設(shè)施番茄不同葉位補(bǔ)光對(duì)植株形態(tài) 光合及激素合成的影響.pdf

園藝學(xué)報(bào) 2021 48 8 1504 1516 Acta Horticulturae Sinica 1504 doi 10 16420 j issn 0513 353x 2021 0216 http www ahs ac cn 收稿日期 2021 04 15 修回日期 2021 07 06 基金項(xiàng)目 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 2019YFD1001900 國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目 31872153 泰山產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才工程高效生態(tài)農(nóng) 業(yè)創(chuàng)新項(xiàng)目 LJNY202016 浙江省公益技術(shù)研究項(xiàng)目 LGN20C150011 浙江大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目 SJS201816 通信作者 Author for correspondence E mail xiaojianxia 設(shè)施番茄不同葉位補(bǔ)光對(duì)植株形態(tài) 光合及激素 合成的影響 齊振宇 1 王 婷 2 ?？电?2 劉 玥 2 王明欽 3 喻景權(quán) 2 周艷虹 2 夏曉劍 2 1 浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站 杭州 310058 2 浙江大學(xué)園藝系 杭州 310058 3 壽光市新世紀(jì)種苗有限公司 山東濰坊 262700 摘 要 在設(shè)施弱光環(huán)境下對(duì)番茄植株采取頂部和植株間兩個(gè)部位 LED 補(bǔ)光的方式 研究其對(duì)植株 形態(tài) 光合效率和激素代謝的影響 結(jié)果發(fā)現(xiàn)頂部補(bǔ)光對(duì)不同位置葉片光合效率均有促進(jìn)作用 并導(dǎo)致 整體葉面積增大 植株變矮 葉夾角變小以及開(kāi)花數(shù)增多 植株形態(tài)變化伴隨生長(zhǎng)素 IAA 含量降低 細(xì)胞分裂素 CK 含量升高以及油菜素內(nèi)酯 BR 合成基因下調(diào) 植株間補(bǔ)光主要促進(jìn)中部和下部葉片 光合效率提高和葉面積增大 顯著增加株高 能使上部葉片夾角略有增加 但對(duì)開(kāi)花數(shù)沒(méi)有影響 整體 上對(duì)激素代謝的影響不如頂部補(bǔ)光 總體而言 頂部補(bǔ)光更有利于形成良好株形 整體上促進(jìn)番茄光合 作用和生長(zhǎng) 有更高的推廣應(yīng)用價(jià)值 關(guān)鍵詞 番茄 設(shè)施番茄 葉綠素?zé)晒?LED 光合作用 補(bǔ)光 中圖分類(lèi)號(hào) S 641 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 0513 353X 2021 08 1504 13 Effects of Supplemental Lighting at Different Positions on Tomato Plant Morphology Photosynthesis and Endogenous Hormone Biosynthesis Under Low light Environment QI Zhenyu 1 WANG Ting 2 SANG Kangqi 2 LIU Yue 2 WANG Mingqin 3 YU Jingquan 2 ZHOU Yanhong 2 and XIA Xiaojian 2 1 Agricultural Experiment Station Zhejiang University Hangzhou 310058 China 2 Department of Horticulture Zhejiang University Hangzhou 310058 China 3 Shouguang New Century Seedling Co Ltd Weifang Shandong 262700 China Abstract Greenhouse tomato production is often limited by insufficient light It is of great significance to use LEDs for improvement of light environment However considering the cost and efficient use of resources development and optimization of LED supplemental lighting technology are urgently required In this study the tomato plants were supplemented with top lighting and inter lighting using LEDs in a low light environment and the effects on plant morphology photosynthetic efficiency and hormone metabolism were studied Top lighting promoted the photosynthetic efficiency of leaves at different 齊振宇 王 婷 ?？电?劉 玥 王明欽 喻景權(quán) 周艷虹 夏曉劍 設(shè)施番茄不同葉位補(bǔ)光對(duì)植株形態(tài) 光合及激素合成的影響 園藝學(xué)報(bào) 2021 48 8 1504 1516 1505 positions and led to an overall increase in the leaf area a shorter plant height smaller leaf angles and an increase in the number of flowers Changes in plant morphology were accompanied by reduced auxin IAA content increased cytokinin CK content and down regulation of brassinosteroid BR synthesis genes Inter lighting mainly promotes the photosynthetic efficiency and leaf area of the middle and lower leaves significantly increased plant height and slightly increased the leaf angles of upper leaves However it had no effect on flower number and in general had less effects on hormone metabolism as compared with top lighting Taken together the top lighting facilitates the formation of a better plant architecture and promotes the photosynthesis and growth of tomato plants as a whole and is a promising technology with potential application in the future Keywords tomato greenhouse tomato chlorophyll fluorescence LED photosynthesis supplemental lighting 近年來(lái)番茄 Solanum lycopersicum 設(shè)施栽培面積逐年增加 但長(zhǎng)江中下游地區(qū)光合有效輻射 整體呈下降趨勢(shì) 宣守麗 等 2012 并且由于氣候變化 季節(jié)限制 植株互相遮陰 管理水平參 差不齊以及設(shè)施簡(jiǎn)陋等 光照不足在相當(dāng)程度上限制了番茄生產(chǎn) 光照是光合作用和物質(zhì)代謝的最終能量來(lái)源 也是植物形態(tài)建成的重要調(diào)控因子 Jiao et al 2007 光強(qiáng) 光質(zhì) 光周期是光環(huán)境影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的 3 個(gè)方面 高等植物一般利用 400 700 nm 的太陽(yáng)輻射進(jìn)行光合作用 這一波長(zhǎng)范圍稱(chēng)為光合有效輻射 PA R 而光強(qiáng)特指這一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的 光量子通量密度 PPFD 在適宜的光強(qiáng)范圍內(nèi) 光強(qiáng)提高有利于光合速率的提高和同化物的積累 不同波長(zhǎng)的光還能被細(xì)胞核內(nèi)的光受體感知進(jìn)而調(diào)控種子萌發(fā) 形態(tài)建成 避陰反應(yīng) 晝夜節(jié)律以 及生殖開(kāi)花等過(guò)程 光敏色素 Phytochrome PHY 主要感知紅光和遠(yuǎn)紅光 隱花色素和向光素主 要感知藍(lán)光 而紫外光受體 UVR 主要感受 UV B Christie 2007 Chaves et al 2011 Rizzini et al 2011 馬朝峰和戴思蘭 2019 王峰 等 2019 番茄光敏色素 A 是遠(yuǎn)紅光的光受體 而光敏色素 B 是紅光的光受體 兩者通過(guò)感知環(huán)境中的紅光 遠(yuǎn)紅光 R FR 比例調(diào)控植物生長(zhǎng) Casal 2013 光周期與光合作用 光形態(tài)建成和生殖發(fā)育密切相關(guān) 許多蔬菜作物的開(kāi)花對(duì)光周期敏感 番茄屬 于日中性蔬菜 但光周期短不利于同化物的積累和植株生長(zhǎng) 何蔚 等 2018 劉昕 等 2020 LED 由于其光電轉(zhuǎn)換效率高 壽命長(zhǎng) 發(fā)熱低 以及光強(qiáng) 光質(zhì)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn) 已逐漸成為廣泛 使用的設(shè)施補(bǔ)光燈 Demotes Mainard et al 2016 目前 LED 主要用于植株頂部與植株間補(bǔ)光 不 同的補(bǔ)光位置對(duì)于植株上部 中部 下部葉片的生長(zhǎng) 光合效率等影響不同 也影響著植株的整體 形態(tài)及發(fā)育 謝景 等 2012 已有研究表明 LED 植株間補(bǔ)光能提高葉片重量與光合能力 特別 是對(duì)于中部及底部葉片 丁小濤 等 2016 并且可以提高果實(shí)產(chǎn)量 品質(zhì)和抗逆性 Xu et al 2012 也有研究發(fā)現(xiàn) 番茄頂部葉片的光能利用率較高 對(duì)光信號(hào)的感知能力也最強(qiáng) 其次為中部葉片 郭 銳 等 2018 但是對(duì)植株間和頂部補(bǔ)光仍缺乏系統(tǒng)性的比較 同時(shí)補(bǔ)光調(diào)控光合作用和生長(zhǎng)的機(jī) 理也值得進(jìn)一步探究 考慮到番茄生產(chǎn)中 LED 補(bǔ)光技術(shù)的應(yīng)用尚缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) 本試驗(yàn)中通過(guò)對(duì)設(shè) 施弱光環(huán)境下番茄進(jìn)行植株頂部及植株間兩種 LED 補(bǔ)光方式 研究其對(duì)不同部位葉片光合能力 植 株生長(zhǎng)以及整體形態(tài)的影響 以期優(yōu)化設(shè)施 LED 補(bǔ)光技術(shù) 實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光效益與資源利用最大化 Qi Zhenyu Wang Ting Sang Kangqi Liu Yue Wang Mingqin Yu Jingquan Zhou Yanhong Xia Xiaojian Effects of supplemental lighting at different positions on tomato plant morphology photosynthesis and endogenous hormone biosynthesis under low light environment 1506 Acta Horticulturae Sinica 2021 48 8 1504 1516 1 材料與方法 1 1 供試材料 供試材料為普通番茄 Solanum lycopersicum 品種為 Condine Red 將種子放入 50 溫湯 浸種 15 min 再置于恒溫恒速搖床 28 200 r min 1 持續(xù)浸種催芽 2 d 左右 待胚根長(zhǎng)度為 0 5 1 0 cm 時(shí)播種于草炭和蛭石體積比為 3 1 均勻混合的基質(zhì)中 置于植物工廠(chǎng)育苗 環(huán)境為光強(qiáng) 200 mol m 2 s 1 光周期 12 h 12 h 晝 夜溫度 25 20 相對(duì)濕度 70 80 每周澆 2 3 次 Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液 待幼苗生長(zhǎng)至 4 葉 1 心時(shí) 選取生長(zhǎng)一致的幼苗 將其移栽到容量約 10 L 的 花盆中 繼續(xù)在上述環(huán)境中培養(yǎng) 將兩月齡的植株用于后續(xù)處理 1 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)定 1 2 1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)于 2020 年 10 月 21 日至 11 月 15 日在浙江大學(xué)紫金港校區(qū)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站溫室內(nèi)進(jìn)行 在此期 間 天氣以晴天為主 溫度適宜番茄生長(zhǎng) 選用 75 遮陽(yáng)率的遮陽(yáng)網(wǎng) 維持試驗(yàn)環(huán)境中的光照強(qiáng)度 低于 100 mol m 2 s 1 設(shè)置不補(bǔ)光的對(duì)照和頂部補(bǔ)光 植株間補(bǔ)光兩個(gè)處理 補(bǔ)光采用長(zhǎng)條形 LED 寧波格欣萊光電科技有限公司 T8 型號(hào) 光譜如圖 1 距離燈管 10 50 和 75 cm 的光強(qiáng)分別約 為 200 50 和 30 mol m 2 s 1 頂部補(bǔ)光處理的 LED 距植株頂部 5 10 cm 植株間補(bǔ)光處理的 LED 距離植株中部節(jié)位 5 10 cm 處并隨植株生長(zhǎng)及時(shí)調(diào)整位置 使其始終保持在植株中部 自上 至下分別選取植株上部 第 7 節(jié)位 中部 第 10 節(jié)位 和下部 第 13 節(jié)位 葉片測(cè)定光合作用 葉綠素?zé)晒饧捌渌螒B(tài)和生理指標(biāo) 取番茄頂部幼嫩葉片 測(cè)定內(nèi)源激素含量及激素合成與運(yùn)輸相 關(guān)基因表達(dá)量 除光合作用測(cè)定在試驗(yàn)結(jié)束前 3 d 內(nèi)完成 其余樣品均在試驗(yàn)結(jié)束當(dāng)天收集 每個(gè) 處理共 18 株 分為 6 個(gè)重復(fù) 每個(gè)重復(fù) 3 株 圖 1 LED 補(bǔ)光燈相對(duì)光譜曲線(xiàn) Fig 1 Relative spectral curve of LED supplemental lamp 1 2 2 葉面積與光合作用氣體交換測(cè)定 對(duì)選取葉片拍照并采用 Adobe Photoshop CC 2018 進(jìn)行葉面積分析計(jì)算 張新平 等 2016 圖 片中葉片的像素?cái)?shù)除以圖片中參照物的像素?cái)?shù) 再乘以已知參照物的實(shí)際面積 即得到被測(cè)葉片的 實(shí)際面積 采用 LI 6400XT 便攜式光合儀 LI COR 美國(guó) 測(cè)定光合作用 使用熒光葉室 光質(zhì)為紅藍(lán)光 齊振宇 王 婷 ?？电?劉 玥 王明欽 喻景權(quán) 周艷虹 夏曉劍 設(shè)施番茄不同葉位補(bǔ)光對(duì)植株形態(tài) 光合及激素合成的影響 園藝學(xué)報(bào) 2021 48 8 1504 1516 1507 3 1 光照強(qiáng)度設(shè)定為 200 mol m 2 s 1 CO 2 濃度 380 450 L L 1 葉片溫度 25 1 氣 體流速 300 mL min 1 空氣濕度 65 85 測(cè)定葉片凈光合速率 net photosynthetic rate P n 和 氣孔導(dǎo)度 stomatal conductance G s 氣體交換分析在測(cè)定日 9 00 16 00 進(jìn)行 1 2 3 葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定 葉綠素含量測(cè)定采用分光光度計(jì)法 Arnon 1949 用 Imaging PAM 葉綠素?zé)晒鈨x IMAG MAXI 德國(guó) 測(cè)定光系統(tǒng) 實(shí)際光化學(xué)效率 Y 測(cè)定前對(duì)番茄葉片進(jìn)行 30 min 遮光 處理 設(shè)置測(cè)量光強(qiáng)度 0 5 mol m 2 s 1 光化光強(qiáng)度 280 mol m 2 s 1 飽和脈沖 0 8 s 強(qiáng) 度 4 000 mol m 2 s 1 光化學(xué)淬滅系數(shù) q P 在利用 LI 6400XT 測(cè)定氣體交換參數(shù)時(shí)同步獲取 用 Pocket PEA 植物效率儀 Hansatech 英國(guó) 測(cè)定快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn) OJIP 曲 線(xiàn) 測(cè)定前利用葉夾將葉片暗適應(yīng) 30 min 采用 Strasser 等 2004 的方法首先對(duì)曲線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化 選 取 O J 階段和 I P 階段數(shù)據(jù) 在 Origin 8 0 軟件中以公式 y y 0 A e x t 擬合曲線(xiàn)求出 A 值 A1 和 A2 代表 O J 階段和 I P 階段相對(duì)熒光變化參數(shù) 葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定所選擇的葉片與氣體交換分 析相同 1 2 4 Western印跡分析 Rubisco 活化酶 RCA 和 Rubisco 大亞基 RbcL 蛋白采用 Western 印跡進(jìn)行分析 Li et al 2016a 利用一抗 anti RCA Rubisco activase form I rabbit Agrisera 英國(guó) 和 anti RbcL Rubisco large subunit 進(jìn)行免疫印跡 二抗 anti rabbit Cell Signaling Technology 美國(guó) 孵育后 處理化學(xué) 發(fā)光試劑 隨后采用 ChemiDoc TM imaging System BIO RAD 美國(guó) 觀察蛋白條帶并拍照 使用 ImageJ 軟件 https imagej nih gov ij index html 對(duì)條帶強(qiáng)度進(jìn)行分析 1 2 5 生長(zhǎng)素 IAA 和細(xì)胞分裂素 CK 含量的測(cè)定 參照 Li 等 2016b 的方法 取 0 1 g 葉片提取 IAA 樣品加入 1 mL 乙酸乙酯和內(nèi)標(biāo)研磨 充 分渦旋 30 s 于 4 搖床振蕩過(guò)夜 4 離心 13 000 r min 1 10 min 吸取 900 L 上清液 4 保存 沉淀再加 1 mL 乙酸乙酯 4 振蕩 1 h 4 離心 13 000 r min 1 10 min 合并兩次上清 液 氮?dú)獯蹈?加入 500 L 70 甲醇溶液 渦旋 30 s 4 離心 13 000 r min 1 1 min 吸取 200 L 加入進(jìn)樣管中 取 0 2 g 葉片提取 CK 樣品加入 1 mL 提取液 甲酸 甲醇 水 15 1 4 體積 比 和內(nèi)標(biāo)充分研磨 渦旋后置于冰水混合物內(nèi)超聲 0 5 1 0 h 于 30 冰箱中沉淀 16 h 以上 取出后 4 離心 10 000 g 15 min 取上清液后在沉淀內(nèi)再次加入 200 L 提取液 充分渦旋 超聲 0 5 1 0 h 于 30 冰箱中沉淀 3 h 以上 二次浸提樣品 4 離心 10 000 g 15 min 合并兩次上清液 過(guò) HLB 柱 Waters Oasis 美國(guó) 先用 1 mL 濃度 1 mol L 1 的甲酸平衡 HLB 柱 隨后將上清加入 HLB 柱 收集流出液 向 HLB 柱再次加入 300 L 提取液 合并兩次液體 利用氮 氣吹干 加入 1 mL 濃度 1 mol L 1 的甲酸溶解 過(guò) MCX 柱 Waters Oasis 美國(guó) 先用 1 mL 濃 度 1 mol L 1 的甲酸平衡 MCX 柱 隨后將上步液體加入 MCX 柱 待液體流完后 依次加入 1 mL 濃度 1 mol L 1 的甲酸 1 mL 甲醇 1 mL 0 35 mol L 1 氨水清洗 棄廢液 再向 MCX 柱內(nèi)加入 1 mL 60 甲醇和濃度為 0 35 mol L 1 氨水的混合物洗脫 收集本次液體進(jìn)行氮?dú)獯蹈?加入 200 L 1 醋酸 充分渦旋溶解后離心 4 10 000 g 1 min 吸取 200 L 上清液至進(jìn)樣管中 IAA 和 CK 均采用高效液相質(zhì)譜測(cè)定 Varian320 MS LC MS Agilent Technologies 荷蘭 1 2 6 基因表達(dá)分析 采用 TIANGEN RNA simple Total RNA kit 提取總 RNA 利用 NanoDrop2000 分光光度計(jì) Thermo Scientific 測(cè)定 RNA 濃度 并進(jìn)行調(diào)整 按照反轉(zhuǎn)錄試劑盒 Vazyme 說(shuō)明書(shū)合成 cDNA Qi Zhenyu Wang Ting Sang Kangqi Liu Yue Wang Mingqin Yu Jingquan Zhou Yanhong Xia Xiaojian Effects of supplemental lighting at different positions on tomato plant morphology photosynthesis and endogenous hormone biosynthesis under low light environment 1508 Acta Horticulturae Sinica 2021 48 8 1504 1516 基因表達(dá)采用實(shí)時(shí)熒光定量法 利用 SYBR 熒光染料 Vazyme 根據(jù)說(shuō)明書(shū) AceQ qPCR SYBR Green Master Mix Q111 Version 21 1 混合反應(yīng)體系 采用 LightCycler 480 熒光定量 PCR儀 Roche 瑞士 進(jìn)行測(cè)定 測(cè)定完成后以 Actin 作為內(nèi)參基因 利用 2 CT 法計(jì)算目的基因相對(duì)表達(dá)量 Livak Schmittgen 2001 引物序列見(jiàn)表 1 表 1 實(shí)時(shí)熒光定量 PCR 引物列表 Table 1 Primers used for qRT PCR assays 基因功能 Gene function 基因 Gene name 基因全稱(chēng) Full gene name 登錄號(hào) Accession number 引物 5 3 Primer pair 生長(zhǎng)素合成 FZY1 FLOOZY 1 Solyc06g065630 F TGGTTGTGGGTTAATGGACCT Auxin biosynthetic gene R TCAAACAACGGGAGTTGACA 生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸 PIN1 PIN FORMED 1 Solyc03g118740 F GGCATGGCAATGTTCAGTCT Auxin transport protein gene R ACAGCTGGACCTGTAAGGAA PIN2 PIN FORMED 2 Solyc07g006900 F CAGGACCAGCTGTTATTGCT R GCAAAGCAGCCTGAACGATA PIN3 PIN FORMED 3 Solyc04g007690 F GGCTGCCGCTTCTATTATCG AATCCCTTGTGGCAATGCAG PIN4 PIN FORMED 4 Solyc05g008060 F TGCTGGTCTTGGAATGGCTA R CTGCTGGGCCAGTTAGAAAC 細(xì)胞分裂素合成 IPT2 ISOPENTENYL TR ANSFERASE 2 Solyc04g007240 F AGCAGCCATGGAGATAAAGG Cytokinin biosynthetic gene R CGTTTCTGTTGCATCCACTC IPT3 ISOPENTENYL TR ANSFERASE 3 Solyc01g080150 F ACGTGCAATTGGAGTACCAG R GCAAGCCAATTTGCATGTAT 油菜素內(nèi)酯 BR 合成 DET2 DE ETIOLATED 2 Solyc10g086500 F ATTTACCCTCTTCGCCTCCG R ACAACATACCCGACCCGAAT Brassinosteroid biosynthetic gene DWF4 DWARF 4 Solyc02g085360 F GTCCTGCTGCTGTTCAACAA R TCCTGTGCAGAAACCTCACT CPD CONSTITUTIVE PHOTOMORPHO GENIC DWARF Solyc06g051750 F ATCCAATTAACGTCCAACAT R ACCTTTCATACACCTCCCTC CYP85A1 Cytochrome P450 85A1 Solyc02g089160 F ATGAAGCGAAAGGACTGGTC R TGCACCCCTCATGTACTTGT Rubisco 活化酶 RCA Rubisco activase Solyc09g011080 F AGCCAAGGTCTTCGCCAATA Rubisco activating enzyme gene R TGGGCAACGTTAAGAAGTTC Rubisco 大亞基 RbcL Rubisco large subunit Solyc01g111020 F GCGAATTCTGGTCAGGTTGA Rubisco large subunit gene R ACCTCTGGTGTTCCCTTGAT 內(nèi)參基因 Actin Solyc03g078400 F TGGTCGGAATGGGACAGAAG Reference gene R CTCAGTCAGGAGAACAGGGT 1 2 7 數(shù)據(jù)分析 采用 Excel 2010 Origin 8 0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖 SAS 8 0 統(tǒng)計(jì)軟件作統(tǒng)計(jì)分析 采用 Tukey s test 檢測(cè)顯著性 P 0 05 2 結(jié)果與分析 2 1 不同位置補(bǔ)光對(duì)番茄植株形態(tài)的影響 與對(duì)照相比 頂部補(bǔ)光對(duì)番茄株高無(wú)顯著影響 而植株間補(bǔ)光后株高顯著增加 圖 2 A B 頂部補(bǔ)光可顯著增加番茄花數(shù) 而植株間補(bǔ)光的花數(shù)與對(duì)照無(wú)明顯差異 圖 2 B 頂部補(bǔ)光對(duì)上 部 中部和下部葉面積增大均有一定的促進(jìn)作用 對(duì)于中部和下部葉片的效果尤為明顯 分別增加 20 7 和 47 6 而植株間補(bǔ)光主要促進(jìn)中部和下部葉片生長(zhǎng) 葉面積分別增加 12 6 和 36 1 圖 2 C 頂部補(bǔ)光的植株整體葉夾角減小 與對(duì)照相比 上 中和下部葉片夾角分別減小 15 2 齊振宇 王 婷 ?？电?劉 玥 王明欽 喻景權(quán) 周艷虹 夏曉劍 設(shè)施番茄不同葉位補(bǔ)光對(duì)植株形態(tài) 光合及激素合成的影響 園藝學(xué)報(bào) 2021 48 8 1504 1516 1509 17 1 和 8 6 而植株間補(bǔ)光的整體葉夾角與對(duì)照無(wú)明顯差異 圖 2 D 上述結(jié)果表明 補(bǔ)光對(duì) 番茄形態(tài)有顯著影響 圖 2 番茄不同位置補(bǔ)光對(duì)株高 葉面積 花數(shù)和葉夾角的影響 不同小寫(xiě)字母表示差異顯著 下同 Fig 2 Effects of supplemental lighting at different positions on tomato plant height leaf area total number of flowers and leaf angle Different lowercase letters indicate significant different at level of 0 05 The same below 2 2 不同位置補(bǔ)光對(duì)番茄光合作用的影響 如圖 3 所示 選取第 7 節(jié)位葉片測(cè)定總?cè)~綠素含量發(fā)現(xiàn) 頂部補(bǔ)光能使其顯著提高 而植株間 補(bǔ)光效果不明顯 與對(duì)照相比 頂部補(bǔ)光對(duì)植株上部 中部及下部葉片 P n 均有顯著促進(jìn)作用 而植 株間補(bǔ)光對(duì)中部和下部葉片 P n 的促進(jìn)作用較為明顯 并且對(duì)于中部葉片的效果顯著優(yōu)于頂部補(bǔ)光 不同位置補(bǔ)光也一定程度上促進(jìn)氣孔導(dǎo)度 G s 的增加 Rubisco 活化酶 RCA 是增強(qiáng) Rubisco 活 性 促進(jìn)光合作用的關(guān)鍵酶 頂部補(bǔ)光和植株間補(bǔ)光都能促進(jìn)上部葉片 RCA 基因的相對(duì)表達(dá)量 但 是對(duì)于 Rubisco 大亞基 RbcL 編碼基因的相對(duì)表達(dá)量沒(méi)有影響 Qi Zhenyu Wang Ting Sang Kangqi Liu Yue Wang Mingqin Yu Jingquan Zhou Yanhong Xia Xiaojian Effects of supplemental lighting at different positions on tomato plant morphology photosynthesis and endogenous hormone biosynthesis under low light environment 1510 Acta Horticulturae Sinica 2021 48 8 1504 1516 圖 3 不同位置補(bǔ)光對(duì)番茄葉綠素含量 凈光合速率 P n 氣孔導(dǎo)度 G s 以及 Rubisco 活化酶 RCA 和 Rubisco 大亞基 RbcL mRNA 相對(duì)表達(dá)量的影響 Fig 3 Effects of supplemental lighting at different positions on chlorophyll content net photosynthetic rate P n stomatal conductance G s and relative expression of Rubisco activase RCA and Rubisco large subunit RbcL of tomato Western 印跡 圖 4 表明 頂部補(bǔ)光植株上 中 下部葉片 RCA 含量均高于對(duì)照和植株間補(bǔ) 光 而植株間補(bǔ)光除了提高上部葉片 RCA 蛋白含量外 反而抑制中部和下部葉片 RCA 蛋白積累 隨著葉齡的增加 RbcL 蛋白含量逐漸提高 補(bǔ)光對(duì)于上部和下部葉片 RbcL 蛋白影響不大 頂部補(bǔ) 光減少中部葉片 RbcL 蛋白積累 而植株間補(bǔ)光有利于中部葉片 RbcL 蛋白積累 圖 4 上述結(jié)果 說(shuō)明 補(bǔ)光有助于提高葉片光合能力 而頂部補(bǔ)光對(duì)于提高植株整體光合作用的效果更好 圖 4 不同位置補(bǔ)光對(duì)番茄 Rubisco 活化酶 RCA 和 Rubisco 大亞基 RbcL 蛋白含量的影響 Fig 4 Effects of supplemental lighting at different positions on protein content of Rubisco activase RCA and Rubisco large subunit RbcL of tomato 齊振宇 王 婷 ?？电?劉 玥 王明欽 喻景權(quán) 周艷虹 夏曉劍 設(shè)施番茄不同葉位補(bǔ)光對(duì)植株形態(tài) 光合及激素合成的影響 園藝學(xué)報(bào) 2021 48 8 1504 1516 1511 2 3 不同位置補(bǔ)光對(duì)番茄葉綠素?zé)晒獾挠绊?利用調(diào)制熒光成像儀進(jìn)一步分析補(bǔ)光對(duì)番茄光合作用的影響發(fā)現(xiàn) 與對(duì)照相比 頂部補(bǔ)光顯著 提高番茄植株上 中 下部葉片 Y 而植株間補(bǔ)光番茄除中部葉片 Y 顯著提高外 上 下部葉片與對(duì)照并無(wú)顯著差異 圖 5 A B 基于葉綠素?zé)晒馀c氣體交換聯(lián)用獲得的光系統(tǒng) 光 化學(xué)猝滅系數(shù) q P 也表現(xiàn)類(lèi)似的趨勢(shì) 圖 5 C 利用植物效率儀獲得 OJIP 曲線(xiàn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn) 化 發(fā)現(xiàn)不同位置補(bǔ)光均能減小 O J 階段熒光相對(duì)變化參數(shù) A1 且頂部補(bǔ)光的效果顯著 圖 5 D 頂部補(bǔ)光還能提高不同位置葉片 I P 階段相對(duì)熒光變化參數(shù) A2 但植株間補(bǔ)光幾乎沒(méi)有效 果 圖 5 E 上述結(jié)果表明 補(bǔ)光能緩解光系統(tǒng) 和光系統(tǒng) 電子傳遞受體側(cè)限制 頂部補(bǔ)光能 更好的促進(jìn)光化學(xué)反應(yīng) 提高電子傳遞效率 圖 5 不同位置補(bǔ)光對(duì)番茄光系統(tǒng) 光化學(xué)效率 Y 光化學(xué)猝滅系數(shù) q P 和 OJIP 曲線(xiàn)參數(shù)的影響 Fig 5 Effects of supplemental lighting at different positions on photosystem II photochemical efficiency photochemical quenching coefficient q P and parameters of OJIP curve of tomato 2 4 不同位置補(bǔ)光對(duì)番茄內(nèi)源激素的影響 如圖 6 所示 頂部補(bǔ)光后 番茄植株頂部嫩葉 IAA 含量顯著降低 而植株間補(bǔ)光的含量與對(duì)照 無(wú)顯著差異 IAA 合成關(guān)鍵基因 FZY1 的相對(duì)表達(dá)量與 IAA 含量變化趨勢(shì)基本一致 頂部補(bǔ)光后 IAA Qi Zhenyu Wang Ting Sang Kangqi Liu Yue Wang Mingqin Yu Jingquan Zhou Yanhong Xia Xiaojian Effects of supplemental lighting at different positions on tomato plant morphology photosynthesis and endogenous hormone biosynthesis under low light environment 1512 Acta Horticulturae Sinica 2021 48 8 1504 1516 運(yùn)輸相關(guān)基因 PIN3 PIN4 表達(dá)量都高于對(duì)照 PIN2 表達(dá)量與對(duì)照差異不顯著 而 PIN1 顯著下調(diào) 植株間補(bǔ)光除了對(duì) PIN2 有上調(diào)作用外 對(duì)其他 PIN 基因表達(dá)均有不同程度的抑制作用 說(shuō)明補(bǔ)光 可能調(diào)控 IAA 的極性運(yùn)輸 圖 6 不同位置補(bǔ)光對(duì)番茄內(nèi)源生長(zhǎng)素 IAA 含量及其合成與運(yùn)輸相關(guān)基因表達(dá)的影響 Fig 6 Effects of supplemental lighting at different positions on the content of endogenous auxin IAA and the expression of genes related to IAA synthesis and transport in tomato 分析細(xì)胞分裂素 CK 含量 圖 7 發(fā)現(xiàn) 頂部補(bǔ)光植株 CK 含量相比對(duì)照增加 4 倍 植株間 補(bǔ)光對(duì) CK 含量也略有促進(jìn)作用 同時(shí) 頂部補(bǔ)光誘導(dǎo) CK 合成基因 IPT2 IPT3 顯著上調(diào) 而植株 間補(bǔ)光輕微誘導(dǎo) IPT2 表達(dá) 但對(duì) IPT3 表達(dá)無(wú)顯著作用 此外還發(fā)現(xiàn) 補(bǔ)光對(duì) BR 合成基因表達(dá)也 有影響 頂部補(bǔ)光后 BR 合成基因 CYP85A1 DET2 CPD DWF4 均有不同程度下調(diào) 植株間補(bǔ)光 后 BR 合成限速基因 CYP85A1 表達(dá)量也明顯下調(diào) 但 DET2 表達(dá)上調(diào) 而 CPD DWF4 與對(duì)照無(wú)明 顯差異 圖 8 推測(cè)補(bǔ)光通過(guò)調(diào)控 BR 合成在一定程度上影響植株形態(tài)建成 圖 7 不同位置補(bǔ)光對(duì)番茄內(nèi)源細(xì)胞分裂素 CK 的含量及其合 成相關(guān)基因表達(dá)的影響 Fig 7 Effects of supplemental lighting at different positions on the content of endogenous cytokinin CK and the expression of genes related to CK synthesis in tomato 圖 8 不同位置補(bǔ)光對(duì)番茄內(nèi)源油菜素內(nèi)酯 BR 合成 基因表達(dá)的影響 Fig 8 Effects of supplemental lighting at different positions on the expression of genes related to endogenous brassinosteroid BR synthesis in tomato 齊振宇 王 婷 桑康琪 劉 玥 王明欽 喻景權(quán) 周艷虹 夏曉劍 設(shè)施番茄不同葉位補(bǔ)光對(duì)植株形態(tài) 光合及激素合成的影響 園藝學(xué)報(bào) 2021 48 8 1504 1516 1513 3 討論 光照不均衡 葉片互相遮蔭等因素極易造成弱光環(huán)境 抑制作物光合作用 長(zhǎng)期弱光還會(huì)破壞 光合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和活性 并降低葉綠素含量 唐韡 等 2007 楊萬(wàn)基 等 2017 設(shè)施內(nèi)補(bǔ)光是增 強(qiáng)植株光合作用 提高產(chǎn)量品質(zhì)的有效手段 尤杰等 2020 采用頂部補(bǔ)光和植株間補(bǔ)光相結(jié)合的 方法大幅度提升番茄產(chǎn)量 考慮到生產(chǎn)成本和資源有效利用的問(wèn)題 本研究中以建立節(jié)能高效補(bǔ)光 技術(shù)為目的 比較了植株頂部和植株間補(bǔ)光兩種方式 發(fā)現(xiàn)植株間補(bǔ)光能夠在一定程度上提高中部 及下部葉片光合能力 這與前人的結(jié)果 丁小濤 等 2016 閆文凱 等 2018 一致 而頂部補(bǔ)光 相較于植株間補(bǔ)光對(duì)于植株整體光合能力的提高有更好的效果 這可能與 Rubisco 活化酶 RCA 蛋白的積累有關(guān) RCA 有助于從 Rubisco 的活性位點(diǎn)釋放磷酸糖抑制因子 在激活和維持 Rubisco 活性中起著關(guān)鍵作用 Kim et al 2020 Lu et al 2020 本試驗(yàn)中 隨著葉齡的增加 RCA 蛋白的 積累逐漸降低 頂部補(bǔ)光能延緩各葉位 RCA 蛋白含量的下降 而植株間補(bǔ)光則不具有這種效果 需要注意的是 頂部補(bǔ)光和植株間補(bǔ)光都能促進(jìn)上部葉片 RCA 蛋白積累 這與補(bǔ)光促進(jìn)上部葉片 RCA 基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)相一致 前人研究發(fā)現(xiàn) 細(xì)胞分裂素 CK 促進(jìn) Rubisco 小亞基編碼基因表達(dá) Boonman et al 2007 而補(bǔ)光確實(shí)能提高 CK 的含量 RCA 表達(dá)的增加是否與 CK 信號(hào)有關(guān)值得 進(jìn)一步研究 RCA 活性受 ADP ATP 比值的調(diào)控 Carmo Silva et al 2015 研究發(fā)現(xiàn) 番茄植株 頂部照射紅光能誘導(dǎo)生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸 提高下部葉片 ATP 合成能力 從而縮短光合活化的時(shí)間 Guo et al 2016 本研究中也發(fā)