LED补光对水稻秧苗素质及其生理特征和产量的影响

刘 萍 ，张 粟 ，蒋世翠 ，黄丹丹 ，李成宇 ，张士秀

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室， 吉林 长春 130102；2.中国科学院长春应用化学研究所 稀土资源利用国家重点实验室， 吉林 长春 130022；3.延边大学， 吉林 延吉133002)

0 引 言

水稻作为喜光作物，只有在适宜的光照条件下才能促进其生长。在水稻育苗工作中，需要人工补光来满足其生长发育的需求，因此研究光谱与水稻秧苗的关系，对于实现工厂化育秧中培育水稻壮苗具有重要意义。大量研究[1-4]表明，光质是影响水稻秧苗生物量、根冠比及壮苗指数等形态建成的重要因子。这些指标受植物内源激素和抗氧化酶等生理特征的影响。内源激素是植物体生命活动的调节者，其含量大小直接反映植物的生长状态。抗氧化酶活性是膜脂过氧化防御系统的保护酶，其活性越高植物的抗逆性越强。因此，揭示不同光谱能量对水稻秧苗的影响机制，需要结合内源激素和抗氧化酶等生理特征的变化情况加以分析。

目前关于水稻秧苗的光谱研究多集中在红蓝单色光源以及红蓝双色光源。蓝光降低水稻秧苗体内生长素(IAA)和赤霉素(GA1)等生长促进剂的含量，抑制茎的伸长[5]。红光显著提高水稻秧苗的过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)的活性[6]。红蓝光源中添加短波红光提高水稻秧苗的超氧化物歧化酶(SOD)等抗氧化酶的活性[7]，有利于水稻秧苗的生长。相关研究指出，与蓝光和红光相比，绿光更易被隐花色素和光敏色素吸收[8]，在某些光合反应中发挥更为主要的作用[9]。苏娜娜等[10]报道绿光能够提高黄瓜幼苗下胚轴中赤霉素(GA3)的含量，促进下胚轴伸长。Folta[11]研究表明，绿光照射可以迅速提高黄化拟南芥幼苗的生长速率。植物对不同光质或不同光谱能量表现出不同的光谱生物学反应，因此研究多种LED光质对水稻秧苗生理特征的影响，不仅能够深入揭示水稻秧苗在不同光质环境下进行的生命活动的规律和机制，也可以为筛选水稻工厂化育秧的高效光谱提供重要的科学依据。

本研究利用红蓝单色光源(R和B)、红蓝双色光源(RB)和红蓝绿三色光源(RBG12.5和RBG25)对水稻秧苗进行照射，研究水稻秧苗素质(株高、根长、鲜干重和壮苗指数)、生理特征(内源激素、抗氧化酶和可溶性蛋白等)及栽后产量对不同光质的响应，并进一步分析秧苗生理特征与秧苗素质和产量的耦合关系，为深入揭示水稻在不同光环境下培育壮秧的生理机制提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 光质选择

补光设备为新型LED植物生长光源，规格为55 cm×28 cm，由中国科学院半导体研究所开发研制，中国深圳威特照明有限公司生产。选择红光芯片(峰值波长为660 nm)、蓝光芯片(峰值波长为460 nm)和绿光芯片(峰值波长为520 nm)进行光谱调试，共计5种光谱组成，具体为：R(100%红光)；B(100%蓝光)；RB(80%红光+20%蓝光)；RBG12.5(62.5%红光+25%蓝光+12.5%绿光)；RBG25(50%红光+25%蓝光+25%绿光)。光量子通量均为1 000 μmol·m-2·s-1，5种补光设备的光谱质量平均值如表1所示。

1.2 试验地点与方法

试验地点位于吉林省德惠市米沙子乡(44°12′N，125°33′E)，土壤类型为中层典型黑土，pH值为7.3，有机碳含量为19.1 g·kg-1，氮含量为1.6 g·kg-1。年平均降雨量520 mm，年平均温度为4.4 ℃。

水稻供试材料为东稻4号品种。室温条件下，自来水浸泡水稻种子24 h，剔除变质和虫蛀的种子后，进行播种(2018年4月6日)。播种密度为2 016粒·m-2，育秧盘规格为54 cm × 26 cm，播种完成后放入温室大棚内。温室大棚内温度条件为15 ℃～25 ℃，每间隔1～2 d灌溉一次。待水稻秧苗长至一叶一心时(2018年4月24日)开始补光，补光时长为6 h(早4:00-7:00，晚5:00-8:00)，连续补光30 d(至2018年5月23日)。不同处理设置4次重复。

于停止补光次日(2018年5月24日)采集水稻秧苗用于秧苗素质和生理特征的测定，不同处理随机采取4份，每份16株。同日进行插秧，插秧密度为3.0×105株·hm-2，每个处理的插秧面积均为3.96×10-3hm2。于秋季水稻成熟后(2018年9月28日)收割水稻。

1.3 试验测定方法

秧苗素质测定。游标卡尺测量水稻秧苗株高和茎基宽。利用WinRHIZO软件(Ottawa,Canada)扫描根系测定根长。在根茎分界处将水稻秧苗剪断，分别测定鲜重后，105 ℃条件下烘干20 min进行杀青处理，再80 ℃烘至恒重，分别测定干重。壮苗指数计算方法如下：

壮苗指数= (茎基宽/株高+地下部分干重/地上部分干重)×全株干重

生理特征测定。各处理随机选取5株水稻秧苗，将表面泥土清洗干净，在根茎分界处将水稻秧苗剪断，分为地上部分和地下部分。将地上部分和地下部分剪成碎片，分别放入液氮研钵中充分研磨，并放入-80 ℃冰柜中冷冻保存，用于生理特征测定。

内源激素样品处理：称取研磨后的地上部分样品0.1 g，加入1 mL预冷的提取液(80%甲醇)，于4 ℃条件下浸提过夜。在4 ℃条件下，8 000 rpm离心20 min后，取上清液900 uL，过C-18固相萃取柱。具体步骤：80%甲醇(1 mL)平衡柱→上样→收集样品。过柱后的萃取液氮气吹干，保存于4 ℃冰箱中备用。上样前加入pH=7.4 PBS缓冲液定容至1 mL。混匀后室温放置30 min，4 ℃条件下8 000 rpm离心15 min，取上清并保存于4 ℃待用。地下部分内源激素样品处理与上述步骤相同。

抗氧化酶、可溶性蛋白和丙二醛样品处理：称取研磨后的地上部分样品0.5 g，加入3 mL pH=7.0磷酸缓冲液，4 ℃条件下，8 000 rpm离心15 min，取上清液保存于4 ℃冰箱中24 h后待用。地下部分抗氧化酶、可溶性蛋白和丙二醛样品处理与上述步骤相同。

采用酶联免疫分析法(ELLSA)分别对地上部分和地下部分的生长素(IAA)、赤霉素(GA3)、脱落酸(ABA)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、可溶性蛋白和丙二醛(MDA)进行测定，试剂盒为上海酶联生物科技有限公司生产，每个处理重复3次。

产量测定。不同处理除去边行以外划分为3个重复，每个重复面积为9×10-4hm2，单打单收，自然风干后脱粒测产，以14%的含水率换算为kg·hm-2。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2007进行数据整理，SPSS 12.0统计软件分析不同处理对水稻秧苗素质、生理特征和产量的影响(P< 0.05)，Origin 8.0进行制图。采用唐启义的DPS分析软件进行逐步回归分析[12]，以P<0.05和R2> 0.25为标准进行变量的筛选，最终筛选出显著影响壮苗指数和产量的生理特征指标。

2 结果与分析

2.1 LED补光对水稻秧苗素质的影响

与CK相比，补充光源显著提高了秧苗素质(P<0.05，表2)。与CK相比，R和RBG12.5光源处理的株高分别显著提高了11.0%和5.79%(P<0.05)，其中，R光源处理的株高最高。根长在B和所有混合光源处理中得到显著提高，增幅为3.81%～16.5%(P<0.05)，RBG12.5光源处理的根长最长。地上部分和地下部分鲜重的表现相同，在B和所有混合光源中得到显著提高，增幅分别为30.2%～35.7%和101%～125%(P<0.05)，B和RB光源处理的鲜重最大。地上部分和地下部分的干重表现相同，在所有补充光源中得到显著提高，增幅分别为34.1%～57.8%和48.8%～95.0%(P<0.05)，RBG12.5光源处理的干重最大。

表2 LED补光对水稻秧苗素质的影响Table 2 Effects of light-emitting diodes on the parameters of rice seedlings

2.2 LED补光对水稻秧苗内源激素含量的影响

与CK相比，补充光源显著影响水稻秧苗内源激素含量，影响程度因光质和水稻秧苗部位的不同而不同(图1)。在地上部分，3种激素在不同光质下的变化趋势较平缓，仅IAA含量在R光源和所有混合光源中得到显著增加，比CK增加了13.3%～27.0%(P<0.05，图1A)。与地上部分表现不同，地下部分3种激素均有显著变化，与CK相比，RBG12.5和RBG25光源处理的IAA含量分别显著提高了20.3%和15.2%(P<0.05，图1A)；B和所有混合光源处理的GA3含量显著提高了23.8%～25.6%(P<0.05，图1B)；RBG12.5光源处理的ABA含量显著降低了10.5%(P<0.05，图1C)。

注：图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)；CK，无补光处理；R，100%红光；B，100%蓝光；RB，80%红光+20%蓝光；RBG12.5，62.5%红光+25%蓝光+12.5%绿光；RBG25，50%红光+25%蓝光+25%绿光。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant differences between treatments at P<0.05; CK: no supplemental lighting; R: 100% red; B: 100% blue; RB: 80% red+20% blue; RBG12.5: 62.5% red + 25% blue+12.5% green; RBG25: 50% red+25% blue+25% green.The same is as below.图1 LED补光对水稻秧苗内源激素含量的影响Fig.1 Effects of light-emitting diodes on endogenous hormone contents of rice seedlings

2.3 LED补光对水稻秧苗抗氧化酶活性、可溶性蛋白及丙二醛含量的影响

与CK相比，补充光源对水稻秧苗抗氧化酶活性有显著的影响，响应程度因光质和水稻秧苗部位的不同而不同(图2)。地上部分，与CK相比，B光源处理的SOD活性显著增加了19.8%(P<0.05，图2A)；B和RBG25光源处理的POD活性分别增加了16.8%和10.9%(P<0.05，图2B)。地下部分，SOD、POD和CAT活性均在RBG12.5和RBG25光源处理中分别比CK处理显著增加了16.0%～20.2%、1.35%～15.9%和28.8%～35.3%(P<0.05，图2A、B和C)。

图2 LED补光对水稻秧苗抗氧化酶活性的影响Fig.2 Effects of light-emitting diodes on the activities of antioxidant enzyme of rice seedlings

水稻秧苗可溶性蛋白和丙二醛(MDA)含量也受补充光源的显著影响(图3)，影响程度因光质和水稻秧苗部位的不同而不同。地上部分，与CK相比，RBG12.5和RBG25光源处理的可溶性蛋白含量分别显著增加24.3%和降低17.2%(P<0.05，图3A)；B和RBG12.5光源处理的MDA含量分别显著增加3.53%和降低9.65%(P<0.05，图3B)。地下部分，与CK相比，R和RBG25光源处理的可溶性蛋白含量分别显著降低14.0%和增加21.1%(P<0.05，图3A)；RB和RBG25光源处理的MDA含量分别显著降低7.73%和增加19.3%(P<0.05，图3B)。

图3 LED补光对水稻秧苗可溶性蛋白和丙二醛含量的影响Fig.3 Effects of light-emitting diodes on the contents of soluble protein and malondialdehyde of rice seedlings

2.4 LED补光对壮苗指数和产量的影响

与CK相比，补充光源显著提高了壮苗指数和产量，但提高程度因光质而异(P<0.05，图4)。壮苗指数在所有补充光源中均得到显著提高，提高幅度为72.1%～105%(P<0.05，图4A)。产量在B和所有混合光源中得到显著提高，提高幅度为12.1%～23.1%(P<0.05，图4B)。壮苗指数和产量的大小表现相同，依次为RBG12.5>RBG25>RB>B>R>CK。

图4 LED补光对壮苗指数和产量的影响Fig.4 Effects of light-emitting diodes on the strong seedling index and yields of rice

逐步回归分析发现壮苗指数和产量的解释变量因水稻秧苗部位不同而不同(表3)。地上部分，53.8%的壮苗指数的变化与GA3和IAA含量呈显著正相关关系，偏回归系数分别为0.449和0.433；35.2%的产量变化与IAA含量呈显著正相关关系，偏回归系数为0.625。地下部分，66.8%的壮苗指数变化情况与IAA和SOD活性呈显著正相关关系，偏回归系数分别为0.891和0.481；50.2%的产量变化情况与CAT和IAA含量呈显著正相关关系，偏回归系数分别为0.607和0.497。

3 讨 论

3.1 LED补光与水稻秧苗内源激素含量

内源激素是植物光受体受到光信号刺激或者作为信号因子，诱导特定的激素基因，在特定的组织合成的微量小分子化合物[13]。本研究发现，地上部分单色光源中R光源比CK显著提高了IAA含量，B光源无显著影响。这可能由于红光与光敏色素作用，诱导IAA相关基因表达，促进IAA合成[14]；而蓝光能够提高IAA氧化酶活性[15]，降低IAA含量。与单色红蓝光源相比，红蓝双色光源(RB)处理的地上部分IAA含量得到了提高，其原因可能是红蓝混合光源通过与其相应的光受体之间协调作用[16]，更有利于水稻秧苗IAA的合成。在所有补充光源中，RBG12.5处理下的地上部分IAA含量最高，可能由于绿光能够与蓝光产生拮抗作用，添加一定比例的绿光能够抑制蓝光诱导效应[17-18]，促进水稻秧苗的IAA合成。然而，当绿光比例从12.5%增加到25%时，IAA的含量不升反降，表明水稻秧苗对绿光的利用可能存在一定的阈值[19]，多余的绿光不利于IAA的积累。

植物的生长发育无一不受到内源激素的影响。本研究发现，RBG12.5处理下水稻秧苗地上部分的IAA和GA3含量最大，且显著提高了地下部分IAA含量，显著降低了ABA含量。当考虑到秧苗其他素质参数(根长和干重)时，发现RBG12.5处理对秧苗素质的影响优于其他处理。这可能由于较高的IAA和GA3含量能够促进地上部分茎叶的生长，减小叶倾角，提高光合作用效率，促进光合产物的积累[20]；而较高的IAA含量和较低的ABA含量能够促进地下部分根细胞分裂，引导地上部分累积的光合产物向地下部分运输，提高根系活力[21]，促进根系发育[22]。相关性分析(表4)发现，地上部分的IAA含量与株高、干重呈显著正相关关系，GA3含量与株高呈显著正相关关系；地下部分，IAA含量和GA3含量均与根长、干重呈极显著或显著的正相关关系，ABA含量与干重呈显著负相关关系。进一步说明秧苗的生长发育与内源激素含量密切相关，IAA和GA3含量对株高、根长和干重有促进作用，ABA含量对地下部分干重有抑制作用。这一研究结果表明，光质通过调节水稻秧苗内源激素含量影响形态建成。先前的研究我们发现RBG12.5处理下的水稻秧苗的总根表面积、总根体积和根冠比等指标最高，有助于培育水稻壮苗，本研究支持了我们先前的研究结果[23]。

表4 LED补光下水稻秧苗内源激素与素质的相关性分析Table 4 Correlation analysis between the rice seedling parameters and the endogenous hormones

3.2 LED补光对水稻秧苗抗氧化酶活性、可溶性蛋白和丙二醛含量的影响

抗氧化酶包括SOD、POD和CAT，它们能够清除植物体内活性氧，避免膜脂过氧化的保护酶，其活性高低反应植物的抗氧化能力[24]。可溶性蛋白是植物体内重要的营养物质和渗透调节物质，对维持酶活性，缓解胁迫伤害具有重要作用[25]。MDA是衡量膜脂过氧程度高低的参数指标，其含量多少直接反应植物细胞膜受损的程度[26]。

本研究中，在地上部分，与CK相比，单色光源中B显著提高了SOD和POD活性，R未产生显著影响。这可能是因为蓝光能够提高抗氧化酶基因的表达量[27]，促进抗氧化酶合成；红光能够降低合成蛋白质所需的Rubisc含量[28]，导致抗氧化酶活性降低。红蓝双色光源RB处理下，SOD和POD活性与R表现相似，均无显著差异，其原因可能与红光与蓝光对抗氧化酶的正负效应相抵消有关。但当考虑MDA对光质的响应时，发现红蓝单色及红蓝双色光源中，只有B处理不仅显著提高了抗氧化酶活性，而且也显著提高了地上部分MDA的含量。这表明蓝光处理下水稻秧苗地上部分代谢产生的活性氧可能已超出自身防御系统抗氧化酶的阈值[29-30]，导致膜系统功能受到损伤。在红蓝绿三色光源中，虽然RBG12.5处理并未显著影响地上部抗氧化酶的活性，但显著提高了地上部位可溶性蛋白的含量并降低了MDA的含量。这表明添加一定比例的绿光能够促进水稻秧苗地上部分可溶性蛋白质的合成[31]，增加渗透势，使膜脂过氧化保持在较低水平以维持细胞正常代谢。在地下部分，只有红蓝绿三色光源RBG12.5和RBG25处理下的SOD、POD和CAT活性得到显著提高，这表明添加绿光有利于提高水稻秧苗根系抗氧化酶活性。但同时RBG25处理显著提高了可溶性蛋白和MDA含量，而RBG12.5无显著影响。由此可以合理推断，绿光比例的增加可能破坏水稻秧苗根系氧自由基产生与清除的动态平衡，即使合成较多的逆境蛋白[32]仍不能降低自由基对细胞膜的伤害，导致MDA的积累，影响根系生长发育。

3.3 LED补光对壮苗指数和产量的影响

壮苗指数是反应补光育苗过程中秧苗成长能量的基础标准，产量是反应移栽后秧苗生长潜质的关键参数，两者均是衡量苗期补光效果的重要指标。本研究中，壮苗指数和产量对光质的响应趋势相同，表现为：红蓝绿三色光源(RBG12.5和RBG25)>红蓝双色光源(RB)>红蓝单色光源(R和B)>无补光(CK)。通过逐步回归分析发现，壮苗指数与GA3含量、IAA含量和SOD活性显著相关关系，产量与IAA含量和CAT活性显著相关，表明水稻秧苗生理特征的变化与壮苗指数和产量密切相关，但在不同部位对壮苗指数和产量起决定因子的生理特征不同。

在地上部分，GA3和IAA与壮苗指数密切相关，GA3和IAA含量变化1个单位时会分别增加0.449和0.433倍的壮苗指数变化；IAA含量与产量密切相关，IAA含量变化1个单位时会增加0.625倍产量。叶片是作物生长的源器官，GA3和IAA能够促进作物茎叶发育[33-34]，为秧苗移栽后茎叶的早生快发奠定良好的发育基础。而较高的IAA含量，能够进一步促进秧苗光合产物的积累和后期谷粒的形成[35]，从而提高水稻产量。在地下部分，IAA和SOD与壮苗指数密切相关，IAA含量和SOD活性变化1个单位分别增加0.891和0.481倍壮苗指数；CAT和IAA与产量密切相关，CAT活性和IAA含量变化1个单位时会分别增加0.607和0.497倍产量。根系是作物吸收水分、养分和合成营养物质的重要器官，较高的IAA含量和SOD活性是保障秧苗根系强健和抵抗逆境的生理基础。CAT能够保护细胞组织活性[36]，缩短移栽过程水稻秧苗根系产生植伤的恢复时间，提高抗逆性[37]；同时IAA能够促进次生根发育，诱导根毛形成[38]，提高根系活力[39]，从而促进水分和营养物质的吸收。此外，无论是壮苗指数还是产量，其地下部分解释量均高于地上部分，这表明相对于水稻秧苗地上部分生理特征的变化，地下部分生理特征的变化对壮苗指数和产量的影响更重要。其原因可能是根系的生长发育和活性功能对培育水稻壮苗和后期籽粒产量具有重要影响[40-41]。

在所有补光处理中，RBG12.5处理下的水稻秧苗具有更高的IAA含量、GA3含量和SOD活性，这可能是其处理下的水稻秧苗壮苗指数高于其他处理的主要原因；同时较高的IAA含量和CAT活性是其促进水稻产量增加的重要原因。我们的研究结果表明，光质可以通过调节生理特征影响水稻秧苗素质，并且这一影响效应可以一直延续至水稻成熟期。

4 结 论

LED补充光源能够显著提高秧苗素质，并且对水稻秧苗内源激素含量、抗氧化酶活性、可溶性蛋白和丙二醛含量均具有显著的影响，但影响程度因光质和部位而异。在所有补充光源中，RBG12.5光源处理能够显著提高地上部分生长素(IAA)和赤霉素(GA3)含量，促进茎和叶生长发育，有利于光合产物积累和后期谷粒的形成；并且显著提高地下部分生长素(IAA)含量、超氧化歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性，促进次生根发育，诱导根毛形成，提高根系活力，保护根系细胞组织活性，提高抗逆性。水稻苗期生理特征的变化与壮苗指数和产量密切相关，分别解释53.8%～66.8%壮苗指数和35.2%～50.2%产量的变化。LED补充光源通过调节水稻秧苗生理特征影响其素质，且影响效应延续至水稻成熟期。RBG12.5光源更适宜作为工厂化育秧培育水稻壮苗和水稻增产的补充光源。