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光作为一种重要的环境因子和能源，控制着植物的生长。在自然条件下，植物经过长期的驯化已经适应了宽光谱的日光。在人工光条件下，近年来的研究表明红光和蓝光是保证植物正长生长发育的必要条件，随着对单色光谱调控植物生长发育影响认知的加深，人们逐渐意识到多光谱的混合光在促进植物生长发育方面具有重要的作用。近日，Horticulture Research在线发表了南京农业大学农学院徐志刚教授团队题为RNA-Seq Analysis Reveals Growth and Photosynthetic Responses of Rapeseed (Brassica napus L.) under Red and Blue LEDs with Supplemental Yellow， Green or White Light的研究论文。Fig. 1: Growth traits and root activity of rapeseed seedlings under different lights.
该研究以‘南油4号’油菜为研究材料，研究了在红蓝组合光的基础上添加少量的黄光、绿光和白光对油菜生长和光合的影响。研究发现红蓝组合光的基础上添加少量的黄光、绿光和白光不同程度地提高了油菜的干物质积累，促进了油菜幼苗的健康生长。转录组分析结果发现，与红蓝组合光处理相比，添加绿光、黄光、白光和单独白光处理分别有449、367、813和751个差异表达基因。这些差异表达基因与光刺激和强光响应、根系生长、叶片发育、光合作用、光合作用天线蛋白、碳水化合物合成与降解、次生代谢、植物激素、抗氧化能力等途径密切相关。不同光条件下差异表达影响的途径不同进而导致不同光条件下植株的差异生长和光合。Fig. 2: The effect of light quality on leaf development.
添加绿光或者白光能促进幼苗的生长和光合作用。绿光条件下，油菜幼苗生长良好与良好的根生长和叶发育以及绿光诱导的差异表达基因激活植物激素信号通路从而引起一系列级联反应有关。因白光光谱中含有大量的绿光光谱，补充白光处理的生长和光合反应与补充绿光处理相似部分归因于绿光的作用。尽管这些差异表达基因调控的途径和过程与补充绿光的处理不同，多重过程的联合作用最终导致补充白光和绿光对油菜幼苗的光合和生长的作用相似。添加黄光创造了类似于较弱光照条件下的环境，引起了相对高的膜伤害和活性氧自由基水平，显著抑制了油菜叶片栅栏组织，降低了植株叶片的光合速率，但调节了淀粉合成酶的活性，促进了淀粉合成，提供了相当水平的碳水化合物维持幼苗的较好生长。纯白光引起的油菜幼苗的响应与添加黄光的作用相似，这也部分归因于白光光谱中含有大量的黄光。此外，在白光条件下生长的油菜幼苗由于具有更强地清除活性氧的能力而保持了与红蓝复合光处理相当的光合速率水平。Fig. 3: The effect of light quality on the photosynthetic characteristics.
此研究还发现不同的光之间存在交互作用，既发挥着相同的作用，又功能特异地影响着植物的生长。相较而言，黄光更有可能被其他波长的光替代而实现其对油菜生长和光合的作用，而绿光对油菜幼苗的作用特异性较强，更为独特地发挥着其对油菜生长和光合的作用。白光的对植物生长的作用与其光谱分布密切相关，在未来的植物栽培中，白色LED的光谱需要进行优化方可达到良好的植物生长效应。因此，在环境可控的条件下培育油菜幼苗，建议在红蓝组合光的基础上添加一定量的绿光以实现培育壮苗的目的。此研究论文从生理和转录组学的角度分析了红蓝光基础上补充不同光对油菜生长差异影响的机制，为进一步进行光谱对植物生长和光合影响的研究奠定了基础。Fig. 4: The effect of light quality on the oxidative damage and antioxidant capability.
Fig. 5: Venn diagram and top 20 significantly enriched GO terms of the differentially expressed genes (DEGs).
Fig. 6: Significantly enriched KEGG pathways of differentially expressed genes (DEGs) in pairwise comparisons at the P < 0.05 level.
南京农业大学的刘晓英副教授和徐志刚教授为该研究论文的共同通讯作者，刘晓英副教授和陈政博士生为共同第一作者。Jahan, M.S.，闻亦轩和要旭阳硕士等人也参与了此研究。该研究得到了国家重点研发计划(2017YFB0403903)、国家863高技术计划(2013AA13003)和南京农业大学SRT项目(1003A13)的支持。
文章链接：
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