发光二极管(LED)光质对金秋砂糖橘幼苗生长发育和光合特性的影响

杨 超，刘敏竹，李 强，韩 涛，彭良志，凌丽俐，*，付行政，淳长品，曹 立，何义仲

(1.西南大学 柑橘研究所/国家柑橘工程技术研究中心，重庆 400712； 2.重庆文理学院 化学与环境工程学院/环境材料与修复技术重庆市重点实验室，重庆 402160)

近年来，由于柑橘黄龙病疫情的蔓延导致中国部分柑橘主产区果园大面积被销毁，无病苗木的需求锐增。为了保障苗木质量安全和果园尽快投产，黄龙病疫区育苗企业普遍采用网室方式培育柑橘无病大苗，苗木在圃时间延长，导致光照成为影响柑橘苗木培育的重要限制因素。因此，如何降低补光成本，加速柑橘苗木生长成为新型育苗技术的关键问题。发光二极管(light emitting diode，LED)是近年发展起来的新型节能光源，具有光谱精准可调、光利用效率高和功率转换效率大等优点，已初步应用于草莓、生菜和番茄等植物的设施栽培。研究表明，LED光对黄瓜、番茄、甜椒等植物的生长发育、生理代谢与果实品质有显著的调节作用，并与糖和激素信号共同调节植物的生命过程。研究也发现，不同LED光谱(光质与配比)对不同种类植物生长发育和生理代谢的影响存在显著差异。目前，相关研究主要集中于蔬菜，关于柑橘类果树的研究较少。近年来，本团队初步研究了LED光质与配比对砂培柑橘砧木枳、先锋橙和红橘幼苗生长发育的影响，发现不同种类柑橘受LED光质与配比的影响存在显著差异。因此，有必要系统阐明LED光质，特别是红蓝光质配比，对不同种类柑橘生长发育和生理代谢的影响。金秋砂糖橘是中国农业科学院柑橘研究所培育的21世纪中国第一个拥有完全自主知识产权的优质杂交柑橘新品种，具有适应性广、丰产性好、无核、高糖、化渣、高抗溃疡病等优点，是10月中下旬国内售价最高的柑橘品种之一，近5 a在四川、重庆、广西、江西、云南等地的种植面积超过3.33万hm，其苗木需求旺盛。本文以金秋砂糖橘为试验材料，研究不同LED光质对其生长发育和光合特性的影响，以期为优质金秋砂糖橘苗木快速繁育的LED补光技术构建提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 光源

试验光源为重庆文理学院微纳米光电材料与器件国际科技合作基地(国家科技部)自主研发的LED荧光粉系列材料研制的LED灯。根据前期研究的实验结果，共设7个处理，分别是LED白光(W,CK)、LED红光(R)、LED蓝光(B)、LED红光：蓝光=1∶1(RB11)、LED红光∶蓝光=2∶1(RB21)、LED红光∶蓝光=4∶1(RB41)、LED红光∶蓝光=8∶1(RB81)。复合光中的红光均为宽红光，其光谱如图1所示，峰值和峰宽见表1。

1.2 试验设计

试验于西南大学柑橘研究所栽培与生理课题组光照培养室内进行。2019年8月于重庆奔象果业有限公司选取长势一致的枳砧金秋砂糖橘容器苗49株，苗木于2018年9月嫁接，无黄龙病和溃疡病。将其株高缩短至约22 cm，每株苗保留完整、无病虫害、大小均等且互无遮拦的叶片8片。对植株进行不同的光质处理，每组7株。试验期间培养室的温度控制在(25±2) ℃，光周期为12/12 h(L/D)，光合有效辐射为150 μmol·m·s；每2～3 d浇灌一次1/2改良型Horgland营养液[改良Horgland营养液：8 mmol·LCa(NO)·4HO、3 mmol·LKNO、1 mmol·LNHHPO、2 mmol·LMgSO·7HO、0.05 mmol·LNaFeEDTA、0.015 mmol·LHBO、0.01 mmol·LMnSO·HO、0.005 mmol·LZnSO·7HO、0.001 5 mmol·LCuSO·5HO、0.000 5 mmol·LNaMoO]。各光质处理组植株均在15～20 d左右开始萌发新梢，新生的秋梢只保留顶端的一个梢，2个月后测定不同处理组新梢的茎叶生长形态、生物量、光合色素和光合特性参数。

1.3 测定方法

生长参数测定：测定新梢的茎长、茎粗、叶厚；统计新梢的叶片数，并用Yaxin-1241叶面积仪(北京雅欣理仪科技有限公司，中国)测定新梢的叶面积。

图1 不同LED光质的光谱图Fig.1 Spectra of different LED lights

表1 不同LED光的峰值和峰宽

生物量测定：剪取新梢，经清洗、阴干后分别取茎和叶用电子天平称出鲜重，然后于105 ℃杀青30 min、75 ℃烘干24 h后分别称得茎、叶的干重，计算得到新梢的鲜重和干重。

光合色素含量的测定：参照Wellberum等的方法，用TU-9001型双光束紫外-可见分光光度计测定新梢倒数第3叶的叶绿素a(chla)、叶绿素b(chlb)、类胡萝卜素(car)含量，并计算chl(a+b)和chla/chlb。

光合特性参数的测定：采用Li-6400型便携式光合测定仪(美国，Li-COR公司)测定幼苗倒数第3片叶的净光合速率(net photosynthetic rate，)、胞间二氧化碳浓度(intercellular COconcentration，)、气孔导度(stomatal conductance，)和蒸腾速率(transpiration rate，)。测定条件：CO浓度(400±10)μmol·mol，温度(25±2) ℃，测定时间09：00—11：00。

1.4 数据分析

数据采用Excel进行数据汇总与计算，用Duncan法进行差异性比较，并用SPSS statistics 20.0软件进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 茎叶变化

由表2可以看出，与CK相比，红光处理下金秋砂糖橘新梢茎长、叶片数和叶面积显著(<0.05)增加，分别为对照的1.77倍、1.72倍、2.03倍；叶片显著(<0.05)变薄，为CK的73.9%；茎粗无显著变化(>0.05)；而蓝光处理下茎叶变化与红光处理呈相反趋势。红蓝复合光处理下，与CK相比，RB11处理的金秋砂糖橘新梢茎长、叶片数和叶面积显著(<0.05)增加，茎粗和叶厚无显著(>0.05)变化，RB11处理的茎长、茎粗、叶片数和叶面积分别是对照组的1.97倍(<0.05)、1.14倍(>0.05)、2.05倍(<0.05)、1.84倍(<0.05)；随着红光比例的增加，新梢茎长、茎粗、叶片数、叶厚和叶面积均逐渐降低，表明其茎叶生长受到显著抑制。

2.2 生物量变化

由表3可知，红光显著促进金秋砂糖橘新梢生物量的增加，其新梢的鲜重和干重，以及叶鲜重、茎鲜重、叶干重、茎干重分别是CK的1.89倍、1.83倍、1.69倍、3.07倍、1.65倍和2.94倍，差异达显著水平(<0.05)；而蓝光处理下茎、叶生物量变化呈相反趋势。

红蓝复合光处理下，红光比例低时新梢茎叶生物量显著增加，随着红光比例的增加，新梢的茎叶生物量逐渐降低。RB11处理的新梢鲜重和干重，以及叶鲜重、茎鲜重、叶干重和茎干重分别是CK的1.68倍(<0.05)、1.88倍(<0.05)、1.46倍(>0.05)、3.00倍(<0.05)、1.68倍(<0.05)、3.06倍(<0.05)，而RB81处理分别是对照的93.23%、81.25%、95.94%、72.73%、83.33%、68.75%，差异不显著(>0.05)。

表2 金秋砂糖橘新梢的茎叶变化

表3 金秋砂糖橘新梢的生物量变化

2.3 光合色素含量变化

由表4可知，LED红光导致金秋砂糖橘新梢叶的chla、chlb和chl(a+b)含量显著(<0.05)降低，蓝光导致金秋砂糖橘新梢叶的chlb和chl(a+b)含量显著(<0.05)降低；RB11、RB21和RB41处理的chla和chl(a+b)含量无显著变化，RB81处理的chla和chla+b含量显著低于对照；红蓝复合光处理的chlb和car含量与对照相比均无显著变化(>0.05)；RB11处理的chla/chlb显著(<0.05)低于CK，RB21、RB41和RB81处理的chla/chlb与对照相比无显著变化(>0.05)。

2.4 幼苗光合参数变化

由表5可知，与CK相比，LED红、蓝单色光均导致金秋砂糖橘新梢的显著(<0.05)降低；红蓝复合光显著(<0.05)促进增加，并且随着红光比例的增加呈显著(<0.05)降低趋势，RB11、RB21、RB41、RB81的分别是对照的1.74、1.48、1.29和1.30倍，差异显著(<0.05)；蓝光处理的金秋砂糖橘新梢与对照相比无显著差异(>0.05)，红光处理的金秋砂糖橘新梢显著(<0.05)低于对照，红蓝复合光处理中，随着红光比例的增加呈先升高后降低趋势；LED红、蓝单色光的金秋砂糖橘新梢与对照相比无显著差异(>0.05)，红蓝复合光处理中，随着红光比例的增加呈先升高后降低趋势；蓝光处理的金秋砂糖橘新梢与对照相比无显著差异(>0.05)，红光处理的金秋砂糖橘新梢显著(<0.05)低于对照，红蓝复合光处理中，随着红光比例的增加呈先升高后降低趋势。

2.5 主成分分析

采用主成分分析进行降维处理后，可提取3个主成分，其特征值分别为10.548、6.269、1.958，累积贡献率为89.37%，基本保留了生长发育和光合参数的全部信息。由图2可知，主成分1的贡献率为50.21%，在0.6～1.0涉及的参数为地上部分干重、地上部分鲜重、茎干重、茎鲜重、叶干重、叶鲜重、株高、叶片数、株叶面积等生物量和形态学参数，以及、s和等光合特征参数，主要反映了地上部分(茎、叶)的形态建成、生物量积累和叶片气孔开放状况；主成分2的贡献率为29.82%，在0.6～1.0涉及的参数有chla、chlb、chl(a+b)、car、、叶厚等光合色素和光合速率参数，主要反映了叶片的光合状况；主成分3的贡献率为9.34%，在0.6～1.0涉及的参数有chla/chlb、干鲜重比和茎粗，主要反映了叶绿素成分和干鲜生物量的配比状况。

表4 金秋砂糖橘新梢叶的叶绿素含量变化

表5 不同处理金秋砂糖橘新梢的光合特性

SL，茎长；SD，茎粗；LN，叶片数；LT，叶厚；LA，叶面积；NSFM，新梢鲜重；NSDM，新梢干重；Rdf，干鲜重比；LFM，叶鲜重；SFM，茎鲜重；LDM，叶干重；SDM，茎干重；chla，叶绿素a；chlb，叶绿素b；chl(a+b)，叶绿素(a+b)；Rab，chla/chlb；car，类胡萝卜素；Pn，净光合速率；Gs，气孔导度；Ci，胞间二氧化碳浓度；Tr，蒸腾速率。SL， Stem length; SD， Stem diameter; LN， Leaf number; LT， Leaf thick; LA， Leaf area; NSFM， New shoot fresh mass; NSDM， New shoot d dry mass; Rdf， Ratio of dry mass to fresh mass; LFM， Leaves fresh mass; SFM， Stem fresh mass; LDM， Leaves dry mass; SDM， Stem dry mass; chla， Chlorophyll a; chlb， Chlorophyll b; chl (a+b)， Chlorophyll (a+b); Rab， Ratio of chla to chlb; car, Car-carotenoid; Pn， Net photosynthetic rate; Gs， Stomatal conductance; Ci， Intercellular CO2 concentration; Tr， Transpiration rate.图2 不同LED光质处理组金秋砂糖橘幼苗的主成分分析Fig.2 Principal component analysis diagram of Jinqiu Shatangju seedlings under different light quality treatments

以每个主成分所对应的特征值占总特征值之和的比例作为权重，结合前3个主成分分值计算每个处理组的综合主成分值(F值)，进行排序。由表6可知，RB11处理的排名高于对照和其他处理组，其次为RB21处理。

3 讨论

3.1 LED光质对金秋砂糖橘形态建成的影响

光质可直接影响植物的组织和器官分化，制约各器官的生长速度和发育，对植物形态建成产生显著影响，其中，红光和蓝光对植物形态建成的影响最大。研究表明，红光显著促进幼苗根茎生长和叶面积扩展，蓝光对幼苗根系形成与生长的影响因植物种类不同存在一定程度的差异，并且蓝光抑制茎伸长和叶面积扩展，易导致植株矮化。也有研究发现，增加红光比例对烟草NC89叶面积的增加有一定的促进作用，但使比叶重降低，叶片变薄；蓝光更有利于黄瓜、结球甘蓝和抗优63水稻幼苗的茎粗生长；蓝光能促进花生幼苗叶片扩展和增厚，有利于新叶生长和茎枝增粗，以致蓝光处理的叶片数、壮苗指数和单株叶面积优于红光处理。本文研究也发现，LED红光促进金秋砂糖橘新梢的茎伸长、叶形成和叶面积扩增，抑制茎的增粗和叶片增厚，而蓝光的作用则相反。此外，尽管不同植物生长发育对单色光的响应存在显著差异，但是复合光对植物生长发育的促进作用显著。与单色光相较，LED白光可促进番茄和辣椒幼苗地下部生长，红蓝复合光更有利于秋葵、茄子和河套蜜瓜等幼苗根茎的形态建成；且高比例红光会导致烟草叶厚降低、面积增大，导致黄瓜幼苗根冠比降低，而高比例蓝光会导致罗勒茎节缩短、光合叶面积减小和产量下降。本研究中，随着LED红光比例的增加，金秋砂糖橘新梢的茎叶生长受到的促进作用呈显著降低趋势；低比例LED红光(RB11和RB21)促进新梢的茎伸长、茎增粗、叶形成和叶面积扩增，而高比例红光的作用则相反，其中红蓝1∶1复合光最有利于金秋砂糖橘新梢茎叶的形态建成。

表6 各处理组的PCA总得分与排序

3.2 LED光质对金秋砂糖橘光合作用的影响

对大多数植物来说，在红光和橙光处理下光合速率最高，蓝紫光其次，黄绿光最低。本研究发现，虽然在LED红、蓝单色光下金秋砂糖橘新梢叶的光合色素含量和净光合速率均降低，但是在蓝光下其叶绿素含量和净光合速率高于红光，这与花生和番茄幼苗中的研究结果相似。此外，引起降低的原因有气孔和非气孔2种因素，蓝光在促进气孔开放方面比红光更有效。本研究发现，LED红光与蓝光照射下金秋砂糖橘新梢叶的和均呈降低趋势，且红光降低幅度更大，表明LED红、蓝单色光照射下金秋砂糖橘新梢光合速率降低与气孔导度受限有关。与单色光相比，适宜配比的红蓝复合光能够显著提高植物叶片的光合能力。但是，不同物种的红蓝光最适配比存在显著差异。本文研究也发现，不同LED红蓝复合光均导致金秋砂糖橘新梢的显著高于单色光和白光，但是红光比例增加不利于升高。

3.3 LED光质对金秋砂糖橘物质积累与分配的影响

不同植物的物质积累与分配对光质的响应存在显著差异。红光有利于碳水化合物的积累，并通过抑制叶内光合产物的向外运输，导致植物叶内淀粉粒含量增多，有利于地上部分物质积累与分配；蓝光促进蛋白质、有机酸、次生代谢物等物质，以及叶片磷钾钙等矿质元素积累，有利于分配更多代谢物到根部。本研究发现，虽然LED红光处理的金秋砂糖橘新梢净光合速率较低，但是其光合叶面积最大，使新梢的物质积累量大，有利于茎、叶的物质分配；虽然蓝光处理的金秋砂糖橘新梢净光合速率较高，但是光合叶面积显著减小，导致物质积累较少，不利于茎、叶的物质分配。此外，与单色光相比，红蓝复合光促进幼苗RUBP羧化酶活性和光合速率，导致光合物质合成增加，地上部分物质积累较多；适当补充蓝光有利于莴苣叶片增厚，以及蛋白质、花青素和维素C含量提升。本研究也发现，与LED白光相比，LED红光和红蓝复合光更有利于金秋砂糖橘新梢的物质积累，而且低比例红光(RB11)更有利于干物质的积累；不同比例红蓝复合光的物质分配策略存在显著差异，其中，低比例红光(RB11和RB21)将物质较为均衡地分配于茎、叶，而高比例红光(RB41和RB81)则将物质更多地分配于叶。

4 结论

综上所述，LED红蓝1∶1复合光不仅有利于金秋砂糖橘新梢的茎叶形态建成和叶片光合作用，也有利于其干物质积累和茎叶物质的均衡分配。结合主成分分析结果，表明LED红蓝1∶1复合光有利于金秋砂糖橘新梢的生长发育和光合作用。后期可以进一步考虑在红蓝1∶1复合光基础上添加黄光和绿光，优化红、绿、蓝光的配比，并结合光受体荧光材料的匹配设计与合成，筛选、优化更为高效的LED光源，构建更为精准的补光系统，以推动金秋砂糖橘优质苗木快速繁育补光技术体系的构建。