光照強度對馬鈴薯組培苗生長量和熒光參數的影響

郭佳卓，彭露，金磊，曲自成，李世偉，呂文河，石瑛，唐鑫華

（東北農業大學農學院，黑龍江哈爾濱150030）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）是兼用型的全球第四大糧食作物，被稱為“地下蘋果”和“第二面包”[1]。2014年以來中國馬鈴薯單位面積產量逐年上升，2018年達到4 718 kg/hm2[2]。馬鈴薯采用塊莖繁殖，塊莖極容易攜帶病毒病等導致馬鈴薯種薯發生退化，制約了馬鈴薯產量，20世紀50年代以來，脫毒試管苗技術興起，培育無毒苗緩解了產量和品質問題。

光照強度是影響馬鈴薯組培苗質量的重要因素。植物的光合作用是將太陽能轉換為化學能并用于自身形態建成及生長發育，植株葉片中葉綠素能直接捕光獲得能量，能量的利用方式有發生光化學反應、以熱的形式耗散和發射熒光3種，其中以光化學反應為主。激發態的色素分子將能量在光系統中傳遞，在這個過程會發生電荷、質子轉移，形成光合電子流，最大電子傳遞速率ETRmax是表征電子流動快慢的參數，電子傳遞速率越大，相應光合作用越快，植株光合能力越強。IK值是葉片半飽和光強，能反映葉片耐強光的能力。光能利用率α是葉片快速光曲線中初始斜率，能表示植株光合器官葉片對光能的利用率[3]。

光照強度的下降對作物的影響體現在冬小麥光合速率和產量構成三要素：穗數、每穗粒數和千粒重顯著下降，葉片葉綠素含量增加，光能轉化率提高[4]；適當遮光可極顯著提高喜陰作物巖白菜株幅、株高、葉片數和葉面積等生長指標，抑制光系統Ⅱ的活性[5]；燕麥株高、根長、地上和地下部分鮮重及葉綠素含量均有所下降[6]。本研究設置3個等差光照強度，測定其對二倍體及四倍體馬鈴薯組培苗生長及熒光參數等的作用，探究不同光照強度對馬鈴薯組培苗生長的影響，為解析光照強度對作物生長的作用機制奠定基礎，并優化馬鈴薯組培條件，為篩選耐弱光馬鈴薯品種（系）提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的馬鈴薯材料有5個二倍體品系：‘A44’‘A46’‘A92’‘A231’‘A232’，7個四倍體品種：‘費烏瑞它’‘東農303’‘東農310’‘東農312’‘東農321’‘東農322’‘中薯3號’。其中二倍體品系是兩個適應長日照的原始二倍體栽培種富利亞（S.phureja，PHU）與窄刀薯（S.stenotomum，STN）雜種（PHU-STN）無性系的雜交后代[7,8]。

1.2 試驗方法

將各個品種長勢一致的脫毒試管苗除去頂部和基部莖段后，剪成1 cm左右的莖段，每個莖段上有一片葉，接種在MS培養基中，每瓶扦插3苗，每個處理7瓶，置于光照培養箱。設3個光照強度，對照（CK）：3 000 lx（100%），處理1：1 800 lx（60%），處理2：600 lx（20%）。每天光照12 h，溫度24℃。28 d后，測定不同處理下組培苗的生理指標。

1.3 測定項目與方法

培養至28 d時測定組培苗的根、莖和葉鮮重，根、莖和節間長度，莖粗，葉面積，葉綠素相對含量和葉片熒光參數。具體操作參照唐鑫華等[9]和唐鑫華[10]方法。

1.3.1 植株性狀測定

根、莖、葉和總鮮重（g）使用萬分之一電子天平稱量；莖長（cm）用電子游標卡尺測量莖基部到莖尖生長點的長度；節間長（cm）用電子游標卡尺測量苗中部3個節間長度后取均值；莖粗（cm）用電子游標卡尺測量莖基部橫縱雙向數值的平均值。

1.3.2 葉面積測定

使用葉面積儀（YMJ-D，中國浙江托普云農科技股份有限公司）進行測定。各處理選取3株長勢一致的組培苗，將每株苗的所有葉片摘下后平鋪于平面上，再利用儀器測定葉面積。

1.3.3 葉綠素相對含量測定

使用葉綠素儀（柯尼卡美達能SPAD-502，日本美能達）進行測定。各處理選取3株長勢一致的組培苗，測定其上部第3、4葉。

1.3.4 葉片葉綠素熒光參數測定

各處理選取3株長勢一致的組培苗，對其上部第3、4葉暗處理15 min，用葉綠素熒光儀（WALZPAM-2500，德國PAM-WALZ）測定其熒光動力學參數（初始熒光產量F0、最大熒光產量Fm、PSII最大光化學量子產量FV/Fm）和熒光快速光曲線參數（最大電子傳遞速率ETRmax、半飽和光強Ik、光能利用率α）。

1.3.5 數據分析處理

應用Microsoft Excel 2012軟件進行數據整理，應用SPSS Statistics 23進行數據的分析，GraphPad Prism 8制圖。

2 結果與分析

2.1 不同光照強度對馬鈴薯組培苗生長量的影響

馬鈴薯組培苗根鮮重隨光照強度的降低而下降，二倍體馬鈴薯品系處理1、2顯著低于CK；四倍體馬鈴薯‘費烏瑞它’處理之間差異不顯著，其他品種處理2顯著低于CK，其中‘東農321’和‘中薯3號’處理1、2均顯著低于CK。光照強度對馬鈴薯不同品種及品系的莖鮮重影響較小，‘A44’和‘中薯3號’處理2顯著低于CK，‘東農310’和‘東農312’處理2顯著高于CK和處理1，其他馬鈴薯品種或品系的各處理之間差異未達到顯著水平。二倍體馬鈴薯品系葉鮮重‘A44’和‘A46’處理2顯著低于CK，‘A232’處理2顯著低于CK及處理1；光照強度的降低顯著降低了‘東農312’‘東農321’和‘中薯3號’葉片鮮重，而‘東農310’葉鮮重在處理1時最大，其他四倍體馬鈴薯品種葉鮮重受光強影響相對較小。光照強度減弱對組培苗總鮮重影響明顯，二倍體各品系總鮮重呈下降趨勢，處理2低于CK，但‘A231’表現為處理1>CK>處理2，且降幅最小；四倍體變化趨勢不一致，隨光照強度降低‘費烏瑞它’‘東農312’和‘東農322’總鮮重下降幅度較小。光照強度的降低使得二倍體馬鈴薯品系株高升高，‘A231’處理2株高顯著高于CK、處理1；對四倍體馬鈴薯各品種株高的影響不一致，‘費烏瑞它’和‘中薯3號’CK株高最高，‘東農303’‘東農310’和‘東農322’處理1最高，‘東農312’和‘東農321’處理2最高。光照強度的降低提高了馬鈴薯節間長，其中‘A231’‘A232’‘東農303’‘東農321’‘東農322’和‘中薯3號’處理2節間長顯著高于CK。光照強度的降低顯著降低了二倍體馬鈴薯莖粗，除‘A92’外處理2均顯著低于CK；四倍體馬鈴薯規律不太一致，‘中薯3號’處理2顯著高于處理1。葉面積在各處理之間均達到差異顯著水平，除‘費烏瑞它’外其他品種隨光照強度的降低，葉面積顯著下降（表1）。

表1 光照強度對馬鈴薯組培苗生長量的影響Table 1 Effect of light intensity on growth of potato plantlets in vitro

2.2 不同光照強度對馬鈴薯組培苗葉綠素含量及熒光參數的影響

光照強度的降低導致馬鈴薯葉片葉綠素含量普遍下降。二倍體馬鈴薯5個品系處理1、2的葉綠素相對含量水平均低于CK，處理1和處理2差異未達到顯著水平。‘A44’處理1值較CK下降幅度最大，‘A231’最小。四倍體與二倍體趨勢基本一致，其中‘費烏瑞它’和‘東農310’處理1較CK下降幅度較大，另外5個品種差異不顯著。‘東農321’和‘東農322’在處理1條件下的葉綠素相對含量稍高于CK和處理2，但差異不顯著。除‘費烏瑞它’外，各品種在處理1條件下的葉綠素相對含量均高于處理2（圖1）。

圖1 光照強度對馬鈴薯葉片葉綠素相對含量的影響Figure 1 Effect of light intensity on relative chlorophyll contents in leaves of potato plantlets in vitro

光照強度降低，除‘A46’外其他二倍體馬鈴薯組培苗葉片Fv/Fm值均呈現先升高后降低的倒“V”字形趨勢。‘A44’處理1顯著高于CK，‘A92’和‘A232’處理1顯著高于處理2。‘A46’和‘A231’各處理之間差異不顯著。除‘東農310’外，其他四倍體馬鈴薯組培苗葉片Fv/Fm整體隨光照強度的降低而降低。‘費烏瑞它’‘東農303’‘東農321’‘東農322’和‘中薯3號’處理2顯著低于CK，‘東農310’和‘東農312’各處理間差異不顯著（表2）。

表2 光照強度對馬鈴薯組培苗葉片最大光化學量子產量的影響Table 2 Effect of light intensity on maximum photochemical yields in leaves of potato plantlets in vitro

2.3 不同光照強度對馬鈴薯組培苗葉片葉綠素熒光快速光曲線參數的影響

光照強度下降影響電子在光合傳遞鏈中的最大傳遞速率。處理2的ETRmax值均低于CK，處理1普遍低于CK。‘A92’‘A231’‘A232’和‘東農321’處理1高于CK，表明適當減弱光強有利于加快其電子傳遞速率，提高光合效率。組培苗的半飽和光強IK隨光照強度的下降呈下降趨勢，除‘東農303’外，處理2的IK值均低于CK。‘A44’‘A231’‘A232’‘東農312’和‘東農321’的IK值呈倒“V”分布，表現為處理1>CK>處理2（圖2）。

圖2 光照強度對馬鈴薯組培苗葉片ETRmax和IK的影響Figure 2 Effect of light intensity on ETRmax and IK in leaves of potato plantlets in vitro

光照強度減弱普遍降低了組培苗葉片將光能轉化為物化能的效率，即各處理間光能利用率順序為CK>處理1>處理2（圖3）。‘A92’和‘A231’光能利用率α處理1分別高于CK和處理2 5.21%、31.36%和13.89%、33.49%。‘東農312’處理1、2顯著低于CK，說明其受光強影響程度大，耐弱光能力較弱，而‘東農321’下降幅度小，耐弱光能力較強。

圖3 光照強度對馬鈴薯組培苗葉片光能利用率的影響Figure 3 Effect of light intensity on light energy utilization efficiency in leaves of potato plantlets in vitro

3 討論

光照強度會影響植株光合作用，成為限制幼苗生長健壯的一個重要因素。隨著光照強度下降，馬鈴薯組培苗根、莖、葉和總鮮重存在不同程度降低。‘A231’和‘東農322’總鮮重表現為處理1>CK>處理2，結合本試驗其他測定指標可知適當降低光照強度可提高其捕獲與轉化光能能力，加快電子傳遞速率，提高光合速率，增強自身對弱光的利用能力。株高在二倍體各品系中顯著增加，這與張欣等[11]、李潤等[12]、秦玉芝等[13]結論一致，在四倍體各品種中趨勢不一致，可能原因是不同馬鈴薯品種光飽和點不同，光照強度過飽和對植株生長造成一定程度的光抑制。同時不同品種（系）均表現出節間長增長、莖粗降低、葉面積顯著下降趨勢，與CK差異顯著。表明光照強度降低改變幼苗生長環境中紅光（Pr）與遠紅光（Pfr）的比例[14]，光敏色素及時感應到變化并調節自身生長，營養分配側重于莖，導致莖發生徒長表現出纖細、彎曲、柔弱。馬鈴薯葉片葉綠素含量普遍隨光照強度的減弱而降低，光合活力降低。‘A44’‘A92’和‘費烏瑞它’呈現先降后升的趨勢，根據‘費烏瑞它’的耐弱光系數可知其具有一般耐弱光性[15]，當光照強度降低，為保證自身生長需求增加葉綠素相對含量來提高光合速率，進而提高對弱光的利用能力。即隨著光照強度降低馬鈴薯組培苗根鮮重、葉鮮重和葉面積顯著下降，二倍體馬鈴薯組培苗株高顯著升高，莖粗顯著降低，四倍體馬鈴薯節間長顯著增加。二倍體馬鈴薯葉片葉綠素相對含量處理1低于CK，大部分四倍體馬鈴薯葉綠素相對含量呈下降趨勢。

光照強度的降低影響組培苗光合作用。最大光化學量子產量FV/Fm=（Fm-F0）/Fm反映了PSII的最大光能轉換率。FV/Fm是衡量植株是否受到脅迫的重要指標。隨著光照強度降低，多數二倍體馬鈴薯組培苗FV/Fm先升后降，多數四倍體顯著下降，表明低光照會抑制組培苗PSII光能的轉換，降低光合作用水平[16]。同時葉片最大電子傳遞速率ETRmax和半飽和光強IK隨光照強度的下降顯著下降，處理2顯著低于CK，即低光強顯著降低電子傳遞速率，減少了參與固定CO2環節中的電子。而部分品系和品種ETRmax或IK值處理1高于CK，說明不同品系或品種遺傳背景不同，對弱光的反應能力有差別，‘A231’和‘A232’的ETRmax和IK值在處理1條件下均表現出高于CK的特征，可得出其具有一定耐弱光的能力。光能利用率α也隨之下降，處理1、2普遍低于CK。‘東農312’處理1、2顯著低于CK，‘東農312’為直立株型，中等分枝[17]，截獲光能少，因此受光強影響程度大，耐弱光能力較弱，而‘東農321’下降幅度小，表現為莖稈增重增粗，耐弱光能力較強。即多數二倍體馬鈴薯Fv/Fm先升后降，多數四倍體持續降低。馬鈴薯葉片快速光曲線參數最大電子傳遞速率ETRmax、半飽和光強IK和光能利用率α隨光照強度的降低而降低。