LED 紅光對蠶豆幼苗生長和生理生化特性的影響

母德錦，吳美珍，余瓊芬，胡小龍

（西南地區(qū)生物多樣性保育國家林業(yè)和草原局重點實驗室·西南林業(yè)大學 昆明 650224）

蠶豆（Vicia fabaL.）屬于豆科（Leguminosae）野豌豆屬（ViciaL.），是一種糧、飼、菜兼用的經濟作物，在中國已有2000 多年栽培歷史，是中國傳統(tǒng)作物之一[1]。目前蠶豆種植過程中存在種植分散、生產規(guī)模小、現(xiàn)代種業(yè)體系不成熟等問題，導致蠶豆的生產能力普遍下降[2]。目前對于蠶豆增產方面的研究主要集中在兩個方面：一方面是篩選和培育優(yōu)良的蠶豆種質資源[3]；另一方面是從蠶豆生長發(fā)育著手，通過施肥、間作、品種選育等手段達到提質增產的目的[4]。

光質是影響植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因子[5]。在現(xiàn)代設施農業(yè)領域內，人工補光技術已經成為提高設施內作物產量的有效手段，但其在蠶豆培育方面的作用鮮有研究報道。已有的研究結果表明，不同植物對不同光質的響應不同[6]，其中，不同光質對植物苗期的形態(tài)發(fā)育[7]、根系建成[8]、生理代謝[9]、光化學和光合特性[10]、品質產量[11]等均有重要影響。而LED 補光作為常用的光質調節(jié)手段，在蔬菜作物培育中有較為廣泛的應用[12]。利用LED 光源對植物進行補光可提高育苗品質、促進早熟高產、提高抗性[13]。特別是在生長前期補光比生長后期補光對作物生長的影響更大，并且不同時段、光質對作物的生長發(fā)育和生理代謝起到不同的調控作用[11]。植物的光合作用主要吸收紅光和藍紫光[14]，紅光有利于根系形態(tài)建成、莖伸長和葉片生長，促進植物生長，還能夠調節(jié)植物體內代謝來增加光合產物的積累[15-16]；另一方面，紅光抑制植物節(jié)間伸長，增加側枝和分蘗，阻止黑暗引起的葉片脫落，延遲開花，促進葉綠素、類胡蘿卜素和花色素苷形成[17]。但是不同植物對紅光的響應規(guī)律不同，例如，在植物的形態(tài)發(fā)育方面，紅光能夠顯著促進黃瓜幼苗的干物質累積[18]，但單側紅光處理大豆幼苗后干質量沒有顯著增加[19]。在植物生理生化研究中也同樣表現(xiàn)出不同植物對紅光的響應規(guī)律不同。如紅光能夠降低草珊瑚幼苗中葉綠素、可溶性糖、可溶性蛋白含量[20]，促進喜樹幼苗葉片中葉綠素、脯氨酸和可溶性蛋白含量的積累[21]，促進先鋒橙和紅橘幼苗中可溶性糖含量的積累，但對可溶性蛋白含量的影響并不顯著[22]。

綜上所述，紅光對于不同的植物幼苗影響各不相同。紅光對蠶豆幼苗的研究表明，紅光降低了蠶豆葉片蒸騰速率，減小了氣孔開度，增加了葉綠素含量，促進了光合速率和干物質積累[23-24]。但紅光處理后，蠶豆幼苗的生長和生理指標如何響應卻未見研究報道。因此，筆者利用LED 光源添加紅光補充光源，與白光光源對比，研究水培條件下紅光補光對蠶豆幼苗生長、葉綠素、生理生化等指標的影響，以期為工業(yè)化種植補光措施和蠶豆生產的提質增效提供理論支持。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗材料為鳳豆6 號蠶豆，商品名：滇蒼源，大理州農業(yè)科學研究所雜交選育而成的優(yōu)質糧菜兼用型蠶豆新品種，產于云南省大理州鄧川縣，該品種具有抗倒、耐寒、耐漬、適應范圍廣等特性。

1.2 方法

試驗于2021 年1 月5 日至2 月10 日在西南林業(yè)大學植物生理實驗室進行。蠶豆種子經蒸餾水浸泡清洗，0.3%的高錳酸鉀消毒15 min 后，置于表面消毒過的沙盤上，將沙盤放置于PQX-430C 型多段可編程人工氣候箱（光照12 h，溫度25°C，濕度80%；黑暗12 h，溫度15°C，濕度80%）中進行催芽；3 d 后將長勢基本一致的蠶豆幼苗置于裝有200 mL Hoagland 營養(yǎng)液（pH 值為5.8）的育苗瓶（容積為250 mL）中進行培養(yǎng)，每個育苗瓶中種植3株蠶豆苗。

將培養(yǎng)瓶中的蠶豆置于PQX-430C 多段可編程人工氣候箱中培養(yǎng)，采用完全隨機設計，設置白光處理（對照組）和紅光處理（處理組）。對照組人工氣候箱的左右兩側各6 只30 W 的白光LED 燈管。處理組人工氣候箱中左右兩側分別設置2 支18 W 的紅光LED 燈管和4 支30 W 的白光LED燈管。設置培養(yǎng)溫度為25°C，濕度為80%，光照處理從08：00 開始，分別設置10、11、12、13、14 h 5 個光照時段處理，每個處理設置10 個培養(yǎng)瓶，每個培養(yǎng)瓶3 株幼苗為1 個重復，共計10 個重復，30 株苗。幼苗采用Hoagland 溶液培養(yǎng)，每5 d 更換一次營養(yǎng)液，共培養(yǎng)25 d。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 營養(yǎng)液pH 值和苗高的測定 蠶豆幼苗每間隔5 d 測定1 次pH 值和苗高，每個處理測定30株。使用精度為1 mm 的直尺測定苗高。將換下的培養(yǎng)液添加蒸餾水到200 mL 后，使用pHS-2F 型pH 計測定營養(yǎng)液的pH 值。

1.3.2 生理指標的測定 待培養(yǎng)25 d 后，每個處理隨機選取3 株蠶豆幼苗的第3 對、第4 對葉片，剪碎混合后使用7230 G 型可見分光光度計通過標準曲線法C（mg?L-1）=Ax+b，R2=0.999，其中A、b 為常數(shù)，x為吸光度，進行測定換算，每個處理測定3 個生物學重復。采用可見光分光光度計法測定[25]葉綠素a、葉綠素b 和類胡蘿卜素含量，采用考馬斯亮藍G-250 染色法[26]測定可溶性蛋白含量，采用蒽酮比色法[27]測定可溶性糖含量，采用茚三酮溶液顯色法[25]測定游離氨基酸含量，采用水楊酸法[25]測定游離脯氨酸含量。

1.3.3 總生物量和N、P、K的測定 待培養(yǎng)25 d 后，將每個處理下的全部植株置于烘箱內，于105°C 下殺青30 min，然后在80°C 下烘干至恒質量，測定不同處理樣品的總生物量。分別用MM440 型球磨儀研磨過篩，稱取0.2 g 樣品，用H2SO4-H2O2法消煮樣品制備待測液用于N、P、K 的測定。使用Smartchem-200 全自動間斷分析儀通過標準曲線法[28]，基于Bertfelot 反應和磷鉬藍反應分別測定各處理的根、莖、葉樣品中N、P 含量。同時按照《LY/T 1270—1999》標準[29]，使用火焰分光光度計，用鉀濾色片，以試劑空白溶液為對照調零檢流計讀數(shù)，然后直接用消煮待測液在火焰分光光度計上測得鉀檢流計讀數(shù)，即為速效鉀含量。

1.4 數(shù)據處理

利用Microsoft Excel 2019 進行數(shù)據處理和圖表繪制，使用SPSS 20.0 進行數(shù)據分析，其中運用獨立樣本t檢驗對不同處理苗高、營養(yǎng)液pH 值以及相關生理指標進行顯著性分析，分析紅光補光和白光在蠶豆生長過程中對苗高和營養(yǎng)液pH 值的影響，同時分析不同光源和不同光照時間對蠶豆幼苗葉生理指標的影響。另外使用配對t檢驗對根、莖、葉中的N、P、K 含量和總生物量進行分析，不同光照時段為配對因子，分析紅光補光和白光照射下對蠶豆營養(yǎng)元素分配和總生物量的影響。

2 結果與分析

2.1 紅光處理對蠶豆苗高、營養(yǎng)液pH值的影響

由圖1-A 可知，隨著培養(yǎng)時間的增加，紅光處理和白光處理的蠶豆幼苗苗高的增長表現(xiàn)出先快后慢趨勢，15 d 之后，蠶豆幼苗苗高的增速變緩。在5 個光處理時段下，紅光補光的蠶豆幼苗苗高極顯著高于白光處理。此外，紅光補光處理影響營養(yǎng)液pH 值變化，其中在第5、15、20 天時，紅光補光處理下的營養(yǎng)液pH 值顯著或極顯著低于白光處理（圖1-B）。

圖1 紅光處理后蠶豆苗高和營養(yǎng)液pH 值的變化

2.2 紅光處理對蠶豆根、莖、葉中N、P、K 含量的影響

由表1 可知，N 的積累在蠶豆幼苗的不同組織中不同，總體上表現(xiàn)出w（葉-RN）＞w（莖-RN）＞w（根-RN）的趨勢。在紅光補光處理下，蠶豆根、莖、葉中N 的積累大體呈現(xiàn)出隨著光照時長的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。在光處理10～12 h 下，與白光處理相比，紅光處理對蠶豆幼苗根、莖、葉中N 的積累有一定的促進作用，但整體上在相同處理時間下紅光處理與白光處理相比無顯著差異。

表1 紅光照射對蠶豆根、莖、葉中N 含量的影響 （g·kg-1）

由表2 所示，在同一處理時間下，紅光處理極顯著促進了蠶豆幼苗莖中P 的積累，但是根和葉中P 的含量與白光處理相比沒有顯著差異。當紅光照射時間為11、12、10 h 時，分別在根、莖和葉中累積的P 最高，為5.990、5.402、3.411 g·kg-1。

表2 紅光照射對蠶豆根、莖、葉中P 含量的影響 （g·kg-1）

由表3 可知，在白光處理和紅光處理組中，K在蠶豆幼苗不同器官中分布各不相同，其中在葉片中積累的最少。不同時段紅光照射下，除11 h 外，蠶豆幼苗莖中K 的積累相比白光處理均有降低。配對t檢驗結果顯示，整體上莖中的K 的積累相比白光處理顯著降低，而根和葉中的K 累積與白光處理無顯著差異。

表3 紅光照射對蠶豆根、莖、葉中K 含量的影響 （g·kg-1）

2.3 紅光處理對蠶豆葉片葉綠素含量的影響

由圖2 可知，在紅光處理組中，隨著光照時間的增加，蠶豆幼苗葉片中葉綠素a、葉綠素b 和總葉綠素的積累呈先上升后下降的趨勢；在白光處理組中，葉綠素a、葉綠素b 和總葉綠素含量呈持續(xù)上升的趨勢。在紅光補光處理下，12 h 的光處理中葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量最高，分別為1.614、0.595、2.209 g·kg-1。但是在同一光照時間的紅光和白光處理蠶豆幼苗葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素的積累均無顯著差異。由圖2-D 可知，隨著紅光光照時間的增加，類胡蘿卜素的積累呈先下降后上升的趨勢。其中紅光補光12 h 時，類胡蘿卜素含量最低，為0.161 g·kg-1，而長時間（14 h）的白光處理不利于類胡蘿卜素的積累。

圖2 紅光照射后蠶豆葉綠素含量的變化

2.4 紅光照射對蠶豆幼苗葉片抗性生理指標的影響

在不同的紅光照射時長下，蠶豆葉片中可溶性糖、可溶性蛋白、游離氨基酸、游離脯氨酸含量的變化趨勢各不相同。由圖3-A 可知，隨著光照時間的增加，紅光和白光照射下的蠶豆幼苗葉片中可溶性糖含量呈上升趨勢，但與白光處理相比，在光照時長為10、11、12 h 時，紅光處理極顯著降低了葉片中可溶性糖含量。由圖3-B 可知，在紅光處理下，蠶豆幼苗葉片中可溶性蛋白含量隨著光照時間的增加逐漸增加，白光處理下蠶豆葉片可溶性蛋白含量呈先增加后降低的趨勢。與白光處理相比，在紅光光照時長為10、11、12、13 h 時，可溶性蛋白含量分別顯著或極顯著下降了14.359、25.965、12.019、9.997 g·kg-1。由圖3-C 所示白光照射后蠶豆幼苗游離氨基酸含量呈先降低后升高趨勢。在光照時長為10、11、13 h 時，紅光處理顯著或極顯著降低了蠶豆幼苗葉片中游離氨基酸含量，在12、14 h 時二者并無顯著差異。由圖3-D 可知，在紅光處理下，隨著光照時間的增加，游離脯氨酸含量呈先增加后下降的趨勢，與白光處理相比，在光照時長為10、11、12、14 h 時，紅光補光處理游離脯氨酸含量顯著或極顯著降低。

圖3 紅光照射后蠶豆生理指標的變化

2.5 紅光照射對蠶豆幼苗生物量的影響

由圖4 可知，紅光補光處理11 h 和14 h 后，蠶豆幼苗總生物量較高，其他光照時長的蠶豆生物量相對較低。隨著白光照射時間增長，蠶豆幼苗的總生物量呈先逐漸下降后上升趨勢。短時段紅光照射和白光照射后蠶豆總生物量差異不顯著，但長時段（12～14 h）光照后，紅光補光處理的蠶豆幼苗總生物量積累顯著高于白光處理。

圖4 紅光照射后蠶豆總生物量的變化

3 討論與結論

3.1 紅光補光對蠶豆生長的影響

光對植物生長發(fā)育具有重要的作用，它不僅為植物光合作用提供基本能源，還是其生長發(fā)育的重要調節(jié)因子[17]。其中光質在調節(jié)植物的生長發(fā)育過程中起到重要的作用[30]。在前期的研究中發(fā)現(xiàn)，單色的紅光能夠促進植物幼苗苗高的生長，黃文靜等[31]研究表明，LED 紅光有利于火龍果幼苗的增高，秦健等[32]發(fā)現(xiàn)，紅光能促進青錢柳幼苗的苗高增加，并且與白光相比有顯著差異。筆者的研究結果表明，紅光補充能夠顯著促進蠶豆幼苗的苗高增加。同時，培養(yǎng)液pH 值在培養(yǎng)5～10 d 過程中持續(xù)降低可能與蠶豆幼苗快速生長過程中對營養(yǎng)元素的吸收有關[33]。

前人研究表明，紅光光源能夠在一定程度上促進植物幼苗生物量增加。例如，與白光相比，單色紅光能提高11.46%的火龍果幼苗生物量[31]，但在筆者的研究中，10～11 h 的紅光補光與白光相比，蠶豆的生物量沒有顯著差異。在光照周期較長時（≥12 h），白光處理下蠶豆幼苗的總生物量顯著低于紅光處理。

3.2 紅光補光對蠶豆生理生化的影響

筆者的研究結果表明，紅光補光對蠶豆幼苗的葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素影響不大，紅光處理11 h 對葉綠素b 稍有促進，12 h 對葉綠素a、葉綠素b 和總葉綠素稍有促進外，其余紅光處理葉綠素a、葉綠素b 和總葉綠素稍有下降。類胡蘿卜素對不同光周期呈現(xiàn)出不同規(guī)律，在12 h 紅光光照時含量最低。但紅光補光處理后，葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素的含量與白光相比差異不顯著。這與黃碧陽[34]的研究結果類似，紅光處理菠菜后降低了葉片葉綠素含量，但對類胡蘿卜素含量影響較小。

另外，N、P、K 在植物器官中的分配，反映了植物生物量的積累以及植株的品質。前人研究表明，紅光能夠調節(jié)植物體內的代謝來增加光合產物的積累[35-36]。筆者的研究表明，適當?shù)募t光補光能夠增加蠶豆根、莖、葉中N 的積累，但與白光處理相比差異不顯著。同時紅光補光也促進了莖中P 的吸收，除11 h 外，其余光照時段紅光處理降低了莖中K 的積累。紅光補光部分時間對蠶豆幼苗莖中P、K 以及葉片中的可溶性糖、可溶性蛋白、游離氨基酸和游離脯氨酸含量有顯著影響，紅光補光在各個光周期中均降低了可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸的含量。

綜上所述，筆者探討了紅光和光照時長對蠶豆幼苗的影響，適當紅光補光能夠促進蠶豆幼苗苗高的生長，促進根、莖、葉中N 含量的積累，促進了莖中P 的吸收，部分光照時段降低了莖中K 的積累量，減緩總生物量隨光周期的延長而降低的趨勢。同時，適當?shù)募t光補光有助于提高蠶豆幼苗的產量。筆者的研究結果，可為蠶豆育苗過程中光質和光周期的選擇提供一定的數(shù)據支撐和理論支持。