LED光质对红桔幼苗生长发育和叶绿素荧光特性的影响

刘敏竹，李 强，杨 超，韩 涛，凌丽俐，付行政，淳长品，曹 立，何义仲

(1 西南大学柑桔研究所/国家柑桔工程技术研究中心，重庆，400712；2 重庆文理学院化学与环境工程学院/环境材料与修复技术重庆市重点实验室，重庆，402160)

重庆年均日照时数少且年内分配不均，使柑桔育苗周期明显长于其他产区，严重制约了重庆柑桔苗木产业的发展速度[1]，如何高效低成本补光是生产者缩短育苗周期需要解决的问题。发光二极管(LED)光源是近年发展起来的新型节能光源，具有光谱精准调控、光能利用率高和电光转换效率高等优点，已开始应用于黄瓜、草莓、葡萄和番茄等经济作物设施栽培及香蕉组培苗的研究[2-4]。研究表明，通过使植物光受体(叶绿素、类胡萝卜素、隐花色素、光敏色素、向光素等)吸收不同波长的光，可调节植物的形态建成、生理代谢及果实品质[5-6]，并与糖和激素信号共同调节植物的某些生命过程[7]。近年来，通过高效荧光粉的研发，模拟植物光合作用光谱，制备LED灯，有效促进了生菜[3]、枳[8]和青菜(塌棵菜)[9]等植物的生长发育和物质积累。但是，由于不同LED光谱(光质及配比)对不同种类植物的生长发育和生理代谢的影响存在显著差异，加之在某些认知上(如：绿光效应)尚存在争议[10-11]，所以影响柑桔生长发育、光合作用、果实产量与品质等的最佳光谱及其作用机理尚不清楚。红桔(Citrustangerine)是我国重要的柑桔砧木之一。笔者就不同LED光质对红桔幼苗生长发育和叶绿素荧光特性的影响进行了研究，筛选出有效的LED光质及配比，以期为优质红桔苗木快速繁育的LED补光技术构建提供参考。

1 材料与方法

1.1 光源采用重庆文理学院微纳米光电材料与器件国际科技合作基地自主研发的LED荧光粉系列材料研制的LED灯。根据前期研究结果，试验以LED白光为对照(CK)，设置LED红光(R)、LED蓝光(B)、LED红光1/蓝光1(R1B1)、LED红光4/蓝光1(R4B1)、LED红光4/绿光1/蓝光1(R4G1B1)等5个处理。其中，复合光数值代表不同色光的峰面积之比，复合光中的红光均为宽红光(600～800 nm)[4-6]，其光谱如图1所示，峰值和峰宽见表1。

1.2 试验设计试验在西南大学柑桔研究所栽培与生理课题组光照培养室内进行。于2019年将红桔种子消毒并剥除内外种皮后置于离心管盒中，在黑暗条件下生根。待根长至1 cm时，移至蒸馏水中培养。当幼苗长出两片叶片后，选取长势一致的幼苗移栽至水培盒中，用霍格兰营养液进行水培，并进行不同LED光质处理。每个处理组包括6个培养盒，每个培养盒培养6株幼苗。试验期间培养室的温度控制在(25±2) ℃，光周期为12 h/12 h，顶端叶片处光强为150 μmol·m-1·s-1，每2～3天补一次蒸馏水，7 d换一次营养液。2个月后(见图2)测定不同LED光质处理红桔幼苗的生长形态参数、生物量、光合色素和叶绿素荧光-快速光响应曲线。

注：CK为LED白光，R为LED红光，B为LED蓝光，R1B1为LED红光1/蓝光1，R4B1为LED红光4/蓝光1，R4G1B1为LED红光4/绿光1/蓝光1，复合光数值代表不同色光的峰面积之比。

表1 不同LED光的峰值和峰宽

1.3 测定方法生长形态参数测定：测定株高、茎粗；统计植株叶片数，并用Yaxin-1241叶面积仪(北京雅欣理仪科技有限公司)测定整株幼苗的叶面积；用WinRHIZO软件系统(Regent Instruments Canada INC.)测量单株幼苗主根长、根粗、根系总长度和根表面积。

图2 红桔幼苗不同LED光质培养状况

生物量测定：将植株清洗、阴干后用电子天平称鲜质量，然后分别取根、茎和叶于105 ℃杀青30 min、75 ℃烘干24 h后称干质量，计算得到植株干质量和地上部分干质量。

光合色素含量的测定：选取倒数第3—4片完全展开的叶片，参照Wellberum & Lichtenthoaler(1984)方法，用TU-9001型双光束紫外-可见分光光度计测定叶绿素 a(Chla)、叶绿素 b(Chlb)、类胡萝卜素(Car)质量分数，并计算Chl(Chla+Chlb)和Chla/Chlb值。

叶绿素荧光-快速光响应曲线测定：用PAM-2500便携式调制叶绿素荧光仪(德国，WALZ公司)进行测定。取幼苗倒数第3片叶，暗适应10 s后，迅速打开叶夹，测得Fo和Fm；随后，逐渐开启1—14号光化光，照射20 s后，经检测光和饱和脉冲光测得Ft、Fm′，分别计算得到有效荧光产量(Yield)、光化学猝灭系数(qP)、非光化学猝灭系数(qN)和相对电子传递速率(rETR)，分别取平均值制作快速光响应曲线。

1.4 数据分析在SPSS statistics 20.0软件中，采用邓肯氏新复极差法进行差异性比较，并进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 生长形态参数差异由表2可知，红、蓝单色光和复合光处理对红桔幼苗生长明显不利，仅R组的单株叶面积、R4B1组的主根长被促进，分别比对照大22.9%(p<0.05)、14.8%(p<0.05)，其余生长形态参数或被显著抑制或无显著变化。添加绿光后的红绿蓝复合光处理(R4G1B1)对红桔幼苗生长无明显不利，仅总根长和根表面积显著下降，而株高和单株叶面积均被促进，分别比对照大18.8%(p<0.05)和28.7%(p<0.05)，其余参数与对照(LED白光)无显著差异。

表2 不同LED光质下红桔幼苗的生长形态参数

2.2 生物量差异由表3可知，红、蓝单色光和复合光处理，对红桔幼苗的生物量积累有不利影响，除根干质量不受影响外，其他生物量参数大多呈降低趋势；添加绿光后的红绿蓝复合光处理(R4G1B1)，对红桔幼苗的生物量积累无不利影响，叶干质量比对照高39.3%(p<0.05)，其他生物量指标与对照无显著差异。

表3 不同LED光质下红桔幼苗的生物量 g

2.3 光合色素含量差异由表4可知，蓝光(B)对红桔幼苗光合色素含量无不利影响；红光(R)显著抑制光合色素的合成，其Chla、Chlb、Chl和Car含量分别比对照低38.3%、31.7%、37.0%和40.8%，差异均达显著水平(p<0.05)；在红蓝复合光中，R1B1对红桔幼苗光合色素含量无不利影响，R4B1显著抑制了Chla、Chlb和Chl的合成。R4B1添加绿光后(R4G1B1)，Chla的合成得到了一定程度的恢复。

表4 不同LED光质下红桔幼苗的光合色素含量

2.4 叶绿素荧光—快速光响应曲线变化由图2可知，随着光照强度增加，红光(R)导致红桔幼苗的光合作用能力明显降低，蓝光(B)则呈相反趋势，而红蓝复合光和红绿蓝复合光的光合作用能力处于红、蓝单色光之间。B、R、R1B1、R4B1和R4G1B1的ΔYield分别为对照的72.9%(p<0.05)、104.5%(p>0.05)、106.1%(p>0.05)、102.2%(p>0.05)和95.1%(p>0.05)，ΔqP分别为对照的70.5%(p<0.05)、104.2%(p>0.05)、90.5%(p<0.05)、83.4%(p<0.05)和86.3%(p<0.05)，rETRmax分别为对照的123.6%(p<0.05)、68.3%(p<0.05)、103.8%(p>0.05)、118.4%(p<0.05)和104.7%(p>0.05)，而qNmax分别为对照的82.4%(p<0.05)、137.8%(p<0.05)、117.5%(p<0.05)、81.1%(p<0.05)和93.2%(p>0.05)。

图3 不同LED光质下红桔幼苗叶片的叶绿素荧光—快速光响应曲线

2.5 主成分分析采用主成分分析进行降维处理后，可提取3个主成分，其特征值分别为10.389、6.322、3.583，累积贡献率为88.884%。由图4可知，主成分1的贡献率为49.500%，在0.7～1之间涉及的参数主要为株干质量、株鲜质量、地上部分干质量、叶干质量、茎干质量等生物量参数，以及株高、茎粗、根粗、叶片数、叶面积等形态参数，主要反映了地上部分(茎、叶)的形态建成和生物量积累状况；主成分2的贡献率为24.688%，在0.7～1之间涉及的参数主要为Chla、Chlb、Chl、Car等光合色素参数，主要反映了光合色素的合成状况；主成分3的贡献率为14.696%，在0.7～1之间涉及的参数主要为根干质量、主根长和Chla/Chlb，主要反映了地下部分(根系)的生长发育状况。

注：TRL—总根长，RSA—根表面积，TL—主根长，RL—根宽，PH—植物高度，SD—干直径，LN—叶片数，LA—叶面积，PFM—植物鲜质量；PDM—植物干质量；RDM—根干质量，SDM—茎干质量；LDM—叶片干质量，AGDM—地上部干质量，Chla—叶绿素a，Chlb—叶绿素b，Rab—Chla与Chlb的比值，Chl—叶绿素，Car—类胡萝卜素。

表6 不同LED光质处理CI和PCA总得分排序

以每个主成分所对应的特征值占总特征值之和的比例作为权重，结合前3个主成分分值计算每个处理组的综合主成分值(F值)，然后排序，以此比较不同处理的优劣。由表6可知，R4G1B1的F值明显高于其他处理，排第1位。

3 讨论

3.1 光质对红桔幼苗形态建成的影响有研究表明，与LED红、蓝单色光相比，LED红蓝复合光能促进秋葵、茄子和河套蜜瓜等幼苗根系生长、茎伸长与增粗，更有利于植物的形态建成，部分植株的表现甚至优于白光[12-14]。且高比例红光会导致烟草叶面积增大、厚度降低以及黄瓜幼苗根冠比降低，高比例蓝光会导致罗勒节间长度缩短、叶面积减小、产量下降[10，12]；补充绿光可提高部分植物的株高和干鲜质量，补充黄光可提高镇研六号辣椒茎粗、干质量和壮苗指数[15-16]。本研究发现，与LED白光相较，红、蓝单色光和复合光均在一定程度抑制了红桔幼苗根茎叶的形态建成，仅红单色光(R)的单株叶面积、高比例红蓝复合光(R4B1)的主根长被促进；但是，在高比例红蓝复合光中添加绿光(R4G1B1)后，红桔幼苗仅总根长和根表面积显著下降，对其他形态参数无明显不利，而株高和单株叶面积还被促进，这与在生菜[3]、枳[8]和青菜[9]上的研究结果相似。

3.2 光质对红桔幼苗光合作用的影响对大多数作物而言，在橙光和红光下光合速率最高，蓝紫光其次，绿光最低[5，17]。本研究发现，红桔幼苗的光化学效率、光化学电子传递份额和电子传递速率在蓝光下升高而红光下下降的现象，与蓝光下的单位面积光合色素含量较高、截击的光能较多有关，这与在花生和番茄幼苗的研究结果相一致[18-19]。与单色光相比，配比适合的红蓝复合光能显著促进马铃薯、番茄、黄瓜、草莓和紫苏等植物的Fv/Fm、ΔFv′/Fm′、qP和净光合速率等[20-21]，但是不同物种的红蓝光最适配比存在较大差异[22-23]。在红蓝复合光中添加绿光有利于提高紫苏叶片单位面积电子传递量子产额、最大光化学效率、光合速率、气孔导度、蒸腾速率等[24]。本研究发现，LED红蓝复合光导致红桔幼苗的光合色素合成、光化学效率、光化学电子传递份额、电子传递速率和热耗散量均处于红、蓝单色光之间，并且在高光照条件下高比例红蓝复合光更有利于光化学效率和电子传递速率的增加，光合作用能力更强；在高比例红蓝复合光中添加绿光有利于光合色素的合成，其光化学效率、光化学电子传递份额和热耗散量与高比例红蓝复合光无显著差异。此外，与LED白光相较，低光照条件下红蓝复合光和红蓝绿复合光的光化学电子转递份额和热耗散量较低，而在高光照条件下光化学效率和电子传递速率呈增大趋势。其中，低比例红蓝复合光(R1B1)的热耗散量增加显著，虽然其单位面积光合色素含量高、截击的光能较多，但是与蓝光不同的是其吸收的光能量更多的以热的形式耗散掉了，而非用于光合物质的合成。

3.3 光质对红桔幼苗物质积累与分配的影响不同植物的物质积累与分配对光质的响应存在明显差异。红光有利于水稻、莴苣、萝卜、生菜、番茄、黄瓜和不结球白菜等植物积累可溶性糖、淀粉及粗纤维[5，25-26]，蓝光则有利于氨基酸、蛋白质、维生素C、花青素、有机酸和黄酮苷等物质积累，有利于分配更多代谢物到根部[5，26-27]。红光比蓝光更有利于番茄、水稻和菊花等植物的地上部分物质积累与分配[17]，但是红光也会降低小麦地上部分的生物量[28]。本研究发现，红桔幼苗在LED蓝光下虽然光合效率显著增加，但是单株叶面积则呈相反变化，导致其物质合成与积累量显著降低，这与高比例蓝光条件下生菜和黄瓜的研究结果相似[29-30]；红桔幼苗在LED红光下虽然单株叶面积显著增加，但是光化学效率、光化学电子传递份额和电子传递速率显著降低，导致其物质合成与积累也呈降低趋势；相较于红光来说，蓝光的物质积累量更少，主要分配于根。此外，已有的研究发现，与单色光相比，红蓝复合光促进水稻、小麦、菠菜、萝卜和生菜、草莓、油菜籽、黄瓜、幼莴苣、菊花等植物幼苗光合速率以及RUBP羧化酶、蔗糖合成酶等酶活性增大，导致可溶性糖和淀粉含量显著增加，地上部分物质积累增多[7，17，29，31-34]；适当补充比例较小的蓝光可使叶用莴苣叶片肥厚并提高维生素C、花青素和蛋白质含量，补充橙光会增加幼莴苣酚类化合物含量[35]，补充绿光有利于增加生菜中的生物量[9]。本研究发现，在LED红蓝复合光下红桔幼苗根、茎、叶的物质积累与分配均低于白光，但是添加绿光能显著促进叶面积增加，合成更多的光合物质，并且主要积累分配于叶，这可能与叶内光合产物向外运输受到抑制、叶内淀粉粒含量增多有关[5，25-26]。

综上所述，与LED红、蓝单色光、复合光及白光相比，红蓝复合光添加一定比例的绿光后(R4G1B1)有利于红桔幼苗根、茎、叶的生长发育和叶片的物质积累，即更有利于柑桔幼苗的生长发育。今后，可以进一步优化红、绿、蓝光的配比，并结合光受体荧光材料的匹配设计与合成，筛选、优化更为高效的LED光源，构建更为精准的补光系统，以推动我国柑桔育苗产业的快速发展。