胡舉偉，代 欣，宋 濤，楊曉云，王慶菊，孫廣玉

(1.金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司 養(yǎng)分資源高效開(kāi)發(fā)與綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 農(nóng)業(yè)部植物營(yíng)養(yǎng)與 新型肥料創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 臨沂 276700； 2.東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

光不僅是植物光合作用的能量來(lái)源，也是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵環(huán)境因子[1-3]。光質(zhì)的改變可顯著影響植物生理過(guò)程、形態(tài)建成和生長(zhǎng)發(fā)育，而光質(zhì)對(duì)植物生理過(guò)程、形態(tài)建成和生長(zhǎng)發(fā)育的影響會(huì)因植物種類的不同而發(fā)生變化[4-5]。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，設(shè)施栽培技術(shù)也有了長(zhǎng)足進(jìn)步。在設(shè)施農(nóng)業(yè)中經(jīng)常通過(guò)人工控制作物的生長(zhǎng)環(huán)境，優(yōu)化作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。目前在一些植物工廠、溫室或氣候室中，溫度、濕度、光周期和光強(qiáng)等環(huán)境條件均可由計(jì)算機(jī)氣候控制系統(tǒng)精準(zhǔn)控制。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)用在自然環(huán)境中不會(huì)出現(xiàn)的光照條件(改變照光的光譜等)，優(yōu)化植物的光合作用或影響植物發(fā)育過(guò)程，從而達(dá)到精準(zhǔn)調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育的目的，這是環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)和可持續(xù)生產(chǎn)所需的。在人工控制的光環(huán)境下，可利用植物對(duì)不同光質(zhì)的生理生長(zhǎng)響應(yīng)，改變植物的生長(zhǎng)和生理狀況[6-9]。近年來(lái)發(fā)光二極管(LEDs)技術(shù)的發(fā)展為優(yōu)化設(shè)施農(nóng)業(yè)中的光環(huán)境，開(kāi)辟了新的途徑。LEDs是冷光源，可對(duì)植物進(jìn)行近距離照射，具有體積小、節(jié)能高效等特點(diǎn)[10]。此外，相對(duì)于金屬鹵化燈等寬光譜的光源，LEDs發(fā)射的光只在一個(gè)狹窄的波段內(nèi)，可以有針對(duì)性的選擇波長(zhǎng)[10-11]。因此，LEDs為研究不同光質(zhì)對(duì)植物生理特性的影響提供了較好的方法。

桑樹(shù)(Morusalba)的果實(shí)和葉片具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和藥用價(jià)值，黑龍江鹽堿土地區(qū)傳統(tǒng)的桑樹(shù)種植方式主要以大田種植為主，實(shí)生桑樹(shù)幼苗長(zhǎng)成1.2 m左右的灌木后其葉片采摘后可用于養(yǎng)蠶，而割伐的枝條可用作藥材[12-14]。而隨著農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，設(shè)施栽培桑樹(shù)在黑龍江鹽堿土地區(qū)有了一定面積的種植。但在設(shè)施栽培條件下，晚秋、冬、春等季節(jié)都不同程度地存在光照時(shí)間短、光照不足等嚴(yán)重缺光的問(wèn)題，使設(shè)施栽培植物不能正常生長(zhǎng)，會(huì)嚴(yán)重影響桑樹(shù)的生長(zhǎng)。因此選取有效的人工光源或制定可行的補(bǔ)光措施對(duì)設(shè)施栽培桑樹(shù)的發(fā)展具有重要意義。藍(lán)光(400-500 nm)和紅光(600-700 nm)是對(duì)高等植物光合作用最有效的光[2]，鑒于其光譜特性，紅藍(lán)光質(zhì)對(duì)植物的生長(zhǎng)、光合和生理特征等方面的影響成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者們研究的熱點(diǎn)[6-9]。碳氮代謝是植物最基本的代謝過(guò)程，其代謝強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)變化影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育[15]，而光和激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的相互作用在調(diào)控植物形態(tài)建成中起重要作用，光質(zhì)作為光的重要屬性，直接或間接地影響激素的合成和運(yùn)輸[16]。然而，還未見(jiàn)關(guān)于紅光LEDs和藍(lán)光LEDs對(duì)桑樹(shù)植株碳氮代謝、內(nèi)源激素影響的報(bào)道。本研究試圖分析白光、單質(zhì)紅光LEDs、紅藍(lán)組合LEDs、單質(zhì)藍(lán)光LEDs對(duì)桑樹(shù)幼苗內(nèi)源激素、碳氮代謝及相關(guān)酶活性等方面的影響，旨在為設(shè)施栽培桑樹(shù)下光質(zhì)條件的調(diào)控提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與培養(yǎng)環(huán)境

試驗(yàn)于2016年8月進(jìn)行，供試材料為一年生桑樹(shù)品種“龍桑1號(hào)”幼苗(M.alba‘Longsang No.1’)，去掉桑樹(shù)幼苗的分枝、葉片和須根，僅保留主莖、主根各約2 cm，然后將幼苗移栽到直徑8 cm、高12 cm的培養(yǎng)盆中，培養(yǎng)盆內(nèi)裝草炭土和蛭石的混合培養(yǎng)基質(zhì)(2∶1，V∶V)，每盆定植1株。每株只保留1支枝條，抹去其他的芽。在移栽后將所有植株放置在人工氣候室中，由白色冷熒光燈(廣州綠熒光電有限公司)(波長(zhǎng)為410-700 nm)提供光照，光照強(qiáng)度為100 μmol·(m2·s)-1，環(huán)境條件控制為光周期(14 h∶10 h，光∶暗)，白天溫度(28±2 ℃)，夜間溫度(23±2 ℃)，相對(duì)濕度60%～65%。每3天澆一次水。

1.2 光質(zhì)處理方法

試驗(yàn)一：桑樹(shù)幼苗培養(yǎng)3周后挑選健壯、長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗接受不同紅藍(lán)光配比處理。一些幼苗仍在白色冷熒光燈下培養(yǎng)，作為白光對(duì)照處理(CK)，其他分別在紅光LEDs陣列、紅藍(lán)組合LEDs陣列、藍(lán)光LEDs陣列光源下培養(yǎng)，以上LEDs陣列光源均由廣州綠熒光電有限公司提供。組成LEDs陣列的紅光LED和藍(lán)光LED的峰值波長(zhǎng)分別為660、465 nm，半峰全寬均為20 nm。由紅光LEDs、紅藍(lán)組合LEDs、藍(lán)光LEDs陣列光源提供的6種不同紅藍(lán)光配比的光照可分別按光照中藍(lán)光(B)的光合光量子通量密度(PPFD)所占比例表示為單質(zhì)紅光(0B)、紅藍(lán)組合光(藍(lán)光配比15%、20%、30%和50%)、單質(zhì)藍(lán)光(100%B)。不同光源的光譜和光照強(qiáng)度通過(guò)光譜儀(OPT-2000,Optpe Co.,中國(guó))和光量子傳感器(LI-250A,Licor,美國(guó))測(cè)定。放置不同光源的燈架外部用遮光布覆蓋，以避免外界光照干擾。通過(guò)調(diào)整光源到植株頂部的距離，使各處理的光照強(qiáng)度保持在100 μmol·(m2·s)-1，其他環(huán)境條件同1.1。每處理各20盆植株，3次重復(fù)。幼苗在不同光質(zhì)處理下培養(yǎng)30 d后，取各處理植株莖以及從頂端往下數(shù)第2片完全展開(kāi)葉片，用于各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定。

試驗(yàn)二：桑樹(shù)幼苗培養(yǎng)10 d后挑選健壯、長(zhǎng)勢(shì)一致的桑樹(shù)幼苗接受不同光質(zhì)處理。一些幼苗仍在白色冷熒光燈下培養(yǎng)，作為白光對(duì)照處理(WCK)，其他分別在紅光LEDs(發(fā)光二極管)陣列和藍(lán)光LEDs陣列光源下培養(yǎng)，紅光LEDs和藍(lán)光LEDs陣列光源分別提供紅光(R)、藍(lán)光(B)，以上LEDs陣列光源均由廣州綠熒光電有限公司提供。組成LEDs陣列的紅光LED和藍(lán)光LED的峰值波長(zhǎng)分別為660、465 nm，半峰全寬均為20 nm。不同光源的光譜和光照強(qiáng)度通過(guò)光譜儀(OPT-2000,Optpe Co.,中國(guó))和光量子傳感器(LI-250A,Licor,美國(guó))測(cè)定。放置不同光源的燈架外部用遮光布覆蓋，以避免外界光照干擾。通過(guò)調(diào)整光源到植株頂部的距離，使各處理的光照強(qiáng)度保持在100 μmol·(m2·s)-1，其他環(huán)境條件同1.1。在紅光(R)、藍(lán)光(B)下處理的桑樹(shù)幼苗均分成4組，每組5株幼苗，3次重復(fù)。除紅光對(duì)照(RCK)、藍(lán)光對(duì)照(BCK)以外，其他3組在轉(zhuǎn)移到紅光(R)、藍(lán)光(B)下之后，立即噴施100 mg·L-1赤霉素生物合成抑制劑(多效唑)溶液。桑樹(shù)幼苗在不同光質(zhì)下培養(yǎng)9 d后，除了RCK、BCK，向在紅光(R)、藍(lán)光(B)下處理的其他各3組桑樹(shù)幼苗分別噴施0、10和100 mg·L-1赤霉素(GA3)溶液，每株各噴施3 mL。紅光下的3組不同濃度赤霉素處理分別記為R0、R10和R100，藍(lán)光下的3組不同濃度赤霉素處理分別記為B0、B10和B100。試驗(yàn)所用多效唑、赤霉素(GA3)均購(gòu)自中國(guó)Biotopped science & technology公司，桑樹(shù)幼苗均在不同光質(zhì)下培養(yǎng)21 d。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1試驗(yàn)一指標(biāo)測(cè)定 各處理均隨機(jī)選取3株幼苗進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定?？扇苄蕴?、蔗糖、淀粉含量按照Buysse 和Merckx[17]描述的方法測(cè)定：稱取0.5 g烘干后的葉片，用25 mL 80%乙醇(V∶V)研磨提取可溶性糖、蔗糖，在4 500 r·min-1下離心10 min，上清用于可溶性糖、蔗糖含量的測(cè)定；向離心后的沉淀中加入25 mL 2% HCl(V∶V)，煮沸4 h，冷卻后在6 000 r·min-1下離心20 min，上清用于淀粉含量的測(cè)定。用打孔器從新鮮葉片上取15個(gè)小圓形葉片，每個(gè)1.5 cm2，殺青后在80 ℃下烘干至恒重，稱量干重，然后稱取各處理烘干后的葉片0.2 g，通過(guò)元素分析儀(Vario MAX CN,Elementar,德國(guó))測(cè)定葉片總氮含量，計(jì)算葉片單位面積氮(N)含量。

蔗糖合成酶(SS)活性(合成方向活性)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性、硝酸還原酶(NR)活性、谷氨酸合成酶(GOGAT)活性和谷氨酰胺合成酶(GS)活性測(cè)定分別按照蘇州科銘生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的試劑盒說(shuō)明書(shū)進(jìn)行。桑樹(shù)根系活力測(cè)定采用TTC法[18]。桑樹(shù)葉片微量元素含量測(cè)定參照Wu等[19]的方法，使用電感耦合等離子體光譜儀(Optima8300,PerkinElmer,美國(guó))分析測(cè)定微量元素(Fe、Mn、Cu和Zn)含量。

各處理(0B、15%B、20%B、30%B、50%B和100%B)均取5株幼苗，取各植株莖以及從頂端往下數(shù)第2片完全展開(kāi)葉片，液氮速凍后置于-80 ℃超低溫冰箱中保存，用于內(nèi)源激素含量測(cè)定。內(nèi)源激素提取方法：稱取約0.1 g樣品，放入研缽中液氮速凍磨碎，加入1 mL預(yù)冷的80%甲醇(V∶V)，4 ℃浸提過(guò)夜。4 ℃、15 000 r·min-1下離心10 min，殘?jiān)?.5 mL 80%甲醇浸提2 h，離心后取出上清液，合并兩次上清液，40 ℃下減壓蒸發(fā)至不含有機(jī)相(所剩體積約為0.5 mL)，加入0.5 mL石油醚萃取脫色3次，棄去上層醚相，下層40 ℃減壓蒸干，加入0.5 mL流動(dòng)相溶解，然后通過(guò)針頭式過(guò)濾器過(guò)濾于帶有內(nèi)襯管的樣品瓶?jī)?nèi)待測(cè)。利用Rigol L3000高效液相色譜儀(Rigol,中國(guó))、 Kromasil C18反相色譜柱(250 mm×4.6 mm,5 μm)測(cè)定赤霉素(GA3)和脫落酸(ABA)含量，開(kāi)啟電腦、檢測(cè)器和泵，安裝上色譜柱，打開(kāi)軟件，在方法組中設(shè)置進(jìn)樣量為10 μL，流速為0.8 mL·min-1，柱溫為35 ℃，走樣時(shí)間為20 min，檢測(cè)波長(zhǎng)254 nm。用流動(dòng)相(流動(dòng)相的配制：取200 mL甲醇和300 mL超純水混合，加入3 mL冰醋酸，混勻)過(guò)色譜柱，待基線穩(wěn)定后開(kāi)始加樣測(cè)定。

1.3.2試驗(yàn)二指標(biāo)測(cè)定 各處理選取5株幼苗，用直尺測(cè)定從莖頂端到莖基部的莖長(zhǎng)，在培養(yǎng)過(guò)程中每3 d測(cè)定一次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用DPS 7.5軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(one-way ANOVA)和相關(guān)性分析，并比較不同數(shù)據(jù)組間的差異(LSD,α=0.05)。采用Microsoft Excel 2007作圖，圖表中數(shù)據(jù)均為3次或3次以上重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同紅藍(lán)光配比對(duì)桑樹(shù)幼苗葉片碳水化合物含量的影響

紅光處理下桑樹(shù)幼苗葉片的可溶性糖含量、蔗糖含量和淀粉含量均顯著低于對(duì)照及其他各處理(P<0.05)(圖1)；隨著紅藍(lán)組合光中藍(lán)光比例的增大，葉片的可溶性糖含量、蔗糖含量和淀粉含量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。藍(lán)光處理下葉片可溶性糖含量、淀粉含量達(dá)到最大值且顯著高于對(duì)照及其他各處理(P<0.05)。同時(shí)50%B紅藍(lán)組合光及100%藍(lán)光處理的蔗糖含量均顯著高于對(duì)照及其他各處理(P<0.05)，50%B紅藍(lán)組合光處理下的蔗糖含量高于藍(lán)光處理，但二者之間差異不顯著(P>0.05)(圖1)。

圖1 不同紅藍(lán)光配比對(duì)桑樹(shù)葉片碳水化合物含量的影響Fig. 1 Effect of different proportions of red and blue light on carbohydrate content in mulberry leaves

CK,0B,15%B,20%B,30%B,100%B分別表示白光對(duì)照，紅光，藍(lán)光配比15%，20%，30%和100%。不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

CK, 0B, 15%B, 20%B, 30%B, 100%B indicate white light, red light and proportion of blue light(15%, 20%, 30%, 100%)。Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level; similarly for the following figures.

2.2 不同紅藍(lán)光配比對(duì)桑樹(shù)幼苗葉片碳代謝相關(guān)酶活性的影響

紅光處理下桑樹(shù)幼苗葉片的蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性最低且顯著低于對(duì)照及其他各處理(P<0.05)(圖2)；隨著紅藍(lán)組合光中藍(lán)光比例的增大，蔗糖磷酸合成酶活性呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，30%B、50%B紅藍(lán)組合光及藍(lán)光處理下蔗糖磷酸合成酶活性均明顯高于對(duì)照及15%B、CK和0B。不同紅藍(lán)光配比處理下蔗糖合成酶活性的變化趨勢(shì)與蔗糖磷酸合成酶活性略有差異，紅光處理下蔗糖合成酶(SS)活性最低且顯著低于對(duì)照及其他各處理(P<0.05)，但從紅光開(kāi)始隨著藍(lán)光比例的增加，其活性呈現(xiàn)先升高而后略有降低的趨勢(shì)，在20%B、30%B紅藍(lán)組合光處理下活性較高且顯著高于對(duì)照(P<0.05)(圖2)。

圖2 不同紅藍(lán)光配比對(duì)桑樹(shù)葉片碳代謝相關(guān)酶活性的影響Fig. 2 Effect of different proportions of red and blue light on carbon metabolism-related enzyme activities in mulberry leaves

2.3 不同紅藍(lán)光配比對(duì)桑樹(shù)幼苗葉片氮含量及氮代謝相關(guān)酶活性的影響

紅光處理下葉片單位面積氮含量最低且顯著低于對(duì)照及20%B、30%B、50%B和100%B處理(P<0.05)。隨著光照中藍(lán)光比例的增加，葉片單位面積氮含量逐漸增加，在藍(lán)光處理下單位面積氮含量達(dá)到最高水平且顯著高于對(duì)照(P<0.05)(圖3)。

硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)是植物氮素同化的關(guān)鍵酶，不同紅藍(lán)光配比處理下這3種酶活性的變化趨勢(shì)相似，均表現(xiàn)為，紅光處理下葉片酶活性最低且顯著低于對(duì)照及其他各處理(P<0.05)，同時(shí)隨著紅藍(lán)組合光中藍(lán)光比例的增大，NR、GS與GOGAT活性逐漸升高，在50%B紅藍(lán)組合光處達(dá)到最大值，而后在藍(lán)光處理下略有降低(圖3)。

圖3 不同紅藍(lán)光配比對(duì)桑樹(shù)葉片全氮含量及氮代謝相關(guān)酶活性的影響Fig. 3 Effect of different proportions of red and blue light on total nitrogen content and nitrogen metabolism-related key enzyme activities in mulberry leaves

2.4 不同紅藍(lán)光配比對(duì)桑樹(shù)幼苗根系活力和葉片微量元素含量的影響

根系活力是衡量根系功能的重要指標(biāo)，根系活力的高低影響根系對(duì)土壤中養(yǎng)分的吸收。隨光質(zhì)的變化，植株的根系活力發(fā)生了明顯變化。對(duì)照的根系活力最高且顯著高于其他處理(P<0.05)(圖4)，紅光處理下桑樹(shù)幼苗的根系活力最低且顯著低于對(duì)照及其他各處理(P<0.05)；隨著紅藍(lán)組合光中藍(lán)光比例的增大，植株的根系活力呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在50%B紅藍(lán)組合光處理下達(dá)到最大。與50%B紅藍(lán)組合光處理相比，100%藍(lán)光處理則導(dǎo)致根系活力顯著降低(P<0.05)。

不同紅藍(lán)光配比處理也明顯影響了植株葉片的微量元素(Mn、Cu和Zn)含量。與對(duì)照相比，各處理下植株葉片的Fe含量無(wú)顯著變化(圖4)；紅光處理下的Mn、Cu和Zn含量最低且顯著低于對(duì)照及其他各處理(P<0.05)，同時(shí)隨著光照中藍(lán)光比例的增大(0～50%)，植株葉片中的Mn、Cu和Zn含量總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，按照這種趨勢(shì)藍(lán)光處理下的Mn、Cu和Zn含量將達(dá)最大，但與50%B紅藍(lán)組合光處理相比，100%藍(lán)光處理導(dǎo)致Mn、Cu和Zn含量降低；Mn、Cu含量在50%B紅藍(lán)組合光處理下達(dá)到最大值，而在30%B紅藍(lán)組合光處理下葉片的Zn含量最大；各紅藍(lán)組合光及藍(lán)光處理下的Mn、Cu和Zn含量均顯著高于對(duì)照(P<0.05)。

2.5 不同紅藍(lán)光配比對(duì)桑樹(shù)幼苗中內(nèi)源激素含量的影響

紅光處理下莖、葉中的GA3含量最高且顯著高于其他各光質(zhì)處理(P<0.05)(圖5)，隨著藍(lán)光比例增加(15%～100%)，桑樹(shù)幼苗莖、葉中GA3含量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，藍(lán)光處理下莖、葉中的GA3含量明顯低于其他各光質(zhì)處理。除了在30%B紅藍(lán)組合光處理下葉中ABA含量較低，而在50%B處理下ABA含量較高外，其他各處理的葉中ABA含量均無(wú)明顯差異，總體而言，紅藍(lán)光配比的變化對(duì)桑樹(shù)幼苗莖、葉中ABA含量影響較小(圖5)。

2.6 赤霉素對(duì)生長(zhǎng)在紅光、藍(lán)光下的桑樹(shù)幼苗莖伸長(zhǎng)的影響

在0-9 d時(shí)，噴施多效唑的桑樹(shù)幼苗莖長(zhǎng)增加極小(圖6)，這表明噴施多效唑可明顯抑制桑樹(shù)幼苗莖伸長(zhǎng)，在噴施GA3溶液9 d時(shí)，R10、R100、B10和B100處理的莖長(zhǎng)均明顯增加，而且在紅光和藍(lán)光下，100 mg·L-1GA3溶液處理的幼苗莖長(zhǎng)均明顯大于10 mg·L-1GA3溶液處理，R100處理的莖長(zhǎng)大于WCK，而B(niǎo)100處理的莖長(zhǎng)小于WCK。在12和21 d時(shí)，R10、R100處理的莖長(zhǎng)均分別高于B10、B100處理，同時(shí)與9 d時(shí)的莖長(zhǎng)相比，12 d時(shí)的R10、R100處理其莖長(zhǎng)分別增加了89.5%、190.4%，而B(niǎo)10、B100分別增加了40.5%和77.1%，R10、R100處理莖長(zhǎng)的增加幅度明顯高于B10和B100處理，這說(shuō)明藍(lán)光可降低桑樹(shù)幼苗莖對(duì)GA3的敏感性。

圖4 不同紅藍(lán)光配比對(duì)桑樹(shù)根系活力和葉片中微量元素(Fe、Mn、Cu和Zn)含量的影響Fig. 4 Effect of different proportions of red and blue light on mulberry root system activity, and on microelement content (Fe, Mn, Cu, and Zn) in leaves

圖5 不同紅藍(lán)光配比對(duì)桑樹(shù)幼苗中內(nèi)源激素含量的影響Fig. 5 Effect of different proportions of red and blue light on endogenous hormone content in mulberry seedlings

圖6 赤霉素(GA3)處理對(duì)生長(zhǎng)在紅光、藍(lán)光下的桑樹(shù)幼苗莖伸長(zhǎng)的影響Fig. 6 Effect of GA3 treatment on stem elongation in mulberry seedlings grown under red or blue light

箭頭所示為GA3處理的時(shí)間。WCK、PCK、R0、R10、R100、B0、B10、B100分別表示白光對(duì)照，紅光對(duì)照，0，10，100 mg·L-1GA3在紅光和藍(lán)光下的處理。

Arrows show the time of GA3treatment. WCK、PCK、R0、R10、R100、B0、B10、B100indicate white and red light; 0，10，100 mg·L-1GA3treatments under red and blue light.

3 討論與結(jié)論

光質(zhì)可以調(diào)控高等植物碳水化合物的代謝。Li等[20]研究表明,單質(zhì)紅光處理下陸地棉(Gossypiumhirsutum)幼苗的可溶性糖、蔗糖和淀粉含量高于白色熒光燈、紅藍(lán)LEDs組合光及單質(zhì)LEDs藍(lán)光處理；有研究表明，紅光可促進(jìn)不結(jié)球白菜(Brassicacampestris)可溶性糖、蔗糖和淀粉的積累，其含量均表現(xiàn)為紅光處理>紅藍(lán)組合光處理>藍(lán)光處理[21]；紅光處理可顯著提高大豆(Glycinemax)、高粱(Sorghumbicolor)葉片中淀粉含量[22]；Sb?等[23]認(rèn)為紅光可增加植物葉片中淀粉的積累，主要是通過(guò)抑制葉片中光合作用產(chǎn)物向外轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)現(xiàn)的。較多研究表明，葉片中碳水化合物的積累對(duì)光合作用不利。比如，紅光促進(jìn)淀粉在植物葉綠體中的累積，可對(duì)光合作用產(chǎn)生抑制作用[24]；葉片中碳水化合物的積累與光合作用的反饋性下調(diào)有關(guān)[25]；Britz和Sager[22]發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)在低壓鈉燈(只發(fā)射少量藍(lán)光，主要是紅光)下的大豆、高粱較低的Pn與其葉片淀粉含量高于日光燈下處理植株有關(guān)。本研究結(jié)果表明，紅光處理下的可溶性糖、蔗糖和淀粉最低，與紅光處理相比，紅藍(lán)組合光、藍(lán)光處理下含量顯著升高(P<0.05)(圖1)，這與前人研究結(jié)果并不一致，可能是因?yàn)楣赓|(zhì)對(duì)植物碳水化合物代謝的影響與植物種類或品種有關(guān)。同時(shí)筆者發(fā)現(xiàn)Pn并未隨碳水化合物含量升高而降低(另文發(fā)表)，因此可以排除碳水化合物積累對(duì)桑樹(shù)植株光合作用的反饋抑制。本研究結(jié)果也說(shuō)明，藍(lán)光可促進(jìn)桑樹(shù)葉片中碳水化合物的積累，其原因可能是藍(lán)光比例增加，植株生長(zhǎng)受抑制(葉片展開(kāi)、莖伸長(zhǎng))，而植株光合活性較高(另文發(fā)表)，碳同化代謝增強(qiáng)，但庫(kù)減小，造成光合作用產(chǎn)物在葉片中積累。

不同光質(zhì)下碳水化合物含量的變化可能受到碳水化合物代謝相關(guān)酶活性的調(diào)控，SPS是參與蔗糖合成的關(guān)鍵酶，其活性較高意味著有利于光合作用產(chǎn)物向蔗糖的轉(zhuǎn)化。SS是可逆酶，既參與蔗糖合成又催化蔗糖分解。Heo等[26]認(rèn)為藍(lán)光處理下葡萄(Vitisberlandieri×V.riparia)幼苗葉片較高的淀粉含量與蔗糖磷酸合成酶等碳代謝相關(guān)酶活性的變化有關(guān)；張旭[27]的研究結(jié)果表明，相比于在白光背景下補(bǔ)充藍(lán)光，在白光背景下補(bǔ)充紅光可使萵苣(Lactucasativa)、菠菜(Spinaciaoleracea)葉片SPS活性升高，而SS活性降低，有利于蔗糖的合成；孫娜[28]的研究表明，紅藍(lán)組合光、藍(lán)光處理下番茄(Lycopersiconesculentum)葉片SS的活性顯著高于紅光、白光處理，而紅光、藍(lán)光下SPS活性與白光、紅藍(lán)組合光處理相比顯著降低。本研究結(jié)果表明，在紅藍(lán)組合光(20%B、30%B和50%B)與藍(lán)光處理下SPS活性、SS活性(合成方向)明顯高于對(duì)照和紅光處理(圖2)。這與前人研究結(jié)果并不一致。以上結(jié)果表明，植物SPS、SS等碳代謝相關(guān)酶活性對(duì)光質(zhì)的響應(yīng)可能是物種依賴的。就桑樹(shù)幼苗而言，相比于紅光，藍(lán)光有利于增強(qiáng)桑樹(shù)幼苗葉片蔗糖的合成代謝。有研究認(rèn)為光質(zhì)對(duì)植物碳水化合物代謝的影響可能與光受體有關(guān)[26]，光質(zhì)的變化也可能誘導(dǎo)了光敏色素對(duì)蔗糖代謝酶的調(diào)控，導(dǎo)致蔗糖代謝相關(guān)酶活性發(fā)生變化，從而調(diào)節(jié)植株淀粉、蔗糖等碳水化合物的含量[29]。因此，光受體可能在調(diào)控桑樹(shù)碳代謝相關(guān)酶中起作用。

碳代謝與氮素同化緊密相關(guān)，光合產(chǎn)物的增加可為氮素同化提供更多碳骨架，已有研究表明植物中碳水化合物含量降低，硝酸根的同化速率變慢，而蔗糖、果糖等外源糖類處理可加快氮同化速率并促進(jìn)氨基酸的合成[15]。Larios等[30]的研究表明當(dāng)向日葵(Helianthusannuus)葉片碳同化速率加快，碳水化合物含量的增加可促進(jìn)編碼NR、GS基因的表達(dá)，同時(shí)NR、GS的活性也升高，光合碳同化產(chǎn)生的糖類可能是調(diào)控編碼NR、GS基因表達(dá)及其活性的因子。碳固定過(guò)程中產(chǎn)生的代謝信號(hào)可以調(diào)控NR活性，但這些信號(hào)是直接還是間接作用于NR尚不清楚[31]。Agüera等[32]研究表明當(dāng)光合碳同化速率長(zhǎng)期保持在高水平，碳水化合物含量增加可引起編碼NR、GS基因表達(dá)上調(diào)，以及NR、GS活性升高，編碼NR、GS基因的表達(dá)似乎主要受碳水化合物水平的控制，而不是硝態(tài)氮水平。本研究中，隨著藍(lán)光比例增加(0～50%)，NR、GS和GOGAT活性呈升高趨勢(shì)，同時(shí)伴隨著可溶性糖、蔗糖含量的升高(圖2、3)。結(jié)合前人研究結(jié)果，蔗糖等糖類可能作為正調(diào)控代謝物促進(jìn)桑樹(shù)中編碼NR、GS基因的表達(dá)和NR、GS活性提高。關(guān)于藍(lán)光可提高植物中NR、GS和GOGAT活性已有報(bào)道，有研究表明光照中藍(lán)光比例增加可引起芹菜(Apiumgraveolens)葉片中NR、GS和GOGAT活性升高，增強(qiáng)芹菜的氮代謝并促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成[33]；對(duì)番茄的研究發(fā)現(xiàn)，紅光可顯著降低NR、GS和GOGAT活性，而藍(lán)光、紅藍(lán)組合光則使GS和GOGAT活性顯著升高，進(jìn)而促進(jìn)了蛋白質(zhì)、氨基酸的合成，表現(xiàn)為可溶性蛋白和游離氨基酸含量增加[28]。本研究結(jié)果與此相似，NR、GS、GOGAT活性和可溶性蛋白含量也隨藍(lán)光比例升高(0～50%)而增加(另文發(fā)表)，同時(shí)單位面積氮含量也呈升高趨勢(shì)(圖3)。這可能是由于GS-GOGAT循環(huán)是植物氮素同化的重要途徑，GS和GOGAT活性的變化將直接影響植物氮同化造成的。本研究結(jié)果也說(shuō)明，在紅光背景下增加藍(lán)光比例可促進(jìn)桑樹(shù)幼苗的氮代謝，使蛋白質(zhì)合成增加。值得注意的是NR具有FAD輔基，其吸光范圍在400 nm左右，NR還具有喋呤輔基，其吸收波長(zhǎng)300-500 nm的光。而隱花色素也含有黃素和喋呤作為輔助因子，有研究表明NR在粗糙脈孢菌(Neurosporacrassa)起光受體的作用，并作為光受體參與產(chǎn)孢過(guò)程[34]。因此，在植物中NR自身有可能是光受體，藍(lán)光有可能直接作用于NR促進(jìn)其活化，從而提高其活性。Thomas[35]的研究也發(fā)現(xiàn)藍(lán)光可直接促進(jìn)NR活化，卻導(dǎo)致一些酶(乙醇酸氧化酶等)失活。所以本研究中，藍(lán)光也有可能直接影響NR活性。

前人較多研究發(fā)現(xiàn)光質(zhì)的改變不僅可以影響植物地上部分的生長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)植物根系活力也有影響，單質(zhì)紅光、單質(zhì)藍(lán)光和紅藍(lán)組合光處理下不同水稻(Oryzasativa)品種的根系活力均顯著高于白光對(duì)照[36]。孫娜[28]的研究表明，單質(zhì)藍(lán)光、紅藍(lán)組合光下番茄幼苗的根系活力顯著高于白光處理，而單質(zhì)紅光下則顯著低于白光處理。而就韭菜(Alliumtuberosum)而言，藍(lán)光處理下植株根系活力顯著低于白光對(duì)照，紅光處理下根系活力與白光對(duì)照無(wú)顯著差異，而在紅藍(lán)組合光處理下卻顯著高于白光對(duì)照[37]。肖春生等[38]研究發(fā)現(xiàn)，與白光對(duì)照相比，隨著紅藍(lán)組合光中藍(lán)光比例的增大，煙草(Nicotianatabacum)根系活力顯著升高。本研究結(jié)果表明，紅光處理下桑樹(shù)植株的根系活力最低，隨著紅藍(lán)組合光中藍(lán)光比例增加，根系活力呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，而在藍(lán)光處理下略有下降。李慧敏[39]在不同光質(zhì)對(duì)甘藍(lán)型油菜(Brassicanapus)根系活力影響的研究中也發(fā)現(xiàn)了與此相似的趨勢(shì)。但本研究中白光對(duì)照處理下桑樹(shù)植株的根系活力最高(圖4)，與以上眾多前人研究結(jié)果并不一致，這可能與對(duì)照桑樹(shù)植株根系代謝旺盛有關(guān)。本研究結(jié)果也說(shuō)明，藍(lán)光可削弱紅光對(duì)桑樹(shù)幼苗根系生長(zhǎng)的不利影響，并促進(jìn)其根系活力的提高。

同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)，不同紅藍(lán)光配比可影響桑樹(shù)幼苗葉片中微量元素的含量，隨著藍(lán)光比例增大(0～50%)，桑樹(shù)幼苗葉片的微量元素(Mn、Cu和Zn)含量總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；紅藍(lán)組合光中藍(lán)光比例增加可促進(jìn)根系活力升高(圖4)，而根系活力反映根的代謝活動(dòng)強(qiáng)弱，與植物根系對(duì)養(yǎng)分吸收能力的強(qiáng)弱有關(guān)。因此，與紅光處理相比，紅藍(lán)組合光處理下桑樹(shù)幼苗葉片微量元素(Mn、Cu和Zn)含量升高，可能是由于根系活力增強(qiáng)造成的；而藍(lán)光處理下根系活力下降、根系長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)較弱，可能導(dǎo)致了葉片微量元素(Mn、Cu和Zn)含量的相對(duì)降低；對(duì)照處理下根系活力最高，而葉片微量元素含量并未顯著高于除紅光處理外的其他各處理，同時(shí)對(duì)照及其他各處理間Fe含量也無(wú)明顯差異(圖4)，這可能是由于對(duì)照處理的根系長(zhǎng)勢(shì)較弱、不發(fā)達(dá)，同時(shí)植物對(duì)礦質(zhì)元素的吸收還受離子載體數(shù)量等多種因素影響所致。

光和激素的相互作用在調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起重要作用[40]，不同光質(zhì)可以通過(guò)與其相關(guān)的光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑來(lái)影響植物中的相關(guān)激素含量，從而引起植物的生理、形態(tài)發(fā)生變化[16]。前人研究發(fā)現(xiàn)紅光可以通過(guò)光敏色素介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)赤霉素(GA)代謝，并促進(jìn)GA的合成[41]，同時(shí)影響胚軸細(xì)胞對(duì)GA的敏感性[42]。同時(shí)有研究表明藍(lán)光可通過(guò)隱花色素介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，影響若干參與GA合成和代謝的酶基因的表達(dá)(促進(jìn)GA2ox1表達(dá)，抑制GA20ox1和GA3ox1表達(dá))，從而導(dǎo)致具有生物活性的GA積累減少，下胚軸伸長(zhǎng)受抑制[43]。本研究結(jié)果表明，藍(lán)光比例增加(0～100%)對(duì)桑樹(shù)幼苗莖、葉中ABA含量影響較小，卻造成莖、葉中GA3含量明顯降低(圖5)，藍(lán)光不利于桑樹(shù)莖、葉中GA3積累，這可能與光敏色素、隱花色素介導(dǎo)紅光或藍(lán)光調(diào)控參與GA合成和代謝的酶基因的表達(dá)有關(guān)[44-45]。

紅光對(duì)桑樹(shù)幼苗莖伸長(zhǎng)表現(xiàn)出促進(jìn)作用，而藍(lán)光表現(xiàn)出抑制作用，在紅藍(lán)組合光下，隨著藍(lán)光比例增大(0～100%)，莖伸長(zhǎng)受抑制程度也隨之增加(另文發(fā)表)。本研究發(fā)現(xiàn)，在紅光、藍(lán)光下，對(duì)多效唑預(yù)處理過(guò)的桑樹(shù)幼苗噴施GA3溶液(10和100 mg·L-1)，幼苗莖長(zhǎng)隨之增加，但與藍(lán)光處理相比，在紅光下，噴施相同濃度GA3溶液后，幼苗莖長(zhǎng)增加更為迅速，且最終莖長(zhǎng)也明顯高于藍(lán)光處理(圖6)，這表明紅光、藍(lán)光對(duì)莖伸長(zhǎng)的不同作用，可能主要是通過(guò)調(diào)節(jié)赤霉素含量實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)隨著藍(lán)光比例增大(0～100%)，莖伸長(zhǎng)受抑制程度增加(另文發(fā)表)，可能也與GA3含量降低有關(guān)(圖6)。

值得注意的是本研究結(jié)果也表明，相比于紅光，藍(lán)光可造成桑樹(shù)幼苗莖對(duì)赤霉素的敏感性降低(圖6)。有研究證明GA受體GID1的數(shù)量可影響植物對(duì)GA的敏感性[46]，因此單質(zhì)藍(lán)光或紅藍(lán)組合光中的藍(lán)光可能是通過(guò)下調(diào)GA受體的數(shù)量或者降低GA受體與GA的親和力來(lái)影響桑樹(shù)幼苗莖對(duì)赤霉素的敏感性。由于隨著藍(lán)光比例增加(0B～100%B)，桑樹(shù)葉面積逐漸變小(另文發(fā)表)，而且前人研究表明GA可促進(jìn)葉片伸展[47]，所以紅光、藍(lán)光對(duì)桑樹(shù)幼苗葉面積的不同影響可能也與紅光、藍(lán)光調(diào)節(jié)葉中GA3含量有關(guān)。

綜上所述，在紅光基礎(chǔ)上補(bǔ)充藍(lán)光可逆轉(zhuǎn)或削弱紅光對(duì)桑樹(shù)幼苗生理代謝的負(fù)面效應(yīng)，紅光、藍(lán)光可通過(guò)調(diào)節(jié)桑樹(shù)幼苗莖中GA3含量和桑樹(shù)幼苗莖對(duì)GA3的敏感性，從而使紅光表現(xiàn)為對(duì)桑樹(shù)幼苗莖伸長(zhǎng)的促進(jìn)作用，而藍(lán)光表現(xiàn)為對(duì)桑樹(shù)幼苗莖伸長(zhǎng)的抑制作用?？傊?，相對(duì)單質(zhì)紅光、單質(zhì)藍(lán)光，紅藍(lán)組合光更適于桑樹(shù)幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育。