引用本文
王虹, 王颖, 阎君, 朱为民. 不同比例的红蓝光对黄瓜幼苗生长及光合特性的影响[J]. 浙江农业学报, 2018,30(11): 1879-1885.
WANG Hong, WANG Ying, YAN Jun, ZHU Weimin. Effect of different combinations of red and blue light on seedling growth and photosynthesis of Cucumis sativus [J]. ACTA AGRICULTURAE ZHEJIANGENSIS, 2018,30(11): 1879-1885.
  
Doi: 10.3969/j.issn.1004-1524.2018.11.10
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不同比例的红蓝光对黄瓜幼苗生长及光合特性的影响
王虹, 王颖, 阎君, 朱为民*
上海市农业科学院 园艺研究所,上海市设施园艺技术重点实验室,上海 201403
*通信作者,朱为民,E-mail: wmzh69@126.com

作者简介:王虹(1979—),女,吉林吉林人,博士,副研究员,主要从事设施光环境调控研究。E-mail: wanghong@saas.sh.cn

收稿日期: 2018-08-03
基金资助: 国家科技支撑计划(2014BAD05B05-05);上海市科委项目(16391903000);上海市科技兴农推广项目(沪农科推字〔2017〕第2-1号)
摘要

以黄瓜品种春秋王为材料,以LED为光源,研究了不同比例的红蓝光组合对黄瓜幼苗生长及光合特性的影响。结果显示:除5%蓝光处理外,蓝光比例的增加降低了黄瓜幼苗干质量、鲜质量、叶面积、茎粗及株高等与生长相关的参数,与之相反的是,蓝光比例的增加促进了幼苗叶绿素相对含量的增加;黄瓜幼苗的净光合速率随着处理中蓝光比例的增加呈先上升后下降的变化,气孔导度则随着蓝光比例的增加而增加,此外, rbc L、 rbc S及 rca等三个基因的相对表达量也随着蓝光比例的增加而上调。其中,10%蓝光处理最有利于黄瓜幼苗的生长。

关键词: 红蓝光; 黄瓜; 生长; 光合特性
中图分类号:S642.2 文献标志码:A 文章编号:1004-1524(2018)11-1879-07
Effect of different combinations of red and blue light on seedling growth and photosynthesis of Cucumis sativus
WANG Hong, WANG Ying, YAN Jun, ZHU Weimin*
Institute of Horticulture, Shanghai Academy of Agricultural Sciences, Shanghai Key Laboratory of Protected Horticultural Technology, Shanghai 201403, China
Abstract

The objective of the present study was to evaluate morphological and photosynthetic characteristics of cucumber (cv. Chunqiuwang) seedlings under different blue and red ratios of light emitting diodes (LEDs). The results showed that, except 5% blue light treatment, the fresh and dry weight, leaf area, stem diameter and plant height were significantly decreased with the increase of blue light ratio. On the contrary, SPAD value was increased with the increase of blue light ratio. The Pn of cucumber were increased with the increase of blue light ratio until 60% blue light treatment and then decreased. Gs of cucumber were increased with the increase of blue light ratio. Furthermore, the transcriptional levels of rbc L, rbc S and rca were up-regulated by blue light. In conclusion, the optimal blue/red ratio for cucumber growth was 10/90.

Keyword: red and blue light; Cucumis sativus; growth; photosynthetic characteristics

在各种环境因子中, 光是影响植物生长发育及形态建成的重要环境因子之一。光对植物的作用主要表现在两个方面:首先, 光为植物提供光合作用所需的能量; 其次, 光作为信号物质, 通过不同的光受体调控植物的整个生长发育进程[1]。光环境对植物生长发育的调控主要通过光强、光周期和光质来实现, 与前两者相比, 光质对植物生长的调控则更为复杂[2]。不同光质组成对植物生长的作用是不同的[3], 其中400~500 nm的蓝紫光和630~680 nm的红光可被植物光合色素吸收[4], 因此, 大多数学者认为, 红蓝组合的光源即可满足植物的正常生长。李慧敏等[5]研究表明, 红蓝比例为8的光源可更好地满足甘蓝型油菜的生长; 王丽伟等[6]在对番茄的研究中发现, 3R1B更有利于培育壮苗; Nhut等[7]的研究则表明, 红蓝比例为7/3时, 更有利于草莓幼苗干物质质量的增加。以上研究表明, 作物对红蓝光比例的需求具有种间特异性, 适当比例的红蓝光对促进幼苗生长具有重要的作用。

黄瓜是我国温室生产中的主要蔬菜, 同时, 也是光质敏感的蔬菜作物[8], 但前人在研究黄瓜幼苗对不同红蓝光的需求时存在不同的结论, 如Hogewoning等[9]研究结果表明, 当红蓝光比例达到50%B∶ 50%R时, 黄瓜叶片光合速率、气孔导度及叶绿素含量达到最高; Herná ndez等[10]的研究表明, 当R/B为9时, 黄瓜叶片的干鲜质量最大; 刘丹等[11]的研究则认为, 当红/蓝为7/3时, 黄瓜幼苗的生长指标最优。因此, 本文在前人研究的基础上, 利用不同比例的红蓝光LED光源, 研究其对黄瓜幼苗生长及光合特性的影响, 以期为黄瓜工厂化育苗所需的最优光源提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 实验设计和光照处理

实验在上海市农业科学院园艺所LED实验室内进行, 供试黄瓜品种为春秋王, 由上海科园种子公司提供。将浸种后发芽的黄瓜种子播于V(椰糠)∶ V(草炭)∶ V(蛭石)=1∶ 1∶ 1的基质中, 出苗后放置在不同的光照处理下生长。每个处理24棵黄瓜幼苗, 重复3次。黄瓜幼苗生长的光周期为12 h, 相对湿度为60%~70%, 温度保持在25 ℃/20 ℃左右。定期浇灌园式配方的营养液, 播种20 d后测定各项生理及分子指标。

不同比例的LED灯由深圳联邦重科电子有限公司订做, 实验按照不同红蓝光灯珠的个数比分别设置红蓝光比例为:5B/95R(5%蓝光∶ 95%红光), 10B/90R(10%蓝光∶ 90%红光), 20B/80R(20%蓝光∶ 80%红光), 30B/70R(30%蓝光∶ 70%红光), 60B/40R(60%蓝光∶ 40%红光), 80B/20R(80%蓝光∶ 20%红光), 90B/10R(90%蓝光∶ 10%红光), 调节光源与穴盘间距离, 使各处理的光照强度均为200 μ mol· m-2· s-1。

1.2 测试方法

1.2.1 生长量指标的测定

播种20 d后, 各红蓝光处理随机选择5株完整的幼苗, 使用直尺测定其株高, 使用游标卡尺测定其茎粗, 使用电子天平测定其干鲜质量, 使用叶面积测定仪测定其叶面积, 使用TYS-A型叶绿素测定仪测定其相对叶绿素含量。

1.2.3 光合参数的测定

黄瓜幼苗播种20 d后, 测定其光合参数。使用Li-6400XT光合仪测定各处理净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳浓度(Ci)等数值。光合参数测定时, 使用的二氧化碳浓度为400 μ mol· mol-1, 相对湿度为60%~70%, 使用仪器内置的红蓝光作为测定光源, 光照强度为200 μ mol· m-2· s-1。

1.2.4 荧光定量PCR (qRT-PCR) 分析

各处理的黄瓜幼苗在播种20 d后, 取叶片迅速放置于液氮中, 然后置于-80 ℃冰箱中用于RNA提取。RNA的提取及cDNA的合成参照王虹等[12]的方法。使用ABI公司的QuantStudio3荧光定量PCR仪测定光合基因的相对表达量, 具体计算方法参照Livak 和 Schmittgen的2-Δ Δ CT法[13]。实验使用的Actin引物为:上游5’ -AAAGATGACGCAGATAAT-3’ , 下游5’ -GAGAGATGGCTGGAATAG-3’ ; rbc L的引物为:上游5’ -ACCGATGGGCTTACCAGTCT-3’ , 下游5’ -ATTCGCAAATCCTCCAGACG-3’ ; rbc S的引物为:上游5’ -ATGGGTTCCCTGCGTTGA-3’ , 下游5’ -CCTGAGATGAGTCGGTGC-3’ ; rca的引物为:上游5’ -GCTGACAACCCAACCAA-3’ , 下游5’ -CATCCGACCATCACGAA-3’ 。

1.3 数据分析

使用EXCEL 2007进行数据处理, 采用SPSS软件中的新复极差法进行多重比较(P< 0.05)。

2 结果与分析
2.1 不同红蓝比例的LED光照处理对黄瓜幼苗生长的影响

由图1可知, 不同比例的红蓝光处理影响了黄瓜幼苗的生长。除5%蓝光处理外, 黄瓜幼苗的鲜质量、干质量、叶面积、株高及茎粗等生长相关的指标与处理中蓝光的比例呈负相关的线性关系, 即随着蓝光比例的增加, 黄瓜幼苗的鲜质量、干质量、叶面积、株高及茎粗等指标呈下降的趋势。例如, 与10%蓝光处理相比, 20%、30%、60%、80%及90%蓝光处理分别使黄瓜幼苗的鲜质量及干质量降低了6.76%、32.03%、31.62%、55%、61.76%和7.89%、26.32%、23.68%、58.55%、61.85%。此外, 除5%蓝光处理外, 随蓝光比例的增加, 黄瓜幼苗的叶面积、株高及茎粗等指标也呈下降的趋势。但与之相反的是, 黄瓜幼苗的相对叶绿素含量与处理中蓝光的比例呈正相关的线性关系, 即叶绿素含量随着蓝光比例的增加而增加。以上研究结果表明, 与其他处理相比, 10%蓝光处理更有利于黄瓜幼苗生长。

图1 不同红蓝比例的LED灯对黄瓜幼苗生长的影响
虚线代表显著性线性回归分析。Fig.1 Effects of different combinations of red and blue light on growth of cucumber seedlings
Dotted line represents significant linear regression.

2.2 不同红蓝比例的LED光照处理对黄瓜幼苗光合特性的影响

由图2所示, 不同红蓝比例的LED灯处理影响了黄瓜幼苗的光合特性。随着蓝光比例的增加, 黄瓜幼苗的净光合速率(Pn)呈现先上升再下降的变化。与5%的蓝光处理相比, 10%、20%、30%、60%、80%及90%蓝光处理分别使黄瓜幼苗的净光合速率上升了21.65%、30.32%、36.59%、61.86%、46.91%、25.26%。各处理的气孔导度(Gs)值随着蓝光比例的上升而上升, 与5%的蓝光处理相比, 10%、20%、30%、60%、80%及90%蓝光处理分别使Gs值增加了35.71%、85.52%、77.38%、118.45%、132.74%、158.73%。胞间二氧化碳浓度(Ci)值最低的处理是60%和80%蓝光处理, 5%和10%蓝光处理的Ci值显著高于其他处理。

图2 不同红蓝比例的LED灯对黄瓜幼苗光合参数的影响
同一指标不同处理间没有相同小写字母表示差异显著(P< 0.05)。Fig.2 Effects of different combinations of red and blue light on photosynthetic characteristics of cucumber seedlings
The bars with different lowercase letters showed the significant difference(P< 0.05).

2.3 不同红蓝比例的LED光照处理对黄瓜幼苗光合相关基因表达的影响

核酮糖1, 5-二磷酸羧化酶/加氧酶(ribulose 1, 5- biphosphate carboxylase/oxygenase, Rubisco) 是植物光合作用的重要酶, 因此我们采用qRT-PCR的方法测定了编码Rubisco的大亚基(rbc L)、小亚基(rbs S)和活化酶(rca)的基因表达量。由图3所示, 黄瓜幼苗的3个基因受到了不同红蓝光处理的调控。

图3 不同红蓝比例的LED灯对黄瓜幼苗光合相关基因表达量的影响Fig.3 Effects of different combinations of red and blue light on the expression of photosynthesis genes in cumber seedlings

随着蓝光比例的增加, 各处理的rbc L和rbs S基因表达量呈现先上升后下降的趋势, 两个基因的相对表达量均以60%蓝光处理最高, 分别比5%蓝光处理上调了6.67及10.02倍。除90%蓝光处理外, 各处理rca的表达量随蓝光比例的上升而上升, 与5%蓝光处理相比, 10%、20%、30%、60%、80%、90%蓝光处理的rca的表达量分别上升了0.12、2.17、2.10、3.48、3.26、2.96倍。以上结果表明, 在一定范围内, 高比例的蓝光更有利于Rubisco相关基因的表达。

3 结论与讨论

与单波长的红光和蓝光相比, 红蓝组合能更有效地满足作物的生长[14, 15, 16]。因此, 我们采用了不同红蓝比例的LED灯, 研究了其对黄瓜幼苗生长和光合特性的影响。我们的研究结果表明, 在一定范围内, 黄瓜幼苗的鲜质量、干质量、叶面积、株高及茎粗等生长指标随着蓝光比例增加而降低。这与Wang等[14]在生菜上的研究结果基本一致, 即红光比例增大, 更有利于干物质质量的增加, 与之相同的是, 徐文栋等[16]的研究也表明黄瓜幼苗的株高和茎粗等指标随着处理中红光比例的增加而增大。这可能是由于高比例的红光促进了植株叶片数量及叶片面积的增加, 从而更有效地促进植株的生长[14]。此外, 红光的光受体光敏色素还参与调控了植株茎的伸长[17], 而蓝光的光受体隐花色素抑制了植株茎的伸长, 这也与我们的研究结果相同, 即随着各处理蓝光比例的增加, 黄瓜幼苗的株高呈下降的趋势。本实验结果表明, 10%蓝光处理, 更有利于黄瓜幼苗的生长, 但是Herná ndez等[10]的研究认为, 红蓝比例为9时, 最有利于黄瓜幼苗的生长, 而徐文栋等[16]的研究认为红蓝比例为3/1时, 黄瓜幼苗生长最优。这可能是由不同黄瓜品种及不同实验条件所引起的。

叶绿素是植物体吸收红光和蓝光的主要色素。大量研究表明, 蓝光更有利于植物体叶绿素的合成[9, 10, 18]。蓝光缺失抑制了小麦叶片[18]、菠菜[19]、黄瓜[9, 10]等作物中叶绿素的合成。但是值得注意的是, 植物体叶绿素合成是由蓝光受体隐花色素和红光受体光敏色素共同调控的, 因此, 只有适宜的红蓝比才更有利于植物体叶绿素的合成。本研究也表明, 在蓝光比例达到80%之前, 黄瓜幼苗的相对叶绿素含量则随着蓝光比例的增加而增加。

净光合速率(Pn)是衡量植株光合能力的重要指标。Wang等[14]对生菜和Chang等[20]对油菜叶片的研究表明, 处理中高比例的红光更利于植株Pn的增加, 因为红光(600~700 nm)的相对光量子效率比蓝光高25%~30%[21]。与之结果不同的是, 在本实验中, 黄瓜幼苗的Pn随着处理蓝光比例的增加呈现先上升后下降的趋势。Hogewoning等[9]把这种现象归结为, 蓝光可被叶绿素及类胡萝卜素共同吸收, 从而形成类似于阳生植物的叶绿体, 因此在相对较低的光照强度下, 高比例的蓝光处理更有利于提高植株光合作用。

在本实验中, 黄瓜幼苗的净光合速率随着蓝光比例的增加呈现先上升后下降的趋势还可以通过气孔导度(Gs)及Rubisco相关基因的表达等方面进一步加以验证。这也与大多数学者的研究结果相同[3, 15]。如Wang等[3]的研究表明, 蓝光处理下, 植株Gs显著高于其他光质处理, Hernandez等[10]的研究也表明, 随着蓝光比例的增加, 叶片气孔密度及气孔纵横经显著增加, 从而植株的Gs显著上升。在大多数C3植物中, Rubisco的活性与植株的光合作用呈正相关的关系。本文的研究结果表明, 高比例的蓝光更有利于编码Rubisco的rbc L、rbc S及rca等3个基因的表达。这与Muneer等[15]在生菜中的研究结果相似, 即与红色LED处理相比, 蓝色LED处理更能增加植株Rubiso含量, 同时伴随着较高的Pn值。

但是值得注意的是, 在本实验中, 虽然60%的蓝光下黄瓜幼苗的净光合速率最高, 但是10%蓝光处理却最有利于黄瓜幼苗的生长, 产生这种现象的原因可能是黄瓜幼苗的生长不仅与Pn有关, 同时还与叶片数及叶面积等指标有关, 这与本文的研究结果一致, 即除5%蓝光处理外, 黄瓜幼苗的叶面积值随蓝光比例的增大而降低。叶面积减少降低了植株对光的捕获能力, 进而抑制植株的生长[10]。不同红蓝光比例所引起的Pn与产量不符的另一个合理的解释是, 我们测定Pn时, 只测定了单独叶片的光合速率, 但这不能代表全株植物的光合效率值[22]。此外, 我们在测定时, 使用的是内置红蓝光源, 而实际生长状况下的光合作用是否与测得的数据一致还有待进一步验证。Lemoine等[23]的研究表明, 光信号通过调节蔗糖的合成来调控植株源库关系。那么, 不同红蓝光比例所引起的Pn与产量不符是否与光信号对源库关系的调节有关, 还需我们进一步加以研究。

综上所述, 在本实验条件下, 黄瓜幼苗干质量、鲜质量、叶面积、茎粗及株高等生长相关的参数随着处理中蓝光比例的增加而降低, 而与植株光合相关的相对叶绿素含量、Pn、Gs及编码Rubisco的3个基因的表达量则随着蓝光比例的增加呈现先上升后下降的趋势。其中, 10%蓝光处理最有利于黄瓜幼苗的生长。

The authors have declared that no competing interests exist.

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