遠紅光輻照對干旱脅迫下生菜種子萌發及幼苗生長的影響

栗昕羽 朱 梅* 李曉樂 程主明 陳 雷*

(1.安徽農業大學 工學院，合肥 230036； 2.合肥工業大學 材料科學與工程學院，合肥 230009)

生菜學名葉用萵苣(

Lactuca

sativa

L.)，菊科萵苣屬，一二年生草本植物，按形態可分為結球生菜、直立生菜和散葉生菜。生菜具有生長期短、復種指數高、生長均勻整齊、清潔無污染和無蟲害等優點，但根系淺、葉面積大，因此生育期需水量較大，且不耐旱。傳統露天栽培和日光溫室栽培的生菜無論從產量還是品質上都不能滿足人們日益增長的需求，基于LED智能補光的植物工廠栽培已成為業界公認的發展方向。

光是植物生長發育過程中必不可少的環境信號，已有研究表明光信號參與調控植物的種子萌發、幼苗去黃化、逆境脅迫響應和蔭蔽反應等生長發育過程。植物在長期進化中形成了多種光感受系統即光受體，用于感知周圍環境的光強、光質、光向和光周期，并對其變化做出響應。其中響應紅光和遠紅光的光敏色素(Phytochrome)就是1種主要的光受體。光敏色素存在2種可以相互轉換的狀態，基態(記為Pr)吸收1個波長峰值約為660 nm的紅光光子之后，轉換為生理活性態(Pfr)；當處于Pfr態的光敏色素吸收1個波長峰值為730 nm遠紅光光子之后，又轉換為Pr態。光形態建成主要是依靠吸收紅光與遠紅光完成Pr與Pfr態的交替變換，這也是植物生理活性的控制開關。

近年來許多研究發現，光敏色素參與調控植物應對病原菌和蟲害等生物脅迫，以及冷害和高溫等非生物脅迫。對水稻的研究顯示，光敏色素還參與調控植物的耐旱性并影響其生物量。對擬南芥光敏色素相關基因的研究發現光敏色素主要作用于通過PhyB介導的脫落酸信號途徑響應干旱脅迫，作用因子(PIFs)通過調節氣孔開閉，降低葉片蒸騰速率，最終達到抗旱作用。但是光敏色素和光信號途徑調控植物對非生物脅迫的研究主要集中在模式植物擬南芥和水稻中，對其他經濟作物研究相對較少。

光環境包含光照時間、光照比例和光質三大方向。光照和黑暗時間長短的交替變化為光周期，植物根據這種變化規律做出不同的生理響應。基于遠紅光的光信號作用，已有研究探索光照時長、光照時間以及間斷光照對植物生長的影響，結果表明遠紅光間斷輻照對植物生長具有顯著促進作用。還有研究指出，頻繁的遠紅光脈沖且遠紅光脈沖之間的暗相位短于30 min或連續的遠紅光照射能夠增強遠紅光反應，即使是較短的暗處理與持續遠紅光處理相比也能顯著促進遠紅光反應。適當的光照時長及光周期不僅影響植物光合作用進行，在植物生理代謝、根莖生長、有機物積累及產量品質等方面均有不同程度的影響。

水分是農業生產中的一項重要因素，干旱脅迫在眾多方面影響植物生長發育。在萌發期，干旱致使種子萌發不同步、萌發率低，甚至完全抑制種子萌發。在生長階段，干旱引起植物細胞膨壓降低，抑制植物幼苗正常生長，使植株弱小低矮。生菜含水量為80%～90%，在生長期耗水量較大，同時生菜根系淺和葉面積大，干旱對其生長影響很大。因此,研究生菜生長期抗旱對于提高蔬菜抗旱性能具有非常重要的意義。

基于以上研究，本研究設置3因素3水平正交試驗，在不同干旱環境下，采用多因素分析法對夜間遠紅光輻照下的生菜種子萌發及幼苗生長開展研究，以期為設施環境生菜生產節水提供1種新的環境友好型解決策略，為解決農業生產中的實際問題提供試驗依據及方案。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021年5月在安徽農業大學工學院實驗室進行。試驗所用生菜種子購于合肥市種子市場，生菜品種分別為‘盛達’結球生菜、意大利耐抽薹直立生菜和意大利散葉生菜。生菜種子萌發期采用培養皿水培法，培養皿直徑120 mm。水培營養液為標準霍格蘭營養液，購于青島高科技工業園海博生物技術有限公司，營養液主要成分為硫酸鉀(607 mg/L)、硫酸鎂(493 mg/L)和磷酸二氫銨(115 mg/L)。使用聚乙二醇PEG 6 000(純度98.5%，無錫市亞泰聯合化工有限公司)模擬干旱脅迫。種子萌發至第一片真葉展開，使用海綿包裹幼苗根部轉移至剪掉底部的直徑為12 mm的塑料試管培養。營養液與萌發期培養液一致。

試驗使用白光LED燈帶模擬自然日光，光照強度為456.5 lx，栽培樣品接收到的白光輻射光功率為1.463 W/m。試驗用遠紅光光源由合肥工業大學研制,型號為F-118，光源電功率8 W，輸入電流375 mA，栽培樣品接收到的遠紅光輻射光功率為2.074 W/m，白光和遠紅光發射光譜及其與植物光敏色素Pr和Pfr態吸收光譜的對比如圖1所示。可以發現，本研究使用遠紅光LED峰值波長約在710～730 nm，且采用的遠紅光發射光譜能夠很好地覆蓋植物光敏色素Pfr態吸收光譜。

圖1 白光和遠紅光光源的發射光譜以及植物 光敏色素Pr和Pfr態的吸收光譜Fig.1 Emission spectra of the white and far red light sources as compared with the absorption spectra of phytochrome Pr and Pfr states of plants

1.2 試驗方法

1

.

2

.

1

正交試驗設計

試驗設置生菜品種、干旱脅迫程度和夜間遠紅光環境3個因素，生產品種選擇結球生菜、散葉生菜和直立生菜3個水平，干旱脅迫程度設置無干旱脅迫(PEG質量濃度為0 g/L)、輕度干旱脅迫(PEG質量濃度為100 g/L)和重度干旱脅迫(PEG質量濃度為200 g/L)3個水平，參考3因素4水平的L(3)正交表設計(表1和2)。

試驗光環境設置為：白天(7：00—21：00)為白光LED燈帶模擬自然光輻照，夜間(21：00—次日7：00)分別設置夜間無遠紅光輻照、夜間連續遠紅光輻照和夜間間斷遠紅光輻照。遠紅光間斷輻照以2 h 為一個周期，周期內遠紅光輻照1 h，黑暗1 h。

生菜經發芽及幼苗期生長23 d后對其發芽參數(發芽勢、發芽率和發芽參數)和生長參數(根長、莖葉長和鮮重)進行統計，并分析各因素對其影響，以確定生菜生長最優水平。再將正交試驗最優水平與各因素較好水平組合進行全面試驗驗證，以獲取最優方案。

1

.

2

.

2

培養方法

從每個生菜品種選取400粒飽滿種子，使用75%酒精消毒30 s后用蒸餾水沖洗4～5遍，之后使用蒸餾水浸種8 h。每個試驗處理挑選大小一致、籽粒飽滿的種子，均勻置于底部墊有2張濾紙的培養皿中，每個培養皿100粒。加入培養液15 mL，種子萌發期間，每天補充2 mL，補充培養液成分不變。培養溫度為25～28 ℃。

種子萌發至第1片真葉展開，每組選取20株生長狀況良好的幼苗，移至試管進行幼苗階段培養。生菜幼苗根部用海綿包裹，直立放置于試管中央，試管間距5 cm放置。營養液液面略低于海綿高度。培養至第4片真葉展開，共培養23 d。

表1 試驗因素及水平
Table 1 Factors and level of orthogonal experiment

水平Level因素A:品種Factor A:Variety因素B:干旱脅迫程度Factor B:Degree of drought stress因素C:夜間遠紅光環境Factor C:Far red light environment1結球生菜無干旱脅迫 夜間無遠紅光 2散葉生菜輕度干旱脅迫夜間連續遠紅光3直立生菜重度干旱脅迫夜間間斷遠紅光

表2 不同組別試驗方案
Table 2 Orthogonal experimental design scheme

試驗組Group因素A:品種Factor A: Variety因素B:干旱脅迫程度Factor B: Degree of drought stress因素C:夜間遠紅光環境Factor C: Far red light environmentT1結球生菜無干旱脅迫 夜間無遠紅光 T2結球生菜輕度干旱脅迫夜間連續遠紅光T3結球生菜重度干旱脅迫夜間間斷遠紅光T4散葉生菜無干旱脅迫 夜間間斷遠紅光T5散葉生菜輕度干旱脅迫夜間無遠紅光 T6散葉生菜 重度干旱脅迫夜間連續遠紅光T7直立生菜無干旱脅迫 夜間連續遠紅光T8直立生菜 輕度干旱脅迫夜間間斷遠紅光T9直立生菜 重度干旱脅迫夜間無遠紅光

1

.

2

.

3

測定數據及方法

發芽參數的測定：試驗種子萌發期間，每24 h觀察記錄發芽數，計算發芽率、發芽勢和發芽指數。種子以胚根突破種皮1 mm為發芽標準。

發芽率=10 d發芽種子數/供試種子數×100%

(1)

發芽勢=4 d發芽種子數/供試種子數×100%

(2)

發芽指數=∑

G

/D

(3)

式中：

G

為浸種

t

日發芽數，個；

D

為相應發芽天數，d。

生長參數的測定：每組各取培養23 d后的20株幼苗，使用游標卡尺(精度0.01 mm)測量根長和株高；使用電子天平(精度0.001 g)稱取幼苗鮮重，測量結果取平均值。

驗證試驗種子萌發及幼苗培養方法、參數測定方法與正交試驗一致。

1.3 數據處理

試驗數據采用Excel進行數據記錄，SPSS 22.0軟件進行方差分析，采用Minitab軟件進行極差分析及正交趨勢分析。

2 結果與分析

2.1 正交試驗結果

在試驗組T1～T9中，發芽參數及幼苗生長參數均有顯著差異。生菜種子發芽勢、發芽率和發芽指數均是第4組最大(圖2)，分別為70.66%、80.00% 和41.85，比最小值分別增加107.84%、63.27%和74.02%。T4的幼苗平均根長、莖葉長與鮮重均為最大值(圖3)，分別為81.81 mm、80.83 mm與0.12 g，比最小值T1增加173.75%、70.53%和234.26%。且除發芽率和莖葉長外，T4各指標均顯著優于其他試驗組，T1～T3各指標整體較差。正交試驗T4種子萌發及幼苗長勢最優，各因素最優水平為A2B1C3，即散葉生菜在夜間遠紅光間斷輻照且無干旱脅迫下進行種子萌發與幼苗生長生菜長勢最優。

2.2 極差分析

采用極差分析法處理6個試驗結果數據，根據極差

R

的大小即可看出影響生菜種子萌發和幼苗生長的各因素的主次關系，得出各指標的最優水平。對不同因素的影響進行分析，得出3因素試驗的最優方案(表3～8)。

k

值為各因素在相應水平下發芽勢、發芽率和發芽指數的均值，可以有效反應各因素在不同水平下的差異，極差

R

的大小可以看出各因素的主次關系。對于生菜種子發芽率的影響因素的主次關系為：生菜品種>夜間遠紅光環境>干旱脅迫程度，在試驗所選擇的水平范圍內各因素最優水平為A2C3B1，即在無干旱脅迫下，夜間增加遠紅光間斷輻照對散葉生菜種子的發芽率促進作用最優(表4)。

不同字母表示差異極顯著(P<0.01)。下同。 Different letters indicate significant difference (P<0.01). The same below.圖2 正交試驗種子發芽情況Fig.2 Seed germination in orthogonal test

圖3 正交試驗幼苗生長情況Fig.3 Seedling growth in orthogonal test

表3 發芽勢極差分析表
Table 3 Range analysis of germination potential

因素FactorA:品種A: VarietyB:干旱脅迫程度B: Degree of drought stressC:夜間遠紅光環境C: Far red light environmentk10.3480.5600.536k20.6830.5300.513k30.5600.5010.541R0.3350.0590.028

注：為各因素在不同水平下各響應參數的平均值。下同。

Note: in the
Table is the average value of response parameters of various factors at different levels。The same below.

表4 發芽率極差分析表
Table 4 Range analysis of germination rate

因素FactorA:品種A: VarietyB:干旱脅迫程度B: Degree of drought stressC:夜間遠紅光環境C: Far red light environmentk10.5270.6670.640k20.7840.6470.665k30.6990.6660.674R0.2570.0200.034

表5 發芽指數極差分析表
Table 5 Range analysis of germination index

因素FactorA:品種A: VarietyB:干旱脅迫程度B: Degree of drought stressC:夜間遠紅光環境C: Far red light environmentk125.58834.81333.400k241.32933.51733.843k334.79933.38734.475R15.7411.4261.075

3個因素對發芽勢與發芽指數的影響的主次關系為：生菜品種>干旱脅迫程度>夜間遠紅光環境(表3 和5)。其中在試驗所選擇的水平范圍內各因素最優水平為A2B1C3，即在無干旱脅迫下，夜間增加遠紅光間斷輻照對散葉生菜種子發芽勢和發芽指數促進作用最優。

表6 幼苗根長極差分析表
Table 6 Range analysis of root length

因素FactorA:品種A: VarietyB:干旱脅迫程度B: Degree of drought stressC:夜間遠紅光環境C: Far red light environmentk144.68859.86452.897k267.92456.77759.944k361.80357.77461.573R23.2363.0878.676

表7 幼苗莖葉長極差分析表
Table 7 Range analysis of stem-leaf length

因素FactorA:品種A: VarietyB:干旱脅迫程度B: Degree of drought stressC:夜間遠紅光環境C: Far red light environmentk153.79966.51661.976 k271.62168.58862.804 k363.36959.68570.009 R17.8228.9038.033

表8 幼苗鮮重極差分析表
Table 8 Range analysis of seedling fresh weight

因素FactorA:品種A: VarietyB:干旱脅迫程度B: Degree of drought stressC:夜間遠紅光環境C: Far red light environmentk10.056 0.081 0.065 k20.099 0.086 0.086 k30.0860.0740.090 R0.043 0.0120.022

對于生菜幼苗，3個因素對根長影響的主次關系為生菜品種>夜間遠紅光環境>干旱脅迫程度，在試驗選擇的水平范圍內各因素最優水平為A2C3B1，即在無干旱脅迫下，夜間增加遠紅光間斷輻照對散葉生菜幼苗根長生長促進效果最明顯(表6)。對莖葉長影響的主次關系為生菜品種>干旱脅迫程度>夜間遠紅光環境(表7)，促進莖葉長的最優水平分別為A2B2C3，即在輕度干旱脅迫下，夜間增加遠紅光間斷輻照對散葉生菜莖葉生長促進效果最優。對鮮重影響的主次關系為生菜品種>夜間遠紅光環境>干旱脅迫程度(表8),有利于促進鮮重的最優水平分別為A2C3B2，即在輕度干旱脅迫下，夜間增加遠紅光間斷輻照對散葉生菜鮮重促進效果最優。

由以上結果分析可知，除散葉生菜對夜間增加遠紅光響應明顯優于其他2個品種之外，干旱脅迫程度和夜間遠紅光環境最優水平及對不同指標影響主次不同。因此需要進一步研究因素對指標的影響趨勢，確定正交試驗最優方案。

2.3 正交趨勢分析

由極差分析可知在遠紅光間斷輻照環境中無干旱脅迫時為生菜種子萌發階段最優方案，且該方案最適用于散葉生菜。對幼苗生長參數而言，因素A綜合最優水平為A2，即遠紅光更適用于散葉生菜；因素C綜合最優水平為C3，即夜間增加遠紅光間斷輻照更有利于生菜幼苗根莖的生長與鮮重的增加。但因素B的綜合最優水平僅通過極差分析不能確定。

因素B對于莖葉長是更重要的因素，根長選擇的較優水平為B1，莖葉長和鮮重選擇的較優水平為B2。結合正交趨勢圖(圖4)，B2水平下莖葉長更長，根長與鮮重雖有降低，但干旱脅迫程度為次要因素且幅度較小，因此選擇因素B的綜合最優水平為B2，即輕度干旱脅迫可能促進根莖與鮮重的增長。

綜上，生菜在幼苗階段生長的各因素最優方案為A2B2C3，即夜間進行遠紅光間斷補充輻照且受輕度干旱脅迫時顯著促進生菜種子幼苗生長，其中對散葉生菜的影響最為明顯，各參數的影響主次關系為生菜品種>夜間遠紅光環境>干旱脅迫程度。

2.4 最優方案驗證

散葉生菜對夜間增加遠紅光間斷輻照的響應最優，生菜種子萌發階段最優方案為無干旱脅迫，生菜幼苗生長階段最優方案為輕度干旱脅迫。以最優方案為基礎，開展驗證試驗。

驗證試驗選擇試驗品種為散葉生菜，干旱程度設置無干旱脅迫與輕度干旱脅迫2個水平，夜間遠紅光為連續遠紅光或間斷遠紅光，設置2因素2水平全面試驗。具體試驗設計見表9。

驗證試驗生菜種子萌發情況如圖5所示，Ⅱ組發芽率、發芽勢和發芽指數均為本組試驗的最大值。在無干旱脅迫下，夜間增加遠紅光間斷輻照，發芽率比其他試驗組增長9.99%～37.49%，發芽勢增長17.63%～53.81%，發芽指數增長13.23%～42.4%，均達到顯著水平。其他試驗組間發芽率與發芽指數差異均不顯著，發芽勢差距顯著。因此，無干旱脅迫下夜間增加遠紅光間斷輻照可作為散葉生菜種子萌發階段最優方案。

驗證試驗生菜幼苗發芽情況如圖6所示，驗證試驗中Ⅳ組幼苗長勢較好，根長、莖葉長和鮮重均為最大值，分別比其他試驗組增長2.75%～45.45%、13.43%～67.1%和7.46%～81.15%。方差分析表明生菜幼苗生長期最優方案的根長與莖葉長顯著高于其他試驗組，鮮重與無干旱脅迫相比增加不顯著。此外，輕度干旱脅迫下，連續遠紅光輻照并不能促進幼苗生長，根長、莖葉長與鮮重均顯著小于其他試驗組。因此，輕度干旱脅迫下，夜間增加遠紅光間斷輻照可作為散葉生菜幼苗階段最優方案。

圖中字母A、B和C表示試驗因素，數字1、2和3表示各因素的水平，具體含義見表1。 In the figure, letters A, B and C represent experimental factors, and numbers 1, 2 and 3 represent the level of each factor. SeeTable 1 for specific meanings.圖4 幼苗生長參數正交趨勢圖Fig.4 Orthogonal trend chart of seedling growth parameters

表9 驗證試驗設計
Table 9 Verification experiment design

試驗組Group干旱脅迫程度Degree of drought stress夜間遠紅光環境Far red light environmentⅠ無干旱脅迫 夜間連續遠紅光Ⅱ無干旱脅迫 夜間間斷遠紅光Ⅲ輕度干旱脅迫夜間連續遠紅光Ⅳ輕度干旱脅迫夜間間斷遠紅光

驗證試驗Ⅱ組，即夜間遠紅光間斷輻照下無干旱脅迫對生菜種子發芽促進效果明顯；驗證試驗Ⅳ組，即夜間遠紅光間斷輻照下輕度干旱脅迫對生菜幼苗生長有更好的促進作用。綜上，夜間增加遠紅光間斷輻照下，種子萌發階段無干旱脅迫，幼苗階段設置輕度干旱脅迫為遠紅光促進生菜種子萌發及幼苗生長的最優方案，且遠紅光對散葉生菜促進效果最明顯。

3 討 論

本研究采用的遠紅光發射光譜能夠很好地覆蓋植物光敏色素Pfr態吸收光譜，夜間使用該遠紅光輻照，使Pfr型光敏色素轉換為Pr型。前人研究表明，暗期短時遠紅光處理會顯著影響植物的生長形態，引起植物莖的伸長。本研究中，夜間增加遠紅光間斷輻照對生菜幼苗生長的促進作用最優，遠紅光連續輻照次之，無遠紅光輻照對照組最差。此外本研究中遠紅光間斷輻照對生菜種子萌發也有顯著促進作用，由此可見多次短時遠紅光對植物間斷輻照并不是直接參與植物光合作用，而是作為信號傳導，促使Pr態光敏色素與PIFs作用，結合相關蛋白質進入細胞核，并結合基因啟動子完成相關抗旱基因表達。

圖5 驗證試驗種子發芽參數Fig.5 The seed germination parameters of the verify experiment

圖6 驗證試驗幼苗生長參數Fig.6 The seedling growth parameters of the verify experiment

PEG 6000由于無毒且不易被植物體吸收，因此被廣泛應用于作物模擬干旱脅迫的試驗研究，但對于不同作物、不同生育期以及不同試驗方法，試驗設置PEG 6000脅迫程度有所不同。本研究選擇無干旱脅迫為對照，設置PEG質量濃度為100 g/L的輕度干旱與質量濃度為200 g/L的重度干旱2種干旱脅迫程度，結果顯示，生菜種子萌發期受到干旱脅迫不利于種子萌發，但幼苗階段在夜間遠紅光輻照下設置輕度干旱脅迫可顯著促進植株生長。這與前人研究結果相似。與夜間遠紅光環境因素相比，生菜種子萌發階段干旱脅迫程度因素為更主要因素，幼苗期干旱脅迫程度因素則為本試驗中的最不重要因素。可能是遠紅光輻照通過光敏信號途徑，影響植物激素脫落酸等途徑，影響植物葉片的形態、氣孔和根部的發育。因為生菜耐旱性差，全生長期對水分要求較高，夜間遠紅光輻照對干旱脅迫具有顯著的緩解作用，在植株層面表現為經遠紅光間斷輻照，生菜幼苗期可增加輕度干旱，植物長勢更優。但植物響應遠紅光輻照的耐旱機制研究僅存在于模式植物擬南芥中，其他植物經遠紅光輻照后對干旱脅迫響應機制的異同并不清晰，有待進一步研究。

植物具有一定的抵御和適應干旱環境的能力，不同植物之間及植物不同品種之間，其抗旱能力和應答機制存在差異。本研究結果顯示散葉生菜在受到干旱脅迫時增加夜間遠紅光間斷輻照發芽及生長表現最優，直立生菜次之，結球生菜最弱。同時，生菜品種因素為影響種子發芽及幼苗生長的最主要因素，說明該試驗結果并不是夜間遠紅光環境與干旱脅迫程度2個次要試驗因素造成。遠紅光間斷輻照與輕度干旱脅迫對生菜種子萌發及幼苗生長的促進作用不受品種因素限制。

4 結 論

本研究以生菜為例，利用修飾光敏色素信號途徑對植物進行改良，經正交試驗及驗證試驗分析，夜間增加遠紅光間斷輻照下，種子萌發階段無干旱脅迫，幼苗階段設置輕度干旱脅迫為遠紅光促進生菜種子萌發及幼苗生長的最優方案，并且對散葉生菜促進效果最明顯。研究為設施農業生產中植物逆境脅迫提供一種新的環境友好型解決策略，可解決農業生產中的實際問題，對于光合農業具有極大的應用價值。