不同红蓝LED光照时间对冰菜生长和品质的影响

2021-02-02赵明伟刘慧英牛宁儿崔金霞

新疆农业科学 2021年1期

赵明伟，吕新，张泽，刘慧英，牛宁儿，崔金霞

(1.石河子大学农学院/新疆生产建设兵团特色果蔬栽培生理与种质资源利用重点实验室，新疆石河子 832000;2 .新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832000)

0 引言

【研究意义】植物接受的光谱、数量和持续时间都会影响植物光合作用、植物生长和发育[1-2]。研究表明，不同补光时间既会影响植物生存、生长和繁殖，还会影响植物中化学物质的代谢，特别是波长640 ～ 660 nm的红光与波长430 ～ 450 nm的蓝光是植物进行光合作用和光形态建成的主要光谱[3]，其影响也最为重要。【前人研究进展】红蓝复合光能够明显促进辣椒[5]、菊花[6]、黄瓜[7-8]和东方百合[9]等植物的生长。夜间补光和低光量子通量密度条件下延长光照时间可以提高生菜的生物量和品质[10-11]，红蓝光质已经日渐成为设施栽培的主要光谱[12]。冰菜(MesembryanthemumcrystallinumL)又名冰叶日中花，是番杏科，日中花属1年生草本植物，其特点是在叶面和茎上着生有大量大型泡状细胞，里面填充有液体，在太阳照射下反射光线，就像冰晶一样，而得名冰菜，该植物还具有快速积累植物化学物质和次生代谢产物的能力，如β-胡萝卜素、松醇、β-花青苷、酚类化合物等，此外冰菜还常被用于治疗眼部感染[13-16]。【本研究切入点】目前关于适宜冰菜红蓝光配比以及补光时间的研究较少。研究不同红蓝光照时间对冰菜生长发育以及营养品质的影响。【拟解决的关键问题】以LED灯为人工可调控，配置比例为3∶1的红蓝光，研究不同补光时间对冰菜生长，光合和品质的影响，优化光质条件调控冰菜生长，为植物工厂化下生产冰菜提供理论指导和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

供试种子为非洲冰菜种子，购于山东丰沛农业科技有限公司。供试LED灯管为“T8一体化”，规格1.2M，18W。无土栽培种植机，购于河北乾元水培电子科技有限公司。土壤全价滴灌肥购于太仓戈林农业科技有限公司。RS-XZJ-100-Y有线环境监控主机，实时监控光强，植物工厂温度湿度，二氧化碳浓度，购于济南仁硕电子科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

试验于石河子大学农学院试验站进行，光照周期设定为A∶8 h/d、B∶10 h/d、C∶12 h/d、D∶14 h/d和E∶16 h/d，通过电子定时器精确控时，进行温汤浸种催芽，24 h后将露白的种子播种在穴盘中育苗，待幼苗长至4片真叶时，选择长势一致的幼苗移栽，每个处理重复3次，常规管理45 d后取样测定。试验水培架中的水若低于最低水位线时要及时对水。各光质配比的总光量子通量密度均为 300 μmol/(m2·s)。人工气候室各项环境指标为昼温( 25±1)℃、夜温(18±1)℃ 、空气相对湿度 60%～70%。图1

1.2.2 测定指标

光量子通量密度用特安斯数字照度计测定(特安斯公司，中国)，各处理光谱用虹谱光OHSP-350S光谱照度分析仪测定(杭州虹谱光色科技有限公司)。用直尺测株高、根长、叶长、叶宽，数显游标卡尺测量茎粗，数出叶片数，收集植株并将水擦拭干净用电子天平测量鲜质量，将鲜样置于 105℃ 烘箱中杀青 15 min，于 80℃ 烘干至恒质量，测定干质量，用LI-3100C台式叶面积仪测定叶面积。采用丙酮乙醇混合液法提取叶绿素，可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法；可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝G-250染色法；VC 含量测定采用 2，6-二氯靛酚比色法；硝酸盐含量测定采用水杨酸比色法[17]。超氧化物歧化酶( superoxide dismutase，SOD) 活性采用氮蓝四唑( NBT) 法[18]测定；过氧化物酶( peroxidase，POD) 和过氧化氢酶 ( catalase，CAT) 活性采用愈创木酚法[19]测定；参考Srivastava[20]和Schansker等[21]的方法，利用M-PEA多功能植物效率仪(Hansatesch，英国)进行叶绿素荧光动力学参数测定以及测定叶片叶绿素荧光参数。采用 Li-6400XT 型光合仪( LI-COR公司，美国) 测定叶片净光合速率，气孔导度，胞间二氧化碳浓度，蒸腾速率；叶绿素荧光参数采用饱和脉冲分析方法，用新型调制叶绿素荧光成像系统(Imagine-PAM，Walz，德国)测定，用SPAD-502 叶绿素仪测定冰菜SPAD值。

1.3 数据处理

用Excel 2013进行处理数据，SPSS 21软件对数据进行统计分析，Duncan’s新复极差法用于差异显著性检验(P<0.05)，ORIGIN PRO 8.5软件用于绘图。数据结果以平均值±标准差(Mean±SD)表示。表1

表1 不同红蓝光照时间下冰菜形态指标变化Table 1 Effects of different red and blue light times on morphological indexes of ice plant

2 结果与分析

2.1 不同光照时间对冰菜生长形态的影响

研究表明，不同光照时间对冰菜生长形态有着不同程度的影响，随着光照时间的延长，冰菜的株高、茎粗、根长、叶长、叶宽、干鲜重以及叶面积都有着不同程度的增加，都是呈现先升后降的趋势，D处理(14 h)为拐点;形态指标均高于其他处理，C处理与E处理之间各项形态指标无显著性差异，其中A处理下的各项指标都较低。图2

2.2 不同光照时间对冰菜SPAD的影响

研究表明，不同光照时间处理下对冰菜的SPAD值有不同程度的影响，随着光照时间的延长SPAD值也有着不同程度的上升。D处理下SPAD值最高，显著高于A处理，相比A处理提高了27%，但与BCE处理之间差异不显著。图3

2.3 不同光照时间对冰菜光合色素的影响

研究表明，叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素以及类胡萝卜素含量在不同光照时间处理下略有差异，叶绿素a在D处理下含量最高达到1.2 mg/g，显著高于C处理，但与其他处理无显著性差异，C处理下叶绿素a含量最低，仅为0.87 mg/g；叶绿素b在B处理下含量最高达到0.48 mg/g，显著高于CDE处理，但与A处理无显著性差异，同样在C处理下叶绿素b含量最低为0.34 mg/g；类胡萝卜素在D处理下含量最高，达到0.63 mg/g，显著高于C处理，但与ABE处理无显著性差异，C处理下类胡萝卜素含量最低为0.47 mg/g；总叶绿素含量在B处理下含量最高达到1.59 mg/g，显著高于C处理，但与ADE处理之间无显著性差异，C处理下总叶绿素含量最低为1.22 mg/g。图4

2.4 不同光照时间对冰菜叶片光合气体交换参数的影响

研究表明，不同光照时间处理对冰菜叶片光合作用的影响有着不同程度的差异，随着光照时间的延长，净光合速率显著上升，但是达到D处理这一时间节点时，将光合速率开始下降，在D处理下冰菜叶片的净光合速率最快，显著高于ABC处理，但与E处理无显著性差异，A处理下净光合速率最低为6.86 μmol/(m2·s)，D处理相比A净光合速率提高约26%；气孔导度在B处理下最大，显著高于C处理，但与ADE处理之间无显著性差异，并且过了B处理这一时间节点之后气孔导度有着不同程度的降低；冰菜叶片的胞间二氧化碳浓度随着光照时间的延长慢慢降低，A处理下胞间二氧化碳浓度最高，显著高于CDE处理，与B处理无显著性差异，E处理下胞间二氧化碳浓度最低；在B处理下冰菜的蒸腾速率最高，显著高于A处理，与CDE无显著差异，A处理下的冰菜蒸腾速率最慢。图5

2.5 不同光照时间对冰菜叶片叶绿素荧光参数的影响

研究表明，不同光照时间对冰菜叶片叶绿素荧光参数有着不同程度的影响，暗适应下 PSII 的最大量子产额(Fv/Fm) 是指开放的 PSII反应中心捕获激发能的效率，反映植物光能利用潜力，D处理下最大量子产额最大，显著高于E处理，但与ABC处理无显著性差异，E处理下最大量子产额最小，ΦPSII在C处理下最高，显著高于E处理，与ABD处理无显著性差异；ΦNO在E处理下最高显著高于ACD处理，与B处理无显著性差异；ΦNPQ在E处理下最高显著高于ABC处理，与D处理无显著性差异，C处理ΦNPQ最低；在B处理下qp值最高，显著高于E处理，且与ACD处理无显著性差异，E处理qp值最低。表2，图6

表2 不同光照时间下冰菜叶片叶绿素荧光参数变化Table 2 Effects of different light time on chlorophyll fluorescence parameters of ice plant leaves

2.6 不同光照时间对冰菜叶片快速叶绿素荧光诱导动力学特征的比较

研究表明，在整个处理期间，冰菜叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线在J、I、P各点均有较明显的拐点，各处理下荧光强度逐渐上升，且达到P点时AB处理要高于CDE处理，AB处理下缓解了冰菜叶片荧光产额下降趋势；各处理下冰菜叶片达到Fm的时间基本相似，在O-J-I段，ABC处理逐渐升高，随着光照时间的延长冰菜受到的伤害程度更大。图7

2.7 不同光照时间对冰菜抗氧化酶活性的影响

研究表明，不同光照时间对冰菜的抗氧化酶活性有着不同的程度的影响，随着光照时间的延长，SOD酶活性先增后降，D处理下SOD酶活性最大，显著高于AE处理，与BC处理无显著性差异，A处理下SOD活性最低，D相比A处理提高了约69%；随着光照时间的延长，冰菜叶片POD活性逐渐增加，E处理下POD活性最高，显著高于A处理，约提高55%，与BCD处理无显著性差异；在D处理下冰菜叶片的CAT活性最高，显著高于AE处理，与BC处理无显著性差异，A处理下CAT活性最低，D相比A处理提高约55%；延长光照时间有利于提高冰菜抗氧化酶的活性。图8

2.8 不同光照时间对冰菜营养品质的影响

研究表明，不同光照时间对冰菜的营养品质有着不同程度的影响，在E处理下冰菜叶片的可溶性蛋白含量最高，显著高于B处理，与ACD处理无显著性差异；在C处理下可溶性糖含量最高，显著高于ABDE处理，其余处理之间可溶性糖含量无显著性差异，A处理含量最低；同样在C处理下VC含量最高，显著高于AE处理，与BD处理无显著性差异，A处理下VC含量最低；在E处理下硝酸盐含量最高，显著高于BCD处理，与A处理无显著性差异，D处理下硝酸盐含量最低。图9

3 讨论

光照是决定植物自身物质积累和生长速度快慢的因子之一,光照是植物叶绿体发育和叶绿素合成的必需条件，光合色素起着吸收、传递和转换光能的作用。延长光照时间，不仅能增加植物光合作用时间，还能刺激光敏色素传导信号，诱导相关基因表达，调节植物生理代谢反应，使其干质量增大[22-23]。在研究中，随着光照时间的延长，冰菜全株的生长量显著增大，其中包括全株干鲜重等，当光照时间超过14 h时，全株的生物量呈下降趋势，与王蒙蒙等[24]研究相似。增加光照时间有利于冰菜生物量的积累，造成这一差异的原因是冰菜的光合特性与日积累量有关系，在14 h光照处理下，冰菜的净光合速率最快，进而有利于生物量的积累，而16 h生物量开始降低，是由于光照达到了冰菜所需的总量时，可造成光能过剩，进而生物量积累变慢，从而造成了干鲜重等指标的降低。叶片的绿色程度与 SPAD 值显著正相关[25]，研究中随着光照时间的延长，冰菜叶片的SPAD值呈现先增后降的趋势，与刘成功等[26]研究相似，造成这一现象的原因可能是由于与植株自身的抗氧化酶SOD活性有关，中SOD活性变化趋势与SPAD值相同，抗氧化酶活性降低能使叶绿素降解，从而导致SPAD值的降低。鲍顺淑等[27]发现随着光照时间的延长，铁皮石斛叶绿素a、叶绿素b及叶绿素a+b含量先升后降,光照为 12 h/d 时达到最高，与研究结果不一致，在研究中总叶绿素含量与类胡萝卜素含量呈现先降后升的趋势，在10 h以及14 h处理下总叶绿素含量以及类胡萝卜素含量最高，反而在12 h的光照下含量较低，这可能是因为叶绿体内光合中间产物浓度超过一定的水平或没有达到相应的水平，造成叶绿素的合成受阻，从而造成了含量的降低[27]。

在研究中，随着光照时间的增加，冰菜的净光合速率也呈增大趋势，叶片的净光合速率不受叶绿素含量的影响，与刘杰等[28]研究相似。研究表明，增加光照时间。胞间二氧化碳浓度减低，表明增加光照时间可以显著刺激对二氧化碳的吸收，随着光照的延长，二氧化碳在细胞间隙中的富集量减小，CO2进入气孔之后，叶肉细胞等阻力受到光照时间与光强的影响[29]，研究可知，当光强达到一定值时，净光合速率开始下降，胞间二氧化碳浓度开始上升，净光合速率与植物生长量是成正比的，是否当光强与光照时间达到某一特定值时，植物生长量也跟随趋势呈现上升趋势。植物的光响应曲线特征参数是进行植物环境适应性评价的基本指标[30]，研究发现叶片的Pmax随着时间的延长而增大，这与赵海亮等[31]研究相似，延长光照时间有利于冰菜同化物的积累。植物的光响应曲线对了解光化学过程中的光化学效率具有重要意义，提高植株的净光合速率，有利于有机物的积累，研究表明，14与16 h的光饱和点接近，并且又要使得植株减缓生理伤害，即14 h更有利于冰菜的生长。与光合参数相比，叶绿素荧光参数能更直接的反映出植物叶片PSII对光能吸收和利用情况，更好地分析光合机构受逆境胁迫损伤的部位和程度[32-33]。Fv/Fm反映了 PSII 反应中心最大光能转换效率，若Fv/Fm大幅降低则说明叶片受到了光抑制。朱婷婷等[34]认为植物在无光呼吸状态下，Fv/Fm通常为 0.75 ～0.85，其值会因光呼吸及外界环境胁迫的变大而减小，研究中冰菜在16 h光照处理下Fv/Fm最低，与吕兵兵等[35]研究不一致,造成这一现象的原因是PSII系统捕光色素蛋白复合体受到影响，PSII光合中心受到损害[36]，研究中在16 h光照时间下PSII值也最低。表明超过16 h光照时促使PSII重新氧化的量减小，不利于PSII的开放度，减缓电子传递[37]，并且在16 h光照时间的处理下更高的NPQ与NO表明，虽然冰菜叶片能激发光保护反应，但仍不足保护光合作用系统受损，这可能会产生多余能量导致产生ROS,例如H2O2[38],过量的ROS抑制了Y(Ⅱ)光损伤的修复并增加了受损伤的程度，这就是导致了光合速率开始缓慢降低的原因。快速叶绿素荧光诱导动力学曲线不仅与PSII中的氧化还原反应直接相关，而且与整个光合电子传递链中的氧化还原反应直接相关, JIP的应用能够分析PSII的重要能量特征的变化以及植物体在胁迫诱导下的光合作用[39]。叶绿素荧光诱导动力学曲线的K点、J点、I点和IP相分别与OEC、QA、质体醌(plastoquinone, PQ)和PSI电子受体侧末端接受体的还原状态(慢还原性PQ库的还原状态)有关[40], O点和P点则分别代表植物PSII反应中心全部开放时的初始荧光Fo和PSII反应中心全部关闭时的Fm。Fo反映PSII的能量捕获效率情况，其升高说明PSII反应中心破环或可逆失活，而Fm是一个相对复杂的参数，取决于植物叶片的组织特征(包括叶绿体的受损情况), 由叶片叶绿素荧光的光化吸收、反射和重吸收决定[41]。典型的快速叶绿素荧光诱导动力学曲线有O、J、I和P等相，但当PSII的供体侧反应中心放氧复合物OEC受到伤害时，经过极短的时间，叶绿素荧光强度会迅速上升，在J点之前出现K点(照光后大约300 μs处的特征位点)。研究表明，随着光照时间的延长，冰菜叶片收到了不同程度的伤害。

研究中，随着光照时间的延长，冰菜可溶性蛋白含量先降后升，在16 h光照时间可溶性蛋白含量最高，与毛金柱等[42]研究不一致，造成这一现象的原因可能是不同光照时间导致光合速率的不同，从而促进线粒体呼吸和初级氮代谢酶的活性，为蛋白质合成提供了充足的碳架和氮源，从而促进了可溶性蛋白含量[43]。可溶性糖含量与VC含量都是先升后降，并且都是在光照时间为12 h时含量最高，研究与王蒙蒙等[24]研究相似，这是因为随着光合作用的增加，光合产物也增多，随着光照时间的延长，反而降低植株光合代谢，从而致使光合产物的降低；蔬菜中的硝酸盐含量过高对人体可能造成伤害，更为严重的是硝酸盐在微生物的作用下极易还原成亚硝酸盐，亚硝酸盐与食物中的胺类物质可形成亚硝胺，亚硝胺可能诱发癌症，研究中光照时间16 h处理下冰菜叶片硝酸盐含量最高，可能是由于延长光照时间造成了微量元素的过度积累，从而造成了硝酸盐含量的增加。