LED光質補光對黃瓜幼苗生長和光合特性的影響

蘇娜娜 鄔 奇 崔 瑾

（南京農業大學生命科學學院，江蘇南京 210095）

育苗是蔬菜設施栽培中的重要環節，生產實踐中常使用植物生長調節劑等化學物質調節幼苗的生長，造成蔬菜污染，影響人類健康（王云濱，2010）。研究開發安全環保、經濟有效的育苗技術是現代設施農業發展所面臨的重要課題。利用光調控技術來培育幼苗是一項環保有效且簡便易行的新技術，優勢突出。有研究表明，不同波長的光對植物影響廣泛，不僅影響種子萌發（Dissanayake et al.，2010），根、莖、葉的生長（Muleo & Morini，2006；Iacona & Muleo，2010；Macedo et al.，2011），葉片衰老（王虹 等，2010），還影響植物的基因表達（Azari et al.，2010）以及次生代謝（王旺田 等，2010）等。例如，藍光可以抑制黃瓜（孫莉莉 等，2011）、青蒜苗（楊曉建，2011）、番茄和萵苣（張歡 等，2010）等多種蔬菜幼苗莖的伸長；紅光可以增加葉用萵苣（陳文昊 等，2011）、油麥菜（唐永康 等，2010）等多種蔬菜的葉面積。

發光二極管（light emitting diode，LED）作為第4 代新型照明光源，不僅具有體積小、壽命長、耗能低、波長固定與低發熱等優點（Choi et al.，2003；Guo et al.，2008），而且還能根據植物生長需要進行發光光譜的精確配置，實現傳統光源無法替代的節能、環保和空間高效利用等功能（楊其長，2008），被認為是21世紀農業與生物領域最有前途的人工光源（崔瑾 等，2008），具有良好的發展前景（Kim et al.，2004），在設施農業領域的應用正逐漸受到世界各國的廣泛關注。

目前國內在工廠化育苗領域，LED光質補光的應用基礎理論研究較為薄弱，限制了這項技術在生產上的廣泛應用。因此，全面深入地研究蔬菜工廠化育苗LED光調控技術及其應用機理，對于設施栽培產業的發展具有重要意義。黃瓜（Cucumis sativusL.）作為主要蔬菜，在生物學特征、需光特性、光形態建成、光合特性等方面具有典型性。且黃瓜基因組的精細圖已繪制，是進一步開展分子生物學研究的良好材料。本試驗以黃瓜幼苗為材料，研究了育苗階段的光質補光對其生長和光合特性的影響，相關結果不僅可以拓展植物光生物學理論研究，而且對發展其他蔬菜的工廠化設施育苗有借鑒價值。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為黃瓜幼苗，品種為津春4號，種子購于南京市神州種業。

1.2 培養條件

試驗于2011年3～10月在南京農業大學生命科學學院植物光生物學實驗室進行。黃瓜種子浸泡4 h后置于25℃培養箱中催芽，出芽后的種子播于營養缽（6.5 cm×6.5 cm）中育苗，基質為蛭石∶草炭（1V∶1V），每組處理25 缽。幼苗置于LED 冷光源培養箱中，培養箱內相對濕度為（75±5）%，溫度為（28±1）℃，黑暗（23±1）℃，培養周期為35 d。

1.3 光質處理

LED 冷光源培養箱（寧波海曙賽福實驗儀器廠）具頂置LED光源，培養箱光譜能量分布主要技術參數見表1（由于目前國內市場LED 產品中UV-B 價格昂貴且不易購買，故用UV-B 紫外窄譜燈管替代），調節電流以及光源與植株的距離，使光照強度為（50±3）μmol·m-2·s-1。光照強度用照度計（Hansatech，UK）進行測定。對照組（CK）每天12 h 白光+12 h 黑暗。設5個補光處理組（表1），每天12 h 白光+4 h光質補光+8 h 黑暗，補光光質分別為白光（W）、紅光（R）、藍光（B）、紫外光（UV-B）、紅/藍1∶1（R/B 1∶1）（圖1）。

表1 不同LED光譜能量分布的主要技術參數

圖1 LED光培養小區示意圖

1.4 指標測定

用直尺測定株高、根長，用游標卡尺測定莖基部作為莖粗；葉面積用便攜式葉面積儀Li-3000C（gene company limited）測量；干、鮮質量用電子天平測定。測定時各處理的幼苗均隨機取樣。

壯苗指數=莖粗/株高×全株干質量（張振賢 等，1993）

葉綠素含量采用乙醇∶丙酮（1∶1）提取法（郝建軍和劉延吉，2001）測定，根系活力采用TTC 法（王學奎，2006）測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法（李合生，2000）測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法（王學奎，2006）測定，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑比色法（郝再彬 等，2005）測定，過氧化物酶（POD）活性采用愈創木酚法（郝再彬 等，2005）測定，過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法（王學奎，2006）測定，MDA含量采用TBA 顯色反應法（王學奎，2006）測定，葉綠素熒光參數采用FMS-2 葉綠素熒光儀（Hansatech，UK）測定。

所有測試指標均3次重復，隨機取樣，采用Excel 2003 軟件進行數據整理，采用SPSS 19.0軟件進行方差分析，顯著性由Duncan’s 新復極差法檢驗。

2 結果與分析

2.1 LED光質補光對黃瓜幼苗生長的影響

圖2 LED光質補光對黃瓜幼苗生長的影響

表2 LED光質補光對黃瓜幼苗生長的影響

由圖2和表2可以看出，與對照相比，各補光處理均顯著提高了黃瓜幼苗的真葉數和干質量；除UV-B處理外，其余光質處理均顯著提高了黃瓜幼苗的葉面積、莖粗和鮮質量；白光、紅光和藍光處理顯著提高了黃瓜幼苗的株高。紅光處理下黃瓜幼苗的真葉數、葉面積、株高和干鮮質量均達到最大，且顯著高于對照。

表3表明，與對照相比，除UV-B處理外，其余各光質處理均顯著提高了黃瓜幼苗的根系活力；紅光處理顯著提高了黃瓜幼苗的壯苗指數。可見，紅光處理顯著提高了黃瓜幼苗的根系活力和壯苗指數，有利于培育壯苗。

表3 LED光質補光對黃瓜幼苗素質的影響

2.2 LED光質補光對黃瓜幼苗生理特性的影響

表4表明，與對照相比，紅光處理顯著提高了黃瓜幼苗SOD 的活性，降低了POD 的活性，增加了可溶性蛋白的含量；藍光處理顯著提高了黃瓜幼苗CAT 的活性，增加了MDA 和可溶性蛋白的含量；紅/藍（1∶1）處理顯著提高了黃瓜幼苗CAT 的活性，增加了可溶性蛋白的含量；各光質補光處理均顯著降低了黃瓜幼苗游離氨基酸的含量；另外，白光處理顯著提高了黃瓜幼苗CAT 的活性，增加了可溶性糖的含量，但顯著降低了POD 的活性；UV-B處理顯著增加了黃瓜幼苗可溶性蛋白的含量，但顯著降低了POD 的活性和MDA 的含量。

表4 LED光質補光對黃瓜幼苗生理特性的影響

2.3 LED光質補光對黃瓜幼苗色素含量及葉綠素熒光特性的影響

由表5可知，與對照相比，UV-B處理黃瓜幼苗葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類胡蘿卜素的含量都顯著提高，但Fv/Fm 顯著降低；白光處理黃瓜幼苗葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量、類胡蘿卜素的含量和ETR 均顯著降低；藍光處理黃瓜幼苗葉綠素b 的含量顯著提高；紅∶藍（1∶1）處理黃瓜幼苗ФPSⅡ顯著降低。

表5 LED光質補光對黃瓜幼苗葉片色素含量及葉綠素熒光參數的影響

3 結論與討論

3.1 LED光質補光對黃瓜幼苗生長的影響

與對照相比，除UV-B處理外，其他光質補光處理的黃瓜幼苗的真葉數、葉面積、莖粗、干鮮質量和根系活力均顯著提高。Li 等（2011）研究發現生長在16 h 下的柴胡比生長在短日照下的柴胡具有更多的光敏色素基因表達量和更長的莖，且兩者具有一致性。說明長日照更利于幼苗體內紅光/遠紅光受體光敏色素的生成。本試驗也證明16 h 的光照周期更利于黃瓜幼苗的生長，說明4 h 的補光更利于黃瓜壯苗的培育。

光質處理之間存在顯著差異。紅光處理的黃瓜幼苗的真葉數、葉面積、株高和鮮質量均最高，且顯著高于對照；藍光處理的黃瓜幼苗莖粗達到最大且顯著高于對照。表明紅光利于葉的生長和莖的伸長，藍光利于莖的增粗，這與Poudel 等（2008）、Barre 等（2010）對葡萄幼苗和黑麥草的研究結論一致。這種現象可能與紅藍光調節植物體內激素的分配有關，紅光促進赤霉素（GA）在莖葉中的積累（Drozdova et al.，2000），抑制生長素（IAA）的生成，從而增加了頂端優勢（Poudel et al.，2008），促進莖葉伸長；藍光促進莖中細胞分裂素（cytokinins）和IAA 的積累（Drozdova et al.，2000），增加莖粗。

3.2 LED光質補光對黃瓜幼苗生理特性的影響

本試驗中紅光處理的黃瓜幼苗葉片中SOD 的活性顯著提高，POD 的活性顯著降低，造成植株中H2O2的積累。Wang 等（2010）研究發現紅光處理后的黃瓜幼苗含有較多的H2O2和水楊酸，使黃瓜幼苗對白粉菌的抗性增強，說明紅光能提高黃瓜幼苗葉片中部分抗氧化酶類的活性，增加幼苗的抗逆性，降低幼苗脂質過氧化的程度，利于黃瓜幼苗的生長。各光質補光處理均顯著降低了黃瓜幼苗葉片中游離氨基酸的含量，同時，除白光處理外，其他光質補光顯著提高了黃瓜幼苗葉片中可溶性蛋白的含量，說明光質補光有利于游離氨基酸向可溶性蛋白的轉化。植物葉片中可溶性蛋白一半以上是Rubisco，且王虹等（2010）指出葉綠素和可溶性蛋白的含量可以反映植物葉片的抗衰老能力，表明除白光處理外的光質補光顯著提高了黃瓜幼苗的抗衰老能力和光合能力。

3.3 LED光質補光對黃瓜幼苗光合特性的影響

UV-B處理的黃瓜幼苗葉片中葉綠素和類胡蘿卜素含量最高，但UV-B處理的葉面積較小。說明UV-B 并不能影響葉片中葉綠素的濃度，但可以通過葉面積來調節植株中葉綠素的總量。藍光處理顯著提高了黃瓜幼苗葉片中葉綠素b 的含量，這與Puapa 等（2008）的研究結果一致，可能與藍光受體隱花色素有關。

UV-B處理的黃瓜幼苗葉片Fv/Fm 顯著低于對照，其他處理間無顯著差異，都在0.8 左右。Fv/Fm 是指沒有遭受環境脅迫并經過充分暗適應的植物葉片PSⅡ最大的或潛在的量子效率指標，是比較恒定的，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受損傷的程度（韓張雄 等，2011）。說明UV-B 對黃瓜幼苗葉片的光合系統Ⅱ造成了一定傷害，阻礙了光合系統Ⅱ的電子傳遞速率（ERT）。

3.4 LED光質補光在蔬菜工廠化育苗中的應用前景

育苗是蔬菜生產的重要環節，由于幼苗的形態建成是一個不可逆轉的過程，培育出的幼苗的健壯程度將直接影響植株的生長發育，并與作物的產量和品質密切相關（汪俏梅，2000）。隨著LED 技術的發展，應用LED 技術進行苗期光質補光，能顯著提高幼苗素質，在工廠化育苗過程中將有廣闊的應用前景。

本試驗結果表明，與未補光處理相比，在黃瓜育苗期間，每天4 h 的白光、紅光、藍光和紅/藍（1∶1）補光顯著促進了黃瓜幼苗的生長，不同光質對黃瓜幼苗的生長和光合特性的影響具有一定差異。整體而言，紅光較適合作為黃瓜育苗的補光光質。今后應進一步深入研究光量、光質、光周期的協同效應，光質參數的優化，植物光形態建成機制以及光環境結合其他環境因素對植物生長發育的影響等問題，這些方面的研究不僅是光生物學理論研究的熱點，也可以為蔬菜工廠化育苗中光環境調控技術的發展提供科學依據。

陳文昊，徐志剛，劉曉英，楊楊，王志敏，宋非非.2011.LED光源對不同品種生菜生長和品質的影響.西北植物學報，31（7）：1434-1440.

崔瑾，徐志剛，邸秀茹.2008.LED 在植物設施栽培中的應用和前景.農業工程學報，248：249-253.

韓張雄，李利，徐新文，李宏，陳寶軍.2011.三種荒漠植物幼苗對NaCl 脅迫的葉綠素熒光響應.遼寧工程技術大學學報：自然科學版，30：153-157.

郝建軍，劉延吉.2001.植物生理學實驗技術.沈陽：遼寧科學出版社：75-86.

郝再彬，蒼晶，徐仲.2005.植物生理實驗.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社：46-116.

李合生.2000.植物生理生化實驗原理和技術.北京：高等教育出版社.

孫莉莉，李鳳蘭，秦智偉，孟婧，黃莎莎，韓峰.2011.光質對矮生黃瓜生長及生理特性的影響.中國蔬菜，（8）：65-70.

唐永康，郭雙生，艾為黨，秦利鋒.2010.不同比例紅藍LED光照對油麥菜生長發育的影響.航天醫學與醫學工程，23（3）：206-212.

汪俏梅.2000.設施栽培中培育壯苗的一些技術措施.沈陽農業大學學報，31（2）：120-123.

王虹，姜玉萍，師愷，周艷紅，喻景權.2010.光質對黃瓜葉片衰老與抗氧化酶系統的影響.中國農業科學，43（3）：529-534.

王旺田，張金文，王蒂，陶士珩，季彥林，吳兵.2010.光質與馬鈴薯塊莖細胞信號分子和糖苷生物堿積累的關系.作物學報，36（4）：629-635.

王學奎.2006.植物生理生化實驗原理和技術.北京：高等教育出版社：184-185.

王云濱.2010.蔬菜污染源及污染狀況概述.現代農村科技，（18）：74-75.

楊其長.2008.LED 在農業與生物產業的應用與前景展望.中國農業科技導報，10（6）：42-47.

楊曉建.2011.不同光質對青蒜苗生理特性及品質的影響〔碩士論文〕.泰安：山東農業大學.

張歡，崔瑾，谷艾素，徐志剛，郭銀生.2010.光質對番茄和萵苣幼苗生長及葉綠體超微結構的影響.應用生態學報，21（4）：959-965.

張振賢，王培倫，劉世琦，于賢昌.1993.蔬菜生理.北京：中國農業科技出版社.

Azari R，Tadmor Y，Meir A，Reuveni M，Evenor D，Nahon S，Shlomo H，Chen L，Levin I.2010.Light signaling genes and their manipulation towards modulation of phytonutrient content in tomato fruits.Biotech Adv，28：108-118.

Barre P，Gueye B，Gastal F.2010.Effect of light quality and quantity on leaf growth inLolium perenneL.//Christian Huyghe.Sustainable Use of Genetic in Forage and Turf Breeding.〔S.l.〕：Springer Netherlands：61-65.

Choi Y W，Ahn C K，Kang J S，Son B G，Choi I S，Kim Y C，Lee Y G，Kim K K，Kim Y G，Son K W.2003.Growth，photomorphogenesis，and photosynthesis of perilla grown under red，blue light emitting diodes and light intensities.Horticultural Science，44（3）：281-286.

Dissanayake P，George D L，Gupta M.2010.Effect of light，gibberellic acid and abscisic acid on germination of guayule（Parthenium argentatumGray）seed.Ind Crop Prod，32：111-117.

Drozdova I S，Bondar V V，Bukhov N G，Kotov A A，Kotova L M，Maevskaya S N，Mokronosov A T.2000.Effects of light spectral quality on morphogenesis and source–sink relations in radish plants.Russian Journal of Plant Physiology，48：415-420.

Guo S，Liu X，Ai W，Tang Y，Zhu J，Wang X，Wei M，Qin L，Yang Y.2008.Development of an improved ground-based phototype of space plant-growing facility.Advances in Space Research，41（5）：736-741.

Iacona C，Muleo R.2010.Light quality affectsin vitroadventitious rooting andex vitroperformance of cherry rootstock Colt.Sci Hortic，125：630-636.

Kim S J，Hahn E J，Heo J W，Paek K Y.2004.Effects of LEDs on net photosynthetic rate，growth and leaf stomata of chrysanthemum plantletsin vitro.Scientia Horticulturae，101：143-151.

Li W，Song Z，Emery R J N，Chinnappa C C.2011.Effects of day length，light quality and ethylene on PHYTOCHROME B expression during stem elongation inStellaria longipes.Plant Growth Regul，63：291–300.

Macedo A F，Leal-Costa M V，Tavares E S，Lage C L S，Esquibe M A.2011.The effect of light quality on leaf production and development of in vitro-cultured plants ofAlternanthera brasiliana Kuntze.Environ Exp Bot，70：43-50.

Muleo R，Morini S.2006.Light quality regulates shoot cluster growth and development of MM106 apple genotype inin vitroculture.Sci Hortic，108：364-370.

Poudel P R，Kataoka I，Mochioka R.2008.Effect of red-and blue-light-emitting diodes on growth and morphogenesis of grapes.Plant Cell Tiss Organ Cult，92：147-153.

Wang H，Jiang Y P，Yu H J，Xia X J，Shi K，Zhou Y H，Yu J Q.2010.Light quality affects incidence of powdery mildew，expression of defence-related genes and associated metabolism in cucumber plants.Eur J Plant Pathol，127：125-135.