新型遠(yuǎn)紅光輻照對水稻種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

朱 梅，張?zhí)焱蹶坑穑?雷

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

水稻是最重要的糧食作物之一，對保障糧食安全具有重要的意義。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織《2018年世界糧食安全和營養(yǎng)狀況》，到2050年世界糧食產(chǎn)量需要翻一番才能滿足人口增長對糧食的需求[1]。隨著水稻需求情況的日漸嚴(yán)峻，現(xiàn)有增產(chǎn)方式的局限性日趨顯著。已有研究多從緩解水稻病害、改善栽培方式角度提升水稻產(chǎn)量。明亮[2]使用含有機(jī)硅肥料對土壤進(jìn)行改良，阻斷鹽分上移表層，降低鹽堿危害的機(jī)理，以達(dá)到水稻的增產(chǎn)效應(yīng)。劉弘毅等[3]設(shè)置施用沼液與秸稈耦合還田，以提高水稻產(chǎn)量。安龍哲[4]利用紙膜覆蓋機(jī)對水稻田緩釋施肥使水稻增產(chǎn)。李雙等[5]研究得出，在養(yǎng)分缺乏的情況下施加一定量的可溶性濃縮糖蜜(CMS)可以增加水稻產(chǎn)量。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，植物生長調(diào)節(jié)劑及各類肥料被廣泛應(yīng)用于水稻生長的各個時期。夏敏[6]用A、B兩種壯稈劑增強(qiáng)水稻抗倒伏能力并且發(fā)現(xiàn)都有一定增產(chǎn)效果。山東省魚臺縣利用毛木耳菌渣作為肥料進(jìn)行水稻育苗及水稻大田種植綜合試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)水稻增產(chǎn)[7]。楊孫彩等[8]通過施15 kg/hm2的硼肥提升水稻產(chǎn)量。葉祝弘[9]通過減施化肥同時配施不同有機(jī)肥，以達(dá)到增產(chǎn)目的。LI Meijuan等[10]研究得出，錳元素改善了水稻的生長、產(chǎn)量和相關(guān)性狀。植物生長調(diào)節(jié)劑如外源多效唑、脫落酸(ABA)、蕓樂收(有效成份：保美樂、吡唑醚菌酯、蕓苔素內(nèi)酯)等均被研究發(fā)現(xiàn)有促進(jìn)水稻生長、增加千粒質(zhì)量和豐產(chǎn)增效的效果[11-12]。但這些植物生長促進(jìn)劑及肥料在自然情況下難以快速分解，對人和環(huán)境存在潛在的危害，過量施用甚至?xí)种浦参锷L[13-14]。因此，尋找一種更加安全、環(huán)保的方法來調(diào)節(jié)植物生長至關(guān)重要。

光照在植物的生長發(fā)育中有特殊的地位。在植物的形態(tài)建成過程中植物通過感受不同的光強(qiáng)、光周期、光質(zhì)及方向?qū)ψ陨砩L發(fā)育的各個方面進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中光質(zhì)是一個重要的因素。近年來，關(guān)于光質(zhì)對植物生長發(fā)育產(chǎn)生影響的研究很多，植物生長受光質(zhì)變化影響的差異一方面是由于植物基因的不同，另一方面，研究中應(yīng)用的多種光源材料及光質(zhì)成分復(fù)雜性也是重要原因。不同光質(zhì)可以影響植物的生長發(fā)育及植物的形態(tài)建成，已有研究方向主要包括其對種子萌發(fā)、莖葉生長、根性生長和對莖生長的影響。光質(zhì)對植物種子萌發(fā)的影響是一個復(fù)雜的生理過程。有研究發(fā)現(xiàn)，改變?nèi)臻g的紅光和遠(yuǎn)紅光比值，增大遠(yuǎn)紅光比例，可促進(jìn)黑麥草、大麥等禾本植物的葉片伸長，同時葉鞘長度的增加程度明顯高于葉片[15]。李勝等[16]研究得出葡萄試管苗在黑暗、紅光和黃光條件下總根數(shù)最多、根最長、根鮮質(zhì)量較大，并指出短波光不利于葡萄試管苗生根和生長，而長波光利于試管苗生根。

LED(Light-emitting diodes，發(fā)光二極管)植物生長燈器件主要利用LED芯片搭配熒光粉封裝而成，在農(nóng)業(yè)與生物領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景[17]。本研究使用由藍(lán)光LED芯片激發(fā)熒光粉封裝而成的新型遠(yuǎn)紅光光源，其光譜波峰為730 nm。目前，植物照明LED領(lǐng)域，關(guān)于光形態(tài)建成遠(yuǎn)紅光吸收態(tài)、吸收峰值波長為730 nm的新型遠(yuǎn)紅光材料較少，遠(yuǎn)紅光LED對于大田作物的光形態(tài)建成方面的影響尚不明確。

為此，本文從植物光控發(fā)育角度出發(fā)，研究基于新型熒光粉封裝的遠(yuǎn)紅光LED燈輻照對水稻種子萌發(fā)及幼苗生長發(fā)育的促進(jìn)效果。利用(Y，Gd)3(Ga，Sc)5O12：Cr3+遠(yuǎn)紅光熒光粉封裝LED器件直接作為光源，將LED芯片發(fā)射450 nm藍(lán)光轉(zhuǎn)化為峰值波長為730 nm的遠(yuǎn)紅光，其發(fā)射波長與植物生理活性態(tài)的遠(yuǎn)紅光吸收型光敏色素(Pfr)吸收波長相匹配，開展新型遠(yuǎn)紅光調(diào)控水稻種子和幼苗發(fā)育試驗(yàn)研究，為水稻生長發(fā)育調(diào)控提供一種新的光學(xué)手段，為新型遠(yuǎn)紅光LED對作物生長調(diào)控利用提供試驗(yàn)依據(jù)，為光合農(nóng)業(yè)及半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展開辟新空間。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地點(diǎn)位于安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)開始于2019年3月12日，結(jié)束于2019年4月2日。

供試光源為新型遠(yuǎn)紅光LED燈珠，利用(Y0.75Gd0.25)3[(Ga0.75Sc0.25)0.94Cr0.06]5O12合成熒光粉將藍(lán)光LED直接封裝轉(zhuǎn)化為遠(yuǎn)紅光LED，其光譜波峰為730 nm。LED芯片封裝結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。器件采用圓頂弧形結(jié)構(gòu)封裝熒光粉層，可以提高光提取效率。熒光粉的合成以Y2O3、Gd2O3、Al2O3、Ga2O3、Sc2O3和Cr(NO3)3為原料，添加助熔劑2%BaF2，振動球磨機(jī)球磨30 min后裝入剛玉坩堝，在馬弗爐中于1 450 ℃煅燒8 h，研磨出爐后的樣品即為試驗(yàn)用熒光粉(Y0.75Gd0.25)3[(Ga0.75Sc0.25)0.94Cr0.06]5O12，記為(Y，Gd)3(Ga，Sc)5O12：Cr3+遠(yuǎn)紅光熒光粉。熒光粉與高折射率AB硅膠充分混合均勻，再脫泡除氣，滴定至發(fā)射波長為450 nm的藍(lán)光LED芯片上，在150 ℃真空狀態(tài)下烘干，得到遠(yuǎn)紅光LED器件。使用配備有效波長范圍為350～1 100 nm的1.5 m積分球的HAAS-2000型光輻射計測試LED器件的光、色、電參數(shù)。該輻射計為遠(yuǎn)方光電有限公司生產(chǎn)。

1.電極 2.熒光粉 3.透明硅膠 4.LED燈架 5.LED芯片

試驗(yàn)設(shè)計對照組使用白色LED，分別在455和570 nm處有2個波峰，白色LED的紅光(655～665 nm)與遠(yuǎn)紅光(725～735 nm)光照強(qiáng)度的比值為6.35。對比試驗(yàn)使用的新型遠(yuǎn)紅光和普通白光光照強(qiáng)度和對應(yīng)波長如圖2所示。用熒光粉封裝的遠(yuǎn)紅光燈珠在自然光下及通電后的對比如圖3所示，可以看到通上電后燈珠發(fā)出明亮的遠(yuǎn)紅光成分。

圖2 新型遠(yuǎn)紅光和白光光照強(qiáng)度和光譜分布

圖3 遠(yuǎn)紅光燈珠通電前后對比

供試水稻品種由安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供。3個品種的水稻在葉型、株高、穗型等具體形態(tài)上各有差異，品種徽兩優(yōu)898(HLY898)為常規(guī)株型、Y兩優(yōu)900(YLY900)為高稈大穗型、鎮(zhèn)稻18(ZD18)為緊湊大穗型，對于研究不同品種水稻在遠(yuǎn)紅光輻照下種子萌發(fā)和苗期生長、發(fā)育情況影響具有普適性。試驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)霍格蘭營養(yǎng)液為供試水培液，使用120 mm規(guī)格的玻璃培養(yǎng)皿為培養(yǎng)容器。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)在上海博訊醫(yī)療生物儀器股份有限公司生產(chǎn)的BSG-300型光照恒溫箱中進(jìn)行。水稻種子采用培養(yǎng)皿水培。進(jìn)行試驗(yàn)前，每個水稻品種分別選取300粒樣本，將水稻種子在20 ℃恒溫的蒸餾水中浸泡24 h。浸種結(jié)束后，每個品種選取100粒樣本均勻放置在培養(yǎng)皿中，培養(yǎng)皿需墊入兩張中速濾紙，再添加50 mL標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)液。培養(yǎng)液配制取霍格蘭營養(yǎng)液1.26 g、鈣鹽0.945 g，加熱溶解于1 000 mL蒸餾水中，分裝，于115 ℃高溫滅菌20 min。培養(yǎng)皿需定期補(bǔ)充與初始配液一致的培養(yǎng)液，每隔48 h補(bǔ)充一次。

試驗(yàn)處理分為試驗(yàn)組(EXP)和對照組(CON)，水稻種子分組編號如表1所示。每個編號對應(yīng)一組培養(yǎng)皿，培養(yǎng)皿每組設(shè)置3個重復(fù)。每組優(yōu)選形狀大小基本一致的健康樣本，記錄種子發(fā)芽及生長相關(guān)參數(shù)。

表1 試驗(yàn)用水稻種子編號

試驗(yàn)組每個培養(yǎng)皿用一枚遠(yuǎn)紅光LED燈輻照，燈珠固定在培養(yǎng)皿上部的透明蓋處，每個培養(yǎng)皿之間為確保不產(chǎn)生光線散射而交互影響，使用不透光板隔離。試驗(yàn)白光輻照依靠培養(yǎng)箱自帶LED光源實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)培養(yǎng)皿與燈珠布置實(shí)物如圖4所示。試驗(yàn)光環(huán)境設(shè)計如表2所示。各培養(yǎng)皿管理方式一致。

圖4 培養(yǎng)皿和燈珠布置

表2 試驗(yàn)光環(huán)境設(shè)計

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

種子浸種結(jié)束并放置在培養(yǎng)皿中開始，第1～7天每隔12 h取樣觀測一次，記錄發(fā)芽數(shù)，測算發(fā)芽參數(shù)：發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)，試驗(yàn)7 d后每隔24 h觀測一次，測量形態(tài)參數(shù)：根長、株高和莖粗。試驗(yàn)觀測至各品種水稻均長出第2片真葉為止，試驗(yàn)觀測歷時19 d。

取樣方法采用對角線取樣法(圖5)，將每個培養(yǎng)皿中100株樣本劃分為5個小區(qū)，每次每小區(qū)取5個樣本，將5個點(diǎn)求平均值。每次取樣時，在各小區(qū)選擇一株長勢一致的植株進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記為標(biāo)準(zhǔn)株，觀測至第19天結(jié)束，最后一次觀測在標(biāo)記植株中選擇有代表性的5株進(jìn)行形態(tài)參數(shù)及干物質(zhì)的測量。

圖5 對角線取樣法分區(qū)取樣示意

發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)計算公式如下：

發(fā)芽率=(觀測期前7 d發(fā)芽種子數(shù)/全部樣本數(shù))×100%

發(fā)芽勢=(觀測期前3 d發(fā)芽種子數(shù)/全部樣本數(shù))×100%

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt

式中Gt——每日發(fā)芽數(shù)

Dt——發(fā)芽天數(shù)

幼苗根長、株高、莖粗測量使用游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)測量。

觀測至第19天結(jié)束，選取每個品種標(biāo)記為標(biāo)準(zhǔn)株的5株植株分別裝入牛皮紙袋，在烘箱內(nèi)105 ℃殺青30 min后，繼續(xù)75 ℃烘至恒質(zhì)量，使用電子天平(精度0.001 g)稱量幼苗干物質(zhì)量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016處理，在IBM SPSS Statistics 22軟件中進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 遠(yuǎn)紅光輻照對水稻種子發(fā)芽的影響

由圖6可知，遠(yuǎn)紅光輻照處理顯著提高了水稻種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)，并且縮短了平均發(fā)芽時間。與對照組相比，使用遠(yuǎn)紅光輻照的試驗(yàn)組，水稻3個品種的發(fā)芽率分別升高了2.81%、5.78%、10.33%，發(fā)芽勢升高了6.38%、16.20%、11.20%，發(fā)芽指數(shù)升高了30.84%、25.10%、24.12%。經(jīng)遠(yuǎn)紅光輻照的水稻種子發(fā)芽相關(guān)3個數(shù)據(jù)均具有明顯的提升。3個品種間相比較，Y兩優(yōu)900各項指標(biāo)均較為突出，與其他品種相比發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)增長最為明顯。

圖6 遠(yuǎn)紅光輻照試驗(yàn)水稻品種間發(fā)芽情況對比

2.2 遠(yuǎn)紅光輻照對水稻幼苗生長發(fā)育的影響

試驗(yàn)從第7天開始測量與記錄普通樣本的生理數(shù)據(jù)，共測試至第19天。整理總計13 d的測量數(shù)據(jù)，并主要對第10天、第13天、第16天和第19天的數(shù)據(jù)進(jìn)行序列分析。

2.2.1 水稻幼苗根長

由圖7可知，各組數(shù)據(jù)反映遠(yuǎn)紅光輻照對水稻根長影響情況基本一致。試驗(yàn)組3個品種與對照組相比，處理第10天、第13天、第16天和第19天，遠(yuǎn)紅光輻照處理的水稻幼苗根長與對照組白光輻照相比平均增加了22.96%、3.01%、15.94%和10.59%，除了處理至第13天時，鎮(zhèn)稻18根長與對照組相比減少了5.76%，與總體趨勢不同，其他各品種間增長差異不顯著。與對照組相比，處理19 d后，遠(yuǎn)紅光輻照的幼苗根長分別增長了15.82倍和14.14倍。

圖7 平均根長變化

2.2.2 水稻幼苗株高

由圖8可知，處理10 d，遠(yuǎn)紅光輻照處理的水稻幼苗株高比對照組平均增加了14.58%，各品種間增長差異不明顯；處理第13天、第16天和第19天，經(jīng)遠(yuǎn)紅光輻照的水稻幼苗株高與對照組相比平均增加了14.68%、14.61%和14.62%，其中第10天至第13天、第16天至第19天之間的增長速率較快，且各品種間增長差異明顯；試驗(yàn)第19天后遠(yuǎn)紅光輻照的水稻幼苗株高比對照組分別增長了4.41倍和4.29倍。品種間增長差異不明顯，增長情勢相似。

圖8 平均株高變化

2.2.3 水稻幼苗莖粗

由圖9可知，對比試驗(yàn)組與對照組，試驗(yàn)第10天、第13天、第16天和第19天，試驗(yàn)組水稻幼苗莖粗比對照組平均增加了14.50%、14.74%、14.56%、14.55%，各品種間差異均較為顯著。各品種在第16天至第19天之間增長速率明顯比其他時段增快，平均增長速率加快了29%。

圖9 平均莖粗變化

2.3 遠(yuǎn)紅光輻照對水稻幼苗干物質(zhì)量的影響

由圖10可知，試驗(yàn)歷時19 d后，稱量發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)紅光輻照處理的各品種水稻幼苗干物質(zhì)量均比對照組增多，徽兩優(yōu)898、Y兩優(yōu)900與鎮(zhèn)稻18分別增多了3.75%、6.06%、2.22%。總體來看，遠(yuǎn)紅光輻照處理對水稻幼苗干物質(zhì)量積累起明顯的促進(jìn)作用。

圖10 品種間干物質(zhì)量對比

2.4 試驗(yàn)過程水稻長勢對比

由圖11可看出，試驗(yàn)組植株發(fā)芽率對比對照組有顯著提高，植株根系生長的差別也十分明顯，試驗(yàn)組對比對照組伸長量更長，其原因是遠(yuǎn)紅光輻照后促進(jìn)植株生長素分泌，加快了根系生長。試驗(yàn)組植株的莖、根伸長量對比對照組顯著提高，植株的顏色差別也十分明顯，試驗(yàn)組對比對照組綠色更為明顯，其原因是遠(yuǎn)紅光輻照后使植株的生長發(fā)育加快。

3 討論

通常將光控植物生長、發(fā)育和分化過程稱為光形態(tài)建成(photomorph-ogenesis)，又稱光控發(fā)育。植物光形態(tài)建成主要受光敏色素控制(Phytochrome)。光敏色素存在兩種可以相互轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，基態(tài)(記為Pr)吸收一個紅光光子之后，通過能量弛豫，轉(zhuǎn)換為生理活性態(tài)(Pfr)；當(dāng)處于Pfr態(tài)的光敏色素吸收一個遠(yuǎn)紅光(far red，活性態(tài)記為Pfr)光子之后，又轉(zhuǎn)換為Pr態(tài)[18-19]。因而，Pr與Pfr態(tài)的交替變換，是植物生理活性的控制開關(guān)[20]。光形態(tài)建成主要是依靠吸收紅光與遠(yuǎn)紅光完成。Pr態(tài)吸收波長峰值約為660 nm，Pfr態(tài)吸收波長峰值為730 nm。

適合植物生長發(fā)育的遠(yuǎn)紅光熒光粉范圍在730 nm左右[21]。據(jù)調(diào)研，已有報道的植物照明遠(yuǎn)紅光LED燈峰值波長與Pfr態(tài)吸收波長峰值(730 nm)尚有差距。目前，針對植物照明應(yīng)用所報道的熒光材料體系主要有(Ba，Sr)3MgSi2O8：Eu2+，Mn2+、Na(Sr，Ba)PO4：Eu2+，Mn2+、Ca3Mg3(PO4)4：Eu2+，Mn2+、Ca14Al10Zn6O35：Bi3+，Eu3+、Ba3LaNa(PO4)3F：Eu2+，Pr3+以及利用SiO2包覆碳量子點(diǎn)與CaAlSiN3：Eu2+形成的核殼結(jié)構(gòu)，這類材料的特點(diǎn)是一種熒光粉利用雙光中心發(fā)射出滿足光合作用同時所需的藍(lán)光與紅光，但需要借助近紫外波段的LED芯片激發(fā)[22-26]。這類材料僅適于農(nóng)作物光合作用而不適于光形態(tài)建成。立陶宛科學(xué)家通過對Cr3+激活含鎵石榴石結(jié)構(gòu)不同稀土元素?zé)晒夥踄3Ga5O12、Gd3Ga5O12、Lu3Ga5O12與Gd3Sc2Ga3O12進(jìn)行研究認(rèn)為，在這4種化合物中最有可能滿足植物光形態(tài)建成需求的是Y3Ga5O12：Cr3+。Y3Ga5O12：Cr3+發(fā)射波長范圍為625～850 nm，峰值為711 nm。最近，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)周智副教授報道了一種新型遠(yuǎn)紅光熒光材料Ca14Ga10-mAlmZn6O35：Dy3+，Mn4+，其發(fā)射波長范圍為650～750 nm，峰值為715 nm[27]。

目前，LED芯片量產(chǎn)規(guī)模最大的是波長峰值為450～460 nm的藍(lán)光芯片，所以藍(lán)光芯片制造成本相對較低，而發(fā)射波長峰值為730 nm遠(yuǎn)紅光的LED芯片及其封裝而成的LED燈珠售價較高。在現(xiàn)有藍(lán)光LED芯片工藝與裝備基礎(chǔ)上，本文利用新型熒光材料把LED芯片發(fā)射的藍(lán)光轉(zhuǎn)化為波長峰值為730 nm的遠(yuǎn)紅光，對于降低當(dāng)前遠(yuǎn)紅光LED價格具有重要意義。更重要的是，利用試驗(yàn)證明遠(yuǎn)紅光LED器件對植物光形態(tài)建成的影響，驗(yàn)證了該熒光材料封裝的遠(yuǎn)紅光LED燈對水稻作物種子萌發(fā)和幼苗生長的促進(jìn)效應(yīng)。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)遠(yuǎn)紅光輻照處理的水稻種子發(fā)芽勢提高了6.38%～16.20%，發(fā)芽率提高了2.81%～10.33%，發(fā)芽指數(shù)提高了24.12%～30.84%。在水稻種子發(fā)芽期間經(jīng)遠(yuǎn)紅光輻照處理，可明顯促進(jìn)其發(fā)芽過程。

(2)遠(yuǎn)紅光輻照處理的幼苗根長、株高、莖粗與對照組相比分別平均增加了3.01%～22.96%、14.58%～14.68%、14.50%～14.74%。水稻幼苗生長發(fā)育階段經(jīng)遠(yuǎn)紅光輻照處理，可明顯促進(jìn)作物生長。

(3)3個水稻品種幼苗經(jīng)遠(yuǎn)紅光輻照處理，干物質(zhì)量積累均比對照組增多，增幅為2.22%～6.06%。總體來看，遠(yuǎn)紅光輻照處理對水稻幼苗干物質(zhì)量積累促進(jìn)作用明顯。

(4)本文利用對比試驗(yàn)驗(yàn)證新型遠(yuǎn)紅光材料對水稻種子萌發(fā)和幼苗生長發(fā)育的促進(jìn)作用，通過試驗(yàn)，使用一種新的光學(xué)手段探索促進(jìn)水稻生長發(fā)育的方法，得出新型遠(yuǎn)紅光輻照是提高水稻種子萌發(fā)效率和幼苗生長發(fā)育的有效途徑，為水稻萌發(fā)及幼苗期生長的光調(diào)控提供理論支持，為光合農(nóng)業(yè)及半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展開辟了新空間。