人参种子来自吉林省吉林市永吉县吉林农业大学人参种植基地, 选取大小一致的人参种子进行试验。 不同光质的LED植物灯购自广东省宸华照明有限公司。

试验在吉林农业大学温室培育基地的LED光照培养室内进行, 供试材料为人参种子培育的一年生种苗。 人参种子于2021年3月22日播种在育苗盘内(6× 6× 10, 长× 宽× 高), 每个育苗盘内播种三粒种子, 培养基质为蛭石:草炭土:有机土(2:4:4)。 待长至叶片将要展开时, 移入6种不同LED光源下培养, 分别为白光(W, 作为对照)、 蓝光(B, 450~470 nm)、 红光(R, 625~655 nm) 、 绿光(G, 510~530 nm)、 黄光(Y, 585~605 nm)、 红蓝光(RB, R/B=4:1), 白光作为对照光源。 调节光源与幼苗的距离, 使光量子密度在各处理组中保持一致, 均调至100 μ mol· m^-2· s^-1。 每个处理组设置三次重复, 每次重复100株幼苗。 培养条件: 白天温度(25± 2) ℃, 晚上温度(20± 2) ℃。 光照时间14 h· d^-1。

LED光源系统由广东宸华照明有限公司制造, 光谱分布如图1(a— f)所示。

图1

Fig.1

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	图1 不同光质的光谱曲线 (a): 绿; (b): 黄; (c): 红; (d): 蓝; (e): 红蓝复合; (f): 白光Fig.1 Spectral curves of different light qualities (a): Green; (b): Yellow; (c): Red; (d): Blue; (e): Red and blue; (f): White

光质处理60 d后, 每个处理随机取20株幼苗用直尺测定每片叶片的长和宽, 叶面积使用WindDIAS 图像分析系统测量。 叶绿素含量用无水乙醇-丙酮法测定。

叶绿素荧光使用OS5-FL调制式叶绿素荧光仪(美国Opti2science公司)测定其荧光参数。 选取正常生长的叶片, 进行暗适应40 min。 然后进行测定。 根据测定数据, 进行以下计算

Fv=Fm-Fo(1)

计算出可变荧光F_v, 式(1)中可变荧光和最大荧光之比(F_v/F_m)被称为PSⅡ 的最大光化学效率。

PSⅡ 有效光化学量子产量(yield)=(F'_m-F_s)/F'_m (2)

通过PSⅡ 的相对电子传递速率(ETR)

ETR=Yield×Iaf(3)

式(3)中, I为入射到叶面的光强; a为叶片吸收光的比例, 通常为84%; f为光能在PSⅡ 分配的比例, 在C3植物中通常为50%。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同光质的光谱峰值波长 Table 1 Spectral peak wavelengths for different light qualities 处理 光谱 峰值波长/nm 光量子密度/ (μ mol· m-2· s-1) G 绿 510~530 100 Y 黄585~605 100 R 红 625~655 100 B 蓝 450~470 100 RB(4:1) 红蓝(4:1) 625~655, 450~470 100 W(CK) 白光(对照) 400~760 100

表1 不同光质的光谱峰值波长 Table 1 Spectral peak wavelengths for different light qualities

气孔特性的观察: 每个处理随机选取3株植株, 选取人参掌状复叶中间小叶进行观察, 先用脱脂棉蘸水轻轻擦拭叶片上、 下表皮以去灰尘。 30 min后, 在下表皮中部靠近主脉的两侧快速涂上一层薄薄的透明指甲油, 待风干结成膜后, 用透明胶带的载玻片压在叶片上, 然后轻轻剥下叶片, 使指甲油印膜粘在透明胶带上, 用中性树胶封片, 制成临时片, 在正置荧光显微镜下观察, Leica显微摄影系统拍照, 采用LAX软件进行气孔大小和气孔面积的测量。

叶片超微结构观察处理方法: (1)固定取材1 mm³组织若干块, 立刻固定到2.5%戊二醛24 h, 把固定液倒掉入PBS缓冲液中6 h, 切片组织加入1%锇酸后固定2 h; (2)脱水30%乙醇10 min, 50%乙醇10 min, 70%乙醇醋酸铀(包埋前染色)3 h或过夜, 80%乙醇10 min, 95%乙醇15 min, 100%乙醇两次50 min, 环氧丙烷30 min; (3)浸透环氧丙烷1:环氧树脂1, 2 h, 纯环氧树脂3 h; (4)纯环氧树脂包埋后入45 ℃烤箱12 h, 72 ℃烤箱24 h; (5)取出包埋块修块后超薄切片(片厚70 nm, 切片机型号为leica UC-7)铜网捞片; (6)电子染色(铅染色); (7)拍照: 用日本电子透射电镜拍照。

对照组与处理组的数据定量为均值± SE, 并进行方差分析(ANOVA), p≤ 0.05认为存在显著差异, 以上数据采用SPSS 22和Origin 2018b软件进行统计分析和绘图。

图2表明, 不同光质影响了人参幼苗叶片的形态发育和叶绿素分布, 并且差异明显。 在叶长和叶宽中, 不同光质对叶长和叶宽的影响呈现了一致的变化。 红光明显高于其他几种光处理和对照, 其次是对照和红蓝复合光处理, 对叶长和叶宽影响最小的是蓝光和黄光。 从叶面积来看, 与对照白光相比, 蓝光和黄光有明显的抑制叶片延伸的作用。 与相关报道结果一致, 发现增加蓝光比例对烟草叶面积的增加有明显的抑制作用, 增加红光比例, 叶片的长、 宽和叶面积与白光相比无显著差异。 根据在不同光质对烟草叶片生长上的影响来看, 黄光处理下的叶长叶宽叶面积指数较白光低, 也低于其他处理组, 也与本试验结果一致。 从图1结果可以看出, 添加红光可以有效解除蓝光对叶片延伸的抑制效果。 从图3(a)可以明显看出, 蓝光、 黄光、 绿光照射叶片影响较小, 红光照射叶片较长, 白光, 红蓝复合光照射的叶片较大, 并且黄光下叶片展叶迟缓, 在光照处理三十天时, 还尚未完全展叶。 从图3(b)可以看出, 叶片生长角度也有差异, 红光向上延伸, 并带有卷曲, 叶片生长异常, 垂直角度最大, 红蓝光次之, 而蓝光叶片几乎水平生长, 由此可以看出, 不同光质对人参叶片的延伸角度是有影响的。 另外, 从株型来看, 白光、 红蓝光、 和蓝光下的幼苗株型紧凑, 更为健壮。

图2

Fig.2

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	图2 不同光质下叶面积参数和叶绿素Fig.2 Leaf area parameters and chlorophyll under different light quality

图3

Fig.3

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	图3 不同光质处理30 d时的叶片形态和株型Fig.3 Leaf morphology and plant after 30 days of different light quality treatments

光合色素是接受和转化光能的基础, 对植物生长有重要作用。 图2(d— g)表明了不同光质下人参叶片中叶绿素a、 叶绿素b、 叶绿素a/b和总叶绿素的分布情况。 由图可见, 不同光质对叶绿素a、 叶绿素b、 叶绿素a/b和总叶绿素的影响呈现了几乎一致的变化规律, 即蓝光下色素含量最大, 红蓝复合光和白光次之, 绿光和黄光下色素含量较小, 红光下色素含量最低。 从图3(a)中可以明显看出不同光质下的叶片颜色深浅不一, 蓝光下的叶片绿色最深, 红光下颜色最浅。 根据有关报道在一品红的研究中发现, 蓝光下叶绿素含量较高, 这与本实验的结果一致。 Jang等^[1]通过研究不同比例红蓝光下种苗的叶绿素含量发现, 单色蓝光下最大, 而单色红光下含量最小, 也与本试验的结果一致, 说明蓝光对于叶绿素的启动合成具有主导作用。

从图4(a, c)可以看出, ETR、 PS(Ⅱ )的变化规律相同, R、 RB处理两组的值明显较小, 远远低于其他组和对照, 而B、 Y、 W处理三组的值明显大于其他组, 说明B、 Y、 W三组处理的PSⅡ 光合电子传递效率较高, 叶片捕获和利用光的能力强。 RB、 R两组处理下qN值较大, 说明这两组光质处理下叶片PSⅡ 热耗散大, 光能利用率低。 相关研究发现正常植物F_v/F_m比值在0.75~0.85之间, 但在逆境条件下, 这一效率值明显降低。 本试验F_v/F_m在R、 RB处理下较低[见图4(b)], 均低于0.75, 说明R、 RB光下处理的幼苗叶片受到胁迫, 光合电子传递效率降低, 而B、 Y、 W三组处理下F_v/F_m较高, 表明在B、 Y、 W三种光质处理下叶片的潜在量子效率高。

图4

Fig.4

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	图4 不同光质对幼苗叶片荧光特性的影响Fig.4 The effect of different light quality on the fluorescence characteristics of seedling leaves

不同光质下生长的人参幼苗叶片气孔特性如图5(a, b, c)所示。 Y光处理下的气孔密度、 气孔面积、 单位叶面积气孔面积都较小, 说明光合速率小, 光合能力弱, 从图3(a, b)可以看出, 植株株型细长弱小, 生长迟缓。 G、 R、 W三种光处理下, 气孔密度、 单位叶面积气孔面积变化规律相同, 并且每个处理之间没有显著性差异, 但是显著高于其他三种处理, 说明这三种光处理下的叶片气体交换能力强。 RB、 B两种光处理下的叶片气孔面积较大, 但是气孔密度和单位叶面积气孔面积较小, 并且在实验中发现RB、 B两种处理下的气孔形态狭长, 开度较大, 说明单个气孔的气体交换效率高。

图5

Fig.5

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	图5 不同光质对幼苗叶片气孔特性的影响 (a): 单位叶面积气孔面积; (b): 气孔密度; (c): 气孔面积Fig.5 The effect of different light quality on the stomata characteristics of seedling leaves (a): Stomatal area per unit leaf area; (b): Stomatal density; (c): Stomatal area

从图6可以看出, 在不同光质下处理的叶片呈现出不同的形态和深浅不一的颜色。 在处理120 d后, 黄光下的叶片绿色较深, 叶片幼嫩, 叶片狭长, 叶面积较小。 白光下的叶片绿色稍浅, 有泛黄的小斑点, 叶片厚而宽大。 红蓝复合光下的叶片只有靠近叶脉处的绿色较深, 有较多泛黄的大斑点, 叶片整体呈现黄绿色, 叶片健壮厚实宽大。 绿光下的叶片绿色很浅, 已经有部分区域泛黄枯萎, 叶片狭长, 薄而弱。 红光和蓝光下的叶片已经完全接近衰老期, 大部分已经泛黄, 只有很少的绿色部分, 并且在衰老时伴随叶面积的缩小, 可能是由于缩水导致。 另外, 蓝光的衰老期要早于红光。

图6

Fig.6

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	图6 不同光质处理120 d的人参叶片Fig.6 Ginseng leaves treated with different light quality for 120 days

图7是人参幼苗叶片在不同光质下处理120 d时的超微结构观察图。 由图7可以看出, 在120 d时, 不同光质处理下的叶片在内部超微结构上有显著的不同。 图W1, W2和W3是白光处理下的叶片细胞显微结构, 从图W1可以看出, 部分细胞结构完整, 叶绿体数量多, 近圆形, 其中淀粉粒较多, 细胞内线粒体丰富, 图W2中叶绿体结构完整, 淀粉粒较大, 出现少量嗜锇颗粒, 基质、 基粒片层结构完整, 但结构较松散, 说明叶绿体已经开始解离。 图W3是正在溶解的叶绿体, 大部分是淀粉粒, 叶绿体的片层结构已经溶解。 图Y1, Y2和Y3是黄光处理下的叶片细胞显微结构, 从图Y1中可以看出, 细胞结构完整, 但细胞体积较小, 叶绿体体积较大, 线粒体分布较少。 图Y2和Y3可以看出, 叶绿体饱满, 呈纺锤形, 靠近细胞壁, 被膜清晰完好, 基质基粒片层结构紧凑, 淀粉粒小而少, 出现少量嗜锇颗粒, 叶绿体功能区体积占比较大, 属于正常生长期, 未见溶解。 图R1, R2和R3是红光处理下的叶片细胞显微结构, 图R1表明, 红光下叶片细胞中的叶绿体少而小, 从图R2和R3中可以看出, 叶绿体基质基粒片层结构稀疏, 有少量淀粉粒和嗜锇颗粒出现, 部分叶绿体被膜溶解。 图RB1, RB2和RB3是红蓝复合光处理下的叶片细胞显微结构, 图RB1可以看出, 细胞内叶绿体数量较多, 体积大, 线粒体分布较多, 图RB2中可以看出, 叶绿体基粒片层分布较多, 基质片层较少, 结构松散, 嗜锇颗粒较多, 有少量淀粉粒, 图RB3是正在溶解的叶绿体, 只剩下少量的片层结构, 淀粉粒较大。 图B1, B2和B3是蓝光处理下的叶片细胞显微结构, 从图B1, B2和B3中可以看出, 蓝光下的叶绿体在处理120 d时已经几乎完全溶解, 细胞内只剩下大量的淀粉粒和少量残存的叶绿体组织, 叶片已经完全衰老。 图G1, G2和G3是蓝光处理下的叶片细胞显微结构, 图G1可以看出, 细胞内叶绿体数量多体积小, 有少量线粒体分布, 图G2和G3可以看出, 叶绿体内嗜锇颗粒较多, 淀粉粒数量多而小, 基质基粒片层结构不清晰, 垛叠结构较少而薄。 从以上结果可以看出, 不同光质对叶片细胞的显微结构产生了显著的影响, 其中, 白光和红蓝复合光下的细胞线粒体较多, 叶绿体形状规则, 体积较大, 数量较多, 故叶片生长较为健壮, 而红光、 黄光、 绿光下的细胞线粒体分布较少, 叶绿体形状多为纺锤形, 数量和体积较小, 片层结构松散, 垛叠结构较少, 这可能是叶片外观薄而弱小的原因, 但是从图中可以看出, 这三种光下的叶绿体结构完整, 衰老程度迟缓, 所以在处理120天时, 叶片看起来仍然嫩绿, 这在黄光下尤其明显。 蓝光下的叶片细胞衰老最快。 研究表明, 不同光质不仅影响叶片细胞内叶绿体和线粒体的数量分布和形状大小, 而且还影响叶片的衰老进程, 其先后顺序为B> RB> R> W> G> Y。

图7

Fig.7

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	图7 不同光质的人参幼苗叶片超微结构观察(处理120 d)Fig.7 Observation of the ultrastructure of ginseng seedling leaves with different light quality (treatment 120 d)