紅藍(lán)光配比對桑樹幼苗碳、氮代謝和 內(nèi)源激素的影響

胡舉偉，代 欣，宋 濤，楊曉云，王慶菊，孫廣玉

(1.金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司 養(yǎng)分資源高效開發(fā)與綜合利用國家重點實驗室 農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與 新型肥料創(chuàng)制重點實驗室，山東 臨沂 276700； 2.東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

光不僅是植物光合作用的能量來源，也是影響植物生長發(fā)育的關(guān)鍵環(huán)境因子[1-3]。光質(zhì)的改變可顯著影響植物生理過程、形態(tài)建成和生長發(fā)育，而光質(zhì)對植物生理過程、形態(tài)建成和生長發(fā)育的影響會因植物種類的不同而發(fā)生變化[4-5]。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，設(shè)施栽培技術(shù)也有了長足進(jìn)步。在設(shè)施農(nóng)業(yè)中經(jīng)常通過人工控制作物的生長環(huán)境，優(yōu)化作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。目前在一些植物工廠、溫室或氣候室中，溫度、濕度、光周期和光強(qiáng)等環(huán)境條件均可由計算機(jī)氣候控制系統(tǒng)精準(zhǔn)控制。在實際生產(chǎn)中，應(yīng)用在自然環(huán)境中不會出現(xiàn)的光照條件(改變照光的光譜等)，優(yōu)化植物的光合作用或影響植物發(fā)育過程，從而達(dá)到精準(zhǔn)調(diào)控植物生長發(fā)育的目的，這是環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)和可持續(xù)生產(chǎn)所需的。在人工控制的光環(huán)境下，可利用植物對不同光質(zhì)的生理生長響應(yīng)，改變植物的生長和生理狀況[6-9]。近年來發(fā)光二極管(LEDs)技術(shù)的發(fā)展為優(yōu)化設(shè)施農(nóng)業(yè)中的光環(huán)境，開辟了新的途徑。LEDs是冷光源，可對植物進(jìn)行近距離照射，具有體積小、節(jié)能高效等特點[10]。此外，相對于金屬鹵化燈等寬光譜的光源，LEDs發(fā)射的光只在一個狹窄的波段內(nèi)，可以有針對性的選擇波長[10-11]。因此，LEDs為研究不同光質(zhì)對植物生理特性的影響提供了較好的方法。

桑樹(Morusalba)的果實和葉片具有較高的經(jīng)濟(jì)價值和藥用價值，黑龍江鹽堿土地區(qū)傳統(tǒng)的桑樹種植方式主要以大田種植為主，實生桑樹幼苗長成1.2 m左右的灌木后其葉片采摘后可用于養(yǎng)蠶，而割伐的枝條可用作藥材[12-14]。而隨著農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，設(shè)施栽培桑樹在黑龍江鹽堿土地區(qū)有了一定面積的種植。但在設(shè)施栽培條件下，晚秋、冬、春等季節(jié)都不同程度地存在光照時間短、光照不足等嚴(yán)重缺光的問題，使設(shè)施栽培植物不能正常生長，會嚴(yán)重影響桑樹的生長。因此選取有效的人工光源或制定可行的補(bǔ)光措施對設(shè)施栽培桑樹的發(fā)展具有重要意義。藍(lán)光(400-500 nm)和紅光(600-700 nm)是對高等植物光合作用最有效的光[2]，鑒于其光譜特性，紅藍(lán)光質(zhì)對植物的生長、光合和生理特征等方面的影響成為國內(nèi)外學(xué)者們研究的熱點[6-9]。碳氮代謝是植物最基本的代謝過程，其代謝強(qiáng)度和動態(tài)變化影響植物的生長發(fā)育[15]，而光和激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的相互作用在調(diào)控植物形態(tài)建成中起重要作用，光質(zhì)作為光的重要屬性，直接或間接地影響激素的合成和運輸[16]。然而，還未見關(guān)于紅光LEDs和藍(lán)光LEDs對桑樹植株碳氮代謝、內(nèi)源激素影響的報道。本研究試圖分析白光、單質(zhì)紅光LEDs、紅藍(lán)組合LEDs、單質(zhì)藍(lán)光LEDs對桑樹幼苗內(nèi)源激素、碳氮代謝及相關(guān)酶活性等方面的影響，旨在為設(shè)施栽培桑樹下光質(zhì)條件的調(diào)控提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與培養(yǎng)環(huán)境

試驗于2016年8月進(jìn)行，供試材料為一年生桑樹品種“龍桑1號”幼苗(M.alba‘Longsang No.1’)，去掉桑樹幼苗的分枝、葉片和須根，僅保留主莖、主根各約2 cm，然后將幼苗移栽到直徑8 cm、高12 cm的培養(yǎng)盆中，培養(yǎng)盆內(nèi)裝草炭土和蛭石的混合培養(yǎng)基質(zhì)(2∶1，V∶V)，每盆定植1株。每株只保留1支枝條，抹去其他的芽。在移栽后將所有植株放置在人工氣候室中，由白色冷熒光燈(廣州綠熒光電有限公司)(波長為410-700 nm)提供光照，光照強(qiáng)度為100 μmol·(m2·s)-1，環(huán)境條件控制為光周期(14 h∶10 h，光∶暗)，白天溫度(28±2 ℃)，夜間溫度(23±2 ℃)，相對濕度60%～65%。每3天澆一次水。

1.2 光質(zhì)處理方法

試驗一：桑樹幼苗培養(yǎng)3周后挑選健壯、長勢一致的幼苗接受不同紅藍(lán)光配比處理。一些幼苗仍在白色冷熒光燈下培養(yǎng)，作為白光對照處理(CK)，其他分別在紅光LEDs陣列、紅藍(lán)組合LEDs陣列、藍(lán)光LEDs陣列光源下培養(yǎng)，以上LEDs陣列光源均由廣州綠熒光電有限公司提供。組成LEDs陣列的紅光LED和藍(lán)光LED的峰值波長分別為660、465 nm，半峰全寬均為20 nm。由紅光LEDs、紅藍(lán)組合LEDs、藍(lán)光LEDs陣列光源提供的6種不同紅藍(lán)光配比的光照可分別按光照中藍(lán)光(B)的光合光量子通量密度(PPFD)所占比例表示為單質(zhì)紅光(0B)、紅藍(lán)組合光(藍(lán)光配比15%、20%、30%和50%)、單質(zhì)藍(lán)光(100%B)。不同光源的光譜和光照強(qiáng)度通過光譜儀(OPT-2000,Optpe Co.,中國)和光量子傳感器(LI-250A,Licor,美國)測定。放置不同光源的燈架外部用遮光布覆蓋，以避免外界光照干擾。通過調(diào)整光源到植株頂部的距離，使各處理的光照強(qiáng)度保持在100 μmol·(m2·s)-1，其他環(huán)境條件同1.1。每處理各20盆植株，3次重復(fù)。幼苗在不同光質(zhì)處理下培養(yǎng)30 d后，取各處理植株莖以及從頂端往下數(shù)第2片完全展開葉片，用于各項指標(biāo)測定。

試驗二：桑樹幼苗培養(yǎng)10 d后挑選健壯、長勢一致的桑樹幼苗接受不同光質(zhì)處理。一些幼苗仍在白色冷熒光燈下培養(yǎng)，作為白光對照處理(WCK)，其他分別在紅光LEDs(發(fā)光二極管)陣列和藍(lán)光LEDs陣列光源下培養(yǎng)，紅光LEDs和藍(lán)光LEDs陣列光源分別提供紅光(R)、藍(lán)光(B)，以上LEDs陣列光源均由廣州綠熒光電有限公司提供。組成LEDs陣列的紅光LED和藍(lán)光LED的峰值波長分別為660、465 nm，半峰全寬均為20 nm。不同光源的光譜和光照強(qiáng)度通過光譜儀(OPT-2000,Optpe Co.,中國)和光量子傳感器(LI-250A,Licor,美國)測定。放置不同光源的燈架外部用遮光布覆蓋，以避免外界光照干擾。通過調(diào)整光源到植株頂部的距離，使各處理的光照強(qiáng)度保持在100 μmol·(m2·s)-1，其他環(huán)境條件同1.1。在紅光(R)、藍(lán)光(B)下處理的桑樹幼苗均分成4組，每組5株幼苗，3次重復(fù)。除紅光對照(RCK)、藍(lán)光對照(BCK)以外，其他3組在轉(zhuǎn)移到紅光(R)、藍(lán)光(B)下之后，立即噴施100 mg·L-1赤霉素生物合成抑制劑(多效唑)溶液。桑樹幼苗在不同光質(zhì)下培養(yǎng)9 d后，除了RCK、BCK，向在紅光(R)、藍(lán)光(B)下處理的其他各3組桑樹幼苗分別噴施0、10和100 mg·L-1赤霉素(GA3)溶液，每株各噴施3 mL。紅光下的3組不同濃度赤霉素處理分別記為R0、R10和R100，藍(lán)光下的3組不同濃度赤霉素處理分別記為B0、B10和B100。試驗所用多效唑、赤霉素(GA3)均購自中國Biotopped science & technology公司，桑樹幼苗均在不同光質(zhì)下培養(yǎng)21 d。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1試驗一指標(biāo)測定 各處理均隨機(jī)選取3株幼苗進(jìn)行各項指標(biāo)測定?？扇苄蕴?、蔗糖、淀粉含量按照Buysse 和Merckx[17]描述的方法測定：稱取0.5 g烘干后的葉片，用25 mL 80%乙醇(V∶V)研磨提取可溶性糖、蔗糖，在4 500 r·min-1下離心10 min，上清用于可溶性糖、蔗糖含量的測定；向離心后的沉淀中加入25 mL 2% HCl(V∶V)，煮沸4 h，冷卻后在6 000 r·min-1下離心20 min，上清用于淀粉含量的測定。用打孔器從新鮮葉片上取15個小圓形葉片，每個1.5 cm2，殺青后在80 ℃下烘干至恒重，稱量干重，然后稱取各處理烘干后的葉片0.2 g，通過元素分析儀(Vario MAX CN,Elementar,德國)測定葉片總氮含量，計算葉片單位面積氮(N)含量。

蔗糖合成酶(SS)活性(合成方向活性)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性、硝酸還原酶(NR)活性、谷氨酸合成酶(GOGAT)活性和谷氨酰胺合成酶(GS)活性測定分別按照蘇州科銘生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的試劑盒說明書進(jìn)行。桑樹根系活力測定采用TTC法[18]。桑樹葉片微量元素含量測定參照Wu等[19]的方法，使用電感耦合等離子體光譜儀(Optima8300,PerkinElmer,美國)分析測定微量元素(Fe、Mn、Cu和Zn)含量。

各處理(0B、15%B、20%B、30%B、50%B和100%B)均取5株幼苗，取各植株莖以及從頂端往下數(shù)第2片完全展開葉片，液氮速凍后置于-80 ℃超低溫冰箱中保存，用于內(nèi)源激素含量測定。內(nèi)源激素提取方法：稱取約0.1 g樣品，放入研缽中液氮速凍磨碎，加入1 mL預(yù)冷的80%甲醇(V∶V)，4 ℃浸提過夜。4 ℃、15 000 r·min-1下離心10 min，殘渣用0.5 mL 80%甲醇浸提2 h，離心后取出上清液，合并兩次上清液，40 ℃下減壓蒸發(fā)至不含有機(jī)相(所剩體積約為0.5 mL)，加入0.5 mL石油醚萃取脫色3次，棄去上層醚相，下層40 ℃減壓蒸干，加入0.5 mL流動相溶解，然后通過針頭式過濾器過濾于帶有內(nèi)襯管的樣品瓶內(nèi)待測。利用Rigol L3000高效液相色譜儀(Rigol,中國)、 Kromasil C18反相色譜柱(250 mm×4.6 mm,5 μm)測定赤霉素(GA3)和脫落酸(ABA)含量，開啟電腦、檢測器和泵，安裝上色譜柱，打開軟件，在方法組中設(shè)置進(jìn)樣量為10 μL，流速為0.8 mL·min-1，柱溫為35 ℃，走樣時間為20 min，檢測波長254 nm。用流動相(流動相的配制：取200 mL甲醇和300 mL超純水混合，加入3 mL冰醋酸，混勻)過色譜柱，待基線穩(wěn)定后開始加樣測定。

1.3.2試驗二指標(biāo)測定 各處理選取5株幼苗，用直尺測定從莖頂端到莖基部的莖長，在培養(yǎng)過程中每3 d測定一次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用DPS 7.5軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(one-way ANOVA)和相關(guān)性分析，并比較不同數(shù)據(jù)組間的差異(LSD,α=0.05)。采用Microsoft Excel 2007作圖，圖表中數(shù)據(jù)均為3次或3次以上重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同紅藍(lán)光配比對桑樹幼苗葉片碳水化合物含量的影響

紅光處理下桑樹幼苗葉片的可溶性糖含量、蔗糖含量和淀粉含量均顯著低于對照及其他各處理(P<0.05)(圖1)；隨著紅藍(lán)組合光中藍(lán)光比例的增大，葉片的可溶性糖含量、蔗糖含量和淀粉含量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。藍(lán)光處理下葉片可溶性糖含量、淀粉含量達(dá)到最大值且顯著高于對照及其他各處理(P<0.05)。同時50%B紅藍(lán)組合光及100%藍(lán)光處理的蔗糖含量均顯著高于對照及其他各處理(P<0.05)，50%B紅藍(lán)組合光處理下的蔗糖含量高于藍(lán)光處理，但二者之間差異不顯著(P>0.05)(圖1)。

圖1 不同紅藍(lán)光配比對桑樹葉片碳水化合物含量的影響Fig. 1 Effect of different proportions of red and blue light on carbohydrate content in mulberry leaves

CK,0B,15%B,20%B,30%B,100%B分別表示白光對照，紅光，藍(lán)光配比15%，20%，30%和100%。不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

CK, 0B, 15%B, 20%B, 30%B, 100%B indicate white light, red light and proportion of blue light(15%, 20%, 30%, 100%)。Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level; similarly for the following figures.

2.2 不同紅藍(lán)光配比對桑樹幼苗葉片碳代謝相關(guān)酶活性的影響

紅光處理下桑樹幼苗葉片的蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性最低且顯著低于對照及其他各處理(P<0.05)(圖2)；隨著紅藍(lán)組合光中藍(lán)光比例的增大，蔗糖磷酸合成酶活性呈現(xiàn)上升趨勢，30%B、50%B紅藍(lán)組合光及藍(lán)光處理下蔗糖磷酸合成酶活性均明顯高于對照及15%B、CK和0B。不同紅藍(lán)光配比處理下蔗糖合成酶活性的變化趨勢與蔗糖磷酸合成酶活性略有差異，紅光處理下蔗糖合成酶(SS)活性最低且顯著低于對照及其他各處理(P<0.05)，但從紅光開始隨著藍(lán)光比例的增加，其活性呈現(xiàn)先升高而后略有降低的趨勢，在20%B、30%B紅藍(lán)組合光處理下活性較高且顯著高于對照(P<0.05)(圖2)。

圖2 不同紅藍(lán)光配比對桑樹葉片碳代謝相關(guān)酶活性的影響Fig. 2 Effect of different proportions of red and blue light on carbon metabolism-related enzyme activities in mulberry leaves

2.3 不同紅藍(lán)光配比對桑樹幼苗葉片氮含量及氮代謝相關(guān)酶活性的影響

紅光處理下葉片單位面積氮含量最低且顯著低于對照及20%B、30%B、50%B和100%B處理(P<0.05)。隨著光照中藍(lán)光比例的增加，葉片單位面積氮含量逐漸增加，在藍(lán)光處理下單位面積氮含量達(dá)到最高水平且顯著高于對照(P<0.05)(圖3)。

硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)是植物氮素同化的關(guān)鍵酶，不同紅藍(lán)光配比處理下這3種酶活性的變化趨勢相似，均表現(xiàn)為，紅光處理下葉片酶活性最低且顯著低于對照及其他各處理(P<0.05)，同時隨著紅藍(lán)組合光中藍(lán)光比例的增大，NR、GS與GOGAT活性逐漸升高，在50%B紅藍(lán)組合光處達(dá)到最大值，而后在藍(lán)光處理下略有降低(圖3)。

圖3 不同紅藍(lán)光配比對桑樹葉片全氮含量及氮代謝相關(guān)酶活性的影響Fig. 3 Effect of different proportions of red and blue light on total nitrogen content and nitrogen metabolism-related key enzyme activities in mulberry leaves

2.4 不同紅藍(lán)光配比對桑樹幼苗根系活力和葉片微量元素含量的影響

根系活力是衡量根系功能的重要指標(biāo)，根系活力的高低影響根系對土壤中養(yǎng)分的吸收。隨光質(zhì)的變化，植株的根系活力發(fā)生了明顯變化。對照的根系活力最高且顯著高于其他處理(P<0.05)(圖4)，紅光處理下桑樹幼苗的根系活力最低且顯著低于對照及其他各處理(P<0.05)；隨著紅藍(lán)組合光中藍(lán)光比例的增大，植株的根系活力呈現(xiàn)上升趨勢，在50%B紅藍(lán)組合光處理下達(dá)到最大。與50%B紅藍(lán)組合光處理相比，100%藍(lán)光處理則導(dǎo)致根系活力顯著降低(P<0.05)。

不同紅藍(lán)光配比處理也明顯影響了植株葉片的微量元素(Mn、Cu和Zn)含量。與對照相比，各處理下植株葉片的Fe含量無顯著變化(圖4)；紅光處理下的Mn、Cu和Zn含量最低且顯著低于對照及其他各處理(P<0.05)，同時隨著光照中藍(lán)光比例的增大(0～50%)，植株葉片中的Mn、Cu和Zn含量總體呈現(xiàn)增加趨勢，按照這種趨勢藍(lán)光處理下的Mn、Cu和Zn含量將達(dá)最大，但與50%B紅藍(lán)組合光處理相比，100%藍(lán)光處理導(dǎo)致Mn、Cu和Zn含量降低；Mn、Cu含量在50%B紅藍(lán)組合光處理下達(dá)到最大值，而在30%B紅藍(lán)組合光處理下葉片的Zn含量最大；各紅藍(lán)組合光及藍(lán)光處理下的Mn、Cu和Zn含量均顯著高于對照(P<0.05)。

2.5 不同紅藍(lán)光配比對桑樹幼苗中內(nèi)源激素含量的影響

紅光處理下莖、葉中的GA3含量最高且顯著高于其他各光質(zhì)處理(P<0.05)(圖5)，隨著藍(lán)光比例增加(15%～100%)，桑樹幼苗莖、葉中GA3含量呈現(xiàn)降低趨勢，藍(lán)光處理下莖、葉中的GA3含量明顯低于其他各光質(zhì)處理。除了在30%B紅藍(lán)組合光處理下葉中ABA含量較低，而在50%B處理下ABA含量較高外，其他各處理的葉中ABA含量均無明顯差異，總體而言，紅藍(lán)光配比的變化對桑樹幼苗莖、葉中ABA含量影響較小(圖5)。

2.6 赤霉素對生長在紅光、藍(lán)光下的桑樹幼苗莖伸長的影響

在0-9 d時，噴施多效唑的桑樹幼苗莖長增加極小(圖6)，這表明噴施多效唑可明顯抑制桑樹幼苗莖伸長，在噴施GA3溶液9 d時，R10、R100、B10和B100處理的莖長均明顯增加，而且在紅光和藍(lán)光下，100 mg·L-1GA3溶液處理的幼苗莖長均明顯大于10 mg·L-1GA3溶液處理，R100處理的莖長大于WCK，而B100處理的莖長小于WCK。在12和21 d時，R10、R100處理的莖長均分別高于B10、B100處理，同時與9 d時的莖長相比，12 d時的R10、R100處理其莖長分別增加了89.5%、190.4%，而B10、B100分別增加了40.5%和77.1%，R10、R100處理莖長的增加幅度明顯高于B10和B100處理，這說明藍(lán)光可降低桑樹幼苗莖對GA3的敏感性。

圖4 不同紅藍(lán)光配比對桑樹根系活力和葉片中微量元素(Fe、Mn、Cu和Zn)含量的影響Fig. 4 Effect of different proportions of red and blue light on mulberry root system activity, and on microelement content (Fe, Mn, Cu, and Zn) in leaves

圖5 不同紅藍(lán)光配比對桑樹幼苗中內(nèi)源激素含量的影響Fig. 5 Effect of different proportions of red and blue light on endogenous hormone content in mulberry seedlings

圖6 赤霉素(GA3)處理對生長在紅光、藍(lán)光下的桑樹幼苗莖伸長的影響Fig. 6 Effect of GA3 treatment on stem elongation in mulberry seedlings grown under red or blue light

箭頭所示為GA3處理的時間。WCK、PCK、R0、R10、R100、B0、B10、B100分別表示白光對照，紅光對照，0，10，100 mg·L-1GA3在紅光和藍(lán)光下的處理。

Arrows show the time of GA3treatment. WCK、PCK、R0、R10、R100、B0、B10、B100indicate white and red light; 0，10，100 mg·L-1GA3treatments under red and blue light.

3 討論與結(jié)論

光質(zhì)可以調(diào)控高等植物碳水化合物的代謝。Li等[20]研究表明,單質(zhì)紅光處理下陸地棉(Gossypiumhirsutum)幼苗的可溶性糖、蔗糖和淀粉含量高于白色熒光燈、紅藍(lán)LEDs組合光及單質(zhì)LEDs藍(lán)光處理；有研究表明，紅光可促進(jìn)不結(jié)球白菜(Brassicacampestris)可溶性糖、蔗糖和淀粉的積累，其含量均表現(xiàn)為紅光處理>紅藍(lán)組合光處理>藍(lán)光處理[21]；紅光處理可顯著提高大豆(Glycinemax)、高粱(Sorghumbicolor)葉片中淀粉含量[22]；Sb?等[23]認(rèn)為紅光可增加植物葉片中淀粉的積累，主要是通過抑制葉片中光合作用產(chǎn)物向外轉(zhuǎn)運實現(xiàn)的。較多研究表明，葉片中碳水化合物的積累對光合作用不利。比如，紅光促進(jìn)淀粉在植物葉綠體中的累積，可對光合作用產(chǎn)生抑制作用[24]；葉片中碳水化合物的積累與光合作用的反饋性下調(diào)有關(guān)[25]；Britz和Sager[22]發(fā)現(xiàn)生長在低壓鈉燈(只發(fā)射少量藍(lán)光，主要是紅光)下的大豆、高粱較低的Pn與其葉片淀粉含量高于日光燈下處理植株有關(guān)。本研究結(jié)果表明，紅光處理下的可溶性糖、蔗糖和淀粉最低，與紅光處理相比，紅藍(lán)組合光、藍(lán)光處理下含量顯著升高(P<0.05)(圖1)，這與前人研究結(jié)果并不一致，可能是因為光質(zhì)對植物碳水化合物代謝的影響與植物種類或品種有關(guān)。同時筆者發(fā)現(xiàn)Pn并未隨碳水化合物含量升高而降低(另文發(fā)表)，因此可以排除碳水化合物積累對桑樹植株光合作用的反饋抑制。本研究結(jié)果也說明，藍(lán)光可促進(jìn)桑樹葉片中碳水化合物的積累，其原因可能是藍(lán)光比例增加，植株生長受抑制(葉片展開、莖伸長)，而植株光合活性較高(另文發(fā)表)，碳同化代謝增強(qiáng)，但庫減小，造成光合作用產(chǎn)物在葉片中積累。

不同光質(zhì)下碳水化合物含量的變化可能受到碳水化合物代謝相關(guān)酶活性的調(diào)控，SPS是參與蔗糖合成的關(guān)鍵酶，其活性較高意味著有利于光合作用產(chǎn)物向蔗糖的轉(zhuǎn)化。SS是可逆酶，既參與蔗糖合成又催化蔗糖分解。Heo等[26]認(rèn)為藍(lán)光處理下葡萄(Vitisberlandieri×V.riparia)幼苗葉片較高的淀粉含量與蔗糖磷酸合成酶等碳代謝相關(guān)酶活性的變化有關(guān)；張旭[27]的研究結(jié)果表明，相比于在白光背景下補(bǔ)充藍(lán)光，在白光背景下補(bǔ)充紅光可使萵苣(Lactucasativa)、菠菜(Spinaciaoleracea)葉片SPS活性升高，而SS活性降低，有利于蔗糖的合成；孫娜[28]的研究表明，紅藍(lán)組合光、藍(lán)光處理下番茄(Lycopersiconesculentum)葉片SS的活性顯著高于紅光、白光處理，而紅光、藍(lán)光下SPS活性與白光、紅藍(lán)組合光處理相比顯著降低。本研究結(jié)果表明，在紅藍(lán)組合光(20%B、30%B和50%B)與藍(lán)光處理下SPS活性、SS活性(合成方向)明顯高于對照和紅光處理(圖2)。這與前人研究結(jié)果并不一致。以上結(jié)果表明，植物SPS、SS等碳代謝相關(guān)酶活性對光質(zhì)的響應(yīng)可能是物種依賴的。就桑樹幼苗而言，相比于紅光，藍(lán)光有利于增強(qiáng)桑樹幼苗葉片蔗糖的合成代謝。有研究認(rèn)為光質(zhì)對植物碳水化合物代謝的影響可能與光受體有關(guān)[26]，光質(zhì)的變化也可能誘導(dǎo)了光敏色素對蔗糖代謝酶的調(diào)控，導(dǎo)致蔗糖代謝相關(guān)酶活性發(fā)生變化，從而調(diào)節(jié)植株淀粉、蔗糖等碳水化合物的含量[29]。因此，光受體可能在調(diào)控桑樹碳代謝相關(guān)酶中起作用。

碳代謝與氮素同化緊密相關(guān)，光合產(chǎn)物的增加可為氮素同化提供更多碳骨架，已有研究表明植物中碳水化合物含量降低，硝酸根的同化速率變慢，而蔗糖、果糖等外源糖類處理可加快氮同化速率并促進(jìn)氨基酸的合成[15]。Larios等[30]的研究表明當(dāng)向日葵(Helianthusannuus)葉片碳同化速率加快，碳水化合物含量的增加可促進(jìn)編碼NR、GS基因的表達(dá)，同時NR、GS的活性也升高，光合碳同化產(chǎn)生的糖類可能是調(diào)控編碼NR、GS基因表達(dá)及其活性的因子。碳固定過程中產(chǎn)生的代謝信號可以調(diào)控NR活性，但這些信號是直接還是間接作用于NR尚不清楚[31]。Agüera等[32]研究表明當(dāng)光合碳同化速率長期保持在高水平，碳水化合物含量增加可引起編碼NR、GS基因表達(dá)上調(diào)，以及NR、GS活性升高，編碼NR、GS基因的表達(dá)似乎主要受碳水化合物水平的控制，而不是硝態(tài)氮水平。本研究中，隨著藍(lán)光比例增加(0～50%)，NR、GS和GOGAT活性呈升高趨勢，同時伴隨著可溶性糖、蔗糖含量的升高(圖2、3)。結(jié)合前人研究結(jié)果，蔗糖等糖類可能作為正調(diào)控代謝物促進(jìn)桑樹中編碼NR、GS基因的表達(dá)和NR、GS活性提高。關(guān)于藍(lán)光可提高植物中NR、GS和GOGAT活性已有報道，有研究表明光照中藍(lán)光比例增加可引起芹菜(Apiumgraveolens)葉片中NR、GS和GOGAT活性升高，增強(qiáng)芹菜的氮代謝并促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成[33]；對番茄的研究發(fā)現(xiàn)，紅光可顯著降低NR、GS和GOGAT活性，而藍(lán)光、紅藍(lán)組合光則使GS和GOGAT活性顯著升高，進(jìn)而促進(jìn)了蛋白質(zhì)、氨基酸的合成，表現(xiàn)為可溶性蛋白和游離氨基酸含量增加[28]。本研究結(jié)果與此相似，NR、GS、GOGAT活性和可溶性蛋白含量也隨藍(lán)光比例升高(0～50%)而增加(另文發(fā)表)，同時單位面積氮含量也呈升高趨勢(圖3)。這可能是由于GS-GOGAT循環(huán)是植物氮素同化的重要途徑，GS和GOGAT活性的變化將直接影響植物氮同化造成的。本研究結(jié)果也說明，在紅光背景下增加藍(lán)光比例可促進(jìn)桑樹幼苗的氮代謝，使蛋白質(zhì)合成增加。值得注意的是NR具有FAD輔基，其吸光范圍在400 nm左右，NR還具有喋呤輔基，其吸收波長300-500 nm的光。而隱花色素也含有黃素和喋呤作為輔助因子，有研究表明NR在粗糙脈孢菌(Neurosporacrassa)起光受體的作用，并作為光受體參與產(chǎn)孢過程[34]。因此，在植物中NR自身有可能是光受體，藍(lán)光有可能直接作用于NR促進(jìn)其活化，從而提高其活性。Thomas[35]的研究也發(fā)現(xiàn)藍(lán)光可直接促進(jìn)NR活化，卻導(dǎo)致一些酶(乙醇酸氧化酶等)失活。所以本研究中，藍(lán)光也有可能直接影響NR活性。

前人較多研究發(fā)現(xiàn)光質(zhì)的改變不僅可以影響植物地上部分的生長，同時對植物根系活力也有影響，單質(zhì)紅光、單質(zhì)藍(lán)光和紅藍(lán)組合光處理下不同水稻(Oryzasativa)品種的根系活力均顯著高于白光對照[36]。孫娜[28]的研究表明，單質(zhì)藍(lán)光、紅藍(lán)組合光下番茄幼苗的根系活力顯著高于白光處理，而單質(zhì)紅光下則顯著低于白光處理。而就韭菜(Alliumtuberosum)而言，藍(lán)光處理下植株根系活力顯著低于白光對照，紅光處理下根系活力與白光對照無顯著差異，而在紅藍(lán)組合光處理下卻顯著高于白光對照[37]。肖春生等[38]研究發(fā)現(xiàn)，與白光對照相比，隨著紅藍(lán)組合光中藍(lán)光比例的增大，煙草(Nicotianatabacum)根系活力顯著升高。本研究結(jié)果表明，紅光處理下桑樹植株的根系活力最低，隨著紅藍(lán)組合光中藍(lán)光比例增加，根系活力呈現(xiàn)升高趨勢，而在藍(lán)光處理下略有下降。李慧敏[39]在不同光質(zhì)對甘藍(lán)型油菜(Brassicanapus)根系活力影響的研究中也發(fā)現(xiàn)了與此相似的趨勢。但本研究中白光對照處理下桑樹植株的根系活力最高(圖4)，與以上眾多前人研究結(jié)果并不一致，這可能與對照桑樹植株根系代謝旺盛有關(guān)。本研究結(jié)果也說明，藍(lán)光可削弱紅光對桑樹幼苗根系生長的不利影響，并促進(jìn)其根系活力的提高。

同時本研究發(fā)現(xiàn)，不同紅藍(lán)光配比可影響桑樹幼苗葉片中微量元素的含量，隨著藍(lán)光比例增大(0～50%)，桑樹幼苗葉片的微量元素(Mn、Cu和Zn)含量總體呈現(xiàn)增加趨勢；紅藍(lán)組合光中藍(lán)光比例增加可促進(jìn)根系活力升高(圖4)，而根系活力反映根的代謝活動強(qiáng)弱，與植物根系對養(yǎng)分吸收能力的強(qiáng)弱有關(guān)。因此，與紅光處理相比，紅藍(lán)組合光處理下桑樹幼苗葉片微量元素(Mn、Cu和Zn)含量升高，可能是由于根系活力增強(qiáng)造成的；而藍(lán)光處理下根系活力下降、根系長勢相對較弱，可能導(dǎo)致了葉片微量元素(Mn、Cu和Zn)含量的相對降低；對照處理下根系活力最高，而葉片微量元素含量并未顯著高于除紅光處理外的其他各處理，同時對照及其他各處理間Fe含量也無明顯差異(圖4)，這可能是由于對照處理的根系長勢較弱、不發(fā)達(dá)，同時植物對礦質(zhì)元素的吸收還受離子載體數(shù)量等多種因素影響所致。

光和激素的相互作用在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育過程中起重要作用[40]，不同光質(zhì)可以通過與其相關(guān)的光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑來影響植物中的相關(guān)激素含量，從而引起植物的生理、形態(tài)發(fā)生變化[16]。前人研究發(fā)現(xiàn)紅光可以通過光敏色素介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)赤霉素(GA)代謝，并促進(jìn)GA的合成[41]，同時影響胚軸細(xì)胞對GA的敏感性[42]。同時有研究表明藍(lán)光可通過隱花色素介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，影響若干參與GA合成和代謝的酶基因的表達(dá)(促進(jìn)GA2ox1表達(dá)，抑制GA20ox1和GA3ox1表達(dá))，從而導(dǎo)致具有生物活性的GA積累減少，下胚軸伸長受抑制[43]。本研究結(jié)果表明，藍(lán)光比例增加(0～100%)對桑樹幼苗莖、葉中ABA含量影響較小，卻造成莖、葉中GA3含量明顯降低(圖5)，藍(lán)光不利于桑樹莖、葉中GA3積累，這可能與光敏色素、隱花色素介導(dǎo)紅光或藍(lán)光調(diào)控參與GA合成和代謝的酶基因的表達(dá)有關(guān)[44-45]。

紅光對桑樹幼苗莖伸長表現(xiàn)出促進(jìn)作用，而藍(lán)光表現(xiàn)出抑制作用，在紅藍(lán)組合光下，隨著藍(lán)光比例增大(0～100%)，莖伸長受抑制程度也隨之增加(另文發(fā)表)。本研究發(fā)現(xiàn)，在紅光、藍(lán)光下，對多效唑預(yù)處理過的桑樹幼苗噴施GA3溶液(10和100 mg·L-1)，幼苗莖長隨之增加，但與藍(lán)光處理相比，在紅光下，噴施相同濃度GA3溶液后，幼苗莖長增加更為迅速，且最終莖長也明顯高于藍(lán)光處理(圖6)，這表明紅光、藍(lán)光對莖伸長的不同作用，可能主要是通過調(diào)節(jié)赤霉素含量實現(xiàn)的，同時隨著藍(lán)光比例增大(0～100%)，莖伸長受抑制程度增加(另文發(fā)表)，可能也與GA3含量降低有關(guān)(圖6)。

值得注意的是本研究結(jié)果也表明，相比于紅光，藍(lán)光可造成桑樹幼苗莖對赤霉素的敏感性降低(圖6)。有研究證明GA受體GID1的數(shù)量可影響植物對GA的敏感性[46]，因此單質(zhì)藍(lán)光或紅藍(lán)組合光中的藍(lán)光可能是通過下調(diào)GA受體的數(shù)量或者降低GA受體與GA的親和力來影響桑樹幼苗莖對赤霉素的敏感性。由于隨著藍(lán)光比例增加(0B～100%B)，桑樹葉面積逐漸變小(另文發(fā)表)，而且前人研究表明GA可促進(jìn)葉片伸展[47]，所以紅光、藍(lán)光對桑樹幼苗葉面積的不同影響可能也與紅光、藍(lán)光調(diào)節(jié)葉中GA3含量有關(guān)。

綜上所述，在紅光基礎(chǔ)上補(bǔ)充藍(lán)光可逆轉(zhuǎn)或削弱紅光對桑樹幼苗生理代謝的負(fù)面效應(yīng)，紅光、藍(lán)光可通過調(diào)節(jié)桑樹幼苗莖中GA3含量和桑樹幼苗莖對GA3的敏感性，從而使紅光表現(xiàn)為對桑樹幼苗莖伸長的促進(jìn)作用，而藍(lán)光表現(xiàn)為對桑樹幼苗莖伸長的抑制作用?？傊?，相對單質(zhì)紅光、單質(zhì)藍(lán)光，紅藍(lán)組合光更適于桑樹幼苗的生長發(fā)育。