0 引言
【研究意义】近年来,大豆种业产业化发展进入全面竞争时代[1],但国产大豆出现加工原料不足,产业链不成熟和加工能力粗放等问题[2],将严重阻碍我国大豆产业的发展。而玉米大豆带状间套作种植模式对提高大豆产量、保障大豆粮食安全起到了积极的作用[3]。但是在这种种植模式中,大豆易遭受玉米荫蔽胁迫,直接影响大豆的形态建成和产量构成[4],荫蔽条件下不仅光强降低,而且光质也发生改变,特别是红光与远红光比值降低[5],直接影响大豆的生长发育。【前人研究进展】前人主要从光强和光质单一因素来研究植物生长的响应机制。在光强研究方面,植物随着光照强度的下降,叶绿素a和叶绿素b含量下降[6]。同时,通过伸长茎秆[7]、节间[8],增加株高[9]、叶面积、叶柄长度[10],降低叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、净光合速率来响应弱光环境[11]。此外,套作弱光胁迫下大豆主根长、侧根长均显著下降,根系表面积减少[12]。在光质研究方面,红蓝光组合有利于幼苗生长[13],红光显著促进花生幼苗根系生长[14],有利于生物量积累,蓝光有利于增加茎粗、叶绿素和类胡萝卜素含量,促进株高;同时,蓝光、黄光和绿光均显著抑制根系生长[14];低的红光与远红光比值会抑制野生型番茄和phy b1突变体番茄开花[15],抑制菊花发育进程,远红光抑制花干物质分配,而红光与远红光比值在2.5 时有利于菊花发育[16],叶片光系统活性最高,光合能力最强[17]。【本研究切入点】前人研究主要围绕单一的光强或者光质变化对植物生长发育的影响,而关于荫蔽环境下的光强和光质分别如何对植物形态进行调控的研究还鲜见报道。【拟解决的关键问题】本研究以南豆12为研究对象,在人工气候室内设置不同光环境包括光强和光质的变化。以正常光照为对照,分析不同光环境下大豆幼苗形态特征和光合参数,揭示荫蔽下大豆对光强和光质的形态和生理响应。1 材料与方法
1.1 试验材料
供试大豆品种为南豆12,株型收敛,抗倒力强,耐荫、耐肥性好,适宜与玉米间套作种植。1.2 试验设计
试验于2017年6月21日至7月13日,在四川农业大学日光型人工气候室（浙江求是人工环境有限公司）进行。挑选均匀饱满的大豆种子放在湿润滤纸上,在30°C条件下催芽1 d;采用单因素完全随机盆栽试验,壤土与基质以1﹕1比例混合装入花盆（50 cm×20 cm）,挑选萌发均匀的大豆种子穴播,两行5穴,每穴播种3颗,出苗后间苗,保留单株,株距10 cm,行距8 cm。试验设置4个光环境：A1处理（正常光照+远红光;光强不变,红光和远红光比值降低）,A2处理（弱光+远红光;光强降低,红光和远红光比值降低）,A3处理（弱光;光强降低,红光和远红光比值不变）,对照CK（正常光照;光强不变,红光和远红光比值不变）。弱光采用透光率为10%的黑色遮阴网处理,远红光采用36W波峰为735 nm左右的LED灯处理,各处理光强和光质数据见表1。人工气候室白天和晚上温度分别设置为25 °C和20°C,光周期同当地自然环境。播种后,每个处理下种植4盆重复,随机排列。每隔2 d定期浇水和0.2% Hoagland营养液,保证大豆苗期水肥供应充足。Table 1
表1
表1不同处理下大豆冠层光强和光质
Table 1Light intensity and quality of soybean canopy under different treatments
| 处理 Treatment | 光照强度 Light intensity (μmol·m-2·s-1) | 红光和远红光比值 Red and far red ratio |
|---|---|---|
| CK | 566.50a | 1.31a |
| A1 | 566.67a | 0.40b |
| A2 | 64.22b | 0.08c |
| A3 | 63.33b | 1.26a |
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1.3 测定项目与方法
1.3.1 大豆冠层光环境 在晴天的10：00至14：00 进行光合有效辐射（PAR）测定。用LI-1400光量子仪（美国LI-COR公司）连接LI-191SA探杆测定PAR,在各处理大豆冠层顶部5 cm处,从左往右依次取3个点测定,求得的各位点的平均值为大豆冠层光合有效辐射。光质测量采用荷兰Avantes便携式光谱仪（AvaSpec-2048）,选取红光区域655—665 nm,远红光区域725—735 nm波段,在大豆冠层测定,将光谱仪探头垂直向上,从左往右依次取3个点测定[18],按HERTEL等[19]方法计算红光与远红光比值。1.3.2 形态特征 在大豆第3节龄期（V3）随机选取长势均匀一致的大豆幼苗4株,采用传统挖掘方法,以大豆主茎为中心,挖取长×宽×深（5 cm×5 cm×10 cm）的根土混合物[20]。用卷尺测定植株地上部至顶端生长点的距离为植株株高;用游标卡尺测定植株基部子叶节间宽度为植株茎粗;以子叶节间为界限将地上部与地下部分开,清洗根系,用爱普生LA2400根系扫描仪（加拿大Regent公司）对4株完整根系扫描并用根系分析系统WinRHIZO分析,测定根系长度、根体积、根表面积[12]。
1.3.3 生物量 在大豆V3期选取功能叶（倒3叶）,用直径为15 mm的打孔器将每个小叶打孔（避开主脉）2个装入信封袋,剩余地上部各器官分离装入信封袋,105℃杀青0.5 h,80℃烘干,用精确度为0.0001 g的电子天平称量植株各器官干重。
1.3.4 光合色素含量 将4个已烘干的孔状叶片称重后放入装有10 mL 80%的丙酮溶液的试管中,保鲜膜封口,20℃下暗处理浸提48 h,浸提过程中间隔几小时进行震荡,浸提至叶片成乳白色过滤。测定波长在663、645、470 nm下的吸光度,计算叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量,并得出总叶绿素含量、叶绿素a/叶绿素b以及总叶绿素/类胡萝卜素的数值,每个处理以测定3次的平均值为其光合色素含量[21,22]。
1.3.5 光合特性 大豆V3期,在晴朗的早晨9：00至10：00,选择大豆功能叶（倒3叶中间的小叶）,采用Li-6400便携式光合仪（美国Li-COR公司）测定净光合速率（photosynthetic rate,Pn）、气孔导度（stomatal conductance,Gs）、胞间二氧化碳浓度（intercellular CO2 concentration,Ci）及蒸腾速率（transpiration rate,Tr）,光量子通量密度为600 μmol·m-2·s-1。各处理测定5次,计算平均值为其光合参数数值[23,24]。
1.3.6 叶绿素荧光 与光合参数测定相同,选取大豆功能叶,用CFI叶绿素荧光成像系统（英国Technologica公司）测定PSⅡ最大光化学量子产量（XE）、非光化学猝灭系数（NPQ）、PSⅡ有效光化学量子产量（XE’）、化学荧光猝灭系数（QP）、实际光化学量子效率（OE）。测定过程中,使大豆叶片充分暗处理15 min后获得暗反应数据,设置光强700 μmol·m-2·s-1光处理叶片15 min后获得光处理数据,各处理重复3次,求平均值作为其荧光参数数值[25,26]。
1.4 数据分析
采用 Microsoft Excel 2010软件整理数据并作图,SPSS17.0 软件进行统计分析。2 结果
2.1 大豆形态特征
不同的光环境对植物形态建成的影响存在差异。由表2可知,与正常光照强度（CK和A1处理）下生长的大豆植株相比,弱光（A2和A3处理）显著促进了株高的伸长,而根系长度、根表面积及根体积显著下降。在光强不变,红光和远红光比值下降的条件下,A1处理下的大豆株高显著高于CK,而根系参数显著低于CK;与A3相比,A2处理大豆株高显著降低,茎粗显著增加,但根系参数差异不显著。与CK相比,A1、A2、A3处理的株高分别增加了0.43倍、0.88倍和1.43倍,茎粗分别降低了1.11%、14.9%和5.2%,根长较之显著降低了34%、82.8%和86.6%,根表面积分别降低了37.8%、81.9%和84.5%,根体积分别降低了35.7%、79%和80.3%。Table 2
表2
表2不同光环境下大豆形态特性
Table 2Morphological characteristics of soybean in different light environment
| 处理 Treatment | 株高 Plant height (cm) | 茎粗 Stem diameter (mm) | 根长度 Root length (cm) | 根表面积 Root surface area (cm2) | 根体积 Root volume (cm3) |
|---|---|---|---|---|---|
| CK | 18.525d | 2.885a | 632.85a | 117.16a | 1.57a |
| A1 | 26.425c | 2.853a | 417.60b | 72.85b | 1.01b |
| A2 | 37.625b | 2.735a | 108.92c | 21.24c | 0.33c |
| A3 | 47.275a | 2.455b | 84.97c | 18.15c | 0.31c |
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2.2 大豆生物量及分配
生物量反映了植物在不同环境下的光能利用效率[20]。由图1-A可以看出,大豆生物量在正常光照下（CK和A1处理）显著高于弱光（A2和A3处理）,而A1处理生物量积累较CK增加了16.3%,A2和A3处理间差异不显著。各器官生物量分配如图1-B所示,在正常光照条件下（CK和A1处理）,叶片生物量占植株总生物量的比例最大,分别为60%和55%;而在弱光条件下（A2和A3处理）,茎生物量占植株总生物量的比例分别为52%和59%。在相同的光强环境下增加远红光显著提高了柄在整个植株生物量所占的比例。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1不同光环境下大豆生物量积累及分配
-->Fig. 1The biomass accumulation and allocation of soybean in different light environment
-->
2.3 大豆光合色素含量
光合色素含量的高低对光合作用具有重要的调节作用[11]。由表3可知,在相同光质条件下,比较不同的光照强度对光合色素的影响可以发现,与正常光照相比（A3和CK相比,A2和A1相比）,弱光条件下叶绿素a、总叶绿素和类胡罗卜素含量显著下降,总叶绿素与类胡萝卜素比值显著提高（表3）。在光强不变,红光和远红光比值降低的条件下（A1和CK相比,A2和A3相比）,大豆光合色素含量差异不显著。与CK相比,A1、A2、A3处理叶绿素a含量显著降低了2.6%、25.6%和29.4%;总叶绿素含量分别降低了0.6%、1.2%和24.3%,总叶绿素与类胡萝卜素含量的比值分别增加了11.2%、32.8%和28.9%。A1处理叶绿素b含量较CK增加了7.2%,A2、A3处理较CK分别降低了10%和4.2%;A2、A3处理类胡萝卜素含量相同,较CK显著降低了41.5%。Table 3
表3
表3不同光环境下大豆光合色素含量
Table 3Photosynthetic pigment content of soybean in different light environments (mg·dm-2)
| 处理 Treatment | 叶绿素a Chl a | 叶绿素b Chl b | 总叶绿素 Chl (a+b) | 类胡萝卜素 Cars | 总叶绿素/类胡萝素 Chl(a+b)/Cars | 叶绿素a/叶绿素b Chl(a/b) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CK | 14.11a | 3.60ab | 17.72a | 2.65a | 6.71b | 3.94a |
| A1 | 13.75a | 3.86a | 17.61a | 2.36b | 7.46b | 3.56ab |
| A2 | 10.56b | 3.24b | 13.80b | 1.55c | 8.91a | 3.26bc |
| A3 | 9.96b | 3.45ab | 13.41b | 1.55c | 8.65a | 2.89c |
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2.4 大豆光合参数
由表4可知,在光强不变,红光和远红光比值降低的条件下,A1处理净光合速率和蒸腾速率显著高于CK,分别提高了27.73%和47.06%,相反,胞间二氧化碳浓度显著降低;而A2处理净光合速率显著高于A3处理,气孔导度和蒸腾速率差异不显著。在光质不变的条件下,与正常光照相比（A3和CK相比,A2和A1相比）,弱光条件A3、A2净光合速率显著降低。此外与CK相比,A3处理气孔导度、胞间二氧化碳浓度和蒸腾速率显著增加。与A1处理相比,A2处理下胞间二氧化碳浓度显著增加,气孔导度和蒸腾速率差异不显著。Table 4
表4
表4不同光环境下大豆光合参数
Table 4Photosynthetic parameters of soybean in different light environments
| 处理 Treatment | 净光合速率 (μmol CO2·m-2·s-1) | 气孔导度 (mmol·m-2·s-1) | 胞间二氧化碳浓度 (μmol) | 蒸腾速率 (g·m-2·h-1) |
|---|---|---|---|---|
| CK | 6.42b | 0.04b | 233.51b | 0.85b |
| A1 | 8.20a | 0.06ab | 211.73c | 1.25a |
| A2 | 6.87b | 0.08a | 258.32b | 1.24a |
| A3 | 3.70c | 0.09a | 308.83a | 1.21a |
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2.5 大豆叶绿素荧光参数
在正常光照强度（CK和A1处理）下,实际光化学量子效率显著高于弱光（A2和A3处理）;在光强不变,红光和远红光比值降低的条件下,大豆叶片PSⅡ最大光化学量子产量和PSⅡ有效光化学量子产量显著上升（A1和CK相比,A2和A3相比）;在相同的光质条件下,降低光照强度（A3和CK相比,A2和A1相比）,大豆叶片荧光参数逐渐降低,PSⅡ最大光化学量子产量和实际光化学量子产量显著降低。与CK比较,A1、A2、A3处理化学荧光猝灭系数分别降低了3.08%、10.77%、4.62%,实际光化学量子效率分别降低了5.88%、20.59%、20.59%。3 讨论
光环境是作物生长发育过程中重要的环境因子之一,通过光强和光质作为信号因子直接影响植株的形态建成[4]。在玉米大豆带状套作种植模式下,大豆的生长发育受玉米的荫蔽影响,导致冠层光强降低、红光与远红光比值降低,从而影响大豆植株地上地下部的生长发育和物质积累[27]。光合形态作为判断植物生长发育状况的一项重要指标,可以直观反映出植株对不同光环境的生长响应[11]。本试验结果与前人研究相似[7,11],随着光照强度降低,大豆株高逐渐增加,茎秆变细,且茎秆中生物量积累增加（表2,图1）,这是由于弱光环境下,大豆为获得足够的光能,抑制了茎的横向生长并促进了茎秆的伸长从而导致茎粗降低、株高增加,同时光合同化产物向茎秆转移比例增加,以保证茎秆生长所需的养分。低的红光和远红光比值能调节植物光合形态建成[28]。本试验中,正常光照环境下A1与CK处理,弱光环境下A2与A3处理间株高、茎粗、生物量之间的差异可能是由于正常光照下低的红光和远红光比值促进叶片增大,导致光能捕获面积增大和光合同化物积累增加,而弱光条件下低的红光和远红光比值在促进叶片生长的同时有利于调控植株茎叶协调生长,保证植株在外界荫蔽胁迫下更好的生长。这与PARK[28] 等研究低的红光与远红光比值有利于促进植株叶片扩大、生物量积累结果一致,而KUREPIN[29]等研究结果表明高山生态型的植物在较低的红光与远红光比值下生物量未增加,但在弱光环境下生物量增加,与本试验结果存在差异,可能是由于物种不同以及对光照强度的感应不同。
根系形态决定了植株对水分和矿质元素的吸收能力[12],根系的生长发育与地上部相互协调,受光环境影响[20]。本试验结果与于小波等[12]研究套作弱光胁迫对大豆苗期根系形态和生理活性的影响中结果一致,随着光照强度降低,大豆根长、根表面积和根体积减小,导致根系生物量减小（图1）,这是由于弱光环境下限制同化物生成及转运,导致光合同化物主要供给地上部生长而地下部根系发育受到抑制。本试验结果与先前研究大豆根系生物量与地上部成正相关并受冠层光环境的影响的结果一致[20]。
光合荧光作为光合作用的灵敏探针,能很好地反映逆境因子对光合作用的影响[11]。本试验中,随着光照强度降低,大豆植株光合色素含量、净光合速率逐渐降低,气孔导度、胞间二氧化碳浓度和蒸腾速率呈升高趋势（表3—表5）。可能是由于弱光条件下,大豆光合作用减弱,光合同化率降低,导致胞间二氧化碳浓度增加,对这一现象有待进一步研究证实。A1与CK、A2与A3处理相比,大豆叶绿素b含量增加、净光合速率显著增高,蒸腾速率增加,胞间二氧化碳浓度降低,实际光化学量子效率和化学荧光猝灭系数降低。这些结果表明,增加远红光处理使叶片中叶绿素b含量增加,其中叶绿素b作为天线色素促进光能的吸收和传递,提高净光合速率,促进光合作用,而也有研究表明低的红光和远红光的比值降低了叶绿素b的活性,使得植物色素相互作用因子（PIFs）直接激活生长素合成基因的转录,从而促进植物生长[30]。此外,本试验主要围绕大豆苗期光环境变化,通过设置不同的光环境研究幼苗形态、生物量及光合生理特性对光强、光质的响应,今后需要进一步分析大豆在不同光环境下的同化物分配调控机制及相关代谢酶的活性。
Table 5
表5
表5不同光环境下大豆叶绿素荧光参数
Table 5Chlorophyll fluorescence parameters of soybean in different light environments
| 处理 Treatment | PSⅡ最大光化学量子产量 Maximum photochemical quantum yield of PSⅡ | 非光化学猝灭系数 Non-photochemical quenching | PSⅡ有效光化学量子产量 Effective photochemical quantum yield of PSⅡ’ | 化学荧光猝灭系数 Photochemical quenching | 实际光化学量子效率 Actual photochemical efficiency |
|---|---|---|---|---|---|
| CK | 0.76b | 2.68a | 0.49bc | 0.65a | 0.34a |
| A1 | 0.80a | 2.80a | 0.52a | 0.63a | 0.32a |
| A2 | 0.77b | 2.64a | 0.50ab | 0.58b | 0.27b |
| A3 | 0.71c | 2.37b | 0.47c | 0.62a | 0.27b |
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4 结论
在玉米大豆带状套作种植荫蔽环境下,大豆冠层光强的减弱,导致大豆株高增加、茎粗降低、根系生长发育受到抑制,茎生物量分配比例增加,而在正常光照和弱光环境下增加远红光（降低红光和远红光比值）,提高大豆净光合速率,增加生物量的积累及柄生物量分配比例。因此,光强直接影响大豆形态建成和物质积累,而低的红光和远红光比值显著提高大豆光合速率,促进物质的积累及调节物质分配的方向。The authors have declared that no competing interests exist.
