新型远红光辐照对水稻种子萌发及幼苗生长的影响

2021-07-29张天彤栗昕羽

农业工程 2021年6期

朱梅，张天彤，栗昕羽，陈雷

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

0 引言

水稻是最重要的粮食作物之一，对保障粮食安全具有重要的意义。据联合国粮农组织《2018年世界粮食安全和营养状况》，到2050年世界粮食产量需要翻一番才能满足人口增长对粮食的需求[1]。随着水稻需求情况的日渐严峻，现有增产方式的局限性日趋显著。已有研究多从缓解水稻病害、改善栽培方式角度提升水稻产量。明亮[2]使用含有机硅肥料对土壤进行改良，阻断盐分上移表层，降低盐碱危害的机理，以达到水稻的增产效应。刘弘毅等[3]设置施用沼液与秸秆耦合还田，以提高水稻产量。安龙哲[4]利用纸膜覆盖机对水稻田缓释施肥使水稻增产。李双等[5]研究得出，在养分缺乏的情况下施加一定量的可溶性浓缩糖蜜(CMS)可以增加水稻产量。调研发现，植物生长调节剂及各类肥料被广泛应用于水稻生长的各个时期。夏敏[6]用A、B两种壮秆剂增强水稻抗倒伏能力并且发现都有一定增产效果。山东省鱼台县利用毛木耳菌渣作为肥料进行水稻育苗及水稻大田种植综合试验，实现水稻增产[7]。杨孙彩等[8]通过施15 kg/hm2的硼肥提升水稻产量。叶祝弘[9]通过减施化肥同时配施不同有机肥，以达到增产目的。LI Meijuan等[10]研究得出，锰元素改善了水稻的生长、产量和相关性状。植物生长调节剂如外源多效唑、脱落酸(ABA)、芸乐收(有效成份：保美乐、吡唑醚菌酯、芸苔素内酯)等均被研究发现有促进水稻生长、增加千粒质量和丰产增效的效果[11-12]。但这些植物生长促进剂及肥料在自然情况下难以快速分解，对人和环境存在潜在的危害，过量施用甚至会抑制植物生长[13-14]。因此，寻找一种更加安全、环保的方法来调节植物生长至关重要。

光照在植物的生长发育中有特殊的地位。在植物的形态建成过程中植物通过感受不同的光强、光周期、光质及方向对自身生长发育的各个方面进行调节，其中光质是一个重要的因素。近年来，关于光质对植物生长发育产生影响的研究很多，植物生长受光质变化影响的差异一方面是由于植物基因的不同，另一方面，研究中应用的多种光源材料及光质成分复杂性也是重要原因。不同光质可以影响植物的生长发育及植物的形态建成，已有研究方向主要包括其对种子萌发、茎叶生长、根性生长和对茎生长的影响。光质对植物种子萌发的影响是一个复杂的生理过程。有研究发现，改变日间的红光和远红光比值，增大远红光比例，可促进黑麦草、大麦等禾本植物的叶片伸长，同时叶鞘长度的增加程度明显高于叶片[15]。李胜等[16]研究得出葡萄试管苗在黑暗、红光和黄光条件下总根数最多、根最长、根鲜质量较大，并指出短波光不利于葡萄试管苗生根和生长，而长波光利于试管苗生根。

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[17]。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。

为此，本文从植物光控发育角度出发，研究基于新型荧光粉封装的远红光LED灯辐照对水稻种子萌发及幼苗生长发育的促进效果。利用(Y，Gd)3(Ga，Sc)5O12：Cr3+远红光荧光粉封装LED器件直接作为光源，将LED芯片发射450 nm蓝光转化为峰值波长为730 nm的远红光，其发射波长与植物生理活性态的远红光吸收型光敏色素(Pfr)吸收波长相匹配，开展新型远红光调控水稻种子和幼苗发育试验研究，为水稻生长发育调控提供一种新的光学手段，为新型远红光LED对作物生长调控利用提供试验依据，为光合农业及半导体照明产业发展开辟新空间。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地点位于安徽农业大学水利实验室，实验开始于2019年3月12日，结束于2019年4月2日。

供试光源为新型远红光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直接封装转化为远红光LED，其光谱波峰为730 nm。LED芯片封装结构示意如图1所示。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。荧光粉的合成以Y2O3、Gd2O3、Al2O3、Ga2O3、Sc2O3和Cr(NO3)3为原料，添加助熔剂2%BaF2，振动球磨机球磨30 min后装入刚玉坩埚，在马弗炉中于1 450 ℃煅烧8 h，研磨出炉后的样品即为试验用荧光粉(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。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型光辐射计测试LED器件的光、色、电参数。该辐射计为远方光电有限公司生产。

1.电极 2.荧光粉 3.透明硅胶 4.LED灯架 5.LED芯片

试验设计对照组使用白色LED，分别在455和570 nm处有2个波峰，白色LED的红光(655～665 nm)与远红光(725～735 nm)光照强度的比值为6.35。对比试验使用的新型远红光和普通白光光照强度和对应波长如图2所示。用荧光粉封装的远红光灯珠在自然光下及通电后的对比如图3所示，可以看到通上电后灯珠发出明亮的远红光成分。

图2 新型远红光和白光光照强度和光谱分布

图3 远红光灯珠通电前后对比

供试水稻品种由安徽农业大学农学院提供。3个品种的水稻在叶型、株高、穗型等具体形态上各有差异，品种徽两优898(HLY898)为常规株型、Y两优900(YLY900)为高秆大穗型、镇稻18(ZD18)为紧凑大穗型，对于研究不同品种水稻在远红光辐照下种子萌发和苗期生长、发育情况影响具有普适性。试验使用标准霍格兰营养液为供试水培液，使用120 mm规格的玻璃培养皿为培养容器。

1.2 试验设计

试验在上海博讯医疗生物仪器股份有限公司生产的BSG-300型光照恒温箱中进行。水稻种子采用培养皿水培。进行试验前，每个水稻品种分别选取300粒样本，将水稻种子在20 ℃恒温的蒸馏水中浸泡24 h。浸种结束后，每个品种选取100粒样本均匀放置在培养皿中，培养皿需垫入两张中速滤纸，再添加50 mL标准培养液。培养液配制取霍格兰营养液1.26 g、钙盐0.945 g，加热溶解于1 000 mL蒸馏水中，分装，于115 ℃高温灭菌20 min。培养皿需定期补充与初始配液一致的培养液，每隔48 h补充一次。

试验处理分为试验组(EXP)和对照组(CON)，水稻种子分组编号如表1所示。每个编号对应一组培养皿，培养皿每组设置3个重复。每组优选形状大小基本一致的健康样本，记录种子发芽及生长相关参数。

表1 试验用水稻种子编号

试验组每个培养皿用一枚远红光LED灯辐照，灯珠固定在培养皿上部的透明盖处，每个培养皿之间为确保不产生光线散射而交互影响，使用不透光板隔离。试验白光辐照依靠培养箱自带LED光源实现。试验培养皿与灯珠布置实物如图4所示。试验光环境设计如表2所示。各培养皿管理方式一致。

图4 培养皿和灯珠布置

表2 试验光环境设计

1.3 数据采集与处理

种子浸种结束并放置在培养皿中开始，第1～7天每隔12 h取样观测一次，记录发芽数，测算发芽参数：发芽率、发芽势和发芽指数，试验7 d后每隔24 h观测一次，测量形态参数：根长、株高和茎粗。试验观测至各品种水稻均长出第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5)，将每个培养皿中100株样本划分为5个小区，每次每小区取5个样本，将5个点求平均值。每次取样时，在各小区选择一株长势一致的植株进行标记，标记为标准株，观测至第19天结束，最后一次观测在标记植株中选择有代表性的5株进行形态参数及干物质的测量。

图5 对角线取样法分区取样示意

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——每日发芽数

Dt——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天结束，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0.001 g)称量幼苗干物质量。

试验数据采用Microsoft Excel 2016处理，在IBM SPSS Statistics 22软件中进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 远红光辐照对水稻种子发芽的影响

由图6可知，远红光辐照处理显著提高了水稻种子发芽势、发芽率和发芽指数，并且缩短了平均发芽时间。与对照组相比，使用远红光辐照的试验组，水稻3个品种的发芽率分别升高了2.81%、5.78%、10.33%，发芽势升高了6.38%、16.20%、11.20%，发芽指数升高了30.84%、25.10%、24.12%。经远红光辐照的水稻种子发芽相关3个数据均具有明显的提升。3个品种间相比较，Y两优900各项指标均较为突出，与其他品种相比发芽率、发芽势和发芽指数增长最为明显。

图6 远红光辐照试验水稻品种间发芽情况对比

2.2 远红光辐照对水稻幼苗生长发育的影响

试验从第7天开始测量与记录普通样本的生理数据，共测试至第19天。整理总计13 d的测量数据，并主要对第10天、第13天、第16天和第19天的数据进行序列分析。

2.2.1 水稻幼苗根长

由图7可知，各组数据反映远红光辐照对水稻根长影响情况基本一致。试验组3个品种与对照组相比，处理第10天、第13天、第16天和第19天，远红光辐照处理的水稻幼苗根长与对照组白光辐照相比平均增加了22.96%、3.01%、15.94%和10.59%，除了处理至第13天时，镇稻18根长与对照组相比减少了5.76%，与总体趋势不同，其他各品种间增长差异不显著。与对照组相比，处理19 d后，远红光辐照的幼苗根长分别增长了15.82倍和14.14倍。

图7 平均根长变化

2.2.2 水稻幼苗株高

由图8可知，处理10 d，远红光辐照处理的水稻幼苗株高比对照组平均增加了14.58%，各品种间增长差异不明显；处理第13天、第16天和第19天，经远红光辐照的水稻幼苗株高与对照组相比平均增加了14.68%、14.61%和14.62%，其中第10天至第13天、第16天至第19天之间的增长速率较快，且各品种间增长差异明显；试验第19天后远红光辐照的水稻幼苗株高比对照组分别增长了4.41倍和4.29倍。品种间增长差异不明显，增长情势相似。

图8 平均株高变化

2.2.3 水稻幼苗茎粗

由图9可知，对比试验组与对照组，试验第10天、第13天、第16天和第19天，试验组水稻幼苗茎粗比对照组平均增加了14.50%、14.74%、14.56%、14.55%，各品种间差异均较为显著。各品种在第16天至第19天之间增长速率明显比其他时段增快，平均增长速率加快了29%。

图9 平均茎粗变化

2.3 远红光辐照对水稻幼苗干物质量的影响

由图10可知，试验历时19 d后，称量发现，远红光辐照处理的各品种水稻幼苗干物质量均比对照组增多，徽两优898、Y两优900与镇稻18分别增多了3.75%、6.06%、2.22%。总体来看，远红光辐照处理对水稻幼苗干物质量积累起明显的促进作用。

图10 品种间干物质量对比

2.4 试验过程水稻长势对比

由图11可看出，试验组植株发芽率对比对照组有显著提高，植株根系生长的差别也十分明显，试验组对比对照组伸长量更长，其原因是远红光辐照后促进植株生长素分泌，加快了根系生长。试验组植株的茎、根伸长量对比对照组显著提高，植株的颜色差别也十分明显，试验组对比对照组绿色更为明显，其原因是远红光辐照后使植株的生长发育加快。

3 讨论

通常将光控植物生长、发育和分化过程称为光形态建成(photomorph-ogenesis)，又称光控发育。植物光形态建成主要受光敏色素控制(Phytochrome)。光敏色素存在两种可以相互转换的状态，基态(记为Pr)吸收一个红光光子之后，通过能量弛豫，转换为生理活性态(Pfr)；当处于Pfr态的光敏色素吸收一个远红光(far red，活性态记为Pfr)光子之后，又转换为Pr态[18-19]。因而，Pr与Pfr态的交替变换，是植物生理活性的控制开关[20]。光形态建成主要是依靠吸收红光与远红光完成。Pr态吸收波长峰值约为660 nm，Pfr态吸收波长峰值为730 nm。

适合植物生长发育的远红光荧光粉范围在730 nm左右[21]。据调研，已有报道的植物照明远红光LED灯峰值波长与Pfr态吸收波长峰值(730 nm)尚有差距。目前，针对植物照明应用所报道的荧光材料体系主要有(Ba，Sr)3MgSi2O8：Eu2+，Mn2+、Na(Sr，Ba)PO4：Eu2+，Mn2+、Ca3Mg3(PO4)4：Eu2+，Mn2+、Ca14Al10Zn6O35：Bi3+，Eu3+、Ba3LaNa(PO4)3F：Eu2+，Pr3+以及利用SiO2包覆碳量子点与CaAlSiN3：Eu2+形成的核壳结构，这类材料的特点是一种荧光粉利用双光中心发射出满足光合作用同时所需的蓝光与红光，但需要借助近紫外波段的LED芯片激发[22-26]。这类材料仅适于农作物光合作用而不适于光形态建成。立陶宛科学家通过对Cr3+激活含镓石榴石结构不同稀土元素荧光粉Y3Ga5O12、Gd3Ga5O12、Lu3Ga5O12与Gd3Sc2Ga3O12进行研究认为，在这4种化合物中最有可能满足植物光形态建成需求的是Y3Ga5O12：Cr3+。Y3Ga5O12：Cr3+发射波长范围为625～850 nm，峰值为711 nm。最近，华南农业大学周智副教授报道了一种新型远红光荧光材料Ca14Ga10-mAlmZn6O35：Dy3+，Mn4+，其发射波长范围为650～750 nm，峰值为715 nm[27]。

目前，LED芯片量产规模最大的是波长峰值为450～460 nm的蓝光芯片，所以蓝光芯片制造成本相对较低，而发射波长峰值为730 nm远红光的LED芯片及其封装而成的LED灯珠售价较高。在现有蓝光LED芯片工艺与装备基础上，本文利用新型荧光材料把LED芯片发射的蓝光转化为波长峰值为730 nm的远红光，对于降低当前远红光LED价格具有重要意义。更重要的是，利用试验证明远红光LED器件对植物光形态建成的影响，验证了该荧光材料封装的远红光LED灯对水稻作物种子萌发和幼苗生长的促进效应。