不同光质的光周期对青蒜苗生长、光合特性及蔗糖合酶活性的影响

王晓琴,郭小强,何家暾,年志娟,郭婷婷,曾秀存,4,5,张芬琴,4,6

(1.河西学院生命科学与工程学院,甘肃 张掖 734000;2.陇东学院生命科学与技术学院,甘肃 庆阳 745000;3.甘肃省陇东生物资源保护利用与生态修复重点实验室,甘肃 庆阳 745000;4.甘肃省河西走廊特色资源利用重点实验室,甘肃 张掖 734000;5.河西走廊油菜-玉米抗逆研究中心,甘肃 张掖 734000;6.河西生态研究所,甘肃 张掖 734000)

光不仅是绿色植物光合作用的能源,也作为一种环境信号调控植物生长发育。不少学者借助不同光谱的发光二极管(LED)发光技术,从不同角度研究了光质及光周期对植物生长发育、生理生化特性、物质积累以及抗氧化性的影响。有研究发现,蓝光可调节桉树叶片气孔开放和质膜H+-ATPase活性[1],促进黄色甜椒幼苗的生长[2],提高芹菜叶柄的花青素含量[3],增大银耳的耳片和子实体直径[4];红光可提高菜用大豆的株高和下胚轴长度[5]。研究还发现,在温室补充红光条件下,添加适量蓝光有利于提升番茄产量[6];红蓝组合光下番茄生长健壮,干物质积累量大,光合效率高[7];红蓝光组合处理可促进青花菜花球中硫苷的积累[8];红光、蓝光和黄光组合显著提高了西葫芦幼苗的净光合速率、叶绿素含量和壮苗指数[9];将芥菜进行红蓝组合光和红绿蓝组合光的分段照射处理后,其鲜质量显著增加[10]。研究也证实,4 h光期(红蓝混光)/10 h暗期的光周期能促进番茄生长发育[11];16 h光期(6红光∶1蓝光∶1紫光∶1绿光)/8 h暗期的光周期在促进香梓楠幼苗生长和光合作用方面潜力较大[12];12 h白光/12 h红光的光周期有利于提高西兰花芽苗菜产量和营养品质[13];孙朝华等[14]研究表明,10 h光期(7红光∶1蓝光)/14 h暗期的光周期有助于奶油生菜生长和品质改善。以上研究表明,光质及其不同配比的光周期对植物生长发育等方面的影响因植物种类不同而有差异。

蒜(AlliumsativumL.)为多年生百合科葱属植物,是一种历史悠久的药食两用植物,其鳞茎被称为大蒜,幼苗被称为青蒜苗。青蒜苗是我国大多数地区城乡居民喜爱的假茎叶用蔬菜。与大蒜不同,青蒜苗生产周期短,可提高土地利用率,尤其适合设施种植。目前,青蒜苗在我国多地享有“小蒜苗、大产业”美称,在我国高原夏菜生产基地——河西走廊地区产业调整中也将青蒜苗作为戈壁设施农业重点发展的菜品之一。然而,在青蒜苗设施生产实践中尚存在不少难题,如冬季低温采用棉被等覆盖温室或拱棚保暖以及夏、秋两季为设施遮阴防高温而导致光照不足,设施内四季种植时适宜的光周期不确定等。基于此,本研究选择当地特色资源民乐紫皮大蒜作为试验材料,探索不同光质和光周期组合下青蒜苗生长及生理生化特性的变化,以寻找适宜的光周期,为青蒜苗设施生产和经济效益提升提供理论依据,为当地高原夏菜生产和戈壁农业产业发展提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验材料为民乐紫皮大蒜。2020年8月底大蒜采收后,置于室温下阴凉通风处使其度过休眠期。2021年1月初挑选大小基本一致的带皮蒜瓣,经去离子水冲洗掉表面灰尘后,用洁净的海绵轻轻包裹其中部,并固定于干净的泡沫板上,蒜瓣间隔约1 cm,将此泡沫板置于大小匹配的、盛满去离子水的培养盒上并保持蒜瓣基部与水面相接,室温下待其出芽,期间每天换水1次。蒜瓣出芽后,将芽长较为一致的蒜瓣移栽到自制的水培装置(材质为PP,口径13.0 cm、杯底10.5 cm、杯高14.5 cm,容积为1 000 ml的塑料杯1只,直径为14 cm的泡沫板杯盖1块,其中央有1孔,以此孔为中心、4 cm为半径的圆周上有均匀分布的3个孔,孔径以略大于蒜瓣周径最大处为宜)中,每个装置移栽4株。共有27套装置,分为 3 组,分别置于可同时或分别提供LED红光、蓝光和白光的3台同型号滴管式冷光源植物生长箱(DRX-680E-DG,宁波赛福实验仪器有限公司)中进行培养。培养条件为:温度(25±1)℃,湿度(60±3)%,光照强度150 μmol·m-2·s-1,培养15 d后采样测定相关指标。如上操作直到所设置的光质、光周期组合试验分批完成,每个组合重复3次。以1个光周期为24 h为准,设置12 h(短光照)和18 h(长光照)两种光照时长;在两种光照时长下分别设置4种光质处理,即白光、1/2白光+1/2红光、1/2白光+1/2蓝光、1/2白光+1/2红蓝混光。具体设置如表1所示。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 生理指标测定 培养15 d后(四叶一心期),从每个水培装置的4株幼苗中随机取1株,共取9个样株,每株选取基部向上数的第2片叶中部测定叶绿素相对含量及其相应的荧光和光合参数。叶绿素相对含量用SPAD测定仪(TYS-A,浙江托普仪器有限公司)测定,叶绿素荧光参数用Handy PEA植物效率分析仪(Handy PEA, Hansatech公司,英国)测定,在暗适应30 min 后,从仪器上直接读取最小荧光强度(Fo)、最大荧光强度(Fm)、暗适应下PSⅡ的最大量子产额(Fv/Fm),由此计算出可变荧光Fv(Fm-Fo)、潜在光化学效率(Fv/Fo)。光合参数包括净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci),采用便携式光合测定系统(TPS-2,PP SYSTEMS公司,美国)测定,测定时CO2由开放式气路供应,相对湿度约30%,叶温为(25±1)℃。

1.2.2 形态指标测定 取测过生理指标的9个样株的第2片叶,测量叶宽(叶片最宽处尺寸)、叶长(叶鞘上缘到叶尖的长度)、假茎粗(第1片叶的叶鞘上缘下1 cm处的粗度)、假茎长(鳞茎顶到第1片叶的叶鞘上缘的长度)后,将9个样株的鳞茎和根去掉,分别称重即得假茎叶鲜质量。

1.2.3 生化指标测定 从每个水培装置剩余的3株幼苗中随机取1株,共9个样株,取各样株第2片叶的中段剪碎混匀,按样品∶提取液为1∶1的比例获取粗酶液,参照高俊凤[15]的方法测量核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBP carboxylase,Rubisco)和蔗糖磷酸合酶(Sucrose phosphate synthase,SPS)活性。

1.3 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016 计算相关数据,用SPSS 21.0进行差异显著性分析,用Origin软件作图。

2 结果与分析

2.1 光周期对青蒜苗生长特征的影响

由表2可知,与短光照光周期处理相比,长光照光周期处理使青蒜苗叶长和假茎长显著降低(P<0.05),但使叶宽、假茎叶鲜质量显著增加(P<0.05)。与短光照下各光周期处理相比,长光照处理的叶长和假茎长分别降低17.66%和16.38%,其中18W/6D处理降幅最大,分别达25.88%和27.12%;叶宽增加11.19%;假茎叶鲜质量增加20.70%,其中6W+12(R+B)/6D处理增加最多,增幅达40.37%。与12W/12D相比,所有其他光周期处理均使假茎粗显著增加(P<0.05),其值是12W/12D的1.17倍。相同光照时长下,各光周期处理间叶宽差异均不显著,可见叶宽生长仅与光照时长有关,其他生长指标则同时受光照时长和光质及其组合影响。

2.2 光周期对青蒜苗叶片光合特性的影响

由表3可知,12W/12D和18W/6D光周期处理之间青蒜苗叶片Gs和Tr差异不显著,即纯白光光周期处理对这两个指标的影响没有显著差异(P>0.05),与这两个处理相比,其他光周期处理均显著提升了Gs和Tr(P<0.05),其中6W+12(R+B)/6D提升幅度最大。与12W/12D相比,6W+12(R+B)/6D分别使Gs和Tr提升96.56%和35.48%。与短光照光周期处理相比,长光照光周期处理均使Pn显著提高、Ci显著降低(P<0.05),其中6W+12(R+B)/6D处理效果最显著。与短光照下光周期处理相比,长光照处理Pn增加118.07%,其中6W+12(R+B)/6D提高192.90%(P<0.05);而Ci降低20.38%,6W+12(R+B)/6D降低35.25%。各光合指标变化不仅与光照时长有关,还与光质及其组合有关。

2.3 光周期对青蒜苗叶片叶绿素含量及其荧光参数的影响

由表4可知,与短光照光周期处理相比,长光照光周期处理显著提高了青蒜苗叶片SPAD和荧光参数(P<0.05),其中6W+12(R+B)/6D提升幅度最大。与短光照下光周期处理相比,长光照光周期处理下SPAD、Fo、Fv/Fm和Fv/Fo分别提升8.55%、11.27%、8.64%和7.91%,其中6W+12(R+B)/6D使其分别提升19.16%、19.32%、19.75%和26.37%。在短光照下,各光周期处理间SPAD和各荧光参数值均无显著差异,表明该光照时长内各指标不受光质及其组合的影响;在长光照下,叶绿素和荧光参数则与光照时长和光质及其组合均有关。

表2 光周期对青蒜苗生长的影响

表3 光周期对青蒜苗叶片光合特性的影响

2.4 光周期对青蒜苗叶片光合产物代谢相关酶活性的影响

由图1可知,青蒜苗叶片Rubisco活性在两种纯白光照光周期处理(12W/12D和18W/6D)之间无显著差异(P>0.05)。与这两个处理相比,其他光周期处理均显著提升了Rubisco活性(P<0.05),其中6W+12(R+B)/6D提升幅度最大,较12W/12D提升230.56%,较18W/6D提升221.62%。与短光照光周期处理相比,长光照光周期处理显著提升了SPS活性(P<0.05),较短光照光周期处理增加43.65%,其中6W+12(R+B)/6D处理提升幅度最大,增幅为84.04%。Rubisco和SPS活性增加既与光质有关,又与光照长短有关,且Rubisco活性受红光影响较大。

表4 光周期对青蒜苗叶片叶绿素含量(SPAD)及其荧光参数的影响

注:图中数值是3次重复的平均值±SE,不同字母代表处理间差异显著(P<0.05)。

3 讨 论

植物种类不同,其营养生长期所需的适宜光周期也不同。有研究发现,16 h红蓝紫绿混光(6∶1∶1∶1)/8 h暗期的光周期能促进香梓楠幼苗生长[12];16 h红蓝混光(8∶1)/8h暗期处理有利于山白兰苗木生长发育及生物量积累[16];桔梗在16 h红蓝混光(3∶1)/8 h暗期处理条件下植株质量达到最大[17];12 h白光/12 h红光的光周期可提高西兰花芽苗菜产量和营养品质[13];10 h的红蓝混光(7∶1)/14 h暗期的光周期有助于奶油生菜生长及其品质改善[14]。本研究结果表明,长光照光周期有利于青蒜苗叶片加宽生长和假茎叶鲜质量增加,而短光照光周期有利于青蒜苗叶和假茎伸长生长。在长光照光周期内,6 h白光+12 h红蓝混光(1∶1)/6 h暗期,即6W+12(R+B)/6D光周期处理下假茎叶鲜质量增加最为显著;在短光照周期内,6W+6R/12D、6W+6B/12D和6W+6(R+B)/12D处理对青蒜苗叶伸长生长有显著促进作用(P<0.05),但不同光质间无显著差异(P>0.05)(表2)。这些结果与前人研究结果相似,即无论长短光周期,红、蓝及其混合光均对植物生长均有积极影响。

光是影响叶绿素合成的主要因素,叶绿素荧光参数是体现光合作用光反应过程中光系统对光能吸收、传递、耗散及分配等情况的指标,其中Fo反映光系统Ⅱ反应中心处于完全开放时的荧光产量高低,与叶绿素浓度有关;Fv/Fm反映PSⅡ最大光化学效率,其不仅可衡量光抑制程度,还能表征PSⅡ原初光能转换效率的高低;Fv/Fo反映PSⅡ潜在活性。本研究中,4种长光照光周期处理显著提高了青蒜苗叶片叶绿素含量及其Fo、Fv/Fm和Fv/F0值(P<0.05),其中6W+12(R+B)/6D提升幅度最大(表4)。说明叶绿素合成不仅与光照时间有关,还与光周期内的光质及其照射时间有关,光照时间适宜的光质及其光周期可促使叶绿素合成;且长光照光周期可提高PSⅡ内电子传递速率和光量子利用效率以及PSⅡ潜在活性,这种效应与18 h光期/6 h暗期的光周期内红蓝混光的照射时间延长密切相关,这可能与叶绿素在红光区(640～660 nm)和蓝紫光区(430～450 nm)有较强吸收峰有关[18]。本研究中,长光照光周期处理显著提高了青蒜苗叶片叶绿素Fv/Fm值,这与刘杰等[19]在研究水培生菜时得到的结果相似。

Pn和Tr分别是衡量植物光合作用和蒸腾作用强弱的重要参数,Gs是影响Pn和Tr的主要因素之一。Gs表示气孔的张开程度,红光和蓝光对其均有促进作用;红光通过光合作用诱导气孔开放[20],而蓝光则作为一种信号通过激活细胞膜上的H+泵诱导气孔打开[21];蓝光作为信号诱导气孔开放需要背景红光,红光对保卫细胞的蓝光响应具有协同作用[22-23]。本研究中,除白光外,其他光照处理均显著提高了叶片的Gs(P<0.05),6W+12(R+B)/6D提高幅度最大,这说明单独红光或蓝光以及红蓝混光对气孔的张开都有一定的促进作用,红光和蓝光有协同效应。与Gs结果相一致,6W+12(R+B)/6D下叶片Pn和Tr增加幅度最大(表3),其可能原因是Gs增大促进了气体交换;Pn增加,Ci随之降低,6W+12(R+B)/6D处理降低的幅度最大(表3),这与Pn在6W+12(R+B)/6D下增幅最大的结果相对应。本研究结果与杨振超等[24]以辣椒为材料在光周期为14 h红蓝(1∶1)混光/10 h暗期下所得结果相似。本研究还表明,含有红光、蓝光或红蓝混光的长光照光周期处理使青蒜苗假茎叶鲜质量显著增加(P<0.05),其中6W+12(R+B)/6D下增加幅度最大,这与光周期处理对Pn的影响基本一致,说明青蒜苗假茎叶鲜质量增加与光质及其光周期有关,且假茎叶鲜质量增加是Pn增加的表现。

Rubisco是高等植物叶绿体中的一种光调节酶,也是催化光合作用暗反应过程中CO2固定的第一个酶。光对其大小亚基的基因转录都有影响,其小亚基基因上游区有光调节的启动子,只在叶片中对光产生反应而表达,而且是红光-远红光可逆反应[18]。孙娜等[25]研究表明红蓝(3∶1)组合光下番茄幼苗叶片Rubisco活性升高,淀粉含量增加。本研究发现,红、蓝光对Rubisco活性都有显著促进作用且有加和效应。随着红光照射时间延长,Rubisco活性有所增加,6W+12(R+B)/6D处理提升幅度最大(图1),说明较长时间红光照的光周期更有利于提升Rubisco活性。在光合作用中,叶绿体基质中的Rubisco催化CO2固定生成3C的磷酸丙糖后从叶绿体输出至细胞质,并在SPS的作用下合成蔗糖。蔗糖是光合产物运输的主要形式,SPS是植物蔗糖合成的关键限速酶[26]。本研究发现,红光和蓝光可等效提升SPS活性,且两者有加和效应,其中6W+12(R+B)/6D下SPS提升幅度最大(图1),说明在长光周期内延长红蓝混光照射时间更有利于合成蔗糖,增加光合产物。

4 结 论

1)短光照光周期(12 h光照/12 h黑暗)较有利于青蒜苗伸长生长,长光照光周期(18 h光照/6 h黑暗)较有利于青蒜苗叶片横向增宽和假茎增粗生长。

2)红、蓝光及其混合光对青蒜苗生长及光合特性有不同影响,且这些影响与其照射时间长短有关;与短光照光周期相比,长光照光周期能有效促进青蒜苗叶片净光合速率(Pn)提高、光合产物转化以及假茎叶鲜质量增加,其中6W+12(R+B)/6D作用最为显著。

3)在长光照光周期内,延长红蓝混光照射时间更有利于合成蔗糖,增加光合产物。

综上,长光照会抑制青蒜苗假茎和叶伸长生长,但能促进假茎的加粗生长,使蒜苗的鲜质量增加;蓝光和红光对青蒜苗生长、叶片光合特性以及与光合产物形成和转运相关的Rubisco和SPS活性提高有显著促进作用;蓝光和红光混合有增效作用,较长时间混合光照增效作用更明显。本结果可为青蒜苗、蒜薹和大蒜等设施蔬菜的生产提供参考。

共同第一作者贡献说明：王晓琴高级实验师和郭小强副教授共同完成了本试验的实施和论文写作等过程。其中王晓琴高级实验师主要完成试验材料种植、数据处理等工作;郭小强副教授主要完成了文献检索、数据分析和论文撰写等工作。