LED光質(zhì)對(duì)紅桔幼苗生長(zhǎng)發(fā)育和葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h1>
2021-04-19 07:01:24劉敏竹凌麗俐付行政淳長(zhǎng)品何義仲
中國(guó)南方果樹(shù) 2021年2期
劉敏竹，李 強(qiáng)，楊 超，韓 濤，凌麗俐，付行政，淳長(zhǎng)品，曹 立，何義仲
(1 西南大學(xué)柑桔研究所/國(guó)家柑桔工程技術(shù)研究中心，重慶，400712；2 重慶文理學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院/環(huán)境材料與修復(fù)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，402160)
重慶年均日照時(shí)數(shù)少且年內(nèi)分配不均，使柑桔育苗周期明顯長(zhǎng)于其他產(chǎn)區(qū)，嚴(yán)重制約了重慶柑桔苗木產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度[1]，如何高效低成本補(bǔ)光是生產(chǎn)者縮短育苗周期需要解決的問(wèn)題。發(fā)光二極管(LED)光源是近年發(fā)展起來(lái)的新型節(jié)能光源，具有光譜精準(zhǔn)調(diào)控、光能利用率高和電光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，已開(kāi)始應(yīng)用于黃瓜、草莓、葡萄和番茄等經(jīng)濟(jì)作物設(shè)施栽培及香蕉組培苗的研究[2-4]。研究表明，通過(guò)使植物光受體(葉綠素、類胡蘿卜素、隱花色素、光敏色素、向光素等)吸收不同波長(zhǎng)的光，可調(diào)節(jié)植物的形態(tài)建成、生理代謝及果實(shí)品質(zhì)[5-6]，并與糖和激素信號(hào)共同調(diào)節(jié)植物的某些生命過(guò)程[7]。近年來(lái)，通過(guò)高效熒光粉的研發(fā)，模擬植物光合作用光譜，制備LED燈，有效促進(jìn)了生菜[3]、枳[8]和青菜(塌棵菜)[9]等植物的生長(zhǎng)發(fā)育和物質(zhì)積累。但是，由于不同LED光譜(光質(zhì)及配比)對(duì)不同種類植物的生長(zhǎng)發(fā)育和生理代謝的影響存在顯著差異，加之在某些認(rèn)知上(如：綠光效應(yīng))尚存在爭(zhēng)議[10-11]，所以影響柑桔生長(zhǎng)發(fā)育、光合作用、果實(shí)產(chǎn)量與品質(zhì)等的最佳光譜及其作用機(jī)理尚不清楚。紅桔(Citrustangerine)是我國(guó)重要的柑桔砧木之一。筆者就不同LED光質(zhì)對(duì)紅桔幼苗生長(zhǎng)發(fā)育和葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊戇M(jìn)行了研究，篩選出有效的LED光質(zhì)及配比，以期為優(yōu)質(zhì)紅桔苗木快速繁育的LED補(bǔ)光技術(shù)構(gòu)建提供參考。
1 材料與方法
1.1 光源采用重慶文理學(xué)院微納米光電材料與器件國(guó)際科技合作基地自主研發(fā)的LED熒光粉系列材料研制的LED燈。根據(jù)前期研究結(jié)果，試驗(yàn)以LED白光為對(duì)照(CK)，設(shè)置LED紅光(R)、LED藍(lán)光(B)、LED紅光1/藍(lán)光1(R1B1)、LED紅光4/藍(lán)光1(R4B1)、LED紅光4/綠光1/藍(lán)光1(R4G1B1)等5個(gè)處理。其中，復(fù)合光數(shù)值代表不同色光的峰面積之比，復(fù)合光中的紅光均為寬紅光(600～800 nm)[4-6]，其光譜如圖1所示，峰值和峰寬見(jiàn)表1。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)在西南大學(xué)柑桔研究所栽培與生理課題組光照培養(yǎng)室內(nèi)進(jìn)行。于2019年將紅桔種子消毒并剝除內(nèi)外種皮后置于離心管盒中，在黑暗條件下生根。待根長(zhǎng)至1 cm時(shí)，移至蒸餾水中培養(yǎng)。當(dāng)幼苗長(zhǎng)出兩片葉片后，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗移栽至水培盒中，用霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行水培，并進(jìn)行不同LED光質(zhì)處理。每個(gè)處理組包括6個(gè)培養(yǎng)盒，每個(gè)培養(yǎng)盒培養(yǎng)6株幼苗。試驗(yàn)期間培養(yǎng)室的溫度控制在(25±2) ℃，光周期為12 h/12 h，頂端葉片處光強(qiáng)為150 μmol·m-1·s-1，每2～3天補(bǔ)一次蒸餾水，7 d換一次營(yíng)養(yǎng)液。2個(gè)月后(見(jiàn)圖2)測(cè)定不同LED光質(zhì)處理紅桔幼苗的生長(zhǎng)形態(tài)參數(shù)、生物量、光合色素和葉綠素?zé)晒?快速光響應(yīng)曲線。
注：CK為L(zhǎng)ED白光，R為L(zhǎng)ED紅光，B為L(zhǎng)ED藍(lán)光，R1B1為L(zhǎng)ED紅光1/藍(lán)光1，R4B1為L(zhǎng)ED紅光4/藍(lán)光1，R4G1B1為L(zhǎng)ED紅光4/綠光1/藍(lán)光1，復(fù)合光數(shù)值代表不同色光的峰面積之比。
表1 不同LED光的峰值和峰寬
1.3 測(cè)定方法生長(zhǎng)形態(tài)參數(shù)測(cè)定：測(cè)定株高、莖粗；統(tǒng)計(jì)植株葉片數(shù)，并用Yaxin-1241葉面積儀(北京雅欣理儀科技有限公司)測(cè)定整株幼苗的葉面積；用WinRHIZO軟件系統(tǒng)(Regent Instruments Canada INC.)測(cè)量單株幼苗主根長(zhǎng)、根粗、根系總長(zhǎng)度和根表面積。
圖2 紅桔幼苗不同LED光質(zhì)培養(yǎng)狀況
生物量測(cè)定：將植株清洗、陰干后用電子天平稱鮮質(zhì)量，然后分別取根、莖和葉于105 ℃殺青30 min、75 ℃烘干24 h后稱干質(zhì)量，計(jì)算得到植株干質(zhì)量和地上部分干質(zhì)量。
光合色素含量的測(cè)定：選取倒數(shù)第3—4片完全展開(kāi)的葉片，參照Wellberum & Lichtenthoaler(1984)方法，用TU-9001型雙光束紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定葉綠素 a(Chla)、葉綠素 b(Chlb)、類胡蘿卜素(Car)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并計(jì)算Chl(Chla+Chlb)和Chla/Chlb值。
葉綠素?zé)晒?快速光響應(yīng)曲線測(cè)定：用PAM-2500便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(德國(guó)，WALZ公司)進(jìn)行測(cè)定。取幼苗倒數(shù)第3片葉，暗適應(yīng)10 s后，迅速打開(kāi)葉夾，測(cè)得Fo和Fm；隨后，逐漸開(kāi)啟1—14號(hào)光化光，照射20 s后，經(jīng)檢測(cè)光和飽和脈沖光測(cè)得Ft、Fm′，分別計(jì)算得到有效熒光產(chǎn)量(Yield)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qN)和相對(duì)電子傳遞速率(rETR)，分別取平均值制作快速光響應(yīng)曲線。
1.4 數(shù)據(jù)分析在SPSS statistics 20.0軟件中，采用鄧肯氏新復(fù)極差法進(jìn)行差異性比較，并進(jìn)行主成分分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 生長(zhǎng)形態(tài)參數(shù)差異由表2可知，紅、藍(lán)單色光和復(fù)合光處理對(duì)紅桔幼苗生長(zhǎng)明顯不利，僅R組的單株葉面積、R4B1組的主根長(zhǎng)被促進(jìn)，分別比對(duì)照大22.9%(p<0.05)、14.8%(p<0.05)，其余生長(zhǎng)形態(tài)參數(shù)或被顯著抑制或無(wú)顯著變化。添加綠光后的紅綠藍(lán)復(fù)合光處理(R4G1B1)對(duì)紅桔幼苗生長(zhǎng)無(wú)明顯不利，僅總根長(zhǎng)和根表面積顯著下降，而株高和單株葉面積均被促進(jìn)，分別比對(duì)照大18.8%(p<0.05)和28.7%(p<0.05)，其余參數(shù)與對(duì)照(LED白光)無(wú)顯著差異。
表2 不同LED光質(zhì)下紅桔幼苗的生長(zhǎng)形態(tài)參數(shù)
2.2 生物量差異由表3可知，紅、藍(lán)單色光和復(fù)合光處理，對(duì)紅桔幼苗的生物量積累有不利影響，除根干質(zhì)量不受影響外，其他生物量參數(shù)大多呈降低趨勢(shì)；添加綠光后的紅綠藍(lán)復(fù)合光處理(R4G1B1)，對(duì)紅桔幼苗的生物量積累無(wú)不利影響，葉干質(zhì)量比對(duì)照高39.3%(p<0.05)，其他生物量指標(biāo)與對(duì)照無(wú)顯著差異。
表3 不同LED光質(zhì)下紅桔幼苗的生物量 g
2.3 光合色素含量差異由表4可知，藍(lán)光(B)對(duì)紅桔幼苗光合色素含量無(wú)不利影響；紅光(R)顯著抑制光合色素的合成，其Chla、Chlb、Chl和Car含量分別比對(duì)照低38.3%、31.7%、37.0%和40.8%，差異均達(dá)顯著水平(p<0.05)；在紅藍(lán)復(fù)合光中，R1B1對(duì)紅桔幼苗光合色素含量無(wú)不利影響，R4B1顯著抑制了Chla、Chlb和Chl的合成。R4B1添加綠光后(R4G1B1)，Chla的合成得到了一定程度的恢復(fù)。
表4 不同LED光質(zhì)下紅桔幼苗的光合色素含量
2.4 葉綠素?zé)晒狻焖俟忭憫?yīng)曲線變化由圖2可知，隨著光照強(qiáng)度增加，紅光(R)導(dǎo)致紅桔幼苗的光合作用能力明顯降低，藍(lán)光(B)則呈相反趨勢(shì)，而紅藍(lán)復(fù)合光和紅綠藍(lán)復(fù)合光的光合作用能力處于紅、藍(lán)單色光之間。B、R、R1B1、R4B1和R4G1B1的ΔYield分別為對(duì)照的72.9%(p<0.05)、104.5%(p>0.05)、106.1%(p>0.05)、102.2%(p>0.05)和95.1%(p>0.05)，ΔqP分別為對(duì)照的70.5%(p<0.05)、104.2%(p>0.05)、90.5%(p<0.05)、83.4%(p<0.05)和86.3%(p<0.05)，rETRmax分別為對(duì)照的123.6%(p<0.05)、68.3%(p<0.05)、103.8%(p>0.05)、118.4%(p<0.05)和104.7%(p>0.05)，而qNmax分別為對(duì)照的82.4%(p<0.05)、137.8%(p<0.05)、117.5%(p<0.05)、81.1%(p<0.05)和93.2%(p>0.05)。
圖3 不同LED光質(zhì)下紅桔幼苗葉片的葉綠素?zé)晒狻焖俟忭憫?yīng)曲線
2.5 主成分分析采用主成分分析進(jìn)行降維處理后，可提取3個(gè)主成分，其特征值分別為10.389、6.322、3.583，累積貢獻(xiàn)率為88.884%。由圖4可知，主成分1的貢獻(xiàn)率為49.500%，在0.7～1之間涉及的參數(shù)主要為株干質(zhì)量、株鮮質(zhì)量、地上部分干質(zhì)量、葉干質(zhì)量、莖干質(zhì)量等生物量參數(shù)，以及株高、莖粗、根粗、葉片數(shù)、葉面積等形態(tài)參數(shù)，主要反映了地上部分(莖、葉)的形態(tài)建成和生物量積累狀況；主成分2的貢獻(xiàn)率為24.688%，在0.7～1之間涉及的參數(shù)主要為Chla、Chlb、Chl、Car等光合色素參數(shù)，主要反映了光合色素的合成狀況；主成分3的貢獻(xiàn)率為14.696%，在0.7～1之間涉及的參數(shù)主要為根干質(zhì)量、主根長(zhǎng)和Chla/Chlb，主要反映了地下部分(根系)的生長(zhǎng)發(fā)育狀況。
注：TRL—總根長(zhǎng)，RSA—根表面積，TL—主根長(zhǎng)，RL—根寬，PH—植物高度，SD—干直徑，LN—葉片數(shù)，LA—葉面積，PFM—植物鮮質(zhì)量；PDM—植物干質(zhì)量；RDM—根干質(zhì)量，SDM—莖干質(zhì)量；LDM—葉片干質(zhì)量，AGDM—地上部干質(zhì)量，Chla—葉綠素a，Chlb—葉綠素b，Rab—Chla與Chlb的比值，Chl—葉綠素，Car—類胡蘿卜素。
表6 不同LED光質(zhì)處理CI和PCA總得分排序
以每個(gè)主成分所對(duì)應(yīng)的特征值占總特征值之和的比例作為權(quán)重，結(jié)合前3個(gè)主成分分值計(jì)算每個(gè)處理組的綜合主成分值(F值)，然后排序，以此比較不同處理的優(yōu)劣。由表6可知，R4G1B1的F值明顯高于其他處理，排第1位。
3 討論
3.1 光質(zhì)對(duì)紅桔幼苗形態(tài)建成的影響有研究表明，與LED紅、藍(lán)單色光相比，LED紅藍(lán)復(fù)合光能促進(jìn)秋葵、茄子和河套蜜瓜等幼苗根系生長(zhǎng)、莖伸長(zhǎng)與增粗，更有利于植物的形態(tài)建成，部分植株的表現(xiàn)甚至優(yōu)于白光[12-14]。且高比例紅光會(huì)導(dǎo)致煙草葉面積增大、厚度降低以及黃瓜幼苗根冠比降低，高比例藍(lán)光會(huì)導(dǎo)致羅勒節(jié)間長(zhǎng)度縮短、葉面積減小、產(chǎn)量下降[10，12]；補(bǔ)充綠光可提高部分植物的株高和干鮮質(zhì)量，補(bǔ)充黃光可提高鎮(zhèn)研六號(hào)辣椒莖粗、干質(zhì)量和壯苗指數(shù)[15-16]。本研究發(fā)現(xiàn)，與LED白光相較，紅、藍(lán)單色光和復(fù)合光均在一定程度抑制了紅桔幼苗根莖葉的形態(tài)建成，僅紅單色光(R)的單株葉面積、高比例紅藍(lán)復(fù)合光(R4B1)的主根長(zhǎng)被促進(jìn)；但是，在高比例紅藍(lán)復(fù)合光中添加綠光(R4G1B1)后，紅桔幼苗僅總根長(zhǎng)和根表面積顯著下降，對(duì)其他形態(tài)參數(shù)無(wú)明顯不利，而株高和單株葉面積還被促進(jìn)，這與在生菜[3]、枳[8]和青菜[9]上的研究結(jié)果相似。
3.2 光質(zhì)對(duì)紅桔幼苗光合作用的影響對(duì)大多數(shù)作物而言，在橙光和紅光下光合速率最高，藍(lán)紫光其次，綠光最低[5，17]。本研究發(fā)現(xiàn)，紅桔幼苗的光化學(xué)效率、光化學(xué)電子傳遞份額和電子傳遞速率在藍(lán)光下升高而紅光下下降的現(xiàn)象，與藍(lán)光下的單位面積光合色素含量較高、截?fù)舻墓饽茌^多有關(guān)，這與在花生和番茄幼苗的研究結(jié)果相一致[18-19]。與單色光相比，配比適合的紅藍(lán)復(fù)合光能顯著促進(jìn)馬鈴薯、番茄、黃瓜、草莓和紫蘇等植物的Fv/Fm、ΔFv′/Fm′、qP和凈光合速率等[20-21]，但是不同物種的紅藍(lán)光最適配比存在較大差異[22-23]。在紅藍(lán)復(fù)合光中添加綠光有利于提高紫蘇葉片單位面積電子傳遞量子產(chǎn)額、最大光化學(xué)效率、光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率等[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，LED紅藍(lán)復(fù)合光導(dǎo)致紅桔幼苗的光合色素合成、光化學(xué)效率、光化學(xué)電子傳遞份額、電子傳遞速率和熱耗散量均處于紅、藍(lán)單色光之間，并且在高光照條件下高比例紅藍(lán)復(fù)合光更有利于光化學(xué)效率和電子傳遞速率的增加，光合作用能力更強(qiáng)；在高比例紅藍(lán)復(fù)合光中添加綠光有利于光合色素的合成，其光化學(xué)效率、光化學(xué)電子傳遞份額和熱耗散量與高比例紅藍(lán)復(fù)合光無(wú)顯著差異。此外，與LED白光相較，低光照條件下紅藍(lán)復(fù)合光和紅藍(lán)綠復(fù)合光的光化學(xué)電子轉(zhuǎn)遞份額和熱耗散量較低，而在高光照條件下光化學(xué)效率和電子傳遞速率呈增大趨勢(shì)。其中，低比例紅藍(lán)復(fù)合光(R1B1)的熱耗散量增加顯著，雖然其單位面積光合色素含量高、截?fù)舻墓饽茌^多，但是與藍(lán)光不同的是其吸收的光能量更多的以熱的形式耗散掉了，而非用于光合物質(zhì)的合成。
3.3 光質(zhì)對(duì)紅桔幼苗物質(zhì)積累與分配的影響不同植物的物質(zhì)積累與分配對(duì)光質(zhì)的響應(yīng)存在明顯差異。紅光有利于水稻、萵苣、蘿卜、生菜、番茄、黃瓜和不結(jié)球白菜等植物積累可溶性糖、淀粉及粗纖維[5，25-26]，藍(lán)光則有利于氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素C、花青素、有機(jī)酸和黃酮苷等物質(zhì)積累，有利于分配更多代謝物到根部[5，26-27]。紅光比藍(lán)光更有利于番茄、水稻和菊花等植物的地上部分物質(zhì)積累與分配[17]，但是紅光也會(huì)降低小麥地上部分的生物量[28]。本研究發(fā)現(xiàn)，紅桔幼苗在LED藍(lán)光下雖然光合效率顯著增加，但是單株葉面積則呈相反變化，導(dǎo)致其物質(zhì)合成與積累量顯著降低，這與高比例藍(lán)光條件下生菜和黃瓜的研究結(jié)果相似[29-30]；紅桔幼苗在LED紅光下雖然單株葉面積顯著增加，但是光化學(xué)效率、光化學(xué)電子傳遞份額和電子傳遞速率顯著降低，導(dǎo)致其物質(zhì)合成與積累也呈降低趨勢(shì)；相較于紅光來(lái)說(shuō)，藍(lán)光的物質(zhì)積累量更少，主要分配于根。此外，已有的研究發(fā)現(xiàn)，與單色光相比，紅藍(lán)復(fù)合光促進(jìn)水稻、小麥、菠菜、蘿卜和生菜、草莓、油菜籽、黃瓜、幼萵苣、菊花等植物幼苗光合速率以及RUBP羧化酶、蔗糖合成酶等酶活性增大，導(dǎo)致可溶性糖和淀粉含量顯著增加，地上部分物質(zhì)積累增多[7，17，29，31-34]；適當(dāng)補(bǔ)充比例較小的藍(lán)光可使葉用萵苣葉片肥厚并提高維生素C、花青素和蛋白質(zhì)含量，補(bǔ)充橙光會(huì)增加幼萵苣酚類化合物含量[35]，補(bǔ)充綠光有利于增加生菜中的生物量[9]。本研究發(fā)現(xiàn)，在LED紅藍(lán)復(fù)合光下紅桔幼苗根、莖、葉的物質(zhì)積累與分配均低于白光，但是添加綠光能顯著促進(jìn)葉面積增加，合成更多的光合物質(zhì)，并且主要積累分配于葉，這可能與葉內(nèi)光合產(chǎn)物向外運(yùn)輸受到抑制、葉內(nèi)淀粉粒含量增多有關(guān)[5，25-26]。
綜上所述，與LED紅、藍(lán)單色光、復(fù)合光及白光相比，紅藍(lán)復(fù)合光添加一定比例的綠光后(R4G1B1)有利于紅桔幼苗根、莖、葉的生長(zhǎng)發(fā)育和葉片的物質(zhì)積累，即更有利于柑桔幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育。今后，可以進(jìn)一步優(yōu)化紅、綠、藍(lán)光的配比，并結(jié)合光受體熒光材料的匹配設(shè)計(jì)與合成，篩選、優(yōu)化更為高效的LED光源，構(gòu)建更為精準(zhǔn)的補(bǔ)光系統(tǒng)，以推動(dòng)我國(guó)柑桔育苗產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
劉敏竹，李 強(qiáng)，楊 超，韓 濤，凌麗俐，付行政，淳長(zhǎng)品，曹 立，何義仲
(1 西南大學(xué)柑桔研究所/國(guó)家柑桔工程技術(shù)研究中心，重慶，400712；2 重慶文理學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院/環(huán)境材料與修復(fù)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，402160)
重慶年均日照時(shí)數(shù)少且年內(nèi)分配不均，使柑桔育苗周期明顯長(zhǎng)于其他產(chǎn)區(qū)，嚴(yán)重制約了重慶柑桔苗木產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度[1]，如何高效低成本補(bǔ)光是生產(chǎn)者縮短育苗周期需要解決的問(wèn)題。發(fā)光二極管(LED)光源是近年發(fā)展起來(lái)的新型節(jié)能光源，具有光譜精準(zhǔn)調(diào)控、光能利用率高和電光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，已開(kāi)始應(yīng)用于黃瓜、草莓、葡萄和番茄等經(jīng)濟(jì)作物設(shè)施栽培及香蕉組培苗的研究[2-4]。研究表明，通過(guò)使植物光受體(葉綠素、類胡蘿卜素、隱花色素、光敏色素、向光素等)吸收不同波長(zhǎng)的光，可調(diào)節(jié)植物的形態(tài)建成、生理代謝及果實(shí)品質(zhì)[5-6]，并與糖和激素信號(hào)共同調(diào)節(jié)植物的某些生命過(guò)程[7]。近年來(lái)，通過(guò)高效熒光粉的研發(fā)，模擬植物光合作用光譜，制備LED燈，有效促進(jìn)了生菜[3]、枳[8]和青菜(塌棵菜)[9]等植物的生長(zhǎng)發(fā)育和物質(zhì)積累。但是，由于不同LED光譜(光質(zhì)及配比)對(duì)不同種類植物的生長(zhǎng)發(fā)育和生理代謝的影響存在顯著差異，加之在某些認(rèn)知上(如：綠光效應(yīng))尚存在爭(zhēng)議[10-11]，所以影響柑桔生長(zhǎng)發(fā)育、光合作用、果實(shí)產(chǎn)量與品質(zhì)等的最佳光譜及其作用機(jī)理尚不清楚。紅桔(Citrustangerine)是我國(guó)重要的柑桔砧木之一。筆者就不同LED光質(zhì)對(duì)紅桔幼苗生長(zhǎng)發(fā)育和葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊戇M(jìn)行了研究，篩選出有效的LED光質(zhì)及配比，以期為優(yōu)質(zhì)紅桔苗木快速繁育的LED補(bǔ)光技術(shù)構(gòu)建提供參考。
1 材料與方法
1.1 光源采用重慶文理學(xué)院微納米光電材料與器件國(guó)際科技合作基地自主研發(fā)的LED熒光粉系列材料研制的LED燈。根據(jù)前期研究結(jié)果，試驗(yàn)以LED白光為對(duì)照(CK)，設(shè)置LED紅光(R)、LED藍(lán)光(B)、LED紅光1/藍(lán)光1(R1B1)、LED紅光4/藍(lán)光1(R4B1)、LED紅光4/綠光1/藍(lán)光1(R4G1B1)等5個(gè)處理。其中，復(fù)合光數(shù)值代表不同色光的峰面積之比，復(fù)合光中的紅光均為寬紅光(600～800 nm)[4-6]，其光譜如圖1所示，峰值和峰寬見(jiàn)表1。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)在西南大學(xué)柑桔研究所栽培與生理課題組光照培養(yǎng)室內(nèi)進(jìn)行。于2019年將紅桔種子消毒并剝除內(nèi)外種皮后置于離心管盒中，在黑暗條件下生根。待根長(zhǎng)至1 cm時(shí)，移至蒸餾水中培養(yǎng)。當(dāng)幼苗長(zhǎng)出兩片葉片后，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗移栽至水培盒中，用霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行水培，并進(jìn)行不同LED光質(zhì)處理。每個(gè)處理組包括6個(gè)培養(yǎng)盒，每個(gè)培養(yǎng)盒培養(yǎng)6株幼苗。試驗(yàn)期間培養(yǎng)室的溫度控制在(25±2) ℃，光周期為12 h/12 h，頂端葉片處光強(qiáng)為150 μmol·m-1·s-1，每2～3天補(bǔ)一次蒸餾水，7 d換一次營(yíng)養(yǎng)液。2個(gè)月后(見(jiàn)圖2)測(cè)定不同LED光質(zhì)處理紅桔幼苗的生長(zhǎng)形態(tài)參數(shù)、生物量、光合色素和葉綠素?zé)晒?快速光響應(yīng)曲線。
注：CK為L(zhǎng)ED白光，R為L(zhǎng)ED紅光，B為L(zhǎng)ED藍(lán)光，R1B1為L(zhǎng)ED紅光1/藍(lán)光1，R4B1為L(zhǎng)ED紅光4/藍(lán)光1，R4G1B1為L(zhǎng)ED紅光4/綠光1/藍(lán)光1，復(fù)合光數(shù)值代表不同色光的峰面積之比。
表1 不同LED光的峰值和峰寬
1.3 測(cè)定方法生長(zhǎng)形態(tài)參數(shù)測(cè)定：測(cè)定株高、莖粗；統(tǒng)計(jì)植株葉片數(shù)，并用Yaxin-1241葉面積儀(北京雅欣理儀科技有限公司)測(cè)定整株幼苗的葉面積；用WinRHIZO軟件系統(tǒng)(Regent Instruments Canada INC.)測(cè)量單株幼苗主根長(zhǎng)、根粗、根系總長(zhǎng)度和根表面積。
圖2 紅桔幼苗不同LED光質(zhì)培養(yǎng)狀況
生物量測(cè)定：將植株清洗、陰干后用電子天平稱鮮質(zhì)量，然后分別取根、莖和葉于105 ℃殺青30 min、75 ℃烘干24 h后稱干質(zhì)量，計(jì)算得到植株干質(zhì)量和地上部分干質(zhì)量。
光合色素含量的測(cè)定：選取倒數(shù)第3—4片完全展開(kāi)的葉片，參照Wellberum & Lichtenthoaler(1984)方法，用TU-9001型雙光束紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定葉綠素 a(Chla)、葉綠素 b(Chlb)、類胡蘿卜素(Car)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并計(jì)算Chl(Chla+Chlb)和Chla/Chlb值。
葉綠素?zé)晒?快速光響應(yīng)曲線測(cè)定：用PAM-2500便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(德國(guó)，WALZ公司)進(jìn)行測(cè)定。取幼苗倒數(shù)第3片葉，暗適應(yīng)10 s后，迅速打開(kāi)葉夾，測(cè)得Fo和Fm；隨后，逐漸開(kāi)啟1—14號(hào)光化光，照射20 s后，經(jīng)檢測(cè)光和飽和脈沖光測(cè)得Ft、Fm′，分別計(jì)算得到有效熒光產(chǎn)量(Yield)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qN)和相對(duì)電子傳遞速率(rETR)，分別取平均值制作快速光響應(yīng)曲線。
1.4 數(shù)據(jù)分析在SPSS statistics 20.0軟件中，采用鄧肯氏新復(fù)極差法進(jìn)行差異性比較，并進(jìn)行主成分分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 生長(zhǎng)形態(tài)參數(shù)差異由表2可知，紅、藍(lán)單色光和復(fù)合光處理對(duì)紅桔幼苗生長(zhǎng)明顯不利，僅R組的單株葉面積、R4B1組的主根長(zhǎng)被促進(jìn)，分別比對(duì)照大22.9%(p<0.05)、14.8%(p<0.05)，其余生長(zhǎng)形態(tài)參數(shù)或被顯著抑制或無(wú)顯著變化。添加綠光后的紅綠藍(lán)復(fù)合光處理(R4G1B1)對(duì)紅桔幼苗生長(zhǎng)無(wú)明顯不利，僅總根長(zhǎng)和根表面積顯著下降，而株高和單株葉面積均被促進(jìn)，分別比對(duì)照大18.8%(p<0.05)和28.7%(p<0.05)，其余參數(shù)與對(duì)照(LED白光)無(wú)顯著差異。
表2 不同LED光質(zhì)下紅桔幼苗的生長(zhǎng)形態(tài)參數(shù)
2.2 生物量差異由表3可知，紅、藍(lán)單色光和復(fù)合光處理，對(duì)紅桔幼苗的生物量積累有不利影響，除根干質(zhì)量不受影響外，其他生物量參數(shù)大多呈降低趨勢(shì)；添加綠光后的紅綠藍(lán)復(fù)合光處理(R4G1B1)，對(duì)紅桔幼苗的生物量積累無(wú)不利影響，葉干質(zhì)量比對(duì)照高39.3%(p<0.05)，其他生物量指標(biāo)與對(duì)照無(wú)顯著差異。
表3 不同LED光質(zhì)下紅桔幼苗的生物量 g
2.3 光合色素含量差異由表4可知，藍(lán)光(B)對(duì)紅桔幼苗光合色素含量無(wú)不利影響；紅光(R)顯著抑制光合色素的合成，其Chla、Chlb、Chl和Car含量分別比對(duì)照低38.3%、31.7%、37.0%和40.8%，差異均達(dá)顯著水平(p<0.05)；在紅藍(lán)復(fù)合光中，R1B1對(duì)紅桔幼苗光合色素含量無(wú)不利影響，R4B1顯著抑制了Chla、Chlb和Chl的合成。R4B1添加綠光后(R4G1B1)，Chla的合成得到了一定程度的恢復(fù)。
表4 不同LED光質(zhì)下紅桔幼苗的光合色素含量
2.4 葉綠素?zé)晒狻焖俟忭憫?yīng)曲線變化由圖2可知，隨著光照強(qiáng)度增加，紅光(R)導(dǎo)致紅桔幼苗的光合作用能力明顯降低，藍(lán)光(B)則呈相反趨勢(shì)，而紅藍(lán)復(fù)合光和紅綠藍(lán)復(fù)合光的光合作用能力處于紅、藍(lán)單色光之間。B、R、R1B1、R4B1和R4G1B1的ΔYield分別為對(duì)照的72.9%(p<0.05)、104.5%(p>0.05)、106.1%(p>0.05)、102.2%(p>0.05)和95.1%(p>0.05)，ΔqP分別為對(duì)照的70.5%(p<0.05)、104.2%(p>0.05)、90.5%(p<0.05)、83.4%(p<0.05)和86.3%(p<0.05)，rETRmax分別為對(duì)照的123.6%(p<0.05)、68.3%(p<0.05)、103.8%(p>0.05)、118.4%(p<0.05)和104.7%(p>0.05)，而qNmax分別為對(duì)照的82.4%(p<0.05)、137.8%(p<0.05)、117.5%(p<0.05)、81.1%(p<0.05)和93.2%(p>0.05)。
圖3 不同LED光質(zhì)下紅桔幼苗葉片的葉綠素?zé)晒狻焖俟忭憫?yīng)曲線
2.5 主成分分析采用主成分分析進(jìn)行降維處理后，可提取3個(gè)主成分，其特征值分別為10.389、6.322、3.583，累積貢獻(xiàn)率為88.884%。由圖4可知，主成分1的貢獻(xiàn)率為49.500%，在0.7～1之間涉及的參數(shù)主要為株干質(zhì)量、株鮮質(zhì)量、地上部分干質(zhì)量、葉干質(zhì)量、莖干質(zhì)量等生物量參數(shù)，以及株高、莖粗、根粗、葉片數(shù)、葉面積等形態(tài)參數(shù)，主要反映了地上部分(莖、葉)的形態(tài)建成和生物量積累狀況；主成分2的貢獻(xiàn)率為24.688%，在0.7～1之間涉及的參數(shù)主要為Chla、Chlb、Chl、Car等光合色素參數(shù)，主要反映了光合色素的合成狀況；主成分3的貢獻(xiàn)率為14.696%，在0.7～1之間涉及的參數(shù)主要為根干質(zhì)量、主根長(zhǎng)和Chla/Chlb，主要反映了地下部分(根系)的生長(zhǎng)發(fā)育狀況。
注：TRL—總根長(zhǎng)，RSA—根表面積，TL—主根長(zhǎng)，RL—根寬，PH—植物高度，SD—干直徑，LN—葉片數(shù)，LA—葉面積，PFM—植物鮮質(zhì)量；PDM—植物干質(zhì)量；RDM—根干質(zhì)量，SDM—莖干質(zhì)量；LDM—葉片干質(zhì)量，AGDM—地上部干質(zhì)量，Chla—葉綠素a，Chlb—葉綠素b，Rab—Chla與Chlb的比值，Chl—葉綠素，Car—類胡蘿卜素。
表6 不同LED光質(zhì)處理CI和PCA總得分排序
以每個(gè)主成分所對(duì)應(yīng)的特征值占總特征值之和的比例作為權(quán)重，結(jié)合前3個(gè)主成分分值計(jì)算每個(gè)處理組的綜合主成分值(F值)，然后排序，以此比較不同處理的優(yōu)劣。由表6可知，R4G1B1的F值明顯高于其他處理，排第1位。
3 討論
3.1 光質(zhì)對(duì)紅桔幼苗形態(tài)建成的影響有研究表明，與LED紅、藍(lán)單色光相比，LED紅藍(lán)復(fù)合光能促進(jìn)秋葵、茄子和河套蜜瓜等幼苗根系生長(zhǎng)、莖伸長(zhǎng)與增粗，更有利于植物的形態(tài)建成，部分植株的表現(xiàn)甚至優(yōu)于白光[12-14]。且高比例紅光會(huì)導(dǎo)致煙草葉面積增大、厚度降低以及黃瓜幼苗根冠比降低，高比例藍(lán)光會(huì)導(dǎo)致羅勒節(jié)間長(zhǎng)度縮短、葉面積減小、產(chǎn)量下降[10，12]；補(bǔ)充綠光可提高部分植物的株高和干鮮質(zhì)量，補(bǔ)充黃光可提高鎮(zhèn)研六號(hào)辣椒莖粗、干質(zhì)量和壯苗指數(shù)[15-16]。本研究發(fā)現(xiàn)，與LED白光相較，紅、藍(lán)單色光和復(fù)合光均在一定程度抑制了紅桔幼苗根莖葉的形態(tài)建成，僅紅單色光(R)的單株葉面積、高比例紅藍(lán)復(fù)合光(R4B1)的主根長(zhǎng)被促進(jìn)；但是，在高比例紅藍(lán)復(fù)合光中添加綠光(R4G1B1)后，紅桔幼苗僅總根長(zhǎng)和根表面積顯著下降，對(duì)其他形態(tài)參數(shù)無(wú)明顯不利，而株高和單株葉面積還被促進(jìn)，這與在生菜[3]、枳[8]和青菜[9]上的研究結(jié)果相似。
3.2 光質(zhì)對(duì)紅桔幼苗光合作用的影響對(duì)大多數(shù)作物而言，在橙光和紅光下光合速率最高，藍(lán)紫光其次，綠光最低[5，17]。本研究發(fā)現(xiàn)，紅桔幼苗的光化學(xué)效率、光化學(xué)電子傳遞份額和電子傳遞速率在藍(lán)光下升高而紅光下下降的現(xiàn)象，與藍(lán)光下的單位面積光合色素含量較高、截?fù)舻墓饽茌^多有關(guān)，這與在花生和番茄幼苗的研究結(jié)果相一致[18-19]。與單色光相比，配比適合的紅藍(lán)復(fù)合光能顯著促進(jìn)馬鈴薯、番茄、黃瓜、草莓和紫蘇等植物的Fv/Fm、ΔFv′/Fm′、qP和凈光合速率等[20-21]，但是不同物種的紅藍(lán)光最適配比存在較大差異[22-23]。在紅藍(lán)復(fù)合光中添加綠光有利于提高紫蘇葉片單位面積電子傳遞量子產(chǎn)額、最大光化學(xué)效率、光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率等[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，LED紅藍(lán)復(fù)合光導(dǎo)致紅桔幼苗的光合色素合成、光化學(xué)效率、光化學(xué)電子傳遞份額、電子傳遞速率和熱耗散量均處于紅、藍(lán)單色光之間，并且在高光照條件下高比例紅藍(lán)復(fù)合光更有利于光化學(xué)效率和電子傳遞速率的增加，光合作用能力更強(qiáng)；在高比例紅藍(lán)復(fù)合光中添加綠光有利于光合色素的合成，其光化學(xué)效率、光化學(xué)電子傳遞份額和熱耗散量與高比例紅藍(lán)復(fù)合光無(wú)顯著差異。此外，與LED白光相較，低光照條件下紅藍(lán)復(fù)合光和紅藍(lán)綠復(fù)合光的光化學(xué)電子轉(zhuǎn)遞份額和熱耗散量較低，而在高光照條件下光化學(xué)效率和電子傳遞速率呈增大趨勢(shì)。其中，低比例紅藍(lán)復(fù)合光(R1B1)的熱耗散量增加顯著，雖然其單位面積光合色素含量高、截?fù)舻墓饽茌^多，但是與藍(lán)光不同的是其吸收的光能量更多的以熱的形式耗散掉了，而非用于光合物質(zhì)的合成。
3.3 光質(zhì)對(duì)紅桔幼苗物質(zhì)積累與分配的影響不同植物的物質(zhì)積累與分配對(duì)光質(zhì)的響應(yīng)存在明顯差異。紅光有利于水稻、萵苣、蘿卜、生菜、番茄、黃瓜和不結(jié)球白菜等植物積累可溶性糖、淀粉及粗纖維[5，25-26]，藍(lán)光則有利于氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素C、花青素、有機(jī)酸和黃酮苷等物質(zhì)積累，有利于分配更多代謝物到根部[5，26-27]。紅光比藍(lán)光更有利于番茄、水稻和菊花等植物的地上部分物質(zhì)積累與分配[17]，但是紅光也會(huì)降低小麥地上部分的生物量[28]。本研究發(fā)現(xiàn)，紅桔幼苗在LED藍(lán)光下雖然光合效率顯著增加，但是單株葉面積則呈相反變化，導(dǎo)致其物質(zhì)合成與積累量顯著降低，這與高比例藍(lán)光條件下生菜和黃瓜的研究結(jié)果相似[29-30]；紅桔幼苗在LED紅光下雖然單株葉面積顯著增加，但是光化學(xué)效率、光化學(xué)電子傳遞份額和電子傳遞速率顯著降低，導(dǎo)致其物質(zhì)合成與積累也呈降低趨勢(shì)；相較于紅光來(lái)說(shuō)，藍(lán)光的物質(zhì)積累量更少，主要分配于根。此外，已有的研究發(fā)現(xiàn)，與單色光相比，紅藍(lán)復(fù)合光促進(jìn)水稻、小麥、菠菜、蘿卜和生菜、草莓、油菜籽、黃瓜、幼萵苣、菊花等植物幼苗光合速率以及RUBP羧化酶、蔗糖合成酶等酶活性增大，導(dǎo)致可溶性糖和淀粉含量顯著增加，地上部分物質(zhì)積累增多[7，17，29，31-34]；適當(dāng)補(bǔ)充比例較小的藍(lán)光可使葉用萵苣葉片肥厚并提高維生素C、花青素和蛋白質(zhì)含量，補(bǔ)充橙光會(huì)增加幼萵苣酚類化合物含量[35]，補(bǔ)充綠光有利于增加生菜中的生物量[9]。本研究發(fā)現(xiàn)，在LED紅藍(lán)復(fù)合光下紅桔幼苗根、莖、葉的物質(zhì)積累與分配均低于白光，但是添加綠光能顯著促進(jìn)葉面積增加，合成更多的光合物質(zhì)，并且主要積累分配于葉，這可能與葉內(nèi)光合產(chǎn)物向外運(yùn)輸受到抑制、葉內(nèi)淀粉粒含量增多有關(guān)[5，25-26]。
綜上所述，與LED紅、藍(lán)單色光、復(fù)合光及白光相比，紅藍(lán)復(fù)合光添加一定比例的綠光后(R4G1B1)有利于紅桔幼苗根、莖、葉的生長(zhǎng)發(fā)育和葉片的物質(zhì)積累，即更有利于柑桔幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育。今后，可以進(jìn)一步優(yōu)化紅、綠、藍(lán)光的配比，并結(jié)合光受體熒光材料的匹配設(shè)計(jì)與合成，篩選、優(yōu)化更為高效的LED光源，構(gòu)建更為精準(zhǔn)的補(bǔ)光系統(tǒng)，以推動(dòng)我國(guó)柑桔育苗產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
