組培苗生長及光合特性的影響

竇同心，王婷婷，馬 健，李 陽，易干軍

(1 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所/農(nóng)業(yè)部南亞熱帶果樹生物學(xué)與遺傳資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省熱帶亞熱帶果樹研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州，510640；2 福建省中科生物股份有限公司/光生物產(chǎn)業(yè)研究院，福建泉州，362400)

香蕉(Musaspp.)為芭蕉科芭蕉屬多年生大型草本單子葉植物，是貿(mào)易量和消費(fèi)量最大宗的水果之一[1]。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，2017年全球香蕉種植面積超過500萬hm2，年產(chǎn)量超過1億t，我國香蕉種植面積38.13萬hm2，產(chǎn)量1 142.3萬t，種植面積和總產(chǎn)量分別位居全球第五和第二位。香蕉產(chǎn)業(yè)已成為我國南亞熱帶地區(qū)農(nóng)民脫貧致富、鄉(xiāng)村振興的重要支柱產(chǎn)業(yè)。自20世紀(jì)80年代推廣香蕉組培苗以來，香蕉組培苗的生產(chǎn)規(guī)模迅速擴(kuò)大，隨著種植區(qū)域的不斷擴(kuò)大和果品質(zhì)量要求的不斷提高，人們對(duì)香蕉組培苗的質(zhì)量要求也變得更為嚴(yán)格[2]。由于光環(huán)境是影響組培苗的形態(tài)建成、光合生理、生長發(fā)育等過程的主要因子，所以人工光環(huán)境調(diào)控已成為當(dāng)前香蕉組培育苗生產(chǎn)的核心技術(shù)之一[3]。目前，香蕉組培育苗工廠化生產(chǎn)過程中的光源主要是熒光燈，其光譜固定不可調(diào)節(jié)，并不是香蕉組培苗生長的最適光源；另外熒光燈的高耗電量也增加了生產(chǎn)成本[4]?？梢姡瑸榱双@得高品質(zhì)香蕉組培苗和降低生產(chǎn)成本，有必要探尋更加合適香蕉組培育苗的光源方案。

隨著LED半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，高效節(jié)能、光譜可調(diào)的LED已在植物培育領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。研究認(rèn)為，LED多色組合光對(duì)比紅藍(lán)組合光更有利于植物的生長。例如紅光∶藍(lán)光∶UV-B(20∶5∶1)對(duì)比紅藍(lán)組合光更有利于冰菜生物量的增加和品質(zhì)的提高[5]；LED紅黃藍(lán)(4∶1∶1)組合光處理下枳殼幼苗地上部分的生物量最大，根冠比最小[6]；在紅藍(lán)組合光條件下適當(dāng)增加綠光會(huì)顯著提高黃瓜葉片的葉綠素含量，增強(qiáng)其光合作用能力[7]，減緩萵苣葉綠素的降解，促進(jìn)萵苣的生長[8]，顯著提高生菜的可溶性糖含量[9]；陳光彩等[10]研究發(fā)現(xiàn)，LED紅藍(lán)組合光處理的香蕉組培苗根數(shù)、根長、莖粗、葉片數(shù)、生物量等均比熒光燈處理更有優(yōu)勢(shì)。但上述研究僅局限于單色光或者紅藍(lán)光組合對(duì)香蕉組培苗生長的影響，其他光質(zhì)的紅藍(lán)光組合是否更適合香蕉組培苗生長，還需進(jìn)一步研究。

本研究以香蕉組培苗為試材，以LED為試驗(yàn)光源，探討了香蕉組培苗在不同LED組合光質(zhì)處理下的生長情況及光合特性，篩選適宜香蕉組培育苗的LED光質(zhì)配方，以期為提高香蕉組培苗質(zhì)量，建立高效的工廠化組培育苗體系提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)于2019年3月至2020年7月在福建省中科生物股份有限公司光生物產(chǎn)業(yè)研究院中試實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，以生長健壯、長勢(shì)一致的“巴西蕉”組培生根苗為試材，株高2 cm，統(tǒng)一放置于組培架上進(jìn)行不同試驗(yàn)光質(zhì)培養(yǎng)，組培時(shí)間30 d。組培試驗(yàn)室晝夜溫度分別為25和20 ℃，空氣濕度為55%，CO2濃度為400 μmol/mol。

1.2 光環(huán)境設(shè)置

設(shè)置熒光燈照射，白光光子數(shù)分布為(40±5)μmol·m-2·s-1為對(duì)照；及6個(gè)LED光質(zhì)處理，(1)紅光+藍(lán)光處理，紅光光子數(shù)分布分別30、32、35 μmol·m-2·s-1，對(duì)應(yīng)的藍(lán)光光子數(shù)分布分別10、8、7 μmol·m-2·s-1，即紅光∶藍(lán)光分別為3∶1、4∶1、5∶1，處理編號(hào)分別為3R1B、4R1B、5R1B；(2)紅光+藍(lán)光+綠光處理，紅光光子數(shù)分布分別24、21、12.5 μmol·m-2·s-1，對(duì)應(yīng)的藍(lán)光光子數(shù)分布分別為6、7、10 μmol·m-2·s-1，對(duì)應(yīng)的綠光光子數(shù)分布分別9、14、20 μmol·m-2·s-1，即紅光∶藍(lán)光∶綠光分別為8∶2∶3、3∶1∶2、5∶4∶8，處理編號(hào)分別8R2B3G、3R1B2G和5R4B8G。LED光源由福建省中科生物股份有限公司自主研發(fā)，其中紅光(R)波長600～699 nm，峰值波長為660 nm；藍(lán)光(B)波長400～499 nm，峰值波長為450 nm；綠光(G)波長500～599 nm，峰值波長為526 nm，所有處理光照時(shí)間為12 h/d，每處理放置香蕉組培苗15袋，每袋10株，共150株，待苗長至五葉一心時(shí)，進(jìn)行相關(guān)形態(tài)指標(biāo)和光合特性指標(biāo)測(cè)定，重復(fù)3次。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 形態(tài)指標(biāo)測(cè)定 每個(gè)重復(fù)隨機(jī)選取香蕉組培苗20株，測(cè)定幼苗株高、假莖粗、葉長、葉寬、根數(shù)、根長、葉片數(shù)、單株鮮質(zhì)量、葉綠素含量和葉面積。葉綠素含量使用葉綠素儀SPAD 502 Plus(Specmeters，日本產(chǎn))，葉面積采用張勇等[11]的方法測(cè)量。

1.3.2 光合參數(shù)的測(cè)定 每個(gè)重復(fù)隨機(jī)選取香蕉苗10株，每株苗選取從上往下數(shù)第2片成熟真葉，采用光合儀(LI-6800，美國LI-COR公司產(chǎn))進(jìn)行光合參數(shù)測(cè)定，包括光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)等指標(biāo)。測(cè)定時(shí)光強(qiáng)為40 μmol·m-2·s-1，葉溫為25 ℃，CO2濃度為400 μmol·mol-1，測(cè)量時(shí)間為每天的9：00—11：30。

1.3.3 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定 將香蕉組培苗葉片進(jìn)行暗適應(yīng)30 min后，每株苗選取從上往下數(shù)第2片成熟真葉，利用連續(xù)激發(fā)式熒光儀 Handy PEA(Hansatech，英國產(chǎn))進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定，具體方法參考文獻(xiàn)[12-13]。試驗(yàn)重復(fù)3次，每重復(fù)隨機(jī)選取組培苗10株。

OJIP參數(shù)及含義：Fv/Fm為PSII最大光化學(xué)效率，PI abs為光吸收基礎(chǔ)性能指標(biāo)，DI0/RC為PSⅡ單位反應(yīng)中心(RC)耗散掉的能量(在t=0時(shí))，TR0/RC為單位反應(yīng)中心(RC)捕獲的并用于還原 QA的能量(在t=0時(shí))，TR0/CS0為單位面積捕獲的光能(在t=0時(shí))，ABS/CS0為單位面積吸收的光能(在t=0時(shí))，ET0/CS0為單位面積電子傳遞的量子產(chǎn)額(在t=0時(shí))，DI0/CS0為單位面積的熱耗散(在t=0時(shí))。電子從脫鎂葉綠素到質(zhì)體醌有兩個(gè)中間受體QA和QB，電子先傳遞到QA再到QB。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，采用DPS v14.10軟件，Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)組培苗形態(tài)指標(biāo)的影響

從表1可以看出，不同光質(zhì)處理下，組培苗株高、假莖粗度、葉面積、根數(shù)、根長、葉片數(shù)、單株鮮質(zhì)量與對(duì)照差異顯著(p<0.05)。3種紅藍(lán)組合光處理下，香蕉組培苗株高范圍為5.96～16.58 cm，其中4R1B處理的香蕉組培苗平均株高最高，為6.58 cm，且高于對(duì)照。同時(shí)，該處理組培苗的葉面積、根數(shù)、葉片數(shù)和單株鮮質(zhì)量也最高，說明LED紅藍(lán)組合光處理中，紅光∶藍(lán)光=4可有效促進(jìn)香蕉組培苗莖的生長，植株健壯，根系發(fā)育良好。LED紅藍(lán)綠組合光處理中，8R2B3G處理的組培苗質(zhì)量最佳，株高、假莖粗、葉面積和單株鮮質(zhì)量均優(yōu)于其他兩個(gè)紅藍(lán)綠光處理，且株高和單株鮮質(zhì)量與其他兩個(gè)紅藍(lán)綠光處理達(dá)到顯著性差異；其中，單株鮮質(zhì)量較3R1B2G和5R4B8G處理分別提高了66.37%和32.45%。而8R2B3G處理組培苗株高、葉面積和單株鮮質(zhì)量均高于4R1B處理，其中8R2B3G處理的單株鮮質(zhì)量比4R1B處理提高了22.88%。說明紅光∶藍(lán)光=4處理中增加23%的綠光更有利于組培苗生長。同時(shí)，4R1B處理的組培苗的株高、假莖粗、葉片數(shù)、單株鮮質(zhì)量都高于3R1B2G和5R4B8G處理，說明綠光對(duì)組培苗生長的影響不是絕對(duì)的，光譜中各波段的光量子占比決定了組培苗生長。本研究條件下，8R2B3G(紅光∶藍(lán)光∶綠光=8∶2∶3)處理的組培苗各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)最好，最有利于促進(jìn)組培育苗生長(見圖1)。

圖1 不同光質(zhì)處理下“巴西蕉”組培苗生長情況

表1 不同光質(zhì)處理對(duì)“巴西蕉”組培苗形態(tài)指標(biāo)的影響

2.2 對(duì)組培苗單位反應(yīng)中心能量流動(dòng)的影響

葉綠素?zé)晒鈪?shù)能直接反映光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)對(duì)光能的吸收、傳遞和耗散情況，進(jìn)而可以推斷植物的生長情況，對(duì)植物的抗逆性進(jìn)行判斷。從表2可以看出，3R1B、4R1B、8R2B3G和5R4B8G處理的Fv/Fm(PSII最大光化學(xué)效率)與對(duì)照差異不顯著，但均顯著高于5R1B和3R1B2G處理。當(dāng)植物處于非逆境條件下，F(xiàn)v/Fm一般為0.75～0.85[14]，5R1B和3R1B2G處理的Fv/Fm低于0.75，表明這兩個(gè)光質(zhì)處理的組培苗葉片可能受到輕微脅迫。PI abs(光化學(xué)性能指數(shù))是反映植物葉片的光合綜合性能的指標(biāo)之一[15]。Fv/Fm與PI abs變化趨勢(shì)基本一致，但對(duì)比PI abs大小，發(fā)現(xiàn)不同處理的葉片光合能力差異顯著，其中8R2B3G處理的組培苗葉片光合性能最強(qiáng)，其次是4R1B和5R4B8G處理。對(duì)照組培苗在PSII單位反應(yīng)中心捕獲的并用于還原QA的能量(TR0/RC)顯著低于其他光質(zhì)處理，說明對(duì)照減少了組培苗光合過程中的PSII的能量傳遞。8R2B3G和3R1B2G處理的單位反應(yīng)中心(RC)耗散掉的能量(DI0/RC)最高，而5R1B處理的DI0/RC最低。對(duì)比LED不同光質(zhì)處理，發(fā)現(xiàn)增加綠光后PI abs、DI0/RC有一定程度的提升，其中綠光占比在23%左右時(shí)(8R2B3G)PI abs、TR0/RC、DI0/RC均較大。說明8R2B3G處理的組培苗單位反應(yīng)中心電子傳遞較多，可用于光合作用的潛在電子也更多。

2.3 對(duì)組培苗單位反應(yīng)面積能量流動(dòng)的影響

從表2可以看出，不同光質(zhì)處理對(duì)組培苗葉片單位反應(yīng)面積內(nèi)電子能量流動(dòng)影響存在顯著性差異。對(duì)照的組培苗單位面積(CS)捕獲的光能(TR0/CS0)、吸收的光能(ABS/CS0)和單位面積的熱耗散(DI0/CS0)都處于中間水平；而單位面積電子傳遞的量子產(chǎn)額(ET0/CS0)最小，除3R1B外，與其他LED處理均達(dá)到顯著性差異。LED紅藍(lán)組合中，4R1B處理的ABS/CS0、TR0/CS0比5R1B處理分別提高19.04%、14.85%，4R1B對(duì)比3R1B、5R1B處理更有利于組培苗光合過程對(duì)光能的捕獲和吸收。LED紅藍(lán)綠組合中，8R2B3G處理的TR0/CS0、ABS/CS0、ET0/CS0和DI0/CS0均最高，與4R1B處理差異顯著；除DI0/CS0外，其余均與3R1B2G和5R4B8G處理存在顯著性差異。其中8R2B3G處理的TR0/CS0、ABS/CS0和DI0/CS0比5R4B8G處理(最小值)分別提高25.14%、40.35%和24.36%，說明R∶B=4紅藍(lán)光處理增加23%的綠光，能顯著提高組培苗單位反應(yīng)面積內(nèi)的光量流動(dòng)水平，同時(shí)綠光含量超過23%時(shí)不利于組培苗葉片對(duì)光能的吸收和傳遞。

2.4 對(duì)組培苗光合參數(shù)的影響

從表2可以看出，對(duì)比對(duì)照組培苗Pn，LED組合光處理無優(yōu)勢(shì)。LED紅藍(lán)光組合處理中，藍(lán)光占比增加有利于組培苗凈光合速率(Pn)的提高，其中3R1B處理的Pn顯著高于5R1B處理，提高40.20%。LED紅藍(lán)綠組合處理中，綠光含量越高，Pn越低，8R2B3G處理的Pn最大，與5R4B8G處理差異顯著。4R1B和8R2B3G處理的組培苗Pn未達(dá)到顯著性差異，說明在R∶B=4處理基礎(chǔ)上增加23%綠光沒有影響組培苗的凈光合速率；同時(shí)，8R2B3G對(duì)比5R1B(R∶B=5)處理，Pn提高29.41%，說明綠光能緩解高紅光處理對(duì)組培苗Pn下降的影響，這和8R2B3G處理的電子傳導(dǎo)速率和光能利用率較高有一定關(guān)系。各處理的組培苗Ci無顯著性差異；Gs與Tr的變化趨勢(shì)基本一致，紅藍(lán)光組合中藍(lán)光占比較高或者增加23%的綠光有利于香蕉組培苗氣孔展開和加速蒸騰。

表2 不同光質(zhì)處理對(duì)“巴西蕉”組培苗單位反應(yīng)中心和反應(yīng)面積能量流動(dòng)及光合參數(shù)的影響

3 結(jié)論與討論

光環(huán)境作為植物生長的必要條件，一直是國內(nèi)外植物組培研究的熱點(diǎn)之一。隨著光環(huán)境的改變，植物的生長指標(biāo)也會(huì)有所差異[16]。已有研究較好地描述了紅光條件下補(bǔ)充不定比例的藍(lán)光可有效促進(jìn)植株生長的事實(shí)[17-19]。本研究發(fā)現(xiàn)，一定比例的紅藍(lán)光處理的香蕉組培苗的生長差異顯著，其中4R1B處理的株高最高，這與陳光彩等[10]的研究結(jié)果一致。在紅藍(lán)光組合中增加23%、33%和47%的綠光對(duì)香蕉組培苗的株高、單株鮮質(zhì)量等存在顯著性影響；綠光占比在23%時(shí)(8R2B3G)，香蕉組培苗的株高、單株鮮質(zhì)量、葉面積均顯著優(yōu)于其他比例綠光處理。這與Him等[20-21]在紅藍(lán)光組合中補(bǔ)充24%綠光可促進(jìn)生菜生長，提高生菜產(chǎn)量的研究結(jié)論相一致。

植物進(jìn)行光合作用時(shí)，吸收的光能大部分用于光化學(xué)反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換，只有少部分以熱能和葉綠素?zé)晒獾刃问缴⑹У?。試?yàn)中，以8R2B3G處理的Fv/Fm、PI abs、ABS/CS0、TR0/CS0、ET0/CS0和DI0/CS0最大，說明R∶B=4基礎(chǔ)上增加23%的綠光可使香蕉組培苗光合作用時(shí)PSⅡ系統(tǒng)用于電子傳遞的能量增加?？墒?R2B3G和4R1B處理的Pn無顯著性差異，分析認(rèn)為，雖然在R∶B=4基礎(chǔ)上增加23%的綠光能提高捕獲、吸收和傳遞的光量子數(shù)；但是DI0/RC較高，說明綠光參與了香蕉組培苗的光合作用，促進(jìn)能量流動(dòng)的同時(shí)也增加了熱耗散，該階段電子傳遞的能量變化也反映在了植株形態(tài)上。當(dāng)光強(qiáng)一致時(shí)，LED紅藍(lán)光組合中藍(lán)光占比增加Pn值較大，該結(jié)論在黃瓜[22]、玉簪組培苗[23]、茄子幼苗[24]等植物中已得到廣泛驗(yàn)證。本研究中，4R1B和8R2B3G處理的香蕉組培苗Pn無顯著性差異，但比5R1B處理提高29.41%，說明綠光參與了香蕉組培苗的光合作用，預(yù)測(cè)與8R2B3G處理的葉綠素含量及捕獲、吸收和傳遞的光能較多有關(guān)。上述結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了Bouly等[25]、Materova等[26]認(rèn)為，綠光能夠參與并影響植物光合作用，相比于紅、藍(lán)光更能夠深入植物冠層，有利于光合作用。由于植物生長過程的復(fù)雜生理變化，加上其他環(huán)境因子對(duì)植物形態(tài)特征的影響，光合系統(tǒng)中的電子傳遞情況和Pn不能完全表現(xiàn)在植物的最終形態(tài)上。

綜上所述，8R2B3G(紅光∶藍(lán)光∶綠光=8∶2∶3)光質(zhì)處理不僅有利于香蕉組培苗株高、葉面積、單株鮮質(zhì)量等形態(tài)指標(biāo)的增加；也可有效促進(jìn)香蕉組培苗光合作用時(shí)的電子傳遞，提高Pn。該研究結(jié)果不僅為香蕉組培育苗提供了最佳光源配方，并將為后續(xù)降低香蕉工廠化組培育苗的成本提供了參考，具有重要的理論和實(shí)踐意義。