王 虹，王 穎，閻 君，朱為民

(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所，上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點實驗室，上海201403)

在各種環(huán)境因子中，光是影響植物生長發(fā)育及形態(tài)建成的重要環(huán)境因子之一。光對植物的作用主要表現(xiàn)在兩個方面:首先，光為植物提供光合作用所需的能量;其次，光作為信號物質(zhì)，通過不同的光受體調(diào)控植物的整個生長發(fā)育進程［1］。光環(huán)境對植物生長發(fā)育的調(diào)控主要通過光強、光周期和光質(zhì)來實現(xiàn)，與前兩者相比，光質(zhì)對植物生長的調(diào)控則更為復(fù)雜［2］。不同光質(zhì)組成對植物生長的作用是不同的［3］，其中400～500 nm的藍紫光和630～680 nm的紅光可被植物光合色素吸收［4］，因此，大多數(shù)學(xué)者認為，紅藍組合的光源即可滿足植物的正常生長。李慧敏等［5］研究表明，紅藍比例為8的光源可更好地滿足甘藍型油菜的生長;王麗偉等［6］在對番茄的研究中發(fā)現(xiàn)，3R1B更有利于培育壯苗;Nhut等［7］的研究則表明，紅藍比例為7/3時，更有利于草莓幼苗干物質(zhì)質(zhì)量的增加。以上研究表明，作物對紅藍光比例的需求具有種間特異性，適當比例的紅藍光對促進幼苗生長具有重要的作用。

黃瓜是我國溫室生產(chǎn)中的主要蔬菜，同時，也是光質(zhì)敏感的蔬菜作物［8］，但前人在研究黃瓜幼苗對不同紅藍光的需求時存在不同的結(jié)論，如Hogewoning等［9］研究結(jié)果表明，當紅藍光比例達到50%B∶50%R時，黃瓜葉片光合速率、氣孔導(dǎo)度及葉綠素含量達到最高;Hernandez等［10］的研究表明，當R/B為9時，黃瓜葉片的干鮮質(zhì)量最大;劉丹等［11］的研究則認為，當紅/藍為7/3時，黃瓜幼苗的生長指標最優(yōu)。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用不同比例的紅藍光LED光源，研究其對黃瓜幼苗生長及光合特性的影響，以期為黃瓜工廠化育苗所需的最優(yōu)光源提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 實驗設(shè)計和光照處理

實驗在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝所LED實驗室內(nèi)進行，供試黃瓜品種為春秋王，由上?？茍@種子公司提供。將浸種后發(fā)芽的黃瓜種子播于V(椰糠)∶V(草炭)∶V(蛭石)=1∶1∶1的基質(zhì)中，出苗后放置在不同的光照處理下生長。每個處理24棵黃瓜幼苗，重復(fù)3次。黃瓜幼苗生長的光周期為12 h，相對濕度為60% ～70%，溫度保持在25℃/20℃左右。定期澆灌園式配方的營養(yǎng)液，播種20 d后測定各項生理及分子指標。

不同比例的LED燈由深圳聯(lián)邦重科電子有限公司訂做，實驗按照不同紅藍光燈珠的個數(shù)比分別設(shè)置紅藍光比例為:5B/95R(5%藍光∶95%紅光)，10B/90R(10%藍光∶90%紅光)，20B/80R(20%藍光∶80%紅光)，30B/70R(30%藍光∶70%紅光)，60B/40R(60%藍光∶40%紅光)，80B/20R(80%藍光∶20%紅光)，90B/10R(90%藍光∶10%紅光)，調(diào)節(jié)光源與穴盤間距離，使各處理的光照強度均為 200 μmol·m－2·s－1。

1．2 測試方法

1．2.1 生長量指標的測定

播種20 d后，各紅藍光處理隨機選擇5株完整的幼苗，使用直尺測定其株高，使用游標卡尺測定其莖粗，使用電子天平測定其干鮮質(zhì)量，使用葉面積測定儀測定其葉面積，使用TYS-A型葉綠素測定儀測定其相對葉綠素含量。

1．2.3 光合參數(shù)的測定

黃瓜幼苗播種20 d后，測定其光合參數(shù)。使用Li-6400XT光合儀測定各處理凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)等數(shù)值。光合參數(shù)測定時，使用的二氧化碳濃度為400 μmol·mol－1，相對濕度為 60% ～70% ，使用儀器內(nèi)置的紅藍光作為測定光源，光照強度為200 μmol·m－2·s－1。

1．2.4 熒光定量PCR(qRT-PCR)分析

各處理的黃瓜幼苗在播種20 d后，取葉片迅速放置于液氮中，然后置于－80℃冰箱中用于RNA提取。RNA的提取及cDNA的合成參照王虹等［12］的方法。使用 ABI公司的 QuantStudio3熒光定量PCR儀測定光合基因的相對表達量，具體計算方法參照 Livak和 Schmittgen的 2－ΔΔCT法［13］。實驗使用的 Actin引物為:上游5’-AAAGATGACGCAGATAAT-3’，下游 5’-GAGAGATGGCTGGAATAG-3’;rbc L的引物為:上游 5’-ACCGATGGGCTTACCAGTCT-3’，下游 5’-ATTCGCAAATCCTCCAGACG-3’;rbc S的引物為:上游5’-ATGGGTTCCCTGCGTTGA-3’，下游 5’-CCTGAGATGAGTCGGTGC-3’;rca的引物為:上游5’-GCTGACAACCCAACCAA-3’，下游 5’-CATCCGACCATCACGAA-3’。

1．3 數(shù)據(jù)分析

使用EXCEL 2007進行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS軟件中的新復(fù)極差法進行多重比較(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2．1 不同紅藍比例的LED光照處理對黃瓜幼苗生長的影響

由圖1可知，不同比例的紅藍光處理影響了黃瓜幼苗的生長。除5%藍光處理外，黃瓜幼苗的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、葉面積、株高及莖粗等生長相關(guān)的指標與處理中藍光的比例呈負相關(guān)的線性關(guān)系，即隨著藍光比例的增加，黃瓜幼苗的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、葉面積、株高及莖粗等指標呈下降的趨勢。例如，與10%藍光處理相比，20%、30%、60%、80%及90%藍光處理分別使黃瓜幼苗的鮮質(zhì)量及干質(zhì)量降低了6.76%、32.03%、31.62%、55%、61.76% 和 7.89%、26.32%、23.68%、58.55%、61.85%。此外，除5%藍光處理外，隨藍光比例的增加，黃瓜幼苗的葉面積、株高及莖粗等指標也呈下降的趨勢。但與之相反的是，黃瓜幼苗的相對葉綠素含量與處理中藍光的比例呈正相關(guān)的線性關(guān)系，即葉綠素含量隨著藍光比例的增加而增加。以上研究結(jié)果表明，與其他處理相比，10%藍光處理更有利于黃瓜幼苗生長。

2.2 不同紅藍比例的LED光照處理對黃瓜幼苗光合特性的影響

由圖2所示，不同紅藍比例的LED燈處理影響了黃瓜幼苗的光合特性。隨著藍光比例的增加，黃瓜幼苗的凈光合速率(Pn)呈現(xiàn)先上升再下降的變化。與5%的藍光處理相比，10%、20%、30%、60%、80%及90%藍光處理分別使黃瓜幼苗的凈光合速率上升了 21.65%、30.32%、36.59%、61.86%、46.91%、25.26%。各處理的氣孔導(dǎo)度(Gs)值隨著藍光比例的上升而上升，與5%的藍光處理相比，10%、20%、30%、60%、80%及90%藍光處理分別使Gs值增加了35.71%、85.52%、77.38%、118.45%、132.74%、158.73%。胞間二氧化碳濃度(Ci)值最低的處理是60%和80%藍光處理，5%和10%藍光處理的Ci值顯著高于其他處理。

2．3 不同紅藍比例的LED光照處理對黃瓜幼苗光合相關(guān)基因表達的影響

圖1 不同紅藍比例的LED燈對黃瓜幼苗生長的影響Fig．1 Effects of different combinations of red and blue light on growth of cucumber seedlings

圖2 不同紅藍比例的LED燈對黃瓜幼苗光合參數(shù)的影響Fig．2 Effects of different combinations of red and blue light on photosynthetic characteristics of cucumber seedlings

核酮糖1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶(ribulose 1，5-biphosphate carboxylase/oxygenase，Rubisco)是植物光合作用的重要酶，因此我們采用qRTPCR的方法測定了編碼Rubisco的大亞基(rbc L)、小亞基(rbs S)和活化酶(rca)的基因表達量。由圖3所示，黃瓜幼苗的3個基因受到了不同紅藍光處理的調(diào)控。隨著藍光比例的增加，各處理的rbc L和rbs S基因表達量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，兩個基因的相對表達量均以60%藍光處理最高，分別比5%藍光處理上調(diào)了6.67及10.02倍。除90%藍光處理外，各處理rca的表達量隨藍光比例的上升而上升，與5%藍光處理相比，10%、20%、30%、60%、80%、90%藍光處理的rca的表達量分別上升了 0.12、2.17、2.10、3.48、3.26、2.96倍。以上結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，高比例的藍光更有利于Rubisco相關(guān)基因的表達。

圖3 不同紅藍比例的LED燈對黃瓜幼苗光合相關(guān)基因表達量的影響Fig．3 Effects of different combinations of red and blue light on the expression of photosynthesis genes in cumber seedlings

3 結(jié)論與討論

與單波長的紅光和藍光相比，紅藍組合能更有效地滿足作物的生長［14－16］。因此，我們采用了不同紅藍比例的LED燈，研究了其對黃瓜幼苗生長和光合特性的影響。我們的研究結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，黃瓜幼苗的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、葉面積、株高及莖粗等生長指標隨著藍光比例增加而降低。這與Wang等［14］在生菜上的研究結(jié)果基本一致，即紅光比例增大，更有利于干物質(zhì)質(zhì)量的增加，與之相同的是，徐文棟等［16］的研究也表明黃瓜幼苗的株高和莖粗等指標隨著處理中紅光比例的增加而增大。這可能是由于高比例的紅光促進了植株葉片數(shù)量及葉片面積的增加，從而更有效地促進植株的生長［14］。此外，紅光的光受體光敏色素還參與調(diào)控了植株莖的伸長［17］，而藍光的光受體隱花色素抑制了植株莖的伸長，這也與我們的研究結(jié)果相同，即隨著各處理藍光比例的增加，黃瓜幼苗的株高呈下降的趨勢。本實驗結(jié)果表明，10%藍光處理，更有利于黃瓜幼苗的生長，但是 Hernandez等［10］的研究認為，紅藍比例為9時，最有利于黃瓜幼苗的生長，而徐文棟等［16］的研究認為紅藍比例為3/1時，黃瓜幼苗生長最優(yōu)。這可能是由不同黃瓜品種及不同實驗條件所引起的。

葉綠素是植物體吸收紅光和藍光的主要色素。大量研究表明，藍光更有利于植物體葉綠素的合成［9－10，18］。藍光缺失抑制了小麥葉片［18］、菠菜［19］、黃瓜［9－10］等作物中葉綠素的合成。但是值得注意的是，植物體葉綠素合成是由藍光受體隱花色素和紅光受體光敏色素共同調(diào)控的，因此，只有適宜的紅藍比才更有利于植物體葉綠素的合成。本研究也表明，在藍光比例達到80%之前，黃瓜幼苗的相對葉綠素含量則隨著藍光比例的增加而增加。

凈光合速率(Pn)是衡量植株光合能力的重要指標。Wang 等［14］對生菜和 Chang 等［20］對油菜葉片的研究表明，處理中高比例的紅光更利于植株P(guān)n的增加，因為紅光(600～700 nm)的相對光量子效率比藍光高25% ～30%［21］。與之結(jié)果不同的是，在本實驗中，黃瓜幼苗的Pn隨著處理藍光比例的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。Hogewoning等［9］把這種現(xiàn)象歸結(jié)為，藍光可被葉綠素及類胡蘿卜素共同吸收，從而形成類似于陽生植物的葉綠體，因此在相對較低的光照強度下，高比例的藍光處理更有利于提高植株光合作用。

在本實驗中，黃瓜幼苗的凈光合速率隨著藍光比例的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢還可以通過氣孔導(dǎo)度(Gs)及Rubisco相關(guān)基因的表達等方面進一步加以驗證。這也與大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果相同［3，15］。如 Wang 等［3］的研究表明，藍光處理下，植株Gs顯著高于其他光質(zhì)處理，Hernandez等［10］的研究也表明，隨著藍光比例的增加，葉片氣孔密度及氣孔縱橫經(jīng)顯著增加，從而植株的Gs顯著上升。在大多數(shù)C3植物中，Rubisco的活性與植株的光合作用呈正相關(guān)的關(guān)系。本文的研究結(jié)果表明，高比例的藍光更有利于編碼Rubisco的rbc L、rbc S及rca等3個基因的表達。這與Muneer等［15］在生菜中的研究結(jié)果相似，即與紅色LED處理相比，藍色LED處理更能增加植株Rubiso含量，同時伴隨著較高的Pn值。

但是值得注意的是，在本實驗中，雖然60%的藍光下黃瓜幼苗的凈光合速率最高，但是10%藍光處理卻最有利于黃瓜幼苗的生長，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是黃瓜幼苗的生長不僅與Pn有關(guān)，同時還與葉片數(shù)及葉面積等指標有關(guān)，這與本文的研究結(jié)果一致，即除5%藍光處理外，黃瓜幼苗的葉面積值隨藍光比例的增大而降低。葉面積減少降低了植株對光的捕獲能力，進而抑制植株的生長［10］。不同紅藍光比例所引起的Pn與產(chǎn)量不符的另一個合理的解釋是，我們測定Pn時，只測定了單獨葉片的光合速率，但這不能代表全株植物的光合效率值［22］。此外，我們在測定時，使用的是內(nèi)置紅藍光源，而實際生長狀況下的光合作用是否與測得的數(shù)據(jù)一致還有待進一步驗證。Lemoine等［23］的研究表明，光信號通過調(diào)節(jié)蔗糖的合成來調(diào)控植株源庫關(guān)系。那么，不同紅藍光比例所引起的Pn與產(chǎn)量不符是否與光信號對源庫關(guān)系的調(diào)節(jié)有關(guān)，還需我們進一步加以研究。

綜上所述，在本實驗條件下，黃瓜幼苗干質(zhì)量、鮮質(zhì)量、葉面積、莖粗及株高等生長相關(guān)的參數(shù)隨著處理中藍光比例的增加而降低，而與植株光合相關(guān)的相對葉綠素含量、Pn、Gs及編碼Rubisco的3個基因的表達量則隨著藍光比例的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。其中，10%藍光處理最有利于黃瓜幼苗的生長。