陳麗麗，王浩瑛，宮曉晨，薛緒掌，胡躍高*

（1.寧波大學科學技術學院，浙江 寧波 315300；2.中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，北京 100193；3.北京農(nóng)業(yè)智能裝備研究中心，北京 100097）

馬鈴薯是繼水稻、玉米、小麥之后的第四大糧食作物[1]，在保障糧食安全，改善膳食結構，幫助農(nóng)民致富方面起著重要作用。生產(chǎn)上，推廣使用合格種薯是保障馬鈴薯增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施[2]。馬鈴薯組培苗是生產(chǎn)馬鈴薯種薯的基礎[3]。光源是調(diào)控馬鈴薯組培苗生長發(fā)育的重要環(huán)境因素之一[4]。研究表明紅光處理30 d 的馬鈴薯組培苗細長柔弱，葉片薄而??；藍光處理下則表現(xiàn)出莖稈粗矮，葉色黑綠，葉片大而肥厚[5]。電鏡觀察表明紅光處理后組織細胞大，而藍光處理后的則短小[6]。單側(cè)藍光照射強烈引起馬鈴薯組培苗單節(jié)莖段90℃向光彎曲[7]。紅光和遠紅光照射促進馬鈴薯組培苗腋芽的長出[8]。紅藍光3∶1組合光譜提高了馬鈴薯組培苗中碳水化合物和蛋白質(zhì)等物質(zhì)積累[9]。紅藍組合光譜中增加一定綠光，通過改善生理指標和葉片解剖學結構有利于培養(yǎng)健壯的馬鈴薯組培苗[10]。上述研究重點關注了不同光質(zhì)處理結束后，馬鈴薯組培苗最終的形態(tài)、生理生化等特性，而不同光質(zhì)對馬鈴薯組培苗不同時期生長和內(nèi)源激素含量的影響尚未見報道。

光是影響植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因素之一。植物通過調(diào)整其形態(tài)和生理生長以適應不同光環(huán)境[11]。植物激素是調(diào)控植物生命活動的重要信號分子；光依賴的植物形態(tài)改變是受植物激素調(diào)節(jié)的[12]。遠紅光通過影響生長素和赤霉素的比例，調(diào)控大豆的生長形態(tài)及生物量分配[13]。紅光通過協(xié)同調(diào)控西瓜苗內(nèi)源水楊酸和茉莉酸激素信號-增強了植株的抗病性[14]。不同光質(zhì)通過改變內(nèi)源細胞分裂素、生長素和赤霉素含量進而影響夏玉米籽粒的形態(tài)特征[15]。紫外光譜通過調(diào)節(jié)內(nèi)源赤霉素代謝及其信號傳導途徑抑制豌豆莖節(jié)伸長和葉片擴展[16]。在水稻幼苗上蔭蔽現(xiàn)象引起的莖稈伸長也受內(nèi)源激素調(diào)控[17]。本試驗通過設置不同波長LED光源及其組合，對馬鈴薯組培苗生產(chǎn)中的照明光源進行調(diào)控，在組培苗生長關鍵時期進行取樣，分別測定各器官內(nèi)源細胞分裂素、生長素、脫落酸和赤霉素的含量，分析不同LED光源對馬鈴薯組培苗內(nèi)源激素含量的影響，從激素調(diào)控水平闡明LED光源對馬鈴薯組培苗形態(tài)生長的影響機制，以期為馬鈴薯組培苗擴繁中人工光源選擇提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試馬鈴薯品種為早熟品種‘中薯4號’，脫毒馬鈴薯組培苗由中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所馬鈴薯良種繁育中心提供。試驗前繼代培養(yǎng)足夠的馬鈴薯組培苗用于光處理。

1.2 試驗條件與光處理裝置

試驗在中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院南平房組培室內(nèi)進行，溫度控制在（23 ± 3）℃，光照時間為16 h 光照（6∶00～22∶00）8 h黑暗，濕度為（75 ± 5）%，總光合有效輻射強度為100 μmol/m2·s，由Li-CO 250 A光照計測定（美國LI-COR公司）。試驗采用無任何激素添加的MS 培養(yǎng)基，pH 5.8，每組培瓶（350 mL）（北京易生組培公司）分裝50 mL培養(yǎng)基在121℃下于高壓鍋內(nèi)滅菌15 min。在超凈工作臺內(nèi)，用組培剪剪下具有一葉的馬鈴薯組培苗單節(jié)莖段（長15 mm）作為外植體，垂直接種至滅菌凝固后的組培瓶內(nèi)，每瓶均勻接種12～15 個外植體，每個處理接種15瓶，置于光處理下培養(yǎng)4周。

試驗以白光作為對照（CK），設5個光質(zhì)處理：100%紅光（RR），100%藍光（BB），100%綠光（GG），65%紅光+35%藍光（RB），45%紅光+35%藍光+20%綠光（RBG）。試驗所用均為LED燈管（惠州可道有限公司）。試驗LED光譜特征如表1所示。

1.3 測定項目與方法

馬鈴薯單節(jié)莖段在上述光處理裝置內(nèi)培養(yǎng)28 d，每7 d測定1次生長和激素含量指標，共測定4次，每次分別測定根、莖和葉3個器官的指標。

表1 LED光譜特征Table 1 Characteristics of LED light spectrum

生長指標測定：各處理隨機選取15株苗（即各處理隨機選取5瓶，每瓶中隨機選取長勢一致的3株苗）用來測定莖長（自莖基部至莖節(jié)生長點的長度）、莖粗（測幼苗中間部位的莖粗），株鮮重，將幼苗放在75℃下進行烘干至恒重稱量其干重。用Epson Scanner（日本愛普生公司）掃描儀掃描洗干凈的根系，用WinRHIZO（加拿大Regent公司）軟件對掃描圖片進行分析獲得根系總長度、體積和直徑指標。用相同的方法獲得葉片的投影面積作為葉片面積。

激素含量測定：各處理每次分別選取15 株苗（即各處理隨機選取5瓶，每瓶中隨機選取長勢一致的3株苗），將根部培養(yǎng)基清洗干凈，從中取0.5 g左右根、莖和葉鮮樣，用錫箔紙包好，立即放入液氮中速凍，隨后置于-80℃冰箱中備用。待樣品全部收集完，用酶聯(lián)免疫法[18]測定赤霉素（Gibberellins，GAs）、吲哚乙酸（Indoleacetic acid，IAA）、脫落酸（Abscisic acid，ABA）、細胞分裂素異戊烯基腺苷（Isopentenyl adenosine，IPA）、玉米素核苷（Zeatin Riboside，ZR）和雙氫玉米素核苷（Dihydrozeatin riboside，DHZR）的含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)用SPSS 23.0 統(tǒng)計軟件進行方差分析（Student's t test，P＜0.05），用SigmaPlot 12.5軟件作圖。圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 LED光譜對馬鈴薯組培苗生長的影響

由表2可知，與CK相比，組合光譜RB和RBG處理并未顯著（P＞0.05）改變不同苗齡馬鈴薯組培苗的生長指標，但RB和RBG處理4周后的馬鈴薯組培苗在植株鮮重、莖粗、根直徑、葉面積、莖長和根表面積上均高于對照CK。在第1周光處理結束后，單色紅光（RR）和單色綠光（GG）處理較CK、RB 和RBG處理顯著（P＜0.05）提高馬鈴薯組培苗的單株鮮重、葉片數(shù)、莖長和節(jié)間數(shù)；光處理持續(xù)至第2周結束時，RR 和GG 處理在單株鮮重和葉片數(shù)上與CK、RB和RBG無顯著（P＞0.05）差異，在葉面積上開始表現(xiàn)出顯著（P＜0.05）低于CK和BB處理；在莖長上RR和GG處理始終顯著（P＜0.05）高于CK、RB和RBG處理；在莖長和節(jié)間數(shù)方面，RR和GG處理下的馬鈴薯組培苗高于同一生長時期的CK、RB和RBG處理的組培苗。在整個培養(yǎng)過程中，單色藍光（BB）處理下，馬鈴薯組培苗的莖長、節(jié)間數(shù)始終顯著（P＜0.05）低于CK、RB和RBG處理，但BB處理下組培苗的莖粗始終保持最大值，且顯著（P＜0.05）高于RR和GG處理。在整個培養(yǎng)過程中BB處理下根直徑始終最高（除第1周外），相反GG處理下的根直徑和根表面積始終顯著（P＜0.05）低于CK；RB和RBG處理下根系的生長指標與CK無顯著（P＞0.05）差異；紅光處理下的根系生長指標在根直徑上與CK、RB和RBG處理在各生長階段均未表現(xiàn)出顯著差異（P＞0.05），但第4周處理結束后其根系總面積要顯著（P＜0.05）高于CK。與白光相比，單色光顯著改變馬鈴薯組培苗的形態(tài)生長：藍光下馬鈴薯組培苗葉片大且葉色濃綠、莖干粗矮壯實，紅綠光下則葉片小莖稈柔弱細長；紅藍和紅藍綠組合光譜均較對照提高馬鈴薯組培苗莖長和莖粗等生長指標，雖未達到顯著水平，但一定程度上利于培養(yǎng)壯苗。

表2 LED光譜對馬鈴薯組培苗生長的影響Table 2 Effect of LED light spectrum on growth of potato plantlets cultured in vitro

2.2 LED 光譜對馬鈴薯組培苗各器官內(nèi)源激素含量的影響

2.2.1 LED光譜對馬鈴薯組培苗根系內(nèi)源激素含量的影響

如圖1a所示，各處理下，馬鈴薯組培苗根系內(nèi)源ABA含量呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢；RR處理下ABA 含量始終最高，GG 處理下始終最低，RB、RBG和CK處理居中。各處理下，馬鈴薯組培苗根系內(nèi)源IAA 含量在整個生長周期內(nèi)大體呈下降趨勢；在各生長時期，GG處理的組培苗根系內(nèi)源IAA含量下降不明顯且始終最高（圖1b）。在馬鈴薯組培苗生長過程中，第2周時組培苗根系內(nèi)源GAs含量有增加，之后降低且基本保持不變，且各處理下組培苗根系內(nèi)源GAs 與ABA 變化相似，即RR 處理GAs 和ABA 含量始終最高，GG 處理始終最低，RB、RBG和CK處理居中（圖1c）。馬鈴薯組培苗根系中細胞分裂素ZR、DHZR 和IPA 的含量均在第2周處理結束時達到最高值；第3和4周處理結束后的含量與第1 周處理結束后基本持平（圖1d、1e 和1f）。同一苗齡時期，CK與各處理的ZR和DHZR含量均無顯著（P＞0.05）差異（圖1e 和1f）。RB、RBG和CK 處理下的IPA 含量在各生長時期無顯著差異（P＞0.05）但均顯著（P＜0.05）高于單色光處理；RR和BB處理下的IPA含量無顯著差異（P＞0.05），但均顯著（P＜0.05）高于GG處理（圖1d）?？傊琇ED光譜改變馬鈴薯組培苗根系中內(nèi)源激素的含量，同一激素在不同苗齡生長時期的含量不盡相同，整體來看以光處理結束第2周各激素含量變化最大。

2.2.2 LED光譜對馬鈴薯組培苗莖內(nèi)源激素含量的影響

如圖2a所示，各處理下，馬鈴薯組培苗莖內(nèi)源ABA含量在第2周光處理后出現(xiàn)最低值，隨后逐漸升高，至第4周光處理結束后基本達到第1周光處理結束時期水平。馬鈴薯組培苗整個生長周期內(nèi)，BB處理的ABA 含量始終高于CK 和其他處理，RR 和GG處理的ABA含量始終最低，RB，RBG處理和對照CK的ABA含量基本一致。但是，各處理不同生長時期馬鈴薯組培苗莖內(nèi)源GAs與內(nèi)源ABA含量呈現(xiàn)相反的變化趨勢（圖2b）。各處理下，馬鈴薯組培苗莖內(nèi)源IAA含量也在處理第2周結束時達到最高，隨后基本不變，但均高于光處理第1周結束時；RR和GG 處理下組培苗莖內(nèi)源IAA 含量始終最高，RB、RBG 處理和 CK 下 IAA 含量居中，BB 處理下IAA含量始終最低（圖2c）。各處理下，馬鈴薯組培苗莖稈中的細胞分裂素（IPA、ZR 和DHZR）均在光處理第2周結束時出現(xiàn)最高值（圖2d、2e和2f）；除BB處理下莖內(nèi)源細胞分裂素IPA含量顯著（P＜0.05）低于CK 和其他處理外，其他處理與CK 并無顯著（P＞0.05）差異（圖2d）；在光處理第1、3和4周后，各處理下，莖內(nèi)源細胞分裂素IPA和ZR含量基本相同；除第2周外，在同一生長時期，各處理的莖內(nèi)源細胞分裂素ZR 和DHZR 含量并無顯著（P＞0.05）差異。不同LED光譜顯著影響各生長時期馬鈴薯組培苗莖稈中ABA、IAA和GAs的含量。

2.2.3 LED光譜對馬鈴薯組培苗葉片內(nèi)源激素含量的影響

在整個光處理期間，RR和GG處理下馬鈴薯組培苗葉片內(nèi)源ABA含量始終最高，平均高出CK和其他處理20 ng/g，且呈遞減趨勢；有趣的是BB處理下ABA 的變化趨勢與RB、RBG 處理和CK 基本一致，均表現(xiàn)為在光處理第2周后略微升高，隨后降低并基本保持不變（圖3a）。各處理下，馬鈴薯組培苗葉片內(nèi)源GAs含量的變化趨勢基本相同，即光處理第2周升高，隨后降低并基本保持不變，但RR和GG處理的組培苗葉片內(nèi)源GAs含量始終最低，BB處理則最高（圖3b）。所有光處理下馬鈴薯組培苗葉片內(nèi)源IAA含量均在第2周后呈持續(xù)下降趨勢，RR和BB處理下在前三周葉片的IAA激素含量幾乎相同且始終最高；GG處理葉片IAA含量在整個生長期均最低，RB、RBG和CK處理居中（圖3c）。BB處理下前三周組培苗葉片內(nèi)源細胞分裂素（IPA、ZR 和DHZR）含量始終顯著（P＜0.05）高于CK 和其他處理；RB和RBG處理的細胞分裂素含量與CK無顯著差異（P＞0.05）但均顯著（P＜0.05）高于RR 和GG 處理（圖3d、3e和3f）。LED光質(zhì)顯著改變馬鈴薯組培苗葉片中植物激素的含量，BB處理顯著增加組培苗葉片內(nèi)源細胞分裂素的含量。

3 討 論

馬鈴薯組培苗通常用于溫室移栽生產(chǎn)微型薯和單節(jié)莖段剪切用于擴繁培養(yǎng)，前者要求壯苗以利于成活，后者要求節(jié)間數(shù)多且節(jié)間較長利于剪切。本研究中紅藍組合RB與紅藍綠組合RBG光譜下的馬鈴薯組培苗在株鮮重、葉面積、莖長、莖粗、根直徑和根表面積上均高于對照CK，表明上述組合光譜在培養(yǎng)健壯馬鈴薯組培苗方面優(yōu)于白光光譜，類似的結果在葡萄、棉花、蘭花等多種組培苗[19-21]和黃瓜[22]、番茄[23]幼苗上均有報道。單色紅光和綠光下馬鈴薯組培苗表現(xiàn)出葉片面積小，莖稈細長，植株鮮重低的特點，表明該光處理引起了馬鈴薯組培苗的蔭蔽反應（即莖稈細長，葉片部分投入減少，植株重量下降）。單色紅和綠光下培養(yǎng)的葡萄組培苗也表現(xiàn)出類似的現(xiàn)象[24]。此外，節(jié)間長的馬鈴薯組培苗有利于莖段剪切進行繼代培養(yǎng)。試驗中，RR和GG 處理2 和3 周苗齡的組培苗分別與對照CK和RB、RBG 處理下3 和4周苗齡的組培苗莖長和節(jié)間長相當，表明這2種光處理的組培苗用于莖段剪切繼代培養(yǎng)較有優(yōu)勢。相反，單色藍光導致馬鈴薯組培苗葉色濃綠，葉面積大，莖稈較粗但極度矮化，說明藍光引起馬鈴薯組培苗的形態(tài)生長與上述2種單色光截然不同，這可能與不同光源介導的激素調(diào)控有關。

GAs的主要作用是促進莖節(jié)伸長。調(diào)控株高的基因主要通過調(diào)節(jié)活性赤霉素GA1的含量來控制株高，且在一定范圍內(nèi)植株高度與其含量呈正相關[25,26]。各處理下，馬鈴薯組培苗莖內(nèi)源GAs變化趨勢與對照CK相同，RR和GG處理始終最高，組合光譜RB和RBG及CK次之，BB始終最低（圖2b），表明單色紅光和單色綠光處理下組培苗莖稈積累較高的GAs含量，可能活性赤霉素GA1含量也較高，進而促進了莖稈和節(jié)間的伸長；單色藍光處理下組培苗莖內(nèi)源GAs含量最低，推測GA1含量亦較低，抑制了組培苗節(jié)間伸長，從而造成藍光處理的莖稈極度矮化。IAA具有促進細胞伸長的作用。值得注意的是，各處理下不同生長時期組培苗莖內(nèi)源IAA含量變化與GAs基本一致（圖2c）。研究表明紅色熒光燈下培養(yǎng)的馬鈴薯組培苗莖稈表現(xiàn)出明顯的伸長生長，同時伴隨著較高的內(nèi)源IAA和GAs含量；單色藍光下莖稈伸長被強烈抑制，同時伴隨著低濃度的內(nèi)源IAA和GAs含量。這些研究均表明單色紅光可能通過提高CAs和IAA的含量，促進組培苗莖細胞伸長生長；也可能組培苗莖內(nèi)源GAs和IAA協(xié)調(diào)作用強烈刺激莖稈伸長導致馬鈴薯組培苗株高顯著（P＜0.05）增加。此外，由表2可知任一生長時期RR和GG處理的馬鈴薯組培苗莖長均顯著（P＜0.05）高于BB處理；與此同時，在同一生長時期下，RR和GG處理的莖內(nèi)源GAs和IAA含量也均顯著高于BB處理，這說明RR和GG處理下GAs和IAA含量并未達到這2 種激素促進莖稈伸長生長的最大臨界值。因此，單色藍光下的莖生長可能是因為上述2種激素含量低而被強烈抑制，導致藍光下馬鈴薯組培苗株高顯著（P＜0.05）降低。此外，顯微結構觀察亦表明紅光處理下的馬鈴薯組培苗莖細胞狹長而藍光下則短小[6]。細胞分裂素可以刺激細胞體積增大。單色藍光下莖稈內(nèi)源細胞分裂素IPA含量始終顯著（P＜0.05）低于CK和其他處理（圖2d），可能也是造成藍光下馬鈴薯組培苗莖稈極度矮化的潛在原因。各處理，不同生長時期組培苗的莖內(nèi)源ABA含量變化趨勢與 IAA 和 GAs 相反，BB 處理的 ABA 含量始終最高，組合光譜RB和RBG處理及對照CK次之，RR和GG 處理最低（圖2a）。ABA 作為一種抗逆激素，可以改善植物對逆境的適應，增強抵抗能力。單色藍光下馬鈴薯組培苗莖稈粗壯，而單色紅綠光下則細弱，這可能與莖稈中較高的ABA含量增強了組培苗對組培微環(huán)境[27]（低CO2濃度、高濕度、弱光照等）及單色光脅迫的逆境適應性有關。

正常發(fā)育的葉片可以合成細胞分裂素，該激素通過誘導營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移至葉片而擴大葉器官的源[28]。單色藍光處理下馬鈴薯組培苗葉片內(nèi)源細胞分裂素（IPA，ZR 和DHZR）含量均顯著（P＜0.05）高于其他處理?？赡苁撬{光處理誘導葉片積累較高的細胞分裂素促進營養(yǎng)物質(zhì)從其他部位轉(zhuǎn)移至葉片利于葉片生長，造成葉片面積大而肥厚。藍色熒光燈培養(yǎng)下馬鈴薯組培苗葉片面積及其內(nèi)源細胞分裂素含量也顯著高于白色熒光燈[5]。此外，細胞分裂素可以促進葉綠體發(fā)育，抑制葉片衰老[29]，這可能是造成藍光下組培苗葉色濃綠的重要原因。ABA具有促進葉片脫落的功能[30]，單色紅綠光處理下ABA含量始終高于CK和其他處理，這可能是造成RR處理下葉片發(fā)黃且易從莖稈處脫落的原因。

在組培植物生長過程中，因固體培養(yǎng)基環(huán)境的特殊性（滲透壓大、營養(yǎng)元素濃度高且一次供應，無液態(tài)水等），生長在培養(yǎng)基內(nèi)的馬鈴薯組培苗根系一定程度上處于一種脅迫狀態(tài)。研究表明根系內(nèi)適宜濃度的ABA 會緩解根系脅迫，促進根系生長[31]；低濃度的GAs 會阻礙根系細胞分裂，抑制根系生長[32]。RR 處理下組培苗根系內(nèi)源ABA 含量可能是較適宜的濃度，很大程度上緩解了培養(yǎng)基環(huán)境對根系造成的脅迫且該處理下內(nèi)源GAs含量較高能夠促進根細胞分裂，促進根系生長。這可能是造成單色紅光下根系生長指標良好的一個重要原因。雖然IAA具有促進根系生長的功能，但根系對其濃度十分敏感，濃度過高就會抑制根系生長[30]。單色綠光下根系內(nèi)源IAA含量始終最高而其根系生長指標卻顯著（P＜0.05）低于CK，表明GG處理下誘導根系產(chǎn)生的高濃度IAA可能抑制了根系的生長。此外，單色綠光下根系內(nèi)源GAs含量較低，阻礙了根系的細胞分裂，對根系生長也產(chǎn)生了阻礙。上述2種激素的協(xié)同抑制可能導致了單色綠光下馬鈴薯組培苗根系生長較差的重要原因。

不同波長LED光源及其組合通過影響馬鈴薯組培苗內(nèi)源激素在不同器官中的積累與分布水平進而影響組培苗的形態(tài)生長。此外，光介導的植物內(nèi)源激素調(diào)控對植物生長發(fā)育的影響是一個非常復雜的過程，加上馬鈴薯組培苗生長的特殊微環(huán)境[27]，這期間也可能會涉及到其他如油菜素內(nèi)酯、水楊酸、茉莉酸等激素的調(diào)控，尚有待進一步研究。