交替光谱辐照对叶用莴苣营养元素水平的影响

陈晓丽， 王利春， 李友丽， 郭文忠， 2*

1. 北京市农林科学院智能装备技术研究中心， 北京 100097 2. 农业部都市农业(北方)重点实验室， 北京 100097

引 言

光是植物光合作用的唯一能量来源也是调节植物生长发育的环境信号， 光环境要素包括单一光谱的时空分布以及单一光谱强度， 光环境由若干单一光谱耦合而成， 是影响植物生长发育和栽培效益的关键环境方面。 发光二极管(LED)因具有光谱可调、 光量可控、 产热少等优势， 被越来越多地应用于园艺作物生产和研究中， 伴随LED光谱调控系统的开发， 光环境调控不再局限于对光质、 光强度以及光期的调节， 而是延伸到对光谱时空分布即供光模式的调节， 不同频率的单一光谱交替供光模式是一种被证明有提高植物能量利用效率作用的供光方式[1]。 近年来， 红、 蓝光谱因对应于植物光合色素吸收光谱的峰值波段而成为植物栽培领域光谱研究的主要光质[2]。 研究表明， 在累计光积分和能量消耗相等的前提下， 与传统的同时供光相比， 红、 蓝光谱以一定的时间间隔交替照射生菜植株， 能够促进生菜植物的生长以及其生物量的积累[3]， 这意味着红、 蓝光谱交替有潜力提高植物产出效益和栽培系统电能利用效率， 因此研究相同能耗条件下交替供光策略的潜在优势具有重要的实际意义。 K， P， Ca， Mg， Fe， Mn， Zn和Cu等矿质元素不仅是叶用莴苣重要的食用性品质指标， 也是反映叶用莴苣对营养元素吸收水平的重要依据。 研究表明， 植物对矿质元素的吸收及利用受到光环境的影响。 有报道指出， 红、 蓝组合光谱在不同的光谱光量比例下对基质栽培生菜体内矿质元素的种类和含量具有诱导调节作用[4]， 然而红、 蓝交替光谱对叶用莴苣根系矿质元素吸收的调控尚未报道。 因此， 本研究在封闭式植物工厂中采用LED红、 蓝交替光谱及深液流水培模式培育叶用莴苣， 设置了不同交替间隔时长的红蓝交替光处理， 并以红蓝光同时供光为对照， 运用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)[5]， 探究了红、 蓝交替光谱对叶用莴苣矿质元素吸收和积累的影响， 研究结果为植物工厂功能性蔬菜的生产及不同光环境下的营养液调节提供理论依据， 也为更好的揭示红、 蓝光在作用于植物生长发育过程中的相互关系及高能量利用率的供光方式提供思路。

1 实验部分

1.1 材料与处理

本试验在北京市农林科学院智能装备技术研究中心的全人工光型植物工厂中进行， 试验材料为奶油叶用莴苣(LactucasativaL. ‘Flandria’; Rijk Zwaan Co., Netherlands) 。 将叶用莴苣种子播种至海绵块中进行育苗， 14 d后定植到不同光环境的水培种植箱中。 植物工厂内昼/夜温度设置为24/20 ℃， 空气湿度65%， CO2浓度700 μmol·mol-1， 霍格兰营养液[6]pH和EC分别保持在6.5和1.45 mS·cm-1左右， 营养液每周更换一次。 从播种日起第54天(即定植后40 d)进行收获并测定收获指标。

本试验共8个处理， 试验光源采用北京市农林科学院智能装备技术研究中心研制的LED植物光配方调控系统， 光源垂直悬挂于植物顶部。 该系统可以设置不同光质、 光量配比以及供光模式和照射频率。 定植当天即开始不同的光处理照射。 光处理如表1所示， 共设8个红蓝交替光处理、 1个红蓝光同时供光处理。 纯红光(R)与纯蓝光(B)的处理中， 红光和蓝光的光强度均为200 μmol·m-2·s-1； 其他处理中红、 蓝光的光强分别设定为180和20 μmol·m-2·s-1， 即整个生育期内红光与蓝光的光量子数比值为9∶1， 红蓝光峰值波长分别为660和450 nm。

表1 红蓝交替光试验处理

关于红蓝光交替处理模式的设置和命名见表1。 在每天16 h的光期里， 红、 蓝光每5 min切换1次， 交替频率为96次·d-1， 处理记作R/B(5 m)， 同理红、 蓝光交替间隔时间为10 min， 15 min， 30 min， 60 min， 2 h， 4 h和8 h分别记作R/B(10 m)， R/B(15 m)， R/B(30 m)， R/B(60 m)， R/B(2 h)， R/B(4 h)和R/B(8 h)光期里对应的红蓝光交替频率则分别为48次、 32次、 16次、 8次、 4次、 2次、 1次， 红蓝光同时供光的处理为对照计为RB。 关于处理间的光量子数和耗电量见表2。 试验中红蓝光同时供光的处理RB每天的光期为8 h， 这是为了该处理作为对照与其他交替红蓝光处理具有相等的总光量和总耗电量。

表2 日累计光积分和耗电量

1.2 仪器与测试

光合有效辐射的测量采用光量子仪(model-1400， LI-COR， USA)； 光谱测试采用USB650型光谱仪(Ocean Optics, model-SD650, USA)， 波长范围为350～1 000 nm， LED红光峰值波长为660 nm， 蓝光峰值波长为450 nm； 矿质元素测试采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICAP 6300 ICP-OES Spectrometer， Thermo Fisher, USA)， 光谱仪条件为: 样品提升量1.0 mL·min-1； 载气0.8 L·min-1； 辅助气0.5 L·min-1； 冷却气15.0 L·min-1； 高频发生器功率1 300 W。

1.3 元素浸提及标准曲线

称取0.50 g莴苣样品于消煮管中， 加入浓硝酸和高氯酸的混合酸15 mL(体积比为4∶1)于180 ℃消煮6～8 h至溶液接近无色时冷却， 过滤后滤液用去离子水定容至50 mL， 以同样的方法制备空白对照。 浓硝酸和高氯酸均为优级纯购自北京化工厂， 元素标准液源自国家标准物质中心。

配制不同浓度的K， P， Ca， Mg， Fe， Mn， Zn和Cu元素标准溶液， 各元素分析谱线波长见表3。 表3显示， 标准液浓度与吸光度成较好的线性关系， 相关系数r在0.998 3～0.999 8之间， 相对标准偏差RSD为0.23%～0.74%。

表3 各元素分析谱线波长、 标准液浓度、 相关系数和相对标准偏差

1.4 数据处理

能量利用率计算参照文献[7]， 数据采用Excel、 DPS 9.05软件进行统计分析。

2 结果与讨论

2.1 交替光谱对叶用莴苣中营养元素吸收量的影响

由表4和表5可见， 交替红蓝光谱照射对叶用莴苣体内常量及微量元素含量水平有较明显的影响。 R/B(5 m)下Fe元素含量显著高于其他任意处理， 植株Fe元素含量较其他处理增加了38.87%～85.37%， 高频次的红、 蓝光切换照射刺激了叶用莴苣植株对Fe元素的吸收。 与红蓝光同时供光相比， 所有的红、 蓝交替光谱辐射处理均不同程度地降低了叶用莴苣植株中Ca元素含量。 R/B(10 m)处理下叶用莴苣中K元素含量水平在处理间呈最低值为55.08 mg·g-1、 Mg元素含量在处理间呈最高值为4.79 mg·g-1； 相反， R/B(15 m)处理下， K元素含量水平在处理间最高， 而Mg元素含量表现为处理间最低。 此外， 处理间次低水平的K元素含量出现在R/B(4 h)和R/B(60 m)处理下， 分别为55.52和56.97 mg·g-1， 与R/B(10 m)处理下K元素含量水平无显著性差异， 同时这两个处理下的Mg元素含量水平仅次于R/B(10 m)下的最高值， 且与之无显著性差异。 这可能是由于K离子对Mg离子拮抗强烈导致的， K对离子通道的抢夺能力强于Mg， K吸收的降低导致Mg吸收的增加。 类似地， R/B(4 h)处理下叶用莴苣中Mn元素含量水平在处理间最高， 而Zn元素含量为处理间的最低， 可能存在离子吸收过程中的拮抗效应。 此外， R/B(8 h)处理下植株体内Zn和Cu元素含量水平显著高于其他任意处理， 较对照分别增加了54.0%和103.6%。 R/B(30 m)处理下叶用莴苣中P， Ca， Fe和Mn等四种元素的含量水平均呈现处理间最低水平， 其中P和Ca元素含量水平显著低于对照。

表4 不同交替光谱处理下叶用莴苣中大量元素含量(mg·g-1， n=3)

表5 不同交替光谱处理下叶用莴苣中微量元素含量(μg·g-1， n=3)

2.2 交替光谱对叶用莴苣生物量的影响

由表6可见， 与红蓝同时供光的RB处理相比， 所有的交替光谱均显著提高了叶用莴苣地上部生物量， 其中鲜重提高幅度约为18.6%～67.4%， 干重提高幅度约为5.1%～88.0%。 R/B(4 h)处理下植株地上部分生物量最高， 干重和鲜重分别达到125.82和5.32 g。 R/B(4 h)处理下生产单位干物质叶用莴苣所需的光子数处理间最低为1.73 mol·g-1， 较对照RB降低了46.8%； 所消耗的电能同样是处理间最低为0.99 MJ·g-1， 较对照RB降低了87.9%。 因此， 与红蓝光同时供光相比， 红蓝交替光谱辐射有利于提高叶用莴苣的光子利用效率和电能利用效率， 提高幅度与红蓝交替光谱的交替间隔时间有关， 其中间隔为4 h的红蓝交替光谱辐射下光子和电能利用效率最高。

表6 不同交替光谱处理下叶用莴苣地上部分生物量及单位干物质所需的光子和电量

2.3 交替光谱对叶用莴苣能量利用率的影响

由表7可见， 交替光谱对叶用莴苣光能利用率和电能利用率有一定的影响， 与红蓝同时供光的RB处理相比， 所有交替处理均显著提高了叶用莴苣的光、 电能利用率， 提高幅度分别约为34.3%～87.5%和34.6%～87.9%。 在交替光谱处理之间， R/B(4 h)处理下的叶用莴苣光、 电能利用率均达到最大值， 分别为6.13%和2.01%， R/B(5 m)和R/B(10 m)处理下叶用莴苣光、 电能利用率显著低于该最大值， 而其他交替光谱处理下的叶用莴苣光、 电能利用率与该最大值无显著性差异。

表7 不同交替光谱处理下叶用莴苣能量利用率

2.4 交替光谱对叶用莴苣营养元素累积量的影响

由表8和表9可见， 大量元素中， 植株单株累积量的高低顺序为K>Ca>P>Mg， 微量元素中单株累积量的高低顺序为Fe>Mn>Zn>Cu。 与同时照射模式相比， 交替红蓝光照射下叶用莴苣体内所有元素的单株累积量均有所提高， 其中Mg， Fe和Zn元素植株累积量的提高达到显著水平(p<0.05)。 K和Fe元素的植株累积量分别在R/B(15 m)和R/B(5 m)处理下最高， 显著高于对照， 分别较对照提高了84.7%和115.3%； Zn和Cu元素的植株累积量在R/B(8 h)处理下最高， 显著高于对照， 分别较对照提高了140.0%和217.3%； P， Ca， Mg和Mn元素的植株累积量在R/B(4 h)处理下最高， 显著高于对照， 分别较对照提高了70.0%， 67.4%， 88.0%和154.5%。

表8 不同交替光谱处理下叶用莴苣中大量元素单株累积量(mg·plant -1, n=3)

表9 不同交替光谱处理下叶用莴苣中微量元素单株累积量(μg·plant -1, n=3)

3 结 论

植物的养分吸收受到光环境的影响， 反过来植物叶片对光能的传导和利用也受到体内营养元素种类及水平的影响， 例如Fe是光合电子传递链中细胞色素、 铁氧还蛋白以及Fe-S蛋白的组成成分， Cu是光合电子传递链中质体蓝素的组成成分、 Mg是光合色素叶绿素的重要成分， Mn在光合作用光反应水的光解中有不可替代的作用， P作用于ATP的生成等。

本研究表明， 红蓝光交替光谱对叶用莴苣的营养元素吸收和积累与红蓝光谱的交替间隔以及营养元素种类有关。 与同时照射模式相比， 所有的交替光谱均显著增加了叶用莴苣地上部生物量、 提高了光子和电能利用效率及Mg， Fe和Zn元素的植株累积量， 同时不同程度地降低了植株中Ca元素含量。 5 min间隔的红、 蓝光交替照射下， 植株Fe元素吸收得到促进， 而30 min间隔的红、 蓝光交替照射下植株P， Ca， Fe和Mn等元素的吸收受到抑制， 说明红、 蓝光在作用于叶用莴苣元素吸收的过程中是相互影响的。 然而， 就某一种元素而言， 未观察到元素含量或积累量与红、 蓝交替光谱间隔时间的明显正/负相关关系， 红、 蓝光谱的相互作用机制较为复杂， 可能与红、 蓝光的光受体及信号传导有关。 红光和蓝光通过光受体蛋白影响植物的光响应， 光受体蛋白包括作为红光受体的光敏色素(phyA—phyE)， 作为蓝紫外光受体的隐花色素(cry1—cry3)和光敏素(phot1， phot2)[8-10]， 红、 蓝光通过这些光受体完成在植物中的信号转导， 这些光受体在不同生理活动或不同环境状态下表现出协同或拮抗关系， 交替红、 蓝光照射下光受体的激活途径可能不同于同步红蓝光下的激活途径， 也就是说红、 蓝光的信号转导途径可能存在信号串扰或放大。 适当间隔的红、 蓝交替照射可以消除红、 蓝光信号转导通路之间的信号串扰或拮抗作用， 也可能抵消正向的信号放大， 因此造成植株体内不同种类元素的吸收利用在各异的红、 蓝光交替间隔下表现不同。 总体而言， 在光子量和电量消耗一致的前提下， 红、 蓝光交替光谱对叶用莴苣体内矿质元素吸收和积累有明显的调控作用， 这对功能性蔬菜的生产具有一定的指导意义。