夜间补充UV-C和蓝光对黄瓜病害防控及植株生长发育的影响

张云飞 张现征 王立霞 刘中良 彭庆堂 刘世琦,∗

(1山东农业大学园艺科学与工程学院/作物生物学国家重点实验室/农业农村部黄淮地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室,山东泰安 271000; 2 山东省泰安市农业科学研究院,山东泰安 271000;3 山东济南市蔬菜技术推广服务中心,山东济南 250100)

黄瓜(Cucumis sativus L.)是日常生活中常见的蔬菜,也是我国温室大棚主要种植的蔬菜作物之一。近年来,我国黄瓜种植面积迅速扩大,品种愈加丰富,栽培茬口划分更加细致,实现了周年生产。然而,受黄瓜的周年生产和气候环境的影响,温室大棚黄瓜病害频繁发生,尤其是白粉病和霜霉病。白粉病和霜霉病属于真菌性病害,如果防治不及时将会造成减产甚至绝产,目前主要以化学农药防治为主。药剂防治虽能在一定程度上控制病害的发生,但易造成环境污染和食品污染,进而危害人类健康。随着生活水平的提高,绿色无污染食品日益受到人们的青睐。因此,寻找一种生态、物理方法防治病害已成为一种趋势,也是许多学者探讨、研究的热点。

光是高等植物光合作用的唯一能量来源,不同波长的光对植物影响不同。研究表明,光不仅能够影响种子萌发,根、茎、叶的生长[1-2],叶片衰老[3],植物次生代谢[4],同时还参与植物对病原菌的多种防卫反应[5]。蓝光处理下, 黄瓜叶片中多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)、过氧化氢酶(catalase,CAT)活性与其他单质光处理相比均显著上升[3]。袁慧丽[6]研究发现蓝光可以增加黄瓜叶片中苯丙氨酸解氨酶(l-phenylalanin ammonia-lyase,PAL)活性,补充蓝光能显著提高黄瓜幼苗中丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量[7]。短波UV-C,又称短波灭菌紫外线,可杀灭空气中的细菌真菌,以及植株叶片上的病原菌,同时不同照射剂量对生物细胞的影响也不同。李丹丹等[8]研究表明, UV-C 对辣椒幼苗过氧化物酶(peroxidase,POD)、CAT 活性均有显著影响。

目前,利用光质对蔬菜进行病害防治已有大量报道,但多集中在黄瓜幼苗,或在人工气候室对幼苗期进行补光来探究对黄瓜幼苗病害的影响。而利用UV-C在温室大棚进行夜间补光对黄瓜病害防治方面的研究尚鲜见报道。本研究以黄瓜品种津优35 号为试验材料,结合实际生产在大棚中对其进行夜间补充UV-C、蓝光和蓝光/UV-C(复合光),并通过统计发病情况、黄瓜生长指标、产量及在补光期间测定抗性酶活性,探究夜间补光对温室黄瓜白粉病、霜霉病的防控及植株生长发育的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试黄瓜品种：津优35 号,由天津科润黄瓜研究所提供。

主要仪器：LED 蓝光(12 W,460 nm)灯管(惠州可道科技股份有限公司);UV-C(40 W,253.7 nm)灯管(蓝宇特灯有限公司);LI-6400XT 便携式光合仪(北京力高泰科技有限公司);3415FX 便携式光照辐射测量仪(北京渠道科学仪器有限公司)。

灯管通过定滑轮吊于温室大棚顶端,并随着黄瓜植株生长可以调节光源距离黄瓜植株的高度,且通过微电脑时空开关控制光照时间,从而保证补光光强与时长一致。

1.2 试验设计

试验于2017年在山东农业大学科技创新园进行。共设置4 个处理,即UV-C(253.7 nm)、蓝光(460 nm)、蓝光/UV-C、不补光(CK)。每个处理3 个小区,每个小区面积为8 m2,含黄瓜幼苗15 株,每个处理3次重复。在人工气候室(温度18 ～28℃;相对湿度75%)育苗,待幼苗长至三叶一心时,选取长势一致的幼苗于8月10 号移栽至温室大棚,并进行统一管理,待长至4～6 叶时开始进行夜间补光,直至黄瓜生长末期。各处理夜间使用银黑色的遮光布隔开,白天自然光照,以保证各处理之间互不影响。蓝光补光光强为60±5 μmol·m-2·s-1,补光时长为7.5 h(19：00-次日02：30);UV-C 补光时长为2 min(19：00-19：02),距离黄瓜植株顶端为100±10 cm;蓝光/UV-C 处理：蓝光灯管在下,UV-C 灯管在上,补光时间和光强同单质光。试验期间黄瓜自然发病,白粉病9月7 号发病,霜霉病9月13 号发病。

1.3 测试指标与方法

1.3.1 黄瓜生长生理指标测定 每个小区随机选取5 株黄瓜测定株高、茎粗、叶长、叶宽,3 次重复并做标记,以保证每次测定为同一株便于观测黄瓜的动态生长;采用LI-6400XT 便携式光合仪测定气体交换参数,包括净光合速率(net photosynthetic rate,Pn)、气孔导度(stomatal conductance, Gs)、胞间 CO2浓度( intercellular CO2concentration, Ci)、蒸腾速率(transpiration rate,Tr),测定时间为上午9：00-11：00,测定光强为1 200 μmol·m-2·s-1,测定部位为黄瓜第4片展开叶片。补光后每隔7 d 取黄瓜第4 片展开叶片进行各生理和抗病指标的测定。其中,叶绿素含量参照赵世杰等[9]的方法测定; 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、POD、CAT、PAL 活性参照王学奎等[10]的方法测定;MDA 含量采用硫代巴比妥酸沸水浴法[11]测定;几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶活性测定参照李蕾等[12]的方法测定;木质素含量参照刘贺娟[13]的方法测定;H2O2活性采用四氯化钛分光光度法[14]测定;补光光强采用3415FX 便携式光照辐射测量仪测定。

1.3.2 黄瓜品质和果形指数的测定 取第4 个黄瓜果实进行测定黄瓜品质和果形指数。黄瓜果实的Vc、可溶性糖和游离氨基酸含量均参照王学奎等[10]的方法测定;使用游标卡尺测量横径;直尺测量黄瓜果实的长度和瓜把长,并计算果形指数。采用电子天平称量并计算黄瓜单株前六果重量。

1.3.3 白粉病和霜霉发病率、病情指数及防治效果的测定 调查白粉病和霜霉病2 种病害的发病级别调查和表示方法,参照魏肖鹏等[15]、余永志等[16]和符美英等[17]方法并稍作改进：每区调查6 株长势一致的植株全部叶片,以每片叶病斑面积占整个叶面积的百分率来表示。

黄瓜白粉病病情指数的调查方法按照GB/T 17980.30-2000[18]进行分级：0 级：无病斑;1 级：病斑面积占整个叶面积的5%以下;3 级：病斑面积占整个叶面积的6%～10%;5 级：病斑面积占整个叶面积的11%～20%;7 级：病斑面积占整个叶面积的21% ～40%;9 级：病斑面积占整个叶面积的40%以上。

黄瓜霜霉病病情指数的调查方法按照GB/T 17980.26-2000[19]进行分级：0 级：无病斑;1 级：病斑面积占整个叶面积的5%及以下;3 级：病斑面积占整个叶面积的6%～10%;5 级：病斑面积占整个叶面积的11%～25%;7 级：病斑面积占整个叶面积的26%～50%;9 级：病斑面积占整个叶面积的50%以上。按照公式分别计算发病率、病情指数和防治效果：

1.4 数据处理

采用DPS v14.10 和Microsoft Excel 2010 进行数据统计、处理和分析;采用多重比较Duncan 新复极差法进行方差显著性检验(α = 0.05);利用Microsoft Excel 2010 制图。

2 结果与分析

2.1 夜间补充不同光质对黄瓜植株生长的影响

株高、茎粗、叶面积是黄瓜生长的重要指标。由表1 可知,夜间补充UV-C、蓝光及蓝光/UV-C 对黄瓜植株的株高、茎粗和叶面积均无显著影响。

2.2 夜间补充不同光质对黄瓜光合作用的影响

光合作用是植物积累有机物的主要方式。由表2可知,夜间补充不同光质对黄瓜Pn 无显著影响,但在蓝光、蓝光/UV-C 处理下的叶片Gs、Ci、Tr 均较CK 明显增强,其中蓝光/UV-C、蓝光的Tr 均显著高于CK。结果表明,夜间蓝光处理有利于黄瓜叶片中气体的交换,而UV-C 处理下的各气体交换参数与CK 间均无显著差异。

表2 不同光质对黄瓜叶片气体交换参数的影响Table 2 Effect of different light quality on gas exchange parameters of cucumber

2.3 夜间补充不同光质对黄瓜叶片中抗氧化酶活性的影响

不同光质处理对黄瓜叶片中抗氧化酶活性的影响不同。由图1-A 可知,补光7 d 时,UV-C 处理下的SOD 活性显著高于CK,补光第14、第21 天时,各处理间SOD 活性均无显著差异;由图1-B 可知,补光第7、第14、第21 天时,UV-C 处理对黄瓜叶片POD 活性影响显著,均显著高于其他处理,补光第21 天较CK 高53.16%,CK、蓝光和蓝光/UV-C 处理的POD 活性均随着处理天数的延长而升高,但3 个处理间差异不显著;图1-C 可知,UV-C 处理对CAT 活性影响显著,在补光第7、第21 天时,蓝光和蓝光/UV-C 均对CAT 活性无显著影响,在补光第21 天时,UV-C 处理的CAT活性较CK 高25.69%;由图1-D 可知,补光第7、第14天时UV-C 处理的抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX)活性显著高于CK,在补光处理期间,蓝光、蓝光/UV-C 和CK 对黄瓜叶片中APX 活性的影响均不显著,但随着处理天数的延长,其APX 活性呈逐渐升高的趋势。结果表明,夜间补充UV-C 能显著提高黄瓜叶片中POD、CAT、APX 活性,表明UV-C 可以提高黄瓜植株体内的抗性。

2.4 夜间补充不同光质对黄瓜叶片中MDA 和H2O2含量的影响

由图2 可知,夜间补充不同光质对黄瓜叶片中MDA 和H2O2含量的影响不同。UV-C 处理对黄瓜叶片中MDA 含量有显著的促进作用。夜间补充UV-C对H2O2含量有一定的影响,在补光第7、第14 天时和其他处理间差异显著,较CK 分别显著增加30.31%、29.57%,随着处理天数的延长,UV-C 处理下的H2O2含量呈下降趋势。在蓝光和蓝光/UV-C 处理下,随着处理天数的延长,H2O2含量呈现先下降后升高的趋势。结果表明,蓝光及蓝光/UV-C 处理对MDA 和H2O2含量均无显著影响,而UV-C 处理能促进MDA、H2O2含量的增加,但对黄瓜生长无明显影响。

图1 不同光质处理对黄瓜叶片中抗性氧化酶活性的影响Fig.1 Effect of different light quality on activity of antioxidant enzyme in the leaves of cucumber

图2 不同光质处理对黄瓜叶片中MDA 和H2O2 含量的影响Fig.2 Effect of different light quality on content of MDA and H2O2 in the leaves of cucumber

2.5 夜间补充不同光质对黄瓜叶片中木质素含量和PAL 活性的影响

由图3 可知,夜间补充不同光质对黄瓜叶片中木质素含量和PAL 活性均有一定的影响,夜间补充UV-C 对木质素含量的影响显著,且明显高于其他处理,补光第14 天时蓝光和蓝光/UV-C 处理下的木质素含量与CK 间差异显著,但随着处理天数的延长,差异不显著;夜间补充不同光质对黄瓜叶片中PAL 活性有显著影响,补光第7 天时,CK 黄瓜叶片中PAL 活性显著低于其他处理,随着处理天数的延长,其PAL 活性呈升高的趋势。补光第21 天时,UV-C 处理下的PAL活性显著高于其他处理。结果表明,夜间补充UV-C对黄瓜叶片中PAL 活性和木质素含量均有促进作用,有利于黄瓜植株抗性的提高。

2.6 不同光质处理对黄瓜叶片中几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶活性的影响

图3 不同光质处理对黄瓜叶片中木质素含量和PAL 活性的影响Fig.3 Effect of different light qulities on the content of liginin and the activites of PAL in the leaves of cucumber

由图4 可知,补光第7、第14、第21 天时,不同光质处理对黄瓜叶片中几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶活性均有影响,UV-C 处理下2 种酶活性均为最高。补光第7 天,UV-C 处理下几丁质酶活性显著高于蓝光和CK,其中蓝光的几丁质酶活性最低;随着处理天数的延长,蓝光、蓝光/UV-C 处理和CK 间无显著差异,但UV-C 处理和其他处理间均存在显著性差异(除补光第7 天外)。在补光第14、第21 天时蓝光和蓝光/UV-C处理对β-1,3-葡聚糖酶活性均无显著差异;补光第7 天时,UV-C、蓝光及蓝光/UV-C、CK 的β-1,3-葡聚糖酶活性均显著高于CK,依次表现为UV-C＞蓝光＞蓝光/UV-C＞CK。随着处理天数的延长,CK 的β-1,3-葡聚糖酶活性呈逐渐升高的趋势;补光第21 天时,各处理间的β-1,3-葡聚糖酶活性无显著差异。结果表明,夜间补充UV-C 能促进黄瓜叶片中几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶活性的提高。

2.7 不同光质处理对黄瓜果实性状和品质的影响

由表3 可知,UV-C 的黄瓜果实长度和果形指数与CK 间显著差异,但光质处理对黄瓜单株前六果重量、果实横径及瓜把长/果长均无显著影响。不同光质处理对黄瓜前六果重量影响不显著。由表4 可知,不同光质处理对黄瓜的Vc、游离氨基酸含量均无显著影响,UV-C 可显著提高黄瓜果实中可溶性糖含量,蓝光处理下的黄瓜果实中类黄酮含量显著高于CK。结果表明,夜间补充不同光质对黄瓜果实产量无显著影响,但可以提高黄瓜果实中可溶性糖、类黄酮含量。

2.8 夜间补充不同光质对黄瓜病害防治的影响

不同光质对黄瓜白粉病的防治效果不同。由表5可知,夜间补充蓝光/UV-C 和蓝光在发病10 d 后对白粉病的防治效果显著,分别为46、58%和51.83%,但随着处理天数的延长,其防治效果明显降低;UV-C 处理对黄瓜白粉病的防治效果显著好于蓝光/UV-C 和蓝光,且随着处理天数的延长,对白粉病的防治效果越明显,达到96.01%。结果表明,夜间补充蓝光/UV-C对黄瓜白粉病的防治效果没有单一蓝光或者UV-C 的效果明显。

不同光质对黄瓜霜霉病的防治效果也不同,与对黄瓜白粉病的防控效果相比,夜间补充不同光质对黄瓜霜霉病的防治效果较差。由表6 可知,夜间补充蓝光和蓝光/UV-C 对黄瓜霜霉病的病情指数均无显著影响;发病10 d 后,UV-C 对黄瓜霜霉病的防治效果显著,达到43.22%,但随着补光天数的增加和病情的加重,UV-C 对霜霉病的防治效果明显下降,仅为12.36%。

表3 不同光质处理对黄瓜果实性状的影响Table 3 Effect of different light qulities on cucumber fruit characters

表4 不同光质处理对黄瓜果实品质的影响Table 4 Effects of different light qulities on cucumber fruit qualities

表5 不同光质处理对黄瓜白粉病发生的影响Table 5 Effect of different light qulities on the resistance to powdery mildew of cucumbers

3 讨论

3.1 不同光质处理对温室黄瓜白粉病和霜霉病发生的影响

不同光质对植物抗病性的影响不同。UV 辐射参与调节许多植物病原菌抱子的产生,不仅有利于番茄幼苗培育壮苗和提高抗病性[20],还可以减少草莓病原菌病害和诱导抗病性[21]。本研究中,不同光质对黄瓜白粉病和霜霉病的防治效果不同,UV-C 处理下对黄瓜白粉病的防治效果可达到96.01%,但对霜霉病的防治效果不明显,这是由于白粉病和霜霉病的病原菌不同[22],且白粉病的病原菌多在黄瓜叶片的正面,能够接受UV-C 的直接照射,而霜霉病病原孢子在黄瓜叶片的背面,夜间补光无法直接照射到霜霉病的病原孢子[23],因此表现出对UV-C 的抗性不同。但白粉病菌和霜霉病菌的抗病机理还有待进一步研究。

郭丽丽等[24]研究表明,不同LED 复合光对牡丹生理及生长特性的影响不同。研究发现,蓝光、UV-A下均可以引起芜菁花青素积累,但蓝光/UV-A 复合光处理下并不能引起芜菁花青素积累的增益效应[25]。本研究中,蓝光处理对白粉病、霜霉病的防治效果均不显著,且蓝光/UV-C 处理并没有表现出复合光对病害防治效果的增益效应。推测应该是蓝光的某种效应和UV-C 的某种效应相抵消,导致蓝光/UV-C 复合光对病害防控无显著影响。王虹等[3]研究表明,蓝光能有效增加黄瓜叶片上气孔的开放,同时气孔的开放会大大增加对病害的感染,尤其是夜间在温室大棚中更有利于病原孢子的侵染。但是何种效应导致蓝光/UV-C复合光对病害防治效果没有单质光显著及蓝光和UV-C 单质光效应关系还有待进一步研究。

表6 不同光质处理对黄瓜霜霉病发生的影响Table 6 Effect of different light qulities on the resistance to downy mildew of cucumbers

3.2 不同光质处理对黄瓜生长及光合作用的影响

研究表明,蓝光能够影响植物的株高,在蓝光处理下茎粗明显增加,且对植物有一定的矮化作用[26]。研究发现UV-C 处理对辣椒幼苗的株高有抑制作用,同时与对照相比,UV-C 处理有利于茎粗增加[8]。本研究中,UV-C 处理下的黄瓜茎粗并无明显增加,与前人研究不一致。这可能是由于试验材料和补光时间不同,不同光质处理虽然对黄瓜植株的株高、茎粗有一定影响,但未达到显著水平。光质是影响光合参数的重要因素,不同光质配比对光合作用有显著影响[27]。陈祥伟等[28]研究表明,不同光质处理均能导致气孔开放,其中蓝光下气孔开放最大,同时蓝光还可以增加Ci。本研究中,夜间补充不同光质对黄瓜光合参数并无显著影响,但在蓝光和蓝光/UV-C 下可以促进黄瓜Gs 和Tr 的提高。

3.3 不同光质处理对黄瓜叶片内抗性酶活性的影响

抗氧化代谢在植物抗病方面起着重要的作用。研究表明,使用百里香乙醇提取物处理黄瓜幼苗,可以提高黄瓜叶片中POD、SOD、CAT 活性,从而提高黄瓜的抗病性[29];还有研究发现黄瓜感染黑星病后其叶片中POD 活性明显升高[30];魏国强等[31]研究发现接种白粉病后显著提高了黄瓜叶片中抗性酶活性。上述研究表明,可以通过提高植株体内的抗性酶活性对黄瓜病害起到一定的防治作用。

PAL 是苯丙烷类代谢的主要途径的关键酶,其活性和植物的抗病性关系密切,且PAL 还参与木质素的合成,其活性的提高能使木质素的含量升高,以增加植物组织木质化程度,增强抵抗病原菌的能力[32]。几丁质和β-1,3-葡聚糖是真菌细胞壁的重要结构部分。研究发现菌丝顶端β-1,3-葡聚糖和几丁质都暴露在表面,能够直接受到几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶作用而水解[33-34],这不仅使菌丝生长点受到影响,而且在水解过程中真菌细胞壁释放的寡糖也能够作为植物多种抗病反应因子,用于诱导植物全面防卫反应[35]。研究发现经过诱导因子诱导几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶活性升高,可有效控制和减缓病害的发生与危害[36]。

本研究中,不同光质处理下对黄瓜植株体内抗性酶活性均有一定的影响,其中UV-C 处理下的POD、CAT 活性显著高于CK。这与李丹丹等[8]的研究结果一致。本研究还发现UV-C 处理的PAL、几丁质酶和β-1,3-葡聚糖酶活性在补光第7、第21 天时显著高于CK。研究发现SOD、POD、CAT、PAL、几丁质酶、β-1,3-葡聚糖酶均属于抗性酶范畴,其活性的升高对病害防御呈显著正相关[37-39]。本研究还发现UV-C 处理下,黄瓜叶片中MDA 和H2O2含量也相应增加。研究表明,H2O2含量的升高可以促进抗氧化酶活性的提高[40]。MDA 是细胞膜脂过氧化产物之一,它的产生会加剧膜的损伤,因此在植物衰老生理和抗性生理研究中MDA 含量是常用指标之一。本研究中,UV-C 处理使MDA 含量增加,但并未对植株生长产生影响。此外,夜间补充UV-C 可以提高抗性酶活性,从而显著提高黄瓜的抗病性,而蓝光/UV-C 处理对各抗性酶活性的影响并不显著,这和王虹[3]、陈祥伟等[28]研究结果一致。这可能与蓝光促进黄瓜叶片气孔的开放有关,蓝光处理下叶片Gs 较CK 和UV-C 处理显著增加,此外,本研究是在夜间进行补光,白天进行正常光照,蓝光照射产生的效应可能在白天自然光照时减弱,也可能在蓝光下和UV-C 对黄瓜体内抗性酶的诱导有拮抗作用,具体机理原因还有待进一步研究。

3.4 不同光质处理对黄瓜果实的影响

不同光质处理对黄瓜果实生长发育和产量均有一定的影响[41]。谢景等[42]研究表明,黄瓜果实中Vc、可溶性蛋白、氨基酸和可溶性糖含量因补光光质不同而存在差异。而本研究中,与CK 相比,UV-C 处理下黄瓜果实长度、果形指数均存在显著差异,但对瓜把长/果长、果实横径和单株前六果重量均无显著影响。本研究还发现各处理对黄瓜果实中Vc、游离氨基酸和类黄酮含量均无显著影响,但UV-C 处理能显著提高黄瓜果实中可溶性糖含量,与前人研究不同,可能是因为夜间补光时间和补光强度不同。

4 结论

本研究结果表明,夜间补充UV-C 能够提高黄瓜植株体内POD、CAT、PAL 和几丁质酶活性及木质素含量,且对黄瓜白粉病有显著防治效果,但对黄瓜株高、茎粗、叶面积均无显著影响;蓝光/UV-C 复合光对白粉病、霜霉病均无显著的防治效果,可能是蓝光和UV-C 相互影响的原因。蓝光效应和UV-C 效应的互作关系,以及UV-C 对白粉病的防治机理仍有待进一步研究,本研究结果为温室绿色生产提供了理论基础。