不同光質的光周期對青蒜苗生長、光合特性及蔗糖合酶活性的影響

王曉琴,郭小強,何家暾,年志娟,郭婷婷,曾秀存,4,5,張芬琴,4,6

(1.河西學院生命科學與工程學院,甘肅 張掖 734000;2.隴東學院生命科學與技術學院,甘肅 慶陽 745000;3.甘肅省隴東生物資源保護利用與生態修復重點實驗室,甘肅 慶陽 745000;4.甘肅省河西走廊特色資源利用重點實驗室,甘肅 張掖 734000;5.河西走廊油菜-玉米抗逆研究中心,甘肅 張掖 734000;6.河西生態研究所,甘肅 張掖 734000)

光不僅是綠色植物光合作用的能源,也作為一種環境信號調控植物生長發育。不少學者借助不同光譜的發光二極管(LED)發光技術,從不同角度研究了光質及光周期對植物生長發育、生理生化特性、物質積累以及抗氧化性的影響。有研究發現,藍光可調節桉樹葉片氣孔開放和質膜H+-ATPase活性[1],促進黃色甜椒幼苗的生長[2],提高芹菜葉柄的花青素含量[3],增大銀耳的耳片和子實體直徑[4];紅光可提高菜用大豆的株高和下胚軸長度[5]。研究還發現,在溫室補充紅光條件下,添加適量藍光有利于提升番茄產量[6];紅藍組合光下番茄生長健壯,干物質積累量大,光合效率高[7];紅藍光組合處理可促進青花菜花球中硫苷的積累[8];紅光、藍光和黃光組合顯著提高了西葫蘆幼苗的凈光合速率、葉綠素含量和壯苗指數[9];將芥菜進行紅藍組合光和紅綠藍組合光的分段照射處理后,其鮮質量顯著增加[10]。研究也證實,4 h光期(紅藍混光)/10 h暗期的光周期能促進番茄生長發育[11];16 h光期(6紅光∶1藍光∶1紫光∶1綠光)/8 h暗期的光周期在促進香梓楠幼苗生長和光合作用方面潛力較大[12];12 h白光/12 h紅光的光周期有利于提高西蘭花芽苗菜產量和營養品質[13];孫朝華等[14]研究表明,10 h光期(7紅光∶1藍光)/14 h暗期的光周期有助于奶油生菜生長和品質改善。以上研究表明,光質及其不同配比的光周期對植物生長發育等方面的影響因植物種類不同而有差異。

蒜(AlliumsativumL.)為多年生百合科蔥屬植物,是一種歷史悠久的藥食兩用植物,其鱗莖被稱為大蒜,幼苗被稱為青蒜苗。青蒜苗是我國大多數地區城鄉居民喜愛的假莖葉用蔬菜。與大蒜不同,青蒜苗生產周期短,可提高土地利用率,尤其適合設施種植。目前,青蒜苗在我國多地享有“小蒜苗、大產業”美稱,在我國高原夏菜生產基地——河西走廊地區產業調整中也將青蒜苗作為戈壁設施農業重點發展的菜品之一。然而,在青蒜苗設施生產實踐中尚存在不少難題,如冬季低溫采用棉被等覆蓋溫室或拱棚保暖以及夏、秋兩季為設施遮陰防高溫而導致光照不足,設施內四季種植時適宜的光周期不確定等。基于此,本研究選擇當地特色資源民樂紫皮大蒜作為試驗材料,探索不同光質和光周期組合下青蒜苗生長及生理生化特性的變化,以尋找適宜的光周期,為青蒜苗設施生產和經濟效益提升提供理論依據,為當地高原夏菜生產和戈壁農業產業發展提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗材料為民樂紫皮大蒜。2020年8月底大蒜采收后,置于室溫下陰涼通風處使其度過休眠期。2021年1月初挑選大小基本一致的帶皮蒜瓣,經去離子水沖洗掉表面灰塵后,用潔凈的海綿輕輕包裹其中部,并固定于干凈的泡沫板上,蒜瓣間隔約1 cm,將此泡沫板置于大小匹配的、盛滿去離子水的培養盒上并保持蒜瓣基部與水面相接,室溫下待其出芽,期間每天換水1次。蒜瓣出芽后,將芽長較為一致的蒜瓣移栽到自制的水培裝置(材質為PP,口徑13.0 cm、杯底10.5 cm、杯高14.5 cm,容積為1 000 ml的塑料杯1只,直徑為14 cm的泡沫板杯蓋1塊,其中央有1孔,以此孔為中心、4 cm為半徑的圓周上有均勻分布的3個孔,孔徑以略大于蒜瓣周徑最大處為宜)中,每個裝置移栽4株。共有27套裝置,分為 3 組,分別置于可同時或分別提供LED紅光、藍光和白光的3臺同型號滴管式冷光源植物生長箱(DRX-680E-DG,寧波賽福實驗儀器有限公司)中進行培養。培養條件為:溫度(25±1)℃,濕度(60±3)%,光照強度150 μmol·m-2·s-1,培養15 d后采樣測定相關指標。如上操作直到所設置的光質、光周期組合試驗分批完成,每個組合重復3次。以1個光周期為24 h為準,設置12 h(短光照)和18 h(長光照)兩種光照時長;在兩種光照時長下分別設置4種光質處理,即白光、1/2白光+1/2紅光、1/2白光+1/2藍光、1/2白光+1/2紅藍混光。具體設置如表1所示。

1.2 測定指標及方法

1.2.1 生理指標測定 培養15 d后(四葉一心期),從每個水培裝置的4株幼苗中隨機取1株,共取9個樣株,每株選取基部向上數的第2片葉中部測定葉綠素相對含量及其相應的熒光和光合參數。葉綠素相對含量用SPAD測定儀(TYS-A,浙江托普儀器有限公司)測定,葉綠素熒光參數用Handy PEA植物效率分析儀(Handy PEA, Hansatech公司,英國)測定,在暗適應30 min 后,從儀器上直接讀取最小熒光強度(Fo)、最大熒光強度(Fm)、暗適應下PSⅡ的最大量子產額(Fv/Fm),由此計算出可變熒光Fv(Fm-Fo)、潛在光化學效率(Fv/Fo)。光合參數包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci),采用便攜式光合測定系統(TPS-2,PP SYSTEMS公司,美國)測定,測定時CO2由開放式氣路供應,相對濕度約30%,葉溫為(25±1)℃。

1.2.2 形態指標測定 取測過生理指標的9個樣株的第2片葉,測量葉寬(葉片最寬處尺寸)、葉長(葉鞘上緣到葉尖的長度)、假莖粗(第1片葉的葉鞘上緣下1 cm處的粗度)、假莖長(鱗莖頂到第1片葉的葉鞘上緣的長度)后,將9個樣株的鱗莖和根去掉,分別稱重即得假莖葉鮮質量。

1.2.3 生化指標測定 從每個水培裝置剩余的3株幼苗中隨機取1株,共9個樣株,取各樣株第2片葉的中段剪碎混勻,按樣品∶提取液為1∶1的比例獲取粗酶液,參照高俊鳳[15]的方法測量核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBP carboxylase,Rubisco)和蔗糖磷酸合酶(Sucrose phosphate synthase,SPS)活性。

1.3 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2016 計算相關數據,用SPSS 21.0進行差異顯著性分析,用Origin軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 光周期對青蒜苗生長特征的影響

由表2可知,與短光照光周期處理相比,長光照光周期處理使青蒜苗葉長和假莖長顯著降低(P<0.05),但使葉寬、假莖葉鮮質量顯著增加(P<0.05)。與短光照下各光周期處理相比,長光照處理的葉長和假莖長分別降低17.66%和16.38%,其中18W/6D處理降幅最大,分別達25.88%和27.12%;葉寬增加11.19%;假莖葉鮮質量增加20.70%,其中6W+12(R+B)/6D處理增加最多,增幅達40.37%。與12W/12D相比,所有其他光周期處理均使假莖粗顯著增加(P<0.05),其值是12W/12D的1.17倍。相同光照時長下,各光周期處理間葉寬差異均不顯著,可見葉寬生長僅與光照時長有關,其他生長指標則同時受光照時長和光質及其組合影響。

2.2 光周期對青蒜苗葉片光合特性的影響

由表3可知,12W/12D和18W/6D光周期處理之間青蒜苗葉片Gs和Tr差異不顯著,即純白光光周期處理對這兩個指標的影響沒有顯著差異(P>0.05),與這兩個處理相比,其他光周期處理均顯著提升了Gs和Tr(P<0.05),其中6W+12(R+B)/6D提升幅度最大。與12W/12D相比,6W+12(R+B)/6D分別使Gs和Tr提升96.56%和35.48%。與短光照光周期處理相比,長光照光周期處理均使Pn顯著提高、Ci顯著降低(P<0.05),其中6W+12(R+B)/6D處理效果最顯著。與短光照下光周期處理相比,長光照處理Pn增加118.07%,其中6W+12(R+B)/6D提高192.90%(P<0.05);而Ci降低20.38%,6W+12(R+B)/6D降低35.25%。各光合指標變化不僅與光照時長有關,還與光質及其組合有關。

2.3 光周期對青蒜苗葉片葉綠素含量及其熒光參數的影響

由表4可知,與短光照光周期處理相比,長光照光周期處理顯著提高了青蒜苗葉片SPAD和熒光參數(P<0.05),其中6W+12(R+B)/6D提升幅度最大。與短光照下光周期處理相比,長光照光周期處理下SPAD、Fo、Fv/Fm和Fv/Fo分別提升8.55%、11.27%、8.64%和7.91%,其中6W+12(R+B)/6D使其分別提升19.16%、19.32%、19.75%和26.37%。在短光照下,各光周期處理間SPAD和各熒光參數值均無顯著差異,表明該光照時長內各指標不受光質及其組合的影響;在長光照下,葉綠素和熒光參數則與光照時長和光質及其組合均有關。

表2 光周期對青蒜苗生長的影響

表3 光周期對青蒜苗葉片光合特性的影響

2.4 光周期對青蒜苗葉片光合產物代謝相關酶活性的影響

由圖1可知,青蒜苗葉片Rubisco活性在兩種純白光照光周期處理(12W/12D和18W/6D)之間無顯著差異(P>0.05)。與這兩個處理相比,其他光周期處理均顯著提升了Rubisco活性(P<0.05),其中6W+12(R+B)/6D提升幅度最大,較12W/12D提升230.56%,較18W/6D提升221.62%。與短光照光周期處理相比,長光照光周期處理顯著提升了SPS活性(P<0.05),較短光照光周期處理增加43.65%,其中6W+12(R+B)/6D處理提升幅度最大,增幅為84.04%。Rubisco和SPS活性增加既與光質有關,又與光照長短有關,且Rubisco活性受紅光影響較大。

表4 光周期對青蒜苗葉片葉綠素含量(SPAD)及其熒光參數的影響

注:圖中數值是3次重復的平均值±SE,不同字母代表處理間差異顯著(P<0.05)。

3 討 論

植物種類不同,其營養生長期所需的適宜光周期也不同。有研究發現,16 h紅藍紫綠混光(6∶1∶1∶1)/8 h暗期的光周期能促進香梓楠幼苗生長[12];16 h紅藍混光(8∶1)/8h暗期處理有利于山白蘭苗木生長發育及生物量積累[16];桔梗在16 h紅藍混光(3∶1)/8 h暗期處理條件下植株質量達到最大[17];12 h白光/12 h紅光的光周期可提高西蘭花芽苗菜產量和營養品質[13];10 h的紅藍混光(7∶1)/14 h暗期的光周期有助于奶油生菜生長及其品質改善[14]。本研究結果表明,長光照光周期有利于青蒜苗葉片加寬生長和假莖葉鮮質量增加,而短光照光周期有利于青蒜苗葉和假莖伸長生長。在長光照光周期內,6 h白光+12 h紅藍混光(1∶1)/6 h暗期,即6W+12(R+B)/6D光周期處理下假莖葉鮮質量增加最為顯著;在短光照周期內,6W+6R/12D、6W+6B/12D和6W+6(R+B)/12D處理對青蒜苗葉伸長生長有顯著促進作用(P<0.05),但不同光質間無顯著差異(P>0.05)(表2)。這些結果與前人研究結果相似,即無論長短光周期,紅、藍及其混合光均對植物生長均有積極影響。

光是影響葉綠素合成的主要因素,葉綠素熒光參數是體現光合作用光反應過程中光系統對光能吸收、傳遞、耗散及分配等情況的指標,其中Fo反映光系統Ⅱ反應中心處于完全開放時的熒光產量高低,與葉綠素濃度有關;Fv/Fm反映PSⅡ最大光化學效率,其不僅可衡量光抑制程度,還能表征PSⅡ原初光能轉換效率的高低;Fv/Fo反映PSⅡ潛在活性。本研究中,4種長光照光周期處理顯著提高了青蒜苗葉片葉綠素含量及其Fo、Fv/Fm和Fv/F0值(P<0.05),其中6W+12(R+B)/6D提升幅度最大(表4)。說明葉綠素合成不僅與光照時間有關,還與光周期內的光質及其照射時間有關,光照時間適宜的光質及其光周期可促使葉綠素合成;且長光照光周期可提高PSⅡ內電子傳遞速率和光量子利用效率以及PSⅡ潛在活性,這種效應與18 h光期/6 h暗期的光周期內紅藍混光的照射時間延長密切相關,這可能與葉綠素在紅光區(640～660 nm)和藍紫光區(430～450 nm)有較強吸收峰有關[18]。本研究中,長光照光周期處理顯著提高了青蒜苗葉片葉綠素Fv/Fm值,這與劉杰等[19]在研究水培生菜時得到的結果相似。

Pn和Tr分別是衡量植物光合作用和蒸騰作用強弱的重要參數,Gs是影響Pn和Tr的主要因素之一。Gs表示氣孔的張開程度,紅光和藍光對其均有促進作用;紅光通過光合作用誘導氣孔開放[20],而藍光則作為一種信號通過激活細胞膜上的H+泵誘導氣孔打開[21];藍光作為信號誘導氣孔開放需要背景紅光,紅光對保衛細胞的藍光響應具有協同作用[22-23]。本研究中,除白光外,其他光照處理均顯著提高了葉片的Gs(P<0.05),6W+12(R+B)/6D提高幅度最大,這說明單獨紅光或藍光以及紅藍混光對氣孔的張開都有一定的促進作用,紅光和藍光有協同效應。與Gs結果相一致,6W+12(R+B)/6D下葉片Pn和Tr增加幅度最大(表3),其可能原因是Gs增大促進了氣體交換;Pn增加,Ci隨之降低,6W+12(R+B)/6D處理降低的幅度最大(表3),這與Pn在6W+12(R+B)/6D下增幅最大的結果相對應。本研究結果與楊振超等[24]以辣椒為材料在光周期為14 h紅藍(1∶1)混光/10 h暗期下所得結果相似。本研究還表明,含有紅光、藍光或紅藍混光的長光照光周期處理使青蒜苗假莖葉鮮質量顯著增加(P<0.05),其中6W+12(R+B)/6D下增加幅度最大,這與光周期處理對Pn的影響基本一致,說明青蒜苗假莖葉鮮質量增加與光質及其光周期有關,且假莖葉鮮質量增加是Pn增加的表現。

Rubisco是高等植物葉綠體中的一種光調節酶,也是催化光合作用暗反應過程中CO2固定的第一個酶。光對其大小亞基的基因轉錄都有影響,其小亞基基因上游區有光調節的啟動子,只在葉片中對光產生反應而表達,而且是紅光-遠紅光可逆反應[18]。孫娜等[25]研究表明紅藍(3∶1)組合光下番茄幼苗葉片Rubisco活性升高,淀粉含量增加。本研究發現,紅、藍光對Rubisco活性都有顯著促進作用且有加和效應。隨著紅光照射時間延長,Rubisco活性有所增加,6W+12(R+B)/6D處理提升幅度最大(圖1),說明較長時間紅光照的光周期更有利于提升Rubisco活性。在光合作用中,葉綠體基質中的Rubisco催化CO2固定生成3C的磷酸丙糖后從葉綠體輸出至細胞質,并在SPS的作用下合成蔗糖。蔗糖是光合產物運輸的主要形式,SPS是植物蔗糖合成的關鍵限速酶[26]。本研究發現,紅光和藍光可等效提升SPS活性,且兩者有加和效應,其中6W+12(R+B)/6D下SPS提升幅度最大(圖1),說明在長光周期內延長紅藍混光照射時間更有利于合成蔗糖,增加光合產物。

4 結 論

1)短光照光周期(12 h光照/12 h黑暗)較有利于青蒜苗伸長生長,長光照光周期(18 h光照/6 h黑暗)較有利于青蒜苗葉片橫向增寬和假莖增粗生長。

2)紅、藍光及其混合光對青蒜苗生長及光合特性有不同影響,且這些影響與其照射時間長短有關;與短光照光周期相比,長光照光周期能有效促進青蒜苗葉片凈光合速率(Pn)提高、光合產物轉化以及假莖葉鮮質量增加,其中6W+12(R+B)/6D作用最為顯著。

3)在長光照光周期內,延長紅藍混光照射時間更有利于合成蔗糖,增加光合產物。

綜上,長光照會抑制青蒜苗假莖和葉伸長生長,但能促進假莖的加粗生長,使蒜苗的鮮質量增加;藍光和紅光對青蒜苗生長、葉片光合特性以及與光合產物形成和轉運相關的Rubisco和SPS活性提高有顯著促進作用;藍光和紅光混合有增效作用,較長時間混合光照增效作用更明顯。本結果可為青蒜苗、蒜薹和大蒜等設施蔬菜的生產提供參考。

共同第一作者貢獻說明：王曉琴高級實驗師和郭小強副教授共同完成了本試驗的實施和論文寫作等過程。其中王曉琴高級實驗師主要完成試驗材料種植、數據處理等工作;郭小強副教授主要完成了文獻檢索、數據分析和論文撰寫等工作。