采前不同比例LED紅藍光連續光照對生菜光合特性及產量和品質的影響

　　摘 要: 為了探究采前連續光照光質對水培生菜( Lactuca sativa L.) 產量和品質的影響，研究了不同紅( R) 藍 ( B) 光質比例( 1R: 4B、1R: 2B、1R: 1B、2R: 1B 和 4R: 1B) 對水培生菜生長、光合特性、抗壞血酸( ascorbic acid， AsA) 含量和 AsA 代謝關鍵酶活性的影響。結果表明: 與連續光照前相比，不同比例 LED 紅藍光連續光照后，生菜地上部鮮重的增幅為 38.82% ～ 77.65%，2R: 1B 處理下的地上部鮮重最大達到 30.23 g; 根鮮重的增幅為 27.43% ～ 73.14%，4R: 1B 處理下的根鮮重最大為 3.03 g。紅光比例越高，生菜的葉面積、SPAD 和可溶性糖含量越高，硝酸鹽含量的變化不顯著。與其他處理相比，1R: 4B 的連續光照處理后，生菜的凈光合速率、蒸騰速率、胞間 CO2濃度和氣孔導度達到最大。提高采前連續光照中的藍光比例可顯著提高生菜 AsA 含量和單脫氫抗壞血酸還原酶( MDHAR) 的酶活性，1R: 4B 處理下葉片 AsA 的含量最高達到 3.22 mg·g -1 ，1R: 4B 處理下的生菜葉片 MDHAR 酶活性顯著增加了 0.81 U·mg -1 FW。綜上，降低采前連續光照的藍光比例，可顯著提高生菜的產量和可溶性糖等的含量，而提高采前連續光照藍光比例可顯著提高 AsA 的含量，這是因為采前連續光照藍光比例的升高提高了 MDHAR 的活性。

　　張玉彬; 劉文科; 楊其長; 邵明杰; 查凌雁; 周成波; 李寶石; 王奇， 中國農業科技導報 發表時間：2021-10-15

　　關鍵詞: 采前連續光照; 光質; 抗壞血酸; 代謝網絡; 品質

　　抗壞血酸( ascorbic acid，AsA) ，又稱維生素 C，是一種抗氧化劑。AsA 與其他抗氧化劑共同組成抗氧化系統，可保護植物免受有氧代謝、光合作用和多種污染物等造成的氧化損害[1]。AsA 與人類健康關系密切，人類及動物自身無法合成 AsA，必須通過飲食獲取[2]。AsA 可通過參與 AsA-GSH 循環途徑清除人體內過多的活性氧[3]。 AsA 通過反應底物或酶輔助因子的形式參與人體內膠原合成過程等多種生化反應，膠原蛋白缺乏會導致壞血病的發生[4]。AsA 還有降低血脂和抑制致癌物質產生等作用[5]。此外，AsA 也是蔬菜中的重要品質物質，由于人體無法合成 AsA，蔬菜成為人體 AsA 的主要來源。

　　目前，已經探明的 AsA 合成途徑主要是 L-半乳糖途徑[6]。L-半乳糖酸-1，4-內酯脫氫酶 ( Lgalactono-1，4-lactone dehydrogenase，GalLDH) 是植物 AsA 合成途徑中最后一步的酶，它的活性決定了 AsA 含量的高低。植物體內的 AsA 主要是通過抗 壞 血 酸 過 氧 化 物 酶 ( ascorbate peroxidase， APX) 和抗壞血酸氧化酶( ascorbate oxidase，AO) 被 氧 化 分 解 為 單 脫 氫 抗 壞 血 酸 ( monodehydroascorbic acid，MDHA) ，MDHA 可以生成脫氫抗壞血酸( dehydroascorbic acid，DHA) ，或 通 過 單 脫 氫 抗 壞 血 酸 還 原 酶 ( monodehydroascorbate reductase，MDHAR) 再次還原為 AsA。而氧化形成的 DHA 可以在脫氫抗壞血 酸 還 原 酶 ( dehydroascorbic acid reductase， DHAR) 的作用下被還原為 AsA，或者被水解為 2，3-二酮古洛糖酸。谷胱甘肽還原酶( glutathione reductase，GR) 作為氧化還原酶，可催化氧化型谷胱甘肽( oxidized glutathione，GSSG) 還原為還原型谷胱甘肽( glutathione，GSH) ，進而維持植物體內 GSH 的含量，DHA 還原再生為 AsA 的過程需要 GSH 提供電子供體[7]。植物 AsA 含量的高低是合成、降解、轉運各種代謝之間共同作用的結果[3]。AsA 的合成代謝受多種環 境 因 子 的 影響[8-9]，如光照、溫度等對 AsA 積累會產生顯著的影響，其中光環境對 AsA 代謝途徑的影響尤為重要。光環境的變化可以顯著影響植物的生長發育及其葉片的光合作用進程，同時，光合作用所生成的碳水化合物也為植物 AsA 的合成代謝提供了物質基礎。因此，光環境對于植物體內 AsA 含量有重要影響。

　　連續光照通常是指改變植物原有的明暗交替的光周期規律，給植物提供連續 24 h 或超過 24 h 的光照。研究發現，連續光照可加速植物的生長、增加生物量、提高品質等[10-12]。Ohyama 等[13]研究表明，連續光照促使番茄植株鮮重、干重及葉面積等顯著提高; 周晚來[14]研究發現，在生菜采收前，進行短期連續光照可以顯著降低水培生菜的硝酸鹽含量并提高可溶性糖、AsA 等營養物質的含量; Zha 等[15]在生菜幼苗移栽 10 d 后進行 12 d 不同光強的連續光照，結果表明，抗壞血酸含量和參與 AsA 代謝的酶活性與連續光照光強呈正相關關系，且 APX 和 DHAR 酶活性對連續光照光強的響應分別最大和最小。光譜組成也是影響連續光照對植物作用效果的重要光環境因子之一，適當的紅藍光質比例可以有效提高植物的的產量和品質。但目前關于采前連續光照光質對于 AsA 的影響機理尚不清楚。

　　生菜是一種被廣泛食用的葉菜類蔬菜，也是人工光植物工廠廣泛種植的代表性蔬菜。在植物工廠內，生菜生產通常以提高氮素投入的方法來提高其產量，但以 AsA 為代表的營養物質含量卻顯著降低。解決在提高水培生菜產量的同時，又提升生菜體內 AsA 等營養物質含量的問題具有重要的現實意義。本研究在水培生菜生長過程中，采用 LED 紅藍光進行采前 72 h 連續光照處理提高生菜的產量和品質，同時探究采前連續光照光質對水培生菜體內 AsA 相關代謝網絡影響，更深層次地闡明采前連續光照光質對生菜體內 AsA 的影響機理，以期為植物工廠中高產優質蔬菜的生產 中 采 前 連 續 光 照 光 質 的 調 控 提 供 理 論依據。

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗地概況

　　試驗在中國農業科學院農業環境與可持續發展研究 所 植 物 工 廠 內 進 行，栽 培 環 境 溫 度 為 ( 25±1) ℃，相對濕度為 65%±5%。生菜前期育苗和試驗期間均采用營養液水培，營養液配方為: 4 mmol·L-1 Ca ( NO3 ) 2·4 H2 O、0. 75 mmol·L-1 K2 SO4、0.5 mmol·L-1 KH2 PO4、0.1 mmol·L-1 KCl、 0.65 mmol·L-1 Mg SO4 ·7 H2O、1.0×10-3 mmol·L-1 H3BO3、1.0×10-3 mmol·L-1 MnSO4 ·H2O、1.0×10-4 mmol·L-1 CuSO4 ·5H2O、1.0×10-3 mmol·L-1 ZnSO4 · 7 H2O、5×10-6 mmol·L-1 ( NH4 ) 6 Mo7O24 ·4 H2O、 0. 1 mmol·L-1 EDTA-Fe。

　　1.2 試驗設計

　　試驗以“意大利耐抽薹”生菜( Lactuca sativa L.) 為試驗材料，先將種子播種于海綿塊中育苗，培養 15 d 后將大小一致的生菜苗隨機移栽于長方形塑料栽培槽( 長 180 cm、寬 60 cm、高 6 cm) 內，并于次日開始光照試驗。

　　試驗前期正常光照采用 LED 紅藍光面板燈進 行 光 照 處 理，LED 燈 的 光 照 強 度 為 150 μmol·m-2 ·s -1 ，紅光與藍光的組成比例為 4 ∶1，光暗周期設置為 16 h /8 h，光期時間段為 6: 00— 22: 00。植物工廠生菜因品種不同，生長發育速度也不同，本試驗統一連續培養 17 d，生菜長到 15 片葉左右，達到采收標準時，開始進行不同比例紅 ( R) 藍( B) 光質的光照集中連續處理 72 h，從定植后第 18 d 的 6: 00 開始，在第 21 d 的 6: 00 光照結束。連續光照紅藍光質比例設置 5 個處理，分別為1 ∶4( 1R: 4B) 、1 ∶ 2( 1R: 2B) 、1 ∶ 1( 1R: 1B) 、 2 ∶1( 2R: 1B) 和 4 ∶1( 4R: 1B) 。同時以采前 72 h 連續光照處理前的取樣( BCL) 作為對照處理。每個處理栽培生菜 26 株，選用紅光波峰為 655 nm，藍光波峰為 430 nm 的 LED 紅藍光組合燈板( 49 cm×49 cm) 進行光照處理。燈板放置在栽培槽上方 40 cm 處。

　　1.3 測定指標及方法

　　在集中連續照射開始和結束時取樣，采用葉綠素含量測定儀( SPAD-502，Konica Minolta，日本) 測定葉綠素含量 ( SPAD) 。分別于每個處理中隨機選 8 株生菜作為重復樣本，從莖基部切開。其中 4 株的地上部分將葉片與葉柄分離后，迅速用液氮冷凍，并用高通量組織研磨器在低溫下把用液氮 冷 凍 好 的 植 物 樣 品 研 磨 成 粉 末，放 至-80 ℃冰箱中留樣備用; 另外 4 株用電子計數天平稱取地上部鮮重和根鮮重，用葉面積儀( Li3100C，Li-Cor，Biosciences，美國) 測量整株生菜葉片的葉面積，然后將生菜 100 ℃ 殺青 20 min， 80 ℃ 烘干至恒重，用分析天平分別稱取地上部干重和根干重。采用便攜式光合儀( LI-6400XT， NE，美國) 分別在采前連續光照前后分 2 次測定生 菜 不 同 處 理 下 葉 片 的 凈 光 合 速 率 ( net photosynthetic rate，Pn ) 、蒸 騰 速 率 ( transpiration rate，Tr ) 、胞 間 CO2 濃 度 ( intercellular CO2 concentration，Ci ) 和 氣 孔 導 度 ( stomatal conductance，Gs) 。

　　硝酸鹽含量采用硫酸-水楊酸法[16]測定，可溶性糖含量采用硫酸-苯酚法[17]測定。APX 酶活性參考文獻[18]的測定方法測定。DHAR、 MDHAR 和 GR 的酶活性參照 Ma 等[19]方法測定。 GalLDH 酶活性均采用試劑盒測定。抗壞血酸含量參考 Spínola 等[20]方法測定。

　　1.4 數據分析

　　采用 Microsoft Excel 2015 進行數據整理，采用 SPSS 25.0 軟件對數據進行差異顯著性檢驗分析( LSD 法，α = 0.05) 。

　　2 結果與分析

　　2.1 采前不同比例 LED 連續光照對生菜生長的影響

　　2.1.1 對生菜生物量的影響 由表 1 可知，與連續光照前( BCL) 相比，采前 72 h 進行 LED 連續光照后，地上部鮮重和干重以及根的鮮重和干重均顯著增加。其中，地上部鮮重的增幅為 38.82% ～ 77.65%，1R: 4B 處 理 下 的 地 上 部 鮮 重 最 小 為 23. 60 g，2R: 1B 處理下的地上部鮮重最大達到 30.23 g; 地上部干重的增幅為 89.74% ～ 94.87%，各處理間地上部干重無顯著差異; 根鮮重的增幅為 27.43% ～73.14%，1R: 2B 處理下的根鮮重最小為 2.23 g，4R: 1B 處理下的根鮮重最大為 3.03 g; 根干重的增幅為 39.84% ～ 65.38%，各處理間的根干重無顯著差異。可見，采前 LED 連續光照光質的紅光比例越低，地上部和根的鮮重越低。采前 LED 連續光照光質的紅藍光比例對地上部和根的干重無顯著影響。

　　2.1.2 對生菜生長指標的影響 采前 LED 連續光照光質對生菜的形態指標具有顯著影響。由表 2可知，與連續光照前( BCL) 相比，采前 72 h 進行 LED 連續光照處理后，生菜的葉面積、SPAD ( 葉綠素含量) 、干物質含量和比葉重均顯著增加。其中，葉面積的增幅為 32.43% ～68.09%，1R: 4B 處理下生菜葉面積最小為 477.58 cm2 ，2R: 1B 處理下生菜葉面積最大達到 606.15 cm2 。SPAD 的增幅為 27. 42% ～ 70. 85%，1R: 1B 處理下的 SPAD 最小為 23.47，4R: 1B 處理下的 SPAD 最大為 31. 47。干物質含量的增幅為 5.62% ～37.27%， 2R: 1B 處理下的干物質含量最小為 4.86%，1R: 4B 處理下的干物質含量最大為 6.31%。比葉重的增幅為 12.80% ～44.09%，2R: 1B 處理下的比葉重最小為 2.44 mg·cm-2 ，1R: 4B 處理下的比葉重最大為 3.11 mg·cm-2 。可見，采前 LED 連續光照光質的紅光比例越高，生菜的葉面積和 SPAD 越高; 采前 LED 連續光照光質的紅光比例越低，生菜的干物質含量和比葉重越高。

　　2.2 采前不同比例 LED 連續光照對生菜光合特性的影響

　　采前 LED 連續光照光質對生菜葉片的光合特性具有顯著影響。由表 3 可知，與連續光照前 ( BCL) 相比，生菜葉片的凈光合速率( Pn ) 的變化幅度為-35.11% ～ 62.00%，采前 LED 連續光照處理后，4R: 1B 處理下，生菜葉片的 Pn有所降低，為 7.65 μmol·m-2 ·s -1 ，1R: 4B 處理下生菜葉片的 Pn最高達到 19.10 μmol·m-2 ·s -1 。生菜葉片的氣孔導度( Gs ) 的降低幅度為 26.97% ～ 62.34%，采前 LED 連續光照處理后，1R: 1B 處理下生菜葉片的 Gs最低為 0.148 mol·m-2 ·s -1 ，1R: 4B 處理下生菜葉片的 Gs最高達到 0.287 mol·m-2 ·s -1 。生菜葉片的胞間 CO2 濃度 ( Ci ) 的降低幅度為 9. 68% ～ 24. 97%，采前 LED 連續光照處理后，1R: 1B 處理下生菜葉片的 Ci最低為 252.69 μmol·mol -1 ，1R: 4B 處 理 下 生 菜 葉 片 的 Ci 最 高 達 到 304. 18 μmol·mol -1 。生菜葉片的蒸騰速率( Tr ) 的降低幅度為 34.15% ～ 58.74%，采前 LED 連續光照處理后，1R: 1B 處理下生菜葉片的 Tr 最低為 2. 03 mmol·m-2 ·s -1 ，1R: 4B 處理下生菜葉片的 Tr最高達到 3. 24 mmol·m-2 ·s -1 。

　　2.3 采前不同比例 LED 連續光照對生菜可溶性糖和硝酸鹽含量的影響

　　由表 4 可得，與 BCL 相比，采前 72 h 進行 LED 連續光照處理后，生菜的可溶性糖含量不同程度的升高，硝酸鹽含量不同程度的降低。葉片的可溶性糖含量增加幅度為 1.46% ～47.17%，1R: 2B 處理下葉片的可溶性糖含量最低為 17. 38 mg·g-1 ，4R: 1B 處理下葉片的可溶性糖含量最高達到 25.21 mg·g-1 。葉柄的可溶性糖含量增加幅度為 26.08% ～67.36%，1R: 2B 處理下葉柄的可溶性糖含量最低為 32.68 mg·g-1 ，4R: 1B 處理下葉柄的可溶性糖含量最高達到 43.38 mg·g-1 。葉片的硝酸鹽含量降低幅度為 4.94% ～ 28.24%，4R: 1B 處 理 下 葉 片 的 硝 酸 鹽 含 量 最 低 為 256. 91 mg·kg-1 ，1R: 2B 處理下葉片的可溶性糖含量最高為 340.34 mg·kg-1 。采前 LED 連續光照處理后，葉柄的硝酸鹽含量降低幅度為 6.96% ～ 24.71%， 2R: 1B 處理下葉柄的硝酸鹽含量最低為 371.51 mg·kg-1 ，1R: 1B 處理下葉柄的可溶性糖含量最高為 459.08 mg·kg-1 。可見，采前 LED 連續光照光質紅光比例越高，生菜葉片和葉柄的可溶性糖含量越高，生菜葉片的硝酸鹽含量越低。

　　2.4 采前不同比例 LED 連續光照對生菜 AsA 代謝的影響

　　2.4.1 對生菜 AsA 和 DHA 含量的影響 由表 5 可知，與 BCL 相比，采前 72 h 進行 LED 連續光照處理后，生菜的 AsA 含量有所升高。其中，葉片的 AsA 含量的增加幅度為 25.15% ～ 92.81%，4R: 1B 處理下葉片的 AsA 含量最低為 2.09 mg·g-1 ， 1R: 4B 處理下葉片的 AsA 含量最高達到 3. 22 mg·g-1 。葉柄的 AsA 含量變化無顯著差異。葉片的 DHA 含量增加幅度為 61.90% ～ 204.76%，葉柄的 DHA 含量降低幅度為 47.83% ～ 52.17%，但采前 LED 連續光照后，各光質處理間葉片和葉柄的 DHA 含量均無顯著差異。可見，采前 LED 連續光照光質藍光比例越高，生菜的 AsA 含量越高，采前 LED 連續光照光質對葉柄的 AsA 和 DHA 含量無顯著影響。

　　2.4.2 對生菜 GalLDH 酶活性的影響 由表 6 可得，采前 LED 連續光照光質對葉片的 GalLDH 酶活性具有顯著影響。與連續光照前( BCL) 相比，采前 LED 連續光照后，葉片的 GalLDH 酶活性的變化幅度為- 65. 58% ～ 5. 56%，相比于連續光照前，僅有 4R: 1B 處理下的葉片 GalLDH 酶活性略高于連續光照前的，達到 0.281 U·mg-1 FW。其他處 理下 葉 片 GalLDH 酶 活 性 均 低 于 連 續 光 照前的，1R: 4B 處理下葉片的 GalLDH 酶活性最低為 0.092 U·mg-1 FW。采前 LED 連續光照光質處理對葉柄的 GalLDH 酶活性無顯著影響。采前 LED 連 續 光 照 光 質 紅 光 比 例 越 高，葉 片 的 GalLDH 酶活性越高。

　　2.4.3 對生菜 AsA 代謝相關酶活性的影響 由表 7 可知，采前 LED 連續光照前( BCL) ，生菜葉片的 APX 酶活性為 0.28 U·mg-1 FW，72 h 連續光照后，1R: 4B 和 1R: 2B 處理下的生菜葉片 APX 酶活性顯著增加，均增加了 0.16 U·mg-1 FW。生菜葉片的 MDHAR 酶活性在采前 LED 連續光照前為 0.11 U·mg-1 FW，72 h 連續光照后，1R: 4B 處理下的生菜葉片 MDHAR 酶活性顯著增加，增加了 0.81 U·mg-1 FW。相比于采前 LED 連續光照前，生菜葉片的 DHAR 和 GR 酶活性在 72 h 連續光照后均有所增加，但無顯著差異。生菜葉柄中 APX、MDHAR、DHAR 和 GR 的酶活性在 72 h 連續光照后均無顯著差異。可見，采前 LED 連續光照光質只對生菜葉片的 APX 和 MDHAR 具有顯著影響。采前 LED 連續光照光質紅光比例越大，對 APX 和 MDHAR 的影響越小。各處理間葉柄的 AsA 代謝相關酶活性均無顯著影響。

　　3 討論

　　本研究結果表明，采前 LED 連續光照后生菜地上部鮮重和干重均顯著增加，連續光照的紅光比例越低，產量越低。這是因為紅光是被綠色植物吸收最多的光，紅光通過光敏色素在調控光形態建成上發揮作用，可以促進莖伸長，促進碳水化合物合成，使得植物生長更快，促進植物產量的增加，采前連續光照紅光比例降低導致生菜的產量降低。同時紅光有利于糖的合成，抑制氮的同化作用[21]。這也解釋了本研究中的結果，隨著連續光照紅光比例的增大，生菜的可溶性糖含量增加，硝酸鹽的含量略微減少。

　　周晚來[14]研究了光強 150 μmol·m-2 ·s -1 下，紅藍光質比例分別為 8、4、2 和純紅光下的采前連續光照對 AsA 含量的影響，結果發現，采前連續光照的藍光比例越高，越有利于 AsA 含量的增加。本研究繼續增加藍光在采前連續光照時的比例，結果發現，隨采前連續光照藍光比例的升高，葉片 AsA 含量逐漸增加，葉片 DHA 含量逐漸降低。GalLDH 是催化 AsA 合成的關鍵酶，在 AsA 的合成上起著很大的作用[8]。本研究結果表明，隨著連續光照藍光比例的升高，葉片中 GalLDH 活性逐漸降低。因此，采前 LED 連續光照光質對生菜葉片 GalLDH 活性的影響與抗壞血酸含量變化相反。本研究結果表明，葉片 APX 酶活性隨連續光照藍光比例的升高而增大，與 AsA 含量的變化趨勢一致，說明連續光照藍光比例越高，APX 酶活性越高，催化分解 AsA 的量越多。Eltayeb等[22]研究發現，轉基因番茄中 MDHAR 的高效表達提高了轉化為 AsA 的效率，降低 MDHAR 轉化為 DHA 的比率。葉片 MDHAR 酶活性隨連續光照藍光比例的升高而增大，與 AsA 含量的變化趨勢一致，說明連續光照藍光比例越高，MDHAR 酶活性越高，催化分解為 DHA 那部分的 MDHA 轉化合成 AsA 的量越多。Chen 等[5]研究發現，植物體內 DHAR 基因高效表達會通過加快 AsA 再生循環來增加 AsA 的含量，這促進了轉化為 2，3-二酮古洛糖酸的 DHA 轉化為 AsA 的比例。這與 Matsuda 等[23]的研究結果一致。本研究中連續光照光質對葉片 DHAR 酶活性影響不顯著，但葉片 DHAR 酶活性隨連續光照藍光比例的升高而略微增大，與 AsA 含量的變化趨勢一致，說明連續光照藍光比例越高，DHAR 酶活性越高，催化分解為 2，3-二酮古洛糖酸那部分 DHA 轉化合成 AsA 的量越多，但 DHAR 在連續光照下對 AsA 升高的貢獻有限[24]。可見，連續光照光質對 AsA 含量的影響主要是與參與 AsA 再生循環系統的 MDHAR 酶活性相關，可能與 DHAR 酶活性相關。

　　綜上所述，采前連續光照光質對水培生菜產量及品質的調控效果有顯著影響。隨著采前連續光照紅光比例的升高，水培生菜的產量會逐漸升高，且可溶性糖含量逐漸升高。AsA 含量隨采前連續光照藍光比例的增大而增加，這是 AsA 合成和再生循環系統綜合調控的結果，主要是因為藍光比例的增大提高了參與 AsA 再生循環系統的 MDHAR 酶活性，促進了 MDHA 轉化為 AsA 的效率。