不同光質(zhì)對小白菜葉片發(fā)育和光合作用的影響

樊小雪，高文瑞，孫艷軍，李德翠，史瓏燕，韓 冰，徐 剛

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學院 蔬菜研究所，江蘇 南京 210014)

0 引言

光是影響植物光合作用的重要環(huán)境因素，光對植物光合作用的調(diào)節(jié)主要有三點：影響葉片發(fā)育；激活光合作用關(guān)鍵酶活性；提供各級反應需要的能量.其中光質(zhì)對植物形態(tài)建成、生長發(fā)育以及許多生理反應起著至關(guān)重要的作用[1].目前，關(guān)于光質(zhì)對葉菜類作物生長發(fā)育的影響在油菜[2]、生菜[3,4]、決明[5]等作物上均有報道，但關(guān)于不同光質(zhì)下小白菜葉片發(fā)育和光合性能的相關(guān)報道較少.

葉片是植物捕捉光能并進行光合作用的主要器官，光照條件強烈影響植物葉片解剖結(jié)構(gòu)、形態(tài)和生理生化參數(shù).藍光可以增加上表皮厚度和柵欄組織厚度，從而增加葉片厚度，紅光可以降低下表皮和海綿組織厚度[6].文獻[7,8]研究了不同光照條件下小白菜光合速率.目前，對于不同光質(zhì)對小白菜葉片結(jié)構(gòu)以及發(fā)育方面的研究較少.本試驗研究了不同光質(zhì)對小白菜葉片發(fā)育以及光合能力的影響.

1 材料和方法

1.1 材料

小白菜(Brassicacampestrisssp.chinensis.Makino)供試材料為“特矮青”品種，由南京綠領(lǐng)種苗有限公司提供.將小白菜種子放入清水中浸泡4～8 h，放入裝有基質(zhì)草炭+蛭石+珍珠巖(體積比為3∶1∶1)的穴盤中育苗.環(huán)境條件如下：自然光照條件，溫度20 ℃±2 ℃，光周期12 h·d-1，相對濕度控制在70%～90%.當幼苗第2片真葉完全展開時，選取形態(tài)長勢一致的幼苗移栽入營養(yǎng)缽(6 cm×6 cm×10 cm)中，基質(zhì)選用草炭+蛭石+珍珠巖(體積比為1∶1∶1)，置于4種不同光質(zhì)和鏑燈下培養(yǎng)，光源距離植株高度為30 cm.保持室內(nèi)溫度為20 ℃～26 ℃，光周期為12 h·d-1，每天用園式配方營養(yǎng)液進行澆灌，每缽澆80 mL營養(yǎng)液，生長30 d待測.

1.2 光處理

以日光色鏑燈(LZ400D/H)作為對照(CK)，設(shè)置 4種不同LED光質(zhì)處理：黃光(Y)、綠光(G)、紅光(R)和藍光(B).根據(jù)前人對小白菜光合特性的研究，設(shè)置生長光密度(Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD)為150 μmol·m-2·s-1.不同光譜設(shè)置見表1.

表1 LED光譜能量分布的技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Major technique parameters of different light spectral energy distribution under LED

1.3 測定項目和方法

1.3.1 生長指標測定

隨機選取不同光處理下生長一致的植株進行生長分析.用電子天平測定鮮質(zhì)量.株高為從莖基部到最高部.采用肖強等[9]研究方法測定葉面積.采用黃俊[7]的研究方法測量比葉重.

1.3.2 代謝產(chǎn)物含量測定

采樣時間為上午10點，植株在光下照射3 h.采用LI等[10]的方法測定可溶性糖含量和可溶性蛋白含量，采用張以順[11]的方法測定游離氨基酸含量.

1.3.3 葉片組織解剖結(jié)構(gòu)觀察

采用LI等[10]的方法觀察葉片組織解剖結(jié)構(gòu).

1.3.4 葉片氣孔結(jié)構(gòu)的觀察

采用LI等[10]的試驗方法觀察葉片氣孔結(jié)構(gòu).

1.3.5 光合作用的測定

每處理隨機選取長勢一致的3株植物，每株上選取第 4 葉位的功能葉進行測定.采用便攜式光合測定系統(tǒng)(Li-6400，美國)于上午 9:00-11:00 進行光合測定.測定時使用開放氣路，葉室溫度為25 ℃±1 ℃，人工光源光強為 800 μmol ·m-2·s-1，環(huán)境 CO2濃度為 380 μmol· L-1±10 μmol ·L-1，相對濕度(RH)為60%～70%.測量小白菜的凈光合速率(Pn).

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)測量均選擇長勢健壯、整齊的植株，每處理重復3次，每個處理選擇5株植物.數(shù)據(jù)整理分析采用Microsoft excel 2003和SPASS 16.0系統(tǒng)，進行一維方差分析(ANOVA)，采用Tukey法分析顯著性差異(P<0.05).

2 結(jié)果

2.1 不同光質(zhì)對小白菜生長的影響

如圖1所示，不同光質(zhì)對小白菜的生長有顯著差異.與CK相比，紅光LED顯著增加小白菜株高，藍光LED顯著抑制株高.藍光LED下葉片葉面積顯著高于其他處理.小白菜植株鮮樣質(zhì)量在藍光LED下最大，其次是紅光LED處理；鮮樣質(zhì)量在CK處理下最小.藍光 LED下比葉重最大，其次是CK；綠光LED和黃光LED顯著低于CK.

2.2 不同光質(zhì)對小白菜葉片碳氮化合物的影響

由圖2可知，小白菜葉片中可溶性蛋白、游離氨基酸和可溶性糖含量在藍光LED下最高，在黃光LED下含量最低.小白菜可溶性蛋白含量從大至小依次為：B>CK>R>G>Y；可溶性糖和游離氨基酸含量從大至小依次為B>R>CK>Y>G.

2.3 不同光質(zhì)對小白菜葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響

不同光質(zhì)對小白菜的葉片解剖結(jié)構(gòu)影響差異顯著.如圖3所示，小白菜的葉片厚度、柵欄組織長度和海綿組織的長度在藍光LED下最大，CK次之，黃光LED下最小.試驗發(fā)現(xiàn)藍光LED下葉片厚度，柵欄組織長度和海綿組織長度分別比白光對照高出12.6%、13.2%和12.3%，藍光明顯促進小白菜葉片柵欄組織和海綿組織增厚.

圖1 LED光質(zhì)對小白菜生長的影響Fig. 1 Effects of LEDlight quality on growth of pakchoi

圖2 LED光質(zhì)對小白菜葉片碳氮化合物的影響圖3 不同光質(zhì)下小白菜葉片解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Fig. 2 Effects of LED light quality on concentration of carbonitride in leaves of pakchoiFig. 3 Data of leaf anatomy structure inpakchoi leaves under different light quality 注:圖中不同字母表示差異顯著(P<0.05) 注:圖中不同字母表示差異顯著(P<0.05)

2.4 不同光質(zhì)對小白菜葉片氣孔結(jié)構(gòu)的影響

試驗數(shù)據(jù)顯示，不同光質(zhì)處理下小白菜葉片下表皮氣孔形態(tài)及排列方式都有顯著差異(圖4).

圖4 不同光質(zhì)對小白菜葉片下表皮氣孔特征的影響Fig. 4 Effects of different LEDlight quality on leaf lower-surface stomata in pakchoi leaves

與CK相比，藍光LED下氣孔頻度最大，排列緊密；孔開度較大，單個面積較大；紅光LED下氣孔形態(tài)偏圓形，單個面積較小，排列疏松；黃光LED和綠光LED處理下，氣孔狹長，頻度較小.各處理葉片下表皮單個氣孔面積順序依次為：B>CK>G>R>Y；下表皮的氣孔頻度順序依次為：B>CK>R>G>Y(圖5).

2.5 不同光質(zhì)對小白菜光合作用的影響

小白菜葉片的光合速率在不同光質(zhì)下差異顯著，最大值是最小值的8倍之多(見表2).小白菜的光合速率在藍光LED下最高，顯著高于其他光照處理.與對照CK相比，藍光 LED下光合速率上升了28.9%，氣孔導度、蒸騰速率也顯著增加.黃光LED、綠光LED和紅光LED處理下，各個光合指標數(shù)值出現(xiàn)下降.各光處理之間，胞間二氧化碳濃度沒有顯著性差異.以上結(jié)果表明，與CK相比，小白菜在藍光光譜下光合能力較高.

圖5 不同光質(zhì)下小白菜葉片下表皮氣孔數(shù)據(jù)Fig. 5 Data statistics of leaf lower-surface stomata inpakchoi leaves under different light quality

注：圖中不同字母表示差異顯著(P<0.05)

表2 不同光質(zhì)對小白菜光合作用的影響Tab. 2 Effects of different LEDlight quality on photosynthesis in pakchoi leaves

注: 同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05) .

3 討論

3.1 不同光質(zhì)對小白菜形態(tài)和碳氮代謝的影響

不同光質(zhì)能夠影響植物的形態(tài)生長和光合產(chǎn)物的代謝.本試驗發(fā)現(xiàn)，藍光顯著抑制小白菜的株高，而紅光可以促進莖伸長作用，這與Li 等人研究結(jié)果是相同的[12].植物激素與植物的株高和伸展關(guān)系密切，藍光可以調(diào)節(jié)植物內(nèi)源激素含量水平來完成對莖的生長調(diào)節(jié).藍光可以提高吲哚乙酸氧化酶的活性，降低生長素含量，從而抑制植物的生長；藍光還可以改變細胞壁的性能，對莖伸長產(chǎn)生抑制作用[13,14].而紅光能夠促進赤霉素含量的增加，促進細胞伸長生長從而對莖的伸長有促進作用[14].本研究發(fā)現(xiàn)藍光有利于小白菜葉片伸展，這與在陸地棉上的研究結(jié)果相似[10].

試驗發(fā)現(xiàn)小白菜葉片中游離氨基酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量在藍光下最高，說明藍光有利于植株氮素的合成與積累.光質(zhì)影響可溶性糖含量的原因一方面可能是光質(zhì)可以通過誘導光敏色素活性調(diào)控糖代謝酶活性；另一方面也可能是光質(zhì)影響碳水化合物的吸收從而改變了可溶性糖含量[15].

3.2 不同光質(zhì)對小白菜葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響

光質(zhì)的改變會強烈影響葉片的解剖結(jié)構(gòu)，藍光通過增加柵欄組織和海綿組織厚度提高葉片厚度；而紅光會減少下表皮厚度和海綿組織厚度[6,16].本試驗也發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果，小白菜柵欄細胞長度和海綿細胞長度在藍光處理下增加，而紅光、黃光和綠光明顯抑制柵欄細胞長度(圖 3).葉綠體主要存在于柵欄組織中，葉綠體中的基粒片層含有大量光合色素和光合酶[3]，這也是藍光處理能促進植株光合作用的重要原因之一.

3.3 不同光質(zhì)對小白菜葉片下表皮氣孔的影響

氣孔是植物與外界進行氣體交換和蒸騰作用的主要通道，在調(diào)節(jié)植物CO2吸收量以及控制蒸騰失水量方面具有重要作用[17].通過圖4可以看到，藍光下氣孔開度最大.前人研究發(fā)現(xiàn)，藍光因子可以通過激活質(zhì)子泵調(diào)控氣孔開度，利于氣孔進行氣體交換.不僅如此，藍光還可以通過促進有機溶質(zhì)的合成來調(diào)節(jié)保衛(wèi)細胞水勢，這與本試驗結(jié)果中的藍光促進各種代謝產(chǎn)物含量也是一致的.

在對氣孔的結(jié)構(gòu)，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)紅光和黃光處理下氣孔呈現(xiàn)偏圓形，文獻[18]認為圓形的氣孔屬于不正常的發(fā)育，而橢圓形狀的氣孔具有氣孔的獨特特點，才能發(fā)揮正常的功能，因此藍光下氣孔呈橢圓形，是較好的結(jié)構(gòu)狀態(tài).

3.4 不同光質(zhì)對小白菜光合速率的影響

大多數(shù)高等植物根據(jù)品種特性不同，一般在紅光或者藍光下光合速率會有不同程度提高[10,19,20].本試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，藍光處理下植株的光合速率最高，顯著高于其他處理，這與藍光處理下氣孔導度和蒸騰速率較大是相關(guān)聯(lián)的.而黃光和綠光處理下光合速率都相對較低.通過分析小白菜葉片解剖結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，黃光和綠光處理導致葉片柵欄組織和海綿組織生長受抑制，這也是黃光和綠光處理下光合作用較弱的重要原因.

4 結(jié)論

從不同光質(zhì)處理對小白菜的影響來看，藍光處理下，小白菜葉片柵欄組織和海綿組織發(fā)育良好，利于光照的吸收；葉片氣孔開度較大，氣孔呈良好的橢圓形，氣孔導度大，利于進行氣體交換；這些特征都為藍光促進小白菜光合效率提供了有利條件.同時配合觀察植株鮮質(zhì)量和比葉重等指標，結(jié)果表明，藍光處理下小白菜生長狀態(tài)最佳，在栽培中可以通過增加藍光輻射來促進小白菜生長.