摘要:采用发光二级管(LED)调制光质和光量,研究不同光质处理对叶用莴苣品种‘奶油生菜’和‘美国大速生’幼苗叶片气体交换参数及叶绿素荧光的影响.结果表明:LED光源光质提高了叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总含量及叶绿素a/b值,品种间叶绿素含量差异显著,‘奶油生菜’>‘美国大速生’;光质对叶用莴苣幼苗叶片光合速率的影响是由非气孔因素引起的,蓝光LED增大了叶片Gs,‘奶油生菜’以蓝光LED的光合速率最高,而‘美国大速生’以荧光灯处理最高;LED2红∶蓝下叶用莴苣各品种均具有最高的原初光能转化效率、开放的PSII中心有效光化学转化效率、PSII的电子传递速率和叶片PSII潜在活性;与荧光灯相比,LED光源对提高叶用莴苣叶片光合能力具有明显优势,有利于提高叶片的PSII活性和QA的还原速率.

关键词:叶用莴苣;LED光源;光质;光合作用;叶绿素荧光

光质和光强对设施作物生长发育过程中光合能力的影响一直备受关注.国内学者研究了不同光质对人参[1]、黄瓜[2]、番茄[3]、草莓[4]、彩色甜椒[5]幼苗生长和光合作用的影响.这些试验采用荧光灯、滤光片、有色农用塑料薄膜或转光膜获得所需光质,无法精确定量调制光谱能量分布,光量单位和光照强度均不统一,影响其在实际生产中的广泛应用.发光二级管(light2emittingdiode,LED)作为新型半导体光源,具有光质纯、光效高、体积小、光电转换效率高、寿命长、波长固定、发热低、冷却负荷小等优点,便于集中所需波长实施均衡近距离照射,因此可实现高效能、低热负荷、紧凑空间的集约化生产,是代替荧光灯用于植物设施栽培的新一代节能环保型光源.

叶用莴苣(Lactucasativa)又称生菜,是菊科莴苣属1-2年生草本植物.生菜属长日照作物,日光充足时生长健壮,叶片肥厚,在植物工厂中由于大量栽培并长期阴雨会影响其叶片和茎部的发育.国内外学者研究了LED作为植物生长光源的作用[627]和对叶绿素荧光诱导的影响[8],以及LED光源对设施作物,如马铃薯[9210]、百合[11]、大花蕙兰[12]、莴苣[13214]、桉树[15]、万寿菊和金盏花[16]等生长生理和形态形成的影响,但以作物的不同品种对特定光质效应的响应做定性比较的研究较少.本研究中采用LED光源调制光质和光量,研究不同光谱能量对不同品种叶用莴苣幼苗生长和叶片光合能力的影响,以期为人工光环境下的植物生产专用LED光源的参数设置和系统研发提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用‘美国大速生’(皱叶,晚熟)和‘奶油生菜’(软叶,晚熟)2个叶用莴苣品种;种子分别购自甘肃飞天种业股份有限公司和北京绿金蓝种苗有限责任公司.

1.2 光源设备

试验使用由中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所设施农业中心与中国科学院半导体研究所合作开发研制的新型LED植物生长光源.光源板由波长为635nm的红色发光二极管(LED2R)与波长为460nm的蓝色发光二极管(LED2B)组成.试验中将其置于水培层架的顶部,高度可调,使其距离植株(15±10)cm.荧光灯选用36W三基色荧光灯(YZ36RR6500K,北京松下照明光源有限公司),根据灯管的开启个数和高度的不同调节光照强度,光强均为50μmol?m-2?s-1,光照时间为10h?d-1.不同光的光谱能量分布采用荷兰产Avan2tesTM光谱分析仪测定.各光质的光谱图如下:

1.3 处理方法

试验于2008年5-10月在中国农业科学院作物科学研究所重大科学工程试验温室和中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所设施农业中心植物工厂内进行育苗和定植.催芽后的种子播种于育苗盘中,长到两叶一心时,分苗定植并置于LED光源板下照光处理25d.采用DFT水耕栽培方式培育叶用莴苣幼苗,营养液pH=(6.5±1)、EC=(1.3±1)ms?cm-1,营养液温度(20±1)℃,每小时循环供液10min.环境指标为:昼温(25±1)℃、夜温(15±1)℃、湿度60%～80%、CO2浓度(1000±20)μL?L-1.共设4个光处理LED红(LED2R),LED蓝(LED2B),LED红∶LED蓝(R∶B=10∶1),荧光灯(F)为对照.每处理3次重复,不同处理下每个品种各6株,采用随机排列的方式,植株摆放的密度以互不遮荫为准.

1.4 测定项目与方法

叶绿素含量的测定按Lichtenthaler等对Arnon修正的方法,即用80%的丙酮提取,均采用随机取样,测定同一节位相同方向上叶片的叶绿素a,叶绿素b,叶绿素总量并计算叶绿素a/b的比值;净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)及胞间CO2浓度(Ci)的测定,使用美国产LI26400便携式光合仪;叶片叶绿素荧光参数的测定,采用英国汉莎科学仪器公司生产的FMS22便携调制式荧光仪测定.

1.5 统计分析

本实验所有数据均为3次重复试验的平均值.通过Excel2009进行数据整理及作图;DPSv3.1进行显著性分析,采用LSD进行多重比较.

2 结果分析

2.1 不同光质对叶用莴苣2个品种幼苗色素含量的影响

在光质处理下,2个品种间叶绿素含量差异显著,‘奶油生菜’>‘美国大速生’.从表1可以看出,‘奶油生菜’在LED2R处理下的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总含量及其叶绿素a/b值均高于其他光质处理,美国大速生在LED2B处理下的叶绿素总含量及其叶绿素a/b值均高于对照.2个品种叶绿素a/b比值差异显著,各光质处理下‘美国大速生’的叶绿素a/b比值均在2.3左右,且叶绿素a所占比例大.LED2B光照下叶片的叶绿素a/b比值高于LED2R，这表明‘美国大速生’在蓝光下呈现阳生植物特性,在红光下呈现阴生植物特性,印证了蒲高斌等[17]的研究结论.

2.2 不同光质对叶用莴苣2个品种幼苗光合作用的影响

由表2可知,不同光质处理对叶用莴苣幼苗叶片光合能力影响差异显著,且不同品种间也表现出明显不同.LED2B下的‘奶油生菜’品种Pn最高,而‘美国大速生’的响应最低;LED2R∶B下的Gs和蒸腾速率指标2个品种均显著高于其他光质处理,同时2个种各在LED2B处理下的Gs比LED2R处理的分别高66.67%、94.59%,表明蓝光对于诱导叶片气孔开闭有重要影响.2个品种的胞间二氧化碳浓度在不同光质处理影响下表现差异显著,LED2R∶B下的‘奶油生菜’Ci最高,但Pn却以LED2B的最大,‘美国大速生’相对于同样光质处理下的Ci和Pn高低变化正好相反,说明蓝光提高了叶片的光合利用效率.

2.3 不同光质对叶用莴苣2个品种幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响

由表3可知,‘奶油生菜’在不同光质处理下的Fv/Fm值差异不显著,其中LED2B的最高,而‘美国大速生’在不同光质处理下的值都要高于荧光灯对照的值,且其各处理的值也均高于‘奶油生菜’相应处理的值,说明LED光源提高了美国大速生叶片PSII的原初光能转换效率.Fv/Fo反映PSII的潜在活性,同样表现出LED光源光质处理均高于对照,以LED2R∶B下的PSII潜在活性为最大;光化学猝灭系数qP反映了PSII原初电子受体质体醌A(QA)的还原状态,‘奶油生菜’的qP值LED2B下的最高,LED2R∶B的最低,‘美国大速生’则正相反.φPSII是作用光存在时PSII的实际的量子效率,它反映的PSII反应中心非环式光合电子的传递效率,LED2B和荧光灯处理下的φPSII差异不显著,对应相同光质处理下‘美国大速生’的φPSII高于‘奶油生菜’的,而且2个品种对不同的光质影响表现不同,‘奶油生菜’以LED2R∶B处理最高,LED2R最低,‘美国大速生’以LED2R明显高于其他光质处理,以LED2B最低.增加蓝光比例提高了‘奶油生菜’的光合速率,LED2R处理下的‘美国大速生’光合效率比LED2B处理的要高,以上结果与表2的数据结果吻合.

3 讨论与结论

Anna[18]等研究发现,蓝光促进了风信子愈伤组织叶绿素的形成,而红光降低了叶绿素的含量.本实验的结果表明,与对照F相比,波长为635nm的LED2R显著提高了‘奶油生菜’叶绿素的含量,尤其是叶绿素b的含量,且波长为460nm的LED2B下的叶绿素a/b值最低,这表明蓝光下的‘奶油生菜’具有阴生植物特性,其光合特性更适于设施栽培的弱光条件.而LED2B则显著提高了‘美国大速生’的叶绿素含量,尤其是叶绿素a的含量,同时其叶绿素a/b比值最高,蓝光下的‘美国大速生’具有阳生植物特性,这与大多数的研究报道相一致,即蓝光培养的植株一般具有阳生植物的特性,而红光培养的植株与阴生植物相似.但与对草莓、黄瓜等研究的结论不完全一致,主要的原因是不同种类或品种的植物叶片对各种光的吸收比例不同.这是由于不同的植物在适应长期的生态环境中形成了各自不同的生理特性,同时植物对光环境改变的响应有明显的再适应自我调节机制,以防止生长过程受阻,表现出生物对光质反应的复杂性.

环境因子的改变可以引起叶绿体色素含量的变化,进而引起光合功能的改变.李韶山等[19]研究认为,红光和远红光是在转录水平上调节光合机构的组装,从而直接影响植物的光合作用;蓝光和近紫外光主要通过调控气孔的开启、叶绿体的分化和运动以及调节光合作用酶的活性来对光合作用产生影响,气孔导度的增大受蓝光的特异诱导[20].通过试验的结果分析得知,与对照F相比,LED2B使‘奶油生菜’叶片净光合速率升高最大,而‘美国大速生’则以荧光灯下的净光合速率最大,LED2B下的最小.本实验结果证实了LED2B下的净光合速率与气孔导度、胞间二氧化碳浓度成反比,且LED2B下的大于LED2R的,同时其胞间二氧化碳浓度高且保持稳定,有利于光合作用的进行,而LED2R∶B下胞间CO2浓度升高,Pn下降主要是非气孔因素限制的结果,不是由于CO2供应不足,而是由于光强弱引起的ATP和NADPH供应不足,即同化力不足限制了光合同化.李韶山等以水稻幼苗进行的研究还表明,蓝光下叶片叶绿素含量较低,叶绿体发育迟缓,光合速率下降,这与本实验的结果不一致,其可能的原因是因为物种的不同,其光合机构受蓝光调控的结果有差异,而且不同的植物对光环境变化的再适应调节机理也是因内在基因的调控表达而不同.

许莉[21]等报道,不同光质处理下叶用莴苣叶片的ΦPSII、ETR、qP、NPQ都以黄光处理最大.但本实验结果表明,LED2R∶B下叶用莴苣2个品种均具有最高的Fv/Fm、Fv’/Fm’、φPSII和PSII活性.低温弱光往往导致植物吸收的光能过剩,而过剩的激发能会促进活性氧的产生,从而对植物的光合机构产生伤害[22].LED2B能显著提高叶用莴苣幼苗叶片ΦPSⅡ的活性,保护光合器官,使它们的光合机构能够更有效地通过光化学反应利用吸收的光能,减轻低温弱光对叶片的光抑制.

综上所述,不同植物种类甚至同一种植物的不同品种对光质的响应表现不同,光质在调节光合机构及其作用功能上起着重要的作用.LED2R∶B对光合速率变化的影响是由非气孔因素引起的,LED2B提高了叶绿素含量,增大了叶绿素a/b的比值,也促进了光合速率,而蓝光下的叶片具有较高的PSⅡ活性和较低的PSⅠ活性.与荧光灯相比,LED光源对提高叶用莴苣叶片光合能力具有明显优势,有利于提高叶片PSII活性和QA的还原速率.