香瓜茄扦插苗生长发育及光合特性对不同光照时间的响应

Response of growth and photosynthetic characteristics of pepino cutting seedlings to different light time

摘要

目的 确定培育香瓜茄扦插苗的最佳光照时长，研究人工气候环境条件下香瓜茄扦插苗对光照时长的响应。 方法 以香瓜茄甜圆果型栽培种为试验材料，分别设置 6、9、12、15、18 h共5个光照时长处理，分析不同光照时长下香瓜茄扦插苗生长发育及光合特性的差异。 结果 适宜光照时长处理下植株地上地下部生长发育良好，叶肉细胞结构清晰，栅栏组织细胞排列整齐紧凑，海绵组织细胞分布致密，且光合效率较高；随着光照时间的延长，香瓜茄扦插苗蔗糖合成酶，蔗糖磷酸合成酶变化趋势呈现稳定状态，可溶性糖含量呈现先上升后下降趋势；光照时长超过12 h，香瓜茄扦插苗植株长势减弱。通过对香瓜茄扦插苗生长指标、根系构型、光合色素含量、光合参数、光合产物及相关酶活性等指标进行主成分分析，得到3个主成分，其累计贡献率为93.996%，通过对3个主成分的特征值加权计算15个性状主成分因子的综合得分，其中光照9 h和12 h处理得分明显高于其他处理。 结论 适合香瓜茄扦插苗生长发育的光照时长是9~12 h。

Abstract

Objective In order to determine the optimal light duration for cultivating pepino cutting seedlings，the study was conducted to explore the response of pepino cutting seedlings to light duration under artificial climatic conditions. Method In this study，the cutting seedlings of the sweet round fruit cultivar of pepino was employed as the experimental materials，and five light duration treatments (i.e.，6 h，9 h，12 h，15 h and 18 h) were set up to analyze the differences in growth and photosynthetic characteristics of the cutting seedlings under different light durations. Result Under the treatment of appropriate light duration，the aboveground and underground parts of the plant grew well，the mesophyll cell structure was clear，the palisade tissue cells were arranged neatly and compactly，the sponge tissue cells were densely distributed，and the photosynthetic efficiency was high.With the extension of light time，both sucrose synthase and sucrose phosphate synthase in the pepino cutting seedlings showed a stable variation，and the soluble sugar content increased first and then decreased.When the illumination time exceeded 12 h，the growth of pepino cutting seedlings weakened.Through the principal component analysis for the growth index，root configuration，photosynthetic pigment content，photosynthetic parameters，photosynthetic products and related enzyme activities of pepino cutting seedlings，three principal components were obtained，with the cumulative contribution rate of 93.996%.The comprehensive scores of the principal component factors for 15 traits were calculated by weighting the eigenvalues of the three principal components.The scores of 9 h and 12 h treatments were significantly higher than that of other treatments. Conclusion The light duration of 9~12 h is suitable for the growth and development of pepino cutting seedlings.

Graphical abstract

关键词

香瓜茄扦插苗 / 光照时长 / 生长发育 / 光合特性

Key words

pepino cutting seedlings / light duration / growth and development / photosynthetic characteristics

Author summay

张文娟，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

育苗作为园艺作物生产的关键环节，是提高作物生产综合效益的关键技术，对作物种植效果影响显著，培育优质种苗是园艺作物产业发展的基础^［1］。控制好育苗环境是整个设施园艺生产过程中的重要环节，它直接影响着幼苗生长发育、生产规模和生产成本，进而决定了幼苗质量、定植后的生长速度及综合能力^［2］。园艺作物幼苗的生长发育受光照、温度、水分、气体和肥料等诸多因素的影响，其中光照长度作为幼苗生长发育必需的环境因素^［3］，影响光合产物的积累及产量形成，参与一些信号转导及物质代谢过程，同时还参与种子萌发、幼苗叶绿素合成等过程^［4］。人工光环境调控是一种绿色无污染，精准智能的调控方式。研究发现，补光处理45 d后，番茄幼苗中的可溶性糖和蛋白质含量显著高于对照^［5］；不同光周期处理对植物叶绿素含量和光合作用的影响较大，暗期多次打断处理可使番茄幼苗叶绿素含量显著增加，光合速率显著提高^［6］。

香瓜茄（Solanum murcatum Murr.）是茄科（Solanaceae）茄属多年生草本植物，又称“人参果”，原产于南美安第斯山区^［7］。香瓜茄作为一种果蔬作物，因其具有抗氧化、抗糖尿病、抗炎和抗肿瘤活性的作用而闻名^［8］，引入我国种植仅30余年。近年来随着市场认可度的提升，香瓜茄种植面积迅速扩大，在云贵高原、黄土高原、青藏高原等地区均有大面积种植，现已是青海、甘肃地区日光温室种植的重要特色作物之一^［9］。

青海省地处青藏高原，气候条件较为特殊，冬季光照时间短并常伴有连续的阴雪天气，设施内日照时间通常只有7 h左右，而且还会因设施覆盖材料老化等原因导致设施内部光环境不良^［9］。因此冬春季节温室育苗存在光照时间和辐射强度均不足的情况，光照成为该季节温室育苗的主要限制因素。设施内部光照不足，不能满足植物生长发育的条件，进而引起幼苗徒长、发育不良、病虫害等问题发生，最终致使幼苗质量下降^［10］。因香瓜茄驯化栽培历史短，与其栽培相关的生理生化基础研究薄弱，目前尚未见光照时长对其生长发育影响的研究报道。因此本试验通过对不同光照时长下香瓜茄扦插苗生长发育及光合特性的研究，以期为香瓜茄扦插苗的光调控及培育优质种苗提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以香瓜茄甜圆果型栽培种 （sweet-round friut，SRF）为试验材料，于青海大学园艺创新基地（N 36°71′88.66″，E 101°74′94.03″）种植。

1.2 试验处理

在青海大学农林科学院园艺创新基地采集露地栽培90 d的香瓜茄植株茎段，扦插到50孔穴盘中，商品育苗基质作栽培基质，10 d后选择长势一致的香瓜茄扦插苗移入植物工厂，并设置昼夜温度25 ℃/17 ℃，湿度60%，采用杭州小太阳科技有限公司生产的全光谱LED灯（功率14 W，1.2 m），分别设置6、9、12、15、18 h 光照处理，以6 h光照处理作为对照（CK），定时器控制光照时间，每组处理100株，期间按常规培养。移入植物工厂计为第0天，在处理第30天时，测定相关指标，每处理5次重复。

1.3 测试方法

1.3.1 生长指标

每处理随机选取5株香瓜茄扦插苗进行标记，用直尺测量植株株高、节间长、茎粗等。摘第6片叶擦净称取鲜重；将叶片置于烘箱105 ℃杀青30 min，70 ℃保持24 h，天平称量干重；叶面积仪测全株叶面积；

\mathrm{比叶}\mathrm{重}=\mathrm{叶片}\mathrm{干重}(\mathrm{m}\mathrm{g})/\mathrm{叶面}\mathrm{积}(\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{\mathrm{2}})（1）

选取长势均匀的第4片叶，取叶片中部为材料，制片重复3次。叶片结构石蜡切片及电镜切片委托甘肃硕联生物技术有限公司完成。

1.3.2 根系构形

随机选取5株香瓜茄扦插苗，清水浸泡根系，流水冲洗，采用根系扫描仪扫描，用WinRhizo2005a根系分析软件分析根长、根体积、根表面积；根系活力用TTC法测定^［11］。

1.3.3 光合色素

光合色素含量用分光光度计测定^［12］。

1.3.4 光合参数

选取同一处理中5株香瓜茄扦插苗，选择第4片叶采用Li-6800光合系统测定仪测定净光合速率（P_n）、蒸腾速率（T_r）、气孔导度（G_s）、胞间CO₂浓度（C_i）等指标。叶室温度为（25±1）℃，光量子通量密度（PPFD）为100 µmol/（m²·s），CO₂浓度为（750±10） µmol/（m²·s），相对湿度（RH）为60%~70%。

在相同叶片测定叶绿素荧光参数。叶片暗适应30 min，采用Li-6800光合系统测定仪荧光叶室测定PSⅡ最大光化学量子产量（F_v/F_m）、PSⅡ有效光化学量子产量（F_v'/F_m'）、PSⅡ实际光化学效率（Ф_PSⅡ）、光化学淬灭系数（qP）、非光化学淬灭系数（NPQ）、光合电子传递效率（ETR）。

1.3.5 光合产物及相关酶活性

可溶性糖含量用蒽酮比色法测定^［13］。

蔗糖代谢酶活性：选取植株顶端叶片向下数第4片完全展开的叶片进行蔗糖代谢相关酶（蔗糖合成酶SS、蔗糖磷酸合成酶SPS）活性的测定。本试验采用Solarbio检测试剂盒进行上述两种酶的测定。

1.4 数据分析

采用Excel 2016和SPSS 26.0软件进行数据统计与分析，用Origin 2021进行作图。采用主成分分析法对数据进行分析，确定各指标对香瓜茄扦插苗生长发育的影响程度，评价其综合得分^［14］。

2 结果与分析

2.1 不同光照时长对香瓜茄扦插苗生长发育的影响

由表1可知，随着光照时间的延长，香瓜茄扦插苗株高、茎粗、节间长、比叶重和地上部干重均呈现先上升后下降趋势，分别在9 h或12 h时达到最大值；9 h光照处理的节间长显著高于其他处理，较CK增加了8.51%；9 h光照处理与CK的叶片数无显著差异，但显著高于其他光照处理；12 h光照处理地下部干重显著高于其他光照处理，较CK显著增加了18.18%，12 h和15 h光照处理的比叶重无显著差异，但显著高于其他光照处理，分别较CK增加了53.57%和50.94%；12 h和18 h光照处理的茎粗差异不显著，但显著高于CK，分比CK增加了16.99%和13.61%。

由表2可知，随着光照时间的延长，香瓜茄扦插苗根系构形参数均呈现先上升后下降趋势。9 h和12 h光照处理在根长和根尖数差异不显著，但显著高于其他处理，根长分别较CK提高37.60%和39.42%，根尖数分别较CK提高22.90%和25.17%；根系活力在9、12、15 h处理间无显著性差异，15 h光照处理与CK存在显著差异，较CK光照处理增加24.36%。12 h光照处理香瓜茄扦插苗根体积、根表面积和地下干重均显著高于其他处理，分别较CK增加57.85%，47.60%和66.67%。

2.2 不同光照时长对香瓜茄扦插苗叶片解剖结构的影响

由表3可知，随着光照时间的延长，香瓜茄扦插苗叶片厚度、栅栏组织厚度和气孔面积均呈现先上升后下降的趋势。9 h和12 h光照处理在香瓜茄扦插苗栅栏组织厚度差异不显著，但显著高于CK；15 h和18 h光照处理在香瓜茄扦插苗叶片厚度、栅栏组织厚度和气孔面积差异不显著，但显著高于CK，叶片厚度较CK增幅分别为18.64%和26.26%，栅栏组织厚度较CK增幅分别为28.53%和30.75%，气孔面积较CK增幅分别为61.42%和57.58%。

由图1-A可知，12 h光照处理香瓜茄扦插苗叶肉细胞结构清晰，栅栏组织细胞排列整齐紧凑，细胞形状规则细长，海绵组织细胞分布致密；CK香瓜茄扦插苗叶片也有一层栅栏组织细胞，但排列疏松，细胞形状不规则，海绵组织细胞不规则，分布稀疏，且层间交错；15 h和18 h光照处理香瓜茄扦插苗叶肉细胞相似，在这两个处理中栅栏组织细胞和海绵组织细胞排列不整齐，叶肉层的结构松散且界限不清。由图1-B可知，不同光照处理导致香瓜茄扦插苗气孔特征分布不同，12、15、18 h光照处理香瓜茄扦插苗气孔长度、宽度和面积都大于CK，光照时间过短会抑制气孔开度。

2.3 不同光照时长对香瓜茄扦插苗光合特性的影响

由图2可知，随着光照时间延长，香瓜茄扦插苗叶绿素a含量、类胡萝卜素含量呈现下降趋势。9 h光照处理和CK在叶绿素a含量，叶绿素b含量，叶绿素（a+b）含量和类胡萝卜素含量上差异不显著，但显著高于其他光照处理。

如图3所示，9、12、15 h光照处理在香瓜茄扦插苗NPQ差异不显著，但显著高于CK；12、15、18 h光照处理在香瓜茄扦插苗F_v/F_m，Φ_PSⅡ和qP无显著影响，但显著高于CK；12 h光照处理下香瓜茄扦插苗ETR显著高于CK，与15 h光照处理差异不显著。

如图4所示，随着光照时间延长，香瓜茄扦插苗净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均呈现先上升后下降趋势，且在12 h光照处理时达到最大值，9 h和12 h光照处理的香瓜茄扦插苗净光合速率、气孔导度、胞间CO₂浓度、蒸腾速率方面无显著差异，但显著高于15 h，18 h光照处理；9、12、15 h光照处理下香瓜茄扦插苗蒸腾速率无显著差异，但显著高于CK。12 h光照处理下香瓜茄扦插苗气孔导度显著高于CK，与其他光照处理间无显著差异；12、15、18 h光照处理下香瓜茄扦插苗胞间CO₂浓度差异不显著，但显著高于CK。

2.4 不同光照时长对香瓜茄扦插苗碳代谢及相关酶活性的影响

如图5所示，随着光照时间的延长，香瓜茄扦插苗蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶变化趋势呈现稳定状态，可溶性糖含量呈现先上升后下降趋势。各光照处理间香瓜茄扦插苗蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶差异不显著；12、15、18 h光照处理的香瓜茄扦插苗可溶性糖含量积累无显著差异，但显著高于CK。

2.5 相关性分析

由表4可知，将株高、叶面积、叶绿素a含量、叶绿素b含量、类胡萝卜素含量、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶、PSⅡ最大光化学效率、PSⅡ实际光化学效率、电子传递效率、非光化学猝灭、PSⅡ有效光化学效率这15项指标分别以X₁~X₁₅表示，将数据进行标准化处理，得到ZX₁~ZX₁₅，然后进行Pearson相关性分析。结果表明：叶面积与叶绿素a含量和类胡萝卜素含量存在极显著的正相关关系，与叶绿素b含量和PSⅡ实际光化学效率存在显著正相关关系；叶绿素a含量与叶绿素b含量和类胡萝卜素含量存在极显著正相关关系，与PSⅡ实际光化学效率存在显著正相关关系；叶绿素b含量与类胡萝卜素含量存在极显著正相关关系，与PSⅡ实际光化学效率和PSⅡ有效光化学效率存在显著正相关关系；类胡萝卜素含量与PSⅡ量子产额之间存在显著正相关关系；净光合速率与电子传递效率之间存在极显著正相关关系，与蒸腾速率之间存在显著正相关关系；气孔导度与蒸腾速率之间存在显著正相关关系；蒸腾速率与电子传递效率之间存在显著正相关关系。

2.6 主成分分析

由表5总方差表可知，前3项主成分特征值分别是8.310、4.202、1.587，均大于1，方差贡献率分别为55.402%、28.015%、10.579%，累计贡献率为93.996%，表明前3个主成分可以将93.996%的香瓜茄扦插苗生长信息反映出来，因此选取3个主成分作为主成分因子。

由表6的综合得分及排名可知，9 h和12 h光照处理得分（2.01，1.43）明显高于其他处理，即光照9 h和12 h是香瓜茄扦插苗生长最适宜的光照时长。

3 讨论

光照时长极大地影响着植物的生长发育和品质^［15］。光照不足影响作物幼苗的光合作用，导致幼苗生长不良，进而影响后期产量和品质^［16］。王佳淇等^［17］研究表发现，适当补光处理能够提高蔬菜植株株高、茎粗、叶面积，促进营养生长。本研究中，不同光照时间处理的香瓜茄扦插苗的株高、节间长、比叶重及地上部干质量都随光照时间的延长呈现先增加后减小的趋势，叶片数和全株叶面积随光照时间延长逐渐减少，这与张渊博等^［18］研究结果类似。有研究报道^［19］，延长光照时间能有效促进东方百合节间距及茎粗的增长。植物叶绿素含量的变化可以指示植物对各种环境条件的生理反应^［20］。在本研究中，随着光照时间的延长，香瓜茄扦插苗叶片叶绿素含量呈现下降的趋势，这与闫晓花等^［21］在温室黄瓜幼苗上研究结果不一致，造成这种情况的原因可能是香瓜茄扦插苗叶片需要在短时间光照内积累更多的叶绿素来捕获更多的光能进行光合作用。同时本研究还发现，随着光照时间延长，香瓜茄扦插苗叶片叶绿素含量减少，叶片发黄，这与Feng等^［22］延长光照时间植物叶绿素水平会发生变化，以适应对光的持续吸收的研究结果类似。

光作为植物能量来源和信号物质，可以影响植物体内活性氧的防御系统^［23］。光照时长影响植物的光合作用主要体现在2个方面：首先在植物生长发育过程中，许多信号转导需要光的激活；其次光照时间长可以给植物提供更多的能量，增加光照时间、植物光合作用的时间延长，促进光合产物的积累，进而影响植物的生长发育^［3］。本研究中光照12 h和15 h香瓜茄扦插苗叶片PSⅡ最大光化学效率、光化学猝灭系数、非光化学猝灭系数、电子传递效率都显著高于6 h光照处理，说明光照时间延长，香瓜茄扦插苗叶片的光合活性增强，光保护能力提高，光合效率增加。随着光照时间的延长，香瓜茄扦插苗叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间CO₂浓度均呈现先上升后下降趋势，在9~12 h时呈现出最高状态，说明适宜的光照时间可促进香瓜茄扦插苗叶片进行光合作用，光照时间过长或过短均不利于香瓜茄扦插苗的光合作用。本研究中，光照时间在15 h时香瓜茄扦插苗叶片可溶性糖含量最高，显著高于CK，但随着光照时间的继续延长，可溶性糖含量呈现下降的趋势，说明一定的光照时间有利于香瓜茄扦插苗叶片可溶性糖含量的积累。植物光合作用产生的可溶性糖多以多糖的形式存在，长期弱光下植株的可溶性糖含量会明显低于光照充足的植物^［24］。

叶片结构的改变也是植物适应光环境的途径之一^［25］。有研究表明，栅栏组织较厚的油菜植株表现出较高的净光合速率^［26］。本研究中随着光照时间的延长，栅栏组织厚度随之增厚，但是净光合速率呈现先上升后下降的趋势，可能是由于香瓜茄光合特性的效应与其种类相关。光照时间过长和过短都会抑制气孔开度，幼苗叶肉细胞发育不良不利于叶片进行光合作用。

4 结论

1） 适合香瓜茄扦插苗生长发育的光照时长是9~12 h。

2） 一定程度地延长光照时间可促进香瓜茄扦插苗的生长发育和光合作用，光照时间过长或过短均会造成香瓜茄扦插苗生长发育不良，叶片结构受损等现象。

3） 由于本研究各处理光照时长间隔较长，未能表明最适合香瓜茄扦插苗生长发育的具体光照时长。今后将以光照时长9~12 h为基础，进一步深入探讨光照时长对香瓜茄扦插苗生长发育的积极调控作用，为实现香瓜茄扦插苗高效优质生产提供理论依据。

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基金资助

青海省科技厅基础研究计划项目(2023-ZJ-715)

国家重点研发计划项目(2022YFD1602400)