發(fā)光二極管(LED)光質(zhì)對金秋砂糖橘幼苗生長發(fā)育和光合特性的影響

楊 超，劉敏竹，李 強(qiáng)，韓 濤，彭良志，凌麗俐，*，付行政，淳長品，曹 立，何義仲

(1.西南大學(xué) 柑橘研究所/國家柑橘工程技術(shù)研究中心，重慶 400712； 2.重慶文理學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院/環(huán)境材料與修復(fù)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 402160)

近年來，由于柑橘黃龍病疫情的蔓延導(dǎo)致中國部分柑橘主產(chǎn)區(qū)果園大面積被銷毀，無病苗木的需求銳增。為了保障苗木質(zhì)量安全和果園盡快投產(chǎn)，黃龍病疫區(qū)育苗企業(yè)普遍采用網(wǎng)室方式培育柑橘無病大苗，苗木在圃時(shí)間延長，導(dǎo)致光照成為影響柑橘苗木培育的重要限制因素。因此，如何降低補(bǔ)光成本，加速柑橘苗木生長成為新型育苗技術(shù)的關(guān)鍵問題。發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)是近年發(fā)展起來的新型節(jié)能光源，具有光譜精準(zhǔn)可調(diào)、光利用效率高和功率轉(zhuǎn)換效率大等優(yōu)點(diǎn)，已初步應(yīng)用于草莓、生菜和番茄等植物的設(shè)施栽培。研究表明，LED光對黃瓜、番茄、甜椒等植物的生長發(fā)育、生理代謝與果實(shí)品質(zhì)有顯著的調(diào)節(jié)作用，并與糖和激素信號共同調(diào)節(jié)植物的生命過程。研究也發(fā)現(xiàn)，不同LED光譜(光質(zhì)與配比)對不同種類植物生長發(fā)育和生理代謝的影響存在顯著差異。目前，相關(guān)研究主要集中于蔬菜，關(guān)于柑橘類果樹的研究較少。近年來，本團(tuán)隊(duì)初步研究了LED光質(zhì)與配比對砂培柑橘砧木枳、先鋒橙和紅橘幼苗生長發(fā)育的影響，發(fā)現(xiàn)不同種類柑橘受LED光質(zhì)與配比的影響存在顯著差異。因此，有必要系統(tǒng)闡明LED光質(zhì)，特別是紅藍(lán)光質(zhì)配比，對不同種類柑橘生長發(fā)育和生理代謝的影響。金秋砂糖橘是中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院柑橘研究所培育的21世紀(jì)中國第一個(gè)擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)質(zhì)雜交柑橘新品種，具有適應(yīng)性廣、豐產(chǎn)性好、無核、高糖、化渣、高抗?jié)儾〉葍?yōu)點(diǎn)，是10月中下旬國內(nèi)售價(jià)最高的柑橘品種之一，近5 a在四川、重慶、廣西、江西、云南等地的種植面積超過3.33萬hm，其苗木需求旺盛。本文以金秋砂糖橘為試驗(yàn)材料，研究不同LED光質(zhì)對其生長發(fā)育和光合特性的影響，以期為優(yōu)質(zhì)金秋砂糖橘苗木快速繁育的LED補(bǔ)光技術(shù)構(gòu)建提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 光源

試驗(yàn)光源為重慶文理學(xué)院微納米光電材料與器件國際科技合作基地(國家科技部)自主研發(fā)的LED熒光粉系列材料研制的LED燈。根據(jù)前期研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，共設(shè)7個(gè)處理，分別是LED白光(W,CK)、LED紅光(R)、LED藍(lán)光(B)、LED紅光：藍(lán)光=1∶1(RB11)、LED紅光∶藍(lán)光=2∶1(RB21)、LED紅光∶藍(lán)光=4∶1(RB41)、LED紅光∶藍(lán)光=8∶1(RB81)。復(fù)合光中的紅光均為寬紅光，其光譜如圖1所示，峰值和峰寬見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于西南大學(xué)柑橘研究所栽培與生理課題組光照培養(yǎng)室內(nèi)進(jìn)行。2019年8月于重慶奔象果業(yè)有限公司選取長勢一致的枳砧金秋砂糖橘容器苗49株，苗木于2018年9月嫁接，無黃龍病和潰瘍病。將其株高縮短至約22 cm，每株苗保留完整、無病蟲害、大小均等且互無遮攔的葉片8片。對植株進(jìn)行不同的光質(zhì)處理，每組7株。試驗(yàn)期間培養(yǎng)室的溫度控制在(25±2) ℃，光周期為12/12 h(L/D)，光合有效輻射為150 μmol·m·s；每2～3 d澆灌一次1/2改良型Horgland營養(yǎng)液[改良Horgland營養(yǎng)液：8 mmol·LCa(NO)·4HO、3 mmol·LKNO、1 mmol·LNHHPO、2 mmol·LMgSO·7HO、0.05 mmol·LNaFeEDTA、0.015 mmol·LHBO、0.01 mmol·LMnSO·HO、0.005 mmol·LZnSO·7HO、0.001 5 mmol·LCuSO·5HO、0.000 5 mmol·LNaMoO]。各光質(zhì)處理組植株均在15～20 d左右開始萌發(fā)新梢，新生的秋梢只保留頂端的一個(gè)梢，2個(gè)月后測定不同處理組新梢的莖葉生長形態(tài)、生物量、光合色素和光合特性參數(shù)。

1.3 測定方法

生長參數(shù)測定：測定新梢的莖長、莖粗、葉厚；統(tǒng)計(jì)新梢的葉片數(shù)，并用Yaxin-1241葉面積儀(北京雅欣理儀科技有限公司，中國)測定新梢的葉面積。

圖1 不同LED光質(zhì)的光譜圖Fig.1 Spectra of different LED lights

表1 不同LED光的峰值和峰寬

生物量測定：剪取新梢，經(jīng)清洗、陰干后分別取莖和葉用電子天平稱出鮮重，然后于105 ℃殺青30 min、75 ℃烘干24 h后分別稱得莖、葉的干重，計(jì)算得到新梢的鮮重和干重。

光合色素含量的測定：參照Wellberum等的方法，用TU-9001型雙光束紫外-可見分光光度計(jì)測定新梢倒數(shù)第3葉的葉綠素a(chla)、葉綠素b(chlb)、類胡蘿卜素(car)含量，并計(jì)算chl(a+b)和chla/chlb。

光合特性參數(shù)的測定：采用Li-6400型便攜式光合測定儀(美國，Li-COR公司)測定幼苗倒數(shù)第3片葉的凈光合速率(net photosynthetic rate，)、胞間二氧化碳濃度(intercellular COconcentration，)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance，)和蒸騰速率(transpiration rate，)。測定條件：CO濃度(400±10)μmol·mol，溫度(25±2) ℃，測定時(shí)間09：00—11：00。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總與計(jì)算，用Duncan法進(jìn)行差異性比較，并用SPSS statistics 20.0軟件進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 莖葉變化

由表2可以看出，與CK相比，紅光處理下金秋砂糖橘新梢莖長、葉片數(shù)和葉面積顯著(<0.05)增加，分別為對照的1.77倍、1.72倍、2.03倍；葉片顯著(<0.05)變薄，為CK的73.9%；莖粗無顯著變化(>0.05)；而藍(lán)光處理下莖葉變化與紅光處理呈相反趨勢。紅藍(lán)復(fù)合光處理下，與CK相比，RB11處理的金秋砂糖橘新梢莖長、葉片數(shù)和葉面積顯著(<0.05)增加，莖粗和葉厚無顯著(>0.05)變化，RB11處理的莖長、莖粗、葉片數(shù)和葉面積分別是對照組的1.97倍(<0.05)、1.14倍(>0.05)、2.05倍(<0.05)、1.84倍(<0.05)；隨著紅光比例的增加，新梢莖長、莖粗、葉片數(shù)、葉厚和葉面積均逐漸降低，表明其莖葉生長受到顯著抑制。

2.2 生物量變化

由表3可知，紅光顯著促進(jìn)金秋砂糖橘新梢生物量的增加，其新梢的鮮重和干重，以及葉鮮重、莖鮮重、葉干重、莖干重分別是CK的1.89倍、1.83倍、1.69倍、3.07倍、1.65倍和2.94倍，差異達(dá)顯著水平(<0.05)；而藍(lán)光處理下莖、葉生物量變化呈相反趨勢。

紅藍(lán)復(fù)合光處理下，紅光比例低時(shí)新梢莖葉生物量顯著增加，隨著紅光比例的增加，新梢的莖葉生物量逐漸降低。RB11處理的新梢鮮重和干重，以及葉鮮重、莖鮮重、葉干重和莖干重分別是CK的1.68倍(<0.05)、1.88倍(<0.05)、1.46倍(>0.05)、3.00倍(<0.05)、1.68倍(<0.05)、3.06倍(<0.05)，而RB81處理分別是對照的93.23%、81.25%、95.94%、72.73%、83.33%、68.75%，差異不顯著(>0.05)。

表2 金秋砂糖橘新梢的莖葉變化

表3 金秋砂糖橘新梢的生物量變化

2.3 光合色素含量變化

由表4可知，LED紅光導(dǎo)致金秋砂糖橘新梢葉的chla、chlb和chl(a+b)含量顯著(<0.05)降低，藍(lán)光導(dǎo)致金秋砂糖橘新梢葉的chlb和chl(a+b)含量顯著(<0.05)降低；RB11、RB21和RB41處理的chla和chl(a+b)含量無顯著變化，RB81處理的chla和chla+b含量顯著低于對照；紅藍(lán)復(fù)合光處理的chlb和car含量與對照相比均無顯著變化(>0.05)；RB11處理的chla/chlb顯著(<0.05)低于CK，RB21、RB41和RB81處理的chla/chlb與對照相比無顯著變化(>0.05)。

2.4 幼苗光合參數(shù)變化

由表5可知，與CK相比，LED紅、藍(lán)單色光均導(dǎo)致金秋砂糖橘新梢的顯著(<0.05)降低；紅藍(lán)復(fù)合光顯著(<0.05)促進(jìn)增加，并且隨著紅光比例的增加呈顯著(<0.05)降低趨勢，RB11、RB21、RB41、RB81的分別是對照的1.74、1.48、1.29和1.30倍，差異顯著(<0.05)；藍(lán)光處理的金秋砂糖橘新梢與對照相比無顯著差異(>0.05)，紅光處理的金秋砂糖橘新梢顯著(<0.05)低于對照，紅藍(lán)復(fù)合光處理中，隨著紅光比例的增加呈先升高后降低趨勢；LED紅、藍(lán)單色光的金秋砂糖橘新梢與對照相比無顯著差異(>0.05)，紅藍(lán)復(fù)合光處理中，隨著紅光比例的增加呈先升高后降低趨勢；藍(lán)光處理的金秋砂糖橘新梢與對照相比無顯著差異(>0.05)，紅光處理的金秋砂糖橘新梢顯著(<0.05)低于對照，紅藍(lán)復(fù)合光處理中，隨著紅光比例的增加呈先升高后降低趨勢。

2.5 主成分分析

采用主成分分析進(jìn)行降維處理后，可提取3個(gè)主成分，其特征值分別為10.548、6.269、1.958，累積貢獻(xiàn)率為89.37%，基本保留了生長發(fā)育和光合參數(shù)的全部信息。由圖2可知，主成分1的貢獻(xiàn)率為50.21%，在0.6～1.0涉及的參數(shù)為地上部分干重、地上部分鮮重、莖干重、莖鮮重、葉干重、葉鮮重、株高、葉片數(shù)、株葉面積等生物量和形態(tài)學(xué)參數(shù)，以及、s和等光合特征參數(shù)，主要反映了地上部分(莖、葉)的形態(tài)建成、生物量積累和葉片氣孔開放狀況；主成分2的貢獻(xiàn)率為29.82%，在0.6～1.0涉及的參數(shù)有chla、chlb、chl(a+b)、car、、葉厚等光合色素和光合速率參數(shù)，主要反映了葉片的光合狀況；主成分3的貢獻(xiàn)率為9.34%，在0.6～1.0涉及的參數(shù)有chla/chlb、干鮮重比和莖粗，主要反映了葉綠素成分和干鮮生物量的配比狀況。

表4 金秋砂糖橘新梢葉的葉綠素含量變化

表5 不同處理金秋砂糖橘新梢的光合特性

SL，莖長；SD，莖粗；LN，葉片數(shù)；LT，葉厚；LA，葉面積；NSFM，新梢鮮重；NSDM，新梢干重；Rdf，干鮮重比；LFM，葉鮮重；SFM，莖鮮重；LDM，葉干重；SDM，莖干重；chla，葉綠素a；chlb，葉綠素b；chl(a+b)，葉綠素(a+b)；Rab，chla/chlb；car，類胡蘿卜素；Pn，凈光合速率；Gs，氣孔導(dǎo)度；Ci，胞間二氧化碳濃度；Tr，蒸騰速率。SL， Stem length; SD， Stem diameter; LN， Leaf number; LT， Leaf thick; LA， Leaf area; NSFM， New shoot fresh mass; NSDM， New shoot d dry mass; Rdf， Ratio of dry mass to fresh mass; LFM， Leaves fresh mass; SFM， Stem fresh mass; LDM， Leaves dry mass; SDM， Stem dry mass; chla， Chlorophyll a; chlb， Chlorophyll b; chl (a+b)， Chlorophyll (a+b); Rab， Ratio of chla to chlb; car, Car-carotenoid; Pn， Net photosynthetic rate; Gs， Stomatal conductance; Ci， Intercellular CO2 concentration; Tr， Transpiration rate.圖2 不同LED光質(zhì)處理組金秋砂糖橘幼苗的主成分分析Fig.2 Principal component analysis diagram of Jinqiu Shatangju seedlings under different light quality treatments

以每個(gè)主成分所對應(yīng)的特征值占總特征值之和的比例作為權(quán)重，結(jié)合前3個(gè)主成分分值計(jì)算每個(gè)處理組的綜合主成分值(F值)，進(jìn)行排序。由表6可知，RB11處理的排名高于對照和其他處理組，其次為RB21處理。

3 討論

3.1 LED光質(zhì)對金秋砂糖橘形態(tài)建成的影響

光質(zhì)可直接影響植物的組織和器官分化，制約各器官的生長速度和發(fā)育，對植物形態(tài)建成產(chǎn)生顯著影響，其中，紅光和藍(lán)光對植物形態(tài)建成的影響最大。研究表明，紅光顯著促進(jìn)幼苗根莖生長和葉面積擴(kuò)展，藍(lán)光對幼苗根系形成與生長的影響因植物種類不同存在一定程度的差異，并且藍(lán)光抑制莖伸長和葉面積擴(kuò)展，易導(dǎo)致植株矮化。也有研究發(fā)現(xiàn)，增加紅光比例對煙草NC89葉面積的增加有一定的促進(jìn)作用，但使比葉重降低，葉片變薄；藍(lán)光更有利于黃瓜、結(jié)球甘藍(lán)和抗優(yōu)63水稻幼苗的莖粗生長；藍(lán)光能促進(jìn)花生幼苗葉片擴(kuò)展和增厚，有利于新葉生長和莖枝增粗，以致藍(lán)光處理的葉片數(shù)、壯苗指數(shù)和單株葉面積優(yōu)于紅光處理。本文研究也發(fā)現(xiàn)，LED紅光促進(jìn)金秋砂糖橘新梢的莖伸長、葉形成和葉面積擴(kuò)增，抑制莖的增粗和葉片增厚，而藍(lán)光的作用則相反。此外，盡管不同植物生長發(fā)育對單色光的響應(yīng)存在顯著差異，但是復(fù)合光對植物生長發(fā)育的促進(jìn)作用顯著。與單色光相較，LED白光可促進(jìn)番茄和辣椒幼苗地下部生長，紅藍(lán)復(fù)合光更有利于秋葵、茄子和河套蜜瓜等幼苗根莖的形態(tài)建成；且高比例紅光會導(dǎo)致煙草葉厚降低、面積增大，導(dǎo)致黃瓜幼苗根冠比降低，而高比例藍(lán)光會導(dǎo)致羅勒莖節(jié)縮短、光合葉面積減小和產(chǎn)量下降。本研究中，隨著LED紅光比例的增加，金秋砂糖橘新梢的莖葉生長受到的促進(jìn)作用呈顯著降低趨勢；低比例LED紅光(RB11和RB21)促進(jìn)新梢的莖伸長、莖增粗、葉形成和葉面積擴(kuò)增，而高比例紅光的作用則相反，其中紅藍(lán)1∶1復(fù)合光最有利于金秋砂糖橘新梢莖葉的形態(tài)建成。

表6 各處理組的PCA總得分與排序

3.2 LED光質(zhì)對金秋砂糖橘光合作用的影響

對大多數(shù)植物來說，在紅光和橙光處理下光合速率最高，藍(lán)紫光其次，黃綠光最低。本研究發(fā)現(xiàn)，雖然在LED紅、藍(lán)單色光下金秋砂糖橘新梢葉的光合色素含量和凈光合速率均降低，但是在藍(lán)光下其葉綠素含量和凈光合速率高于紅光，這與花生和番茄幼苗中的研究結(jié)果相似。此外，引起降低的原因有氣孔和非氣孔2種因素，藍(lán)光在促進(jìn)氣孔開放方面比紅光更有效。本研究發(fā)現(xiàn)，LED紅光與藍(lán)光照射下金秋砂糖橘新梢葉的和均呈降低趨勢，且紅光降低幅度更大，表明LED紅、藍(lán)單色光照射下金秋砂糖橘新梢光合速率降低與氣孔導(dǎo)度受限有關(guān)。與單色光相比，適宜配比的紅藍(lán)復(fù)合光能夠顯著提高植物葉片的光合能力。但是，不同物種的紅藍(lán)光最適配比存在顯著差異。本文研究也發(fā)現(xiàn)，不同LED紅藍(lán)復(fù)合光均導(dǎo)致金秋砂糖橘新梢的顯著高于單色光和白光，但是紅光比例增加不利于升高。

3.3 LED光質(zhì)對金秋砂糖橘物質(zhì)積累與分配的影響

不同植物的物質(zhì)積累與分配對光質(zhì)的響應(yīng)存在顯著差異。紅光有利于碳水化合物的積累，并通過抑制葉內(nèi)光合產(chǎn)物的向外運(yùn)輸，導(dǎo)致植物葉內(nèi)淀粉粒含量增多，有利于地上部分物質(zhì)積累與分配；藍(lán)光促進(jìn)蛋白質(zhì)、有機(jī)酸、次生代謝物等物質(zhì)，以及葉片磷鉀鈣等礦質(zhì)元素積累，有利于分配更多代謝物到根部。本研究發(fā)現(xiàn)，雖然LED紅光處理的金秋砂糖橘新梢凈光合速率較低，但是其光合葉面積最大，使新梢的物質(zhì)積累量大，有利于莖、葉的物質(zhì)分配；雖然藍(lán)光處理的金秋砂糖橘新梢凈光合速率較高，但是光合葉面積顯著減小，導(dǎo)致物質(zhì)積累較少，不利于莖、葉的物質(zhì)分配。此外，與單色光相比，紅藍(lán)復(fù)合光促進(jìn)幼苗RUBP羧化酶活性和光合速率，導(dǎo)致光合物質(zhì)合成增加，地上部分物質(zhì)積累較多；適當(dāng)補(bǔ)充藍(lán)光有利于萵苣葉片增厚，以及蛋白質(zhì)、花青素和維素C含量提升。本研究也發(fā)現(xiàn)，與LED白光相比，LED紅光和紅藍(lán)復(fù)合光更有利于金秋砂糖橘新梢的物質(zhì)積累，而且低比例紅光(RB11)更有利于干物質(zhì)的積累；不同比例紅藍(lán)復(fù)合光的物質(zhì)分配策略存在顯著差異，其中，低比例紅光(RB11和RB21)將物質(zhì)較為均衡地分配于莖、葉，而高比例紅光(RB41和RB81)則將物質(zhì)更多地分配于葉。

4 結(jié)論

綜上所述，LED紅藍(lán)1∶1復(fù)合光不僅有利于金秋砂糖橘新梢的莖葉形態(tài)建成和葉片光合作用，也有利于其干物質(zhì)積累和莖葉物質(zhì)的均衡分配。結(jié)合主成分分析結(jié)果，表明LED紅藍(lán)1∶1復(fù)合光有利于金秋砂糖橘新梢的生長發(fā)育和光合作用。后期可以進(jìn)一步考慮在紅藍(lán)1∶1復(fù)合光基礎(chǔ)上添加黃光和綠光，優(yōu)化紅、綠、藍(lán)光的配比，并結(jié)合光受體熒光材料的匹配設(shè)計(jì)與合成，篩選、優(yōu)化更為高效的LED光源，構(gòu)建更為精準(zhǔn)的補(bǔ)光系統(tǒng)，以推動金秋砂糖橘優(yōu)質(zhì)苗木快速繁育補(bǔ)光技術(shù)體系的構(gòu)建。