制汁葡萄品种改良岗位

郭印山 姜长岳 林洪 齐志国

 

  葡萄为葡萄科葡萄属木质藤本植物，营养丰富，是水果中的珍品。中国葡萄产业在过去几十年中发展迅速。我国作为世界主要的葡萄生产国之一，葡萄种植面积与葡萄产量一直呈上升趋势。随着社会经济的发展，人们对葡萄的质量要求越来越高，露地栽培易受环境因素影响，难以满足人们的需求，近年来设施栽培已经成为我国葡萄生产的新趋势。光照条件是影响设施园艺产量的重要因素，目前在国内，因促早栽培和延迟栽培引起的短日照、弱光等因素很容易造成设施内光照不足，进而影响植株生长。光是植物生长发育所必需的条件，对园艺作物的生长发育、产量及品质都有很大的影响。

  目前，基于 LED节能、高品质、可调特性的新型 LED照明系统被广泛用于设施农业，并在一些农作物种植中获得了成功。因此，开展设施葡萄的LED补光，对促进设施葡萄植株生长具有重要意义。近年来，课题组在研究光谱吸收规律的基础上，试制了三种不同光谱的LED补光灯，本研究以‘秋黑’和‘阳光玫瑰’葡萄品种为试材，研究三种不同光谱的LED补光灯对葡萄植株生长的影响，比较分析不同光质处理下葡萄植株生长的变化规律，综合评价各补光处理，以期筛选出最佳补光方案，为设施葡萄生长发育调控提供参考依据。

  1 材料与方法

  1.1 试验材料和所用仪器

  本试验于2021年至2022年，在沈阳农业大学葡萄试验园（N41°50'24"，E123°24'41"）日光温室内进行常规栽培，供试品种分别为七年生‘秋黑’葡萄，株行距为1 m×2 m，采用篱架栽培，以及四年生‘阳光玫瑰’葡萄（于盛花期1-3天使用GA325 mg•L-1+CPPU5 mg•L-1以及花后2周使用GA325 mg•L-1进行无核膨大处理），株行距2 m×3 m，采用篱架栽培。试验期间葡萄田间正常管理。

  试验所用LED补光灯为团队前期试制，一号补光灯为红蓝比2：1，二号补光灯为红蓝比3：1，三号补光灯为红蓝比6：1，蓝光波长为450 nm，红光波长为620 nm~660 nm，补光灯额定功率为20 W，额定电压为220V。

 

  1.2 方法

  1.2.1 补光方法

  ‘秋黑’葡萄设置四个处理，分别为一号灯（红光：蓝光=2：1）、二号灯（红光：蓝光=3：1）、三号灯（红光：蓝光=6：1），以不补光植株为对照（CK）。‘阳光玫瑰’葡萄设置两个处理分别为一号灯（红光：蓝光=2：1）和未补光植株对照（CK）。于葡萄萌芽期开始补光，至葡萄成熟采收时结束，照射面积为2 m×4 m，安装高度距葡萄篱架顶端以上部40 cm，补光时间各为每天揭开和覆盖保温被的前后2 h。试验期间常规肥水管理。各补光处理均三次重复。选取长势一致的葡萄植株进行挂牌标记，观察试验植株情况。

  1.2.2 植株生长形态特征的测定项目及方法

  1.2.2.1 新梢粗度及节间距

  每个处理选取长势相对一致的新梢10枝（植株新梢的第5节），挂牌登记并标记测量位置，于补光30 d后，7 d一个周期，使用游标卡尺（精确到0.01 cm）进行新梢粗度（植株新梢的第5节）的测定；于果实成熟期用钢卷尺（精确到 0.1 cm）测定新梢节间距。

  1.2.2.2 叶片生长指标

  （1）叶片大小（横径、纵径）以及叶柄长：使用钢卷尺进行测量，各处理选10株，在每株新梢上分别选取上、中、下三片叶进行测定，计算平均值。

  （2）叶片色度：于各处理补光灯范围8 m2内选取10株新梢，在每株新梢上随机选取3片叶片采样并拍照记录，利用色差仪评定叶片的颜色差，色差单位用NBS表示，计算平均值。NBS单位色差值和视觉之间的关系如表2-1所示。

  （3）叶片厚度：使用游标卡尺进行测量，每种处理选10株，在每株新梢上分别选取上、中、下三片叶进行叶片厚度测定，计算平均值。

  （4）叶绿素：于各处理补光灯范围内选取葡萄同一部位且伸展方向相对一致的30枚叶片，用CL-01叶绿素仪在叶片上随机取2点（错开主叶脉）进行叶绿素测定。

  1.2.2.3 叶绿素荧光参数的测定

  采用 LI-6800 型便携式光合测定仪（LI-COR，美国）测定葡萄叶片的相关光合参数包括净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）和胞间 CO2浓度（Ci）。选择天气晴朗的上午，在9时至11 时测定葡萄同一部位且伸展方向相对一致的叶片的光合指标，各补光处理范围内随机选取3株葡萄树，每株中选取2片叶片进行光合参数的测定。设定流速为500 μmol·s-1、光强为1000 μmol·m-2·s-1。

  1.2.2.4 光合参数的测定

  测量叶绿素荧光参数，以评估不同处理下的葡萄叶片光系统在光适应或暗处理下的光吸收，电子转移，热耗散；通过汉莎科学仪器公司生产的FMS-2 便携式荧光仪进行测定，该仪器在测定前需通过用户定义手册进行仪器编程。于上午9：00-11：00进行测量，在各处理间随机选取3株葡萄树，并在每棵葡萄树的同一部位选择具有相同伸展方向的叶片进行测量，测定前先将葡萄叶片用暗适应叶夹进行暗适应15 min，测定时记录初始荧光（F0）、暗适应最大荧光（Fm）、作用光关闭时的原初荧光（F0ʹ）、作用光打开时的最大荧光（Fʹm）以及稳态荧光（Ft）， 测量时先用测量光激发叶绿素的本体荧光测定F0，再次打开饱和脉冲光测定Fm以及Fv/Fm，然后打开作用光测定下稳态荧光Ft，之后再次饱和脉冲光测定Fʹm，关闭作用光后，即为一次远红外光测定F0ʹ（林惠鸿，2015）。根据以下公式得到相关参数：

  PSII最大量子产量Fv/Fm=（Fm-F0）/Fm；

  PSII实际光化学量子产量ΦPSII =（Fʹm-Ft）/Fʹm；

  非光化学荧光淬灭qN=（Fm-Fʹm）/Fʹm；

  光化学荧光淬灭qP=（Fʹm-Ft）/（Fʹm-F0）；

  表观电子传递效率ETR=ΦPSII×PAR×0.84×0.5；

  1.2.3 葡萄植株生理生化指标的测定项目及方法

  1.2.3.1 根系活力测定

  本试验于各处理补光灯范围，在种植行距离主蔓外侧30-35 cm，深度30-40 cm对葡萄须根进行取样，进行三次生物学重复，采用氯化三苯基四氮唑（TTC）还原法（张志勇，2015）计算根系活力。

  1.2.3.2 叶片丙二醛（MDA）含量测定

  MDA含量采用硫代巴比妥酸法进行测定。

  1.2.3.3 叶片可溶性糖、淀粉及可溶性蛋白含量测定

  可溶性糖含量和淀粉含量用蒽酮比色法测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝染色法测定， 用牛血清蛋白作标准曲线。

  1.2.3.4 叶片超氧化物歧化酶（SOD）活性及过氧化物酶（POD）活性测定

  采用氮蓝四唑法（黄升谋，2017）测定超氧化物歧化酶（SOD）活性；采用愈创木酚显色法（刘倩文，2018）测定（POD）活性。

  2 结果与分析

  2.1 LED补光对设施葡萄新梢发育的影响

  新梢粗度是反映葡萄新梢生长状况的重要指标，由图1可以看出，随着时间增加，‘秋黑’葡萄新梢茎粗呈增高趋势，前期增长较快而后期增长缓慢，补光处理后新梢发育得到明显增加，其中5月20日、7月15日-8月12日，三号灯处理显著高于对照，7月15日-8月5日，二号灯处理显著高于对照，说明补光处理能够不同程度的提高了‘秋黑’葡萄的新梢茎粗生长量，其中三号灯对于提升新梢茎粗效果最好，8月12日为12.20 mm。此外，可以发现随着时间的增加，对照于6月24日后茎粗生长量增长缓慢，而各补光处理生长量仍处在上升趋势，说明补光处理有可能增加‘秋黑’葡萄茎粗的营养生长时间。

 

  由图2可以看出‘阳光玫瑰’葡萄植株两种处理的茎粗在补光开始时接近相同，随着补光时长的增加，补光处理的茎粗逐渐高于对照。6月2日-8月11日一号灯处理均显著高于对照处理，其中8月11日一号灯处理茎粗增长量最高，为9.29 mm。说明一号灯处理能够有效提高‘阳光玫瑰’葡萄新梢的生长量。

  2.2 LED补光对设施葡萄叶片色泽的影响

  LED补光改善了‘秋黑’葡萄叶片的色泽（图3），由表2可以看出，补光处理后，各处理叶片的总色差值没有显著变化，但相比于CK，一号灯处理和三号灯处理的△L值显著下降，分别为-49.98 NBS和-50.33 NBS。二号灯处理的的△a值显著低于各处理，CK和二号灯处理的△b值显著高于一号灯处理和三号灯处理，其中CK的△b值最大，为17.84 NBS；由此可见，相较CK而言，一号灯和三号灯颜色更深，二号灯处理颜色偏绿，CK和二号灯处理相较其他处理颜色偏黄且感觉明显。

  补光处理显著改善了‘阳光玫瑰’的叶片色泽，相较于对照补光灯处理的叶片颜色更深（图4）。由表3可知，一号灯处理△E值显著高于对照，为58.7 NBS，△L值与△a值显著低于对照，为-56.87 NBS和-6.58 NBS。而△b值无显著差异，说明一号灯处理后‘阳光玫瑰’葡萄叶片的颜色更深且颜色偏黑、偏绿。

  2.3 LED补光对设施葡萄植株发育的影响

  表4所示，补光处理后‘秋黑’葡萄叶片品质提高，三种补光灯处理的叶绿素含量均显著高于CK，其中三号灯处理的叶片叶绿素含量最高（24.79 SPAD）相比对照组提高20.11%；叶片横径指标中，三种补光处理均显著高于对照分别为一号灯23.99 cm，二号灯23.60 cm，三号灯24.88 cm；补光处理均较对照处理增加了叶片纵径，其中三号灯处理显著高于对照处理，为26.29 cm；在叶柄长指标中，补光处理相较对照处理得到了显著的增加分别增加了14.22%（一号灯）、10.15%（二号灯）、13.99%（三号灯）；一号灯处理的叶片厚度显著高于对照及三号灯处理，为0.37 mm；三种补光处理的节间距均较对照显著降低；在根系活力指标中，二号灯及三号灯处理显著高于对照和一号灯处理，分别为64.05 μg TTC g-1 h-1，74.65 μg TTC g-1 h-1；由此可见，补光处理对‘秋黑’葡萄的叶绿素含量、叶片横径、叶片纵径、叶柄长、叶片厚度和根系活力等植株发育指标均有提升效果，并且在此基础上稳定降低了节间距。综合表4各指标来看，三号灯处理对‘秋黑’葡萄植株发育的影响效果优于一号灯和二号灯。

 

  由表5可知，一号灯处理后，‘阳光玫瑰’葡萄叶片的叶绿素相比对照得到了显著增加，为35.25 SPAD，增长了17.93%；一号灯处理的叶片厚度、叶片横径、叶片纵径、叶柄长均得到了显著增加，分别为0.453 mm、24.08 cm、25.82 cm、15.71 cm；在节间距指标上，补光处理显著低于对照。一号灯处理的根系活力相比相比对照处理显著增加，为88.64 μg TTC g-1 h-1，增长了34.28%；综合表5来看，LED补光处理能有效改善根系活力及叶片质量，最终起到增加植株营养的作用。

  2.4 LED补光对设施葡萄叶片光合特性的影响

  由表6可知，与对照相比，三种LED补光灯均增加了‘秋黑’葡萄叶片的净光合速率，其中一号灯处理和三号灯处理显著高于对照，分别为19.07 μmol•m-2•s-1、19.04 μmol•m-2•s-1，增长了13.71%、13.53%；补光处理均较对照处理显著增加了叶片的蒸腾速率，其中二号灯处理的值最高，为4.61 mol•m-2•s-1；各补光处理的胞间CO2浓度均显著低于对照，分别为283.29 μmol•mol-1（一号灯）、267.78 μmol•mol-1（二号灯）、248.38 μmol•mol-1（三号灯）；相比CK而言，补光处理增加了‘秋黑’葡萄叶片的气孔导度，其中一号灯与二号灯处理的气孔导度显著高于CK，分别增长了32.5%、30%；由此可见，一、三号灯处理更有利于‘秋黑’葡萄叶片的光合作用。

 

 

  如表7所示，各补光处理的净光合速率显著高于对照，为11.88 μmol•m-2•s-1，相比对照提高21.85%。在蒸腾速率和气孔导度方面一号灯处理也显著高于对照，分别为4.70 mol•m-2•s-1和365.89 μmol•m-2•s-1。而胞间CO2浓度显著下降。表明一号灯处理植株的叶片中的光合作用转化CO2能力增强，加速气孔的开放，有利于‘阳光玫瑰’葡萄叶片的有机物积累，从而促进植株生长。

 

  2.5 LED补光对设施葡萄叶片叶绿素荧光参数的影响

  叶绿素荧光参数可作为叶片的探针，Fo为充分暗适应的光合机构的初始荧光强度，是PSII处于完全开放时的荧光产量，代表不参与PSII光化学反应的光能辐射部分。如图7所示，相较对照处理，三种补光处理的Fo值均下降了，其中一号灯处理差异显著，为105.00；暗适应下的最大荧光产量Fm是PSII完全关闭状态下的荧光产量，反应通过PSII的电子传递情况。表中一号灯及三号灯处理的 Fm值相较CK均上升了，但无显著差异；各处理的Fv值均无显著差异；Fv/Fm（PSII最大光合效率）各补光处理均较对照处理增加，其中一号灯和三号灯处理差异显著，分别为0.83和0.82；

  ΦPSII是PSII反应中心非环式光合电子传递效率，常用来表示植物光合作用中电子传递的量子产额，反映反应中心部分关闭时的实际原初光能捕获率，也是反应中心实际光化学反应效率，它可以作为衡量叶片光合电子传递速率快慢的相对指标（许莉等，2007）。由表8可以看出ΦPSII与ETR存在一定的相关性，各补光处理的ΦPSII和ETR较对照处理均显著增加，其中三号灯值最高，分别为0.75和4.88，增加了10.29%和14.55%。qN是由光合作用引起的非化学荧光猝灭，表示PSII吸收的光能中以热形式耗散的比率，由表8可知各补光处理的qN值相较对照处理均显著下降了，分别为0.33、0.35、0.36。结果表明补光处理可以提高‘秋黑’葡萄叶片的最大荧光、可变荧光、最大光化学效率、PSII实际光化学效率和表观电子传递速率，并且降低了非光化学猝灭，其中三号灯处理的叶片效果较为明显，由此说明补光有利于增大叶片PSII反应中心的开放程度，促进PSII吸收更多的光能，有利于叶片的光合作用，以实现提高叶片营养。

 

  由表9可知，‘阳光玫瑰’补光处理的叶片相比于对照，其Fo值显著降低了为110.78；而Fm值、Fv/Fm值、ΦPSII值和ETR值相较CK均显著上升了，分别上升了5.12%、2.5%、11.94%和14.92%。qN值相较对照显著下降了35.84%。结果表明：与‘秋黑’葡萄结果相一致，补光处理下的‘阳光玫瑰’葡萄叶片具有较高的最大荧光（Fm）、PSII最大光化学效率（Fv/Fm）、PSII实际光化学效率（ΦPSII）以及表观电子传递速率（ETR），说明补光处理能更好的提高‘阳光玫瑰’葡萄叶片CO2的同化效率并且减少过度的能量消耗，从而提高光合作用。

 

 

  2.6 LED补光对设施葡萄叶片营养及抗氧化酶的影响

  由表10可知，补光处理后，能够有效减少‘秋黑’葡萄叶片的MDA值，其中一号灯和二号灯处理相较CK差异显著，分别为0.02112 μmol/g、0.01802 μmol/g；在SOD酶活性中，二号和三号灯相较于对照均无显著差异，而一号灯处理相较于CK显著降低了；三号灯处理下的POD酶活性显著高于其他处理，为28.44 μ•g-1•min-1；补光处理增加叶片可溶性糖含量，其中一号灯处理值最高且显著高于CK，为4.84%，提高了19.51%；一号灯和三号灯处理的可溶性淀粉含量显著高于CK，其中三号灯处理的可溶性淀粉含量最高，相较CK增加了64.18%，为13.2%；蛋白质含量各补光处理均显著高于CK，其中三号灯值最高，为1.10 mg/g；由此可见，补光能有效减少后，‘秋黑’葡萄叶片在衰老过程中细胞的受伤害程度，在此基础上提高抗氧化酶活性、增加可溶性糖、可溶性淀粉和蛋白质含量，其中三号灯处理效果优于其他两种补光处理。结合表10，图4和表3中叶片色差以及表4中叶绿素含量可以得出，通过补光处理改善叶片内养分，提高抗氧化能力，降低细胞损害，从而起到延缓叶片衰老的作用。

 

 

  由表11可知，一号灯处理的MDA含量相较CK显著降低了，为0.081 μmol·g-1·FW；一号灯处理的SOD酶活性显著高于CK，为464.53 μ·g-1·min-1；补光处理后，POD酶活性得到了大幅增加，相较于CK，一号灯处理显著增加了72.33%，为12.89 μ·g-1·min-1；相比CK，一号灯处理均显著增加了‘阳光玫瑰’葡萄叶片的可溶性糖、可溶性淀粉和蛋白含量，分别为4.02%、15.53%、0.68%；结果表明，一号灯处理降低了‘阳光玫瑰’葡萄叶片的MDA含量，提高了SOD、POD酶活性，并且增加了可溶性糖、可溶性淀粉和蛋白质的含量。

 

  3 小结

  在本试验中，由于补光灯定制数量有限，‘阳光玫瑰’葡萄试验只设计一号灯处理，目的是与‘秋黑’葡萄形成对比，从而有利于分析LED补光对设施葡萄植株生长的影响。通过本研究的实施与综合分析，初步证明设施内 LED补光更有利于促进葡萄植株生长。具体结果如下：

  1、三号灯处理更有利于‘秋黑’葡萄茎粗的增加。此外，补光处理也能够在一定程度上控制新梢节间距的增长。

  2、 在两个葡萄品种中，一号灯处理减少了叶片的△L值，使补光后叶片颜色偏黑。二号灯处理的叶片色泽偏绿。三号灯处理能够有效提高‘秋黑’葡萄的叶绿素含量、叶片厚度、叶片横径和叶柄长，有利于植株进行水分积累及新陈代谢。

  3、 一号灯处理更有利于加强‘阳光玫瑰’葡萄叶片光合能力和叶绿素荧光效率。三号灯处理有利于加强‘秋黑’葡萄叶片光合能力以及叶绿素荧光效率。

  4、 各补光处理均提高了葡萄根系活力和叶片代谢能力，在根系活力指标中，三号灯处理有利于提高‘秋黑’葡萄根系活力。一号灯处理的两品种葡萄在提高叶片代谢能力方面均优于其他处理。