LED藍(lán)光對(duì)受旱脫毒馬鈴薯植株生長(zhǎng)的影響

雒佳銘，張宇陽，邱 明，徐志剛

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江蘇 南京 210095：2.蘇州紐克斯電源技術(shù)股份有限公司，江蘇 蘇州 215143)

引言

光是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因子[1]，植物工廠主要利用人工光源對(duì)植物進(jìn)行合理補(bǔ)光。相較于傳統(tǒng)光源， LED具有光效高、發(fā)熱低、體積小、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)[2]，已經(jīng)逐漸成為植物工廠主流光源設(shè)備。馬鈴薯是世界第四重要的糧食作物，在保障糧食生產(chǎn)與安全有著重要的作用，但馬鈴薯脫毒原原種的產(chǎn)能和供應(yīng)不足是制約我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。利用植物工廠培育馬鈴薯脫毒原原種是解決這一問題的可選途徑之一，并采用LED光源為脫毒馬鈴薯植株生長(zhǎng)提供光照。在植物工廠里培育馬鈴薯原原種，其水分管理非常重要，理想的條件是讓馬鈴薯植株在水分供應(yīng)偏緊的條件中生長(zhǎng)，這是因?yàn)樵谒止?yīng)充足的條件下，馬鈴薯植株容易感病、發(fā)病，如早疫病、晚疫病、枯萎病等。但是如果偏緊的水分供應(yīng)控制不當(dāng)，又會(huì)引起植株不可逆損傷，導(dǎo)致生長(zhǎng)發(fā)育受阻、原原種薯產(chǎn)量降低。我們?cè)谇捌谠囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光處理的馬鈴薯植株所需灌溉量較少，并且長(zhǎng)勢(shì)良好。為探究藍(lán)光對(duì)植株受旱性能的影響，我們以脫毒馬鈴薯植株作為供試材料，從馬鈴薯的形態(tài)，光合作用和逆境生理三方面探究LED藍(lán)光對(duì)受旱脫毒馬鈴薯植株生長(zhǎng)的影響，以期為脫毒馬鈴薯原原種植物工廠生產(chǎn)的光譜與水分調(diào)控提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及處理

1.1.1 試驗(yàn)材料的制備

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)品種為“Favorita”，脫毒植株取自南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院植物光生物學(xué)課題組的植物組培室。馬鈴薯脫毒外植體在裝有30 g L-1蔗糖和6.5 g L-1瓊脂MS培養(yǎng)基的組培瓶中生長(zhǎng)。在對(duì)裝有培養(yǎng)基的組培瓶實(shí)施高壓滅菌前的15分鐘，將培養(yǎng)基的pH調(diào)節(jié)至5.8。將植有脫毒馬鈴薯外植體的組培瓶置于培養(yǎng)室中培養(yǎng)21天后得到脫毒苗，將組培瓶移出組培室，置于光強(qiáng)為300 μmol m-2s-1白光LED下馴化1 d，于次日上午選取長(zhǎng)勢(shì)相同的脫毒苗從培養(yǎng)瓶中取出，并將根部洗凈，用生根液浸泡30 min，移栽至質(zhì)量相同的培養(yǎng)袋中培養(yǎng)，以蛭石為培養(yǎng)基質(zhì)，在300 μmol m-2s-1白光LED下預(yù)培養(yǎng)3周，構(gòu)建健壯植株群體。

1.1.2 試驗(yàn)處理

選取長(zhǎng)勢(shì)一致的馬鈴薯植株，隨機(jī)分成兩組，分別置于光強(qiáng)為300 μmol m-2s-1的白光(W)與藍(lán)光(B)LED燈下。試驗(yàn)期間的環(huán)境溫度控制在白天21 ℃，夜晚16 ℃，空氣濕度75%±5%，二氧化碳濃度400 ppm。生長(zhǎng)一周后，澆水至飽和，用稱重法保證各處理起始水分含量一致，再?gòu)膬山M處理中選取長(zhǎng)勢(shì)相同的植株，再分成兩組，其中一組處理每隔兩天澆一次水，使植株保持良好持水量(WW和WB)。另一組持續(xù)一周不澆水(DW和DB)，其余生長(zhǎng)條件不變。每各處理組30株，共3次重復(fù)試驗(yàn)。觀察記錄四組處理的生長(zhǎng)指標(biāo)及各項(xiàng)生理指標(biāo)。

1.2 測(cè)量指標(biāo)與方法

1.2.1 失水率的測(cè)定

將馬鈴薯澆水至飽和，稱量每個(gè)處理組初始馬鈴薯的栽培袋的初始質(zhì)量為m0。每隔2天稱量栽培袋的質(zhì)量為每隔兩天稱量馬鈴薯栽培袋的質(zhì)量分別為m0、m1、m3、m5、m7、m9，其與m0差值即為失水量，失水量與m0的比值即為失水率(每次測(cè)量后將待測(cè)馬鈴薯挖出進(jìn)行稱重，與初始馬鈴薯質(zhì)量的差值作為差異系數(shù)，對(duì)馬鈴薯因生長(zhǎng)所造成的失水率的偏差進(jìn)行調(diào)整)。

1.2.2 形態(tài)及生物量的測(cè)定

各處理隨機(jī)選取3 株，用游標(biāo)卡尺測(cè)量馬鈴薯植株的根長(zhǎng)，莖長(zhǎng)、莖粗，并統(tǒng)計(jì)馬鈴薯的分枝數(shù)。利用葉面積計(jì)測(cè)量馬鈴薯植株的葉面積。使用天平分別稱量莖、葉根和薯的鮮重(FM)，然后將莖、葉、根和薯分別置于烘箱內(nèi)于105 ℃殺青0.5 h，之后于80 ℃烘干至恒重取出測(cè)定各個(gè)部位的干重(DM)。

1.2.3 光合參數(shù)的測(cè)定

在9:00—11:00隨機(jī)選取各處理三株長(zhǎng)勢(shì)平均的植株，利用光合儀LI—6400測(cè)量各處理下倒3片功能葉頂生葉片的光合參數(shù)，光合儀初始條件設(shè)置如下：光密度為300 μmol m-2s-1，CO2濃度為390±5 ppm。待儀器數(shù)據(jù)穩(wěn)定后讀取儀器上凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Cond)、胞間二氧化碳濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)等參數(shù)。

1.2.4 逆境生理指標(biāo)的測(cè)定

逆境指標(biāo)參照李合生[3]的方法測(cè)定，其中脯氨酸濃度采用磺基水楊酸法測(cè)定，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定，POD酶活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，SOD酶活性采用氯化硝基四氮唑藍(lán)法測(cè)定，CAT酶活性采用紫外分光光度計(jì)測(cè)量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Microsoft Excel 2013軟件處理原始數(shù)據(jù)。采用Microsoft Excel 2013圖表作圖，借助SPSS軟件利用單因素方差分析(ANOVA)和Duncan檢驗(yàn)對(duì)不同處理進(jìn)行差異顯著性分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 LED藍(lán)光對(duì)脫毒馬鈴薯植株失水率的影響

圖1是水分限制下白光和藍(lán)光馬鈴薯失水率的變化，可以看出，在限水3 d后藍(lán)光的失水率低于白光。

2.2 LED藍(lán)光對(duì)受旱脫毒馬鈴薯植株形態(tài)及生物量的影響

由表1可知，DB大于DW，莖長(zhǎng)莖粗葉面積DB小于DW，莖長(zhǎng)莖粗差異不顯著，葉面積差異顯著。對(duì)照組呈現(xiàn)了相同的趨勢(shì)，可以看出藍(lán)光促進(jìn)了地下部的根長(zhǎng)，但抑制了地上部的莖長(zhǎng)、莖粗以及葉面積。

圖1 水分限制下藍(lán)光及白光馬鈴薯植株失水率的變化Fig.1 Changes of bluelight and white light on potato water loss rate under water restriction

表1 不同水分處理下藍(lán)光和白光對(duì)馬鈴薯形態(tài)的影響

由表2可以看出，藍(lán)光光對(duì)馬鈴薯的根和葉的鮮重影響不大，但是對(duì)葉的鮮重有著一定的影響。其中WB低于WW。在薯的生物量上，WB薯鮮重高于WW，但差異不顯著。藍(lán)光對(duì)受旱馬鈴薯薯的鮮重沒有引起明顯差異。

表2 不同水分處理下藍(lán)光和白光對(duì)馬鈴薯各個(gè)部位鮮重的影響

2.3 LED藍(lán)光對(duì)受旱脫毒馬鈴薯植株光合的影響

由表3可以看出，藍(lán)光對(duì)馬鈴薯的各項(xiàng)光合指標(biāo)均有一定的影響，其中，藍(lán)光顯著增加了馬鈴薯的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率。但由于藍(lán)光會(huì)降低馬鈴薯的葉面積(表1)，因此，盡管藍(lán)光引起了氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的提升，但由于藍(lán)光導(dǎo)致葉面積減少，因而使馬鈴薯植株產(chǎn)生較低的失水率。在凈光合速率上，DB處理顯著高于DW。由此可見，藍(lán)光誘導(dǎo)植株產(chǎn)生適應(yīng)于受旱的形態(tài)變化，這種形態(tài)變化主要體現(xiàn)在縮小葉面積、提高氣孔導(dǎo)度，以此來減少水分散失并維持葉片的光合速率，緩解因干旱造成的植株葉片光合作用降低。

表3 不同處理下藍(lán)光和白光對(duì)馬鈴薯葉片光合參數(shù)的影響

2.4 LED藍(lán)光對(duì)受旱脫毒馬鈴薯植株逆境生理的影響

圖2中，DB處理脯氨酸濃度低于DW，WB處理脯氨酸濃度低于WW。說明生長(zhǎng)在藍(lán)光下的馬鈴薯植株脯氨酸的積累低于白光。

圖2 藍(lán)光和白光對(duì)馬鈴薯葉片脯氨酸含量的影響Fig.2 Effects of blue light and white light on proline content of potato leaves under different water treatments

圖3中，DW處理丙二醛含量最高，為12.43 μmol g-1FW，WB處理丙二醛含量最低，為3.23 μmol g-1FW。并且DB處理低于DW，WB處理低于WW，藍(lán)光顯著降低了馬鈴薯體內(nèi)丙二醛的含量。

圖3 不同水分處理下藍(lán)光和白光對(duì)馬鈴薯葉片丙二醛含量的影響Fig.3 Effects of blue light and white light on MDA content of potato leaves under different water treatments

表4中，POD酶活性DB顯著高于DW，CAT酶活性與之趨勢(shì)相同。SOD酶活性無明顯差異。表明藍(lán)光顯著提高了受旱馬鈴薯POD和CAT酶活性，但是對(duì)SOD酶活性無明顯影響。

表4 不同水分處理下藍(lán)光和白光對(duì)馬鈴薯葉片抗氧化酶活性的影響

3 討論

本研究中，在持續(xù)不澆水的一段時(shí)間內(nèi)，藍(lán)光下的馬鈴薯植株相較于白光在3 d后失水率顯著降低。藍(lán)光處理下，馬鈴薯植株的莖長(zhǎng)，莖粗和葉面積有著明顯降低的現(xiàn)象。這是由于光誘導(dǎo)而產(chǎn)生的形態(tài)適應(yīng)性。這與張玉斌[4]在光質(zhì)與西洋參的關(guān)系中結(jié)果相同。在許多植物物種中，水分損失較多與具有較大蒸發(fā)表面和水分含量高的器官密切相關(guān)。自然環(huán)境中，植物通常通過矮化植株并且縮小葉面積從而能夠減少蒸騰作用并提高抗旱性[5]。

正常澆水與干旱處理下藍(lán)光都會(huì)增加馬鈴薯植株的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率。這與李雯琳[6]等用萵苣葉片的研究相一致。藍(lán)光增加了馬鈴薯葉片的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率上升，但是表現(xiàn)出了耐旱性狀，雖然蒸騰速率的增加以及氣孔導(dǎo)度的提高使得馬鈴薯葉片蒸騰作用增加，但由于藍(lán)光可以降低馬鈴薯的葉面積，結(jié)合兩種指標(biāo)，馬鈴薯會(huì)表現(xiàn)出抗旱性狀。同時(shí)，干旱會(huì)降低植物的光合電子傳遞效率以及光合磷酸化活力，影響碳同化，從而降低植物的光合作用。受脅迫時(shí)，凈光合速率和氣孔導(dǎo)度下降，而細(xì)胞間CO2濃度(Ci)的變化卻是不同的[7]。藍(lán)光顯著促進(jìn)了馬鈴薯葉片的光合作用，對(duì)干旱下葉片光合能力的下降有緩解作用。用藍(lán)光比例高的處理照射黃瓜葉片也能提高其光合速率[8]。

藍(lán)光明顯降低了脯氨酸含量。說明藍(lán)光下馬鈴薯具有更好的生理狀況。細(xì)胞膜是細(xì)胞物質(zhì)交換的主要場(chǎng)所，細(xì)胞膜的完整及其穩(wěn)定性是維持細(xì)胞正常新陳代謝的基礎(chǔ)。MDA 是膜質(zhì)過氧化的產(chǎn)物，正常條件下含量很低，但干旱會(huì)使 MDA 含量增加[9]，在本試驗(yàn)中藍(lán)光處理丙二醛含量較低。處于逆境下的植物自身常形成一些防御機(jī)制, 如活性氧的酶促清除系統(tǒng)，能有效清除體內(nèi)多余的活性氧。抗氧化酶防御系統(tǒng)的超氧化物歧化酶(SOD)，過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性上升是植物對(duì)耐旱性的適應(yīng)性反應(yīng)[10]。本研究SOD酶變化較不明顯，這與高興國(guó)等[11]的試驗(yàn)相吻合，而 POD 活性和CAT活性均變化明顯,二者協(xié)同作用,在不同程度的脅迫下分別起到清除自由基的作用,以降低自由基對(duì)植株造成傷害。

綜上，在干旱處理下，藍(lán)光可以通過調(diào)節(jié)馬鈴薯植株的形態(tài)，提高馬鈴薯的光合作用，減少丙二醛、脯氨酸等物質(zhì)的積累，同時(shí)提高馬鈴薯的抗氧化酶活性，使得藍(lán)光刺激對(duì)馬鈴薯植株的抵御干旱有積極影響。