蓝光比例对植物工厂小白菜生长及品质的影响

江浩昭，张继业，刘厚诚

(华南农业大学园艺学院，广东 广州 510642)

引言

小白菜(BrassicachinensisL.)是我国长江流域及其以南地区栽培蔬菜中分布最广、种类最多、种植面积及复种指数最大的蔬菜作物，由于小白菜富含维生素、胡萝卜素和矿物质钙、铁等营养物质，其消费量占据各类蔬菜之首[1]。

在植物生长的各个阶段中，光照是光合作用的主要能量来源，也是调控植物生长所需要的关键因素。除了调节植物的生长发育，光还可以调控初级和次级代谢产物的生物合成[2]。而在光合作用中，红色和蓝色波长的光对植物的光合作用、生长和发育影响最大，这些特定波长的光为植物色素(例如叶绿素或其他参与碳固定和基本代谢的次级色素)提供目标能量[3]。

光照对于绿叶蔬菜品质影响的相关报道有很多。采前连续蓝光处理(R/B值为4)可以提高生菜的营养品质[4]。4R/1B光源可以有效提升生菜的生长和营养品质[5]。蓝光对苋菜甜菜色素和类黄酮积累的促进作用最显著[6]。随着蓝光强度的增加，罗勒中的类黄酮化合物含量提高[7]。蓝光不仅提高了十字花科幼苗叶黄素、β-胡萝卜素含量，还促进了叶黄素的合成[8]。蓝光强度可以调控温室条件下小白菜生物量的积累、形态并促进功能化合物的合成[9]。本研究在植物工厂条件下探索在总光强不变条件下改变蓝光比例对小白菜产量和营养品质的影响，为小白菜植物工厂生产提供参考。

1 材料与方法

试验在华南农业大学试验植物工厂进行。

1.1 试验材料

小白菜品种：白玫瑰、青梗菜，由广东省良种引进服务公司提供。

1.2 试验方法

小白菜种子播种在育苗海绵块中，白光LED灯下育苗，15 d后，幼苗长到三叶一心时，移栽定植，使用1/2霍格兰营养液配方，栽培光源采用多通道智能可调LED灯板(广州诚汇装备农业科技有限公司提供，红光LED 660±10 nm、蓝光LED 460±10 nm、白光LED)。试验各处理总光强保持为250 μmol·m-2·s-1、红光∶白光=2∶3，设置3个光照处理：CK、T1、T2(表1)，光谱数据采用台湾Asensetek照明护照测量(图1)，光强数据是红、蓝、白LED各通路独立测定。每组处理3个重复，移栽30 d后取样进行测定。

表1 小白菜试验光质比例Table 1 The light ratios of pakchoi test

图1 试验光谱图Fig.1 The spectrograms in the experiments

1.3 测定方法

1)生长指标的测定。每个处理组取15株小白菜进行生物量量的测定。测量地上部及根系鲜重，然后放入烘箱105 ℃条件下杀青2 h，再调至75 ℃烘干到重量不再变化，测量地上部及根系干重。

2)生理指标的测定。每个处理组取12株小白菜，取第5个节位的叶片用液氮磨样并保存于-80 ℃冰箱中。光合色素含量的测定采用丙酮乙醇混合法、可溶性糖含量的测定采用蒽酮比色法、硝酸盐含量的测定采用紫外分光光度法[10]。多酚含量采用Folin-Cioealteu法[11]测定，类黄酮的含量采用Mashiba法[12]测定，DPPH自由基清除率参照Tadolino的方法[13]测定。每个测定3次重复。

3)数据分析。利用分析软件SPSS23.0对试验数据进行统计分析，用邓肯法进行多重比较，再在P<0.05 水平上的单因子方差(One-Way ANOVA)检验，用字母法标记。最后采用Origin 2018进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同蓝光比例对小白菜生长影响

青梗菜的生物量比白玫瑰的生物量高。不同光质处理下两个白菜品种的生物量(地上部、根系和全株干、鲜重)没有显著差异(图2和表2)。与CK对比，其他两个处理白玫瑰的干鲜重差异不显著，但CK比经过蓝光处理(T1和T2)的白玫瑰生物量略高。可见，不同蓝光比例处理对两个品种的小白菜生物量有影响，但差异不显著。

表2 不同蓝光比例光质对小白菜生长的影响Table 2 The effects on the growth of pakchoi under different blue light ratios

图2 不同蓝光比例光质下小白菜生长情况Fig.2 The growth of pakchoi under different blue light ratios

2.2 不同蓝光比例对小白菜叶绿素含量的影响

增加蓝光处理影响小白菜的叶绿素含量。随着蓝光强度增加，白玫瑰的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量显著提高(图3)，但青梗菜的叶绿素含量在各处理间差异不显著。T1和T2处理的白玫瑰总叶绿素含量分别比CK明显增长了35.97%和55.69%。增加蓝光处理对小白菜叶绿素a/b值的影响差异也不显著[图3(d)]。青梗菜的总叶绿素含量明显高于白玫瑰。因此提高蓝光处理有利于提高小白菜的叶绿素含量，叶绿素含量低的品种提高明显，而叶绿素含量高的影响不显著 。

图3 不同蓝光比例光质对小白菜叶绿素含量的影响Fig.3 The effects of different blue light ratios on the chlorophyll content in pakchoi

2.3 不同蓝光比例光质对小白菜可溶性糖、可溶性蛋白质和硝酸盐含量的影响

由图4(a)看出，白玫瑰的可溶性糖含量处理间变化不大。T1处理青梗菜可溶性糖含量变化不显著，但较高蓝光比例(T2)的可溶性糖含量比CK增加49.49%。说明提高蓝光比例利于提高小白菜可溶性糖含量。不同蓝光比例光质对青梗菜可溶性蛋白质有显著影响，而对白玫瑰可溶性蛋白没有显著影响(图4b)。较高蓝光(T1和T2)处理的青梗菜可溶性蛋白质含量都比CK高，其中T1最高，增加了27.71%，T2次之，增加了22.69%。白玫瑰可溶性蛋白质含量虽然差异不显著，但也有上升趋势。由此表明，增加蓝光可以提高小白菜的可溶性蛋白含量。不同蓝光比例光质对白玫瑰和青梗菜硝酸盐含量降低的影响不显著[图4(c)]。

图4 不同蓝光比例光质对小白菜可溶性糖含量、可溶性蛋白质含量和硝酸盐含量的影响Fig.4 The effects of different blue light ratios on contents of soluble sugar,soluble protein,nitrate in pakchoi

总体来看，白玫瑰的可溶性糖和可溶性蛋白质含量比青梗菜低，而且青梗菜的含量受光质影响更明显。但青梗菜的硝酸盐含量明显比白玫瑰试验高。

2.4 不同蓝光比例光质对小白菜抗氧化能力的影响

不同蓝光比例光质对青梗菜的多酚含量有显著影响，而对白玫瑰的多酚含量没有显著影响[图5(b)]。较高蓝光比例的青梗菜多酚含量明显低于CK，其中，T1的多酚含量最低。由此可见较高蓝光不利于青梗菜多酚含量的提高。不同蓝光比例光质对白玫瑰和青梗菜的类黄酮含量没有显著影响[图5(c)]。增加蓝光处理对小白菜维生素C含量有影响[图4(e)]。白玫瑰的维生素C含量比青梗菜的维生素C含量高。其中，白玫瑰试验的T2处理维生素含量明显最高，T1最低。但不同处理的青梗菜维生素C含量差异不显著。不同蓝光比例光质对于小白菜(白玫瑰和青梗菜)的DPPH自由基消除率[图5(a)]和FRAP值[图5(d)]无显著影响。在不同光处理下，白玫瑰的抗氧化能力都比青梗菜高，而青梗菜的抗氧化物含量变化幅度较白玫瑰大。

图5 不同蓝光比例光质对小白菜抗氧化能力的影响Fig.5 The effects of different blue light ratios on antioxidant capacity in pakchoi

3 讨论

植物生长发育过程中，光照是不可或缺的条件，光照可以调控蔬菜生长及相关基因的表达等等，但不同的光质对蔬菜的影响是不同的。蓝光抑制了绿叶生菜的生物量生长[14]。本研究发现两个小白菜品种不同蓝光比例(12W8R5B,9W6R10B)处理的生物量差异不显著。蓝光对蔬菜生长的影响可能与蔬菜的种类和品种差异有关。

生菜的光合能力和光合速率随蓝光的增强而增加，这与气孔导度增加，气孔密度显着增加和气孔大小略有减少有关，而且蓝光促进了叶绿素含量和叶绿素a/b值得提高[15]。添加红蓝光促进了紫叶生菜光合色素的合成[16]。在蓝光处理下，大白菜的叶绿素含量升高，且叶绿素a/b值提高[17]。有学者研究得出在3B1R光照下培养的生菜叶绿素a浓度和背面气孔频率更高[18]。本研究经过蓝光处理的白玫瑰叶绿素含量都显著提高，而青梗菜变化不显著。增加蓝光处理(12W8R5B,9W6R10B)对小白菜叶绿素a/b值的影响差异也不显著，可能与蔬菜品种差异有关。

不同光处理中蓝光处理对于提高大白菜可溶性糖浓度是最有效的[19]。蓝光有利于大白菜幼苗[17]、生菜[20]的可溶性糖含量提高。蓝光对生菜可溶性蛋白含量的影响最明显[21]。蓝光促进了NR、NIR、GOGAT、GS和GDH等初级氮代谢酶的活性，从而影响了氮素的吸收、还原和同化，进而促进紫叶生菜的蛋白质合成[16]。本研究中青梗菜较高蓝光质(9W6R10B)下的可溶性糖和可溶性蛋白质含量都比CK高，而白玫瑰不明显，可能存在品种响应差异。

蔬菜基本富集硝酸盐，硝酸盐没有毒性，但进入人体内会形成有毒的亚硝酸盐，严重危害人体健康[22]。已有研究表明3W1B蓝光条件下水培生菜的硝酸盐含量显著降低，约200 mg/kg[23]。生菜在8R1B处理下硝酸盐含量最低，约2 960 mg/kg[24]。纯蓝光(50 μmol·m-2·s-1)处理下菠菜柄部的硝酸盐含量最低，约800 mg/kg[25]。有学者发现硝酸还原酶的辅基有黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD) 和喋呤[26],而蓝光受体的生色团含有黄素和喋呤[27]，所以蓝光更有利于刺激硝酸盐被还原。而本研究发现两个小白菜品种不同蓝光比例(12W8R5B,9W6R10B)处理的硝酸盐含量均差异不显著,白玫瑰蓝光处理后硝酸盐含量约为870 mg/kg，而青梗菜硝酸盐含量约为1 280 mg/kg。

红蓝光配比中增大蓝光比例,可以促进生菜叶片中维生素C含量的积累[28]。蓝色LED灯可以通过激活大白菜幼苗的生物合成和循环利用途径的基因表达从而增强了维生素C的积累[29]。高强蓝光质的白玫瑰维生素C含量显著提高。蓝光比例越高时，紫叶生菜的维生素C含量也会变高[16]。至于两个品种维生素C含量在T1处理(12W8R5B)比CK(3W2R)低可能是因为红光比例比蓝光高而导致的。

在单色光中，蓝光可以最有效地提高生菜总酚、类黄酮和抗氧化剂的含量[30]，红色和蓝色(70R∶30B)光谱的组合提高了苋菜苗菜的总抗氧化能力[31]。蓝光使绿叶和紫叶罗勒，生菜等叶菜中的类黄酮指数显着提高[14]。蓝光补光促进了白菜酚类和类黄酮含量提高，从而促进DPPH和FRAP提升[9]。在高比例蓝光(65R35B,53R47B,41R59B)测试下生长的生菜总酚含量，总黄酮含量显著提高[32]。本研究则发现两个白菜品种的DPPH、FRAP、多酚和类黄酮含量在不同处理(3W2R,12W8R5B,9W6R10B)之间差异不显著。

4 结论

本文研究表明，提高蓝光比例(12W8R5B,9W6R10B)可以促进白菜叶色加深、抗氧化能力的提高，促进可溶性糖和可溶性蛋白质含量的提升以及硝酸盐含量的降低。不同白菜品种对光质响应有差异，白玫瑰比青梗菜更容易受到光质变化的影响。在维生素C、多酚和类黄酮含量及DPPH、FRAP活性等抗氧化能力方面，白玫瑰比青梗菜强；而在叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白质和硝酸盐含量方面，青梗菜比白玫瑰高。