LED光质补光对黄瓜幼苗生长和光合特性的影响

苏娜娜 邬 奇 崔 瑾

（南京农业大学生命科学学院，江苏南京 210095）

育苗是蔬菜设施栽培中的重要环节，生产实践中常使用植物生长调节剂等化学物质调节幼苗的生长，造成蔬菜污染，影响人类健康（王云滨，2010）。研究开发安全环保、经济有效的育苗技术是现代设施农业发展所面临的重要课题。利用光调控技术来培育幼苗是一项环保有效且简便易行的新技术，优势突出。有研究表明，不同波长的光对植物影响广泛，不仅影响种子萌发（Dissanayake et al.，2010），根、茎、叶的生长（Muleo & Morini，2006；Iacona & Muleo，2010；Macedo et al.，2011），叶片衰老（王虹 等，2010），还影响植物的基因表达（Azari et al.，2010）以及次生代谢（王旺田 等，2010）等。例如，蓝光可以抑制黄瓜（孙莉莉 等，2011）、青蒜苗（杨晓建，2011）、番茄和莴苣（张欢 等，2010）等多种蔬菜幼苗茎的伸长；红光可以增加叶用莴苣（陈文昊 等，2011）、油麦菜（唐永康 等，2010）等多种蔬菜的叶面积。

发光二极管（light emitting diode，LED）作为第4 代新型照明光源，不仅具有体积小、寿命长、耗能低、波长固定与低发热等优点（Choi et al.，2003；Guo et al.，2008），而且还能根据植物生长需要进行发光光谱的精确配置，实现传统光源无法替代的节能、环保和空间高效利用等功能（杨其长，2008），被认为是21世纪农业与生物领域最有前途的人工光源（崔瑾 等，2008），具有良好的发展前景（Kim et al.，2004），在设施农业领域的应用正逐渐受到世界各国的广泛关注。

目前国内在工厂化育苗领域，LED光质补光的应用基础理论研究较为薄弱，限制了这项技术在生产上的广泛应用。因此，全面深入地研究蔬菜工厂化育苗LED光调控技术及其应用机理，对于设施栽培产业的发展具有重要意义。黄瓜（Cucumis sativusL.）作为主要蔬菜，在生物学特征、需光特性、光形态建成、光合特性等方面具有典型性。且黄瓜基因组的精细图已绘制，是进一步开展分子生物学研究的良好材料。本试验以黄瓜幼苗为材料，研究了育苗阶段的光质补光对其生长和光合特性的影响，相关结果不仅可以拓展植物光生物学理论研究，而且对发展其他蔬菜的工厂化设施育苗有借鉴价值。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为黄瓜幼苗，品种为津春4号，种子购于南京市神州种业。

1.2 培养条件

试验于2011年3～10月在南京农业大学生命科学学院植物光生物学实验室进行。黄瓜种子浸泡4 h后置于25℃培养箱中催芽，出芽后的种子播于营养钵（6.5 cm×6.5 cm）中育苗，基质为蛭石∶草炭（1V∶1V），每组处理25 钵。幼苗置于LED 冷光源培养箱中，培养箱内相对湿度为（75±5）%，温度为（28±1）℃，黑暗（23±1）℃，培养周期为35 d。

1.3 光质处理

LED 冷光源培养箱（宁波海曙赛福实验仪器厂）具顶置LED光源，培养箱光谱能量分布主要技术参数见表1（由于目前国内市场LED 产品中UV-B 价格昂贵且不易购买，故用UV-B 紫外窄谱灯管替代），调节电流以及光源与植株的距离，使光照强度为（50±3）μmol·m-2·s-1。光照强度用照度计（Hansatech，UK）进行测定。对照组（CK）每天12 h 白光+12 h 黑暗。设5个补光处理组（表1），每天12 h 白光+4 h光质补光+8 h 黑暗，补光光质分别为白光（W）、红光（R）、蓝光（B）、紫外光（UV-B）、红/蓝1∶1（R/B 1∶1）（图1）。

表1 不同LED光谱能量分布的主要技术参数

图1 LED光培养小区示意图

1.4 指标测定

用直尺测定株高、根长，用游标卡尺测定茎基部作为茎粗；叶面积用便携式叶面积仪Li-3000C（gene company limited）测量；干、鲜质量用电子天平测定。测定时各处理的幼苗均随机取样。

壮苗指数=茎粗/株高×全株干质量（张振贤 等，1993）

叶绿素含量采用乙醇∶丙酮（1∶1）提取法（郝建军和刘延吉，2001）测定，根系活力采用TTC 法（王学奎，2006）测定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法（李合生，2000）测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法（王学奎，2006）测定，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑比色法（郝再彬 等，2005）测定，过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法（郝再彬 等，2005）测定，过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外吸收法（王学奎，2006）测定，MDA含量采用TBA 显色反应法（王学奎，2006）测定，叶绿素荧光参数采用FMS-2 叶绿素荧光仪（Hansatech，UK）测定。

所有测试指标均3次重复，随机取样，采用Excel 2003 软件进行数据整理，采用SPSS 19.0软件进行方差分析，显著性由Duncan’s 新复极差法检验。

2 结果与分析

2.1 LED光质补光对黄瓜幼苗生长的影响

图2 LED光质补光对黄瓜幼苗生长的影响

表2 LED光质补光对黄瓜幼苗生长的影响

由图2和表2可以看出，与对照相比，各补光处理均显著提高了黄瓜幼苗的真叶数和干质量；除UV-B处理外，其余光质处理均显著提高了黄瓜幼苗的叶面积、茎粗和鲜质量；白光、红光和蓝光处理显著提高了黄瓜幼苗的株高。红光处理下黄瓜幼苗的真叶数、叶面积、株高和干鲜质量均达到最大，且显著高于对照。

表3表明，与对照相比，除UV-B处理外，其余各光质处理均显著提高了黄瓜幼苗的根系活力；红光处理显著提高了黄瓜幼苗的壮苗指数。可见，红光处理显著提高了黄瓜幼苗的根系活力和壮苗指数，有利于培育壮苗。

表3 LED光质补光对黄瓜幼苗素质的影响

2.2 LED光质补光对黄瓜幼苗生理特性的影响

表4表明，与对照相比，红光处理显著提高了黄瓜幼苗SOD 的活性，降低了POD 的活性，增加了可溶性蛋白的含量；蓝光处理显著提高了黄瓜幼苗CAT 的活性，增加了MDA 和可溶性蛋白的含量；红/蓝（1∶1）处理显著提高了黄瓜幼苗CAT 的活性，增加了可溶性蛋白的含量；各光质补光处理均显著降低了黄瓜幼苗游离氨基酸的含量；另外，白光处理显著提高了黄瓜幼苗CAT 的活性，增加了可溶性糖的含量，但显著降低了POD 的活性；UV-B处理显著增加了黄瓜幼苗可溶性蛋白的含量，但显著降低了POD 的活性和MDA 的含量。

表4 LED光质补光对黄瓜幼苗生理特性的影响

2.3 LED光质补光对黄瓜幼苗色素含量及叶绿素荧光特性的影响

由表5可知，与对照相比，UV-B处理黄瓜幼苗叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量和类胡萝卜素的含量都显著提高，但Fv/Fm 显著降低；白光处理黄瓜幼苗叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量、类胡萝卜素的含量和ETR 均显著降低；蓝光处理黄瓜幼苗叶绿素b 的含量显著提高；红∶蓝（1∶1）处理黄瓜幼苗ФPSⅡ显著降低。

表5 LED光质补光对黄瓜幼苗叶片色素含量及叶绿素荧光参数的影响

3 结论与讨论

3.1 LED光质补光对黄瓜幼苗生长的影响

与对照相比，除UV-B处理外，其他光质补光处理的黄瓜幼苗的真叶数、叶面积、茎粗、干鲜质量和根系活力均显著提高。Li 等（2011）研究发现生长在16 h 下的柴胡比生长在短日照下的柴胡具有更多的光敏色素基因表达量和更长的茎，且两者具有一致性。说明长日照更利于幼苗体内红光/远红光受体光敏色素的生成。本试验也证明16 h 的光照周期更利于黄瓜幼苗的生长，说明4 h 的补光更利于黄瓜壮苗的培育。

光质处理之间存在显著差异。红光处理的黄瓜幼苗的真叶数、叶面积、株高和鲜质量均最高，且显著高于对照；蓝光处理的黄瓜幼苗茎粗达到最大且显著高于对照。表明红光利于叶的生长和茎的伸长，蓝光利于茎的增粗，这与Poudel 等（2008）、Barre 等（2010）对葡萄幼苗和黑麦草的研究结论一致。这种现象可能与红蓝光调节植物体内激素的分配有关，红光促进赤霉素（GA）在茎叶中的积累（Drozdova et al.，2000），抑制生长素（IAA）的生成，从而增加了顶端优势（Poudel et al.，2008），促进茎叶伸长；蓝光促进茎中细胞分裂素（cytokinins）和IAA 的积累（Drozdova et al.，2000），增加茎粗。

3.2 LED光质补光对黄瓜幼苗生理特性的影响

本试验中红光处理的黄瓜幼苗叶片中SOD 的活性显著提高，POD 的活性显著降低，造成植株中H2O2的积累。Wang 等（2010）研究发现红光处理后的黄瓜幼苗含有较多的H2O2和水杨酸，使黄瓜幼苗对白粉菌的抗性增强，说明红光能提高黄瓜幼苗叶片中部分抗氧化酶类的活性，增加幼苗的抗逆性，降低幼苗脂质过氧化的程度，利于黄瓜幼苗的生长。各光质补光处理均显著降低了黄瓜幼苗叶片中游离氨基酸的含量，同时，除白光处理外，其他光质补光显著提高了黄瓜幼苗叶片中可溶性蛋白的含量，说明光质补光有利于游离氨基酸向可溶性蛋白的转化。植物叶片中可溶性蛋白一半以上是Rubisco，且王虹等（2010）指出叶绿素和可溶性蛋白的含量可以反映植物叶片的抗衰老能力，表明除白光处理外的光质补光显著提高了黄瓜幼苗的抗衰老能力和光合能力。

3.3 LED光质补光对黄瓜幼苗光合特性的影响

UV-B处理的黄瓜幼苗叶片中叶绿素和类胡萝卜素含量最高，但UV-B处理的叶面积较小。说明UV-B 并不能影响叶片中叶绿素的浓度，但可以通过叶面积来调节植株中叶绿素的总量。蓝光处理显著提高了黄瓜幼苗叶片中叶绿素b 的含量，这与Puapa 等（2008）的研究结果一致，可能与蓝光受体隐花色素有关。

UV-B处理的黄瓜幼苗叶片Fv/Fm 显著低于对照，其他处理间无显著差异，都在0.8 左右。Fv/Fm 是指没有遭受环境胁迫并经过充分暗适应的植物叶片PSⅡ最大的或潜在的量子效率指标，是比较恒定的，在高等植物中往往接近于0.8，它的降低常常反映了植物PSⅡ受损伤的程度（韩张雄 等，2011）。说明UV-B 对黄瓜幼苗叶片的光合系统Ⅱ造成了一定伤害，阻碍了光合系统Ⅱ的电子传递速率（ERT）。

3.4 LED光质补光在蔬菜工厂化育苗中的应用前景

育苗是蔬菜生产的重要环节，由于幼苗的形态建成是一个不可逆转的过程，培育出的幼苗的健壮程度将直接影响植株的生长发育，并与作物的产量和品质密切相关（汪俏梅，2000）。随着LED 技术的发展，应用LED 技术进行苗期光质补光，能显著提高幼苗素质，在工厂化育苗过程中将有广阔的应用前景。

本试验结果表明，与未补光处理相比，在黄瓜育苗期间，每天4 h 的白光、红光、蓝光和红/蓝（1∶1）补光显著促进了黄瓜幼苗的生长，不同光质对黄瓜幼苗的生长和光合特性的影响具有一定差异。整体而言，红光较适合作为黄瓜育苗的补光光质。今后应进一步深入研究光量、光质、光周期的协同效应，光质参数的优化，植物光形态建成机制以及光环境结合其他环境因素对植物生长发育的影响等问题，这些方面的研究不仅是光生物学理论研究的热点，也可以为蔬菜工厂化育苗中光环境调控技术的发展提供科学依据。

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