母德锦，吴美珍，余琼芬，胡小龙

（西南地区生物多样性保育国家林业和草原局重点实验室·西南林业大学 昆明 650224）

蚕豆（Vicia fabaL.）属于豆科（Leguminosae）野豌豆属（ViciaL.），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）。

图1 红光处理后蚕豆苗高和营养液pH 值的变化

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。

表1 红光照射对蚕豆根、茎、叶中N 含量的影响 （g·kg-1）

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。

表2 红光照射对蚕豆根、茎、叶中P 含量的影响 （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。

表3 红光照射对蚕豆根、茎、叶中K 含量的影响 （g·kg-1）

2.3 红光处理对蚕豆叶片叶绿素含量的影响

由图2 可知，在红光处理组中，随着光照时间的增加，蚕豆幼苗叶片中叶绿素a、叶绿素b 和总叶绿素的积累呈先上升后下降的趋势；在白光处理组中，叶绿素a、叶绿素b 和总叶绿素含量呈持续上升的趋势。在红光补光处理下，12 h 的光处理中叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量最高，分别为1.614、0.595、2.209 g·kg-1。但是在同一光照时间的红光和白光处理蚕豆幼苗叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素的积累均无显著差异。由图2-D 可知，随着红光光照时间的增加，类胡萝卜素的积累呈先下降后上升的趋势。其中红光补光12 h 时，类胡萝卜素含量最低，为0.161 g·kg-1，而长时间（14 h）的白光处理不利于类胡萝卜素的积累。

图2 红光照射后蚕豆叶绿素含量的变化

2.4 红光照射对蚕豆幼苗叶片抗性生理指标的影响

在不同的红光照射时长下，蚕豆叶片中可溶性糖、可溶性蛋白、游离氨基酸、游离脯氨酸含量的变化趋势各不相同。由图3-A 可知，随着光照时间的增加，红光和白光照射下的蚕豆幼苗叶片中可溶性糖含量呈上升趋势，但与白光处理相比，在光照时长为10、11、12 h 时，红光处理极显著降低了叶片中可溶性糖含量。由图3-B 可知，在红光处理下，蚕豆幼苗叶片中可溶性蛋白含量随着光照时间的增加逐渐增加，白光处理下蚕豆叶片可溶性蛋白含量呈先增加后降低的趋势。与白光处理相比，在红光光照时长为10、11、12、13 h 时，可溶性蛋白含量分别显著或极显著下降了14.359、25.965、12.019、9.997 g·kg-1。由图3-C 所示白光照射后蚕豆幼苗游离氨基酸含量呈先降低后升高趋势。在光照时长为10、11、13 h 时，红光处理显著或极显著降低了蚕豆幼苗叶片中游离氨基酸含量，在12、14 h 时二者并无显著差异。由图3-D 可知，在红光处理下，随着光照时间的增加，游离脯氨酸含量呈先增加后下降的趋势，与白光处理相比，在光照时长为10、11、12、14 h 时，红光补光处理游离脯氨酸含量显著或极显著降低。

图3 红光照射后蚕豆生理指标的变化

2.5 红光照射对蚕豆幼苗生物量的影响

由图4 可知，红光补光处理11 h 和14 h 后，蚕豆幼苗总生物量较高，其他光照时长的蚕豆生物量相对较低。随着白光照射时间增长，蚕豆幼苗的总生物量呈先逐渐下降后上升趋势。短时段红光照射和白光照射后蚕豆总生物量差异不显著，但长时段（12～14 h）光照后，红光补光处理的蚕豆幼苗总生物量积累显著高于白光处理。

图4 红光照射后蚕豆总生物量的变化

3 讨论与结论

3.1 红光补光对蚕豆生长的影响

光对植物生长发育具有重要的作用，它不仅为植物光合作用提供基本能源，还是其生长发育的重要调节因子[17]。其中光质在调节植物的生长发育过程中起到重要的作用[30]。在前期的研究中发现，单色的红光能够促进植物幼苗苗高的生长，黄文静等[31]研究表明，LED 红光有利于火龙果幼苗的增高，秦健等[32]发现，红光能促进青钱柳幼苗的苗高增加，并且与白光相比有显著差异。笔者的研究结果表明，红光补充能够显著促进蚕豆幼苗的苗高增加。同时，培养液pH 值在培养5～10 d 过程中持续降低可能与蚕豆幼苗快速生长过程中对营养元素的吸收有关[33]。

前人研究表明，红光光源能够在一定程度上促进植物幼苗生物量增加。例如，与白光相比，单色红光能提高11.46%的火龙果幼苗生物量[31]，但在笔者的研究中，10～11 h 的红光补光与白光相比，蚕豆的生物量没有显著差异。在光照周期较长时（≥12 h），白光处理下蚕豆幼苗的总生物量显著低于红光处理。

3.2 红光补光对蚕豆生理生化的影响

笔者的研究结果表明，红光补光对蚕豆幼苗的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素影响不大，红光处理11 h 对叶绿素b 稍有促进，12 h 对叶绿素a、叶绿素b 和总叶绿素稍有促进外，其余红光处理叶绿素a、叶绿素b 和总叶绿素稍有下降。类胡萝卜素对不同光周期呈现出不同规律，在12 h 红光光照时含量最低。但红光补光处理后，叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素的含量与白光相比差异不显著。这与黄碧阳[34]的研究结果类似，红光处理菠菜后降低了叶片叶绿素含量，但对类胡萝卜素含量影响较小。

另外，N、P、K 在植物器官中的分配，反映了植物生物量的积累以及植株的品质。前人研究表明，红光能够调节植物体内的代谢来增加光合产物的积累[35-36]。笔者的研究表明，适当的红光补光能够增加蚕豆根、茎、叶中N 的积累，但与白光处理相比差异不显著。同时红光补光也促进了茎中P 的吸收，除11 h 外，其余光照时段红光处理降低了茎中K 的积累。红光补光部分时间对蚕豆幼苗茎中P、K 以及叶片中的可溶性糖、可溶性蛋白、游离氨基酸和游离脯氨酸含量有显著影响，红光补光在各个光周期中均降低了可溶性糖、可溶性蛋白和游离脯氨酸的含量。

综上所述，笔者探讨了红光和光照时长对蚕豆幼苗的影响，适当红光补光能够促进蚕豆幼苗苗高的生长，促进根、茎、叶中N 含量的积累，促进了茎中P 的吸收，部分光照时段降低了茎中K 的积累量，减缓总生物量随光周期的延长而降低的趋势。同时，适当的红光补光有助于提高蚕豆幼苗的产量。笔者的研究结果，可为蚕豆育苗过程中光质和光周期的选择提供一定的数据支撑和理论支持。