不同红光远红光配比对冰草生长发育、光合特性及品质的影响

孟力力 曹 凯,* 孙 倩 柏宗春 张 义

(1 江苏省农业科学院农业设施与装备研究所，江苏 南京 210014；2 农业农村部长江中下游设施农业工程重点实验室， 江苏 南京 210014；3 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏 南京 210014；4 农业农村部设施农业节能 与废弃物处理重点实验室，北京 100089)

植物工厂通过设施内高精度环境控制，可实现作物周年连续生产且产品洁净无污染，近年来呈现出活跃的发展势头，引起世界各国的广泛关注[1]；但在其实际发展过程中也面临着“光源能耗大及经济效益不高”等瓶颈。植物的生长发育离不开光照，同时植物对光谱的吸收具有选择性[2]。已有研究表明不同光质成分对植物的形态建成[3-4]、生长发育[5-6]、营养吸收[7]、生理代谢[8]及产量品质[9]等影响各异；因此通过优化光配方可提升植物产量与品质，从而达到提高植物工厂经济效益，促进其健康持续发展的效果。

植物体内的光敏色素是一类对红光和远红光极其敏感的色素蛋白[10]，通过感受环境中红光与远红光配比(ration of red light and far red light, R/FR)值来获取遮荫状况、季节、光周期及温度变化等环境信息[11]，从而调控植物生长发育的各过程[12-13]。王小菁等[14]发现红光明显抑制黄化绿豆下胚轴切段的伸长，远红光则有部分逆转红光的作用；贺晓蔚等[15]也发现红光抑制水稻胚芽生长，远红光表现出部分逆转效应；李列等[16]发现红蓝光中添加远红光可显著影响生菜生长和形态结构，显著增加生菜干鲜质量、株高和叶面积，可见R/FR值的变化对植物幼苗的生长及形态均有显著影响。此外，R/FR值变化还可以影响植物的生理及代谢活动，Humberto等[17]发现R/FR值与诱导小麦叶片衰老和氧化代谢的途径有关；Leuchner等[18]证实光合速率与R/FR值呈非线性增加关系；黄薪历[19]发现白天提高远红光比例能显著增加番茄幼苗株高及茎叶中激素含量，但会降低叶绿素含量及光合速率。同时不同植物对R/FR值的响应规律也存在较大差异，Kurepin等[20]发现当R/FR≤4.6时，向日葵节间长度随R/FR值减小而增长；杨再强等[21]发现R/FR=2.5时，温室切花菊植株叶片数、株高、茎粗、花茎、叶面积、总干重、花叶片干物质分配指数和花干物质分配指数均最高。综上，环境中红光远红光配比的变化对植物的产量和品质等具有重要的影响。

冰草(MesembryanthemumcrystallinumL.)又称冰叶日中花，起源于非洲，因其叶面和茎部着生大量泡状细胞，液体充斥其中，从外表看像冰晶而得名。冰草富含氨基酸、天然植物盐、类黄酮类化合物及钠、钾等矿物质，口感冰滑爽口，营养价值较高，深受广大消费者青睐[22]，具有较高的经济价值，可作为植物工厂推广品种之一。

目前关于不同远红处理对人工光下冰草生长影响的研究较少，本研究利用LED光源复配设计不同光处理试验，研究不同R/FR值对水培冰草生长发育、光合特性及营养品质的影响，以期为植物工厂高产优质的叶菜光配方优化提供理论支持及相关参数。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

试验于2020年8月至10月在江苏省南京市玄武区江苏省农业科学院装备所内的集装箱植物工厂内进行(图1)。植物工厂采用20英尺集装箱改造而成，内部铺设5 cm聚氨酯彩钢板，底部铺设PVC地胶板及安装配套保温门，起到保温隔热作用。栽培架尺寸为140 cm×60 cm×180 cm，共分为3层。LED光源由广州市力侬照明技术有限公司生产，白色LED灯源功率为18 W，远红光LED灯源功率为30 W，采用定时器自动控制。

供试材料为冰草1号，由山东禾之元种业有限公司提供。冰草种子经浸泡清洗后，播种于育苗海绵块，放置于人工气候箱中；育苗明暗期温度分别为25和20℃，光照强度为100 mol·m-2·s-1，光周期为12 h·d-1。 当冰草幼苗生长至两叶一心时，挑选长势均匀一致的植株，清洗根部分泌物随机定植于集装箱植物工厂水培槽中，栽培密度为45 株·m-2，采用深液流水培方式(deep flow technique, DFT)，营养液采用Hogland配方。

1.2 试验设计

试验共设3个光处理，以白光LED为对照(control treatment, CK, R/FR=5.5)，在CK基础上添加不同强度远红光，设置远红光处理1(far red treatment 1, FR1，R/FR=1.2)和远红光处理2(far red treatment 2, FR2, R/FR=0.8)。采用PS-100光谱仪(美国Apogee公司)测定3个处理的波谱分布，如图2所示。每个处理种植15株冰草，重复3次。试验明暗期温度分别为25和18℃，相对湿度60%，光照强度为200 μmol·m-2·s-1，光周期为12 h·d-1。

图1 集装箱植物工厂外观图及内部实景图Fig.1 Outside and inside appearance of containers plant factory

图2 3个LED光处理的光照强度和光谱分布Fig.2 Light intensity and spectral distribution of three processed led treatments

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生长及生理指标测定 在移栽后第40天，对冰草随机取样并进行破坏性测量，每个处理取6株。植株取出清洗干净，用吸水纸吸干水分，用直尺测量冰草株高，用YMJ-A叶面积测量仪(北京雅欣理仪科技有限公司)测量叶面积，用剪刀分割地上部与地下部，用百分之一电子天平测定鲜重；将测定过鲜质量的样品放入烘箱，105℃杀青15 min，于70℃烘干48 h，用万分之一电子天平测定干重。

叶片叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量采用比色法测定，叶片花青素含量采用紫外分光光度法测定，叶片可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝比色法测定，叶片可溶性总糖含量采用硫酸蒽酮法测定，叶片维生素C含量采用钼蓝比色法测定[23]，叶片硝酸盐含量采用紫外分光光度法测定[24]。

1.3.2 光合指标测定 采用LI-6800便携式光合作用测量系统(美国LI-COR公司)测定植株光合参数。每处理挑选3株长势均匀一致的植株，选取相同部位的功能叶片，测定叶片净光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、蒸腾速率(transpiration rate，Tr)、气孔导度(stomatal conductance，Gs)、胞间CO2浓度(intercellular CO2concentration，Ci)等光合参数，计算水分利用效率(water use efficiency，WUE=Pn/Tr)，每叶片重复测定3次。

测定前将叶片在1 000 μmol·m-2·s-1光强下诱导30 min，设置0、30、70、100、150、200、300、600、900和1 200 μmol·m-2·s-1共10个不同光强梯度测定光响应曲线。在每个光强设定值下，当Pn和Gs达到稳定状态时，采集数据。仪器采用荧光叶室，开放式气路，分别设置压力0.1 kPa、空气流速500 μmol·s-1、湿度60%、温度25℃、光辐射强度200 μmol·m-2·s-1、 风扇速度10 000 r·min-1。采用CO2气瓶控制叶室CO2浓度(400 μmol·mol-1)。

1.3.3 叶片挥发性风味物质测定 采用TSQ 8000 EVO气相色谱串联质谱分析仪(美国Thermo Fisher公司)测定冰草叶片挥发性物质。气相色谱(gas chromatography，GC)条件：色谱柱为TG-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)弹性石英毛细管柱；载气为高纯氦气(纯度99.999%)；采用不分流进样；采用全扫描采集模式，扫描范围为33～800 amu。通过计算机检索与标准质谱图对照，确定其化学成分；并按峰面积归一化法进行定量分析，求得各化学成分在冰草叶片挥发性成分中的百分含量。

1.4 数据处理

利用Excel 2016软件整理试验的原始数据，采用SPSS20.0统计软件进行方差分析，用Duncan法对各参数进行方差分析和显著性检验分析(P<0.05)，利用OriginPro8软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同红光远红光配比对冰草生长的影响

幼苗的株高和叶面积是2个重要的形态指标，干鲜质量则表示同化产物的累积量。由表1可知，随着R/FR值降低，冰草株高、叶面积鲜重和干重、以及地下部鲜重及干重均有所增加。FR2和FR1的株高较CK分别显著增加28.72%和17.06%，且FR2与FR1间差异显著；FR2与FR1的叶面积较CK分别显著增加162.68%和47.33%，且FR2与FR1间差异显著；FR2的地上部鲜、干重分别较CK显著增加60.94%、64.29%，地下部鲜重、干重分别较CK显著增加78.20%、72.22%，而FR1的地上部鲜、干重和地下部鲜、干重均与CK无显著差异。

表1 不同红光远红光配比对冰草植株生长的影响Table 1 Effects of different ratios of red light and far red light on the growth of Mesembryanthemum crystallinum L.

2.2 不同红光远红光配比对冰草叶片叶绿素含量的影响

由图3可知，远红光处理不同程度降低了冰草叶片中的叶绿素含量。其中FR2和FR1的叶绿素a含量分别较CK显著降低29.86%和22.08%；FR2的叶绿素b含量与CK间差异不显著，FR1的叶绿素b含量较CK显著降低9.73%；FR2和FR1的叶绿素a+b含量分别较CK显著降低14.88%和24.63%，且FR2与FR1间差异显著；FR2和FR1的叶绿素a/b分别较CK显著降低24.42%和22.07%，但FR2与FR1间差异不显著。由此说明，远红光处理降低了冰草叶片中的叶绿素含量及叶绿素a/b。

注: 不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level amonGTreatments. The same as following.图3 不同红光远红光配比对冰草叶绿素含量的影响Fig.3 Effects of different ratios of red light and far red light on the content of photosynthetic pigment in Mesembryanthemum crystallinum L.

2.3 不同红光远红光配比对冰草叶片光合特性的影响

由表2可知，远红光处理下冰草叶片Pn呈显著下降趋势，其中FR2和FR1分别较CK显著降低25.49%和11.62%，且FR2与FR1间差异显著；冰草叶片Tr变化趋势与Pn趋势相似，FR2和FR1分别较CK显著降低49.95%和23.35%，且FR2与FR1间差异显著；Ci与Pn呈正相关关系，Ci越高，Pn越高；FR2的Ci较CK显著降低4.22%，但FR1与CK间差异不显著。Gs表示气孔张开的程度，与光合速率Pn正相关[9]；FR2和FR1的Gs分别较CK显著降低54.55%和31.82%，且FR2与FR1间差异显著。WUE代表植物每消耗单位含水量生产干物质的量或同化二氧化碳的量[16]，FR2的WUE比CK显著增加48.73%；FR1的WUE比CK增加15.19%，但差异不显著。

由图4可知，不同远红光处理的冰草叶片的净光合速率Pn对光合有效辐射变化的响应趋势大体相同。在光合有效辐射(photosynthetiCActive radiation, PAR)小于200 μmol·m-2·s-1时，FR2、FR1和CK的Pn随着PAR的增加迅速升高；PAR在200～500 μmol·m-2·s-1范围内时，随着PAR的增加各处理的Pn增加变缓；同时各处理的Pn始终呈现CK>FR1>FR2的趋势；PAR在500～1 200 μmol·m-2·s-1范围内时，各处理Pn逐渐趋于平缓，并在达到最大值后均呈略微下降趋势。

经过曲线拟合计算得出冰草光合生理参数如表3所示，各处理的Pnmax大小依次为CK>FR1>FR2，其中CK和FR1的Pnmax分别比FR2显著增加65.06%和59.32%；各处理的光饱和点(light saturation point，LSP)大小依次为CK>FR1>FR2，其中FR2和FR1分别比CK显著降低47.89%和25.55%；各处理的光补偿点(lighTCompensation point，LCP)大小依次为CK>FR1>FR2，其中FR2和FR1分别比CK显著降低31.89%和8.17%；各处理的暗呼吸速率(dark respiration rate，Rd)大小依次为FR2>FR1>CK，其中FR2和FR1分别比CK显著增加31.25%和19.32%；各处理的表观量子效率(apparent quantum efficiency，AQE)大小依次为CK>FR1>FR2，其中FR2和FR1分别比CK显著降低12.48%和7.96%。

2.4 不同红光远红光配比对冰草叶片品质指标的影响

由图5可知，不同远红光处理冰草叶片的品质指标变化趋势各不相同。其中FR2和FR1的类胡萝卜素含量较CK分别显著下降27.08%和34.62%，但FR2和FR1间差异不显著；FR1的花青素含量较CK显著增加133.55%，FR2的花青素含量较FR1显著下降54.29%，但与CK间差异不显著；FR1的可溶性糖含量较CK显著增加23.86%，且FR2与CK间差异不显著；FR2的可溶性蛋白、维生素C含量分别较CK显著增加27.48%、17.73%，FR1则与CK无显著差异；FR2和FR1的亚硝酸盐含量较CK分别显著降低23.15%和22.91%，但FR2与FR1间差异不显著。

表2 不同红光远红光配比对冰草叶片光合特性的影响Table 2 Effects of different ratios of red light and far red light on the photosynthesis in leaves of Mesembryanthemum crystallinum L.

表3 不同红光远红光配比对冰草叶片光合-光响应曲线特征参数的影响Table 3 Effects of different ratios of red light and far red light on the characteristic parameters of light response curve of Mesembryanthemum crystallinum L.

图4 不同红光远红光配比对冰草光合-光强响应曲线的影响Fig.4 Effects of different ratios of red light and far red light on light response curve of Mesembryanthemum crystallinum L.

2.5 不同红光远红光配比对冰草叶片挥发性风味物质含量的影响

由表4可知，利用GC-MS技术在3个处理的冰草叶片中共检测出31种挥发性风味物质，包括12种醇类、4种酯类、4种醛类、5种酮类、6种烃类。其中，CK的冰草叶片中主要风味物质包括11种醇类(64.25%)、5种酮类(10.65%)、4种醛类(7.24%)、4种酯类(7.34%)和6种烃类(10.52%)，其中含量最高的物质是叶醇(26.77%)，含量最低的物质是2,6,6-三甲基-1-环己烯-1-甲醛(0.57%)。

FR1的冰草叶片中主要风味物质包括11种醇类(45.09%)、5种酮类(19.21%)、4种醛类(10.67%)、4种酯类(14.74%)和6种烃类(10.29%)，其中含量最高的物质是叶醇(19.31%)，含量最低的物质是6-甲基-5-庚烯-2-酮(0.61%)。

FR2的冰草叶片中主要风味物质包括12种醇类(41.08%)、5种酮类(26.59%)、4种醛类(6.65%)、4种酯类(17.86%)和6种烃类(7.82%)，其中含量最高的物质是3-甲基-2-戊-2-烯基环戊-2-烯酮(19.59%)，含量最低的物质是异硫氰基环己烷(0.39%)。可见，相比CK，FR1和FR2未减少挥发性风味物质种类数量，虽然降低了冰草中醇类的含量，但提高了冰草中酮类及酯类的含量，且FR2增加了1种醇类。

3 讨论

3.1 远红光对冰草生长指标的影响

在自然光或人工复合光中添加远红光来调节R/FR值，可调控植株形态指标，如株高、茎粗和叶面积等参数[13,22,25]。本研究中，通过在白光LED上添加远红光源将R/FR值从5.5降低至1.2和0.8，与CK相比，低R/FR值显著增加了冰草株高、叶面积和干鲜重等生长指标，这与Qian等[26]发现补充远红光能显著增加生菜的干鲜重、茎长、叶长和叶宽的结论一致，并与Kurepin等[20]报道的补充远红光降低R/FR值后显著刺激了向日葵茎伸长，从而导致植株生长且R/FR 值在0.2～1.5时反应最为敏感的结论一致。李文龙[27]研究发现随着远红光强度的增加，黄瓜幼苗株高、茎粗、叶面积及壮苗指数呈现饱和性增加趋势，这是由于远红光对植物的最主要影响为避荫作用[13]，低R/FR值会使植株认为叶片被遮挡，造成光环境减弱的假象，从而促进其生长加快。本研究中低R/FR值处理的冰草叶片Pn较CK显著下降，但R/FR为0.8时植株干鲜质量均较CK显著增加。这与前人所得的730 nm远红光有促进植物生长但并不必然导致更多的生物量的结论[12]不一致，可能是由于冰草单片功能叶的Pn不能完全代表整株冰草的光合性能；而远红光处理导致植株整体叶面积增大及株高变高等形态变化，植株叶片可以捕获更多的光量子。这与Ballare等[28]、Seavers等[29]和Yujin等[30]研究均发现远红光可以促进叶面积增大提高植物的光能截获量，从而提升植株整体光合能力与产量的研究结论一致。同时Lee等[31]研究也发现较低R/FR值(0.7和1.2)处理的叶绿素含量和光合速率均显著低于对照，但其干鲜重及叶面积均高于对照；Zhang等[32]发现增加远红光可改变番茄叶片的形态，使其叶长、叶宽和叶面积增加，番茄植株总生物量增加了9%～16%，番茄成熟果实的产量增加了7%～12%。是因为植物的生物量不是由基于面积的光合能力决定的，更多地由与叶面积相关的参数决定[30]。

表4 不同红光远红光配比对冰草叶片挥发性风味物质成分及含量的影响Table 4 Effects of different ratios of red light and far red light on main volatile components and contents of Mesembryanthemum crystallinum L.

图5 不同红光远红光配比对冰草叶片品质指标的影响Fig.5 Effects of different ratios of red light and far red light on leaf quality of Mesembryanthemum crystallinum L.

3.2 远红光对冰草叶绿素及光合特性的影响

叶绿素含量与植物叶片光合能力密切相关，在光能捕获、能量转化和电子传递等方面均具有重要作用。叶绿素a和叶绿素b都可以吸收光能，但只有少数处于激发状态的叶绿素a可将光能转化为电能，因此叶绿素的含量与组成直接影响叶片的光合速率[33]。本研究中，随着R/FR值下降，Pn呈下降趋势，表明冰草叶片对光的转化效率下降；叶绿素b含量呈先降后升的趋势，最终与CK差异不显著，叶绿素总含量呈先降后升趋势但总体显著低于CK，这与前人研究中白天补充远红光对番茄叶片叶绿素含量影响的结果一致[19]；叶绿素a/b值呈显著下降趋势，是由于冰草感受到环境中低R/FR值后，植株对弱光环境产生反应，将叶绿素a/b值调整为适应低R/FR值的状态，提高了弱光下植株对光的吸收能力，以实现对光能最大限度的捕获和利用，这与骆驼刺叶的叶绿素含量对林荫弱光环境的响应一致[34]，同时Gelderen等[35]研究也发现低R/FR值可增加植物对可用光的竞争性。通过改变光照强度测绘出冰草叶片的光强响应曲线，可揭示出叶片的光合作用特性[36]，其中LSP反映了植物对强光的利用能力，LCP反映了植物对弱光的利用能力[37]。本研究中，R/FR为0.8时，冰草的Pnmax及LSP较CK显著下降，说明冰草潜在光合能力及对强光的利用能力下降，这与肖杰等[38]的研究结论一致；冰草的LCP显著降低，说明远红光处理下冰草对弱光的利用能力有所提升，增强了冰草植株整体的耐荫性。

3.3 远红光对冰草叶片品质及风味物质的影响

不同光质对叶片品质均有较大的影响，因此可通过改变光质来调节叶片的生理代谢各过程[39]。本研究中，远红光处理增加了冰草中可溶性糖和可溶性蛋白的含量，可能是由于增加远红光后不同R/FR值对植株碳水化合物及各类氨基酸的合成与吸收造成影响，从而改变可溶性糖及可溶性蛋白含量[40]。FR2的花青素含量显著低于FR1，这与Alokam等[41]发现的R/FR值为0.7时长柄繁缕中的花青素累积显著低于R/FR值为1.2时的结论一致；同时Yanovsky等[42]也发现低R/FR值减少了马铃薯中花青素的累积；这是由于不同R/FR值调节光敏色素水平发生变化，进而通过调节花青素合成途径中关键基因的表达来影响花青素的积累程度[43-44]。R/FR为0.8时还可显著增加冰草叶片的维生素C含量及降低叶片中硝酸盐含量，这与马太光等[45]研究提出的远红光处理可提高生菜叶片维生素C含量和降低硝酸盐含量的结论一致。蔬菜的风味是由其中含有的各种具有芳香气味的化学物质共同作用的结果[46]；本研究中，远红光处理降低了冰草中醇类物质含量，但增加了冰草中酮类及酯类物质含量，这与前人在LED补光对番茄[47]、葡萄上[48]的研究结果类似，可见远红光处理并不会降低冰草叶片中的挥发性暨风味物质种类，增产同时并不会降低冰草风味品质。

4 结论

本研究对3个处理下(CK处理：R/FR=5.5；FR1处理：R/FR=1.2；FR2处理：R/FR=0.8)水培冰草的生长发育、光合特性及营养品质进行了研究。与CK相比，FR2和FR1显著提高了冰草的株高及叶面积，FR2显著提高了冰草干鲜重及叶片可溶性糖、可溶性蛋白和维生素C含量。FR2和FR1增加了冰草中酮类及酯类物质含量，并显著降低了硝酸盐含量。结合本试验结果，在植物工厂实际生产中R/FR值设为0.8可有效提高冰草产量以及维生素C、可溶性糖、挥发性酮类及酯类物质含量。