光強(qiáng)和光質(zhì)對(duì)大豆幼苗形態(tài)及光合特性的影響

程亞嬌，諶俊旭，王仲林，范元芳，陳思宇，李澤林，劉沁林，李中川，楊峰，楊文鈺

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/作物帶狀復(fù)合種植工程技術(shù)研究中心，成都 611130）

0 引言

【研究意義】近年來(lái)，大豆種業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)入全面競(jìng)爭(zhēng)時(shí)代[1]，但國(guó)產(chǎn)大豆出現(xiàn)加工原料不足，產(chǎn)業(yè)鏈不成熟和加工能力粗放等問題[2]，將嚴(yán)重阻礙我國(guó)大豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而玉米大豆帶狀間套作種植模式對(duì)提高大豆產(chǎn)量、保障大豆糧食安全起到了積極的作用[3]。但是在這種種植模式中，大豆易遭受玉米蔭蔽脅迫，直接影響大豆的形態(tài)建成和產(chǎn)量構(gòu)成[4]，蔭蔽條件下不僅光強(qiáng)降低，而且光質(zhì)也發(fā)生改變，特別是紅光與遠(yuǎn)紅光比值降低[5]，直接影響大豆的生長(zhǎng)發(fā)育。【前人研究進(jìn)展】前人主要從光強(qiáng)和光質(zhì)單一因素來(lái)研究植物生長(zhǎng)的響應(yīng)機(jī)制。在光強(qiáng)研究方面，植物隨著光照強(qiáng)度的下降，葉綠素a和葉綠素b含量下降[6]。同時(shí)，通過伸長(zhǎng)莖稈[7]、節(jié)間[8]，增加株高[9]、葉面積、葉柄長(zhǎng)度[10]，降低葉片厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、凈光合速率來(lái)響應(yīng)弱光環(huán)境[11]。此外，套作弱光脅迫下大豆主根長(zhǎng)、側(cè)根長(zhǎng)均顯著下降，根系表面積減少[12]。在光質(zhì)研究方面，紅藍(lán)光組合有利于幼苗生長(zhǎng)[13]，紅光顯著促進(jìn)花生幼苗根系生長(zhǎng)[14]，有利于生物量積累，藍(lán)光有利于增加莖粗、葉綠素和類胡蘿卜素含量，促進(jìn)株高；同時(shí)，藍(lán)光、黃光和綠光均顯著抑制根系生長(zhǎng)[14]；低的紅光與遠(yuǎn)紅光比值會(huì)抑制野生型番茄和phy b1突變體番茄開花[15]，抑制菊花發(fā)育進(jìn)程，遠(yuǎn)紅光抑制花干物質(zhì)分配，而紅光與遠(yuǎn)紅光比值在2.5 時(shí)有利于菊花發(fā)育[16]，葉片光系統(tǒng)活性最高，光合能力最強(qiáng)[17]。【本研究切入點(diǎn)】前人研究主要圍繞單一的光強(qiáng)或者光質(zhì)變化對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，而關(guān)于蔭蔽環(huán)境下的光強(qiáng)和光質(zhì)分別如何對(duì)植物形態(tài)進(jìn)行調(diào)控的研究還鮮見報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以南豆12為研究對(duì)象，在人工氣候室內(nèi)設(shè)置不同光環(huán)境包括光強(qiáng)和光質(zhì)的變化。以正常光照為對(duì)照，分析不同光環(huán)境下大豆幼苗形態(tài)特征和光合參數(shù)，揭示蔭蔽下大豆對(duì)光強(qiáng)和光質(zhì)的形態(tài)和生理響應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試大豆品種為南豆12，株型收斂，抗倒力強(qiáng)，耐蔭、耐肥性好，適宜與玉米間套作種植。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年6月21日至7月13日，在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)日光型人工氣候室（浙江求是人工環(huán)境有限公司）進(jìn)行。挑選均勻飽滿的大豆種子放在濕潤(rùn)濾紙上，在30°C條件下催芽1 d；采用單因素完全隨機(jī)盆栽試驗(yàn)，壤土與基質(zhì)以1∶1比例混合裝入花盆（50 cm×20 cm），挑選萌發(fā)均勻的大豆種子穴播，兩行5穴，每穴播種3顆，出苗后間苗，保留單株，株距10 cm，行距8 cm。試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)光環(huán)境：A1處理（正常光照+遠(yuǎn)紅光；光強(qiáng)不變，紅光和遠(yuǎn)紅光比值降低），A2處理（弱光+遠(yuǎn)紅光；光強(qiáng)降低，紅光和遠(yuǎn)紅光比值降低），A3處理（弱光；光強(qiáng)降低，紅光和遠(yuǎn)紅光比值不變），對(duì)照CK（正常光照；光強(qiáng)不變，紅光和遠(yuǎn)紅光比值不變）。弱光采用透光率為10%的黑色遮陰網(wǎng)處理，遠(yuǎn)紅光采用36W波峰為735 nm左右的LED燈處理，各處理光強(qiáng)和光質(zhì)數(shù)據(jù)見表1。人工氣候室白天和晚上溫度分別設(shè)置為25 °C和20°C，光周期同當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境。播種后，每個(gè)處理下種植4盆重復(fù)，隨機(jī)排列。每隔2 d定期澆水和0.2% Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，保證大豆苗期水肥供應(yīng)充足。

表1 不同處理下大豆冠層光強(qiáng)和光質(zhì)Table 1 Light intensity and quality of soybean canopy under different treatments

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 大豆冠層光環(huán)境 在晴天的10：00至14：00進(jìn)行光合有效輻射（PAR）測(cè)定。用 LI-1400光量子儀（美國(guó)LI-COR公司）連接LI-191SA探桿測(cè)定PAR，在各處理大豆冠層頂部5 cm處，從左往右依次取3個(gè)點(diǎn)測(cè)定，求得的各位點(diǎn)的平均值為大豆冠層光合有效輻射。光質(zhì)測(cè)量采用荷蘭 Avantes便攜式光譜儀（AvaSpec-2048），選取紅光區(qū)域 655—665 nm，遠(yuǎn)紅光區(qū)域725—735 nm波段，在大豆冠層測(cè)定，將光譜儀探頭垂直向上，從左往右依次取3個(gè)點(diǎn)測(cè)定[18]，按HERTEL等[19]方法計(jì)算紅光與遠(yuǎn)紅光比值。

1.3.2 形態(tài)特征 在大豆第 3節(jié)齡期（V3）隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的大豆幼苗4株，采用傳統(tǒng)挖掘方法，以大豆主莖為中心，挖取長(zhǎng)×寬×深（5 cm×5 cm×10 cm）的根土混合物[20]。用卷尺測(cè)定植株地上部至頂端生長(zhǎng)點(diǎn)的距離為植株株高；用游標(biāo)卡尺測(cè)定植株基部子葉節(jié)間寬度為植株莖粗；以子葉節(jié)間為界限將地上部與地下部分開，清洗根系，用愛普生 LA2400根系掃描儀（加拿大Regent公司）對(duì)4株完整根系掃描并用根系分析系統(tǒng)WinRHIZO分析，測(cè)定根系長(zhǎng)度、根體積、根表面積[12]。

1.3.3 生物量 在大豆V3期選取功能葉（倒3葉），用直徑為15 mm的打孔器將每個(gè)小葉打孔（避開主脈）2個(gè)裝入信封袋，剩余地上部各器官分離裝入信封袋，105℃殺青0.5 h，80℃烘干，用精確度為0.0001 g的電子天平稱量植株各器官干重。

1.3.4 光合色素含量 將4個(gè)已烘干的孔狀葉片稱重后放入裝有10 mL 80%的丙酮溶液的試管中，保鮮膜封口，20℃下暗處理浸提 48 h，浸提過程中間隔幾小時(shí)進(jìn)行震蕩，浸提至葉片成乳白色過濾。測(cè)定波長(zhǎng)在663、645、470 nm下的吸光度，計(jì)算葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量，并得出總?cè)~綠素含量、葉綠素a/葉綠素b以及總?cè)~綠素/類胡蘿卜素的數(shù)值，每個(gè)處理以測(cè)定 3次的平均值為其光合色素含量[21-22]。

1.3.5 光合特性 大豆 V3期，在晴朗的早晨 9：00至10：00，選擇大豆功能葉（倒3葉中間的小葉），采用Li-6400便攜式光合儀（美國(guó)Li-COR公司）測(cè)定凈光合速率（photosynthetic rate，Pn）、氣孔導(dǎo)度（stomatal conductance，Gs）、胞間二氧化碳濃度（intercellular CO2concentration，Ci）及蒸騰速率（transpiration rate，Tr），光量子通量密度為 600 μmol·m-2·s-1。各處理測(cè)定 5 次，計(jì)算平均值為其光合參數(shù)數(shù)值[23-24]。

1.3.6 葉綠素?zé)晒?與光合參數(shù)測(cè)定相同，選取大豆功能葉，用 CFI葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)（英國(guó)Technologica公司）測(cè)定PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（XE）、非光化學(xué)猝滅系數(shù)（NPQ）、PSⅡ有效光化學(xué)量子產(chǎn)量（XE’）、化學(xué)熒光猝滅系數(shù)（QP）、實(shí)際光化學(xué)量子效率（OE）。測(cè)定過程中，使大豆葉片充分暗處理15 min后獲得暗反應(yīng)數(shù)據(jù)，設(shè)置光強(qiáng) 700 μmol·m-2·s-1光處理葉片 15 min 后獲得光處理數(shù)據(jù)，各處理重復(fù)3次，求平均值作為其熒光參數(shù)數(shù)值[25-26]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用 Microsoft Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)并作圖，SPSS17.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果

2.1 大豆形態(tài)特征

不同的光環(huán)境對(duì)植物形態(tài)建成的影響存在差異。由表2可知，與正常光照強(qiáng)度（CK和A1處理）下生長(zhǎng)的大豆植株相比，弱光（A2和A3處理）顯著促進(jìn)了株高的伸長(zhǎng)，而根系長(zhǎng)度、根表面積及根體積顯著下降。在光強(qiáng)不變，紅光和遠(yuǎn)紅光比值下降的條件下，A1處理下的大豆株高顯著高于CK，而根系參數(shù)顯著低于CK；與A3相比，A2處理大豆株高顯著降低，莖粗顯著增加，但根系參數(shù)差異不顯著。與CK相比，A1、A2、A3處理的株高分別增加了 0.43倍、0.88倍和1.43倍，莖粗分別降低了 1.11%、14.9%和 5.2%，根長(zhǎng)較之顯著降低了34%、82.8%和86.6%，根表面積分別降低了37.8%、81.9%和84.5%，根體積分別降低了35.7%、79%和80.3%。

2.2 大豆生物量及分配

生物量反映了植物在不同環(huán)境下的光能利用效率[20]。由圖1-A可以看出，大豆生物量在正常光照下（CK和A1處理）顯著高于弱光（A2和A3處理），而A1處理生物量積累較CK增加了16.3%，A2和A3處理間差異不顯著。各器官生物量分配如圖 1-B所示，在正常光照條件下（CK和A1處理），葉片生物量占植株總生物量的比例最大，分別為60%和55%；而在弱光條件下（A2和A3處理），莖生物量占植株總生物量的比例分別為52%和59%。在相同的光強(qiáng)環(huán)境下增加遠(yuǎn)紅光顯著提高了柄在整個(gè)植株生物量所占的比例。

表2 不同光環(huán)境下大豆形態(tài)特性Table 2 Morphological characteristics of soybean in different light environment

圖1 不同光環(huán)境下大豆生物量積累及分配Fig. 1 The biomass accumulation and allocation of soybean in different light environment

2.3 大豆光合色素含量

光合色素含量的高低對(duì)光合作用具有重要的調(diào)節(jié)作用[11]。由表3可知，在相同光質(zhì)條件下，比較不同的光照強(qiáng)度對(duì)光合色素的影響可以發(fā)現(xiàn)，與正常光照相比（A3和CK相比，A2和A1相比），弱光條件下葉綠素 a、總?cè)~綠素和類胡羅卜素含量顯著下降，總?cè)~綠素與類胡蘿卜素比值顯著提高（表3）。在光強(qiáng)不變，紅光和遠(yuǎn)紅光比值降低的條件下（A1和CK相比，A2和A3相比），大豆光合色素含量差異不顯著。與 CK相比，A1、A2、A3處理葉綠素 a含量顯著降低了 2.6%、25.6%和 29.4%；總?cè)~綠素含量分別降低了0.6%、1.2%和24.3%，總?cè)~綠素與類胡蘿卜素含量的比值分別增加了11.2%、32.8%和 28.9%。A1處理葉綠素 b含量較CK增加了 7.2%，A2、A3處理較 CK分別降低了10%和 4.2%；A2、A3處理類胡蘿卜素含量相同，較CK顯著降低了41.5%。

2.4 大豆光合參數(shù)

由表4可知，在光強(qiáng)不變，紅光和遠(yuǎn)紅光比值降低的條件下，A1處理凈光合速率和蒸騰速率顯著高于CK，分別提高了27.73%和47.06%，相反，胞間二氧化碳濃度顯著降低；而 A2處理凈光合速率顯著高于 A3處理，氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率差異不顯著。在光質(zhì)不變的條件下，與正常光照相比（A3和 CK相比，A2和 A1相比），弱光條件 A3、A2凈光合速率顯著降低。此外與CK相比，A3處理氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度和蒸騰速率顯著增加。與A1處理相比，A2處理下胞間二氧化碳濃度顯著增加，氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率差異不顯著。

表3 不同光環(huán)境下大豆光合色素含量Table 3 Photosynthetic pigment content of soybean in different light environments (mg·dm-2)

表4 不同光環(huán)境下大豆光合參數(shù)Table 4 Photosynthetic parameters of soybean in different light environments

2.5 大豆葉綠素?zé)晒鈪?shù)

在正常光照強(qiáng)度（CK和A1處理）下，實(shí)際光化學(xué)量子效率顯著高于弱光（A2和A3處理）；在光強(qiáng)不變，紅光和遠(yuǎn)紅光比值降低的條件下，大豆葉片 PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量和 PSⅡ有效光化學(xué)量子產(chǎn)量顯著上升（A1和CK相比，A2和A3相比）；在相同的光質(zhì)條件下，降低光照強(qiáng)度（A3和CK相比，A2和A1相比），大豆葉片熒光參數(shù)逐漸降低，PSⅡ最大光化學(xué)量子產(chǎn)量和實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量顯著降低。與CK比較，A1、A2、A3處理化學(xué)熒光猝滅系數(shù)分別降低了3.08%、10.77%、4.62%，實(shí)際光化學(xué)量子效率分別降低了5.88%、20.59%、20.59%。

表5 不同光環(huán)境下大豆葉綠素?zé)晒鈪?shù)Table 5 Chlorophyll fluorescence parameters of soybean in different light environments

3 討論

光環(huán)境是作物生長(zhǎng)發(fā)育過程中重要的環(huán)境因子之一，通過光強(qiáng)和光質(zhì)作為信號(hào)因子直接影響植株的形態(tài)建成[4]。在玉米大豆帶狀套作種植模式下，大豆的生長(zhǎng)發(fā)育受玉米的蔭蔽影響，導(dǎo)致冠層光強(qiáng)降低、紅光與遠(yuǎn)紅光比值降低，從而影響大豆植株地上地下部的生長(zhǎng)發(fā)育和物質(zhì)積累[27]。

光合形態(tài)作為判斷植物生長(zhǎng)發(fā)育狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo)，可以直觀反映出植株對(duì)不同光環(huán)境的生長(zhǎng)響應(yīng)[11]。本試驗(yàn)結(jié)果與前人研究相似[7,11]，隨著光照強(qiáng)度降低，大豆株高逐漸增加，莖稈變細(xì)，且莖稈中生物量積累增加（表2，圖1），這是由于弱光環(huán)境下，大豆為獲得足夠的光能，抑制了莖的橫向生長(zhǎng)并促進(jìn)了莖稈的伸長(zhǎng)從而導(dǎo)致莖粗降低、株高增加，同時(shí)光合同化產(chǎn)物向莖稈轉(zhuǎn)移比例增加，以保證莖稈生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分。低的紅光和遠(yuǎn)紅光比值能調(diào)節(jié)植物光合形態(tài)建成[28]。本試驗(yàn)中，正常光照環(huán)境下A1與CK處理，弱光環(huán)境下A2與A3處理間株高、莖粗、生物量之間的差異可能是由于正常光照下低的紅光和遠(yuǎn)紅光比值促進(jìn)葉片增大，導(dǎo)致光能捕獲面積增大和光合同化物積累增加，而弱光條件下低的紅光和遠(yuǎn)紅光比值在促進(jìn)葉片生長(zhǎng)的同時(shí)有利于調(diào)控植株莖葉協(xié)調(diào)生長(zhǎng)，保證植株在外界蔭蔽脅迫下更好的生長(zhǎng)。這與PARK[28]等研究低的紅光與遠(yuǎn)紅光比值有利于促進(jìn)植株葉片擴(kuò)大、生物量積累結(jié)果一致，而KUREPIN[29]等研究結(jié)果表明高山生態(tài)型的植物在較低的紅光與遠(yuǎn)紅光比值下生物量未增加，但在弱光環(huán)境下生物量增加，與本試驗(yàn)結(jié)果存在差異，可能是由于物種不同以及對(duì)光照強(qiáng)度的感應(yīng)不同。

根系形態(tài)決定了植株對(duì)水分和礦質(zhì)元素的吸收能力[12]，根系的生長(zhǎng)發(fā)育與地上部相互協(xié)調(diào)，受光環(huán)境影響[20]。本試驗(yàn)結(jié)果與于小波等[12]研究套作弱光脅迫對(duì)大豆苗期根系形態(tài)和生理活性的影響中結(jié)果一致，隨著光照強(qiáng)度降低，大豆根長(zhǎng)、根表面積和根體積減小，導(dǎo)致根系生物量減小（圖 1），這是由于弱光環(huán)境下限制同化物生成及轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致光合同化物主要供給地上部生長(zhǎng)而地下部根系發(fā)育受到抑制。本試驗(yàn)結(jié)果與先前研究大豆根系生物量與地上部成正相關(guān)并受冠層光環(huán)境的影響的結(jié)果一致[20]。

光合熒光作為光合作用的靈敏探針，能很好地反映逆境因子對(duì)光合作用的影響[11]。本試驗(yàn)中，隨著光照強(qiáng)度降低，大豆植株光合色素含量、凈光合速率逐漸降低，氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度和蒸騰速率呈升高趨勢(shì)（表3—表5）。可能是由于弱光條件下，大豆光合作用減弱，光合同化率降低，導(dǎo)致胞間二氧化碳濃度增加，對(duì)這一現(xiàn)象有待進(jìn)一步研究證實(shí)。A1與CK、A2與A3處理相比，大豆葉綠素b含量增加、凈光合速率顯著增高，蒸騰速率增加，胞間二氧化碳濃度降低，實(shí)際光化學(xué)量子效率和化學(xué)熒光猝滅系數(shù)降低。這些結(jié)果表明，增加遠(yuǎn)紅光處理使葉片中葉綠素b含量增加，其中葉綠素b作為天線色素促進(jìn)光能的吸收和傳遞，提高凈光合速率，促進(jìn)光合作用，而也有研究表明低的紅光和遠(yuǎn)紅光的比值降低了葉綠素b的活性，使得植物色素相互作用因子（PIFs）直接激活生長(zhǎng)素合成基因的轉(zhuǎn)錄，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)[30]。此外，本試驗(yàn)主要圍繞大豆苗期光環(huán)境變化，通過設(shè)置不同的光環(huán)境研究幼苗形態(tài)、生物量及光合生理特性對(duì)光強(qiáng)、光質(zhì)的響應(yīng)，今后需要進(jìn)一步分析大豆在不同光環(huán)境下的同化物分配調(diào)控機(jī)制及相關(guān)代謝酶的活性。

4 結(jié)論

在玉米大豆帶狀套作種植蔭蔽環(huán)境下，大豆冠層光強(qiáng)的減弱，導(dǎo)致大豆株高增加、莖粗降低、根系生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制，莖生物量分配比例增加，而在正常光照和弱光環(huán)境下增加遠(yuǎn)紅光（降低紅光和遠(yuǎn)紅光比值），提高大豆凈光合速率，增加生物量的積累及柄生物量分配比例。因此，光強(qiáng)直接影響大豆形態(tài)建成和物質(zhì)積累，而低的紅光和遠(yuǎn)紅光比值顯著提高大豆光合速率，促進(jìn)物質(zhì)的積累及調(diào)節(jié)物質(zhì)分配的方向。