46 LED 单色光质对黄瓜幼苗叶片和下胚轴中内源激素含量的影响 1 期图 1 LED 光培养小区示意图. Fig. 1 The LED light plots. 光是绿色植物生长最重要的环境因子之一, 不仅是植物光合作用的能量来源, 也是植物感受季节变化, 适应生长环境的信息来源 [1].

Size: px

Start display at page:

Download "46 LED 单色光质对黄瓜幼苗叶片和下胚轴中内源激素含量的影响 1 期图 1 LED 光培养小区示意图. Fig. 1 The LED light plots. 光是绿色植物生长最重要的环境因子之一, 不仅是植物光合作用的能量来源, 也是植物感受季节变化, 适应生长环境的信息来源 [1]."

私削凌
7 years ago
Views:

1 DOI: /SP.J 应用与环境生物学报 Chin J Appl Environ Biol 2014,20 ( 1 ) : LED 单色光质对黄瓜幼苗叶片和下胚轴中内源激素含量的影响 * 苏娜娜邬奇崔瑾 ** 南京农业大学生命科学学院南京摘要为了解光质及内源激素对黄瓜幼苗形态建成的影响, 并向设施栽培育苗过程中光源的合理配置提供理论依据, 采用发光二极管 (Light-emitting diode,led) 精确调制光谱能量分布, 以白光为对照 (CK), 研究红蓝黄绿 4 种单色光质下黄瓜幼苗叶片和下胚轴中赤霉素 (GA 3 ) 生长素 (IAA) 和脱落酸 (ABA) 含量的变化. 结果表明 : 不同光质可能通过调节内源激素的分布来影响黄瓜幼苗的光形态建成. 红光和蓝光通过影响 IAA 的极性运输, 影响真叶的生长进程, 其中红光显著促进了 IAA 的极性运输, 叶片中 IAA 含量仅 20 µg g -1, 而下胚轴中 IAA 含量却高达 120 µg g -1 ; 黄光处理下叶片中 GA 3 含量高 ( 约为对照的 2 倍 ), 抑制叶片脱黄化, 并引起叶片卷曲. 各单色光质下黄瓜幼苗下胚轴与对照相比均有不同程度伸长, 说明光对幼苗下胚轴的抑制作用可能是各种光质共同作用的结果. 黄绿光处理下胚轴中 GA 3 含量显著升高,ABA 含量显著降低, 下胚轴显著伸长 ; 红光引起下胚轴中 GA 3 和 ABA 含量显著升高, 但下胚轴长度增加不明显, 黄瓜幼苗下胚轴的伸长可能与光质调节 GA 3 和 ABA 的相对水平密切相关. 综上所述, 不同光质对黄瓜幼苗中内源激素含量的变化影响显著, 从而引起了幼苗形态特征的显著变化. 图 5 参 24 关键词 LED; 光质 ; 黄瓜幼苗 ;GA 3 ;IAA;ABA; 内源激素 CLC Q947.8 Effects of monochromatic LED light quality on endogenous hormone content in leaves and hypocotyl of Cucumis sativus L.* SU Nana, WU Qi & CUI Jin ** College of Life Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing , China Abstract To investigate the effect of monochromatic LED light quality on endogenous hormone content in leaves and hypocotyl of cucumber seedlings, the endogenous GA 3, IAA and ABA in seedling leaves and hypocotyl under red, blue, yellow and green lights were determined by High Performance Liquid Chromatograph (HPLC). The light-emitting diodes (LEDs) were used as optical source and cucumber seedlings as experimental material. The experimental results showed that light qualities influenced the photomorphogenesis of cucumber seedlings by regulating the distribution of endogenous hormone. Red light increased polar IAA transport to hypocotyl with the content of IAA in leaves being 20 µg g -1 but 120 µg g -1 in hypocotyls. Contrarily, blue light promoted the accumulation of massive IAA in leaves to inhibit the euphylla growth. Yellow light curled the leaves, and at the same time, failed in de-etiolating and increasing the GA 3 concentration in leaves ( about twice as much as control). The hypocolyls under all monochromatic lights were longer than that of the control treatment, suggesting that every monochromatic light had its function on repressing hypocotyl extension. Yellow light and green light enlongated the hypocotyl dramaticlly due to high GA 3 concentration and low ABA concentration in hypocotyl. Red light did not significantly elongate the hypocotyl due to high GA 3 and ABA concentrations. In conclusion, light quality significantly affected the content of endogenous hormone of cucumber seedlings, and then induced changes of morphological characteristics of seedlings. These results may lay a theoretical foundation for setting reasonable light conditions for cultivated seedlings. Keywords LED; light quality; cucumber seedling; GA 3 ; IAA; ABA; endogenous hormone 收稿日期 Received: 接受日期 Accepted: * 国家自然科学基金项目 ( ) 和江苏省自然科学基金项目 (BK ) 资助 Supported by the National Natural Science Foundation of China ( ), and the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK ) ** 通讯作者 Corresponding author ( cuijin@njau.edu.cn)

2 46 LED 单色光质对黄瓜幼苗叶片和下胚轴中内源激素含量的影响 1 期图 1 LED 光培养小区示意图. Fig. 1 The LED light plots. 光是绿色植物生长最重要的环境因子之一, 不仅是植物光合作用的能量来源, 也是植物感受季节变化, 适应生长环境的信息来源 [1]. 光调控植物生长发育的整个过程 [2], 尤其是幼苗阶段 [3]. 光主要通过光质光强光周期对植物的生长发育及分化产生影响, 它们不同程度地调节植物的形态建成和新陈代谢 [4]. 光质作为光环境因素的一个重要方面, 对黄瓜 [5] 莴苣 [6] 萝卜 [7] [8] 菠菜等蔬菜生长发育的影响已均有报道. 光对植物生长发育诸多过程的影响都与光调控激素信号途径有关, 相关作用机理已有大量研究 [1]. 光质作为光的重要因素, 直接或间接地影响激素的合成和运输 [9]. 关于光质对植物激素影响的研究已有报道, 但多集中于红光与远红光的比例所产生的效应 [10-11], 其它单色光质与激素相互作用方面的研究鲜见报道. 新型半导体发光二极管 (Light-emitting diode,led) 具有光强高能耗低体积小寿命长控制灵活等优点 [12], 特别是 LED 具有可精确调节与植物光合作用和形态建成相吻合的光谱能量的特点, 大大提高了植物的光能利用率, 因此近年来关于 LED 和光质在设施栽培作物中的研究备受关注 [13]. 关于内源激素对植物生长发育影响的研究已有大量报道, 如激素调节植物开花 [14], 果实发育 [15] [16], 根的发育等. 但光质与内源激素在调控植物生长发育中的相互作用及相关机理研究尚不完善, 关于 LED 光质对蔬菜幼苗内源激素影响的报道较少, 我们研究了 LED 不同单色光质对黄瓜幼苗叶片和下胚轴中激素水平的影响, 以期为进一步探讨黄瓜幼苗生长与茎叶中内源性激素水平的相关性, 为拓展植物光生物学理论研究内容提供科学依据. 1 材料与方法 1.1 试验材料供试材料为黄瓜 (Cucumis sativus L.) 幼苗, 品种为津春 4 号, 种子购于南京市神州种业. 1.2 试验设计试验在南京农业大学生命科学学院光生物学实验室进行, 试验时间为 2012 年 9 月至 12 月培养条件种子经过 4 h 浸种后置于 25 培养箱中催芽, 待种子发芽后播种于含蛭石 : 草炭 (1:1) 的基质中, 试验分 5 组, 每组用不同光质进行处理, 每组处理培养幼苗 30 株. 5 个光质处理组分别为白光 ( 对照,CK) 红光 (R) 蓝光 (B) 黄光 (Y) 绿光 (G)( 图 1), 调节电流以及光源和植株的距离, 使光照强度均为 (50 ± 5) µmol m -2 s -1, 培养箱内的相对湿度为 (75 ± 5)%, 培养温度为 (25 ± 1), 光照时间设定为 16 h d -1, 培养 5 d 后进行指标测定. 1.3 内源激素测定方法 GA 3 IAA 和 ABA 的提取与纯化方法参照陈远平等的 [17] 方法并作部分改动. 准确称取样品 1.0 g, 液氮研磨成粉末状加入预冷的 80% 甲醇 5 ml,4 冰箱过夜,12 h 后 4 离心 ( r/min,15 min), 保存上清液, 重复浸提 3 次, 合并上清液 15 ml 后吹氮气浓缩至原体积的 1/3, 过 Sep-Pak C 18 柱收集洗脱液, 氮气吹干后用 1 ml 流动相溶解,0.45 µm 有机系超微滤膜过滤, 滤液保存于 4 冰箱中待测. 使用 HITACHID2000 型 HPLC 进行 GA 3 和 IAA 激素测量, 流动相为甲醇 - 水 - 冰醋酸 (40:49:1), 检测波长 254 nm, 柱温 35. GA 3 IAA 和 ABA 的出峰时间分别为 5.59 min 8.01 min min( 图 2). 图 2 GA3 IAA 和 ABA 标准溶液色谱图. Fig. 2 Chromatogram of GA 3, IAA and ABA standard solution. 2 结果与分析光质对黄瓜幼苗叶片形态建成和下胚轴伸长的影响差异显著, 红光处理下子叶向茎部弯曲且子叶面积显著低于对应用与环境生物学报 Chin J Appl Environ Biol

3 20 卷苏娜娜等 47 照 ( 降低约 30%), 但真叶面积显著增大, 叶柄显著增长 ; 蓝光和绿光处理下的幼苗真叶的生长相对滞后, 但子叶平展, 子叶面积较对照显著降低, 但真叶面积显著小于对照. 黄光处理下幼苗子叶完全向下卷曲, 真叶黄化, 子叶和真叶面积都显著降低 ( 图 3A 4B). 图 4A 表明白光下幼苗的下胚轴约 4 cm, 红光和蓝光下幼苗的下胚轴约 6 cm, 黄光下的幼苗下胚轴约 12 cm, 绿光下的幼苗下胚轴约 9 cm. 由此可知, 与对照相比, 各单色光质处理下黄瓜幼苗的下胚轴长度均显著增加, 且黄绿光下的下胚轴长度显著高于红蓝光处理 ; 除对照和蓝光处理外, 红黄绿光下幼苗的下胚轴表现出弯曲现象 ( 图 3B 4A). 光质对黄瓜幼苗叶片和下胚轴中内源性激素含量的影响差异显著, 黄光和绿光处理下黄瓜幼苗叶片中 GA 3 和 ABA 的含量均显著高于对照和红蓝光处理, 但 IAA 含量较对照显著降低 ( 降低约 50%); 蓝光处理下叶片中 IAA 的含量相对于对照有所增加, 且显著高于其它单色光质 ( 降低约 50%); GA 3 含量显著降低, 约为对照的 30%; 红光处理下叶片中 GA 3 和 IAA( 约为对照的 30%) 的含量显著降低,ABA 含量显著升高 ( 图 5A B C). 与对照相比, 红光显著提高了幼苗下胚轴中 GA 3 IAA 和 ABA 的含量 ; 蓝光黄光和绿光下胚轴中 IAA 和 ABA 的含量均显著降低, 但黄光和绿光处理下下胚轴中 GA 3 的含量显著升高, 且提高了 3-5 倍 ( 图 5D E F). 3 讨论光和激素的相互作用是调控植物光形态建成的重要方面 [18]. 其中不同光质可以通过与相关的色素作用来影响植物体内的激素平衡, 引发植物的生理生态变化 [10]. 例如有研究表明蓝光信号通过隐花色素的传导, 调节下胚轴中激素的形态及含量, 抑制下胚轴的伸长 [2]. 本研究结果表明不同光质对黄瓜幼苗叶片和下胚轴的形态建成及激素的含量影响存在显著差异. 黑暗下幼苗会通过提高 GA 含量来抑制 HY5 的活性, 防止幼苗脱黄化 [19], 但照光后 GA 在光形态建成中的这种负作用会被消除 [20]. 本研究中除黄光外, 其它光处理下幼苗均脱黄化, 黄光下幼苗叶片黄化卷曲, 叶片中的 GA 3 含量显著高于其它光质处理, 表明黄瓜幼苗对黄光刺激不敏感, 不能通过 [21] 降低叶片中 GA 3 含量来促进脱黄化. Fukuda 等的研究发现光质会引起叶片正反面表皮细胞的伸长不一致, 从而引起叶片卷曲. 本研究中黄光可能促进幼苗叶片正面表皮细胞的伸长而导致叶片向下卷曲. 植物体内的 IAA 主要在顶端合成并向下运输. Liu 等的研 [22] 究发现红光和蓝光能通过隐花色素促进番茄幼苗中 IAA 的极性运输. 比较叶片和下胚轴中 IAA 含量 ( 图 4B 4E) 可以发现光质可能对 IAA 的极性运输产生显著影响, 红光处理下幼苗叶片和下胚轴中的 IAA 含量比值约为 1:6, 相反, 蓝光下幼苗叶片和下胚轴中的 IAA 含量比值约为 7:2, 说明红光可能促进黄瓜幼苗中 IAA 向下胚轴中的极性运输, 而蓝光却无此 [23] 效应, 这可能是由于品种差异引起的. Carabelli 等的研究表明高含量的 IAA 使 CKX6 的表达加强, 从而抑制 CKs 的合成, 限制了真叶的生长, 本结果显示, 蓝光下叶片中的 IAA 含量显著高于红光, 但蓝光下幼苗真叶生长明显滞后于红光 ( 图 3), 说明红光通过调节 IAA 向下胚轴的运输使叶片中的 IAA 含量降低, 促进了 CKs 的合成, 进而促进了真叶的生长, 蓝光的效应与之相反. 光与 GA 在调控下胚轴伸长过程中的作用相反, 光抑制下胚轴的伸长,GA 可以促进 PIFs 的活性, 促进细胞伸长从而引起下胚轴的伸长 [19, 24]. 本研究中, 与对照相比, 各单色光质图 3 不同光质对黄瓜幼苗叶形态建成 (A) 及下胚轴伸长 (B) 的影响. Fig. 3 Effects of light quality on leaf morphogenesis (A) and hypocotyl elongation (B) of cucumber seedling. Chin J Appl Environ Biol 应用与环境生物学报

4 48 LED 单色光质对黄瓜幼苗叶片和下胚轴中内源激素含量的影响 1 期图 4 不同光质对黄瓜幼苗下胚轴长 (A) 及叶面积 (B) 的影响. Fig. 4 Effects of light quality on hypocotyl length (A) and leaf area (B) of cucumber seedling. 图 5 光质对黄瓜幼苗叶片和下胚轴中 GA 3 IAA 和 ABA 含量的影响. A B C 分别为叶片中 GA 3 IAA 和 ABA 含量 ;D E F 分别为下胚轴中 GA 3 IAA 和 ABA 含量. Fig. 5 Effects of light quality on the content of GA 3, IAA and ABA in leaves and hypocotyls of cucumber seedling. A, B, C are the content of GA 3, IAA and ABA in leaves respectively; D, E, F are the content of GA 3, IAA and ABA in hypocotyl respectively. 下黄瓜幼苗下胚轴长度均有增加, 其中黄光处理的促进效应最显著, 绿光次之 ( 图 4A), 表明光对下胚轴的抑制可能是不同光质共同作用的结果. 相关研究表明 GA 和 ABA 在调控植物不同阶段的生长发育中有拮抗作用 [20], 本结果中, 黄光和绿光下黄瓜幼苗下胚轴中 GA 3 的含量较对照显著升高, ABA 含量显著降低 ( 图 5), 下胚轴显著伸长 ( 图 4), 与该结应用与环境生物学报 Chin J Appl Environ Biol

5 20 卷苏娜娜等 49 论一致. 与对照相比, 红光下幼苗下胚轴中 GA 3 和 ABA 含量显著高, 蓝光下幼苗下胚轴中 GA 3 含量显著降低, 且红光和蓝光处理对下胚轴伸长的促进作用没有黄绿光显著, 说明光质引起的下胚轴伸长可能通过调节 GA 3 和 ABA 的相对水平来实现. 整体而言, 不同光质可能通过调节黄瓜幼苗中内源激素的分布来影响幼苗的光形态建成. 其中红光和蓝光可能通过影响 IAA 的极性运输, 影响真叶的生长进程 ; 黄光处理下叶片中 GA 3 含量高, 引起叶片的黄化和卷曲. 各单色光质下黄瓜幼苗下胚轴长度与对照相比均有不同程度伸长, 说明光对幼苗下胚轴的抑制作用可能是不同光质共同作用的结果, 且黄瓜幼苗下胚轴的伸长与光质调节 GA 3 和 ABA 的相对水平密切相关. 参考文献 [References] 1 Halliday KJ, Martinez-Garcia JF, Josse EM. Integration of light and auxin signaling [J]. Cold Spring Harb Perspect Biol, 2009 (4): Karnachuk RA, Tishchenko SY, Golovatskaya IF. Endogenous phytohormones and regulation of morphogenesis of Arabidopsis thaliana by blue light [J]. Russ J Plant Physiol, 2001, 48 (2): Neff MM, Fankhauser C, Chory J. Light: an indicator of time and place [J]. Genes Dev, 2000, 14: Kami C, Lorrain S, Hornitschek P, Fankhauser C. Light-regulated plant growth and development [J]. Curr Top Dev Biol, 2010, 91: Ni JH, Chen XH, Chen CH, Xu Q. Effects of supplemental different light qualities on growth, photosynthesis, biomass partition and early yield of greenhouse cucumber [J]. Sci Agric Sin, 2009, 42 (7): Li Q, Kubota C. Effects of supplemental light quality on growth and phytochemicals of baby leaf lettuce [J]. Environ Exp Bot, 2009, 67 (1): Drozdova IS, Bondar VV, Bukhov NG, Kotov AA, Kotova LM, Maevskaya SN, Mokronosov AT. Effects of light spectral quality on morphogenesis and source sink relations in radish plants [J]. Russ J Plant Physiol, 2001, 48 (4): Matsuda R, Kaneko K, Fujiwara k, Kurata K. Effects of blue light deficiency on acclimation of light energy partitioning in PSII and CO 2 assimilation capacity to high irradiance in spinach leaves [J]. Plant Cell Physiol, 2008, 49 (4): Zhao XY, Yu XH, Liu X M, Lin CT. Light regulation of gibberellins metabolism in seedling development [J]. J Integr Plant Biol, 2007, 49 (1): Kurepin LV, Emery RJN, Pharis RP, Reid DM. Uncoupling light quality from light irradiance effects in Helianthus annuus shoots: putative roles for plant hormones in leaf and internode growth [J]. J Exp Bot, 2007, 58 (8): Kurepin LV, Emery RJN, Pharis RP, Reid DM. The interaction of light quality and irradiance with gibberellins, cytokinins and auxin in regulating growth of Helianthus annuus hypocotyls [J]. Plant Cell Environ, 2007, 30 (2): Wu MC, Hou CY, Jiang CM, Wang YT, Wang CY, Chen HH, Chang HM. A novel approach of LED light radiation improves theantioxidant activity of pea seedlings [J]. Food Chem, 2007, 101 (4): Evan M, Arne J. From carbon to light: a new framework for estimating greenhouse gas emissions reductions from replacing fuel-based lighting with LED systems [J]. Energy Efficiency, 2011, 4 (4): Blázquez MA, Green R, Nilsson O, Sussman MR, Weigel D. Gibberellins promote flowering of Arabidopsis by activating the LEAFY promoter [J]. Plant Cell, 1998, 10 (5): Ayele BT, Magnus V, Mihaljevic S, Prebeg T, Rakovac RC, Ozga JA, Reinecke M, Mander LN, Kamiya Y, Yamaguchi S, Sondi BS. Endogenous gibberellin profile during Christmas rose ( Helleborus niger L.) flower and fruit development [J]. J Plant Growth Regul, 2010, 29 (2): Kim TW, Lee SM, Joo SH, Yun HS, Lee Y, Kaufman P B, Kirakosyan A, Kim SH, Nam KH, Lee JS, Chang SC, Kim SK. Elongation and gravitropic responses of Arabidopsis roots are regulated by brassinolide and IAA [J]. Plant Cell Environ, 2007, 30 (6): 陈远平, 杨文钰. 卵叶韭休眠芽中 GA 3 IAA ABA 和 ZT 的高效液相色谱法测定 [J]. 四川农业大学学报, 2005, 23 (4): [Chen YP, Yang WY. Determination of GA 3, IAA, ABA and ZT in dormant buds of allium ovalifolium by HPLC. J Sichuan Agric Univ, 2005, 23 (4): ] 18 Casal JJ, Fankhauser C, Coupland G, Blazquez MA. Signalling for developmental plasticity [J]. Trends Plant Sci, 2004, 9 (6): Alabadi D, Gallego BJ, Garcia CL, Orlando L, Rubio V, Martinez C, Frigerio M, Iglesias-Pedraz JM, Espinosa A, Deng XW, Blazquez MA. Gibberellins modulate light signaling pathways to prevent Arabidopsis seedling de-etiolation in darkness [J]. Plant J, 2008, 53 (2): Alabadi D, Blazquez AM. Molecular interactions between light and hormone signaling to control plant growth [J]. Plant Mol Biol, 2009, 69 (4): Fukuda N, Fujita M, Ohta Y, Sase S, Nishimura S, Ezura H. Directional blue light irradiation triggers epidermal cell elongation of abaxial side resulting in inhibition of leaf epinasty in geranium under red light condition [J]. Sci Hort, 2008, 115 (2): Liu X, Cohen JD, Gardner G. Low-fluence red light increases the transport and biosynthesis of auxin [J]. Plant Physiol, 2011, 157 (2): Carabelli M, Possenti M, Sessa G, Ciolfi A, Sassi M, Morelli G, Ruberti I. Canopy shade causes a rapid and transient arrest in leaf development through auxin-induced cytokinin oxidase activity [J]. Genes Dev, 2007, 21: Lucas M, Daviere JM, Rodriguez-Falcon M, Pontin M, Manuel IPJ, Lorrain S, Fankhauser C, Blazquez MA, Titarenko E, Prat S. A molecular framework for light and gibberellincontrol of cell elongation [J]. Nature, 451: Chin J Appl Environ Biol 应用与环境生物学报

d - 1 / = 1. 2 / = 形态指标测定 1 ~ 3 25d 10 4 / min 75 IAA 叶面积的测定 Gao 光合色素测定 8 / 8

d - 1 / = 1. 2 / = 形态指标测定 1 ~ 3 25d 10 4 / min 75 IAA 叶面积的测定 Gao 光合色素测定 8 / 8 Chinese Journal of Oil Crop Sciences 2014,36( 3) : 343-348 doi: 10. 7505 /j. issn. 1007-9084. 2014. 03. 008 张勇, 叶芝兰, 杨峰 * *, 张丽君, 聂邵仙, 杨文钰 611130 / / 0. 8 0. 6 1 3 / / / / P < 0. 01 / P > 0. 01 / Pn GsPSII