紅藍單色光對水培煙草幼苗生長發育及生理特性的影響

孟霖，徐宜民，宋文靜，王程棟，劉曉冰，梁盟，王樹聲

1中國農業科學院煙草研究所，農業部煙草生物學與加工重點實驗室，山東青島科苑經四路11號 266101；2 中國農業科學院研究生院, 北京中關村南大街12號 100081

紅藍單色光對水培煙草幼苗生長發育及生理特性的影響

孟霖1,2，徐宜民1，宋文靜1，王程棟1，劉曉冰1,2，梁盟1,2，王樹聲1

1中國農業科學院煙草研究所，農業部煙草生物學與加工重點實驗室，山東青島科苑經四路11號 266101；2 中國農業科學院研究生院, 北京中關村南大街12號 100081

為培育壯苗及優化煙草育苗光環境提供依據，以烤煙品種K326為材料，在水培條件下，研究了兩種單色光處理對煙草幼苗生長發育及生理特性的影響。結果表明，與對照白光處理相比，紅光處理下的煙苗葉片面積和地上部鮮重均顯著增加，增幅分別為49.8%和48.8%，而藍光明顯抑制了葉片的發育；藍光處理下的煙苗莖稈的高度顯著增加，增幅為59.2%，而紅光明顯抑制了煙苗莖稈的伸長；就根系而言，紅光處理下煙苗根系鮮重、一級側根數量、二級側根數量及根系表面積均顯著高于白光對照和藍光處理；不同光質處理下，煙苗葉片中葉綠素和類胡蘿卜素含量大小依次均為：白光＞紅光＞藍光；紅光和藍光處理下煙苗的凈光合速率、氣孔導度均略低于對照白光處理，但紅光處理煙苗光合速率降低是由非氣孔因素限制所致，而藍光處理則可能是由氣孔導度降低所致。

單色光；水培；煙草幼苗；生長發育； 根系

當前，我國烤煙生產中煙苗的培育主要推行日光大棚集中育苗，但在南方一些烤煙的主產區，如西南方的貴州、廣西、廣東和川渝等地區，東南方的福建等地區，在烤煙的育苗期都會不同程度的遭受低溫寡照天氣的影響。同時，塑料薄膜及其他保溫措施使得原本陰雨的天氣下大棚內光照嚴重不足。由此造成煙苗發育遲緩，育苗期變長，成本增加，煙苗素質差也嚴重影響了烤煙的產量和品質。鑒于此，優化育苗大棚內的光照環境就顯得尤為重要。但是，光的光譜組成不同，即不同光質，對植物的光合特性、形態建成、代謝物質積累等均有較大影響。前人在該方面做了大量的研究，McCree[1]研究了7種谷物、4種油料作物、7種蔬菜瓜果以及4種其他植物對單色光的光合應答，得到基本一致的響應曲線，結果表明紅、藍光對植物光合作用的相對量子效率最高。提純的葉綠素對光波最強的吸收區也主要在紅光和藍光區域，而自然光中約30%的綠光和90%左右的的遠紅光都會被葉片反射掉[2]。時向東等[3]發現藍光明顯抑制漂浮育苗中煙苗葉片、莖稈伸長及光合作用，紅光則更有利于Chlb含量的增加，紅藍光處理并未對煙苗的莖圍造成明顯影響。張艷艷等[4]的研究結果顯示，紅、藍及綠光均不利于煙苗質體色素的積累，深紅光處理下煙苗光合性能最強，藍光顯著增加了可溶性蛋白的含量而減少了可溶性糖的積累，紅光處理的效應正好與藍光相反。林葉春等研究了光質對漂浮培育煙苗的影響，發現藍光顯著提高了Chla、Chlb及類胡蘿卜素的含量，藍光下煙苗凈光合速率最高而紅光處理最低。同時，還發現紅、藍光均顯著增加了根系長度、根系表面積、根系直徑和根系體積，其中藍光處理下根系長度最長[5-6]。

目前，對于不同光質對煙苗生長發育的影響研究較多，也涉及到光合特性、質體色素積累和形態建成等諸多方面，但不同光質下煙苗根系的形態構成及側根的發生發育的系統研究尚不完善。鑒于此，本研究采用類似于漂浮育苗的水培方式，以冷白光為對照，系統研究了紅、藍兩種對植物光合作用效率較高的單色光對煙苗地上部及根系形態構成的影響，以期為煙草工廠化育苗大棚里的光環境調控提供依據。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

試驗于2014年4月至7月在南京農業大學牌樓教學試驗基地的溫室內進行，以K326為試驗材料，將草炭、蛭石以1:1（V/V）的比例混勻并滅菌，作為育苗基質。待種子出苗后25天，用水輕輕將其從基質中沖出，盡量不傷害根系。選擇長勢一致（包括地上和地下部分）的煙苗，將其移至1/4霍格蘭營養液中，置于自然光下緩苗兩天。兩天后將水培煙苗置于紅、藍單色光及冷白光下培養，待三種處理間煙苗形態表現出明顯差異后進行性狀調查，本研究中13天煙苗的葉片及根系形態即表現出明顯差異，開始調查除莖長和莖粗以外的性狀，待處理至19天調查莖長和莖粗。

1.2 水培條件

以1/4霍格蘭營養液作為水培營養液，置于不透明的塑料周轉箱中，周轉箱上方用不透明的泡沫板覆蓋，均勻打20個小孔，小心將幼苗放入孔中，并用海綿將煙苗固定。整個水培過程中，煙苗的根系處于避光條件下。周轉箱規格：長×寬×高=31.5×23.5×14 cm，20株/箱，每處理三個周裝箱。每兩天更換一次營養液，并利用小型通氣泵每小時通氣十分鐘（定時開關自動控制）。日照時長為13h（6：00～19:00）。根據天氣狀況，通過控制溫室上方遮陽網和天窗及側面的風機調整溫室內的溫度，白天溫度為(28±2) ℃，夜間為21 ℃左右。

1.3 LED光源的光譜能量分布

本研究中所用LED光源由青島卡爾光電科技有限公司提供，光強及光譜能量分布使用ASD FieldSpecHandHeld測定儀進行測定，每種光的光譜能量分布見圖1。用鋼架組裝培養架，光源置于培養架頂部，通過紗網阻擋及調整光源與煙株之間的距離保證各處理的煙株接收的光照強度一致，均約為108 W·m–2。整個培養架用不透明的遮光布遮光，處理之間也采用遮光布阻隔。

圖1 三種光處理所用光源的光譜能量分布Fig1.Spectral energy distribution of the LED lamps under three light treatments

1.4 測定項目與測定方法

1.4.1 葉面積及莖長莖粗

取煙苗中最大葉片，用掃描儀在同一像素下獲得圖片后用Image J軟件進行測定，詳細參照高建昌等[7]提供的方法。采用直尺測量煙苗的莖長，用游標卡尺測量莖稈的直徑以代表其莖粗。

1.4.2 鮮重

取各處理長勢一致的5株煙苗，用吸水紙將根系水分吸干，從根莖結合處剪斷，分別稱量地上部和地下部的鮮重。

1.4.3 根系

各處理取5株長勢一致的煙苗，用根系掃描儀和根系分析系統WinRhizo (Regent Instruments, Montreal,QC, Canada)測定根系總長和根系表面積。用尺子測量一級側根的長度，并數出一級側根和二級側根的數量。二級側根平均長度=（根系總長 ? 一級側根總長）/二級側根數量。

1.4.4 光合色素

用雙蒸水（ddH2O）將葉片沖洗干凈，用吸水紙將葉片表面水分吸干，去掉葉片主脈并將葉片剪成約1cm×1cm的碎塊，混勻，用分光光度計法測定并計算出葉片中葉綠素a、葉綠素b及類胡蘿卜素的含量，具體操作參照張志良的方法[8]。

1.4.5 光合特性

不同光處理下煙苗的光合能力采用LI-6400便攜式光合儀在上午9:00-11:00測定，為了測定不同光處理培養的煙苗素質，我們采用光合儀自帶的紅藍光源，光強設置為 500μmol·m-2·s-1，主要關注葉片的凈光合速率Pn、氣孔導度Cond、胞間二氧化碳濃度Ci和蒸騰速率Tr。

1.5 數據處理與分析

數據的整理圖表的繪制主要采用excel 2007，處理間數據的差異顯著性分析采用統計分析軟件SAS 9.2（美國SAS 軟件研究所）的Duncan法進行。

2 結果與分析

在水培條件下，3種光處理13天后，煙苗的整體表型即出現了明顯的差異（見圖2）。與其它光質相比，紅光處理條件下的煙苗株型較大，且根系發達。

圖2 紅、白、藍 LED燈光處理13天的幼苗表型Fig.2 The phenotypes of tobacco seedlings after red, white and blue light treated

2.1 光質對煙苗地上部的影響

由圖3可知，不同光處理下的煙苗葉片面積、地上部鮮重和煙苗莖稈長度差異明顯。處理13天時，與對照白光處理相比，紅光處理下煙苗葉片面積和地上部鮮重顯著增加，增幅分別為49.8%和48.8%；而藍光處理下煙葉面積和地上部鮮重顯著降低，減幅分別為34.7%和26.3%。當光處理延長至19天時，紅光處理的煙苗莖稈長度較對照減少了33.9%，藍光處理下煙苗莖稈的長度顯著增加，增幅為59.2%，但三種光處理下煙苗莖粗并未見差異。表明，紅光處理顯著促進了煙苗葉片的生長，抑制了煙苗莖稈的伸長，而藍光處理抑制了葉片的發育，卻促進了煙苗莖稈的伸長，同時，不同光質并未明顯影響煙苗的莖圍。

圖3 不同光質處理下煙苗地上部表型Fig.3 Phenotypes in aerial part of tobacco seedlings grown under different light qualities

2.2 光質對煙苗地下部的影響

圖4 不同光質處理下煙苗根系鮮重和根系表面積Fig.4 Surface area and fresh weight of tobacco seedling roots under different light qualities

不同光質處理下的煙苗地下部鮮重和根系表面積差異顯著（見圖4）。與對照白光相比，紅光處理下煙苗根系的鮮重和根系表面積顯著增加，增幅分別為53.6%和28.5%；而藍光處理的根系鮮重和根系表面積減幅分別為34.2%和21.9%。

圖5 不同光質處理下煙苗側根發育情況Fig.5 Development of tobacco lateral roots grown under different light qualities

不同光質處理下煙苗的根系發育情況見圖5，在三個處理間各指標的差異均達到顯著水平。紅光處理的煙苗一級側根及二級側根的數量均最多，其中一級側根數量比對照多出54.25%，二級側根數量比對照多出38.6%，與之相反，根系的一級側根和二級側根長度均為三種光處理中最短，分別比對照短了11.3%和22.3%。與紅光處理下的根系發育變化情況相反，藍光雖然抑制了側根數量的增加，卻增加了側根的長度。與對照相比，藍光處理下的煙苗一級側根數量減少了15.4%，二級側根數量減少了17.1%。同時，一級側根長度比對照增加了16.7%，二級側根長度增加了25.1%。

2.3 光質對煙苗葉片質體色素含量的影響

表1 不同光質處理下煙苗葉片質體色素含量Tab.1 Plastid pigment content in leaves of tobacco seedlings grown under different light qualities

從表1中可以看出，煙苗葉片中葉綠素a(Chla)含量大小依次為：白光＞紅光＞藍光；白光處理與藍光處理間差異顯著，而紅光處理與藍、白光處理間的差異均不顯著。各處理間葉綠素b含量均達到顯著性差異，其中白光處理含量最高，藍光處理最低。不同處理間類胡蘿卜素含量變化趨勢與葉綠素a一致。

2.4 光質對煙苗光合特性的影響

表2 不同光質處理的煙苗的光合特性Tab.2 Photosynthetic characters of tobacco seedlings grown under different light qualities

為了研究不同光質處理下煙苗的光合能力，采用光合儀自帶光源測定了煙苗的光合參數（表2），白光處理的凈光合速率最大，藍光處理的凈光合速率最低，三者之間達到顯著差異。各處理間氣孔導度和蒸騰速率的變化趨勢與凈光合速率一致。胞間二氧化碳濃度則是紅光處理最高，藍光最低。

3 討論

植物對光譜中波長范圍約在400-700nm之間的可見光較為敏感，因此可見光又被被稱作促進光合作用的輻射（PAR）[9]，而且對于植物的光合作用速率而言，藍、紅光的相對量子效率最高[1]。為優化工廠化育苗內的光照環境，應選擇既利于煙苗的光合作用又能促進其優良形態建成的節能、高效光源。因此，本文采用類似于漂浮育苗的水培方式，主要研究了紅藍光與白光的光質效應。研究中發現紅光處理下煙苗鮮重、葉面積均最大，這與傅明華等[10]、馬光恕等[11]、蒲高斌等[12]和曹剛等[13]在番茄、黃瓜和茄子等作物上的研究結果一致。

煙苗的莖長、莖粗也是生產育苗中體現煙苗素質非常重要的指標。本文的研究結果顯示，3種光質處理下煙苗的莖粗并未見明顯差異，這與時向東等[3]的研究結果一致。與對照相比藍光明顯促進了煙苗莖稈的伸長，而紅光對莖稈伸長有顯著的抑制作用，這與時向東等[3]對漂浮培育煙苗的結果相反，這可能與使用的煙草品種或者光照強度設定的不同有關，且有研究發現不同基因型的葡萄對紅藍光的響應不同[14]。

在本研究中，雖然根系并未直接接受不同光質的處理，但是紅光處理明顯促進了煙苗根系的發育，一級側根和二級側根的數量、根系表面積均優于其他處理，而藍光則明顯抑制了側根的發生。這一結果與菜豆[15]、垂葉松[16]和擬南芥[17]的研究結果類似。但Lim等[18]發現藍光處理下羅勒（OcimumbasilicumL.）外植體不定根數量要較紅白光處理多，與本研究結果不同。在根系發育的各個環節，生長素均是一個不可替代的調控者[19]。植物體內存在紅光受體光敏色素和藍光受體隱花色素，Salisbury等[20]和Zeng等[17]分別利用擬南芥的光敏色素突變體和隱花色素突變體研究了光質對根系發育影響的作用機理，結果認為光敏色素接受紅光信號后促進了生長素由地上部往地下部的極性運輸，而隱花色素接受藍光信號后抑制了生長素向根部的極性運輸，從而影響了根系的發育。此外，藍光雖然抑制側根的發生，但側根的長度有所增長，這在其他作物的研究中也是根系生長素含量降低的表現[21]。因此，本研究中紅光處理下煙苗側根數量增多，但側根長度變短，而藍光抑制了側根的發生卻促進了側根的伸長，這一結果極有可能是由于紅光促進了地上部生長素往根系的運輸，而藍光抑制了生長素的這一運輸。

值得注意的是，本試驗旨在研究不同光質培育煙苗的素質，因此對于煙苗光合能力的測定是在同一光源（光合儀自帶光源）下進行的。結果顯示白光處理的煙苗凈光合速率最高，與張艷艷等[4]的研究不一致，這可能是由于光合測定時所采用的光源不同所致，但本研究中不同光質處理下煙苗的質體色素含量與其研究中不同光質處理15天的煙苗一致。另外，我們發現氣孔導度與光合速率變化一致，往往我們易根據此結果誤認為光合速率受氣孔限制，但應該指出的是CO2分壓的變化方向才是判斷光合速率降低是由氣孔限制還是由非氣孔限制因素引起的依據[22]。由此判斷，紅光處理煙苗的光合速率降低不是由于氣孔導度降低引起的CO2供應不足，而是由于ATP和NADPH供應不足，即同化能力不足引起的；而藍光處理下煙苗光合速率降低則可能是由于氣孔導度的變化引起的。

4 結論

綜合本研究結果，與白光相比，紅光明顯促進煙苗葉面積、鮮重和側根數量的增加，但抑制了莖稈的伸長。藍光雖然抑制了煙苗葉片及根系的發育，但是能促進莖稈的伸長。因此，在煙苗生長的早期應該補以紅光，使得煙草幼苗側根數量迅速增加，葉片迅速增大，為煙草吸收營養元素和光合作用打下基礎。在育苗中后期，當煙苗葉片較大但莖稈仍較短時，改補藍光，以減緩葉片增大，從而減少甚至避免剪葉煉苗。同時，改補藍光還能促進莖稈的伸長，有利于達到壯苗的標準。

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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，宋文靜,等.紅藍單色光對水培煙草幼苗生長發育及生理特性的影響[J].中國煙草學報，2015,21（5）

國家煙草專賣局特色優質煙葉開發重大專項“中間香型特色優質煙葉生態基礎研究”課題（TS-02-20110012）

孟霖（1987—），在讀博士，研究方向為煙草栽培與生理生態，Email：mlbio@126.com

王樹聲（1962—），博士，研究員，主要從事煙草栽培與生理研究，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)