远红光辐照对干旱胁迫下生菜种子萌发及幼苗生长的影响

栗昕羽 朱 梅* 李晓乐 程主明 陈 雷*

(1.安徽农业大学 工学院，合肥 230036； 2.合肥工业大学 材料科学与工程学院，合肥 230009)

生菜学名叶用莴苣(

Lactuca

sativa

L.)，菊科莴苣属，一二年生草本植物，按形态可分为结球生菜、直立生菜和散叶生菜。生菜具有生长期短、复种指数高、生长均匀整齐、清洁无污染和无虫害等优点，但根系浅、叶面积大，因此生育期需水量较大，且不耐旱。传统露天栽培和日光温室栽培的生菜无论从产量还是品质上都不能满足人们日益增长的需求，基于LED智能补光的植物工厂栽培已成为业界公认的发展方向。

光是植物生长发育过程中必不可少的环境信号，已有研究表明光信号参与调控植物的种子萌发、幼苗去黄化、逆境胁迫响应和荫蔽反应等生长发育过程。植物在长期进化中形成了多种光感受系统即光受体，用于感知周围环境的光强、光质、光向和光周期，并对其变化做出响应。其中响应红光和远红光的光敏色素(Phytochrome)就是1种主要的光受体。光敏色素存在2种可以相互转换的状态，基态(记为Pr)吸收1个波长峰值约为660 nm的红光光子之后，转换为生理活性态(Pfr)；当处于Pfr态的光敏色素吸收1个波长峰值为730 nm远红光光子之后，又转换为Pr态。光形态建成主要是依靠吸收红光与远红光完成Pr与Pfr态的交替变换，这也是植物生理活性的控制开关。

近年来许多研究发现，光敏色素参与调控植物应对病原菌和虫害等生物胁迫，以及冷害和高温等非生物胁迫。对水稻的研究显示，光敏色素还参与调控植物的耐旱性并影响其生物量。对拟南芥光敏色素相关基因的研究发现光敏色素主要作用于通过PhyB介导的脱落酸信号途径响应干旱胁迫，作用因子(PIFs)通过调节气孔开闭，降低叶片蒸腾速率，最终达到抗旱作用。但是光敏色素和光信号途径调控植物对非生物胁迫的研究主要集中在模式植物拟南芥和水稻中，对其他经济作物研究相对较少。

光环境包含光照时间、光照比例和光质三大方向。光照和黑暗时间长短的交替变化为光周期，植物根据这种变化规律做出不同的生理响应。基于远红光的光信号作用，已有研究探索光照时长、光照时间以及间断光照对植物生长的影响，结果表明远红光间断辐照对植物生长具有显著促进作用。还有研究指出，频繁的远红光脉冲且远红光脉冲之间的暗相位短于30 min或连续的远红光照射能够增强远红光反应，即使是较短的暗处理与持续远红光处理相比也能显著促进远红光反应。适当的光照时长及光周期不仅影响植物光合作用进行，在植物生理代谢、根茎生长、有机物积累及产量品质等方面均有不同程度的影响。

水分是农业生产中的一项重要因素，干旱胁迫在众多方面影响植物生长发育。在萌发期，干旱致使种子萌发不同步、萌发率低，甚至完全抑制种子萌发。在生长阶段，干旱引起植物细胞膨压降低，抑制植物幼苗正常生长，使植株弱小低矮。生菜含水量为80%～90%，在生长期耗水量较大，同时生菜根系浅和叶面积大，干旱对其生长影响很大。因此,研究生菜生长期抗旱对于提高蔬菜抗旱性能具有非常重要的意义。

基于以上研究，本研究设置3因素3水平正交试验，在不同干旱环境下，采用多因素分析法对夜间远红光辐照下的生菜种子萌发及幼苗生长开展研究，以期为设施环境生菜生产节水提供1种新的环境友好型解决策略，为解决农业生产中的实际问题提供试验依据及方案。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021年5月在安徽农业大学工学院实验室进行。试验所用生菜种子购于合肥市种子市场，生菜品种分别为‘盛达’结球生菜、意大利耐抽薹直立生菜和意大利散叶生菜。生菜种子萌发期采用培养皿水培法，培养皿直径120 mm。水培营养液为标准霍格兰营养液，购于青岛高科技工业园海博生物技术有限公司，营养液主要成分为硫酸钾(607 mg/L)、硫酸镁(493 mg/L)和磷酸二氢铵(115 mg/L)。使用聚乙二醇PEG 6 000(纯度98.5%，无锡市亚泰联合化工有限公司)模拟干旱胁迫。种子萌发至第一片真叶展开，使用海绵包裹幼苗根部转移至剪掉底部的直径为12 mm的塑料试管培养。营养液与萌发期培养液一致。

试验使用白光LED灯带模拟自然日光，光照强度为456.5 lx，栽培样品接收到的白光辐射光功率为1.463 W/m。试验用远红光光源由合肥工业大学研制,型号为F-118，光源电功率8 W，输入电流375 mA，栽培样品接收到的远红光辐射光功率为2.074 W/m，白光和远红光发射光谱及其与植物光敏色素Pr和Pfr态吸收光谱的对比如图1所示。可以发现，本研究使用远红光LED峰值波长约在710～730 nm，且采用的远红光发射光谱能够很好地覆盖植物光敏色素Pfr态吸收光谱。

图1 白光和远红光光源的发射光谱以及植物 光敏色素Pr和Pfr态的吸收光谱Fig.1 Emission spectra of the white and far red light sources as compared with the absorption spectra of phytochrome Pr and Pfr states of plants

1.2 试验方法

1

.

2

.

1

正交试验设计

试验设置生菜品种、干旱胁迫程度和夜间远红光环境3个因素，生产品种选择结球生菜、散叶生菜和直立生菜3个水平，干旱胁迫程度设置无干旱胁迫(PEG质量浓度为0 g/L)、轻度干旱胁迫(PEG质量浓度为100 g/L)和重度干旱胁迫(PEG质量浓度为200 g/L)3个水平，参考3因素4水平的L(3)正交表设计(表1和2)。

试验光环境设置为：白天(7：00—21：00)为白光LED灯带模拟自然光辐照，夜间(21：00—次日7：00)分别设置夜间无远红光辐照、夜间连续远红光辐照和夜间间断远红光辐照。远红光间断辐照以2 h 为一个周期，周期内远红光辐照1 h，黑暗1 h。

生菜经发芽及幼苗期生长23 d后对其发芽参数(发芽势、发芽率和发芽参数)和生长参数(根长、茎叶长和鲜重)进行统计，并分析各因素对其影响，以确定生菜生长最优水平。再将正交试验最优水平与各因素较好水平组合进行全面试验验证，以获取最优方案。

1

.

2

.

2

培养方法

从每个生菜品种选取400粒饱满种子，使用75%酒精消毒30 s后用蒸馏水冲洗4～5遍，之后使用蒸馏水浸种8 h。每个试验处理挑选大小一致、籽粒饱满的种子，均匀置于底部垫有2张滤纸的培养皿中，每个培养皿100粒。加入培养液15 mL，种子萌发期间，每天补充2 mL，补充培养液成分不变。培养温度为25～28 ℃。

种子萌发至第1片真叶展开，每组选取20株生长状况良好的幼苗，移至试管进行幼苗阶段培养。生菜幼苗根部用海绵包裹，直立放置于试管中央，试管间距5 cm放置。营养液液面略低于海绵高度。培养至第4片真叶展开，共培养23 d。

表1 试验因素及水平
Table 1 Factors and level of orthogonal experiment

水平Level因素A:品种Factor A:Variety因素B:干旱胁迫程度Factor B:Degree of drought stress因素C:夜间远红光环境Factor C:Far red light environment1结球生菜无干旱胁迫 夜间无远红光 2散叶生菜轻度干旱胁迫夜间连续远红光3直立生菜重度干旱胁迫夜间间断远红光

表2 不同组别试验方案
Table 2 Orthogonal experimental design scheme

试验组Group因素A:品种Factor A: Variety因素B:干旱胁迫程度Factor B: Degree of drought stress因素C:夜间远红光环境Factor C: Far red light environmentT1结球生菜无干旱胁迫 夜间无远红光 T2结球生菜轻度干旱胁迫夜间连续远红光T3结球生菜重度干旱胁迫夜间间断远红光T4散叶生菜无干旱胁迫 夜间间断远红光T5散叶生菜轻度干旱胁迫夜间无远红光 T6散叶生菜 重度干旱胁迫夜间连续远红光T7直立生菜无干旱胁迫 夜间连续远红光T8直立生菜 轻度干旱胁迫夜间间断远红光T9直立生菜 重度干旱胁迫夜间无远红光

1

.

2

.

3

测定数据及方法

发芽参数的测定：试验种子萌发期间，每24 h观察记录发芽数，计算发芽率、发芽势和发芽指数。种子以胚根突破种皮1 mm为发芽标准。

发芽率=10 d发芽种子数/供试种子数×100%

(1)

发芽势=4 d发芽种子数/供试种子数×100%

(2)

发芽指数=∑

G

/D

(3)

式中：

G

为浸种

t

日发芽数，个；

D

为相应发芽天数，d。

生长参数的测定：每组各取培养23 d后的20株幼苗，使用游标卡尺(精度0.01 mm)测量根长和株高；使用电子天平(精度0.001 g)称取幼苗鲜重，测量结果取平均值。

验证试验种子萌发及幼苗培养方法、参数测定方法与正交试验一致。

1.3 数据处理

试验数据采用Excel进行数据记录，SPSS 22.0软件进行方差分析，采用Minitab软件进行极差分析及正交趋势分析。

2 结果与分析

2.1 正交试验结果

在试验组T1～T9中，发芽参数及幼苗生长参数均有显著差异。生菜种子发芽势、发芽率和发芽指数均是第4组最大(图2)，分别为70.66%、80.00% 和41.85，比最小值分别增加107.84%、63.27%和74.02%。T4的幼苗平均根长、茎叶长与鲜重均为最大值(图3)，分别为81.81 mm、80.83 mm与0.12 g，比最小值T1增加173.75%、70.53%和234.26%。且除发芽率和茎叶长外，T4各指标均显著优于其他试验组，T1～T3各指标整体较差。正交试验T4种子萌发及幼苗长势最优，各因素最优水平为A2B1C3，即散叶生菜在夜间远红光间断辐照且无干旱胁迫下进行种子萌发与幼苗生长生菜长势最优。

2.2 极差分析

采用极差分析法处理6个试验结果数据，根据极差

R

的大小即可看出影响生菜种子萌发和幼苗生长的各因素的主次关系，得出各指标的最优水平。对不同因素的影响进行分析，得出3因素试验的最优方案(表3～8)。

k

值为各因素在相应水平下发芽势、发芽率和发芽指数的均值，可以有效反应各因素在不同水平下的差异，极差

R

的大小可以看出各因素的主次关系。对于生菜种子发芽率的影响因素的主次关系为：生菜品种>夜间远红光环境>干旱胁迫程度，在试验所选择的水平范围内各因素最优水平为A2C3B1，即在无干旱胁迫下，夜间增加远红光间断辐照对散叶生菜种子的发芽率促进作用最优(表4)。

不同字母表示差异极显著(P<0.01)。下同。 Different letters indicate significant difference (P<0.01). The same below.图2 正交试验种子发芽情况Fig.2 Seed germination in orthogonal test

图3 正交试验幼苗生长情况Fig.3 Seedling growth in orthogonal test

表3 发芽势极差分析表
Table 3 Range analysis of germination potential

因素FactorA:品种A: VarietyB:干旱胁迫程度B: Degree of drought stressC:夜间远红光环境C: Far red light environmentk10.3480.5600.536k20.6830.5300.513k30.5600.5010.541R0.3350.0590.028

注：为各因素在不同水平下各响应参数的平均值。下同。

Note: in the
Table is the average value of response parameters of various factors at different levels。The same below.

表4 发芽率极差分析表
Table 4 Range analysis of germination rate

因素FactorA:品种A: VarietyB:干旱胁迫程度B: Degree of drought stressC:夜间远红光环境C: Far red light environmentk10.5270.6670.640k20.7840.6470.665k30.6990.6660.674R0.2570.0200.034

表5 发芽指数极差分析表
Table 5 Range analysis of germination index

因素FactorA:品种A: VarietyB:干旱胁迫程度B: Degree of drought stressC:夜间远红光环境C: Far red light environmentk125.58834.81333.400k241.32933.51733.843k334.79933.38734.475R15.7411.4261.075

3个因素对发芽势与发芽指数的影响的主次关系为：生菜品种>干旱胁迫程度>夜间远红光环境(表3 和5)。其中在试验所选择的水平范围内各因素最优水平为A2B1C3，即在无干旱胁迫下，夜间增加远红光间断辐照对散叶生菜种子发芽势和发芽指数促进作用最优。

表6 幼苗根长极差分析表
Table 6 Range analysis of root length

因素FactorA:品种A: VarietyB:干旱胁迫程度B: Degree of drought stressC:夜间远红光环境C: Far red light environmentk144.68859.86452.897k267.92456.77759.944k361.80357.77461.573R23.2363.0878.676

表7 幼苗茎叶长极差分析表
Table 7 Range analysis of stem-leaf length

因素FactorA:品种A: VarietyB:干旱胁迫程度B: Degree of drought stressC:夜间远红光环境C: Far red light environmentk153.79966.51661.976 k271.62168.58862.804 k363.36959.68570.009 R17.8228.9038.033

表8 幼苗鲜重极差分析表
Table 8 Range analysis of seedling fresh weight

因素FactorA:品种A: VarietyB:干旱胁迫程度B: Degree of drought stressC:夜间远红光环境C: Far red light environmentk10.056 0.081 0.065 k20.099 0.086 0.086 k30.0860.0740.090 R0.043 0.0120.022

对于生菜幼苗，3个因素对根长影响的主次关系为生菜品种>夜间远红光环境>干旱胁迫程度，在试验选择的水平范围内各因素最优水平为A2C3B1，即在无干旱胁迫下，夜间增加远红光间断辐照对散叶生菜幼苗根长生长促进效果最明显(表6)。对茎叶长影响的主次关系为生菜品种>干旱胁迫程度>夜间远红光环境(表7)，促进茎叶长的最优水平分别为A2B2C3，即在轻度干旱胁迫下，夜间增加远红光间断辐照对散叶生菜茎叶生长促进效果最优。对鲜重影响的主次关系为生菜品种>夜间远红光环境>干旱胁迫程度(表8),有利于促进鲜重的最优水平分别为A2C3B2，即在轻度干旱胁迫下，夜间增加远红光间断辐照对散叶生菜鲜重促进效果最优。

由以上结果分析可知，除散叶生菜对夜间增加远红光响应明显优于其他2个品种之外，干旱胁迫程度和夜间远红光环境最优水平及对不同指标影响主次不同。因此需要进一步研究因素对指标的影响趋势，确定正交试验最优方案。

2.3 正交趋势分析

由极差分析可知在远红光间断辐照环境中无干旱胁迫时为生菜种子萌发阶段最优方案，且该方案最适用于散叶生菜。对幼苗生长参数而言，因素A综合最优水平为A2，即远红光更适用于散叶生菜；因素C综合最优水平为C3，即夜间增加远红光间断辐照更有利于生菜幼苗根茎的生长与鲜重的增加。但因素B的综合最优水平仅通过极差分析不能确定。

因素B对于茎叶长是更重要的因素，根长选择的较优水平为B1，茎叶长和鲜重选择的较优水平为B2。结合正交趋势图(图4)，B2水平下茎叶长更长，根长与鲜重虽有降低，但干旱胁迫程度为次要因素且幅度较小，因此选择因素B的综合最优水平为B2，即轻度干旱胁迫可能促进根茎与鲜重的增长。

综上，生菜在幼苗阶段生长的各因素最优方案为A2B2C3，即夜间进行远红光间断补充辐照且受轻度干旱胁迫时显著促进生菜种子幼苗生长，其中对散叶生菜的影响最为明显，各参数的影响主次关系为生菜品种>夜间远红光环境>干旱胁迫程度。

2.4 最优方案验证

散叶生菜对夜间增加远红光间断辐照的响应最优，生菜种子萌发阶段最优方案为无干旱胁迫，生菜幼苗生长阶段最优方案为轻度干旱胁迫。以最优方案为基础，开展验证试验。

验证试验选择试验品种为散叶生菜，干旱程度设置无干旱胁迫与轻度干旱胁迫2个水平，夜间远红光为连续远红光或间断远红光，设置2因素2水平全面试验。具体试验设计见表9。

验证试验生菜种子萌发情况如图5所示，Ⅱ组发芽率、发芽势和发芽指数均为本组试验的最大值。在无干旱胁迫下，夜间增加远红光间断辐照，发芽率比其他试验组增长9.99%～37.49%，发芽势增长17.63%～53.81%，发芽指数增长13.23%～42.4%，均达到显著水平。其他试验组间发芽率与发芽指数差异均不显著，发芽势差距显著。因此，无干旱胁迫下夜间增加远红光间断辐照可作为散叶生菜种子萌发阶段最优方案。

验证试验生菜幼苗发芽情况如图6所示，验证试验中Ⅳ组幼苗长势较好，根长、茎叶长和鲜重均为最大值，分别比其他试验组增长2.75%～45.45%、13.43%～67.1%和7.46%～81.15%。方差分析表明生菜幼苗生长期最优方案的根长与茎叶长显著高于其他试验组，鲜重与无干旱胁迫相比增加不显著。此外，轻度干旱胁迫下，连续远红光辐照并不能促进幼苗生长，根长、茎叶长与鲜重均显著小于其他试验组。因此，轻度干旱胁迫下，夜间增加远红光间断辐照可作为散叶生菜幼苗阶段最优方案。

图中字母A、B和C表示试验因素，数字1、2和3表示各因素的水平，具体含义见表1。 In the figure, letters A, B and C represent experimental factors, and numbers 1, 2 and 3 represent the level of each factor. SeeTable 1 for specific meanings.图4 幼苗生长参数正交趋势图Fig.4 Orthogonal trend chart of seedling growth parameters

表9 验证试验设计
Table 9 Verification experiment design

试验组Group干旱胁迫程度Degree of drought stress夜间远红光环境Far red light environmentⅠ无干旱胁迫 夜间连续远红光Ⅱ无干旱胁迫 夜间间断远红光Ⅲ轻度干旱胁迫夜间连续远红光Ⅳ轻度干旱胁迫夜间间断远红光

验证试验Ⅱ组，即夜间远红光间断辐照下无干旱胁迫对生菜种子发芽促进效果明显；验证试验Ⅳ组，即夜间远红光间断辐照下轻度干旱胁迫对生菜幼苗生长有更好的促进作用。综上，夜间增加远红光间断辐照下，种子萌发阶段无干旱胁迫，幼苗阶段设置轻度干旱胁迫为远红光促进生菜种子萌发及幼苗生长的最优方案，且远红光对散叶生菜促进效果最明显。

3 讨 论

本研究采用的远红光发射光谱能够很好地覆盖植物光敏色素Pfr态吸收光谱，夜间使用该远红光辐照，使Pfr型光敏色素转换为Pr型。前人研究表明，暗期短时远红光处理会显著影响植物的生长形态，引起植物茎的伸长。本研究中，夜间增加远红光间断辐照对生菜幼苗生长的促进作用最优，远红光连续辐照次之，无远红光辐照对照组最差。此外本研究中远红光间断辐照对生菜种子萌发也有显著促进作用，由此可见多次短时远红光对植物间断辐照并不是直接参与植物光合作用，而是作为信号传导，促使Pr态光敏色素与PIFs作用，结合相关蛋白质进入细胞核，并结合基因启动子完成相关抗旱基因表达。

图5 验证试验种子发芽参数Fig.5 The seed germination parameters of the verify experiment

图6 验证试验幼苗生长参数Fig.6 The seedling growth parameters of the verify experiment

PEG 6000由于无毒且不易被植物体吸收，因此被广泛应用于作物模拟干旱胁迫的试验研究，但对于不同作物、不同生育期以及不同试验方法，试验设置PEG 6000胁迫程度有所不同。本研究选择无干旱胁迫为对照，设置PEG质量浓度为100 g/L的轻度干旱与质量浓度为200 g/L的重度干旱2种干旱胁迫程度，结果显示，生菜种子萌发期受到干旱胁迫不利于种子萌发，但幼苗阶段在夜间远红光辐照下设置轻度干旱胁迫可显著促进植株生长。这与前人研究结果相似。与夜间远红光环境因素相比，生菜种子萌发阶段干旱胁迫程度因素为更主要因素，幼苗期干旱胁迫程度因素则为本试验中的最不重要因素。可能是远红光辐照通过光敏信号途径，影响植物激素脱落酸等途径，影响植物叶片的形态、气孔和根部的发育。因为生菜耐旱性差，全生长期对水分要求较高，夜间远红光辐照对干旱胁迫具有显著的缓解作用，在植株层面表现为经远红光间断辐照，生菜幼苗期可增加轻度干旱，植物长势更优。但植物响应远红光辐照的耐旱机制研究仅存在于模式植物拟南芥中，其他植物经远红光辐照后对干旱胁迫响应机制的异同并不清晰，有待进一步研究。

植物具有一定的抵御和适应干旱环境的能力，不同植物之间及植物不同品种之间，其抗旱能力和应答机制存在差异。本研究结果显示散叶生菜在受到干旱胁迫时增加夜间远红光间断辐照发芽及生长表现最优，直立生菜次之，结球生菜最弱。同时，生菜品种因素为影响种子发芽及幼苗生长的最主要因素，说明该试验结果并不是夜间远红光环境与干旱胁迫程度2个次要试验因素造成。远红光间断辐照与轻度干旱胁迫对生菜种子萌发及幼苗生长的促进作用不受品种因素限制。

4 结 论

本研究以生菜为例，利用修饰光敏色素信号途径对植物进行改良，经正交试验及验证试验分析，夜间增加远红光间断辐照下，种子萌发阶段无干旱胁迫，幼苗阶段设置轻度干旱胁迫为远红光促进生菜种子萌发及幼苗生长的最优方案，并且对散叶生菜促进效果最明显。研究为设施农业生产中植物逆境胁迫提供一种新的环境友好型解决策略，可解决农业生产中的实际问题，对于光合农业具有极大的应用价值。