朱 梅，張?zhí)焱蹶坑?，?剛，陳 雷

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥 230036；2.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

小麥作為主要糧食作物之一，其生長狀況、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對保障國家糧食穩(wěn)定供應(yīng)具有重要影響。在促進小麥生長發(fā)育和高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)方面，研究人員作出許多努力，如分析殼寡糖、納米二氧化鈦、赤·吲乙·蕓苔、噻苯隆、磷酸二氫鉀、土壤改良劑等物質(zhì)對小麥種子萌發(fā)、植株生長發(fā)育、抗逆性的促進效應(yīng)[1-6]，探討秸稈還田、施肥對小麥的增產(chǎn)效應(yīng)[7-11]。然而，化學(xué)試劑在自然情況下難以快速分解，施肥等現(xiàn)有增產(chǎn)方式的局限性也日趨顯著，因而尋找一種更加安全、環(huán)保的方法來調(diào)節(jié)植物生長至關(guān)重要。

植株體內(nèi)存在光敏色素即光受體，能夠感知周圍環(huán)境的光強、光質(zhì)和光周期變化，并做出響應(yīng)。最主要的光受體包括紅光吸收型(Pr)和遠(yuǎn)紅光吸收型(Pfr)兩種，兩種光敏色素相互轉(zhuǎn)換，影響植物的光形態(tài)建成[12]。已有不少研究證實，光對植物種子萌發(fā)[13]、莖伸長[14]、葉片擴展[15]、根系活力[16]、有機物積累[17]等方面均有不同程度的促進作用。研究發(fā)現(xiàn)，在進入黑暗之前，植物體內(nèi)的光敏色素主要以Pfr型來影響植物的株高和光合產(chǎn)物的分配[18]。在植物進入黑暗之前進行短時間的遠(yuǎn)紅光處理后，光敏色素由Pfr型轉(zhuǎn)化為Pr型，從而影響植株生長發(fā)育[19]。不同光質(zhì)中，紅光可以促進油菜幼苗的生長[20]。李紹山等[21]研究表明，藍(lán)光與紅光能夠顯著抑制植物莖的伸長?？自频萚12]的研究結(jié)果顯示，紅光下，葡萄新梢干物質(zhì)總量與葉片干物質(zhì)量均明顯増加。Lee Hyeri等[22]研究得出，紅光照射使鈴兒草種子發(fā)芽率顯著提高。LED 光源可實現(xiàn)近距離照射植物，有效提高作物的光能利用率[23]，已被應(yīng)用于作物育苗、栽培[24]、防治病蟲害[25]與溫室補光[26]等方面。目前在植物照明LED領(lǐng)域，關(guān)于光形態(tài)建成Pfr態(tài)吸收峰值波長為730 nm的新型遠(yuǎn)紅光材料較少，就遠(yuǎn)紅光LED對于大田作物光形態(tài)建成的影響尚不十分明確。本研究利用波長為730 nm的遠(yuǎn)紅光熒光粉封裝的LED器件照射小麥萌發(fā)種子和幼苗，分析遠(yuǎn)紅光輻照對小麥種子萌發(fā)和幼苗生長的調(diào)控作用，以期為新型遠(yuǎn)紅光LED在作物生長調(diào)控與利用提供理論支持與實驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年3月至4月，在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利實驗室進行。供試光源為新型遠(yuǎn)紅光燈珠，利用(Y0.75Gd0.25)3[(Ga0.75Sc0.25)0.94Cr0.06]5O12遠(yuǎn)紅光熒光粉將藍(lán)光LED封裝轉(zhuǎn)化為遠(yuǎn)紅光LED，光譜波峰為730 nm。圖1為LED器件的封裝結(jié)構(gòu)圖。熒光粉的合成分別以Y2O3、Gd2O3、Al2O3、Ga2O3、Sc2O3和Cr(NO3)3為原料，添加2%BaF2作為助熔劑，采用振動球磨機球磨30 min，裝入剛玉坩堝，在馬弗爐中于1 450 ℃ 煅燒8 h，樣品出爐后經(jīng)研磨獲得遠(yuǎn)紅光熒光粉(Y0.75Gd0.25)3[(Ga0.75Sc0.25)0.94Cr0.06]5O12(記為(Y,Gd)3(Ga,Sc)5O12:Cr3+)。把熒光粉與高折射率AB硅膠充分混合均勻后，經(jīng)脫泡除氣，滴定至發(fā)射波長為450 nm的藍(lán)光芯片上，在 150 ℃真空狀態(tài)下烘干，得到遠(yuǎn)紅光LED器件。為了提高光提取效率，器件采用圓頂弧形結(jié)構(gòu)封裝熒光粉層。采用配備一個有效波長范圍為350～ 1 100 nm的1.5 m積分球的高精度陣列光譜儀(遠(yuǎn)方光電有限公司生產(chǎn)，HAAS-2000)對遠(yuǎn)紅光LED器件的光、色、電參數(shù)進行測試。實驗設(shè)遠(yuǎn)紅光輻照組(FT)和對照組(CK)。其中，對照組采用的光源為普通白光LED，其有2個發(fā)射峰，峰值分別在455和570 nm；而遠(yuǎn)紅外輻照組使用的遠(yuǎn)紅光LED的紅光(655～665nm)與遠(yuǎn)紅光(725～735 nm)光照強度比值為6.35。圖2為本次對比實驗使用的普通白光和新型遠(yuǎn)紅光LED發(fā)射光譜圖。圖3a、圖3b分別為用熒光粉封裝的遠(yuǎn)紅光LED器件在自然光下以及通電后的照片，可以看到整個器件所有燈珠排列整齊，并且通上電流后燈珠發(fā)出明亮的遠(yuǎn)紅光。

圖1 熒光粉搭配LED芯片封裝結(jié)構(gòu)圖

圖2 白光和遠(yuǎn)紅光光照強度及光譜分布

圖3 熒光粉封裝的遠(yuǎn)紅光LED器件通電前后的照片

試驗在BSG-300型光照恒溫箱中(上海博訊醫(yī)療生物儀器股份有限公司生產(chǎn))進行。供試小麥品種為淮麥44、揚麥18、寧麥13。供試水培液為標(biāo)準(zhǔn)霍格蘭營養(yǎng)液，供試培養(yǎng)容器為120 mm規(guī)格的玻璃培養(yǎng)皿。

1.2 試驗設(shè)計

小麥培養(yǎng)方式采用培養(yǎng)皿水培。試驗前每個小麥品種分別選取若干粒種子，在20 ℃下用蒸餾水浸種24 h。浸種結(jié)束后，將種子均勻排布在墊入兩張中速濾紙的培養(yǎng)皿中，每皿100粒，添加50 mL培養(yǎng)液。培養(yǎng)液配制取霍格蘭營養(yǎng)液 1.26 g、鈣鹽0.945 g，加熱溶解于1 000 mL蒸餾水中，分裝，115 ℃高溫滅菌20 min。每隔48 h補一次培養(yǎng)液，補液成分與初始配液一致。實驗于2019年3月12日開始，2019年4月2日結(jié)束，各培養(yǎng)皿管理方式一致。

FT和CK組各設(shè)9個培養(yǎng)皿，每三皿為一個重復(fù)。FT組每天12 h(9:00-21:00)白光+遠(yuǎn)紅光和12 h(21:00-9:00)遠(yuǎn)紅光處理，CK組每天12 h(9:00-21:00)白光和12 h(21:00- 9:00)黑暗處理。FT組每皿用三枚遠(yuǎn)紅光LED燈輻照，燈珠固定在距培養(yǎng)皿蓋上，培養(yǎng)皿間用不透光板隔離，確保不因光線散射造成的交互效應(yīng)。白光照射依靠培養(yǎng)箱自帶LED光源實現(xiàn)。

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

2019年3月15日開始試驗觀測，觀測期前7 d每隔12 h觀測一次，記錄發(fā)芽種子數(shù)量。觀測期前3 d(3月15日-3月17日)發(fā)芽種子數(shù)與全部樣本數(shù)的比值記為發(fā)芽勢，觀測期前7 d(3月15日-3月21日)發(fā)芽種子數(shù)與全部樣本數(shù)的比值記為發(fā)芽率，觀測期前7 d每日發(fā)芽數(shù)總和與發(fā)芽天數(shù)之比為發(fā)芽指數(shù)。

7 d后(3月22日起)每隔24 h取樣觀測一次，測量幼苗株高、根長、芽苗粗。小麥長出第二片真葉時停止觀測，試驗觀測歷時19 d。取樣測量采用對角線取樣法(圖5)，每個培養(yǎng)皿中100株樣本劃分為5個區(qū)，每次每區(qū)取5株普通樣本株。在任意一區(qū)選取一長勢較好的植株，其他4個區(qū)各選取一株與其長勢相似的植株，標(biāo)記為標(biāo)準(zhǔn)株。每個培養(yǎng)皿共選擇25個普通樣本株和5個標(biāo)準(zhǔn)株。用普通樣本株測量幼苗形態(tài)參數(shù)，其中株高與根長使用直尺測量，芽苗粗使用游標(biāo)卡尺測量。標(biāo)準(zhǔn)株因長勢較好，可較清晰反映小麥幼苗干物質(zhì)量變化，用于測量實驗干物質(zhì)量 (105 ℃殺青30 min 后，繼續(xù)75 ℃烘至恒質(zhì)量，采用精度為0.001 g的電子天平稱干重)。測量數(shù)據(jù)取平均值。

圖4 對角線取樣法分區(qū)取樣示意圖

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016 處理，采用Origin 9.1軟件作圖，同時在IBM SPSS Statistics 22 軟件中進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 遠(yuǎn)紅光輻照對小麥種子萌發(fā)的影響

與CK相比，遠(yuǎn)紅光輻照處理后三個品種的種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均顯著提高(圖5)。其中，淮麥44、揚麥18和寧麥13的種子發(fā)芽率分別提高7.58%、3.36%和3.91%，發(fā)芽勢分別提高10.08%、11.08%和5.32%，發(fā)芽指數(shù)分別提高12.73%、31.47%和33.53%，三個指標(biāo)分別平均提高了4.92%、8.79%和24.96%。這說明遠(yuǎn)紅光輻照可明顯促進小麥種子萌發(fā)。

不同字母表示同一品種不同處理間差異顯著(P<0.05)。圖9同。

2.2 遠(yuǎn)紅光輻照對小麥幼苗生長發(fā)育的影響

隨著培養(yǎng)時間的延長，三個品種的幼苗根長、株高和苗粗均不斷增加(圖6～圖8)。與CK相比，培養(yǎng)10～19 d后，遠(yuǎn)紅光輻照處理的幼苗平均根長、株高和芽苗粗分別增加了5.53%～ 20.59%、12.47%～ 23.21%和14.13%～ 14.58%，且在培養(yǎng)19 d時三個品種增幅均最大，變化均達到顯著水平，說明遠(yuǎn)紅光輻照對小麥幼苗生長有顯著正向效應(yīng)。

線條上下的字母表示在同一測定時間不同處理間差異顯著。圖7和圖8同。

圖7 遠(yuǎn)紅光輻照實驗各組平均株高變化圖

圖8 遠(yuǎn)紅光輻照后小麥苗粗的變化

2.3 遠(yuǎn)紅光輻照加速幼苗干物質(zhì)量的積累

由圖9可知，培養(yǎng)19 d后，遠(yuǎn)紅光輻照處理的各品種幼苗干物質(zhì)量均顯著高于CK，揚麥18、寧麥13和淮麥44增幅分別為11.34%、9.64%和5.62%，三個品種平均增幅為8.78%，說明遠(yuǎn)紅光輻照有利于小麥幼苗干物質(zhì)積累。

圖9 遠(yuǎn)紅光輻照后小麥幼苗干物質(zhì)量的變化

3 討 論

小麥種子萌發(fā)、幼苗的生長狀況與產(chǎn)量形成密切相關(guān)[27]。小麥種子萌發(fā)能力會影響出苗率和幼苗質(zhì)量，進而影響植株后續(xù)生長及田間群體數(shù)量和質(zhì)量。有研究表明，小麥苗期根莖生長狀況直接影響后期生長[28-29]，是影響小麥產(chǎn)量構(gòu)成的關(guān)鍵因素[30]。因此，開展小麥種子萌發(fā)和幼苗生長發(fā)育研究對小麥生產(chǎn)具有重要意義。植物的分生組織和幼嫩器官中吸收遠(yuǎn)紅光的光敏色素含量較高[31]，因而有必要分析遠(yuǎn)紅光輻照對小麥種子萌發(fā)和幼苗生長發(fā)育的影響，以探索利用人工光源在小麥生長發(fā)育期調(diào)控方面的可行性。

植物的生長發(fā)育受遺傳因子和環(huán)境因子共同調(diào)控，而光作為一種重要的環(huán)境信號，影響植物光形態(tài)建成、基因表達、酶活性和代謝等活動。光形態(tài)建成主要依靠吸收紅光與遠(yuǎn)紅光完成。在太陽光中，紅光與遠(yuǎn)紅光的比值為1.15左右，在傍晚紅光與遠(yuǎn)紅光的比值會降低至0.7左右[32]。低的紅光與遠(yuǎn)紅光比值會導(dǎo)致植物體內(nèi)光敏色素從Pfr型轉(zhuǎn)化為Pr型，進而影響植物的株高和其他生理反應(yīng)[33]。本實驗中，白光LED的紅光與遠(yuǎn)紅光的比值為6.35，當(dāng)小麥種子受新型遠(yuǎn)紅光輻照后，幼苗的株高、根長、幼苗粗和干物質(zhì)量等均高于CK。光照實驗發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)紅光輻照可明顯促進大豆和玉米莖的伸長[34，35]；在低比值的紅光與遠(yuǎn)紅光環(huán)境下，辣椒、蘭花和向日葵的株高明顯高于生長在高比值的紅光與遠(yuǎn)紅光環(huán)境下的植株[36-38]。低比值的紅光與遠(yuǎn)紅光環(huán)境有利于擬南芥中下胚軸的伸長[39]。這主要是由于植株光敏色素感受到低的紅光與遠(yuǎn)紅光比值后，光敏色素Pfr型轉(zhuǎn)化為Pr型[40]，進而通過調(diào)節(jié)生長素、赤霉素、乙烯等物質(zhì)代謝來調(diào)控植株的生長[41]。因此，本研究中，遠(yuǎn)紅光輻照后，光敏色素Pr與Pfr型發(fā)生轉(zhuǎn)換，進而激發(fā)小麥生理活性，促進小麥種子萌發(fā)和幼苗生長發(fā)育。