光是植物光合作用的能量来源,也是植物某些生命活动的信号^[1]。光合色素在红光和蓝光区有最大的光合能效^[2]。红光可促进植物茎伸长^[3]、叶面积增大^[4]、光合产物累积^[5]及光合器官的发育^[6]等多个生命过程。蓝光可以促进叶绿体发育、气孔开放和蛋白质的合成^[7]。前人的研究表明不同植物及同一植物的不同生长阶段或不同器官对同一光质的反应不尽相同,表现出光谱生物学反应的复杂性^[8]。但多数研究表明:红蓝复合光对植物的生长效应明显优于单色光,且有效促进植物生物量的积累,可以作为植物生长的光源^[9]。

但也有人认为,在红蓝复合光基础上添加其他光谱,更有利于植物的生长。添加黄光、紫光、绿光会缓解樱桃番茄的弱光胁迫^[10];添加绿光,促进生菜生长^[11];添加白光,促进烟草组培苗的生长^[12]。很多研究显示绿光对植物无光合能效,但也有研究指出绿光促进向日葵^[13]的光合作用能力强于红光。

水稻(Oryza sativa L.)是世界性主要粮食作物^[14],其生产对保证世界粮食安全具有重要意义,而水稻秧苗质量直接影响水稻生产的最终产量和质量。光谱调控的准确性是工厂化水稻育秧的重要保障。前人的光调控试验研究表明:LED灯下的水稻长势优于荧光灯^[15],蓝光可促进水稻秧苗生长^[16],但红蓝组合光更有利于培育水稻壮苗^[15]。前人的研究多集中在单色红光、蓝光或红蓝组合光对水稻秧苗生长的影响,而就不同配比的红蓝光和在红蓝光基础上添加其他光谱对工厂化水稻育秧的研究还鲜见报道。短波红光(主峰波长630 nm)有利于黄瓜的生长^[17],长波红光(主峰波长660 nm)可以提高莴苣的品质^[18],在光合作用的某些反应中绿光比红光和蓝光更为重要^[19],隐花色素和光敏色素容易吸收绿光从而开启光形态发生的响应^[20]。鉴于不同波长的红光和绿光的作用,开展以红蓝光为基础光谱添加其他光谱的研究对水稻工厂化育秧中光谱精确调控有重要理论参考。

本研究以660 nm的红光和450 nm的蓝光LED为基础光谱,精确调制这两种光的比例,添加630 nm的红光和510 nm绿光,通过测定水稻秧苗生长指标及生理指标,评判秧苗素质,旨在探讨不同光谱能量分布对水稻工厂化育秧素质的影响。

供试水稻品种为‘南粳5055’,由江苏省农业科学院作物科学研究所水稻组提供。试验于2014年11月在南京农业大学LED植物光源研究中心进行。水稻在32 ℃水中浸种48 h,然后置于28 ℃保温箱中催芽12 h。育苗基质为水稻育秧专用基质,由淮安柴米河农业科技发展有限公司提供,育秧盘为机插秧硬盘(600 mm×280 mm×30 mm),水稻播种覆土后在植物工厂内培养。水稻秧苗培养日温(28±2)℃、夜温(20±2)℃、相对湿度(80±5)%、光暗时间12 h/12 h、光照时间20 d。以LED白光(CK)作为对照,LED光处理为:红蓝1：1(1R₁B)、红蓝3：1(2R₁B)、红蓝红(R₁BR₂)、红蓝红绿(R₁BR₂G),光合光量子通量密度(Photosynthetic photon flux density,简称PPFD)均为320 μmol · m^-2 · s^-1,各处理的光谱分布如图 1所示,其中1R₁B和2R₁B的红光的主峰波长为660 nm,蓝光的主峰波长为450 nm,半波宽都为20 nm;R₁BR₂和R₁BR₂G的一个红光的主峰波长为660 nm,另一个为630 nm,蓝光的主峰波长为450 nm,R₁BR₂G的绿光主峰波长510 nm,半波宽均为20 nm。所有试验用光源由南京欧谱润生物科技有限公司提供,LED光谱能量分布设置如表 1所示。

	图 1 光处理的光谱分布 Fig. 1 Spectral distribution of light treatments
图选项

在播种后第20天分别随机选取30株测定形态指标,重复3次。用直尺测量秧苗株高,游标卡尺测量茎粗,用天平测鲜质量,然后将鲜样置于105 ℃烘箱杀青15 min,80 ℃烘干至恒质量测定干质量。叶绿素用80%丙酮提取,采用分光光度计测定^[21];参照李合生^[22]的方法测定可溶性糖含量;可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法^[23]测定;超氧化物歧化酶(SOD)参照Zhou等^[24]的方法测定;抗坏血酸过氧化物酶(APX)按Nakano等^[25]的方法测定;谷胱甘肽还原酶(GR)采用Zhu等^[26]改进的方法测定。

利用Microsoft Excel 2007整理数据,采用SPSS 16.0的Duncan′s法进行差异显著性分析。

如表 2所示:所有LED光处理的水稻株高、叶面积都大于CK处理。1R₁B处理的各项形态指标都较2R₁B处理低,在R₁B基础上添加短波红光的R₁BR₂处理,茎粗、叶面积和白根数都大于2R₁B处理,但与2R₁B及R₁BR₂G处理无显著差异。

从表 3可见:LED光处理的鲜质量、干质量都大于CK处理,各处理的地上部鲜质量、地上部干质量均显著高于对照。2R₁B处理的鲜质量、干质量均大于1R₁B处理,且地上部鲜质量差异显著。2R₁B、R₁BR₂及R₁BR₂G处理的全株鲜质量和干质量都大于1R₁B、R₁BR₂和R₁BR₂G处理的全株鲜质量和干质量无显著差异。根冠比从大到小的处理依次是2R₁B、1R₁B、R₁BR₂G、R₁BR₂和CK。

如表 4所示:CK处理的叶绿素a及b含量与LED光处理无显著差异。相较1R₁B处理,2R₁B处理的叶绿素含量都降低;与2R₁B处理相比,R₁BR₂和R₁BR₂G的叶绿素a和叶绿素(a+b)的含量都降低,但叶绿素b含量却增加。R₁BR₂和R₁BR₂G处理的类胡萝卜素较高,R₁BR₂的类胡萝卜素含量显著高于其他处理。

如图 2-A所示:LED光处理的秧苗可溶性糖含量都高于CK处理。R₁BR₂处理的可溶性糖含量最高,显著高于1R₁B和CK处理(P＜0.05),其他处理间差异不显著。

	图 2 不同光谱能量分布对水稻秧苗可溶性糖(A)和可溶性蛋白(B)含量的影响 Fig. 2 Effect of different spectral energy distribution on soluble sugar(A)and soluble protein(B) contents of rice seedlings
图选项

如图 2-B所示:LED光处理的秧苗可溶性蛋白含量都高于CK处理,与1R₁B处理相比,2R₁B处理的可溶性蛋白含量显著降低,但当添加了短波红光和绿光后各处理的可溶性蛋白含量显著升高。

如表 5所示:LED光处理的SOD、APX、GR活性均大于CK处理,2R₁B处理的SOD活性显著大于1R₁B处理,APX、GR活性无显著差异。R₁B基础上添加短波红光或绿光的SOD、APX、GR活性都大于2R₁B处理,但R₁BR₂G处理与2R₁B处理间无显著差异。R₁BR₂处理的SOD、APX、GR活性大于R₁BR₂G处理,且两处理的SOD活性差异显著。SOD/APX比值表征秧苗清除活性氧的能力,各处理的SOD/APX比值从大到小依次为CK、1R₁B、2R₁B、R₁BR₂G、R₁BR₂。

水稻秧苗生长受光谱能量分布的影响。本研究发现,与1R₁B处理相比,红光比例较大的2R₁B和R₁BR₂ 处理叶面积增大、茎变粗、白根数增多。R₁BR₂处理的红光总量尽管较2R₁B少了48 μmol · m^-2 · s^-1,但对叶面积和茎粗增加及白根数增多效应更高。闻婧等^[18]也指出短波红光比长波红光更有利于莴苣叶面积增大,根系活力和光合速率的提高。波长越短,光子的能量越高^[27],短波630 nm的红光相较长波660 nm的红光光子所含的能量高,水稻秧苗喜红光,因此降低红光总量添加短波红光可能是水稻生长增效明显的原因。单色绿光下植物并不是完全不能生长^{[28, 29]},Terashima等^[13]认为绿光促进向日葵光合作用的能力比红光强。本研究降低红光的比例,添加绿光后的R₁BR₂G处理的茎粗、叶面积及白根数并没减少,这可能是由于绿光穿透叶片的能力较红光和蓝光强^[20],下层的叶片能够利用的散射绿光进行光合作用,有利于干物质的积累^[19]。本研究中2R₁B比1R₁B处理红光增加了80 μmol · m^-2 · s^-1,水稻秧苗生物量积累显 著增多;R₁BR₂处理添加了106 μmol · m^-2 · s^-1的630 nm的红光,红光总量比2R₁B降低了48 μmol · m^-2 · s^-1,但生物量却与2R₁B处理无显著差异,数值上还略有增大,说明增加蓝光量并添加短波630 nm的红光,可以弥补红光总量下降引起水稻生物量积累的减少。与R₁BR₂处理相比,R₁BR₂G处理降低了红光的总量,添加68 μmol · m^-2 · s^-1的510 nm的绿光,生物量与R₁BR₂处理无显著差异,表明在保持蓝光量不变的条件下,添加510 nm的绿光可同样达到添加630 nm短波红光维持水稻秧苗生物量不变的效果。

在一定范围内,叶绿素含量是光合作用强弱的判断依据^[30]。叶绿素a吸收光谱的2个主峰是430和660 nm,叶绿素b吸收光谱的主峰是450和643 nm^[31]。蓝光有利于叶绿素积累^{[6, 8]},本研究也发现含有较多蓝光的1R₁B处理也积累了较多的叶绿素,同时,2R₁B处理也因含有较多的660 nm的红光而积累了较多的叶绿素a。R₁BR₂和R₁BR₂G处理因含有630 nm的红光接近叶绿素b红光的吸收主峰积累了较多的叶绿素b,各处理光合色素含量的差异是光谱能量分布差异性的体现。此外,可溶性糖负反馈调节叶绿素的含量^[32],本试验在R₁BR₂处理上体现的最为明显,R₁BR₂处理的可溶性糖含量最高,但其叶绿素含量却较少。蓝光对光合作用而言,在能量利用率上远不如红光,吸收蓝光后的叶绿素,其贮存的能量虽远大于吸收红光的叶绿素,但超过的部分对光合作用是无用的^[31],所以虽然1R₁B处理含有较多的叶绿素,光合作用并不旺盛,直接导致在此光照条件的水稻秧苗积累了较少的生物量。Evans^[33]发现小麦叶片内CO₂同化速率与叶片氮水平呈正相关,虽然我们的研究并没有测定CO₂同化速率,但R₁BR₂和R₁BR₂G处理具有较高的可溶性蛋白含量和生物量积累,间接反映了添加630 nm的红光和510 nm的绿光都能提升水稻的光合作用。

SOD、APX和GR是抗氧化系统的水-水循环中起关键作用的酶^[34],其活性在一定程度上反映了机体的生理活性,间接影响了植株生长。SOD催化氧自由基(O ^{· -}₂)的歧化反应产生过氧化氢,APX是清除过氧化氢途径的第1个酶,利用抗坏血酸作为还原剂清除过氧化氢^[35]。GR是抗坏血酸-谷胱甘肽循环途径中的重要组成部分,将氧化型谷胱甘肽(GSSG)还原成还原型谷胱甘肽(GSH),从而为活性氧的清除提供还原力,保护植物免受伤害^[36]。红光显著提高烟草叶片的SOD、APX和GR活性^[37],在蓝光下黄瓜的SOD活性高,而绿光抑制黄瓜的SOD、APX活性^[38]。本研究发现与1R₁B和2R₁B处理相比,R₁BR₂处理的SOD、APX和GR的活性都显著增高,R₁BR₂处理的蓝光量比1R₁B处理减少了32 μmol · m^-2 · s^-1,而比2R₁B处理的蓝光量增加了48 μmol · m^-2 · s^-1,用106 μmol · m^-2 · s^-1的630 nm的红光替代了660 nm的红光,表明短波红光(630 nm)可以弥补由于蓝光量增多而使这3种酶的活性下降的潜在可能,并大大提升这3种酶的活性。与R₁BR₂处理相比,R₁BR₂G处理由于添加绿光使这3种酶活性略有下降,这可能是由于短波红光(630 nm)量的减少和绿光对SOD、APX活性的抑制作用造成的^[38]。SOD/APX反映过氧化氢产生和清除的能力^[39],R₁BR₂和R₁BR₂G的SOD/APX值较小,再次说明添加短波红光会增加过氧化氢的清除能力,提高机体的活性,有利于水稻秧苗的生长。

综上所述,水稻光形态建成效应对光谱需求量没有精确的界定,但水稻秧苗偏好红光,且在红蓝光的基础上,添加630 nm的红光和510 nm的绿光可以增加光谱宽度,提高干物质的积累,有利于培育壮苗。