不同LED 组合光质对莴苣灰霉病防御酶活性的影响

刘勇鹏王彬杨哲任旭妍朱新红马肖静孙凯乐孙治强朴凤植张涛姚秋菊

(1. 漯河市农业科学院，河南漯河 462000；2. 河南省农业科学院园艺研究所，河南郑州 450002；3. 河南农业大学园艺学院，河南郑州 450002；4. 河南省驻马店农业学校，河南驻马店 463000)

叶用莴苣(Lactuca sativaL.)，又名生菜，营养丰富、栽培管理简单，是当前植物工厂及设施温室栽培中重要的主栽蔬菜之一[1]。 光是植物重要的调控信号，也是植物生长发育的重要能量来源[2-3]，植物会因光环境的不同而产生不同的生理生化反应[4]。 当前，半导体技术的不断成熟和迅猛发展，使高效、环保、稳定的LED 灯在设施农业生产中得到广泛应用，也让人工光环境控制技术取得很大进步和发展[5-6]。 其中莴苣生产中，有研究发现LED 红蓝黄复合光质可促进莴苣生长；LED 红蓝光下通过添加一定量的绿光和黄光，对生菜的光合性能和产量有很好的提升作用[7-8]。 也有研究发现，光质对植物的抗病性也有一定的影响，它参与多种作物对病原菌的多种防御生理反应，能增强植物的多种防御酶活性，提高植物抗病、抗逆能力[9-10]:Wang 等[11]研究指出，光照质量对黄瓜白粉病有较大影响；Islam 等[12]研究发现，红光照射下番茄植株中的防御酶抗性提高，能有效防治番茄根结线虫病侵染；付雁南[13]研究不同光质LED 处理对接种在培养基上的灰霉病菌落的抑制作用时发现，紫光处理的抑制率要高于蓝光。 灰霉病作为一种全球高危病害，尤其是在设施蔬菜生产中，一旦发病，可减产20%～50%，严重者甚至绝收[14-15]。

目前针对LED 单色光以及红蓝光对作物抗病性及致病性机理的研究相对较多，而关于其它组合光诸如黄光、绿光及紫光的多种组合研究相对较少[16]。 因此本试验在前人研究基础上，于莴苣生长后期，以红蓝组合光(红光∶蓝光＝4∶1)为基础及对照，通过添加一定比例紫光、黄光和绿光组成红蓝紫、红蓝黄、红蓝绿3 种不同组合光质处理，并在光照第3 d 时进行灰霉病菌接种处理，调查研究莴苣在不同组合光质下灰霉病的发病状况及接种前后其对植株体内POD、PPO、PAL、CHT、GLU 主要防御酶活性的影响，以期筛选出能抑制莴苣灰霉病菌的最佳组合光质。

1 材料与方法

1.1 供试材料与设备

供试叶用莴苣品种:‘美国大速生’，由河南豫艺种业公司提供。 供试LED:由河南智圣普电子有限公司提供。 供试灰霉病病菌孢子:河南农业大学植保学院实验室内培养。

1.2 试验设计

本试验共设置4个处理，分别为红蓝组合光(RB，红光∶蓝光＝4∶1)、红蓝紫组合光(RBP，红光∶蓝光∶紫光＝4∶1∶1)、红蓝黄组合光(RBY，红光∶蓝光∶黄光＝4 ∶1 ∶1)、红蓝绿组合光(RBG，红光∶蓝光∶绿光＝4∶1∶1)。 光合有效辐射通量密度为(200±5) μmol·m-2·s-1。 各处理LED 组合光相对光谱值见图1。

图1 不同LED 组合光相对光谱图

1.3 试验条件与处理方法

本试验于2018年在河南农业大学毛庄科教园区植物工厂内采用水培方式进行。 其白天温度控制在23～25 ℃，夜间控制在15 ～18 ℃，湿度为65%～75%，CO2浓度为350 ～400 μmol·mol-1，昼夜周期为12 h/12 h。 水培种植设备是立体栽培架，规格为:1 850 mm(L)×700 mm(W)×2 500 mm(H)，层高500 mm。 其上面是四层栽培槽，栽培槽规格为1 800 mm(L)×650 mm(W)×100 mm(H)。 栽培槽由栽培床和种植托板组成，栽培床放营养液，种植托板用来固定叶用莴苣。 栽培架最底部是营养液灌溉设备。 LED 组合光源布局和布置方法为:每层栽培槽设置一种光源处理，四周拉上遮光布。 营养液采用山崎叶类蔬菜专用配方(大量营养元素配方为:四水硝酸钙236 mg·L-1、硝酸钾404 mg·L-1、磷酸二氢铵57 mg·L-1和七水硫酸镁123 mg·L-1。 微量元素配方为:乙二胺四乙酸二钠铁20～40 mg·L-1、硼酸2.86 mg·L-1、四水硫酸锰2.13 mg·L-1、七水硫酸锌0.22 mg·L-1、五水硫酸铜0.08 mg·L-1、四水钼酸铵0.02 mg·L-1和硫酸亚铁13.9 mg·L-1)，每7 d 更换1 次营养液。 莴苣生长前期采用红蓝(4∶1)光照处理；生长至28 d 时，在红蓝光基础上再分别添加黄光、紫光、绿光进行红蓝紫、红蓝黄、红蓝绿组合光处理；组合光照处理后3 d 对莴苣上部第3 片叶进行针刺灰霉病菌接种处理，接种的孢子悬浮液为106cfu·mL-1，接种后共计8个处理。 随机区组设计，重复3 次。 为避免交叉感染，未接菌和接菌处理间有适当距离隔离，接菌后植物工厂温度调至30 ℃，湿度调至80%，使其快速感病。

1.4 测定指标及方法

红蓝紫、红蓝黄、红蓝绿组合光处理后1 d 和3 d 进行采样，测定GLU(β-1，3-葡聚糖酶)、PAL(苯丙氨酸解氨酶)、POD(过氧化物酶)、CHT(几丁质酶)及PPO(多酚氧化酶)主要防御酶活性。组合光处理5 d 时调查灰霉病发病情况，同时在处理后5 d 和7 d 时分开采样，测其酶活性。

POD 活性测定根据Huo 等[17]的方法；PAL 活性测定采用反式肉桂酸显色法，PPO 活性测定采用邻苯二酚法，均参照《植物生理生化实验原理和技术》[18]进行；GLU 及CHT 活性测定参照田菲菲[19]的方法。 随机取样，所有指标测定均重复3 次。

参照杨哲[20]的叶类蔬菜灰霉病分级标准，计算病情指数。

1.5 数据处理与分析

采用WPS 软件进行数据统计并作图，SPSS 20.0 软件进行数据方差分析(Duncan’s，P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同LED 组合光质对莴苣灰霉病发病的影响

由表1 可知，不同LED 组合光质处理叶用莴苣灰霉病的病情指数相比CK(红蓝光)均显著降低。 接种灰霉病菌后2 d，各处理莴苣完全发病，其中CK(RB)病情指数最高，为53.33，其次为红蓝绿(RBG)和红蓝黄(RBY)组合光质处理，红蓝紫(RBP)处理病情指数最低，仅为10.00。 说明在红蓝光条件下适当添加一定量的紫光、绿光和黄光对灰霉病的发生均有一定的抑制作用，整体以添加紫光处理抑制能力最强。

表1 不同LED 组合光质下莴苣灰霉病的发病情况

2.2 不同LED 组合光质对莴苣灰霉病防御酶POD 活性的影响

由图2 可知，不同LED 组合光质对叶用莴苣灰霉病防御酶POD 活性有着不同影响。 光照1 d时，各处理间POD 活性无显著差异。 光照3 d时，各处理间POD 活性存在显著差异，以RBP(红蓝紫)处理POD 活性最高，比CK(RB)增高27%(P＜0.05)，RB 酶活性最低。 光照5 d 接种病菌2 d 时，RBP+F 处理POD 活性最高，其次是RBG(红蓝绿)+F，两处理间无显著差异，但与其它处理均差异显著，RBY(红蓝黄)+F 与RB(红蓝)+F 处理间差异也不显著；未接种病菌处理中，RBP 处理酶活性最高，比RB 高33%且差异显著。光照7 d 接种病菌4 d 时，各个接种病菌处理都比未接种病菌处理高，整体以RBP+F 和RBY+F 处理的POD 活性最高；未接种病菌处理中，各LED组合光质处理的POD 活性比RB 都显著增高。

图2 不同LED 组合光质对莴苣灰霉病防御酶POD 活性的影响

综上可知，在红蓝组合光条件下适当添加紫光、绿光和黄光可以提高莴苣体内POD 活性，整体上看以红蓝紫和红蓝黄LED 组合光质最有利于提高感染灰霉病莴苣体内的POD 活性。

2.3 不同LED 组合光质对莴苣灰霉病防御酶PPO 活性的影响

由图3 可知，不同LED 组合光质对接种灰霉病菌莴苣的PPO 活性有着不同影响。 光照1 d时，各处理莴苣PPO 活性均显著高于CK(RB)，以RBP(红蓝紫)处理PPO 活性最高，比RB 高14.06%；其次是RBY(红蓝黄)处理，比RB 高8.45%。光照3 d 未接菌时，以RBY(红蓝黄)处理的PPO 活性最高，显著高于其它处理，比RB 高36%；其次是RBG(红蓝绿) 处理，比RB 高26.11%；RBP 处理与RB 相比无显著差异，仅高7%。 光照5 d 接种病菌2 d 时，添加紫光和黄光的接菌和未接菌处理的PPO 活性与各自CK 相比均差异显著，以RBY(红蓝黄)+F 处理的PPO活性最高，其次是RBP+F 处理。 光照7 d 接种灰霉病菌4 d 时，未接菌处理中，以RBY(红蓝黄)和RBG(红蓝绿)处理的PPO 活性最高；接菌处理中，RBP(红蓝紫)+F 处理的PPO 活性最高，其次为RBY(红蓝黄)+F 和RBG(红蓝绿)+F 处理。

图3 不同LED 组合光质对莴苣灰霉病防御酶PPO 活性的影响

综上可知，在红蓝组合光基础上添加一定比例的紫光、黄光、绿光组成组合光质，可以提高莴苣PPO 活性，接种灰霉病菌后，整体上以RBP+F 处理最有利于提高莴苣PPO 活性，控制灰霉病菌侵染。

2.4 不同LED 组合光质对莴苣灰霉病防御酶PAL 活性的影响

由图4 可以看出，光照1 d 时，各处理莴苣PAL 活性无显著差异。 光照3 d 时，与红蓝组合光相比，添加紫光、黄光和绿光对莴苣PAL 活性均有一定的提升作用，其中RBY(红蓝黄)和RBG(红蓝绿)处理的PAL 活性显著高于CK(RB)，分别增高5%和10%。 光照5 d 接种病菌2 d 时，各接菌处理比对应的未接菌处理PAL 活性都高；各接菌处理中，RBG+F 处理PAL 活性最高，但与RB+F 无显著差异，仅高5%；RBY+F 处理酶活性与RB+F 相比降低4.4%。 光照7 d 接种病菌4 d 时，RBY+F 处理的PAL 活性最高，其次是RBP(红蓝紫)+F 处理，与未接菌的RBY、RBP 处理均差异显著；RBG+F 处理最低，与RBG 处理差异不显著。

图4 不同LED 组合光质对莴苣灰霉病防御酶PAL 活性的影响

综上可知，在红蓝组合光基础上添加一定比例的紫光、黄光、绿光组合光质对叶用莴苣PAL活性均有一定的提升作用，接种灰霉病菌后，整体上以添加黄光最有利于提高PAL 活性，其次是添加紫光。

2.5 不同LED 组合光质对莴苣灰霉病防御酶CHT 活性的影响

由图5 可知，不同组合光质对叶用莴苣CHT活性均有一定影响。 光照1 d 时，各处理莴苣CHT 活性均显著高于CK(RB)，其大小顺序为RBY＞RBG＞RBP ＞RB，比RB 分别增高23.33%、24.38%和23.21%。 光照3 d 时，RBY(红蓝黄)和RBG(红蓝绿)组合光质处理的CHT 活性相比RB差异显著，分别增高27.10%和19.17%，而RBP(红蓝紫)处理与RB 差异不显著。 光照5 d 接种病菌2 d 时，未接菌处理中，RBP 处理的CHT 活性最高，显著高于其它处理，比RB(红蓝光)高68.58%；接菌处理中，CHT 活性也以RBP(添加紫光)+F 处理最高；各接菌处理的CHT 活性均显著高于对应的未接菌处理。 光照7 d 接种病菌4 d时，以添加绿光的RBG+F 处理CHT 活性最高，其次是RBY+F 和RBP 处理。

综上可知，在红蓝光基础上添加一定比例紫光、黄光、绿光的组合光质对叶用莴苣的CHT 活性均有一定的提升作用，且随着光照时间的延长和接种灰霉菌的影响，整体上以添加绿光和黄光提升作用最为明显。

2.6 不同LED 组合光质对莴苣灰霉病防御酶GLU 活性的影响

由图6 可知，不同LED 组合光质对叶用莴苣GLU 活性均有一定的影响。 光照1 d 时，各处理GLU 活性除RBY(添加黄光)显著高于CK(RB)外，其它处理与RB 均无显著差异。 光照3 d 时，3个LED 组合光质处理的GLU 活性均显著高于CK(RB)，RBY 处理仍最高，比CK 增22.39%；其次是RBG(添加绿光)和RBP(添加紫光)处理，比CK 分别高14.42%和11.21%。 光照5 d 接种病菌2 d 时，RBP(红蓝紫)+F 处理GLU 活性最高，其次是未接菌的RBP(红蓝紫)处理，两处理间无显著差异，前者显著高于其它未摘菌处理。光照7 d 接种病菌4 d 时，未接菌的RBY(红蓝黄)和RBG(红蓝绿)处理GLU 活性分别比RB 高65.07%和69.0%，RBP 比RB 高33.54%，均达显著水平；接菌处理中，3个组合光质处理间无显著差异，但显著高于RB+F，RBG(红蓝绿)+F 处理酶活性最高，RBY+F(红蓝黄)位次，分别比RB+F增加25.77%和25.50%，均达显著水平。

图6 不同LED 组合光质对莴苣灰霉病防御酶GLU 活性的影响

由上可知，接种灰霉病菌后，LED 红蓝组合光基础上添加一定比例的紫光、黄光、绿光均能有利于提高叶用莴苣GLU 活性，整体上以红蓝黄、红蓝紫处理较佳。

3 讨论与结论

光环境作为植物离不开的环境因子，不仅提供植物所需的辐射能量，还能传递光能量信号，调控其植物发育[21]。 当前，随着科技的进步与发展，特别是半导体产业发展带来的高精度环境控制技术，使周年生产的植物工厂在我国得到很大发展，尤其是在LED 光环境控制技术上，通过调节形成不同LED 组合光质来控制作物的生长发育，以提高作物的抗虫、抗病以及抗胁迫能力，这已成为当前的研究热点[2]。

有研究表明，园艺作物生长及其产量主要取决于光合效率，其中波长400 ～700 nm 范围内的光质是植物进行光合作用的主要光频率，而植物对红蓝光的吸收率约为90%[22-23]。 基于红光和蓝光的多种组合光质对莴苣生长影响的研究有较多报道:王晓晶等[24]研究表明，添加绿光能降低生菜的地上部生物量，抑制其正常生长发育进程；陈田甜[25]研究指出，在红蓝光基础上补充黄光可以提高番茄地上部生物量；石圆圆[7]研究表明，补充紫光处理下的莴苣株高降低，叶片衰老延缓。本试验表明，在红蓝光条件下适当添加紫光的RBY(红蓝紫)处理最能降低灰霉病的发病程度。这与付雁南[13]的研究结果一致，即LED 紫光处理能抑制灰霉菌菌丝生长。

研究发现，植物受到病原菌侵害后会产生多种防御反应，而光作为植物生长发育的重要环境因子，不仅能调控植物的生长发育，也参与植物对病原菌抗性机制的建立，提高植物体内多种防御酶活性[26]。 其中抗氧化代谢对植物的抗病性有关键作用，POD 活性增强能很好地减轻由病原菌引起活性氧增多造成的伤害[27]。 本研究发现，在红蓝组合光条件下适当添加紫光、绿光、黄光可以提高莴苣体内过氧化物酶活性，在未接种灰霉病菌前以添加紫光处理酶活性最高，接种病菌后以添加紫光和黄光处理最有利于提高POD 活性。这与韩吉思等[28]的研究结果(红心杉在不同配比红蓝光基础上增加紫光POD 活性会增加)、石圆圆[7]的研究结果(补充LED 紫光处理能明显提高莴苣的POD 活性)一致。 PAL 是植物次生代谢最重要的酶，与植物的抗病能力直接相关[29]。 本研究发现，在LED 红蓝光基础上添加紫光、黄光、绿光的不同组合光质处理对叶用莴苣PAL 活性有很好的提升作用，接种病菌后以添加黄光、紫光处理的PAL 活性相对较高。 这与崔琳琳等[30]的研究结果(苦荞在紫光下PAL 活性和黄酮类累积量都较高)一致。 PPO 是一种含铜的氧化酶，当植物细胞受到病原菌侵染或入侵破坏时，PPO 会发生生理反应，产生酚类物质，防止植物侵染，甚至杀死病原菌[31]。 本试验中，在红蓝组合光基础上添加一定比例的紫光、黄光、绿光处理对莴苣体内PPO 活性均有一定的提升作用，以添加紫光最有利于提高接种灰霉菌莴苣体内的PPO 活性。这与王虹[26]的研究结果(紫光处理能显著提高白粉病黄瓜植株体内的PAL 和PPO 活性)一致。另外有研究发现，GLU 和CHT 在抵御植物病原菌伤害的防御反应中发挥着细胞壁水解酶的作用，往往在植物受病原菌或其它逆境伤害时被诱导和积累，能够控制真菌孢子的发育和菌丝生长。 本研究发现，在LED 红蓝光质基础上添加紫光、黄光、绿光的不同组合光质处理对叶用莴苣CHT、GLU 活性均很好的增强作用，且随着光照时间的延长和接种灰霉菌的影响，整体上看CHT 活性以添加绿光和黄光处理相对较高，GLU 活性则以添加黄光、紫光处理较高。

综上可知，叶用莴苣生长后期接种灰霉病菌后，不同LED 组合光质处理中以添加紫光处理最有利于降低灰霉病的发生程度；在红蓝光基础上添加紫光和黄光处理的POD、PAL、PPO、GLU 活性较高，添加绿光和黄光处理的CHT 活性增强最为明显。 整体上看，在LED 红蓝光基础上添加一定比例的紫光或黄光，对叶用莴苣灰霉病能产生较好的防御能力。

当前，随着人们食品安全意识的增强，一些高毒农药、抗生素等有机污染物在蔬菜生产中的应用逐渐受到限制[32]。 而随着LED 光照技术在设施蔬菜上的应用，明确不同组合光质配比对提高植物抗病性的作用机理[33]、开展绿色高效的不同组合光质病害防治，也将成为未来LED 应用的重要研究方向。