LED红蓝光质对水稻幼苗生长及生理特性的影响

屈 成 刘 芬 陈光辉 王 悦

(1湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128；2水稻油菜抗病育种湖南省重点实验室，湖南 长沙 410128)

育秧是水稻机械化生产最为重要的环节，培育出健壮、整齐的秧苗是实现水稻机械化高产、高效的基础[1]。传统的大田育秧技术容易受自然条件的影响，且存在秧龄弹性小、秧苗素质差、育苗成本高等问题[2]。工厂化育秧具有节本高效、人工可控、批量精准等优势，是水稻全程机械化生产的重要趋势[3]。有研究表明水稻幼苗个体发育对光的响应十分敏感，不同波长的光可以调控秧苗生长[4-8]。因此，研究光质与水稻秧苗生长之间的关系，对完善工厂化育秧技术具有重要意义。

发光二极管(light emitting diode，LED)作为第4代新型照明光源，具有光质纯、能耗低、寿命长和光效高等优势，被认为是21世纪最具有应用前景的电光源。LED 对水稻幼苗生长的影响已有报道。张喜娟等[4]研究发现，光质、补光时间和光强均能显著影响水稻壮苗指数，且可通过光质调控水稻生长发育及形态建成。郭银生等[5]研究表明蓝光能够降低水稻幼苗株高，提高5 叶期壮苗指数和可溶性蛋白含量。Häusler 等[6]发现蓝光可能是通过影响叶绿素合成、叶绿体发育及光合作用来调控幼苗形态结构。孙庆丽等[7]研究表明，红光对水稻幼苗茎的生长具有明显促进作用。许仁良等[8]研究表明，LED 蓝红光搭配处理对水稻秧苗素质的影响相比单一蓝光或者单一红光处理的效果好。权龙哲等[9]通过对封闭式立体育秧环境参数的研究表明，水稻育秧环境宜采用蓝光光质搭配其他环境参数组合。目前，前人研究多关注于单一光质及补光对水稻幼苗生长的影响，但针对水稻工厂化育秧过程中不同LED 光质配比的研究较少，特别是LED 红蓝光质配比对水稻幼苗生长的研究更是鲜有报道。因此，本研究通过在普遍使用的LED 白色光源基础上添加不同比例的红蓝光，研究不同光质配比对水稻幼苗生长及生理特性的影响，旨在为水稻工厂化育秧的光环境调控提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以常规籼稻品种湘早籼45 号为试验材料，种子由湖南农业大学水稻研究所提供。

1.2 试验设计

试验光源为湖南农业大学国家南方粮油作物协同创新中心研制的新型LED 植物生长灯。通过前期白光、蓝光、红光光质筛选试验，共设置7 个处理(图1)，分别为CK(白光)、T1(白光∶蓝光＝2∶1(光质比))、T2(白光∶蓝光＝1∶2)、T3(白光∶红光＝7∶1)、T4(白光∶红光＝2∶1)、T5(白光∶红光＝3∶2)、T6(白光∶红光＝1∶2)，3 次重复。采用定时器控制光照时间为6:00-18:00，光强为100±5 μmol·m-1·s-1，LED 植物生长灯距离露白种子35 cm。

图1 不同LED 光质比光源的光谱分布Fig.1 Spectral distribution of special LED light ratio light source

试验于2018年5月进行，选取无病虫害且饱满度一致的水稻种子，经浓度为5%的次氯酸钠溶液浸泡消毒20 min 后，用去离子水反复冲洗3 ～4 次，最后用常温蒸馏水浸种24 h，于37℃恒温烘箱催芽12 h(种子露白后)，定植于PCR 板中，再将其放置水培液中进行培养:先用蒸馏水缓苗，2 d 后用全营养液培养，营养液成分参照国际水稻研究所水稻营养液配方[10]，每3 d 更换一次营养液，培养时间15 d，培养环境温度25±2℃，湿度80%±5%。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 形态指标和生物量指标测定 播种后14 d，每处理随机选取15 株水稻幼苗，洗净用于测定株高、第一叶叶鞘长、茎基宽、倒二叶叶长、倒二叶叶宽。每处理选取10 株水稻幼苗用万分之一电子天平(Mettler Toledo ME 104E，瑞士)测定地上部和地下部鲜重和干重，计算总干物质量，并根据公式计算壮苗指数[11]:

1.3.2 根和叶相关参数测定 播种后14 d，每处理随机选取10 株，采用Scan Maker 9800×L plus 扫描仪(上海中晶科技有限公司)扫描整株根系和叶片，进一步将扫描得到的图片运用Win RHIZO 分析系统(Regent公司，加拿大)分析，测量根总长、根总数、根表面积、根体积和叶面积。

1.3.3 光合色素含量测定 播种后14 d，每个处理选取5 株，分别剪取倒二叶，去掉叶脉，剪成2 ～3 mm 丝状，用10 mL 95%无水乙醇浸提，置于4℃冰箱中暗处理48 h 至叶片完全发白。之后在470、649、665 nm 波长处进行比色，以计算叶绿素a(chlorophyll a，Chl a)、叶绿素b(chlorophyll b，Chl b)、总叶绿素、类胡萝卜素含量和Chl a/b。

1.3.4 抗氧化酶活性测定 播种后14 d，每处理分别称取幼苗0.2 g 地上部和地下部样品，液氮速冻后用于抗氧化系统分析。过氧化物酶(peroxidase，POD)活性采用愈创木酚法测定[12]，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性采用氮蓝四唑法比色法测定[13]，过氧化氢酶(catalase，CAT)活性采用紫外吸收法测定[14]，丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量采用硫代巴比妥酸(4，6-dihydroxy-2-mercap yrimidine，TBA)比色法[15]。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007 进行数据整理，利用SPSS 22.0 软件对数据进行显著性分析，采用Duncan法多重比较，显著水平P＜0.05。采用Origin 9 制图。

2 结果与分析

2.1 不同红蓝光质比对水稻幼苗形态的影响

由表1可知，与CK 相比，增加蓝、红光比例，水稻幼苗茎基宽、倒二叶叶长、叶面积和壮苗指数均明显增加；在蓝光处理下(T1、T2)水稻株高和第一叶叶鞘长显著降低，且随着蓝光比例的增加，株高和第一叶叶鞘长降低越明显，而茎基宽、叶面积和壮苗指数则随之增加，表明增加蓝光对水稻生长发育具有一定的促进作用，蓝光抑制了水稻幼苗的徒长，更能培育出粗壮、叶宽的幼苗；随着红光比例的增加(T3～T6)，水稻幼苗的株高、茎基宽和倒二叶叶宽呈先上升后下降的趋势，均为T4 达到最大值；第一叶叶鞘长、倒二叶叶长、叶面积和壮苗指数随着红光比例的增加呈下降趋势，均为T3 最大，表明红光需在一定比例范围内才能有利于水稻的生长发育。

表1 不同红蓝光质比对水稻幼苗形态指标的影响Table1 Effects of different red and blue light ratios on morphological indexes of rice seedlings

2.2 不同红蓝光质比对水稻幼苗生物量的影响

由表2可知，不同光质对水稻幼苗生物量的影响不同。相较CK，增加蓝光或红光比例，水稻幼苗生物量普遍提高。随着蓝光比例的增加水稻干重和鲜重均下降，均在T1 达到最大值。总体来说，当红白光比例为1∶7(T3)时，地上部生物量达到最大值，蓝白光比列为1∶2(T1)时，地下部生物量达到最大值，说明一定比例的红、蓝光质有利于水稻生物量的积累，蓝光主要促进地下部的生长发育，而红光对提高地上部生物量的积累效果更明显。

表2 不同红蓝光质比对水稻幼苗生物量的影响Table2 Effects of different red and blue light ratios on the quality of rice seedlings (mg/株)

2.3 不同红蓝光质比对水稻根系生长的影响

不同红蓝光质比对水稻幼苗根总长、根表面积、根体积存在显著影响(表3)。与CK 相比，增加红光或蓝光可明显增加水稻幼苗根总长、根表面积和根体积，其中T2 的根总长最长，根表面积和体积最大。研究表明，红光或蓝光对水稻幼苗根系伸长和生长具有促进作用。比较相同比例的红蓝光(T4 和T1，T6 和T2)，蓝光对水稻根系的生长发育促进作用更明显，表明白蓝组合光质更适宜水稻根系生长。

表3 不同红蓝光质比对水稻根系生长的影响Table3 Effects of different red and blue light ratios on root growth of rice

2.4 不同红蓝光质比对水稻幼苗叶片光合色素含量的影响

光合色素是植物在光合作用中传递和捕获能量的重要色素，其含量的高低能衡量叶片的光合效率和植株的生长发育[16]。由表4可知，与CK 相比，增加红光或蓝光比例均能提高Chl a、Chl b 和总叶绿素含量；除T5 外，其他处理的Chl a/b 均降低。表明增加红光或蓝光有利于水稻幼苗叶片光合色素的积累，且Chl b含量的上升速率较Chl a 高，降低了Chl a/b。综合比较，T5 的Chl a 和类胡萝卜素含量高，T2 的Chl b 和总叶绿素含量最高；比较相同比例的红蓝光(T4 和T1，T6 和T2)，表明红光更有利于提高Chl a 含量，蓝光更有利于提高Chl b 含量，而类胡萝卜素无明显变化规律。

2.5 不同红蓝光质比对水稻幼苗抗氧化系统的影响

由图2-A 可知，水稻幼苗根系的POD 活性整体高于叶片。与CK 相比，增加红光降低了水稻幼苗叶片的POD 活性。与CK 相比，增加红光和蓝光均降低了水稻幼苗根系的POD 活性；随着红光比例的增加，POD 活性呈先增加后降低的趋势，至T6 显著低于CK。

由图2-B 可知，除T6 水稻幼苗叶片的SOD 活性与CK 无显著差异外，其他处理均显著提高了水稻幼苗叶片的SOD 活性，且随着红蓝光比例的增加SOD活性降低，这表明低比例的红蓝光对水稻幼苗叶片SOD 活性提升作用较大；除T4 外，水稻根中SOD 与CK 均无显著差异，这说明水稻幼苗根系的SOD 活性受红蓝光的影响较小。

表4 不同红蓝光质比对水稻幼苗叶片光合色素含量的影响Table4 Effects of different red and blue light ratios on the content of photosynthetic pigments in rice seedling leaves/(mg·g－1 FW)

红蓝光对水稻幼苗叶片和根系中CAT 活性的影响不同。由图2-C 可知，与CK 相比，添加红蓝光质对水稻幼苗叶片的CAT 活性的影响整体呈增加趋势，对根系中CAT 活性的影响则呈下降趋势。其中，与CK相比，T1、T4 均显著提高叶片CAT 活性；T5、T6 均显著降低根系CAT 活性。随着蓝光比例的增加，水稻幼苗叶片和根系的CAT 活性均下降；随着红光比例增加，水稻叶片CAT 活性先增加后降低，而根系的CAT 活性则逐渐降低。

2.6 不同红蓝光质比对水稻幼苗MDA 含量的影响

由图2-D 可知，与CK 相比，各处理水稻幼苗叶片的MDA 含量均无显著差异，但水稻幼苗根系的MDA含量普遍降低，且其下降幅度大体随着红蓝光比例的增加而增加，其中T2 和T6 均显著低于CK。

图2 不同红蓝光质比对水稻幼苗抗氧化酶活性及MDA 含量的影响Fig.2 Effects of different red and blue light ratios on antioxidant enzyme activity and MDA content in rice seedlings

3 讨论

光作为植物生长的重要环境因素，可以影响植物叶片、根系的生长发育，其中蓝光和红光是植物光合作用中Chl a 和Chl b 的主要吸收光谱[16-17]。本研究表明，与CK 相比，不同红蓝光质比例对水稻生长有明显的影响，增加蓝红光比例水稻幼苗茎基宽、倒二叶叶长和叶宽、叶面积、壮苗指数、幼苗生物量、根总长、根表面积和根体积均明显增加，这与Ryo 等[18]和戴林建等[19]的研究结果一致。随着LED 蓝光比例增加，水稻幼苗株高降低，主要是由于第一叶叶鞘长的缩短，同时茎秆变粗，这可能与茎秆中植物激素氧化酶或植物生长抑制物的活性增大有关，蓝光可提高吲哚乙酸氧化酶在mRNA 水平上的表达，上调的基因诱导了吲哚乙酸氧化酶活性的上升，从而减少生长素在水稻植株的产生，降低了水稻株高[5，20-21]。研究还发现，相同比例红光处理的株高、第一叶叶鞘长、倒二叶叶长均大于蓝光处理，而水稻幼苗根总长和壮苗指数明显低于蓝光处理，白红光比例为1∶2时，水稻幼苗茎基宽倒二叶叶宽(实际试验过程中发现所有叶片叶宽均有降低)显著低于同比例的蓝光处理，这表明蓝光处理水稻秧苗更为健壮，因此可在水稻育秧过程中补充一定比例的LED 蓝光。已有研究表明，纯红或纯蓝光可导致水稻生长停滞或枯黄，适当的增加红光或蓝光比例可促进作物生长发育或改善植物品质[22-23]。本研究结果表明，白蓝光比例为2∶1(T2)时、白红光比例为7∶1或2∶1(T3 或T4)时更适合水稻幼苗的生长。

植物光合色素对红蓝光质的吸收峰不同，从而造成植物光合色素形成差异。研究表明，蓝光和红光在植物叶绿体发育、叶绿素形成和吸收等方面具有重要作用，在番茄[24]、黄瓜[25]等作物中发现，LED 红蓝光有利于其幼苗光合色素的合成。本研究发现添加红蓝光有利于Chl a、Chl b 的合成，但Chl a/b 却下降，这可能与红蓝光导致单位叶绿素的捕光色素复合体比例下降有关[26]，表明红蓝光下光合电子传递活性降低，光能利用效率下降。本研究还发现红光促进Chl a 的合成更明显，蓝光对Chl b 的合成更有益，对类胡萝卜素含量的影响则无明显规律。但刘文科等[27]研究表明，蓝光条件下豌豆Chl b 含量最低，红光条件下Chl a 含量最低；赵占娟等[28]研究也表明，蓝光促进绿豆Chl a的合成，而对Chl b 影响不大，可能是不同物种间Chl a和Chl b 的积累对光质的响应不同。

抗氧化酶具有维持植物活性氧平衡、延缓植物衰老与枯萎等作用，SOD、POD 和CAT 作为主要的抗氧化剂，能协同作用有效清除植物体内的自由基[29]。光质不仅能影响植物的光形态建成、光合色素合成，而且可激活植物抗氧化系统，进而合成抗氧化物质。本研究表明，与CK 相比，适当比例的红蓝光可提高水稻幼苗叶片以及根系的SOD 活性，还能提高叶片的CAT活性，其中T1 和T3 水稻幼苗叶片的SOD 活性最强，这与李亚华等[30]研究表明红蓝光使茄子总抗氧化能力提高的结论一致；同时，红蓝光降低了水稻根系的POD 活性，在白红光比例为1∶2(T6)时达显著水平，这与王政等[31]对红叶石楠的研究结果不一致，在红蓝光质比为7∶3的作用下红叶石楠的抗氧化系统得到最大激活，进而促进了POD 活性，这可能是不同物种对光质的响应差异所致。因此，不同物种以及同一物种在不同生育时期适宜的LED 光质复合配比还有待进一步研究。MDA 含量可以反映植物膜脂过氧化程度[32]。本研究中，水稻幼苗MDA 含量大体随着红蓝光比例的增加而下降，表明红蓝光比例增加使MDA维持在较低水平，对水稻幼苗的抗氧化酶防御机制具有保护作用。

4 结论

综上所述，不同LED 光质可显著影响水稻幼苗生长及生理特性。与CK 相比，蓝光处理抑制了水稻幼苗的株高，但茎基宽、叶面积和壮苗指数均显著提高，光合色素含量增加、叶片SOD 活性增强；适当比例的红光可促进水稻幼苗生长和叶片伸长，有利于幼苗干物质积累。因此，水稻育秧过程中可适当增加红光或蓝光比例，从本研究结果来看，采用白光∶蓝光＝1∶2的光源设置最有利于水稻壮苗。