夜間補充UV-C和藍光對黃瓜病害防控及植株生長發育的影響

張云飛 張現征 王立霞 劉中良 彭慶堂 劉世琦,?

(1山東農業大學園藝科學與工程學院/作物生物學國家重點實驗室/農業農村部黃淮地區園藝作物生物學與種質創制重點實驗室,山東泰安 271000; 2 山東省泰安市農業科學研究院,山東泰安 271000;3 山東濟南市蔬菜技術推廣服務中心,山東濟南 250100)

黃瓜(Cucumis sativus L.)是日常生活中常見的蔬菜,也是我國溫室大棚主要種植的蔬菜作物之一。近年來,我國黃瓜種植面積迅速擴大,品種愈加豐富,栽培茬口劃分更加細致,實現了周年生產。然而,受黃瓜的周年生產和氣候環境的影響,溫室大棚黃瓜病害頻繁發生,尤其是白粉病和霜霉病。白粉病和霜霉病屬于真菌性病害,如果防治不及時將會造成減產甚至絕產,目前主要以化學農藥防治為主。藥劑防治雖能在一定程度上控制病害的發生,但易造成環境污染和食品污染,進而危害人類健康。隨著生活水平的提高,綠色無污染食品日益受到人們的青睞。因此,尋找一種生態、物理方法防治病害已成為一種趨勢,也是許多學者探討、研究的熱點。

光是高等植物光合作用的唯一能量來源,不同波長的光對植物影響不同。研究表明,光不僅能夠影響種子萌發,根、莖、葉的生長[1-2],葉片衰老[3],植物次生代謝[4],同時還參與植物對病原菌的多種防衛反應[5]。藍光處理下, 黃瓜葉片中多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)、過氧化氫酶(catalase,CAT)活性與其他單質光處理相比均顯著上升[3]。袁慧麗[6]研究發現藍光可以增加黃瓜葉片中苯丙氨酸解氨酶(l-phenylalanin ammonia-lyase,PAL)活性,補充藍光能顯著提高黃瓜幼苗中丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量[7]。短波UV-C,又稱短波滅菌紫外線,可殺滅空氣中的細菌真菌,以及植株葉片上的病原菌,同時不同照射劑量對生物細胞的影響也不同。李丹丹等[8]研究表明, UV-C 對辣椒幼苗過氧化物酶(peroxidase,POD)、CAT 活性均有顯著影響。

目前,利用光質對蔬菜進行病害防治已有大量報道,但多集中在黃瓜幼苗,或在人工氣候室對幼苗期進行補光來探究對黃瓜幼苗病害的影響。而利用UV-C在溫室大棚進行夜間補光對黃瓜病害防治方面的研究尚鮮見報道。本研究以黃瓜品種津優35 號為試驗材料,結合實際生產在大棚中對其進行夜間補充UV-C、藍光和藍光/UV-C(復合光),并通過統計發病情況、黃瓜生長指標、產量及在補光期間測定抗性酶活性,探究夜間補光對溫室黃瓜白粉病、霜霉病的防控及植株生長發育的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試黃瓜品種：津優35 號,由天津科潤黃瓜研究所提供。

主要儀器：LED 藍光(12 W,460 nm)燈管(惠州可道科技股份有限公司);UV-C(40 W,253.7 nm)燈管(藍宇特燈有限公司);LI-6400XT 便攜式光合儀(北京力高泰科技有限公司);3415FX 便攜式光照輻射測量儀(北京渠道科學儀器有限公司)。

燈管通過定滑輪吊于溫室大棚頂端,并隨著黃瓜植株生長可以調節光源距離黃瓜植株的高度,且通過微電腦時空開關控制光照時間,從而保證補光光強與時長一致。

1.2 試驗設計

試驗于2017年在山東農業大學科技創新園進行。共設置4 個處理,即UV-C(253.7 nm)、藍光(460 nm)、藍光/UV-C、不補光(CK)。每個處理3 個小區,每個小區面積為8 m2,含黃瓜幼苗15 株,每個處理3次重復。在人工氣候室(溫度18 ～28℃;相對濕度75%)育苗,待幼苗長至三葉一心時,選取長勢一致的幼苗于8月10 號移栽至溫室大棚,并進行統一管理,待長至4～6 葉時開始進行夜間補光,直至黃瓜生長末期。各處理夜間使用銀黑色的遮光布隔開,白天自然光照,以保證各處理之間互不影響。藍光補光光強為60±5 μmol·m-2·s-1,補光時長為7.5 h(19：00-次日02：30);UV-C 補光時長為2 min(19：00-19：02),距離黃瓜植株頂端為100±10 cm;藍光/UV-C 處理：藍光燈管在下,UV-C 燈管在上,補光時間和光強同單質光。試驗期間黃瓜自然發病,白粉病9月7 號發病,霜霉病9月13 號發病。

1.3 測試指標與方法

1.3.1 黃瓜生長生理指標測定 每個小區隨機選取5 株黃瓜測定株高、莖粗、葉長、葉寬,3 次重復并做標記,以保證每次測定為同一株便于觀測黃瓜的動態生長;采用LI-6400XT 便攜式光合儀測定氣體交換參數,包括凈光合速率(net photosynthetic rate,Pn)、氣孔導度(stomatal conductance, Gs)、胞間 CO2濃度( intercellular CO2concentration, Ci)、蒸騰速率(transpiration rate,Tr),測定時間為上午9：00-11：00,測定光強為1 200 μmol·m-2·s-1,測定部位為黃瓜第4片展開葉片。補光后每隔7 d 取黃瓜第4 片展開葉片進行各生理和抗病指標的測定。其中,葉綠素含量參照趙世杰等[9]的方法測定; 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、POD、CAT、PAL 活性參照王學奎等[10]的方法測定;MDA 含量采用硫代巴比妥酸沸水浴法[11]測定;幾丁質酶和β-1,3-葡聚糖酶活性測定參照李蕾等[12]的方法測定;木質素含量參照劉賀娟[13]的方法測定;H2O2活性采用四氯化鈦分光光度法[14]測定;補光光強采用3415FX 便攜式光照輻射測量儀測定。

1.3.2 黃瓜品質和果形指數的測定 取第4 個黃瓜果實進行測定黃瓜品質和果形指數。黃瓜果實的Vc、可溶性糖和游離氨基酸含量均參照王學奎等[10]的方法測定;使用游標卡尺測量橫徑;直尺測量黃瓜果實的長度和瓜把長,并計算果形指數。采用電子天平稱量并計算黃瓜單株前六果重量。

1.3.3 白粉病和霜霉發病率、病情指數及防治效果的測定 調查白粉病和霜霉病2 種病害的發病級別調查和表示方法,參照魏肖鵬等[15]、余永志等[16]和符美英等[17]方法并稍作改進：每區調查6 株長勢一致的植株全部葉片,以每片葉病斑面積占整個葉面積的百分率來表示。

黃瓜白粉病病情指數的調查方法按照GB/T 17980.30-2000[18]進行分級：0 級：無病斑;1 級：病斑面積占整個葉面積的5%以下;3 級：病斑面積占整個葉面積的6%～10%;5 級：病斑面積占整個葉面積的11%～20%;7 級：病斑面積占整個葉面積的21% ～40%;9 級：病斑面積占整個葉面積的40%以上。

黃瓜霜霉病病情指數的調查方法按照GB/T 17980.26-2000[19]進行分級：0 級：無病斑;1 級：病斑面積占整個葉面積的5%及以下;3 級：病斑面積占整個葉面積的6%～10%;5 級：病斑面積占整個葉面積的11%～25%;7 級：病斑面積占整個葉面積的26%～50%;9 級：病斑面積占整個葉面積的50%以上。按照公式分別計算發病率、病情指數和防治效果：

1.4 數據處理

采用DPS v14.10 和Microsoft Excel 2010 進行數據統計、處理和分析;采用多重比較Duncan 新復極差法進行方差顯著性檢驗(α = 0.05);利用Microsoft Excel 2010 制圖。

2 結果與分析

2.1 夜間補充不同光質對黃瓜植株生長的影響

株高、莖粗、葉面積是黃瓜生長的重要指標。由表1 可知,夜間補充UV-C、藍光及藍光/UV-C 對黃瓜植株的株高、莖粗和葉面積均無顯著影響。

2.2 夜間補充不同光質對黃瓜光合作用的影響

光合作用是植物積累有機物的主要方式。由表2可知,夜間補充不同光質對黃瓜Pn 無顯著影響,但在藍光、藍光/UV-C 處理下的葉片Gs、Ci、Tr 均較CK 明顯增強,其中藍光/UV-C、藍光的Tr 均顯著高于CK。結果表明,夜間藍光處理有利于黃瓜葉片中氣體的交換,而UV-C 處理下的各氣體交換參數與CK 間均無顯著差異。

表2 不同光質對黃瓜葉片氣體交換參數的影響Table 2 Effect of different light quality on gas exchange parameters of cucumber

2.3 夜間補充不同光質對黃瓜葉片中抗氧化酶活性的影響

不同光質處理對黃瓜葉片中抗氧化酶活性的影響不同。由圖1-A 可知,補光7 d 時,UV-C 處理下的SOD 活性顯著高于CK,補光第14、第21 天時,各處理間SOD 活性均無顯著差異;由圖1-B 可知,補光第7、第14、第21 天時,UV-C 處理對黃瓜葉片POD 活性影響顯著,均顯著高于其他處理,補光第21 天較CK 高53.16%,CK、藍光和藍光/UV-C 處理的POD 活性均隨著處理天數的延長而升高,但3 個處理間差異不顯著;圖1-C 可知,UV-C 處理對CAT 活性影響顯著,在補光第7、第21 天時,藍光和藍光/UV-C 均對CAT 活性無顯著影響,在補光第21 天時,UV-C 處理的CAT活性較CK 高25.69%;由圖1-D 可知,補光第7、第14天時UV-C 處理的抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX)活性顯著高于CK,在補光處理期間,藍光、藍光/UV-C 和CK 對黃瓜葉片中APX 活性的影響均不顯著,但隨著處理天數的延長,其APX 活性呈逐漸升高的趨勢。結果表明,夜間補充UV-C 能顯著提高黃瓜葉片中POD、CAT、APX 活性,表明UV-C 可以提高黃瓜植株體內的抗性。

2.4 夜間補充不同光質對黃瓜葉片中MDA 和H2O2含量的影響

由圖2 可知,夜間補充不同光質對黃瓜葉片中MDA 和H2O2含量的影響不同。UV-C 處理對黃瓜葉片中MDA 含量有顯著的促進作用。夜間補充UV-C對H2O2含量有一定的影響,在補光第7、第14 天時和其他處理間差異顯著,較CK 分別顯著增加30.31%、29.57%,隨著處理天數的延長,UV-C 處理下的H2O2含量呈下降趨勢。在藍光和藍光/UV-C 處理下,隨著處理天數的延長,H2O2含量呈現先下降后升高的趨勢。結果表明,藍光及藍光/UV-C 處理對MDA 和H2O2含量均無顯著影響,而UV-C 處理能促進MDA、H2O2含量的增加,但對黃瓜生長無明顯影響。

圖1 不同光質處理對黃瓜葉片中抗性氧化酶活性的影響Fig.1 Effect of different light quality on activity of antioxidant enzyme in the leaves of cucumber

圖2 不同光質處理對黃瓜葉片中MDA 和H2O2 含量的影響Fig.2 Effect of different light quality on content of MDA and H2O2 in the leaves of cucumber

2.5 夜間補充不同光質對黃瓜葉片中木質素含量和PAL 活性的影響

由圖3 可知,夜間補充不同光質對黃瓜葉片中木質素含量和PAL 活性均有一定的影響,夜間補充UV-C 對木質素含量的影響顯著,且明顯高于其他處理,補光第14 天時藍光和藍光/UV-C 處理下的木質素含量與CK 間差異顯著,但隨著處理天數的延長,差異不顯著;夜間補充不同光質對黃瓜葉片中PAL 活性有顯著影響,補光第7 天時,CK 黃瓜葉片中PAL 活性顯著低于其他處理,隨著處理天數的延長,其PAL 活性呈升高的趨勢。補光第21 天時,UV-C 處理下的PAL活性顯著高于其他處理。結果表明,夜間補充UV-C對黃瓜葉片中PAL 活性和木質素含量均有促進作用,有利于黃瓜植株抗性的提高。

2.6 不同光質處理對黃瓜葉片中幾丁質酶和β-1,3-葡聚糖酶活性的影響

圖3 不同光質處理對黃瓜葉片中木質素含量和PAL 活性的影響Fig.3 Effect of different light qulities on the content of liginin and the activites of PAL in the leaves of cucumber

由圖4 可知,補光第7、第14、第21 天時,不同光質處理對黃瓜葉片中幾丁質酶和β-1,3-葡聚糖酶活性均有影響,UV-C 處理下2 種酶活性均為最高。補光第7 天,UV-C 處理下幾丁質酶活性顯著高于藍光和CK,其中藍光的幾丁質酶活性最低;隨著處理天數的延長,藍光、藍光/UV-C 處理和CK 間無顯著差異,但UV-C 處理和其他處理間均存在顯著性差異(除補光第7 天外)。在補光第14、第21 天時藍光和藍光/UV-C處理對β-1,3-葡聚糖酶活性均無顯著差異;補光第7 天時,UV-C、藍光及藍光/UV-C、CK 的β-1,3-葡聚糖酶活性均顯著高于CK,依次表現為UV-C＞藍光＞藍光/UV-C＞CK。隨著處理天數的延長,CK 的β-1,3-葡聚糖酶活性呈逐漸升高的趨勢;補光第21 天時,各處理間的β-1,3-葡聚糖酶活性無顯著差異。結果表明,夜間補充UV-C 能促進黃瓜葉片中幾丁質酶和β-1,3-葡聚糖酶活性的提高。

2.7 不同光質處理對黃瓜果實性狀和品質的影響

由表3 可知,UV-C 的黃瓜果實長度和果形指數與CK 間顯著差異,但光質處理對黃瓜單株前六果重量、果實橫徑及瓜把長/果長均無顯著影響。不同光質處理對黃瓜前六果重量影響不顯著。由表4 可知,不同光質處理對黃瓜的Vc、游離氨基酸含量均無顯著影響,UV-C 可顯著提高黃瓜果實中可溶性糖含量,藍光處理下的黃瓜果實中類黃酮含量顯著高于CK。結果表明,夜間補充不同光質對黃瓜果實產量無顯著影響,但可以提高黃瓜果實中可溶性糖、類黃酮含量。

2.8 夜間補充不同光質對黃瓜病害防治的影響

不同光質對黃瓜白粉病的防治效果不同。由表5可知,夜間補充藍光/UV-C 和藍光在發病10 d 后對白粉病的防治效果顯著,分別為46、58%和51.83%,但隨著處理天數的延長,其防治效果明顯降低;UV-C 處理對黃瓜白粉病的防治效果顯著好于藍光/UV-C 和藍光,且隨著處理天數的延長,對白粉病的防治效果越明顯,達到96.01%。結果表明,夜間補充藍光/UV-C對黃瓜白粉病的防治效果沒有單一藍光或者UV-C 的效果明顯。

不同光質對黃瓜霜霉病的防治效果也不同,與對黃瓜白粉病的防控效果相比,夜間補充不同光質對黃瓜霜霉病的防治效果較差。由表6 可知,夜間補充藍光和藍光/UV-C 對黃瓜霜霉病的病情指數均無顯著影響;發病10 d 后,UV-C 對黃瓜霜霉病的防治效果顯著,達到43.22%,但隨著補光天數的增加和病情的加重,UV-C 對霜霉病的防治效果明顯下降,僅為12.36%。

表3 不同光質處理對黃瓜果實性狀的影響Table 3 Effect of different light qulities on cucumber fruit characters

表4 不同光質處理對黃瓜果實品質的影響Table 4 Effects of different light qulities on cucumber fruit qualities

表5 不同光質處理對黃瓜白粉病發生的影響Table 5 Effect of different light qulities on the resistance to powdery mildew of cucumbers

3 討論

3.1 不同光質處理對溫室黃瓜白粉病和霜霉病發生的影響

不同光質對植物抗病性的影響不同。UV 輻射參與調節許多植物病原菌抱子的產生,不僅有利于番茄幼苗培育壯苗和提高抗病性[20],還可以減少草莓病原菌病害和誘導抗病性[21]。本研究中,不同光質對黃瓜白粉病和霜霉病的防治效果不同,UV-C 處理下對黃瓜白粉病的防治效果可達到96.01%,但對霜霉病的防治效果不明顯,這是由于白粉病和霜霉病的病原菌不同[22],且白粉病的病原菌多在黃瓜葉片的正面,能夠接受UV-C 的直接照射,而霜霉病病原孢子在黃瓜葉片的背面,夜間補光無法直接照射到霜霉病的病原孢子[23],因此表現出對UV-C 的抗性不同。但白粉病菌和霜霉病菌的抗病機理還有待進一步研究。

郭麗麗等[24]研究表明,不同LED 復合光對牡丹生理及生長特性的影響不同。研究發現,藍光、UV-A下均可以引起蕪菁花青素積累,但藍光/UV-A 復合光處理下并不能引起蕪菁花青素積累的增益效應[25]。本研究中,藍光處理對白粉病、霜霉病的防治效果均不顯著,且藍光/UV-C 處理并沒有表現出復合光對病害防治效果的增益效應。推測應該是藍光的某種效應和UV-C 的某種效應相抵消,導致藍光/UV-C 復合光對病害防控無顯著影響。王虹等[3]研究表明,藍光能有效增加黃瓜葉片上氣孔的開放,同時氣孔的開放會大大增加對病害的感染,尤其是夜間在溫室大棚中更有利于病原孢子的侵染。但是何種效應導致藍光/UV-C復合光對病害防治效果沒有單質光顯著及藍光和UV-C 單質光效應關系還有待進一步研究。

表6 不同光質處理對黃瓜霜霉病發生的影響Table 6 Effect of different light qulities on the resistance to downy mildew of cucumbers

3.2 不同光質處理對黃瓜生長及光合作用的影響

研究表明,藍光能夠影響植物的株高,在藍光處理下莖粗明顯增加,且對植物有一定的矮化作用[26]。研究發現UV-C 處理對辣椒幼苗的株高有抑制作用,同時與對照相比,UV-C 處理有利于莖粗增加[8]。本研究中,UV-C 處理下的黃瓜莖粗并無明顯增加,與前人研究不一致。這可能是由于試驗材料和補光時間不同,不同光質處理雖然對黃瓜植株的株高、莖粗有一定影響,但未達到顯著水平。光質是影響光合參數的重要因素,不同光質配比對光合作用有顯著影響[27]。陳祥偉等[28]研究表明,不同光質處理均能導致氣孔開放,其中藍光下氣孔開放最大,同時藍光還可以增加Ci。本研究中,夜間補充不同光質對黃瓜光合參數并無顯著影響,但在藍光和藍光/UV-C 下可以促進黃瓜Gs 和Tr 的提高。

3.3 不同光質處理對黃瓜葉片內抗性酶活性的影響

抗氧化代謝在植物抗病方面起著重要的作用。研究表明,使用百里香乙醇提取物處理黃瓜幼苗,可以提高黃瓜葉片中POD、SOD、CAT 活性,從而提高黃瓜的抗病性[29];還有研究發現黃瓜感染黑星病后其葉片中POD 活性明顯升高[30];魏國強等[31]研究發現接種白粉病后顯著提高了黃瓜葉片中抗性酶活性。上述研究表明,可以通過提高植株體內的抗性酶活性對黃瓜病害起到一定的防治作用。

PAL 是苯丙烷類代謝的主要途徑的關鍵酶,其活性和植物的抗病性關系密切,且PAL 還參與木質素的合成,其活性的提高能使木質素的含量升高,以增加植物組織木質化程度,增強抵抗病原菌的能力[32]。幾丁質和β-1,3-葡聚糖是真菌細胞壁的重要結構部分。研究發現菌絲頂端β-1,3-葡聚糖和幾丁質都暴露在表面,能夠直接受到幾丁質酶和β-1,3-葡聚糖酶作用而水解[33-34],這不僅使菌絲生長點受到影響,而且在水解過程中真菌細胞壁釋放的寡糖也能夠作為植物多種抗病反應因子,用于誘導植物全面防衛反應[35]。研究發現經過誘導因子誘導幾丁質酶和β-1,3-葡聚糖酶活性升高,可有效控制和減緩病害的發生與危害[36]。

本研究中,不同光質處理下對黃瓜植株體內抗性酶活性均有一定的影響,其中UV-C 處理下的POD、CAT 活性顯著高于CK。這與李丹丹等[8]的研究結果一致。本研究還發現UV-C 處理的PAL、幾丁質酶和β-1,3-葡聚糖酶活性在補光第7、第21 天時顯著高于CK。研究發現SOD、POD、CAT、PAL、幾丁質酶、β-1,3-葡聚糖酶均屬于抗性酶范疇,其活性的升高對病害防御呈顯著正相關[37-39]。本研究還發現UV-C 處理下,黃瓜葉片中MDA 和H2O2含量也相應增加。研究表明,H2O2含量的升高可以促進抗氧化酶活性的提高[40]。MDA 是細胞膜脂過氧化產物之一,它的產生會加劇膜的損傷,因此在植物衰老生理和抗性生理研究中MDA 含量是常用指標之一。本研究中,UV-C 處理使MDA 含量增加,但并未對植株生長產生影響。此外,夜間補充UV-C 可以提高抗性酶活性,從而顯著提高黃瓜的抗病性,而藍光/UV-C 處理對各抗性酶活性的影響并不顯著,這和王虹[3]、陳祥偉等[28]研究結果一致。這可能與藍光促進黃瓜葉片氣孔的開放有關,藍光處理下葉片Gs 較CK 和UV-C 處理顯著增加,此外,本研究是在夜間進行補光,白天進行正常光照,藍光照射產生的效應可能在白天自然光照時減弱,也可能在藍光下和UV-C 對黃瓜體內抗性酶的誘導有拮抗作用,具體機理原因還有待進一步研究。

3.4 不同光質處理對黃瓜果實的影響

不同光質處理對黃瓜果實生長發育和產量均有一定的影響[41]。謝景等[42]研究表明,黃瓜果實中Vc、可溶性蛋白、氨基酸和可溶性糖含量因補光光質不同而存在差異。而本研究中,與CK 相比,UV-C 處理下黃瓜果實長度、果形指數均存在顯著差異,但對瓜把長/果長、果實橫徑和單株前六果重量均無顯著影響。本研究還發現各處理對黃瓜果實中Vc、游離氨基酸和類黃酮含量均無顯著影響,但UV-C 處理能顯著提高黃瓜果實中可溶性糖含量,與前人研究不同,可能是因為夜間補光時間和補光強度不同。

4 結論

本研究結果表明,夜間補充UV-C 能夠提高黃瓜植株體內POD、CAT、PAL 和幾丁質酶活性及木質素含量,且對黃瓜白粉病有顯著防治效果,但對黃瓜株高、莖粗、葉面積均無顯著影響;藍光/UV-C 復合光對白粉病、霜霉病均無顯著的防治效果,可能是藍光和UV-C 相互影響的原因。藍光效應和UV-C 效應的互作關系,以及UV-C 對白粉病的防治機理仍有待進一步研究,本研究結果為溫室綠色生產提供了理論基礎。