LED红光对蚕豆幼苗生长和生理生化的影响

摘    要：为探究LED红光对蚕豆幼苗生长和生理生化的影响，以凤豆6号蚕豆为供试材料，通过LED红光补光处理，测定水培条件下不同光照时段的蚕豆幼苗长势、营养元素含量、生理生化和生物量等指标。结果表明，与白光处理相比，蚕豆幼苗在红光补光处理12 h时表现较好，根、茎、叶中N含量分别提高了10.02、13.62、11.68 g·kg-1，茎中P含量提高了1.415 g·kg-1，生物量提高了12.78%。同时，叶片中可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸含量分别降低了1.433%、12.019 g·kg-1、0.016 g·kg-1。综上，适当的红光补光有助于提高蚕豆幼苗的生物量。研究结果可为蚕豆工业化种植补光措施的选择提供理论依据。

关键词：蚕豆幼苗；红光；生长；生理生化特性

中图分类号：S643.6 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2023）02-035-07

Effects of LED red light on growth， physiology and biochemistry features of Vicia faba seedlings

MU Dejin， WU Meizhen， YU Qiongfen， HU Xiaolong

（Key Laboratory of National Forestry and Grassland Administration on Biodiversity Conservation in Southwest China/Southwest Forestry University， Kunming 650224， Yunnan， China）

Abstract： In order to investigate the effects of LED red-light on the growth and physiological and biochemical characteristics of Vicia faba seedlings， the variety Fengdou No. 6 was used as experimental material， the growth vigor， nutrient elements， physiological and biochemical indexes and biomass of V. faba seedlings grown in hydroponic culture were determined under different illumination periods. The results showed that compared with the white-light， V. faba seedlings showed the best performance when treated with red light for 12 h， the contents of N in roots， stems and leaves increased by 10.02 g·kg-1， 13.62 g·kg-1 and 11.68 g·kg-1， respectively， the content of P in stems increased by 1.415 g·kg-1， the biomass increased by 12.78%. While the contents of soluble sugar， soluble protein and free proline in leaves decreased by 1.433%， 12.019 g·kg-1 and 0.016 g·kg-1， respectively. In conclusion， proper red-light compensation helps to increase the biomass of V. faba seedlings. The results provide a theoretical basis for the selection of light-making measures in broad bean industrial planting.

Key words： Vicia faba seedlings; Red light; Growth; Physiology and biochemistr features

蚕豆（Vicia faba L.）属于豆科（Leguminosae）野豌豆属（Vicia L.），是一种粮、饲、菜兼用的经济作物，在中国已有2000多年栽培历史，是中国传统作物之一[1]。目前蚕豆种植过程中存在种植分散、生产规模小、现代种业体系不成熟等问题，导致蚕豆的生产能力普遍下降[2]。目前对于蚕豆增产方面的研究主要集中在两个方面：一方面是筛选和培育优良的蚕豆种质资源[3]；另一方面是从蚕豆生长发育着手，通过施肥、间作、品种选育等手段达到提质增产的目的[4]。

光质是影响植物生长发育的重要环境因子[5]。在现代设施农业领域内，人工补光技术已经成为提高设施内作物产量的有效手段，但其在蚕豆培育方面的作用鲜有研究报道。已有的研究结果表明，不同植物对不同光质的响应不同[6]，其中，不同光质对植物苗期的形态发育[7]、根系建成[8]、生理代谢[9]、光化学和光合特性[10]、品质产量[11]等均有重要影响。而LED补光作为常用的光质调节手段，在蔬菜作物培育中有较为广泛的应用[12]。利用LED光源对植物进行补光可提高育苗品质、促进早熟高产、提高抗性[13]。特别是在生长前期补光比生长后期补光对作物生长的影响更大，并且不同时段、光质对作物的生长发育和生理代谢起到不同的调控作用[11]。植物的光合作用主要吸收红光和蓝紫光[14]，红光有利于根系形态建成、茎伸长和叶片生长，促进植物生长，还能够调节植物体内代谢来增加光合产物的积累[15-16]；另一方面，红光抑制植物节间伸长，增加侧枝和分蘖，阻止黑暗引起的叶片脱落，延迟开花，促进叶绿素、类胡萝卜素和花色素苷形成[17]。但是不同植物对红光的响应规律不同，例如，在植物的形态发育方面，红光能够显著促进黄瓜幼苗的干物质累积[18]，但单侧红光处理大豆幼苗后干质量没有显著增加[19]。在植物生理生化研究中也同样表现出不同植物对红光的响应规律不同。如红光能够降低草珊瑚幼苗中叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白含量[20]，促进喜树幼苗叶片中叶绿素、脯氨酸和可溶性蛋白含量的积累[21]，促进先锋橙和红橘幼苗中可溶性糖含量的积累，但对可溶性蛋白含量的影响并不显著[22]。

综上所述，红光对于不同的植物幼苗影响各不相同。红光对蚕豆幼苗的研究表明，红光降低了蚕豆叶片蒸腾速率，减小了气孔开度，增加了叶绿素含量，促进了光合速率和干物质积累[23-24]。但红光处理后，蚕豆幼苗的生长和生理指标如何响应却未见研究报道。因此，笔者利用LED光源添加红光补充光源，与白光光源对比，研究水培条件下红光补光对蚕豆幼苗生长、叶绿素、生理生化等指标的影响，以期为工业化种植补光措施和蚕豆生产的提质增效提供理论支持。

1 材料和方法

1.1 材料

试验材料为凤豆6号蚕豆，商品名：滇苍源，大理州农业科学研究所杂交选育而成的优质粮菜兼用型蚕豆新品种，产于云南省大理州邓川县，该品种具有抗倒、耐寒、耐渍、适应范围广等特性。

1.2 方法

试验于2021年1月5日至2月10日在西南林业大学植物生理实验室进行。蚕豆种子经蒸馏水浸泡清洗，0.3%的高锰酸钾消毒15 min后，置于表面消毒过的沙盘上，将沙盘放置于PQX-430C型多段可编程人工气候箱（光照12 h，温度25 °C，湿度80%；黑暗12 h，温度15 °C，湿度80%）中进行催芽；3 d后将长势基本一致的蚕豆幼苗置于装有200 mL Hoagland营养液（pH值为5.8）的育苗瓶（容积为250 mL）中进行培养，每个育苗瓶中种植3株蚕豆苗。

将培养瓶中的蚕豆置于PQX-430C多段可编程人工气候箱中培养，采用完全随机设计，设置白光处理（对照组）和红光处理（处理组）。对照组人工气候箱的左右两侧各6只30 W的白光LED灯管。处理组人工气候箱中左右两侧分别设置2支18 W的红光LED灯管和4支30 W的白光LED灯管。设置培养温度为25 °C，湿度为80%，光照处理从08：00开始，分别设置10、11、12、13、14 h 5个光照时段处理，每个处理设置10个培养瓶，每个培养瓶3株幼苗为1个重复，共计10个重复，30株苗。幼苗采用Hoagland溶液培养，每5 d更换一次营养液，共培养25 d。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 营养液pH值和苗高的测定 蚕豆幼苗每间隔5 d测定1次pH值和苗高，每个处理测定30株。使用精度为1 mm的直尺测定苗高。将换下的培养液添加蒸馏水到200 mL后，使用pHS-2F型pH计测定营养液的pH值。

1.3.2 生理指标的测定 待培养25 d后，每个处理随机选取3株蚕豆幼苗的第3对、第4对叶片，剪碎混合后使用7230 G型可见分光光度计通过标准曲线法C（mg·L-1）=Ax+b，R2=0.999，其中A、b为常数，x为吸光度，进行测定换算，每个处理测定3个生物学重复。采用可见光分光光度计法测定[25]叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量，采用考马斯亮蓝G-250染色法[26]测定可溶性蛋白含量，采用蒽酮比色法[27]测定可溶性糖含量，采用茚三酮溶液显色法[25]测定游离氨基酸含量，采用水杨酸法[25]测定游离脯氨酸含量。

1.3.3 总生物量和N、P、K的测定 待培养25 d后，将每个处理下的全部植株置于烘箱内，于105 °C下杀青30 min，然后在80 °C下烘干至恒质量，测定不同处理样品的总生物量。分别用MM440型球磨仪研磨过筛，称取0.2 g样品，用H2SO4-H2O2法消煮样品制备待测液用于N、P、K的测定。使用Smartchem-200全自动间断分析仪通过标准曲线法[28]，基于Bertfelot反应和磷钼蓝反应分别测定各处理的根、茎、叶样品中N、P含量。同时按照《LY/T 1270—1999》标准[29]，使用火焰分光光度计，用钾滤色片，以试剂空白溶液为对照调零检流计读数，然后直接用消煮待测液在火焰分光光度计上测得钾检流计读数，即为速效钾含量。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2019进行数据处理和图表绘制，使用SPSS 20.0进行数据分析，其中运用独立样本t检验对不同处理苗高、营养液pH值以及相关生理指标进行显著性分析，分析红光补光和白光在蚕豆生长过程中对苗高和营养液pH值的影响，同时分析不同光源和不同光照时间对蚕豆幼苗叶生理指标的影响。另外使用配对t检验对根、茎、叶中的N、P、K含量和总生物量进行分析，不同光照时段为配对因子，分析红光补光和白光照射下对蚕豆营养元素分配和总生物量的影响。

2 结果与分析

2.1 红光处理对蚕豆苗高、营养液pH值的影响

由图1-A可知，随着培养时间的增加，红光处理和白光处理的蚕豆幼苗苗高的增长表现出先快后慢趋势，15 d之后，蚕豆幼苗苗高的增速变缓。在5个光处理时段下，红光补光的蚕豆幼苗苗高极显著高于白光处理。此外，红光补光处理影响营养液pH值变化，其中在第5、15、20天时，红光补光处理下的营养液pH值显著或极显著低于白光处理（图1-B）。

2.2 红光处理对蚕豆根、茎、叶中N、P、K含量的影响

由表1可知，N的积累在蚕豆幼苗的不同组织中不同，总体上表现出w（叶-RN）＞w（茎-RN）＞w（根-RN）的趋势。在红光补光处理下，蚕豆根、茎、叶中N的积累大体呈现出随着光照时长的增加呈现下降的趋势。在光处理10～12 h下，与白光处理相比，红光处理对蚕豆幼苗根、茎、叶中N的积累有一定的促进作用，但整体上在相同处理时间下红光处理与白光处理相比无显著差异。

由表2所示，在同一处理时间下，红光处理极显著促进了蚕豆幼苗茎中P的积累，但是根和叶中P的含量与白光处理相比没有显著差异。当红光照射时间为11、12、10 h时，分别在根、茎和叶中累积的P最高，为5.990、5.402、3.411 g·kg-1。

由表3可知，在白光处理和红光处理组中，K在蚕豆幼苗不同器官中分布各不相同，其中在叶片中积累的最少。不同时段红光照射下，除11 h外，蚕豆幼苗茎中K的积累相比白光处理均有降低。配对t检验结果显示，整体上茎中的K的积累相比白光处理显著降低，而根和叶中的K累积与白光处理无显著差异。