补光对黄瓜幼苗叶片呼吸相关酶的影响

李晓慧， 班甜甜， 马 超*， 王青青， 杨 航， 吕金丽

(1.贵州省农业科学院 园艺研究所， 贵州 贵阳 550006; 2.贵州省农业科学院 生物技术研究所， 贵州 贵阳 550006; 3.六盘水市农业科学研究院， 贵州 六盘水 553000)

0 引言

【研究意义】光照是植物生长的基础要素，是影响形态建成的关键因子。【前人研究进展】目前，针对弱光照对植物的影响已有较多的研究，普遍认为，LED补光是目前较佳的补光措施[1-7]。贵州多寡日照，早春时多阴雨天，且育苗常在温棚内进行，温棚的棚膜及钢架结构等可造成一定的消光影响，致使光照更加不足。因此，早春培育壮苗需进行LED补光。研究认为，LED红蓝组合光补光效果显著[4-7]。【研究切入点】植物通过呼吸作用分解有机物，释放能量，满足生物的基本生命活动，是影响物质积累的基础[8-10]。目前对LED补光的研究较多，但大多集中在对植物形态特征及物质积累影响方面，对呼吸作用影响的研究甚少。【拟解决的关键问题】鉴于此，以黄瓜品种津研四号为试材，在温室大棚内采用单因素试验方法探索LED补光(5∶1红蓝组合)对黄瓜幼苗叶片呼吸过程相关酶的影响，以期为弱光环境下培育黄瓜壮苗提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 植物 供试植物为黄瓜幼苗，品种为津研四号，市购。

1.1.2 仪器设备 LED灯带，25 cm，功率为12 V/2 A，红光(R)波长630～660 nm，蓝光(B)波长465～470 nm，红光∶蓝光(R∶B)=5∶1。花盆规格，口径10 cm×10 cm，高8.5 cm。

1.2 方法

1.2.1 育苗 种子催芽后播种在50孔的育苗穴盘中，2片子叶展开后挑选生长一致的植株移栽至7 cm×8 cm的花盆中，放于装有LED灯带的培养架上。幼苗顶端距LED灯带25 cm。

1.2.2 试验设计 在设施大棚自然光照条件下进行LED补光试验。根据光照时间设6个处理，即对照(CK)，0 h/d；T1，3 h/d，7：00—10：00；T2，6 h/d，7：00—13：00；T3，9 h/d，7：00—16：00；T4，12 h/d，7：00—19：00。光照处理15 d。

1.2.3 指标测定 分别参照THOMAS等[11-15]的方法测定黄瓜幼苗叶片中的磷酸果糖激酶(PFK)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)、琥珀酸脱氢酶(SDH)、6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G-6-PDH)和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶(6-PGDH)活性。

1.3 数据统计与分析

用Excel 2010进行数据整理，用SPSS 20.0进行差异显著性分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同时长LED补光处理黄瓜叶片呼吸过程糖酵解途径的相关酶活性

由图1可知，LED补光可显著降低磷酸果糖激酶(PFK)和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)的活性，各处理PFK和PEPC活性均为CK>T1>T4>T2>T3，且以9 h/d的LED补光处理(T3)的活性下降最大。

2.1.1 PFK活性 不同时长LED补光处理黄瓜叶片的PFK活性以CK最高，为7.837 9 nmol/min/mg prot，显著高于其余处理，较T1、T2、T3和T4分别高14.32%、31.66%、47.44%和31.37%；T1其次，为6.715 2 nmol/min/mg prot，显著高于除CK外的其余处理；T3活性最低，为4.119 7 nmol/min/mg prot，显著低于各处理，分别较T1、T2、T4及CK低38.65%、23.09%、23.42%和47.44%。

2.1.2 PEPC活性 不同时长LED补光处理黄瓜叶片的PEPC活性为CK>T1>T4>T2>T3，其中，CK最高，为6.715 2 nmol/min/mg prot，显著高于其余处理，T1、T2、T3和T4分别较CK低11.04%、27.97%、39.79%和20.58%；T1其次，为3.810 4 nmol/min/mg prot，显著高于除CK外的其余处理；T3的活性最低，显著低于各处理，分别较T1、T2和T4低32.32%、16.41%和24.18%。

注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

2.2 不同时长LED补光处理黄瓜叶片三羧酸循环过程琥珀酸脱氢酶的活性

由图2可知，LED补光处理可显著改变琥珀酸脱氢酶(SDH)的活性，各处理SDH活性随处理时长增加呈先增后降再增再降趋势，即T1>T3>CK>T4>T2，其中，T1为3.260 8 nmol/min/mg prot，显著高于其余处理，分别较CK、T2、T3和T4提高34.37%、110.66%、26.90%和85.41%；T3其次，为2.569 5 nmol/min/mg prot，较CK(2.426 8 nmol/min/mg prot)高，但二者差异不显著，二者均显著高于T2和T4；T2和T4差异不显著，但均低于CK，分别较CK低36.22%和27.53%。表明，一定时长的LED补光可显著提高SDH活性，但超过一定时长则可降低SDH活性，以3 h/d的LED补光处理(T1)对SDH活性提高效果最佳。

图2 不同时长LED补光处理黄瓜叶片琥珀酸脱氢酶的活性

2.3 不同时长LED补光处理黄瓜叶片磷酸戊糖途径相关酶的活性

由图3看出，不同时长LED补光处理能够显著改变黄瓜叶片6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G-6-PDH)和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶(6-PGDH)的活性。

2.3.1 G-6-PDH活性 LED补光处理可显著改变G-6-PDH活性，各处理G-6-PDH活性随处理时长增加呈先增后降再增趋势，即T1>CK>T4>T2>T3，其中，T1最高，为4.730 2 nmol/min/mg prot，显著高于CK及其他处理，T1较CK提高69.32%；T2、T3和T4显著低于CK，分别较CK低28.99%、32.26%和18.44%。表明，一定时长的LED补光能够提高黄瓜叶片的G-6-PDH活性，但是超过一定时长则会降低G-6-PDH活性，以T1对G-6-PDH活性的影响最大。

2.3.2 6-PGDH的活性 LED补光处理可显著改变6-PGDH活性，各处理6-PGDH活性随处理时长增加呈先增后降再增趋势，即T1>CK>T4>T3>T2，其中，T1最高，为5.606 2 nmol/min/mg prot，显著高于对照和其他处理，T1较CK提高86.75%；T2、T3和T4显著低于CK，分别较CK低49.40%、36.07%和14.98%。表明，一定时长的LED补光能够提高黄瓜叶片的6-PGDH活性，但是超过一定时长则会降低6-PGDH活性，以3 h/d的LED补光处理(T1)对6-PGDH活性的影响最大。

图3 不同时长LED补光黄瓜叶片6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的酶活性

3 讨论

植物的呼吸代谢途径有多条，最普遍的是糖酵解、三羧酸循环和磷酸戊糖等三大途径。其中，糖酵解是无氧呼吸和有氧呼吸的共同途径，其主要功能是将葡萄糖逐步分解生成丙酮酸，己糖激酶、丙酮酸激酶和磷酸果糖激酶是该途径的3个关键限速酶[16-20]。赵晋锋等[21]研究认为，光照强度严重影响谷子SiPEPC基因的表达，拔节期弱光可诱导5个SiPEPC基因的表达，而在拔节期中等强度光照以及抽穗期和灌浆期的中等光照和弱光照下表达量均急剧降低。林小苹等[22]研究发现，不同光质条件下铁皮石斛的PEPC变化为白光>红光>蓝光>绿光。该研究LED补光主要是补充红光和蓝光，所以PFK和PEPC的反应降低，与前人研究一致。三羧酸循环是糖、脂肪和蛋白质三大物质的共同氧化途径，对植物维持生命活动所需的主要能量来源具有重要作用，其中，琥珀酸脱氢酶(SDH)是该途径的关键酶。磷酸戊糖途径的主要作用是产生供还原性生物合成需要的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)以及可供核酸代谢的磷酸戊糖，有些中间产物还可参与氨基酸和脂肪酸合成等，在植物体内有着不可或缺的重要作用，参与植物多种代谢途径及逆境信号应答过程[23-24]，其中，6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G-6-PDH)和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶(6-PGDH)是该途径的2个重要限制酶。林元震等[23]研究认为，G-6-PDH的超表达能提高植株G-6-PDH酶活性，进而提高保护酶活性与光合能力，从而增强植株抵御逆境的能力。以上3个呼吸代谢途径之间彼此密切关联，若其他途径受限时，另一条途径则会代替[25-28]，与该研究结果一致。

4 结论

LED补光条件下，磷酸果糖激酶(PFK)和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)活性均显著降低。3 h/d的LED补光处理能够提高SDH的活性，其余处理则降低SDH活性，说明，3 h/d的LED补光处理能够促进三羧酸循环，提高黄瓜的能量供应。G-6-PDH和6-PGDH均在3 h/d的LED补光条件下显著高于其余处理，因此认为，3 h/d的LED补光对黄瓜生长作用效果显著。LED补光后，糖酵解途径的关键酶下降，而三羧酸循环和磷酸戊糖途径的关键酶在3 h/d的LED补光条件下则升高，保障了植物的正常呼吸、生长、发育和对环境的适应。