亚热带农业研究 2018,Vol. 14Issue (2): 122-127   PDF   
DOI: 10.13321/j.cnki.subtrop.agric.res.2018.02.009
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陈鹏涛, 夏木凤, 申宝营
CHEN Pengtao, XIA Mufeng, SHEN Baoying
弱光下补充红蓝光对番茄幼苗生长及叶绿素荧光参数的影响
Effect of red and blue light supplementation on the growth and chlorophyll fluorescence parameters of tomato seedlings under weak light condition
亚热带农业研究, 2018, 14(2): 122-127
Subtropical Agriculture Research, 2018, 14(2): 122-127.
DOI: 10.13321/j.cnki.subtrop.agric.res.2018.02.009

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收稿日期: 2018-03-02
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陈鹏涛, 夏木凤, 申宝营. 弱光下补充红蓝光对番茄幼苗生长及叶绿素荧光参数的影响[J]. 亚热带农业研究, 2018, 14(2): 122-127.  DOI: 10.13321/j.cnki.subtrop.agric.res.2018.02.009
CHEN Pengtao, XIA Mufeng, SHEN Baoying. Effect of red and blue light supplementation on the growth and chlorophyll fluorescence parameters of tomato seedlings under weak light condition. Subtropical Agriculture Research, 2018, 14(2): 122-127.  DOI: 10.13321/j.cnki.subtrop.agric.res.2018.02.009
弱光下补充红蓝光对番茄幼苗生长及叶绿素荧光参数的影响
陈鹏涛, 夏木凤, 申宝营     
福建农林大学园艺学院, 福建 福州 350002
收稿日期：2018-03-02
基金项目：福建省教育厅资助项目(JAT170161);福州市科技计划项目(2017-N-40)。
第一作者简介： 陈鹏涛(1996-), 男。研究方向:设施园艺学。Email:601389669@qq.com。
通信作者： 申宝营(1987-), 男, 讲师, 博士。研究方向:设施园艺学。Email:shenby889@foxmail.com。
摘要：为探究弱光条件下补充红蓝光对番茄幼苗生长发育以及叶绿素荧光参数的影响, 以荧光灯作为基础光源、发光二极管(LED)作为补光光源, 设置3种光质组合, 采用基质栽培2个番茄品种。光处理21 d后测定生理指标及叶绿素荧光参数。结果表明:红光补光下番茄幼苗有较大的生物量, 株高明显增高。红蓝组合光补光下, 番茄幼苗具有更高的光化学效率, 可以运用更多的光化学能量积累干物质, 有效提高幼苗整株鲜重、壮苗指数。因此, 弱光下补充LED红蓝混合光对番茄幼苗徒长的调控最佳, 可以作为番茄幼苗育苗的补光参考方案。
关键词：番茄     叶绿素荧光参数     生物量     发光二极管     光质    
Effect of red and blue light supplementation on the growth and chlorophyll fluorescence parameters of tomato seedlings under weak light condition
CHEN Pengtao, XIA Mufeng, SHEN Baoying     
College of Horticulture, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China
Abstract: In order to investigate the effects of red and blue light supplementation on the growth and chlorophyll fluorescence parameters of tomato seedlings under weak light condition, experiments were conducted involving two tomato cultivars, fluorescent lamps as the base light source, light-emitting diode (LED) as the supplement light source, three light combinations, and 21 days of treatment.The results showed that, under the red supplement light, tomato seedlings had relatively larger biomass and significantly increased height.The photochemical efficiency of tomato seedlings was much higher under combined red and blue light supplementation, more phytochemical energy was use to accumulate more dry matter, and the height of tomato seedlings and the seedlings index were effectively increased.Therefore, supplementing the weak light with LED red and blue lights provides the best control for spindling growth of tomato seedlings, which can be used as a supplemental light reference for tomato seedlings breeding.
Key words: tomato     chlorophyll fluorescence parameters     biomass     light emitting diode (LED)     light quality    

光作为植物生长发育最基础的因素之一, 不仅为植物光反应提供辐射能, 而且作为信号对植物的光合作用、物质代谢、基因表达、形态建成、生长发育等过程具有调控作用[1]。光通过光照强度、光质(光谱分布)、光周期三方面影响植物[2]。光合作用的强弱直接影响植物所有的生长发育阶段[3]。适宜光环境对实现优质高产尤为重要。受季节、设施结构等的影响, 农业设施内易形成弱光环境, 无法达到植物所需最低光照强度要求, 使植物生长受到弱光的限制。弱光胁迫对植株幼苗生长发育产生影响, 造成生物量降低、幼苗徒长、发育不良。徒长苗会造成前期生长发育不良, 从而影响后期产量和品质[4]。

弱光环境下利用人工光源进行补光, 能够在一定程度上减轻弱光的影响。发光二极管(light emitting diode, LED)具有发热低、耗能少、寿命长、精准控制波谱等优点, 被广泛作为设施农业中的人工光源[5]。LED光源的单色性好, 可以精准调制光质。植物主要吸收可见光为蓝紫光(400~510 nm)和红橙光(610~720 nm)。已有研究表明, 红、蓝色LED光源对植物生长发育有较好的促进作用[6]。本研究在荧光灯照射前提下, 利用不同比例红蓝光的LED光源对番茄幼苗进行补光处理, 研究补光对其生长发育和光系统Ⅱ(photosystem Ⅱ complex, PSⅡ)反应中心的影响, 探讨弱光环境下补光光质对番茄幼苗壮苗的作用, 以期为冬春季节番茄育苗提供参考。

1 材料与方法 1.1 试验设计

试验于2017年2—4月在福建农林大学园艺学院温室进行。供试品种为凯撒2008、台湾金童F1。2月24日育苗, 两品种各播种100粒, 在荧光灯下培育。30 d后长至三叶一心时移栽至营养钵, 基质选用草炭土、蛭石、珍珠岩(三者体积比为3:1:1), 营养液采用荷兰番茄专用配方。移栽后, 将幼苗移置温室人工光生长室进行人工光照处理, 空调控制冠层温度为25 ℃。人工光生长室由LED和荧光灯提供光源, LED光源由红绿蓝三色组成, 并可分别调节光强。本试验选用LED红蓝组合光(红蓝光波长分别为660、450 nm)和荧光灯为光源, 光强控制在(120±1) μmol·m-2·s-1, 光周期为7:00~19:00。在荧光灯固定全光谱的基础上添加LED红蓝光源进行补光处理, 设置4种光处理:荧光灯+红光(FLR)、荧光灯+蓝光(FLB)、荧光灯+红蓝组合光(红蓝光比例为1:1, FLRB)和荧光灯(CK), 具体见表 1。光谱能量分布曲线见图 1。

表 1 补光处理的设置1) Table 1 Light supplementation treatment
处理 LED光源/(μmol·m-2·s-1) 荧光灯+LED光源/(μmol·m-2·s-1) 总光照强度 R:B R:Fr
红光 蓝光 蓝光 绿光 红光 远红光
FLR 49.80 0.00 24.59 30.62 65.56 2.77 120.83 2.67 23.63
FLB 0.00 49.02 73.80 28.09 17.55 2.46 119.49 0.24 7.13
FLRB 20.63 28.90 44.16 28.95 47.48 2.58 120.63 1.08 18.41
CK 0.00 0.00 39.99 49.45 30.69 4.03 120.21 0.77 7.62
1)FLR:荧光灯+红光; FLB:荧光灯+蓝光; FLRB:荧光灯+红蓝组合光; CK:荧光灯。R:B为红光和蓝光的光照强度比例; R:Fr为红光和远红光的光照强度比例。
表选项
图 1 不同补光处理光谱能量分布曲线 Figure 1 Spectral energy distribution curves of different light supplementations
图选项
1.2 测定指标及方法

光处理21 d后, 测定各处理番茄幼苗生理指标及叶绿素荧光参数。

1.2.1 生理指标

各处理随机选取10株番茄幼苗测量以下指标。其中, 株高用直尺测量根颈部到顶部之间的距离; 茎粗用游标卡尺测定茎基部直径; 用电子天平称整株鲜重; 杀青烘干后用电子天平称整株干重; 壮苗指数[7]=(茎粗/株高)×整株干重; 叶面积、根系参数采用根系扫描仪测定; 比叶面积=叶干重/叶面积。

1.2.2 叶绿素含量

随机称取0.5g叶片置于试管中, 用浸提液(丙酮、乙醇体积比为2:1)浸泡至叶片完全褪色。充分提取叶绿素后, 用紫外分光光度计测量[8], 各处理测定3个重复。

1.2.3 叶绿素荧光参数

番茄幼苗样品先经一段时间暗适应处理, 随后采用叶绿素荧光成像系统IMAGING-PAM进行饱和脉冲, 测量暗适应后的最大荧光(maximal fluorescence, Fm); 随后关闭饱和脉冲, 打开光化光, 记录叶绿素荧光从黑暗转到光照的响应过程。

1.3 统计与分析

数据统计分析采用SPSS 13.0软件; 用Duncan分析法检验差异显著性; 采用Excel 2007软件作图。

2 结果与分析 2.1 弱光下补充红蓝光对番茄幼苗生物量的影响

番茄幼苗生物量大小在一定程度上决定了幼苗的生长发育情况。由表 2可以看出, 仅用荧光灯进行人工光照的番茄幼苗生长发育状况最弱。从株高来看, 两品种番茄幼苗株高均以FLR处理增幅最高, 且与CK差异显著。从茎粗、整株鲜重来看, FLB处理中台湾金童F1幼苗与CK有显著差异, 受蓝光影响较大。FLRB处理, 凯撒2008幼苗整株干重与CK相比显著提高。由表 2还可见, 改变光质配比对番茄幼苗叶片的扩展有一定影响。FLRB处理, 两品种幼苗叶面积显著提高, 凯撒2008是CK的1.73倍, 台湾金童F1是CK的2.53倍。FLB处理, 比叶面积受光质配比的影响因番茄品种不同而不同, 凯撒2008幼苗叶片厚度随着蓝光比例的增加而增厚, 台湾金童F1幼苗可能由于干物质量消耗于生长发育阶段, 叶片厚度更薄, 与CK相比有显著差异。不同光处理对番茄幼苗根系生长也有一定的促进作用。FLRB处理番茄幼苗根表面积增幅最大。FLRB处理, 壮苗指数最为突出, 凯撒2008幼苗壮苗指数是CK的1.74倍, 达到了0.204;台湾金童F1是CK的2.38倍, 达到最大值。综上说明, 红光比例的增加能显著促进番茄幼苗株高的增长; 通过红蓝组合光进行补光对番茄幼苗的生物量增长最显著, 对幼苗壮苗具有重要作用。不同光处理下两种番茄幼苗形态见图 2。

表 2 弱光下补充红蓝光对番茄幼苗生物量的影响1) Table 2 Effect of red and blue light supplementation on the biomass of tomato seedlings under weak light condition
品种 处理 株高/cm 茎粗/mm 整株鲜重/g 整株干重/g 叶面积/cm2 处理 比叶面积/(mg·cm-1) 根表面积/cm2 平均根粗/mm 壮苗指数
凯撒2008 FLR 23.80±2.19b 4.24±0.26a 11.65±1.50b 0.78±0.13ab 210.50±18.96ab FLR 2.13±0.07ab 113.44±18.63a 1.74±0.12b 0.140±0.014a
FLB 19.40±2.18ab 4.13±0.21a 9.29±1.34ab 0.74±0.06ab 201.66±18.91a FLB 2.39±0.15b 105.22±12.95a 1.10±0.06a 0.157±0.007a
FLRB 17.83±2.78ab 4.41±0.16a 11.15±1.47ab 0.83±0.17b 273.38±26.38b FLRB 1.83±0.32ab 122.06±15.16a 1.47±0.28ab 0.204±0.019b
CK 14.60±1.47a 3.99±0.12a 7.01±0.27a 0.42±0.06a 158.44±13.24a CK 1.53±0.06a 83.67±4.40a 1.43±0.12ab 0.117±0.004a
台湾金童F1 FLR 20.83±0.32b 4.18±0.04ab 9.01±0.40b 0.66±0.06a 164.57±5.08a FLR 2.08±0.08b 87.75±4.21ab 1.36±0.20a 0.132±0.003b
FLB 15.53±2.42a 4.39±0.24b 9.63±0.75b 0.62±0.09a 194.77±39.82a FLB 1.51±0.21a 79.87±16.88ab 1.08±0.13a 0.176±0.012c
FLRB 20.17±1.62ab 4.58±0.11b 13.89±1.76c 1.02±0.11b 292.18±33.47b FLRB 1.77±0.13ab 106.65±4.20b 1.62±0.25a 0.231±0.004d
CK 15.80±0.40a 3.74±0.10a 5.60±0.27a 0.41±0.03a 115.55±5.68a CK 1.97±0.02b 60.42±3.71a 1.16±0.25a 0.097±0.003a
1)同列数值后附不同小写字母者表示差异达0.05显著水平。FLR:荧光灯+红光; FLB:荧光灯+蓝光; FLRB:荧光灯+红蓝组合光; CK:荧光灯。
表选项
图 2 不同光处理下番茄幼苗形态 Figure 2 Morphology of tomato seedlings under different light treatments A.凯撒2008;B.台湾金童F1。
图选项
2.2 弱光下补充红蓝光对番茄幼苗光合色素的影响

由表 3可以看出, 弱光下补充红蓝光对两品种番茄幼苗光合色素合成影响不一致, 凯撒2008幼苗各处理光合色素含量均比CK低, 且FLR处理与CK差异显著; 台湾金童F1幼苗光合色素含量则有所上升, 并随着蓝光补光比例的增加而上升。总体来说, 光质对番茄幼苗光合色素含量的影响因品种而异, 不同品种对光谱的需求可能不同。

表 3 弱光下补充红蓝光对番茄幼苗光合色素的影响 Table 3 Effect of red and blue light supplementation on photosynthetic pigments of tomato seedlings under weak light condition
mg·g-1
品种 处理 叶绿素a含量 叶绿素b含量 叶绿素总量 类胡萝卜素含量
凯撒2008 FLR 1.71±0.07a 0.75±0.03a 2.46±0.10a 0.79±0.03a
FLB 1.93±0.08ab 0.87±0.04ab 2.80±0.13ab 0.89±0.04a
FLRB 2.06±0.14ab 0.95±0.07ab 3.01±0.22ab 0.93±0.06a
CK 2.13±0.14b 0.98±0.08b 3.11±0.22b 0.96±0.06a
台湾金童F1 FLR 2.05±0.14ab 1.08±0.09a 3.12±0.22a 0.94±0.06ab
FLB 2.27±0.09b 1.08±0.05a 3.35±0.14a 1.02±0.04b
FLRB 2.20±0.06ab 1.04±0.03a 3.24±0.09a 1.00±0.02b
CK 1.93±0.07a 0.90±0.04a 2.83±0.11a 0.85±0.04a
1)同列数值后附不同小写字母者表示差异达0.05显著水平。FLR:荧光灯+红光; FLB:荧光灯+蓝光; FLRB:荧光灯+红蓝组合光; CK:荧光灯。
表选项
2.3 弱光下补充红蓝光对番茄幼苗叶绿素荧光参数的影响

叶绿素荧光特性可通过调节PSⅡ反应中心的开放程度而干涉荧光的发射[9]。PSⅡ最大光化学效率(optimal/maximal quantum yield of PSⅡ, Fv/Fm)反映PSⅡ原初光能转化效率的高低, 可作为植物是否受到光抑制或者PSⅡ是否受到伤害的指标[10]。从图 3可见, 凯撒2008在不同光质配比处理下Fv/Fm比CK显著提高, 各处理间以FLR和FLRB与CK相比差异最显著。而台湾金童F1品种在各处理下Fv/Fm表现为显著下降。PSⅡ实际光化学量子产额(actual photochemical efficiency of PSⅡin the light, ФPSⅡ)代表植物在光照下实际的光化学转化效率[11]。光化学淬灭系数(photochemical quenching coefficient, qP)反映开放反应中心占总PSⅡ反应中心的比例[12]; 非光化学淬灭(non-photochemical quenching coefficient, NPQ)反映热耗散的变化[12]。各光质处理下两品种的ФPSⅡ和qP均有一定幅度的上升, 凯撒2008增幅显著高于台湾金童F1, 说明FLRB处理凯撒2008对光照下实际的光化学转化效率有显著提高。NPQ均以CK最高, FLB处理凯撒2008降幅最为显著, FLR和FLRB处理台湾金童F1与CK差异较为显著, 说明各光处理均有效降低番茄幼苗光合作用中的热耗散。

图 3 弱光下补充红蓝光对番茄幼苗叶绿素荧光参数的影响 Figure 3 Effect of red and blue light supplementation on chlorophyll fluorescence parameters of tomato seedlings under weak light condition
图选项
3 小结

光对植物生长的直接作用指光对植物形态建成的作用, 间接作用则通过光合作用制造有机物为植物生长发育提供物质和能量[13]。从本试验来看, 红光比例增加对番茄幼苗株高的增长有明显的促进效果, 与刘晓英[14]、袁慧丽[15]、常涛涛[16]的报道一致。除对株高的影响外, FLR处理对凯撒2008幼苗没有有效影响, 而对台湾金童F1幼苗的生物量促进效果显著。FLB处理下, 凯撒2008幼苗茎粗稍有增加但无明显差异; 而台湾金童F1幼苗受蓝光影响较大, 在茎粗和壮苗指数上有显著差异。FLRB处理对番茄幼苗生物量增幅最佳, 其光效应很可能与植物体内的内源激素有关。相同光质对两品种番茄幼苗产生的光效应不同, 造成该差异的原因可能是不同品种番茄光敏色素含量不同, 所需的光质也有所不同。

许莉等[17]研究表明, 蓝光和红蓝组合光有利于作物的叶面积扩张。本试验中两品种番茄幼苗均在FLRB补光条件下叶面积最大, 与许莉等[17]结果一致。凯撒2008幼苗在FLB处理下比叶面积最大, 说明叶片最厚; 台湾金童F1幼苗在FLB处理下叶片厚度反而最薄, 说明不同品种叶片发育对光质配比的响应存在差异。

本研究表明, 在不同光质处理下番茄幼苗通过较低的热耗散以及较高的ФPSⅡ和qP增加植物对光能的转化能力, 使其保持高效的光合作用。尤以FLRB处理为佳, 通过高效的光化学转化效率保持较高的干物质积累, 达到培育壮苗的目的。

综上所述, 在全光谱下进行LED补光对番茄幼苗生长发育有显著促进作用。红光比例的增加能显著促进番茄幼苗株高的增长; 通过补充红蓝光组合光, 番茄幼苗生物量、壮苗指数显著增长, 且ФPSⅡ和qP较高。即FLRB处理番茄幼苗生长发育状况得到改善, 可以运用更多的光化学能量积累干物质, 对幼苗的壮苗有重要作用。

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