远红光辐照对盐旱胁迫下水稻萌发及幼苗生长的影响

朱 梅 栗昕羽 张天彤 陈 雷

(1.安徽农业大学 工学院，合肥 230036；2.合肥工业大学 材料科学与工程学院，合肥 230009)

水稻在我国种植范围广、面积大，是主要的粮食作物。干旱胁迫、盐胁迫和盐旱交叉胁迫是影响农业生产的最重要的环境胁迫[1]，也是阻碍我国水稻产量的关键自然因素，严重影响我国的水稻粮食安全。

近年来，国内外关于植物干旱、盐害和盐旱交叉胁迫的研究较多：从探究胁迫对植物的影响角度，Ke Yuqin等[2]认为干旱胁迫下水稻细胞内超氧化物歧化酶(SOD)活性降低，大量活性氧(ROS)无法清除从而影响水稻生长发育。研究表明[3-5]水稻叶片中叶绿体对盐分变化最敏感，且在盐胁迫下有膨胀成球形的趋势。从作物抗旱耐盐角度，水稻OsbZIP62、OsPYL/RCAR5基因可以调控水稻耐旱性[6-7]。Biswas Sudip等[8]与Yong Mingli等[9]研究发现MAT1-1-2与外源RGB1基因能提高水稻耐盐性。茉莉酸盐与脱落酸(ABA)协同作用可缓解水稻在盐旱交叉胁迫下的影响[10]。施用茉莉酸甲酯(MeJA)[11]、磷脂酰肌醇特异性磷脂酶C(phosphatidylinositol-specific phospholipase C,PI-PLC)[12]可减轻干旱胁迫对水稻生长发育的影响。从施用化肥角度，盐旱交叉胁迫下铵肥可促进侧根的形成和伸长，缓解盐旱交叉胁迫作用[13]。生物炭(Biochar)可提高叶片水分状况、株高和叶绿素含量，有利于缓解盐胁迫[14]。以上研究多从基因、植物生长调节剂、化肥使用等角度解决水稻受到干旱盐害胁迫的影响。基因处理不易操作，而化学试剂自然环境下大多难以快速分解。从光的应用角度研究盐旱影响的报道则较少。

光照在植物的生长发育中有特殊的地位。在植物光反应中，为了能够感知周围光环境并对其变化做出响应，植物进化出了光受体，其中最主要的光受体为红光吸收型光敏色素和远红光吸收型光敏色素。红光吸收型光敏色素为生理失活型，最大吸收波长为660 nm；远红光吸收型光敏色素为生理激活型，最大吸收波长为730 nm。2种光吸收型光敏色素对红光和远红光极其敏感，在红光和远红光照射下可以相互逆转，从而影响植物光形态建成。通过调控2种光敏色素转变，红光与远红光对种子萌发[15]、茎的伸长[16]、叶的扩展[17]、避荫作用[18]以及植物开花诱导等均有影响。在植物从萌发到成熟的整个生长发育过程中光敏色素起到重要的调节作用，因其在分生组织(如胚芽鞘、胚轴、幼叶)以及幼嫩器官中含量相对较多[19]，所以在种子萌发及幼苗生长阶段作用更为明显。

近年来研究发现，光敏色素还参与调控植物应对病原菌、虫害等生物胁迫，以及冷害、高温、干旱和盐害等非生物胁迫[20-21]，尤其在光敏色素参与缓解盐胁迫角度已有系统的研究[22]。不过关于光对干旱胁迫及盐旱交叉胁迫下作物的影响国内外研究甚少。目前关于光敏色素调控植物对非生物胁迫的研究更是主要集中在模式植物拟南芥中，对于大田作物的研究相对较少[23]。

关于远红光对植物影响的研究，Rosa等[24]发现经远红光照射后，松树幼苗茎的高度和粗度均有增加。黄薪历等[25]研究表明，白天提高远红光比例，可显著增加番茄幼苗的株高以及茎、叶中GA3和IAA含量，使番茄开花提早。还有研究发现增大远红光比例，可促进黑麦草、大麦等禾本植物的叶片、叶鞘伸长[26]。因此，可以通过调节远红光的相对辐照强度来调控植株生长及发育[27]。

LED(Light-emitting diodes，发光二极管)植物生长灯器件主要利用LED芯片搭配荧光粉封装而成，在农业与生物领域具有良好的发展前景[28]。本研究使用由蓝光LED芯片激发荧光粉封装而成的新型远红光光源，其光谱波峰为730 nm。目前植物照明LED领域，关于光形态建成远红光吸收态、吸收峰值波长为730 nm的新型远红光材料较少，远红光LED对于大田作物的光形态建成方面的影响尚不明确。

本研究拟从光控作物发育角度出发，通过改变远红光LED光源的间断辐照次数及单次辐照时长，探求不同辐照情景对干旱和盐害条件下水稻种子萌发及幼苗生长变化，确定不同辐照情景对水稻抗旱耐盐的影响，以期为探索盐旱逆境下的水稻生长发育提供一种新的光学手段，为远红光LED调控作物逆境生长提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年5月—2019年6月，在安徽农业大学工学院水利学实验室进行。

1.1.1主要试剂

供试水稻品种为Y两优900，该品种为籼型两系杂交中稻，结实率78.3%，产量高,由安徽农业大学生命科学学院提供。

试验用水培液为标准霍格兰营养液，购于青岛高科技工业园海博生物技术有限公司，营养液主要成分为硫酸钾、磷酸二氢铵、硫酸镁。试验过程中利用聚乙二醇PEG(纯度98.5%)模拟干旱胁迫，氯化钠NaCl(纯度99.5%)模拟盐胁迫，2种试剂均由无锡市亚泰联合化工有限公司生产。

1.1.2主要仪器

供试培养容器为自行设计的定制培养箱，培养箱模型见图1。该装置包括透明外壳、定植面板和LED光源槽孔装置3部分。透明外壳由5 mm 厚透明亚克力板制成，外壳内设有100孔的定植面板。定植面板的开孔大小为12 mm。LED光源槽孔装置用来放置LED灯珠，LED灯连接定时插座，用于控制间断辐照次数及辐照时长。

1.LED光源槽孔装置；2.透明外壳；3.定植面板；4.试管插孔；5.试管1.LED lamp slot; 2.Transparent shell; 3.Plant panel; 4.Test tube socket; 5.Test tube图1 供试培养箱模型Fig.1 Test incubator model

1.1.3远红光LED灯珠制备

供试光源为远红光LED灯珠，利用(Y0.75Gd0.25)3[(Ga0.75Sc0.25)0.94Cr0.06]5O12合成荧光粉将蓝光LED封装转化为远红光LED，光谱波峰为730 nm。LED芯片封装结构见图2。荧光粉的合成以Y2O3、Gd2O3、Al2O3、Ga2O3、Sc2O3和Cr(NO3)3为原料，添加质量分数为2%的助熔剂BaF2，振动球磨机球磨30 min装入刚玉坩埚，在马弗炉中于1 450 ℃煅烧8 h，研磨出炉后的样品为试验用荧光粉(Y0.75Gd0.25)3[(Ga0.75Sc0.25)0.94Cr0.06]5O12(记为(Y,Gd)3(Ga,Sc)5O12∶Cr3+)远红光荧光粉。荧光粉与高折射率AB硅胶充分混合均匀，再脱泡除气，滴定至发射波长为450 nm 的蓝光LED芯片上，在150 ℃真空状态下烘干，得到远红光LED器件。器件采用圆顶弧形结构封装荧光粉层，可以提高光提取效率。使用配备有效波长范围为350～1 100 nm 的1.5 m积分球的HAAS-2000光辐射计(远方光电有限公司生产)测试LED器件的光、色、电参数。图3为本试验使用的白光LED和远红光LED光照强度和对应的波长图。

1.电极；2.LED芯片；3.荧光粉；4.透明硅胶；5.LED灯架1.Electrode; 2.LED chip; 3.Phosphor; 4.Transparent silica gel; 5.LED bracket图2 荧光粉搭配LED芯片封装结构示意图Fig.2 Packaging structure of LED chip with phosphor

图3 远红光LED和白光LED发光强度及对应波长Fig.3 Luminous intensity and corresponding wavelength of far red LED and white LED

1.2 试验设计

1.2.1远红光补光条件下干旱与盐害界限值试验设计

根据已有研究[29-30]，设计4种质量分数梯度聚乙二醇(PEG)和4种浓度梯度的氯化钠(NaCl)溶液模拟水稻不同程度的干旱胁迫和盐胁迫，确定远红光补光条件下水稻生长发育的干旱与盐害界限值。

试验1：使用质量分数(w)为0(CK-P)、18%(T-P1)、20%(T-P2)、22%(T-P3)、24%(T-P4)的聚乙二醇(PEG)溶液模拟不同程度干旱胁迫。

试验2：使用浓度(c)梯度为0(CK-N)、0.05(T-N1)、0.10(T-N2)、0.15(T-N3)和0.20 mol/L(T-N4)的氯化钠(NaCl)溶液模拟不同程度盐胁迫。

试验1、2光环境设置白天(9:00—21:00)使用白光灯带模拟太阳光照射培养，夜间21:00开始使用远红光LED光源间断辐照，每次辐照20 min，间隔10 min黑暗，再辐照20 min，间隔10 min黑暗，如此操作，进行间断辐照4次，辐照处理总时长110 min(辐照4次共80 min，间断3次共30 min)，至22:50。远红光间断辐照结束后黑暗处理至次日9:00。由定时插座控制光照时间。

1.2.2远红光不同辐照试验设计

以试验1、2确定的干旱与盐害界限值为盐旱胁迫条件，设置远红光不同间断辐照次数试验及不同单次辐照时长试验。

试验3：试验组设置白天(9:00—21:00)使用白光灯带模拟太阳光照射培养，夜间21:00开始使用远红光LED光源辐照。T-C1试验组远红光LED光源辐照1次，辐照20 min，辐照处理总时长20 min。T-C2、T-C3、T-C4试验组分别设置远红光LED光源间断辐照2、3、4次，每次辐照20 min，间隔10 min黑暗，辐照处理总时长分别为50、80、110 min。远红光间断辐照结束后黑暗处理至次日9:00。具体远红光辐照方案见表1。

表1 试验3远红光辐照方案Table 1 Groups and corresponding far red light irradiation schemes of experiment 3

试验4：试验组设置白天(9:00—21:00)使用白光灯带模拟太阳光照射培养，夜间21:00开始使用远红光LED光源辐照。T-T1～T-T4试验组远红光LED分别单次辐照5、10、15、20 min，每个处理间断辐照4次，每次辐照间隔10 min，辐照处理总时长50、70、90、110 min。远红光间断辐照结束后黑暗处理至次日9:00。具体远红光辐照方案见表2。

表2 试验4远红光辐照方案Table 2 Groups and corresponding far red light irradiation schemes of experiment 4

对照组(CK-C、CK-T)设置白天(9:00—21:00)使用白光灯带模拟太阳光照射培养，夜间(21:00—次日9:00)黑暗；由定时插座控制光照时间。

1.2.3水稻种子处理

选取1 500枚水稻Y两优900种子，使用蒸馏水25 ℃恒温浸种48 h。浸种结束后，在透明箱体内加入标准霍格兰营养液，购入管径大小为12 mm的塑料试管，剪去试管底部圆弧部分，插入定植面板，裁取滤纸，平铺于定植面板上，将水稻种子插在试管口中心的滤纸上定植，按上述试验设计培养观测19 d。

1.3 数据采集

试验于2019年6月4开始观测，观测期前7 d每隔12 h取样观测1次，记录发芽数量，计算发芽率、发芽势、发芽指数。7 d后(6月11日起)每隔24 h 进行取样观测1次，测量幼苗株高、根长、茎粗。观测至各品种水稻幼苗均长出第2片真叶为止，试验观测历时19 d。

取样方法采用对角线取样法(图4)，将培养箱中100株样本划分为5个小区，每次每小区取5个普通测量样本，在任意区选取1株长势较好的植株，其他4个区各选取1株与其长势相似的植株，标记为标准株。每个培养箱共选择25个普通样本株和5个标准株。普通样本株测量发芽参数及形态参数。标准株因长势较好，用于测量干物质量与叶绿素质量分数。测量结果取平均值。发芽率、发芽势、发芽指数计算公式如下：

发芽率=(观测期前7 d发芽种子数/全部样本数)×100%

发芽势=(观测期前3 d发芽种子数/全部样本数)×100%
发芽指数=∑Gt/Dt

式中：Gt为每日发芽数，Dt为发芽天数。

幼苗根长、株高、茎粗测量使用游标卡尺(精度0.01 mm)测量。

观测至第19 d结束，选取每个品种标记为标准株的5株植株分别装入牛皮纸袋，在烘箱内105 ℃杀青30 min 后，继续75 ℃烘至恒质量，使用电子天平(精度0.001g)称量幼苗干物质量。

叶绿素质量分数测定采用丙酮提取法。

本试验采用 Excel 2016软件进行数据处理和作图，IBM SPSS Statistics 22软件进行统计分析。

图4 100孔培养箱对角线取样法分区取样示意图Fig.4 Schematic diagram of sampling by diagonal sampling method for 100-hole test box

2 结果与分析

2.1 基于远红光辐照的干旱界限值试验

按试验1、2设计方案，远红光补光条件下，不同干旱处理水稻幼苗培养至第19 天时的生长情况见图5。可以看出，随着培养液中聚乙二醇(PEG)质量分数增大，幼苗生长倒伏现象严重，在重度干旱环境(T-P4)下，幼苗几乎死亡。

CK-P、T-P1、T-P2、T-P3、T-P4分别表示 w(PEG)为0、18%、20%、22%、24% 的干旱胁迫处理组，图6同。CK-P, T-P1, T-P2, T-P3 and T-P4 were drought stress groups with 0, 18%, 20%, 22% and 24% PEG content, respectively. The same in Fig.6.图5 不同程度干旱胁迫下水稻幼苗生长情况Fig.5 Growth situation of rice seedlings under different degrees of drought stress

图6示出干旱胁迫下水稻种子及幼苗各处理组参数。可见随着PEG质量分数的增大，水稻发芽率、发芽势逐渐减小，发芽指数呈先缓慢增大后减小趋势(图6(a))。其中，发芽率、发芽势在T-P2处理减小幅度最大，分别比T-P1处理下降了19.27%与20.21%。发芽指数在轻度干旱条件下(CK-P、T-P1、T-P2)小幅度上升，增长了3%，随着干旱程度增大，发芽指数迅速下降，T-P3、T-P4处理分别比最大值减少了22%、40%。

随着干旱程度增加，水稻幼苗各形态参数均呈下降趋势(图6(b)、(c))。根长在T-P1处理中比对照组小幅度增长了4%，而T-P2处理中，根长比T-P1 骤减50.5%。株高与茎粗在轻度干旱下(T-P1、T-P2)受影响程度较小，T-P2分别比对照组减小了18%、17.1%，T-P4则比T-P2分别减小了56%、50.34%。各组干物质量与叶绿素质量分数均呈下降趋势。其中，T-P1、T-P2、T-P3、T-P4处理中干物质量分别比对照组减小了8.6%、40%、55%、63%，叶绿素质量分数分别减小了2.2%、31.9%、40.6%、69.6%。

综上，干旱条件为w(PEG)=18%时，水稻种子及幼苗受到一定程度的胁迫抑制，干旱条件为w(PEG)=20%时，水稻种子及幼苗各参数下降明显，干旱环境对水稻种子萌发、幼苗生长发育影响严重，不适宜探究远红光不同辐照情景对水稻干旱胁迫的影响。由此设定水稻在远红光补光条件下，干旱界限值为w(PEG)=18%。

图6 干旱胁迫对水稻种子及幼苗的影响Fig.6 Effect of drought stress on rice seeds and seedlings

2.2 基于远红光辐照的盐害界限值试验

水稻培养第19天时，远红光补光条件下，不同盐害条件水稻幼苗生长情况见图7。可见，随着NaCl浓度的增大，幼苗生长倒伏现象严重，在重度盐害环境下(T-N4处理组)，幼苗几乎死亡。

图8示出盐胁迫下水稻种子及幼苗各处理组参数。随着NaCl浓度的增大，水稻发芽率、发芽势、发芽指数整体呈下降趋势(图8(a))。发芽率在T-N3、T-N4处理中下降明显，分别比对照组降低了26%、45.5%；发芽势与发芽指数在T-N2开始明显降低，分别比最大值降低了19.8%、18%，在更大程度的干旱条件下，发芽势、发芽指数比最大值的减小程度均大于30%。

随着盐害程度增加，试验组间水稻幼苗各形态参数均呈下降趋势(图8(b)、(c))。其中，根长在 T-N2 处理下开始明显下降，比最大值(T-N1)减小50.6%。株高在T-N3处理下开始明显下降，比对照组减小了47.7%。茎粗T-N1处理比对照组减小了16.7%，在T-N2处理下有小幅度增长，随着NaCl浓度继续增加，茎粗大幅度减小，T-N4处理比对照组减小了47.2%。盐害各组干物质量与叶绿素质量分数均呈下降趋势。其中，T-N1组下降幅度较小，干物质量与叶绿素质量分数分别下降了8.6%、10.1%，而T-N2、T-N3、T-N4处理中，干物质量分别比对照组减小了37.2%、63.6%、82.6%，叶绿素质量分数分别减小了33.3%、47.1%、75.4%。

综上，c(NaCl)=0.05 mol/L盐胁迫条件下，水稻种子及幼苗受到一定程度的胁迫抑制，盐胁迫条件增大至c(NaCl)=0.10 mol/L时，水稻种子、幼苗各参数下降明显，高浓度盐胁迫对水稻种子萌发、幼苗生长发育影响严重，不适宜探究远红光不同辐照情景对水稻盐胁迫的影响。由此设定水稻在远红光补光条件下盐害界限值为c(NaCl)=0.05 mol/L。

CK-N、T-N1、T-N2、T-N3、T-N4分别表示c (NaCl) 为0、0.05、0.10、0.15、0.20 mol/L 的盐胁迫处理组，图8同。CK-N, T-N1, T-N2, T-N3 and T-N4 were salt stress groups with 0, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20 mol/L NaCl solution, respectively. Fig.8 is the same.图7 不同程度盐胁迫下水稻幼苗生长情况Fig.7 The growth of rice seedlings under different levels of salt stress

图8 盐胁迫对水稻种子及幼苗的影响Fig.8 The effect of salt stress on rice seeds and seedlings

2.3 远红光间断辐照次数对水稻种子发芽及幼苗生长的影响

根据试验1、2，在远红光补光条件下，水稻Y两优900干旱界限值为w(PEG)=18%，盐害界限值为c(NaCl)=0.05 mol/L。在该界限值条件下，进行远红光不同间断辐照次数对水稻种子发芽及幼苗生长的影响试验。设置辐照1～4次4个试验组，每个处理单次辐照20 min，间断10 min(表1)。

随着远红光间断辐照次数增加，水稻种子发芽参数及幼苗形态参数均呈增长趋势。远红光辐照4次时，各指数均达到最大值(图9)。

发芽率、发芽势、发芽指数与对照组相比均有显著增长，其中发芽指数增长最多，增长了25.7%；发芽率、发芽势分别增长了9.1%、10.5%。水稻根长与茎粗在辐照1次时比对照组增长了16.7%、5.2%；间断辐照4次比对照组分别增长了29.2%、8.9%。间断辐照次数增加对幼苗株高的影响最小，总增长了7.2%，且当辐照少于4次时，茎粗增长很少。随着间断辐照次数增多，增加远红光间断辐照次数对水稻幼苗干物质量和叶绿素质量分数影响最大，分别增长了50.6%、85.8%。增加远红光间断辐照次数对水稻种子萌发及幼苗生长均有促进作用。

CK-C、T-C1、T-C2、T-C3、T-C4分别对应试验处理见表1。See Table 1 for test treatment scheme corresponding to CK-C, T-C1, T-C2, T-C3 and T-C4.图9 不同间断辐照次数对水稻种子及幼苗的影响Fig.9 Effects of different interruption times on rice seeds and seedlings

2.4 远红光辐照时长对种子发芽及幼苗生长的影响

在试验1、2所得干旱与盐害界限值条件下，进行远红光不同单次辐照时长试验，设置远红光间断辐照4次，单次辐照时长5、10、15、20 min 4个处理(表2)。

随着远红光单次辐照时长的增加，试验组水稻种子发芽率、发芽势、发芽指数均明显大于无远红光辐照对照组，且呈缓慢增长趋势。单次辐照20 min时发芽参数均达到最大，分别比辐照对照组增大了10.2%、10.5%、34.3%(图10(a))。

由图10(b)、(c)可见，水稻幼苗各形态参数均呈增长趋势，在辐照20 min时达到最大值。其中，单次辐照时长的增加对幼苗根长的影响最大，与对照组相比，单次辐照20 min根长增加了91.7%；与单次辐照5 min相比，单次辐照20 min根长增长了12.2%。增加单次辐照时长对茎粗的促进作用最微弱，增大了7.7%，其中辐照0～15 min时，幼苗茎粗增长很小，辐照20 min时，增长略增多。株高的增长较缓慢且平稳，与对照组相比，增长了14.4%。随着单次辐照时长的增加，幼苗干物质量与叶绿素质量分数增速逐渐增加，分别总增长了48.8%、68.1%。增加单次远红光辐照时长对水稻种子萌发及幼苗生长均有促进作用。

CK-T、T-T1、T-T2、T-T3、T-T4分别对应试验处理见表2。See Table 2 for test treatment scheme corresponding to CK-T, T-T1, T-T2, T-T3 and T-T4.图10 不同单次辐照时长对水稻种子及幼苗的影响Fig.10 Effects of different irradiation intervals on rice seeds and seedlings

3 结 论

本研究以水稻Y两优900种子为研究对象，在远红光补光条件下，试验研究水稻生长发育的干旱与盐害界限值，基于界限值设计干旱与盐害交叉胁迫试验，研究了远红光不同间断辐照次数与不同单次辐照时长对水稻种子萌发和幼苗生长发育的影响。主要结论如下：

1)远红光补光条件下，随着干旱程度加深，水稻各参数整体均呈下降趋势。水稻种子发芽率、发芽势、幼苗根长、纤维素、叶绿素在聚乙二醇(PEG)质量分数为20%的处理中分别比无干旱胁迫对照组减少了19.27%、20.21%、50.5%、40%、31.9%。在PEG质量分数大于18% 的干旱条件下，水稻种子、幼苗各参数下降明显，对水稻种子萌发、幼苗生长发育影响严重。由此确定远红光补光条件下，水稻干旱界限值为w(PEG)=18%。

2)远红光补光条件下，随着盐害程度加深，水稻各参数整体均呈下降趋势。水稻种子发芽势、发芽指数，幼苗根长、纤维素、叶绿素在NaCl溶液浓度为0.10 mol/L 处理中分别比无盐害胁迫对照组减少了19.8%、18%、50.6%、37.2%、33%。在NaCl浓度大于0.05 mol/L的盐胁迫条件下，水稻种子、幼苗各参数下降明显，高浓度盐胁迫对水稻种子萌发、幼苗生长发育影响严重。由此确定远红光补光条件下，水稻盐害界限值为c(NaCl)=0.05 mol/L。

3)随着远红光间断辐照次数增加，水稻Y两优各参数均呈增长趋势。与对照组相比，发芽率、发芽势、发芽指数分别增长了9.1%、10.5%和25.7%，根长、株高、茎粗分别增长了29.2%、7.2%和8.9%，干物质量与叶绿素质量分数分别增长了50.6%与85.8%。远红光间断辐照次数增加对水稻种子萌发及幼苗生长有促进作用。

4)随着远红光单次辐照时长增加，水稻Y两优各参数呈增长趋势。与对照组相比，发芽率、发芽势、发芽指数分别增长了10.2%、10.5%和34.3%，根长、株高、茎粗分别增长了91.6%、14.4%和7.8%，干物质量与叶绿素质量分数分别增长了48.8% 与68.1%。增加单次远红光辐照时长可促进水稻种子萌发及幼苗生长。

5)本研究利用一种新的光学手段探索水稻抗旱耐盐的方法，通过试验证明远红光间断辐照可促进盐旱胁迫下水稻种子萌发及幼苗生长，尤其是促进幼苗干物质量与叶绿素的积累，为水稻种子萌发及幼苗生长发育的光调控提供了试验依据。