光是植物生长发育最重要的环境因子之一,光照强度和光质对植物的生长、光形态建成和生理代谢均有显著影响^[1]。有关光质对植物生长发育的影响已有研究^{[1, 2, 3, 4]},众所周知,红光和蓝光是植物生长必需的两种光谱^{[5, 6]},是光合色素吸收的主要光谱。红光通过光敏色素系统光诱导转化调控着植物的光合结构及光形态建成。蓝光直接或间接地影响着植物的许多生理过程,如诱导气孔开放、叶绿体移动、蛋白质合成、光合结构及光合作用,且蓝光下生长的植物具有阳生植物的特点,这是蓝光受体参与光诱导的响应效果。

单色蓝光和红光对植物的生长促进作用远不如红蓝复合光^[7]。红光和蓝光被植物叶片吸收率大约为90%^[8]。红蓝复合光可以优势叠加单色红光和蓝光优点,又可以弥补各自的不足^[9]。红蓝复合光可以通过提高净光合速率从而促进植物的生长和发育,且红蓝光的最佳比例也随植物物种不同而不同,50%红光和50%蓝光的红蓝复合光下番茄的光合器官发育良好,有利于光合作用^{[5, 10]}。

光照强度是植物生长的另一个重要的光照参数,植物光谱的调控只有在合适的光照强度下调控才有意义。弱光下植株会出现徒长、叶色减淡、叶面积增大、叶片变薄、植株瘦长等不良症状^[11];同时过高的光照强度会使植株出现萎蔫、叶片小而厚及叶色变黄等症状^[12]。光照过强过弱都会产生光抑制,植物在长期的进化过程中形成了多种保护机制,如活性氧清除系统,在一定范围内及时清除活性氧,防御活性氧对细胞的伤害^[13]。在自然光条件下,前人开展了很多光照强度对植物外形特征及细胞结构变化乃至基因表达等方面的研究^{[14, 15]}。完全人工LED光照下,不同光照强度对植物生长影响的研究还比较少见,王志敏等^[16]报道了不同LED光照强度对叶用莴苣生长的影响;Fan等^[6]研究了不同LED光照强度对番茄叶片发育的影响。设施育苗是设施园艺业的一个新兴的发展方向,连绵的阴雨或雾霾限制了光照,设施补光或全人工光照育苗就成了必要的手段。刘晓英等^[17]指出植物在LED光下的光饱点和自然光下的光饱点不同,一般低于自然光下的光饱点,如果设施育苗参照自然光下设置光照强度势必造成浪费或生长不良等特征,开展人工光源不同光照强度对植物生长发育影响的研究对设施全人工光照育苗具有重要的意义。

基于本课题组不同光质和不同光配比的红蓝光对樱桃番茄的研究结果,本研究采用新型第四代LED光源,以红蓝光比为1∶1的红蓝组合光为光源,研究不同光照强度的红蓝LED光对樱桃番茄幼苗生长和抗氧化酶活性的影响,以期为樱桃番茄设施育苗光调节提供调控依据和理论参考。

采用樱桃番茄(Lycopersivon esculentum Mill.)品种‘千禧’为试验材料,待长到2叶1心时选取生长一致的幼苗放置于6种不同光照强度的红蓝LED光下处理,光照强度分别为50、150、200、300、450和550 μmol·m^-2·s^-1,分别简写为RB50、RB150、RB200、RB300、RB450和RB550。其中红蓝光能量分布比值为1∶1,其光谱分布如图 1所示,红光主峰波长为640 nm,蓝光主峰波长为450 nm。昼、夜温度分别为(26±2)℃和(18±2)℃,相对湿度为60%~90%;每隔3~4 d浇灌1次Hogaland营养液,每次每株60~70 mL;为了保证光照均匀性,每隔1 d变动植株位置。

	图 1 红蓝组合光的光谱分布图 Fig. 1 Spectral distribution of red and blue light
图选项

植株在光处理7、14、21和28 d后分别测定植株的株高、平均节间距、茎粗和倒3展开真叶叶面积。分别用直尺测量株高和平均节间距,用游标卡尺测量茎粗,叶面积用Photoshop图像处理方法获取。处理7、14、21和28 d后测定叶片的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)活性。参照王爱国等^[18]的方法测定SOD活性,采用愈创木酚法^[19]测定POD活性;参照朱祝军等^[20]的方法测定CAT活性;参照王以柔等^[21]的方法测定丙二醛(MDA)含量。用电子天平测定30 d时的植株干、鲜质量。30 d时,用丙酮提取法获取叶绿素含量,采用LI-6400光合仪测定植株叶片的光合参数。

所有数据采用Excel 2003进行整理,采用SAS 8.0的Duncan′s多重比较法进行方差分析。

由表 1可以看出:不同红蓝LED光照强度下,樱桃番茄植株生物量差异显著,无论是干质量还是鲜质量,在低光照强度下均相对较低,当光照强度达到300 μmol·m^-2·s^-1时,生物量会显著地升高,而在550 μmol·m^-2·s^-1时又出现新的低拐点。光照强度在50~450 μmol·m^-2·s^-1范围内,随着光照强度的增大,鲜质量和干质量逐渐增大。在光照强度小于200 μmol·m^-2·s^-1 时,单位光照强度全株干质量相对增长率为0.006和0.004;光照强度超过300 μmol·m^-2·s^-1时增长渐缓,单位光照强度全株干质量相对增长率为0.002和-0.001,且植株生物量无显著差异。

在不同红蓝LED光照强度的照射下,7 d时各处理的株高差异不显著,随着处理时间的延长,各处理株高的差异越来越显著(图 2-A)。50 μmol·m^-2·s^-1光照强度处理的株高显著大于其他处理,而且处理时间越长,株高增加的幅度越来越大,其中增幅最大时间段为21和28 d。随着光照强度的变化,株高呈低光照强度下较高,高光照强度下较低的趋势,株高的变化拐点在光照强度为300 μmol·m^-2·s^-1,超过300 μmol·m^-2·s^-1,植株株高无显著差异。

	图 2 不同红蓝LED光照强度对樱桃番茄株高(A)、茎粗(B)、平均节间距(C)和叶面积(D)的影响 Fig. 2 Effects of different red and blue LED light intensity on plant height(A),stem diameter(B),average internode distance(C)and leaf area(D)of cherry tomato
图选项

由图 2-B可见:在7和14 d时,各处理茎粗差异不显著,但随着光照强度的增大,茎粗缓慢增大,而在28 d,各处理茎粗开始呈现一定的差异性,低光照强度下茎粗较细,总体上随着光照强度的增大,茎粗逐渐增粗,在14~21 d这段时间茎粗的增幅较其他时间段大,且低光照强度处理茎粗增长速率小于高光照强度处理的茎粗增长速率。

在光照强度高于50 μmol·m^-2·s^-1时,21 d各处理的平均节间距较14 d处理的短,其他处理时间的平 均节间距随处理时间的延长有增大的趋势,28 d时,RB50处理的平均节间距最大,其次为RB150和RB200 处理,两者无显著差异;RB300和RB450及RB550处理的平均节间距无显著差异(图 2-C)。

由图 2-D及图 3可见:叶面积显著地受红蓝LED光照强度调控,光照强度为50、150、200 μmol·m^-2·s^-1 处理的叶面积大于其余处理。在7、14和28 d时叶面积变化趋势均在RB300处理出现拐点,28 d时的RB450处理的叶面积最小,但与RB300和RB550处理的叶面积无显著差异。

	图 3 不同红蓝LED光照强度处理30 d后植株叶片的形态与叶色图 Fig. 3 Leaf appearance and color under different red and blue LED light intensity at 30 days
图选项

由表 2和图 3可见:红蓝LED光照强度对樱桃番茄叶片的光合色素含量有显著的影响。RB50、RB150和RB200处理叶绿素(Chl)a含量显著大于RB450和RB550处理,RB300处理Chla含量与其他处理无显著性差异,表明随着光照强度的增大,植株叶片中Chla含量在逐渐减少。RB50处理叶片中Chlb的含量显著大于RB300、RB450和RB550,而与RB150及RB200无显著差异,且随光照强度的增加叶片中Chlb的含量逐渐降低。Chl(a+b)含量的变化与Chlb的变化趋势相同。RB550处理Chla/b的值显著大于其他处理,比RB50、RB150、RB200、RB300和RB450分别提高了48.8%、39.6%、41.5%、33.3%和28.6%。RB200处理类萝卜素含量显著大于RB450和RB550处理,与其他处理无显著差异。除RB200外,随光照强度的增强,类胡萝卜素含量呈不断减少的趋势。

由图 4-A可见:净光合速率(P_n)随着光照强度的增大而呈台阶式递增,其中RB550处理的P_n最大,而RB50处理P_n显著小于其他处理,RB300和RB450处理P_n只低于RB550处理,RB300和RB450处理间P_n无显著差异。各处理气孔导度和蒸腾速率的变化与P_n的变化类似(图 4-B、C)。

	图 4 不同红蓝LED光照强度对樱桃番茄叶片光合参数的影响 Fig. 4 Effect of different red and blue LED light intensity on photosynthesis of cherry tomatoes
图选项

如图 4-D所示:RB50处理胞间CO₂浓度(C_i)显著小于其他处理,而RB150、RB200、RB300、RB450和RB550处理C_i无显著差异。

如图 5-A所示:随着处理时间延长各处理SOD活性呈先增后减的趋势,在14 d时SOD活性最高。相同处理时间不同光照强度处理的SOD活性差异显著,在7和14 d,RB50处理的SOD活性较其他处理低,显著低于RB300和RB450处理,在各时间点RB300和RB450处理SOD活性无显著差异。在21 d时,各处理的SOD活性突然下降,RB300和RB450处理的SOD活性下降幅度较大,而RB200和RB550处理的SOD活性变化幅度较小,且RB200处理SOD活性显著大于RB300和RB450处理。在28 d时,RB150处理的SOD活性最小,其他处理无显著差异,且与21 d相比,各处理的SOD活性都有不同程度地下降;RB300和RB450处理的SOD活性变化很小,而RB200和RB550处理的SOD活性变化幅度则较大。

	图 5 不同红蓝LED光照强度对抗氧化酶活性及MDA含量的影响 Fig. 5 Effects of different red and blue LED light intensity on antioxidant enzymes activity and MDA content
图选项

如图 5-B所示:随着处理时间延长各处理CAT活性呈先增后减趋势,在21 d时,各处理的活性最高。在7和21 d时各处理的CAT活性无显著差异;而在14和28 d时,各处理的活性有显著变化,以200 μmol·m^-2·s^-1为界,低光照强度处理CAT活性高于高光照强度处理,但低光照强度或高光照强度处理之间无显著差异。

如图 5-C所示:7 d时,随着光照强度的增大,各处理的POD活性先缓慢变化,至300 μmol·m^-2·s^-1时,CAT活性急剧增大;而在14、21和28 d时,随着光照强度的增大,CAT活性变化平稳,各处理间无显著差异。

如图 5-D所示:随着处理时间延长各处理MDA含量逐渐升高,至21 d时升至最大然后又略有下降。随着光照强度的增大,MDA含量缓慢下降,28 d时RB50处理MDA含量最大,而RB550处理MDA含量最低,光照强度为150~550 μmol·m^-2·s^-1的处理MDA含量无显著差异。

植物的形态差异是植物对光照强度的自适应,光照强度过强过弱都会限制植物的生长。弱光使叶片变大变薄,叶色变淡,由于光合抑制不仅导致同化物积累减少,且生物量的分配格局也会发生变化。强光下叶片变小变厚,叶色变深,过强的光会导致植物出现光合午休现象,乃至出现发黄甚至枯萎。本研究也发现了叶面积及叶色变化与上述有相同的现象,同时也发现在弱光下光合色素积累较多的现象。弱光下植物叶片单位叶面积叶绿体数量减少,但叶绿体变大,叶绿素含量增加,在弱光下光合色素是处于过剩状态^[11]。植物对弱光的适应性是以消耗更多结构物质用于扩大光能接受面积,增加光系统组分的能量,降低其原初光能转化效率等方式获得的,弱光下光系统组分的大幅度增长并不一定有利于光合作用产物的积累和经济产量的提高^{[22, 23]}。本研究中50 μmol·m^-2·s^-1光照处理的结果正好印证了此观点。过强的光照强度会使植株出现光抑制,净光合速率会下降,本研究中尚未发现随着光照强度的增大光合速率降低的现象,说明在人工光照环境条件下450 μmol·m^-2·s^-1光照强度还没达到樱桃番茄的饱和点。但本研究发现随着光照强度增大,当光照强度超过300 μmol·m^-2·s^-1,生物量不再随着光照强度增大而增大,且光照强度在550 μmol·m^-2·s^-1时生物量却比300 μmol·m^-2·s^-1少。生物量的积累一般和光合作用呈正相关,RB550处理的净光合速率明显大于RB300和RB450处理,但生物量的积累却较小,可能是因为550 μmol·m^-2·s^-1光照强度过强,为防止强光对光合机构的破坏,通过光呼吸消耗过剩的同化力^[24]而导致的结果。

植物在自身新陈代谢过程和逆境胁迫下会产生活性氧分子,如果植物没有足够的能力清除这些活性氧分子,就会引发其膜脂过氧化作用,造成植物体质膜系统的伤害,反作用于光合作用,影响植物的生长^[25]。SOD是植物抗氧化的第一道防线,能清除细胞中多余的超氧阴离子^[26],本研究中光照强度为200~450 μmol·m^-2·s^-1时,SOD活性较强,具有更高的活性氧清除能力。CAT和POD在一定光照强度的环境胁迫下有互补的作用,本研究中恰恰体现了这一点,在低光照强度下POD活性较低,但CAT活性较高,而在高光照强度下POD活性较高,但CAT活性较低,这两种酶互补达到清除植株体内活性氧的任务。草莓的SOD活性在高光照强度下升高^[27],随着光照强度的减弱,樱桃^[28]和红豆杉^[29]的CAT活性下降,POD活性上升,而本研究发现,随着光照强度的减弱CAT和POD活性都增大,这种不一致也许来自于物种的差异。抗氧化酶系统不能完全清除具有高活性的活性氧,从而膜脂过氧化程度提高^[26],植物体内的丙二醛(MDA)可以反映植物遭受逆境伤害的程度^[30]。随着光照强度的减弱红豆杉^[29]的MDA含量升高。本研究发现,在处理7 d时各处理的MDA含量无显著差异,随着处理时间的增加,光照强度为50 μmol·m^-2·s^-1时植株MDA含量最高,随着光照强度的增大,其他处理的MDA含量缓慢下降。说明在番茄幼苗较小时50 μmol·m^-2·s^-1的光照强度暂时没有形成逆境,但随着幼苗的生长,对光照的需求增加,50 μmol·m^-2·s^-1的光照可能形成了弱光胁迫,超氧化物歧化能力不够,使膜遭到破坏,影响了植株的光合作用,限制了生长。光照强度为200~450 μmol·m^-2·s^-1时,SOD活性较高,具有更高的超氧化物歧化能力,降低或没有对膜产生伤害,所以植株的生长较50 μmol·m^-2·s^-1下健壮。

总之,不同强度的红蓝LED光显著地影响樱桃番茄植株的生长。50 μmol·m^-2·s^-1的低光照强度限制了樱桃番茄的生长,光照强度小于300 μmol·m^-2·s^-1随着光照强度的增大植株生物量显著增大,但光照强度超过300 μmol·m^-2·s^-1,随着光照强度的增大光能效并没有显著提高,综合经济效益,光照强度为300 μmol·m^-2·s^-1红蓝组合光是设施培育樱桃番茄幼苗性价比较好的光源。