補光對黃瓜幼苗葉片呼吸相關酶的影響

李曉慧， 班甜甜， 馬 超*， 王青青， 楊 航， 呂金麗

(1.貴州省農業科學院 園藝研究所， 貴州 貴陽 550006; 2.貴州省農業科學院 生物技術研究所， 貴州 貴陽 550006; 3.六盤水市農業科學研究院， 貴州 六盤水 553000)

0 引言

【研究意義】光照是植物生長的基礎要素，是影響形態建成的關鍵因子。【前人研究進展】目前，針對弱光照對植物的影響已有較多的研究，普遍認為，LED補光是目前較佳的補光措施[1-7]。貴州多寡日照，早春時多陰雨天，且育苗常在溫棚內進行，溫棚的棚膜及鋼架結構等可造成一定的消光影響，致使光照更加不足。因此，早春培育壯苗需進行LED補光。研究認為，LED紅藍組合光補光效果顯著[4-7]。【研究切入點】植物通過呼吸作用分解有機物，釋放能量，滿足生物的基本生命活動，是影響物質積累的基礎[8-10]。目前對LED補光的研究較多，但大多集中在對植物形態特征及物質積累影響方面，對呼吸作用影響的研究甚少。【擬解決的關鍵問題】鑒于此，以黃瓜品種津研四號為試材，在溫室大棚內采用單因素試驗方法探索LED補光(5∶1紅藍組合)對黃瓜幼苗葉片呼吸過程相關酶的影響，以期為弱光環境下培育黃瓜壯苗提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 植物 供試植物為黃瓜幼苗，品種為津研四號，市購。

1.1.2 儀器設備 LED燈帶，25 cm，功率為12 V/2 A，紅光(R)波長630～660 nm，藍光(B)波長465～470 nm，紅光∶藍光(R∶B)=5∶1。花盆規格，口徑10 cm×10 cm，高8.5 cm。

1.2 方法

1.2.1 育苗 種子催芽后播種在50孔的育苗穴盤中，2片子葉展開后挑選生長一致的植株移栽至7 cm×8 cm的花盆中，放于裝有LED燈帶的培養架上。幼苗頂端距LED燈帶25 cm。

1.2.2 試驗設計 在設施大棚自然光照條件下進行LED補光試驗。根據光照時間設6個處理，即對照(CK)，0 h/d；T1，3 h/d，7：00—10：00；T2，6 h/d，7：00—13：00；T3，9 h/d，7：00—16：00；T4，12 h/d，7：00—19：00。光照處理15 d。

1.2.3 指標測定 分別參照THOMAS等[11-15]的方法測定黃瓜幼苗葉片中的磷酸果糖激酶(PFK)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)、琥珀酸脫氫酶(SDH)、6-磷酸葡萄糖脫氫酶(G-6-PDH)和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶(6-PGDH)活性。

1.3 數據統計與分析

用Excel 2010進行數據整理，用SPSS 20.0進行差異顯著性分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同時長LED補光處理黃瓜葉片呼吸過程糖酵解途徑的相關酶活性

由圖1可知，LED補光可顯著降低磷酸果糖激酶(PFK)和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)的活性，各處理PFK和PEPC活性均為CK>T1>T4>T2>T3，且以9 h/d的LED補光處理(T3)的活性下降最大。

2.1.1 PFK活性 不同時長LED補光處理黃瓜葉片的PFK活性以CK最高，為7.837 9 nmol/min/mg prot，顯著高于其余處理，較T1、T2、T3和T4分別高14.32%、31.66%、47.44%和31.37%；T1其次，為6.715 2 nmol/min/mg prot，顯著高于除CK外的其余處理；T3活性最低，為4.119 7 nmol/min/mg prot，顯著低于各處理，分別較T1、T2、T4及CK低38.65%、23.09%、23.42%和47.44%。

2.1.2 PEPC活性 不同時長LED補光處理黃瓜葉片的PEPC活性為CK>T1>T4>T2>T3，其中，CK最高，為6.715 2 nmol/min/mg prot，顯著高于其余處理，T1、T2、T3和T4分別較CK低11.04%、27.97%、39.79%和20.58%；T1其次，為3.810 4 nmol/min/mg prot，顯著高于除CK外的其余處理；T3的活性最低，顯著低于各處理，分別較T1、T2和T4低32.32%、16.41%和24.18%。

注:不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 不同時長LED補光處理黃瓜葉片三羧酸循環過程琥珀酸脫氫酶的活性

由圖2可知，LED補光處理可顯著改變琥珀酸脫氫酶(SDH)的活性，各處理SDH活性隨處理時長增加呈先增后降再增再降趨勢，即T1>T3>CK>T4>T2，其中，T1為3.260 8 nmol/min/mg prot，顯著高于其余處理，分別較CK、T2、T3和T4提高34.37%、110.66%、26.90%和85.41%；T3其次，為2.569 5 nmol/min/mg prot，較CK(2.426 8 nmol/min/mg prot)高，但二者差異不顯著，二者均顯著高于T2和T4；T2和T4差異不顯著，但均低于CK，分別較CK低36.22%和27.53%。表明，一定時長的LED補光可顯著提高SDH活性，但超過一定時長則可降低SDH活性，以3 h/d的LED補光處理(T1)對SDH活性提高效果最佳。

圖2 不同時長LED補光處理黃瓜葉片琥珀酸脫氫酶的活性

2.3 不同時長LED補光處理黃瓜葉片磷酸戊糖途徑相關酶的活性

由圖3看出，不同時長LED補光處理能夠顯著改變黃瓜葉片6-磷酸葡萄糖脫氫酶(G-6-PDH)和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶(6-PGDH)的活性。

2.3.1 G-6-PDH活性 LED補光處理可顯著改變G-6-PDH活性，各處理G-6-PDH活性隨處理時長增加呈先增后降再增趨勢，即T1>CK>T4>T2>T3，其中，T1最高，為4.730 2 nmol/min/mg prot，顯著高于CK及其他處理，T1較CK提高69.32%；T2、T3和T4顯著低于CK，分別較CK低28.99%、32.26%和18.44%。表明，一定時長的LED補光能夠提高黃瓜葉片的G-6-PDH活性，但是超過一定時長則會降低G-6-PDH活性，以T1對G-6-PDH活性的影響最大。

2.3.2 6-PGDH的活性 LED補光處理可顯著改變6-PGDH活性，各處理6-PGDH活性隨處理時長增加呈先增后降再增趨勢，即T1>CK>T4>T3>T2，其中，T1最高，為5.606 2 nmol/min/mg prot，顯著高于對照和其他處理，T1較CK提高86.75%；T2、T3和T4顯著低于CK，分別較CK低49.40%、36.07%和14.98%。表明，一定時長的LED補光能夠提高黃瓜葉片的6-PGDH活性，但是超過一定時長則會降低6-PGDH活性，以3 h/d的LED補光處理(T1)對6-PGDH活性的影響最大。

圖3 不同時長LED補光黃瓜葉片6-磷酸葡萄糖脫氫酶和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶的酶活性

3 討論

植物的呼吸代謝途徑有多條，最普遍的是糖酵解、三羧酸循環和磷酸戊糖等三大途徑。其中，糖酵解是無氧呼吸和有氧呼吸的共同途徑，其主要功能是將葡萄糖逐步分解生成丙酮酸，己糖激酶、丙酮酸激酶和磷酸果糖激酶是該途徑的3個關鍵限速酶[16-20]。趙晉鋒等[21]研究認為，光照強度嚴重影響谷子SiPEPC基因的表達，拔節期弱光可誘導5個SiPEPC基因的表達，而在拔節期中等強度光照以及抽穗期和灌漿期的中等光照和弱光照下表達量均急劇降低。林小蘋等[22]研究發現，不同光質條件下鐵皮石斛的PEPC變化為白光>紅光>藍光>綠光。該研究LED補光主要是補充紅光和藍光，所以PFK和PEPC的反應降低，與前人研究一致。三羧酸循環是糖、脂肪和蛋白質三大物質的共同氧化途徑，對植物維持生命活動所需的主要能量來源具有重要作用，其中，琥珀酸脫氫酶(SDH)是該途徑的關鍵酶。磷酸戊糖途徑的主要作用是產生供還原性生物合成需要的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)以及可供核酸代謝的磷酸戊糖，有些中間產物還可參與氨基酸和脂肪酸合成等，在植物體內有著不可或缺的重要作用，參與植物多種代謝途徑及逆境信號應答過程[23-24]，其中，6-磷酸葡萄糖脫氫酶(G-6-PDH)和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶(6-PGDH)是該途徑的2個重要限制酶。林元震等[23]研究認為，G-6-PDH的超表達能提高植株G-6-PDH酶活性，進而提高保護酶活性與光合能力，從而增強植株抵御逆境的能力。以上3個呼吸代謝途徑之間彼此密切關聯，若其他途徑受限時，另一條途徑則會代替[25-28]，與該研究結果一致。

4 結論

LED補光條件下，磷酸果糖激酶(PFK)和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)活性均顯著降低。3 h/d的LED補光處理能夠提高SDH的活性，其余處理則降低SDH活性，說明，3 h/d的LED補光處理能夠促進三羧酸循環，提高黃瓜的能量供應。G-6-PDH和6-PGDH均在3 h/d的LED補光條件下顯著高于其余處理，因此認為，3 h/d的LED補光對黃瓜生長作用效果顯著。LED補光后，糖酵解途徑的關鍵酶下降，而三羧酸循環和磷酸戊糖途徑的關鍵酶在3 h/d的LED補光條件下則升高，保障了植物的正常呼吸、生長、發育和對環境的適應。