高登國，于 捷，鄒志榮，曹 凱，鮑恩財，孟力力，李士照，葉 林

(1. 寧夏大學農(nóng)學院，銀川 750021；2. 西北農(nóng)林科技大學園藝學院，農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝工程重點實驗室，楊凌 712100；3. 江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所，農(nóng)業(yè)部長江中下游設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，南京 210014；4. 蘇州普兆農(nóng)業(yè)科技有限公司，蘇州 215000)

番茄（Solanum lycopersicumL.），即西紅柿，廣泛種植于世界各地，是菜籃子中主要的蔬菜，深受各國人民的喜愛，同時還是研究者進行遺傳學及抗逆生理生化研究所用的重要模式植物[1]。近年來，我國設(shè)施番茄栽培面積迅速擴大，然而受溫室半封閉環(huán)境條件和連年重茬種植、不合理灌溉、過量施肥等高度集約化經(jīng)營方式的影響，土壤次生鹽漬化嚴重，土壤中積累了大量鹽分，使得設(shè)施番茄受到鹽脅迫，最終導致減產(chǎn)及品質(zhì)的降低[2]。目前，制約我國設(shè)施番茄高效、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的重要原因是鹽脅迫[3]。鹽脅迫使番茄的光合機構(gòu)受到損害[4]，阻礙了光合電子的傳遞，嚴重傷害了番茄的生長發(fā)育[5]。因此，從改善設(shè)施番茄鹽脅迫條件下的光合能力入手，可以有效地提高設(shè)施番茄的抗鹽能力，對設(shè)施番茄抗鹽高效栽培具有很重要的意義。

光是調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因子，不同光質(zhì)對植物生長發(fā)育也會產(chǎn)生不同的影響，并且與露天大田環(huán)境相比，設(shè)施溫室內(nèi)的光質(zhì)會發(fā)生較大的變化，因此通過補光措施來改變溫室內(nèi)的光環(huán)境，最終達到調(diào)節(jié)植物生長的效果[6]。不同光源補光能顯著改善設(shè)施番茄幼苗形態(tài)以及提高番茄幼苗全株的干鮮質(zhì)量。王洪安[7]的研究表明， 溫室番茄人工補光可促進番茄提前成熟期，畸形果較少，番茄植株形態(tài)健壯，品質(zhì)優(yōu)良。因此，根據(jù)番茄對光質(zhì)的需求，提供最適宜其生長的光環(huán)境參數(shù)，可提高LED光源的利用效率。當前，對設(shè)施番茄生產(chǎn)中的LED光源重點在不同光質(zhì)配比對番茄的光合、形態(tài)指標和生理指標等影響的研究。楊俊偉等[8]研究表明，不同紅藍光比可以促進番茄幼苗的鮮質(zhì)量、葉綠素含量、根系活力等提高；張現(xiàn)征等[9]研究結(jié)果顯示，不同紅藍光比有利于番茄幼苗干物質(zhì)的積累和壯苗指數(shù)，而且有利于光合性能的提高。通常紅光是指 655 ～ 665 nm 波長的光，是植物葉綠素吸收較多的光，遠紅光是指725～735 nm 波長的光，為植物光合提供輻射能以及作為信號調(diào)節(jié)植物整個生理過程[10]。目前已有很多研究表明，遠紅光和紅光不僅可以促進番茄幼苗的生長[11-12]，調(diào)節(jié)番茄開花時間、葉綠素含量和光合速率，還能提高番茄產(chǎn)量和品質(zhì)[13-14]。然而，目前對紅光與遠紅光調(diào)節(jié)設(shè)施番茄抗逆的研究卻較少。鑒于此，本試驗通過調(diào)節(jié)溫室光環(huán)境中LED的R和Fr比例，探究在鹽脅迫下，不同R:Fr比值對番茄幼苗生長的影響，以期為不同R:Fr比值的光質(zhì)調(diào)控在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及材料

本試驗開展時間為2016年4月―2019年11月，開展地點為江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室以及西北農(nóng)林科技大學農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北設(shè)施園藝工程重點實驗室。供試溫室番茄品種為‘MoneyMaker’。

1.2 試驗處理

利用去離子水浸泡番茄種子3～5 h后，將番茄種子放在4層紗布的培養(yǎng)皿中并至于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中催芽48～72 h，將露白后的番茄種子播于72孔塑料穴盤中，移入人工氣候室進行培養(yǎng)，白/晝兩個階段培養(yǎng)時間各為12 h，其中白天光照強度為80 ～120 μmol·m-2·s-1，溫度為25 ℃，夜間溫度為20 ℃，濕度為65%～70%。番茄長到2葉1心時，將番茄根部基質(zhì)沖洗干凈后，移栽至水培槽中，進行下一步的深液流水培養(yǎng)。每20 min循環(huán)1次水槽中的營養(yǎng)液，以15 cm×10 cm作為番茄幼苗的水培行株距。白天光照為12 h，溫度為26～28 ℃，光照強度為（200 ± 20）μmol·m-2·s-1，濕度為65%～70%，白天打開風扇使空氣實現(xiàn)環(huán)流。夜間12 h，溫度為18～20 ℃，濕度為65%。由圖1可知，白色LED光源有2個波峰，分別為455 nm和570 nm，白色LED的R:Fr為 7.4，LED遠紅光的波峰在730 nm處。本實驗對照組為白色LED光源，處理組為在對照組的基礎(chǔ)上添加不同數(shù)量的LED遠紅光光源，形成了番茄幼苗生長發(fā)育的光環(huán)境中R:Fr值分別為1.2和0.8，本實驗中其他光質(zhì)的光譜分布和光照強度都一致。

圖1 LED光譜分布及光照強度Figure 1 The spectrum distribution and light intensity of LED

緩苗6 d后開始進行如下處理：1）CK,R:Fr =7.4 +正常水培；2）T1,R:Fr = 7.4 +鹽脅迫；3）T2,R:Fr = 1.2 +鹽脅迫；4）T3,R:Fr = 0.8 +鹽脅迫。其中，正常水培：1/2山崎營養(yǎng)液（pH值6.2 ～ 6.5），鹽脅迫處理：在1/2倍的山崎營養(yǎng)液中加入100 mmol·L-1NaCl的。在鹽處理的同時進行不同R:Fr處理，每個處理36株番茄幼苗。

1.3 測定方法

測定LED光源：使用Model PS-100光譜輻射計（Apogee Instruments Inc, Logan, Utah, US），采用五點法測定白色和遠紅色LED光源組合下的不同處理番茄幼苗冠層光譜分布及光照強度。

測定番茄幼苗生長指標：待處理完成后，每個處理隨機選擇10個植物樣本。分別用游標卡尺和直尺測量番茄幼苗的株高（測量番茄幼苗莖基部至植株生長點的長度）與莖粗（測量距離水培槽面 1 cm處的莖粗）。用去離子水小心將番茄樣品沖洗干凈，并擦干植株上的水分，將番茄植株根據(jù)葉、莖、根分開，分別測定其鮮重（精度為0.01 g）。測量地上、地下部的干質(zhì)量時，將番茄樣品裝入紙袋內(nèi)，放至于烘箱中75 ℃完全烘干至恒質(zhì)量（約48 h），分別測定干質(zhì)量（精度為0.001 g）。

測定番茄幼苗的葉面積：完成各光照處理后，隨機挑選10個番茄幼苗，用直尺測量葉片的長度（Lc）和最大葉片寬度（Lk），再以經(jīng)驗公式分別計算單葉葉面積S[15]。公式為：S=R×（Lc×Lk），式中R為葉面積系數(shù)，當0 ＜Lc＜ 20 cm時，R取0.378 2；當Lc＞20 cm時，R取0.318 4。

測定番茄幼苗的葉綠素含量及葉綠素熒光參數(shù)：分別經(jīng)過0、2、4、6和8 d處理后，從每個處理中隨機選擇5個植物樣本測定幼苗頂部向下的第3片功能葉片，用45% 酒精 + 45% 丙酮 + 10% 蒸餾水提取葉綠素，用UV-1800分光光度計測定葉綠素含量[16]。同時用Li-6800光合儀（LI-COR Inc.,Lincoln, USA）測定番茄植株葉片凈光合速率設(shè)定CO2濃度為400 μmol·mol-1，光照強度為200 μmol·m-2·s-1，葉溫為25 ℃，相對濕度65%～70%。在檢測不同光照處理下的葉綠素熒光參數(shù)時，先將番茄幼苗置于黑暗條件中1 h，使植株充分適應(yīng)光照環(huán)境的變化。隨后在每個處理下，選擇番茄幼苗頂部向下第3片功能葉片，利用 Li-6800 便攜式光合儀檢測在暗適應(yīng)下每個處理葉片的最大熒光（Fm）和初始熒光（Fo）。隨后將各處理組的幼苗置于光下，活化葉片1 h后檢測葉片在200 μmol·m-2·s-1光強下的最小熒光（Fo'）、最大熒光（Fm'）與穩(wěn)態(tài)熒光（Fs），每個處理5次重復。最終計算出不同處理下番茄葉片的各項熒光參數(shù)，包括：PSⅡ反應(yīng)中心實際光化學效率（ФPSⅡ）、表觀光合電子傳遞效率（ETR）、實際光化學量子產(chǎn)量（Fv'/Fm'）、PSⅡ 最大光化學效率（Fv/Fm）、光化學淬滅系數(shù)（qP）和非光化學淬滅系數(shù)（NPQ）[17]。

測定番茄葉片光響應(yīng)曲線：利用Li-6800 便攜式光合儀測定番茄幼苗葉片光響應(yīng)曲線，選擇番茄幼苗頂部向下第3片功能葉片，將各個處理的待測葉片放至光下活化1 h，設(shè)定番茄葉片的凈光合速所需CO2濃度為400 μmol·mol-1。光強度梯度設(shè)置為0、20、50、100、150、200、500、800、1 100、1 400、1 700和2 000 μmol·m-2·s-1。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗所有數(shù)據(jù)采用 Excel 2019 進行統(tǒng)計分析，應(yīng)用SPSS20.0進行試驗數(shù)據(jù)方差及顯著性分析，采用Origin 8.5進行圖表的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同R:Fr值對鹽脅迫下番茄幼苗生長的影響

鹽脅迫導致植物細胞滲透壓增大，植物體內(nèi)缺水而抑制其生長。由表1可知，與CK相比，T1（R:Fr = 7.4 +鹽脅迫）處理使得番茄幼苗的葉面積、莖粗、株高與地上部及地下部的干鮮重分別降低了34.34%、28.40%、53.68%、43.28%和52.02%（P＜0.05），說明番茄幼苗的生長受到顯著抑制（P＜0.05）。T2（R:Fr = 1.2 + 鹽脅迫）處理條件下與T1處理相比番茄幼苗植株形態(tài)指標均顯著升高，分別升高了30.49%、18.56%、58.17%、40.99%和48.19%，表明適當降低光環(huán)境中的R:Fr值時，鹽脅迫對番茄幼苗的傷害被顯著緩解（P＜0.05）。T3（R:Fr = 0.8+鹽脅迫）處理條件下與T1相比番茄幼苗植株形態(tài)指標均顯著升高（P＜0.05），分別升高了44.69%、35.73%、99.34%、71.60%和95.18%。但是，與CK相比，T3處理對番茄在鹽脅迫下的生長指標差異不顯著（P＜0.05）。綜上所述，在適宜范圍內(nèi)，降低番茄幼苗生長的光環(huán)境中的R:Fr值能夠顯著提高番茄抵抗鹽脅迫的能力，促進番茄幼苗正常生長發(fā)育。

表1 不同紅光遠紅光處理對鹽脅迫下番茄植株株高、莖粗、葉面積和干鮮質(zhì)量的影響Table 1 Effects of different R: Fr values on the height, stem diameter, leaf area, fresh and dry mass of tomato plants under salt stress

2.2 不同R:Fr值對鹽脅迫下番茄幼苗葉片葉綠素含量和光合速率的影響

鹽脅迫使得番茄幼苗葉片中葉綠素含量顯著地降低，并且隨著鹽脅迫時間的增加，Chla和Chlb的含量逐漸下降（圖2）。在鹽處理并進行低R:Fr值處理的初期，會導致番茄幼苗Chla/b升高，但隨著時間的推移，Chla/b逐漸降低。在鹽脅迫處理8 d后，與CK相比，T1處理中的番茄幼苗葉片Chla、Chlb以及Chla/b的值都分別下降了28.89%、19.70%和12.81%。比較T3處理與T1處理時發(fā)現(xiàn)，T3處理的番茄幼苗葉片中，Chla、Chlb以及Chla/b的含量顯著升高，分別升高了25.17%、16.51%和7.50%。綜上所述，在適宜范圍內(nèi)，降低番茄生長環(huán)境中R:Fr值，能夠顯著緩解鹽脅迫導致的番茄葉片葉綠素含量的下降。

圖2 不同紅光遠紅光處理對鹽脅迫下番茄植株的葉綠素a、b的影響Figure 2 Effects of different R:Fr values on the content of chlorophyll a and b in tomato plants under NaCl stress

各光照處理下番茄葉片的光合速率都被鹽脅迫處理顯著地影響。如圖3（a）所示，在鹽脅迫下，光照強度在0～200 μmol·m-2·s-1范圍內(nèi)時，各光照處理組中的番茄葉片凈光合速率顯著升高，CK、T1、T2和T3的平均凈光合速率分別為8.24、3.87、6.14和7.41 μmol·m-2·s-1，差異顯著（P＜0.05）。但是，當光照強度達到800 μmol·m-2·s-1時，各個處理番茄葉片的凈光合速率基本保持不變，CK、T1、T2和T3的平均凈光合速率分別為 17.08、5.07、10.15和13.09 μmol·m-2·s-1，差異顯著（P＜0.05）。圖3（b）和（c）中的光響應(yīng)曲線表明：不同處理的光飽和點由大到小排列順序為：CK、T3、T2和T1，即降低鹽脅迫下光環(huán)境中的R:Fr比值能夠顯著提高番茄幼苗的光飽和點，降低番茄幼苗的鹽脅迫。同時，隨處理后時間的變化和光合日變化，不同光質(zhì)處理下番茄幼苗的光合速率由大到小的排列順序也為：CK、T3、T2和T1。綜上所述，在鹽脅迫下，適宜范圍內(nèi)在R:Fr值較低的光環(huán)境能夠使得番茄葉片的凈光合速率顯著降低，提高番茄幼苗的抗鹽性。

圖3 不同紅光遠紅光處理對鹽脅迫下番茄植株光合作用的影響Figure 3 Effects of different R:Fr values on photosynthesis in tomato plants under NaCl stress

2.3 不同R: Fr值對鹽脅迫下番茄幼苗葉片中葉綠素熒光參數(shù)的影響

鹽脅迫能夠?qū)е轮参锛毎麧B透壓升高而損傷植物體內(nèi)的光合機構(gòu)，最終嚴重影響植物的正常生長。由圖4可知，NaCl脅迫下，番茄幼苗葉片的Fv/Fm、ФPSⅡ、Fv'/Fm'、ETR和qP都顯著降低，NPQ顯著升高（P＜0.05）。鹽脅迫下適當降低光環(huán)境中的R:Fr值，使得能量能夠快速進入PSⅡ反應(yīng)中心。與T1相比，T3處理中Fv/Fm、Fv' /Fm'、ФPSⅡ、ETR和qP分別升高了12.86%、17.54%、24.00%、10.26%和 11.25%,NPQ降低了20.00%。結(jié)果表明，在適宜范圍內(nèi)，降低R:Fr比值的光環(huán)境能夠逐漸抑制鹽脅迫對番茄幼苗PSⅡ反應(yīng)中心造成的損傷，從而緩解番茄幼苗的鹽脅迫。

圖4 不同紅光遠紅光處理對鹽脅迫下番茄幼苗葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響Figure 4 Effects of different R: Fr values on the chlorophyll fluorescence parameters in leaves of tomato seedlings under NaCl stress

3 討論與結(jié)論

在適宜范圍內(nèi)，降低植物生長光環(huán)境中的R:Fr值時，會促使植物體內(nèi)感受外界光源變化的受體發(fā)生變化，即光敏色素從Pfr型轉(zhuǎn)化成為Pr型[18]。當升高R:Fr值，植物矮化，莖節(jié)變小，光合產(chǎn)物降低；反之，當R:Fr比值降低時，則植物的莖節(jié)間距變大、徒長，光合產(chǎn)物降低[19-20]。此外，降低光環(huán)境中R:Fr的比值能夠促進蘿卜組培苗根系的生長[21]。本試驗中，在120 mmol·L-1NaCl脅迫下，適當降低R:Fr比值，則番茄植株的形態(tài)指標均顯著升高。當120 mmol·L-1NaCl脅迫下光環(huán)境中R:Fr比值為0.8 時，番茄植株的各生長指標與非鹽脅迫下光環(huán)境中R:Fr比值為7.4時基本一致，差異不顯著。研究結(jié)果表明，在適宜范圍內(nèi)，降低R:Fr比值能明顯促進番茄地上部和地下部的生長，提高番茄植株的耐鹽性。

NaCl 脅迫對番茄幼苗有抑制作用，包括對凈光合速率、葉綠素含量、氣孔導度、蒸騰速率和胞間 CO2濃度均有著明顯的抑制作用[22]。

許多學者研究表明，葉綠素在鹽脅迫下其含量逐漸降低，但也有葉綠素含量升高，且葉綠素含量與光合作用效率呈正相關(guān)關(guān)系[23]。鹽脅迫下葉綠素類囊體膜受損使得合成葉綠素的含量降低，從而導致植株光合速率下降[24]。在本試驗中，適當?shù)亟档凸猸h(huán)中的R:Fr 值，鹽脅迫下番茄葉片捕獲光能的配比調(diào)整為對低R:Fr值最適應(yīng)的狀態(tài)，從而緩解番茄葉片葉綠素含量的下降，以實現(xiàn)對光能最大限度的捕獲。Emerson等[25]研究發(fā)現(xiàn)，當光源紅光與遠紅光同時照射植物，光合效率大于這兩種單獨照射的效率之和。這是由于光系統(tǒng)Ⅰ（PSⅠ）主要吸收大于680 nm的遠紅光，而光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）主要吸收680 nm的紅光[26]。此外，遠紅光可以提高葉片的擴展度從而提高整株植物的光合能力[27]。Zhen等[28]的研究發(fā)現(xiàn)，增加Fr可以有效提高生菜PSⅡ反應(yīng)中心光化學效率，從而提高生菜產(chǎn)量。秦紅艷等[29]研究表明，鹽脅迫下葡萄葉片的實際光化學效率、光化學淬滅系數(shù)以及表觀光合電子傳遞速率顯著降低，非光化學猝滅系數(shù)升高，而非光化學猝滅系數(shù)的升高保護了植株葉片正常進行光合，減少鹽脅迫對植株的傷害。魏霞等[30]研究發(fā)現(xiàn)，造成植物葉綠素含量降低的原因主要是鹽脅迫下類囊體膜的完整性受損，低葉綠素值能提高植物對遠紅光的吸收從而緩解鹽脅迫。唐玲等[31]研究表明，雞爪槭葉片的Fv/Fm、ФPSⅡ、ETR和qP隨鹽濃度的增大而呈下降趨勢，而NPQ在低鹽濃度時上升，這是緩解鹽脅迫的表現(xiàn)。本試驗中，在120 mmol·L-1NaCl脅迫下番茄葉片的Fv/Fm、Fv'/Fm'、ФPSⅡ、ETR和qP下降，NPQ升高，表明番茄葉片主要是通過增加熱耗散形式來消耗過多的光能，避免120 mmol·L-1NaCl 脅迫下對光合機構(gòu)造成的損害，確保番茄植株的正常生長。在120 mmol·L-1NaCl脅迫下適當降低R:Fr的比值，番茄葉片的Fv/Fm、Fv'/Fm'、ФPSⅡ、ETR和qP顯著升高，同時顯著抑制了NPQ。由此可見，在適宜范圍內(nèi)，較低的R:Fr比值能夠顯著提高鹽脅迫下番茄幼苗PSⅡ反應(yīng)中心的光化學效率。

在120 mmol·L-1NaCl脅迫下適當降低R:Fr值，能顯著促進番茄幼苗的生長發(fā)育，其中根莖葉干鮮質(zhì)量、葉面積、莖粗、株高以及葉片葉綠素含量、凈光合速率等顯著升高；葉綠素熒光參數(shù)中Fv/Fm、Fv' /Fm'、ФPSⅡ、ETR和qP顯著升高，NPQ顯著降低。在120 mmol·L-1NaCl脅迫下，R:Fr比值為0.8時，番茄植株的各生長指標與非鹽條件下R:Fr比值為7.4時基本一致；在120 mmol·L-1NaCl脅迫下，在適宜的低R:Fr比值的光環(huán)境下可以減弱PSⅡ的損傷，促進PSⅡ的電子傳遞。