水稻（Oryza sativa L.）是世界主要粮食作物之一[1]。为激发水稻种植的积极性，稳定或增加种植面积，工厂化集中育秧和机械移栽已成为水稻生产的趋势[2]。工厂化育秧通过对水稻秧苗生长环境的精准调控，突破了传统农业的局限，有利于水稻栽培的可持续发展[3]。在水稻工厂化育秧时，需要人工补光来弥补自然光的不足。因此，探索适宜的补光光谱以进行壮秧培育具有重要意义。

水稻工厂化育秧时，通过选定适宜的光谱波段补光可促进植株发育和目标代谢物的生物合成[4]。发光二极管（light emitting diode,LED）对工厂化育秧具有重要作用[5]。光质可调节植物的光合作用和光形态发生等一系列生理生化过程，是影响植物生长发育的重要光参数[6]。蓝光是植物所接受的主要光谱之一，对植物的生长发育有重要影响。如蓝光可显著降低植物株高，促进可溶性蛋白含量和壮苗指数的增加[7]，对叶绿体发育和叶绿素形成具有重要作用[8]。但目前在其波长的筛选方面尚缺少研究，适宜的蓝光补光光谱尚不明确。屈成等[7]在研究不同LED红蓝光质比对水稻幼苗生长和生理特性的影响时，采用的蓝光LED主波长为457 nm；刘萍等[9]在进行LED补光对水稻秧苗素质及其生理特征和产量的影响试验时，采用的蓝光LED发射主波长为460 nm。基于此，本试验采用4种光质处理，探究不同波长蓝光对水稻秧苗素质、光合特性和生理特性的影响，以期为水稻工厂化育秧的精准补光技术提供参考。

1、材料与方法

1.1 试验材料

以常规籼稻品种湘早籼24号为试验材料，种子由湖南农业大学水稻科学研究所提供；试验光源为新型LED植物生长灯，由广东省东莞市立德达光电科技有限公司提供。

1.2 试验设计

共设置4个处理，分别为白光对照（CK）、400 nm蓝光（T1）、420 nm蓝光（T2）和450 nm蓝光（T3）。采用定时器控制光照时间为8∶00—20∶00，光周期为12 h·d-1，光强为（250±5）µmol·m-2·s-1,LED灯距离种子30 cm。

试验于2023年4月进行，选取无病虫害、饱满程度一致的水稻种子，用5%次氯酸钠溶液浸泡消毒20 min，用自来水反复洗涤3～4次，然后在室温蒸馏水中浸泡24 h，在37℃恒温烘箱中催芽12 h。种子露白后，将其均匀地播于96孔板上，每孔1粒，3次重复，后放入植物光学实验室进行水培。先用蒸馏水缓苗2 d，后用营养液培养（营养液成分参照国际水稻研究所水稻营养液配方[10]），每3 d更换一次营养液，培养25 d，环境温度（25±2）℃，相对湿度80%±5%。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 农艺性状的测定

于补光第25天，每处理随机选取长势均匀的健康幼苗30株，用流水冲洗根系备用。主茎叶数为当时的叶龄，用小数点后一位表示。用直尺和游标卡尺分别测量植株高度和茎基宽度。用万分之一电子天平测量幼苗的鲜重和干重。使用LA-植物图像分析仪（杭州万深检测科技有限公司）获取S叶片和根系参数数据。按照公式（1）和（2）分别计算壮苗指数和比叶重：

1.3.2 生理指标的测定

使用叶夹暗处理叶片20min，用FP110手持式叶绿素荧光仪（捷克Photon Systems Instruments公司）测量幼苗的叶绿素荧光参数。采用乙醇法测定叶绿素含量；考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量；蒽酮法测定可溶性糖和淀粉含量，非结构性碳水化合物含量为两者之和；硫代巴比妥酸法测定丙二醛含量；茚三酮法测定脯氨酸含量；甲烯蓝法测定根系吸收能力；超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性分别采用氮蓝四唑法、愈创木酚法、紫外吸收法测定[11]。

1.3.3 气孔性状的测定

选择无损伤且具有代表性的叶片，垂直于主叶脉剪取试验材料。用70%的酒精洗涤约5 min，以去除渗入组织的固定液，然后将样品放入脱硅剂（蒸馏水∶氢氟酸=9∶1）中，在80℃烘箱中保温5 h，然后刮制。刮制时，将叶片放在干净光滑的台面上用刀片轻柔往复刮，直至观察到叶片透明度高，纹路清晰可见，纹路之间区域无斑点、斑块或损伤，即完成刮制。刮出的切片按75%→85%→95%→无水酒精的顺序逐级脱水，然后用1%甲苯胺蓝染色1～3 min。最后，在光学显微镜下观察气孔特性[12]。

1.4 数据处理与分析

使用Microsoft Excel 2016进行数据统计与整理；IBM SPSS Statistics 26软件进行单因素方差分析；采用Duncan多重比较法进行显著性分析，以P<0.05水平表示差异显著；使用Origin 2021软件绘图。

2、结果与分析

2.1 不同波长蓝光对早稻幼苗农艺性状的影响

由表1可知，经蓝光处理后，早稻幼苗叶龄显著高于白光对照，且随着波长的增加而增加，T1、T2和T3分别较CK提高10.61%、10.86%和14.32%。蓝光处理显著降低了株高，且波长越长，降低程度越大，T1、T2和T3分别较CK降低17.94%、32.19%和44.43%。T3处理的茎基宽和壮苗指数显著高于CK、T1，分别较CK、T1提高12.44%和60.00%、16.49%和166.67%。不同处理下幼苗鲜重和干重的变化趋势相似，以CK处理下的幼苗鲜重和干重最大，而T1处理下的幼苗鲜重和干重分别较CK显著下降25.44%和31.94%，降幅大于T2(14.68%和7.50%）和T3(13.44%和11.69%）。由表2可知，蓝光处理增大了叶宽，减小了叶长，以T3处理下的叶宽和叶面积最大，分别较CK增加74.83%和14.04%。T3处理下的幼苗根长、根表面积分别较CK和T1显著增加53.45%、68.25%和62.94%、80.04%，但与T2无显著差异。T3处理的幼苗根体积最大，较CK增加41.67%,T1处理的根体积最小，较CK降低14.58%。

表1 不同波长蓝光对早稻幼苗农艺性状的影响

表2 不同波长蓝光对早稻幼苗叶片和根系生长的影响

2.2 不同波长蓝光对早稻幼苗光合特性的影响

2.2.1 不同波长蓝光对早稻幼苗叶片气孔性状的影响

由图1、2可知，与CK相比，蓝光有利于早稻幼苗叶片气孔密度的增加，420和450 nm蓝光对气孔长度和宽度有正向作用。3种波长蓝光处理的幼苗叶片气孔密度均显著大于CK，以T3处理最大，较CK增加55.22%，而T1与T2间无显著差异。与CK相比，T2处理的气孔长度显著增加19.85%。T3处理的气孔宽度最大，较CK增加了4.76%。相反，T1处理对气孔长度和宽度均有不利影响，两者分别较CK降低3.66%和5.12%。气孔密度的增加会提高光合作用效率，从而促进叶片对二氧化碳的吸收。更大的气孔会导致更多的水分蒸发，增加叶片蒸腾作用，但同时也会增强幼苗吸收二氧化碳和水的能力，并促进光合作用。综上，T3处理能更有效地改善早稻幼苗叶片的气孔性状，提高光合效率，从而产生更多的有机质。

图1 不同波长蓝光处理下早稻幼苗叶片的切片图

图2 不同波长蓝光对早稻幼苗气孔密度（A）、气孔长度（B）和气孔宽度（C）的影响

2.2.2 不同波长蓝光对早稻幼苗叶绿素荧光参数和光合色素含量的影响

由表3可知，蓝光处理较CK整体提高了早稻幼苗PSⅡ最大光化学量子产量（maximum photochemical quantum yield of PSⅡ，Fv/Fm）和非光化学猝灭（non-photochemical quenching,NPQ）。其中，T2和T3处理的幼苗NPQ、Fv/Fm分别较CK显著提高134.78%、3.82%和117.39%、4.12%,NPQ在T1和CK间差异不显著，Fv/Fm在T3处理下最高。各处理间的光化学淬灭系数（photochemical quenching coefficient,qP）均无显著差异。上述结果表明，蓝光有利于提高早稻幼苗PSⅡ的光能转换效率和光保护能力，且以T3处理效果更为显著。

T2和T3处理的叶绿素a、叶绿素（a+b）和类胡萝卜素含量均较CK显著增加，且T3处理下的幼苗叶绿素a、叶绿素（a+b）和类胡萝卜素含量均显著高于其他处理，其中较CK分别增加46.59%、37.81%和47.35%。T1处理下的幼苗叶绿素a和叶绿素（a+b）含量分别较CK显著降低6.42%和11.58%。上述结果表明，与CK相比，T1不利于光合色素积累，而T2和T3有利于光合色素积累。

表3 不同波长蓝光对早稻幼苗叶绿素荧光参数和光合色素含量的影响

2.3 不同波长蓝光对早稻幼苗生理特性的影响

2.3.1 不同波长蓝光对早稻幼苗非结构性碳水化合物含量的影响

由图3可知，与CK相比，T2和T3处理的幼苗可溶性糖含量增加，T1和T2处理的幼苗淀粉含量减少。T3处理幼苗叶片中的可溶性糖、淀粉和非结构性碳水化合物（non-structural carbohydrate,NSC）含量显著高于其他处理，与CK、T1和T2相比，T3处理的可溶性糖含量分别增加59.76%、65.08%和37.15%，淀粉含量分别增加68.80%、156.39%和179.56%,NSC含量分别增加64.12%、85.21%和61.38%。上述结果表明，T3能促进早稻幼苗NSC的积累，提高幼苗的碳供应水平，而T1处理则相反。

图3 不同波长蓝光对早稻幼苗可溶性糖（A）、淀粉（B）和非结构性碳水化合物（C）含量的影响

2.3.2 不同波长蓝光对早稻幼苗可溶性蛋白、丙二醛和脯氨酸含量的影响

由图4可知，与CK相比，蓝光处理可促进早稻幼苗可溶性蛋白和脯氨酸的积累，显著降低丙二醛（malondialdehyde,MDA）含量。蓝光处理下早稻幼苗的可溶性蛋白含量显著高于白光，与CK相比，T1、T2和T3处理的幼苗可溶性蛋白含量分别增加64.06%、121.15%和106.41%。MDA含量的变化趋势与可溶性蛋白含量相反，T1、T2和T3处理MDA含量分别较CK显著降低55.04%、67.93%和43.97%。脯氨酸含量随蓝光波长的增加而增加，以T3处理最高，较CK显著提高38.54%。上述结果表明，蓝光处理有利于提高早稻幼苗的渗透调节能力和抗逆能力。

2.3.3 不同波长蓝光对早稻幼苗抗氧化酶活性的影响

由图5可知，与CK相比，T2、T3处理早稻幼苗的过氧化氢酶和过氧化物酶活性分别显著提高110.93%、169.66%和18.23%、10.38%，但CK和T1处理下的两种酶活性无显著差异。蓝光处理下的幼苗超氧化物歧化酶活性显著高于白光，以T3处理最高，较CK提高34.24%。上述结果表明，蓝光处理有利于提高早稻幼苗的抗氧化酶活性，增强其防御能力和抗逆性，以T3处理效果最佳。

2.4 不同波长蓝光对早稻幼苗根系吸收能力的影响

由图6可知，T3处理下早稻幼苗的根系总吸收面积、根系有效吸收面积和根系有效吸收面积比均显著大于其他处理，分别较CK增加10.35%、13.79%和3.11%。T1处理的幼苗根系吸收能力最差，3项指标分别较CK显著减小32.31%、43.55%和16.60%。上述结果表明，T3有利于增大早稻幼苗根的总吸收面积和有效吸收面积，进而提高幼苗的根系吸收能力。

图4 不同波长蓝光对早稻幼苗可溶性蛋白（A）、丙二醛（B）和脯氨酸（C）含量的影响

图5 不同波长蓝光对早稻幼苗过氧化氢酶（A）、过氧化物酶（B）和超氧化物歧化酶（C）活性的影响

图6 不同波长蓝光对早稻幼苗根系总吸收面积（A）、根系有效吸收面积（B）和根系有效吸收面积比（C）的影响

3、讨论

3.1 不同波长蓝光对早稻幼苗农艺性状的影响

光是植物生长和形态分化的环境信号，蓝光是植物光合作用的主要能量来源之一，对植物的生长和光形态建成有较大影响[13]。本试验发现，与CK相比，3种波长蓝光处理均显著增加了水稻幼苗的叶龄，降低了幼苗株高，T3处理显著提高了幼苗的茎基宽、叶宽、叶面积、壮苗指数，这与Chen等[13]的研究结果一致。Han等[14]研究发现，OsCSN1在蓝光下通过赤霉素（gibberellic acid,GA）信号通路调控水稻幼苗生长，在蓝光的影响下，OsCSN1调控SLR1降解，从而对水稻幼苗的株高和胚芽鞘产生一定的抑制作用。同时，蓝光可通过油菜素内酯通路调控水稻叶片发育，促进叶片扩展[15]。光质会影响植物的根系形态，蓝光通过显著提高生长素合成相关基因的表达水平来诱导迷迭香的根系生长，提高其生根率和根部鲜重[16]。本研究发现，T3处理较CK显著增强了水稻幼苗的根系吸收能力，促进了幼苗的根系发育，这与上述研究结果一致。蓝光通过光感受器介导的根系发育主要通过调节植物激素的合成、信号传导和运输来实现，在此过程中，生长素发挥关键作用[17]。由此可见，蓝光诱导水稻根系发育与生长素信号通路相关。

3.2 不同波长蓝光对早稻幼苗光合特性的影响

光合作用是一种重要的生理活动，与植物的生长环境、营养状况和基因组成密切相关[18]。气孔是连接植物叶片与外界环境的通道，影响植物的光合、呼吸和蒸腾作用。光在气孔发育过程中发挥重要作用，植物通过关键的转录因子和信号通路调控气孔发育[19]。光质会影响植物的气孔反应，本试验发现，蓝光处理下水稻幼苗气孔密度显著高于CK，以T3处理的气孔密度最大，T2和T3处理均增加了气孔长度和宽度，这与Jensen等[20]的研究结果相似。有研究认为，光通过不同的光感受器调节气孔开放和气孔发育，蓝光在调节气孔孔径和气孔密度方面起主要作用，当保卫细胞受到蓝光照射时，蓝光感光蛋白激酶-向光素通过自磷酸化被激活，并启动气孔打开的信号[21],miR399作为负调控因子介导泛素结合E2酶PHO2调节磷酸盐稳态，控制气孔发育[19]，这可能是本研究蓝光促进气孔发育的内因。

叶绿素荧光可以部分反映植物的光合能力和PSⅡ光化学的有效性[22]。本试验发现，与CK相比，T3处理提高了水稻幼苗对光抑制的抗性、PSⅡ的开放性和电子传递效率，能够捕获、吸收和传递更多的电子，这与Li等[23]的研究结论一致。可能的原因是T3处理下水稻幼苗具有较大的叶面积和较好的叶片结构，从而提高了叶片的光截获能力，进而提高了光合效率[23]。此外，T2和T3处理的早稻幼苗叶绿素和类胡萝卜素含量均高于CK，且以T3最高，这与前人在苹果植株[24]上的研究结果较一致，可能是因为蓝光通过蓝光受体-隐花色素和向光素诱导叶绿素合成酶基因CLH2的表达，从而促进了叶绿素的生物合成[25]。

3.3 不同波长蓝光对早稻幼苗生理特性的影响

光质对植物的抗逆生理也有重要的调控作用。可溶性糖和淀粉是植物的光合产物，其组成反映了植物的生存策略。淀粉在叶绿体中的代谢主要依赖于光照，蓝光信号通过叶绿体中的转录因子HY5调节淀粉积累[26]。与Shang等[27]的研究结果一致，本试验结果表明，相较CK,T3处理有利于促进水稻幼苗光合产物中可溶性糖和淀粉的积累，进而影响植株的碳代谢。脯氨酸和可溶性蛋白质是植物细胞内重要的渗透调节物质，是衡量植物抗性的重要因素。抗氧化酶活性可用来评价植株受活性氧毒害的程度和对逆境的耐受能力。而MDA是植物细胞膜脂质过氧化的产物，可反映细胞的损伤程度[28]。有研究发现，蓝光能够诱导黄瓜抗氧化酶基因的表达及酶活性的提高，延缓可溶性蛋白的降解，并使MDA含量保持在相对较低的水平，从而提高黄瓜植株的抗氧化能力[29]。本试验同样发现，与CK相比，蓝光处理使水稻幼苗的可溶性蛋白含量增加，抗氧化酶活性增强，MDA含量减少，表明蓝光可使水稻幼苗的适应能力增强。

4、结论

3种波长蓝光均能加快水稻幼苗的生长，增加叶宽、可溶性蛋白含量和气孔密度，降低株高和MDA含量。T3对幼苗茎基宽、叶宽、根系发育、壮苗指数、NSC积累、抗氧化酶活性和光合能力有明显促进作用。T1对幼苗的生物量积累、壮苗指数、根系吸收能力、NSC含量和气孔大小有负面影响。综上，早稻幼苗在T3处理下具有更好的品质、更强的光合能力和抗逆性。因此，在水稻工厂化育秧进行精准补光时，450 nm蓝光适合作为培育壮苗的光源。

参考文献:

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基金资助:湖南省重点研发项目(2022NK2044); 望城科技计划项目(KJ221017); 湖南省科技创新计划项目(2022WZ1022);

文章来源:陈杏,张晓娟,唐承柱,等.早稻幼苗生长发育对不同波长蓝光的响应[J].核农学报,2024,38(09):1814-1821.