雒佳銘，張宇陽(yáng)，邱 明，徐志剛

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江蘇 南京 210095：2.蘇州紐克斯電源技術(shù)股份有限公司，江蘇 蘇州 215143)

引言

光是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因子[1]，植物工廠主要利用人工光源對(duì)植物進(jìn)行合理補(bǔ)光。相較于傳統(tǒng)光源， LED具有光效高、發(fā)熱低、體積小、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)[2]，已經(jīng)逐漸成為植物工廠主流光源設(shè)備。馬鈴薯是世界第四重要的糧食作物，在保障糧食生產(chǎn)與安全有著重要的作用，但馬鈴薯脫毒原原種的產(chǎn)能和供應(yīng)不足是制約我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。利用植物工廠培育馬鈴薯脫毒原原種是解決這一問(wèn)題的可選途徑之一，并采用LED光源為脫毒馬鈴薯植株生長(zhǎng)提供光照。在植物工廠里培育馬鈴薯原原種，其水分管理非常重要，理想的條件是讓馬鈴薯植株在水分供應(yīng)偏緊的條件中生長(zhǎng)，這是因?yàn)樵谒止?yīng)充足的條件下，馬鈴薯植株容易感病、發(fā)病，如早疫病、晚疫病、枯萎病等。但是如果偏緊的水分供應(yīng)控制不當(dāng)，又會(huì)引起植株不可逆損傷，導(dǎo)致生長(zhǎng)發(fā)育受阻、原原種薯產(chǎn)量降低。我們?cè)谇捌谠囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光處理的馬鈴薯植株所需灌溉量較少，并且長(zhǎng)勢(shì)良好。為探究藍(lán)光對(duì)植株受旱性能的影響，我們以脫毒馬鈴薯植株作為供試材料，從馬鈴薯的形態(tài)，光合作用和逆境生理三方面探究LED藍(lán)光對(duì)受旱脫毒馬鈴薯植株生長(zhǎng)的影響，以期為脫毒馬鈴薯原原種植物工廠生產(chǎn)的光譜與水分調(diào)控提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及處理

1.1.1 試驗(yàn)材料的制備

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)品種為“Favorita”，脫毒植株取自南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院植物光生物學(xué)課題組的植物組培室。馬鈴薯脫毒外植體在裝有30 g L-1蔗糖和6.5 g L-1瓊脂MS培養(yǎng)基的組培瓶中生長(zhǎng)。在對(duì)裝有培養(yǎng)基的組培瓶實(shí)施高壓滅菌前的15分鐘，將培養(yǎng)基的pH調(diào)節(jié)至5.8。將植有脫毒馬鈴薯外植體的組培瓶置于培養(yǎng)室中培養(yǎng)21天后得到脫毒苗，將組培瓶移出組培室，置于光強(qiáng)為300 μmol m-2s-1白光LED下馴化1 d，于次日上午選取長(zhǎng)勢(shì)相同的脫毒苗從培養(yǎng)瓶中取出，并將根部洗凈，用生根液浸泡30 min，移栽至質(zhì)量相同的培養(yǎng)袋中培養(yǎng)，以蛭石為培養(yǎng)基質(zhì)，在300 μmol m-2s-1白光LED下預(yù)培養(yǎng)3周，構(gòu)建健壯植株群體。

1.1.2 試驗(yàn)處理

選取長(zhǎng)勢(shì)一致的馬鈴薯植株，隨機(jī)分成兩組，分別置于光強(qiáng)為300 μmol m-2s-1的白光(W)與藍(lán)光(B)LED燈下。試驗(yàn)期間的環(huán)境溫度控制在白天21 ℃，夜晚16 ℃，空氣濕度75%±5%，二氧化碳濃度400 ppm。生長(zhǎng)一周后，澆水至飽和，用稱重法保證各處理起始水分含量一致，再?gòu)膬山M處理中選取長(zhǎng)勢(shì)相同的植株，再分成兩組，其中一組處理每隔兩天澆一次水，使植株保持良好持水量(WW和WB)。另一組持續(xù)一周不澆水(DW和DB)，其余生長(zhǎng)條件不變。每各處理組30株，共3次重復(fù)試驗(yàn)。觀察記錄四組處理的生長(zhǎng)指標(biāo)及各項(xiàng)生理指標(biāo)。

1.2 測(cè)量指標(biāo)與方法

1.2.1 失水率的測(cè)定

將馬鈴薯澆水至飽和，稱量每個(gè)處理組初始馬鈴薯的栽培袋的初始質(zhì)量為m0。每隔2天稱量栽培袋的質(zhì)量為每隔兩天稱量馬鈴薯栽培袋的質(zhì)量分別為m0、m1、m3、m5、m7、m9，其與m0差值即為失水量，失水量與m0的比值即為失水率(每次測(cè)量后將待測(cè)馬鈴薯挖出進(jìn)行稱重，與初始馬鈴薯質(zhì)量的差值作為差異系數(shù)，對(duì)馬鈴薯因生長(zhǎng)所造成的失水率的偏差進(jìn)行調(diào)整)。

1.2.2 形態(tài)及生物量的測(cè)定

各處理隨機(jī)選取3 株，用游標(biāo)卡尺測(cè)量馬鈴薯植株的根長(zhǎng)，莖長(zhǎng)、莖粗，并統(tǒng)計(jì)馬鈴薯的分枝數(shù)。利用葉面積計(jì)測(cè)量馬鈴薯植株的葉面積。使用天平分別稱量莖、葉根和薯的鮮重(FM)，然后將莖、葉、根和薯分別置于烘箱內(nèi)于105 ℃殺青0.5 h，之后于80 ℃烘干至恒重取出測(cè)定各個(gè)部位的干重(DM)。

1.2.3 光合參數(shù)的測(cè)定

在9:00—11:00隨機(jī)選取各處理三株長(zhǎng)勢(shì)平均的植株，利用光合儀LI—6400測(cè)量各處理下倒3片功能葉頂生葉片的光合參數(shù)，光合儀初始條件設(shè)置如下：光密度為300 μmol m-2s-1，CO2濃度為390±5 ppm。待儀器數(shù)據(jù)穩(wěn)定后讀取儀器上凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Cond)、胞間二氧化碳濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)等參數(shù)。

1.2.4 逆境生理指標(biāo)的測(cè)定

逆境指標(biāo)參照李合生[3]的方法測(cè)定，其中脯氨酸濃度采用磺基水楊酸法測(cè)定，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定，POD酶活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，SOD酶活性采用氯化硝基四氮唑藍(lán)法測(cè)定，CAT酶活性采用紫外分光光度計(jì)測(cè)量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Microsoft Excel 2013軟件處理原始數(shù)據(jù)。采用Microsoft Excel 2013圖表作圖，借助SPSS軟件利用單因素方差分析(ANOVA)和Duncan檢驗(yàn)對(duì)不同處理進(jìn)行差異顯著性分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 LED藍(lán)光對(duì)脫毒馬鈴薯植株失水率的影響

圖1是水分限制下白光和藍(lán)光馬鈴薯失水率的變化，可以看出，在限水3 d后藍(lán)光的失水率低于白光。

2.2 LED藍(lán)光對(duì)受旱脫毒馬鈴薯植株形態(tài)及生物量的影響

由表1可知，DB大于DW，莖長(zhǎng)莖粗葉面積DB小于DW，莖長(zhǎng)莖粗差異不顯著，葉面積差異顯著。對(duì)照組呈現(xiàn)了相同的趨勢(shì)，可以看出藍(lán)光促進(jìn)了地下部的根長(zhǎng)，但抑制了地上部的莖長(zhǎng)、莖粗以及葉面積。

圖1 水分限制下藍(lán)光及白光馬鈴薯植株失水率的變化Fig.1 Changes of bluelight and white light on potato water loss rate under water restriction

表1 不同水分處理下藍(lán)光和白光對(duì)馬鈴薯形態(tài)的影響

由表2可以看出，藍(lán)光光對(duì)馬鈴薯的根和葉的鮮重影響不大，但是對(duì)葉的鮮重有著一定的影響。其中WB低于WW。在薯的生物量上，WB薯鮮重高于WW，但差異不顯著。藍(lán)光對(duì)受旱馬鈴薯薯的鮮重沒(méi)有引起明顯差異。

表2 不同水分處理下藍(lán)光和白光對(duì)馬鈴薯各個(gè)部位鮮重的影響

2.3 LED藍(lán)光對(duì)受旱脫毒馬鈴薯植株光合的影響

由表3可以看出，藍(lán)光對(duì)馬鈴薯的各項(xiàng)光合指標(biāo)均有一定的影響，其中，藍(lán)光顯著增加了馬鈴薯的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率。但由于藍(lán)光會(huì)降低馬鈴薯的葉面積(表1)，因此，盡管藍(lán)光引起了氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的提升，但由于藍(lán)光導(dǎo)致葉面積減少，因而使馬鈴薯植株產(chǎn)生較低的失水率。在凈光合速率上，DB處理顯著高于DW。由此可見(jiàn)，藍(lán)光誘導(dǎo)植株產(chǎn)生適應(yīng)于受旱的形態(tài)變化，這種形態(tài)變化主要體現(xiàn)在縮小葉面積、提高氣孔導(dǎo)度，以此來(lái)減少水分散失并維持葉片的光合速率，緩解因干旱造成的植株葉片光合作用降低。

表3 不同處理下藍(lán)光和白光對(duì)馬鈴薯葉片光合參數(shù)的影響

2.4 LED藍(lán)光對(duì)受旱脫毒馬鈴薯植株逆境生理的影響

圖2中，DB處理脯氨酸濃度低于DW，WB處理脯氨酸濃度低于WW。說(shuō)明生長(zhǎng)在藍(lán)光下的馬鈴薯植株脯氨酸的積累低于白光。

圖2 藍(lán)光和白光對(duì)馬鈴薯葉片脯氨酸含量的影響Fig.2 Effects of blue light and white light on proline content of potato leaves under different water treatments

圖3中，DW處理丙二醛含量最高，為12.43 μmol g-1FW，WB處理丙二醛含量最低，為3.23 μmol g-1FW。并且DB處理低于DW，WB處理低于WW，藍(lán)光顯著降低了馬鈴薯體內(nèi)丙二醛的含量。

圖3 不同水分處理下藍(lán)光和白光對(duì)馬鈴薯葉片丙二醛含量的影響Fig.3 Effects of blue light and white light on MDA content of potato leaves under different water treatments

表4中，POD酶活性DB顯著高于DW，CAT酶活性與之趨勢(shì)相同。SOD酶活性無(wú)明顯差異。表明藍(lán)光顯著提高了受旱馬鈴薯POD和CAT酶活性，但是對(duì)SOD酶活性無(wú)明顯影響。

表4 不同水分處理下藍(lán)光和白光對(duì)馬鈴薯葉片抗氧化酶活性的影響

3 討論

本研究中，在持續(xù)不澆水的一段時(shí)間內(nèi)，藍(lán)光下的馬鈴薯植株相較于白光在3 d后失水率顯著降低。藍(lán)光處理下，馬鈴薯植株的莖長(zhǎng)，莖粗和葉面積有著明顯降低的現(xiàn)象。這是由于光誘導(dǎo)而產(chǎn)生的形態(tài)適應(yīng)性。這與張玉斌[4]在光質(zhì)與西洋參的關(guān)系中結(jié)果相同。在許多植物物種中，水分損失較多與具有較大蒸發(fā)表面和水分含量高的器官密切相關(guān)。自然環(huán)境中，植物通常通過(guò)矮化植株并且縮小葉面積從而能夠減少蒸騰作用并提高抗旱性[5]。

正常澆水與干旱處理下藍(lán)光都會(huì)增加馬鈴薯植株的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率。這與李雯琳[6]等用萵苣葉片的研究相一致。藍(lán)光增加了馬鈴薯葉片的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率上升，但是表現(xiàn)出了耐旱性狀，雖然蒸騰速率的增加以及氣孔導(dǎo)度的提高使得馬鈴薯葉片蒸騰作用增加，但由于藍(lán)光可以降低馬鈴薯的葉面積，結(jié)合兩種指標(biāo)，馬鈴薯會(huì)表現(xiàn)出抗旱性狀。同時(shí)，干旱會(huì)降低植物的光合電子傳遞效率以及光合磷酸化活力，影響碳同化，從而降低植物的光合作用。受脅迫時(shí)，凈光合速率和氣孔導(dǎo)度下降，而細(xì)胞間CO2濃度(Ci)的變化卻是不同的[7]。藍(lán)光顯著促進(jìn)了馬鈴薯葉片的光合作用，對(duì)干旱下葉片光合能力的下降有緩解作用。用藍(lán)光比例高的處理照射黃瓜葉片也能提高其光合速率[8]。

藍(lán)光明顯降低了脯氨酸含量。說(shuō)明藍(lán)光下馬鈴薯具有更好的生理狀況。細(xì)胞膜是細(xì)胞物質(zhì)交換的主要場(chǎng)所，細(xì)胞膜的完整及其穩(wěn)定性是維持細(xì)胞正常新陳代謝的基礎(chǔ)。MDA 是膜質(zhì)過(guò)氧化的產(chǎn)物，正常條件下含量很低，但干旱會(huì)使 MDA 含量增加[9]，在本試驗(yàn)中藍(lán)光處理丙二醛含量較低。處于逆境下的植物自身常形成一些防御機(jī)制, 如活性氧的酶促清除系統(tǒng)，能有效清除體內(nèi)多余的活性氧?？寡趸阜烙到y(tǒng)的超氧化物歧化酶(SOD)，過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)活性上升是植物對(duì)耐旱性的適應(yīng)性反應(yīng)[10]。本研究SOD酶變化較不明顯，這與高興國(guó)等[11]的試驗(yàn)相吻合，而 POD 活性和CAT活性均變化明顯,二者協(xié)同作用,在不同程度的脅迫下分別起到清除自由基的作用,以降低自由基對(duì)植株造成傷害。

綜上，在干旱處理下，藍(lán)光可以通過(guò)調(diào)節(jié)馬鈴薯植株的形態(tài)，提高馬鈴薯的光合作用，減少丙二醛、脯氨酸等物質(zhì)的積累，同時(shí)提高馬鈴薯的抗氧化酶活性，使得藍(lán)光刺激對(duì)馬鈴薯植株的抵御干旱有積極影響。