不同光照处理对生菜叶片荧光成像特性的影响

摘要：本研究评估了不同光强处理对设施栽培生菜光系统II的光化学效率及光保护机制的影响，以确定最佳光环境条件。设置50 μmol·m⁻²·s⁻¹、100 μmol·m⁻²·s⁻¹、150 μmol·m⁻²·s⁻¹和200 μmol·m⁻²·s⁻¹四个光强处理组，使用叶绿素荧光成像技术测量了最大光化学效率（Fv/Fm）、非光化学淬灭（NPQ）和荧光递减比率（Rfd）。结果表明，150 μmol·m⁻²·s⁻¹的光强下生菜的Fv/Fm和Rfd值最高，且NPQ值较低，显示该光强下光系统II具备最佳的光能捕获和电子传递效率，避免了光抑制的发生。较低光强（50 μmol·m⁻²·s⁻¹和100 μmol·m⁻²·s⁻¹）限制了光系统II的活性，而较高光强（200 μmol·m⁻²·s⁻¹）则增加了光抑制风险，降低了光能利用效率。综上，150 μmol·m⁻²·s⁻¹的光强为生菜提供了最佳光环境条件，可提高光系统II活性及光能利用效率，从而实现高光合效率和产量。

关键词：生菜；叶绿素荧光成像；光化学效率；光强

生菜作为一种重要的叶菜类蔬菜，因其独特的营养、健康及经济价值而在全球范围内被广泛种植和消费[1]。在设施农业中，生菜不仅能够实现周年生产，还可以通过环境调控进一步提高产量和品质，极大地满足了市场需求[2]。近年来，随着对食品安全和高效农业生产的需求不断增加，设施栽培技术的应用愈加普及，而生菜作为设施栽培的典型代表作物，光环境的优化对于提升其产量和品质具有重要意义。

光环境作为设施农业中最为关键的环境因子之一，对生菜的生长、品质和产量有显著影响。光强不仅直接决定了植物光合作用的速率，还通过影响植物的生理和生化特性，调节其光合作用的光能利用效率和光保护机制[3]。因此，深入理解不同光强对生菜生理特性，尤其是光合作用相关参数的影响，对于优化设施农业生产具有重要意义[4]。

叶绿素荧光参数因其能够反映植物光合作用的效率及光系统II（PSII）的状态，而被广泛应用于研究光对植物影响的过程中[5]。叶绿素荧光成像技术作为一种无损、高效的方法，通过测量最大光化学效率（Fv/Fm）、非光化学淬灭（NPQ）及荧光递减比率（Rfd），可以系统地评估植物的光能利用效率和光保护机制，从而全面揭示植物在不同光环境下的光系统状态和适应能力[6-7]。这些参数之间相辅相成，通过对它们的综合分析，可以更精确地理解植物在不同光强下的光合性能和应激响应能力。

不同光强下生长的植物，其光合作用系统会表现出不同的适应性调节，以应对不同光能输入带来的生理胁迫[8]。在适宜的光强下，植物光系统II能够实现光能的高效利用，而在过高或过低的光强下，光系统的能量转换和光保护机制则会受到影响，导致光抑制或光合效率下降[9]。因此，光强的精确调控对于优化设施栽培中植物的生长发育至关重要。在设施栽培系统中，通过调节光强，能够有效提高生菜的光合作用效率、优化营养品质以及降低光胁迫带来的不利影响[10]。然而，目前针对不同光强处理对生菜叶绿素荧光响应的系统性研究相对有限，尤其是在设施栽培环境下进行的量化研究亟待补充。

本研究旨在探讨不同光强处理对生菜叶绿素荧光参数的影响，重点关注最大光化学效率（Fv/Fm）及非光化学淬灭（NPQ）的响应规律。通过荧光成像技术，定量评估生菜在不同光强处理下的光系统适应性及光保护能力，为设施农业中光环境的优化管理提供科学依据。此项研究不仅有助于深入理解生菜对光环境的适应性调节机制，也为实现设施栽培条件下的高产、优质和高效生产提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料与培育条件

试验品种为罗马生菜。光源采用LED光源，设置同种光质，不同光强作为四个实验组，光照强度分别为50 μmol·m⁻²·s⁻¹（T1）、100 μmol·m⁻²·s⁻¹（T2）、150 μmol·m⁻²·s⁻¹（T3）和200 μmol·m⁻²·s⁻¹（T4），光质组成如图1所示。光照期间环境相对湿度保持在60% ± 10%，二氧化碳浓度为400 ± 50 μmol/mol，在标准人工气候室内培育。

1.2 叶绿素荧光成像数据与图像采集

使用叶绿素荧光成像系统（FluoCam，PSⅠ，Czech Republic）进行叶绿素荧光测量，测量前将样本暗适应20min，测量最大光化学量子产量（Fv/Fm）、非光化学淬灭系数（non-photochemical quenching，NPQ）和光适应荧光递减比率Rfd（Fluorescence Decline Ratio），同时采集对应数据和图像

1.3 数据处理

使用FluoCam荧光成像分析软件提取每个处理的荧光参数数值，利用Excel 2013、Origin2018等软件对原始数据进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同光强处理对生菜初始光系统状态的影响

从初始荧光成像图1来看，光系统II的初始状态因光强处理的不同而发生显著变化。整体结果表明，光强150 μmol·m⁻²·s⁻¹（T3处理）为光系统II提供了最佳的光环境，使其具备良好的初始活性和健康状态，而过低（T1）的光强则会导致光系统II活性的降低或损伤。因此，适宜的光强对于优化光系统II的初始光化学状态至关重要。通过对Fo的成像分析，为进一步研究不同光强处理对生菜光合作用效率及光保护机制的影响提供了科学依据。

2.2 不同光强对生菜最大光化学效率的影响

图2展示了不同光强处理下生菜叶片的最大光化学效率（Fv/Fm）荧光成像结果，分别代表了四个光强处理组的生菜植株。这些处理组的Fv/Fm值均落在0.80至0.86之间，符合健康植物光系统II的典型范围（0.79至0.85），表明在所有处理条件下，生菜的光系统II功能维持在正常生长的水平。

根据图2所示的Fv/Fm荧光成像结果，可以看出不同光强处理对生菜光系统II的最大光化学效率产生了显著影响。在T1和T2处理组中，生菜的Fv/Fm值较低，T3处理组下的生菜表现出最高的Fv/Fm值，并且光系统II的活性在所有处理中最为均匀，表明该光强下生菜能够实现光能的最优利用和高效的电子传递过程。T4处理组的Fv/Fm值与T3相近，但平均像素点表示的数值略低于T3。因此，150 μmol·m⁻²·s⁻¹的光强是最适合生菜生长的光环境条件，这一光强既能够充分激发光系统II的活性，又不会带来显著的光胁迫。

2.3 不同光强对生菜非光化学淬灭系数的影响

根据3所示，展示了在不同光强处理下生长的生菜的非光化学淬灭（NPQ）图像变化。光照处理分别为T1，T2，T3，以及T4。

从荧光图像来看，T3组的表现最为理想，图像主要呈现蓝色，表明NPQ值最低，光系统II能够高效地利用吸收的光能，光合作用效率最高。而T1和T2组由于生长状态下光强不足，导致光系统II利用效率不佳，增加了热量耗散。T4组由于光强过高而导致部分光抑制，NPQ增加，影响了光能利用效率。综上所述，本研究结果显示在不同光强处理下，生菜的非光化学淬灭反应存在显著差异。T3处理表现出最低且最稳定的NPQ值，说明其在光保护和光合利用之间达到了良好的平衡。因此，150 μmol·m⁻²·s⁻¹的光强可能是生菜光合作用与光保护的最佳平衡点，建议设施栽培中将光强控制在此范围，以促进生菜的健康生长并优化光利用效率。

2.4 不同光强对生菜光态荧光递减比率的影响

图4展示了不同光强处理下生长的生菜叶片的荧光递减比率（Rfd）荧光成像结果。Rfd是光合作用过程中植物光系统II的反应速率和恢复能力的重要指标，常用于评估植物的光合健康状况和光系统II的活性。

T1组的Rfd值平均为1.56，图像主要呈现为蓝色和浅绿色区域，表明在50 μmol·m⁻²·s⁻¹的低光强条件下，光系统II的活性较低。蓝色区域的广泛存在显示光系统的光能捕获和利用能力受限，无法实现高效的光合作用。这种情况可能是由于光强过低，未能提供足够的光能激发光系统II，从而导致光合作用受到抑制，Rfd值偏低。T2组的Rfd值平均为2.3，图像中蓝色和绿色区域减少，更多的黄绿色开始出现，反映出光系统II的活性有所改善。较高的Rfd值表明，随着光强增加到100 μmol·m⁻²·s⁻¹，光系统II的光能捕获和利用能力得到了明显的提升。尽管光系统的效率相比低光强有所增强，但T2组的光化学效率仍未达到最佳状态，表现出有限的光适应性。T3组的Rfd值平均为3.54，图像中呈现出大量的红色和橙色区域，这些区域的显著存在表明光系统II活性达到了最高水平。红色和橙色的高比例反映出在150 μmol·m⁻²·s⁻¹光强下，光系统II具备最强的光能捕获和电子传递能力，充分支持了光合作用的高效进行。这一光强条件使得生菜的光保护机制和光合作用效率达到了最优平衡。T3处理组的结果验证了预测，即150 μmol·m⁻²·s⁻¹的光强为生菜提供了最佳的光环境，使光系统II的光能利用最大化，从而达到最高的Rfd值。T4组的Rfd值平均为3.27，尽管整体数值接近T3，但图像中可以观察到部分蓝色和绿色区域。与T3相比，T4组的Rfd值略低，部分区域出现的蓝色和绿色信号暗示光系统可能在高光强条件下承受了一定程度的光胁迫，导致Rfd有所下降。200 μmol·m⁻²·s⁻¹的高光强虽然依然维持了较高的光化学效率，但也可能由于光抑制效应，使光系统II的均匀性和光能利用效率受到负面影响。

基于图4的荧光递减比率（Rfd）荧光成像结果，不同光强处理对生菜光系统II的活性和光合能力产生了显著影响。T3组表现出最高的Rfd值（3.54），表明在该光强下，光系统II的活性和光能利用效率达到了最佳状态。相比之下，T1组和T2组的Rfd值较低，表明低光强条件下光系统的激发和光合效率受到了明显的限制。T4组尽管Rfd值也较高，但其光系统II的光能利用能力略低于T3组，可能由于过高光强引发了光抑制效应。

从整体来看，光强为150 μmol·m⁻²·s⁻¹（T3组）为生菜的光系统II提供了最适宜的激发条件，使其能够充分发挥光能捕获与利用的潜力，而不受到高光胁迫的抑制。因此，适中的光强（150 μmol·m⁻²·s⁻¹）在设施栽培中对于提升生菜的光合效率和生产性能至关重要，这一结论也为设施农业中光环境的优化提供了有力的科学依据。

3 讨论与结论

3.1 讨论

本研究探讨了不同光强处理对生菜叶片光系统II的光化学效率和光保护机制的影响。结果显示，光强对光系统II的活性和光合作用效率具有显著的影响，而适宜的光强选择对于优化生菜的生长至关重要。

150 μmol·m⁻²·s⁻¹的光强被证明是适合生菜生长的光环境条件，既能够充分激发光系统II的活性，又能够避免光抑制现象的发生。在这种光强条件下，光系统II的最大光化学效率（Fv/Fm）达到最高，并且其光保护机制得到了最佳的调节，能够确保光合作用的顺利进行。相比之下，低光强（50和100 μmol·m⁻²·s⁻¹）限制了光系统II的激发，导致光合作用效率不足，植株生长缓慢且整体光合潜力较低。而较高光强（200 μmol·m⁻²·s⁻¹）虽然在一定程度上提升了光系统II的活性，但由于高光强的光抑制效应，光系统II的均匀性和光能利用效率受到抑制，这可能对生菜的生长产生不利影响。进一步分析表明，适中的光强（150 μmol·m⁻²·s⁻¹）能够有效平衡光系统II的激发与光保护机制，最大化光能的利用效率，并同时避免过高光强引起的氧化胁迫和光损伤。这对于设施农业中的生菜栽培具有重要意义，因为在设施环境中，光照强度是可以精确调控的。通过选择合适的光强，能够提高生菜的产量和品质。

3.2 结论

研究表明，适中的光强（150 μmol·m⁻²·s⁻¹）既能确保光系统II的高效激发，又能够维持适当的光保护机制，提升了生菜的光合效率和生产性能。此外，这一研究还揭示了不同光强条件对光系统均匀性的影响，强调了在设施农业中精细化光环境管理的重要性，以最大化光能利用率和植物生长性能。综上所述，适中的光强（150 μmol·m⁻²·s⁻¹）为设施栽培条件下生菜的生长提供了适宜的光环境条件，显著提高了其光合效率和产量潜力。这些结果为设施农业的光环境管理和生菜高效生产提供了重要的理论参考。

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