红蓝单色光对水培烟草幼苗生长发育及生理特性的影响

孟霖，徐宜民，宋文静，王程栋，刘晓冰，梁盟，王树声

1中国农业科学院烟草研究所，农业部烟草生物学与加工重点实验室，山东青岛科苑经四路11号 266101；2 中国农业科学院研究生院, 北京中关村南大街12号 100081

红蓝单色光对水培烟草幼苗生长发育及生理特性的影响

孟霖1,2，徐宜民1，宋文静1，王程栋1，刘晓冰1,2，梁盟1,2，王树声1

1中国农业科学院烟草研究所，农业部烟草生物学与加工重点实验室，山东青岛科苑经四路11号 266101；2 中国农业科学院研究生院, 北京中关村南大街12号 100081

为培育壮苗及优化烟草育苗光环境提供依据，以烤烟品种K326为材料，在水培条件下，研究了两种单色光处理对烟草幼苗生长发育及生理特性的影响。结果表明，与对照白光处理相比，红光处理下的烟苗叶片面积和地上部鲜重均显著增加，增幅分别为49.8%和48.8%，而蓝光明显抑制了叶片的发育；蓝光处理下的烟苗茎秆的高度显著增加，增幅为59.2%，而红光明显抑制了烟苗茎秆的伸长；就根系而言，红光处理下烟苗根系鲜重、一级侧根数量、二级侧根数量及根系表面积均显著高于白光对照和蓝光处理；不同光质处理下，烟苗叶片中叶绿素和类胡萝卜素含量大小依次均为：白光＞红光＞蓝光；红光和蓝光处理下烟苗的净光合速率、气孔导度均略低于对照白光处理，但红光处理烟苗光合速率降低是由非气孔因素限制所致，而蓝光处理则可能是由气孔导度降低所致。

单色光；水培；烟草幼苗；生长发育； 根系

当前，我国烤烟生产中烟苗的培育主要推行日光大棚集中育苗，但在南方一些烤烟的主产区，如西南方的贵州、广西、广东和川渝等地区，东南方的福建等地区，在烤烟的育苗期都会不同程度的遭受低温寡照天气的影响。同时，塑料薄膜及其他保温措施使得原本阴雨的天气下大棚内光照严重不足。由此造成烟苗发育迟缓，育苗期变长，成本增加，烟苗素质差也严重影响了烤烟的产量和品质。鉴于此，优化育苗大棚内的光照环境就显得尤为重要。但是，光的光谱组成不同，即不同光质，对植物的光合特性、形态建成、代谢物质积累等均有较大影响。前人在该方面做了大量的研究，McCree[1]研究了7种谷物、4种油料作物、7种蔬菜瓜果以及4种其他植物对单色光的光合应答，得到基本一致的响应曲线，结果表明红、蓝光对植物光合作用的相对量子效率最高。提纯的叶绿素对光波最强的吸收区也主要在红光和蓝光区域，而自然光中约30%的绿光和90%左右的的远红光都会被叶片反射掉[2]。时向东等[3]发现蓝光明显抑制漂浮育苗中烟苗叶片、茎秆伸长及光合作用，红光则更有利于Chlb含量的增加，红蓝光处理并未对烟苗的茎围造成明显影响。张艳艳等[4]的研究结果显示，红、蓝及绿光均不利于烟苗质体色素的积累，深红光处理下烟苗光合性能最强，蓝光显著增加了可溶性蛋白的含量而减少了可溶性糖的积累，红光处理的效应正好与蓝光相反。林叶春等研究了光质对漂浮培育烟苗的影响，发现蓝光显著提高了Chla、Chlb及类胡萝卜素的含量，蓝光下烟苗净光合速率最高而红光处理最低。同时，还发现红、蓝光均显著增加了根系长度、根系表面积、根系直径和根系体积，其中蓝光处理下根系长度最长[5-6]。

目前，对于不同光质对烟苗生长发育的影响研究较多，也涉及到光合特性、质体色素积累和形态建成等诸多方面，但不同光质下烟苗根系的形态构成及侧根的发生发育的系统研究尚不完善。鉴于此，本研究采用类似于漂浮育苗的水培方式，以冷白光为对照，系统研究了红、蓝两种对植物光合作用效率较高的单色光对烟苗地上部及根系形态构成的影响，以期为烟草工厂化育苗大棚里的光环境调控提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验于2014年4月至7月在南京农业大学牌楼教学试验基地的温室内进行，以K326为试验材料，将草炭、蛭石以1:1（V/V）的比例混匀并灭菌，作为育苗基质。待种子出苗后25天，用水轻轻将其从基质中冲出，尽量不伤害根系。选择长势一致（包括地上和地下部分）的烟苗，将其移至1/4霍格兰营养液中，置于自然光下缓苗两天。两天后将水培烟苗置于红、蓝单色光及冷白光下培养，待三种处理间烟苗形态表现出明显差异后进行性状调查，本研究中13天烟苗的叶片及根系形态即表现出明显差异，开始调查除茎长和茎粗以外的性状，待处理至19天调查茎长和茎粗。

1.2 水培条件

以1/4霍格兰营养液作为水培营养液，置于不透明的塑料周转箱中，周转箱上方用不透明的泡沫板覆盖，均匀打20个小孔，小心将幼苗放入孔中，并用海绵将烟苗固定。整个水培过程中，烟苗的根系处于避光条件下。周转箱规格：长×宽×高=31.5×23.5×14 cm，20株/箱，每处理三个周装箱。每两天更换一次营养液，并利用小型通气泵每小时通气十分钟（定时开关自动控制）。日照时长为13h（6：00～19:00）。根据天气状况，通过控制温室上方遮阳网和天窗及侧面的风机调整温室内的温度，白天温度为(28±2) ℃，夜间为21 ℃左右。

1.3 LED光源的光谱能量分布

本研究中所用LED光源由青岛卡尔光电科技有限公司提供，光强及光谱能量分布使用ASD FieldSpecHandHeld测定仪进行测定，每种光的光谱能量分布见图1。用钢架组装培养架，光源置于培养架顶部，通过纱网阻挡及调整光源与烟株之间的距离保证各处理的烟株接收的光照强度一致，均约为108 W·m–2。整个培养架用不透明的遮光布遮光，处理之间也采用遮光布阻隔。

图1 三种光处理所用光源的光谱能量分布Fig1.Spectral energy distribution of the LED lamps under three light treatments

1.4 测定项目与测定方法

1.4.1 叶面积及茎长茎粗

取烟苗中最大叶片，用扫描仪在同一像素下获得图片后用Image J软件进行测定，详细参照高建昌等[7]提供的方法。采用直尺测量烟苗的茎长，用游标卡尺测量茎秆的直径以代表其茎粗。

1.4.2 鲜重

取各处理长势一致的5株烟苗，用吸水纸将根系水分吸干，从根茎结合处剪断，分别称量地上部和地下部的鲜重。

1.4.3 根系

各处理取5株长势一致的烟苗，用根系扫描仪和根系分析系统WinRhizo (Regent Instruments, Montreal,QC, Canada)测定根系总长和根系表面积。用尺子测量一级侧根的长度，并数出一级侧根和二级侧根的数量。二级侧根平均长度=（根系总长 − 一级侧根总长）/二级侧根数量。

1.4.4 光合色素

用双蒸水（ddH2O）将叶片冲洗干净，用吸水纸将叶片表面水分吸干，去掉叶片主脉并将叶片剪成约1cm×1cm的碎块，混匀，用分光光度计法测定并计算出叶片中叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素的含量，具体操作参照张志良的方法[8]。

1.4.5 光合特性

不同光处理下烟苗的光合能力采用LI-6400便携式光合仪在上午9:00-11:00测定，为了测定不同光处理培养的烟苗素质，我们采用光合仪自带的红蓝光源，光强设置为 500µmol·m-2·s-1，主要关注叶片的净光合速率Pn、气孔导度Cond、胞间二氧化碳浓度Ci和蒸腾速率Tr。

1.5 数据处理与分析

数据的整理图表的绘制主要采用excel 2007，处理间数据的差异显著性分析采用统计分析软件SAS 9.2（美国SAS 软件研究所）的Duncan法进行。

2 结果与分析

在水培条件下，3种光处理13天后，烟苗的整体表型即出现了明显的差异（见图2）。与其它光质相比，红光处理条件下的烟苗株型较大，且根系发达。

图2 红、白、蓝 LED灯光处理13天的幼苗表型Fig.2 The phenotypes of tobacco seedlings after red, white and blue light treated

2.1 光质对烟苗地上部的影响

由图3可知，不同光处理下的烟苗叶片面积、地上部鲜重和烟苗茎秆长度差异明显。处理13天时，与对照白光处理相比，红光处理下烟苗叶片面积和地上部鲜重显著增加，增幅分别为49.8%和48.8%；而蓝光处理下烟叶面积和地上部鲜重显著降低，减幅分别为34.7%和26.3%。当光处理延长至19天时，红光处理的烟苗茎秆长度较对照减少了33.9%，蓝光处理下烟苗茎秆的长度显著增加，增幅为59.2%，但三种光处理下烟苗茎粗并未见差异。表明，红光处理显著促进了烟苗叶片的生长，抑制了烟苗茎秆的伸长，而蓝光处理抑制了叶片的发育，却促进了烟苗茎秆的伸长，同时，不同光质并未明显影响烟苗的茎围。

图3 不同光质处理下烟苗地上部表型Fig.3 Phenotypes in aerial part of tobacco seedlings grown under different light qualities

2.2 光质对烟苗地下部的影响

图4 不同光质处理下烟苗根系鲜重和根系表面积Fig.4 Surface area and fresh weight of tobacco seedling roots under different light qualities

不同光质处理下的烟苗地下部鲜重和根系表面积差异显著（见图4）。与对照白光相比，红光处理下烟苗根系的鲜重和根系表面积显著增加，增幅分别为53.6%和28.5%；而蓝光处理的根系鲜重和根系表面积减幅分别为34.2%和21.9%。

图5 不同光质处理下烟苗侧根发育情况Fig.5 Development of tobacco lateral roots grown under different light qualities

不同光质处理下烟苗的根系发育情况见图5，在三个处理间各指标的差异均达到显著水平。红光处理的烟苗一级侧根及二级侧根的数量均最多，其中一级侧根数量比对照多出54.25%，二级侧根数量比对照多出38.6%，与之相反，根系的一级侧根和二级侧根长度均为三种光处理中最短，分别比对照短了11.3%和22.3%。与红光处理下的根系发育变化情况相反，蓝光虽然抑制了侧根数量的增加，却增加了侧根的长度。与对照相比，蓝光处理下的烟苗一级侧根数量减少了15.4%，二级侧根数量减少了17.1%。同时，一级侧根长度比对照增加了16.7%，二级侧根长度增加了25.1%。

2.3 光质对烟苗叶片质体色素含量的影响

表1 不同光质处理下烟苗叶片质体色素含量Tab.1 Plastid pigment content in leaves of tobacco seedlings grown under different light qualities

从表1中可以看出，烟苗叶片中叶绿素a(Chla)含量大小依次为：白光＞红光＞蓝光；白光处理与蓝光处理间差异显著，而红光处理与蓝、白光处理间的差异均不显著。各处理间叶绿素b含量均达到显著性差异，其中白光处理含量最高，蓝光处理最低。不同处理间类胡萝卜素含量变化趋势与叶绿素a一致。

2.4 光质对烟苗光合特性的影响

表2 不同光质处理的烟苗的光合特性Tab.2 Photosynthetic characters of tobacco seedlings grown under different light qualities

为了研究不同光质处理下烟苗的光合能力，采用光合仪自带光源测定了烟苗的光合参数（表2），白光处理的净光合速率最大，蓝光处理的净光合速率最低，三者之间达到显著差异。各处理间气孔导度和蒸腾速率的变化趋势与净光合速率一致。胞间二氧化碳浓度则是红光处理最高，蓝光最低。

3 讨论

植物对光谱中波长范围约在400-700nm之间的可见光较为敏感，因此可见光又被被称作促进光合作用的辐射（PAR）[9]，而且对于植物的光合作用速率而言，蓝、红光的相对量子效率最高[1]。为优化工厂化育苗内的光照环境，应选择既利于烟苗的光合作用又能促进其优良形态建成的节能、高效光源。因此，本文采用类似于漂浮育苗的水培方式，主要研究了红蓝光与白光的光质效应。研究中发现红光处理下烟苗鲜重、叶面积均最大，这与傅明华等[10]、马光恕等[11]、蒲高斌等[12]和曹刚等[13]在番茄、黄瓜和茄子等作物上的研究结果一致。

烟苗的茎长、茎粗也是生产育苗中体现烟苗素质非常重要的指标。本文的研究结果显示，3种光质处理下烟苗的茎粗并未见明显差异，这与时向东等[3]的研究结果一致。与对照相比蓝光明显促进了烟苗茎秆的伸长，而红光对茎秆伸长有显著的抑制作用，这与时向东等[3]对漂浮培育烟苗的结果相反，这可能与使用的烟草品种或者光照强度设定的不同有关，且有研究发现不同基因型的葡萄对红蓝光的响应不同[14]。

在本研究中，虽然根系并未直接接受不同光质的处理，但是红光处理明显促进了烟苗根系的发育，一级侧根和二级侧根的数量、根系表面积均优于其他处理，而蓝光则明显抑制了侧根的发生。这一结果与菜豆[15]、垂叶松[16]和拟南芥[17]的研究结果类似。但Lim等[18]发现蓝光处理下罗勒（OcimumbasilicumL.）外植体不定根数量要较红白光处理多，与本研究结果不同。在根系发育的各个环节，生长素均是一个不可替代的调控者[19]。植物体内存在红光受体光敏色素和蓝光受体隐花色素，Salisbury等[20]和Zeng等[17]分别利用拟南芥的光敏色素突变体和隐花色素突变体研究了光质对根系发育影响的作用机理，结果认为光敏色素接受红光信号后促进了生长素由地上部往地下部的极性运输，而隐花色素接受蓝光信号后抑制了生长素向根部的极性运输，从而影响了根系的发育。此外，蓝光虽然抑制侧根的发生，但侧根的长度有所增长，这在其他作物的研究中也是根系生长素含量降低的表现[21]。因此，本研究中红光处理下烟苗侧根数量增多，但侧根长度变短，而蓝光抑制了侧根的发生却促进了侧根的伸长，这一结果极有可能是由于红光促进了地上部生长素往根系的运输，而蓝光抑制了生长素的这一运输。

值得注意的是，本试验旨在研究不同光质培育烟苗的素质，因此对于烟苗光合能力的测定是在同一光源（光合仪自带光源）下进行的。结果显示白光处理的烟苗净光合速率最高，与张艳艳等[4]的研究不一致，这可能是由于光合测定时所采用的光源不同所致，但本研究中不同光质处理下烟苗的质体色素含量与其研究中不同光质处理15天的烟苗一致。另外，我们发现气孔导度与光合速率变化一致，往往我们易根据此结果误认为光合速率受气孔限制，但应该指出的是CO2分压的变化方向才是判断光合速率降低是由气孔限制还是由非气孔限制因素引起的依据[22]。由此判断，红光处理烟苗的光合速率降低不是由于气孔导度降低引起的CO2供应不足，而是由于ATP和NADPH供应不足，即同化能力不足引起的；而蓝光处理下烟苗光合速率降低则可能是由于气孔导度的变化引起的。

4 结论

综合本研究结果，与白光相比，红光明显促进烟苗叶面积、鲜重和侧根数量的增加，但抑制了茎秆的伸长。蓝光虽然抑制了烟苗叶片及根系的发育，但是能促进茎秆的伸长。因此，在烟苗生长的早期应该补以红光，使得烟草幼苗侧根数量迅速增加，叶片迅速增大，为烟草吸收营养元素和光合作用打下基础。在育苗中后期，当烟苗叶片较大但茎秆仍较短时，改补蓝光，以减缓叶片增大，从而减少甚至避免剪叶炼苗。同时，改补蓝光还能促进茎秆的伸长，有利于达到壮苗的标准。

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Effects of red and blue monochromatic lights on growth, development and physiological characters of hydroponic tobacco seedlings

MENG Lin1,2, XU Yimin1, SONG Wenjing1, WANG Chengdong1, LIU Xiaobing1,2LIANG Meng1,2, WANG Shusheng1*
1 Key Laboratory of Tobacco Biology and Processing, Ministry of Agriculture, Tobacco Research Institute, CAAS, Qingdao 266101, China;2 Graduate School, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;

To provide a basis for optimization of light condition in tobacco seedling greenhouse, the effects of red and blue monochromatic lights on tobacco seedling growth and development were studied with white light treatment as control.Results showed that red light increased leaf area and fresh biomass by 49.8% and 48.8% while blue light curbed the growth of tobacco leaves.Blue light increased stalk height by 59.2% while red light did not.Fresh biomass, 1° and 2° lateral root numbers and root super fi cial area outweighed those under blue and while light.Content of chlorophyll and carotenoid varied under different light conditions with that under white light being the highest, that under blue light being the lowest and that under white light standing in-between.Net photosynthetic rate and stomatal conductance under red and blue light were slightly lower than those under white light.Blue light inhibited the photosynthesis by decreasing Gs while red light inhibited photosynthesis due to nonstomatal factors.

monochromatic light; hydroponics; tobacco seedlings; growth and development; lateral root

孟霖，徐宜民，宋文静,等.红蓝单色光对水培烟草幼苗生长发育及生理特性的影响[J].中国烟草学报，2015,21（5）

国家烟草专卖局特色优质烟叶开发重大专项“中间香型特色优质烟叶生态基础研究”课题（TS-02-20110012）

孟霖（1987—），在读博士，研究方向为烟草栽培与生理生态，Email：mlbio@126.com

王树声（1962—），博士，研究员，主要从事烟草栽培与生理研究，E-mail：wangshusheng@caas.cn

2015-01-05

:MENG Lin, XU Yimin, SONG Wenjing, et al.Effects of red and blue monochromatic lights on growth, development and physiological characters of hydroponic tobacco seedlings [J].Acta Tabacaria Sinica, 2015, 21(5)