連續(xù)光照條件下LED紅藍光供光模式對紫葉生菜生長和品質(zhì)的影響

邵明杰， 陳艷琦， 劉文科

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081）

植物工廠作為一種新興的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，可實現(xiàn)工廠內(nèi)光照、溫度、濕度和二氧化碳含量等環(huán)境因素的人為調(diào)控，使作物生長不受外界自然條件的影響，被認為是21世紀解決人口、資源和環(huán)境問題的重要途徑[1]。近年來，隨著具有窄波段、高能效、光譜光量任意可調(diào)等優(yōu)勢的發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，針對提高植物工廠生產(chǎn)率的新型LED供光模式的研究也日益深入[2]。區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常規(guī)的紅藍光連續(xù)、同時供光模式，在人工光植物工廠中應(yīng)用LED光源系統(tǒng)可以按照植物生理或生產(chǎn)目標實現(xiàn)光強和光質(zhì)周期內(nèi)的自動化調(diào)控，例如交替光照、間歇光照以及交錯光照等，在不同方面優(yōu)化栽培模式，提高光源的能量利用率，為植物工廠提高經(jīng)濟效益、降低能耗提供了可能的途徑。但是由于傳統(tǒng)光源的局限性，對新型光照模式的研究還處于起步階段。

連續(xù)光照（continuous light，CL）是指區(qū)別于自然界原有的24 h光周期內(nèi)晝夜交替的光環(huán)境，給植物提供無間斷光照的供光模式[3]。CL延長了植物進行光合作用的時間，也是植物工廠中除強光照射之外另一種增加光量子投入、促進植物生長的有效手段。一般來說，生菜對連續(xù)光照有一定的耐受能力，常規(guī)光強的連續(xù)光照會增加生菜葉片活性氧和抗氧化物質(zhì)的積累，也會提高植株的生物量[4]。但是也有研究表明，連續(xù)光照會使植物葉片失綠、葉片衰老、光合受損等[5-6]。這些相互矛盾的結(jié)果可能是由于品種的差異和環(huán)境因素，如CL的持續(xù)時間、光照強度、光譜組成以及環(huán)境溫度和濕度等[3]。因此供光模式的制定應(yīng)因植物種類甚至品種而異。

在自然環(huán)境中，植物暴露在光強和光質(zhì)頻繁變化的太陽輻射下，這種動態(tài)光照可能會成為植物的應(yīng)激源[7]。受限于傳統(tǒng)光源光強和光質(zhì)的不可控性，早期研究大多都是在固定的光譜光子通量密度分布（spectral photon flux density distribution，SPD）下研究光照強度、光譜組成和光周期對植物生長和生理變化的影響，關(guān)于SPD隨時間變化的輻照模式影響的研究較少。LED技術(shù)的發(fā)展使SPD隨時間變化成為可能，一些研究通過探索新型LED供光模式來提高植物的生產(chǎn)效率。Hanyu等[8]在生長室中研究了菠菜生長過程中暗期補光光質(zhì)和補光時間對菠菜生長的影響，發(fā)現(xiàn)在光照開始前，藍光對菠菜生長有著更強的促進作用。Jishi等[9]測定了LED紅藍光交錯照射對生菜生長的影響，發(fā)現(xiàn)日累積光照量（daily light integral，DLI）相同的條件下，隨著單色藍光照射時間的增加，生菜葉片變長、產(chǎn)量增加。Lanoue等[10]發(fā)現(xiàn)，紅藍光交替連續(xù)光照可以削減連續(xù)光照對番茄的傷害。研究表明，紅藍光交替照射可顯著增加生菜產(chǎn)量，并且藍光對蛋白質(zhì)和抗壞血酸合成有促進作用[11-13]。

本研究以常規(guī)光周期（16 h /8 h）為對照，設(shè)置了SPD恒定不變的CL處理，以及4個SPD在24 h周期內(nèi)發(fā)生規(guī)律性變化的CL處理，通過分析光環(huán)境對紫葉生菜生長和抗氧化系統(tǒng)的影響，研究新型供光模式能否提高植物對CL的耐受能力，從而減少CL對植物的傷害。本研究旨在為植物光配方的研究探索新的思路，促進新型LED供光模式在植物工廠中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及栽培環(huán)境

試驗選取‘紫珊’生菜為試驗材料，在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所試驗用人工光植物工廠中以水培方式進行栽培。植物工廠內(nèi)溫度(23±3) ℃，相對濕度40%～50%，CO2水平同外界大氣。

育苗時首先將生菜種子播種于用蒸餾水浸濕的海綿塊（2.5 cm×2.5 cm×2.5 cm）中，并置于黑暗環(huán)境至種子發(fā)芽；然后將發(fā)芽的種子轉(zhuǎn)移至白光LED燈（200 μmol·m-2·s-1，16 h /8 h）下進行培育，每2 d向育苗盤中補充1次營養(yǎng)液；育苗15 d后將生菜苗移栽至裝有10 L營養(yǎng)液的水培槽（50 cm×50 cm×5 cm）中，每個栽培槽中種植生菜13株，種植期間每10 d更換1次營養(yǎng)液。營養(yǎng)液配方（mmol·L-1）：0.75 K2SO4, 0.5 KH2PO4, 0.1 KCl, 0.65 MgSO4·7H2O, 1.0×10-3H3BO3, 1.0×10-3MnSO4·H2O,1.0×10-4CuSO4·5H2O, 1.0×10-3ZnSO4·7H2O, 0.1 EDTAFe, 5×10-6(NH4)6Mo7O24·4H2O和3.0 Ca(NO3)2·4H2O，pH 6.3，電導(dǎo)率（electrical conductivity，EC）1.3 mS·cm-1。幼苗定植后選用紅光波峰為655 nm、藍光波峰為456 nm的紅藍組合LED光源（50 cm×50 cm）進行光照處理。

1.2 光照處理及取樣

幼苗定植后在統(tǒng)一的光照條件下適應(yīng)7 d后進行不同的光照處理。適應(yīng)期間光照參數(shù)為200 μmol·m-2·s-1、16 h /8 h、4R:1B。適應(yīng)7 d后，以同一個水培槽的生菜為1組進行不同的光處理。試驗設(shè)置2個SPD恒定的4R:1B常規(guī)光照處理組，其中1組維持適應(yīng)期的光周期（RB，16 h /8 h）；另1組在第7天暗期結(jié)束時開始進行CL（RB’，24 h/0 h）處理。另外設(shè)置4個24 h光期內(nèi)SPD發(fā)生規(guī)律性變化的CL處理，其中2個交錯光照處理，24 h周期內(nèi)分別以藍光、紅藍光（4R:1B）、紅光的順序交替照射1次和2次，分別記作S1和S2；2個交替光照處理，24 h周期內(nèi)藍光和紅光分別交替照射1次和2次，分別記為A1和A2。6個處理的光照處理詳見表1，光強均為200 μmol·m-2·s-1，1個周期內(nèi)5個連續(xù)光照處理間的紅藍光量子數(shù)相同。在光照處理后的第14天RB處理光期結(jié)束時（21∶00）取樣。每個處理隨機取8株生菜，其中4株取中間的4～5片完全展開的葉片，剪去主葉脈迅速用液氮凍實后碾碎搖勻并保存在-80 ℃的超低溫冰箱中用于生理指標的測定；另外4株用于生長參數(shù)的測定。

表1 光照處理Table 1 Experimental design of light

1.3 生長參數(shù)測定

將生菜從莖基部剪開，用分析天平分別稱取地上部鮮重（shoot fresh weight，SFW）和地下部鮮重（root fresh weight，RFW）。稱重后將生菜地上部主葉脈剪去，分別采用Li-3100C葉面積儀和分析天平測定葉面積（leaf area，LA）和葉鮮重（fresh leaves weight，F(xiàn)LW），通過葉鮮重和葉面積的比值計算比葉重（specific leaf weight，SLW）。然后將生菜的葉片和根部分別用牛皮紙包好放入烘箱，在80 ℃下烘干至恒重，測定地上部干重（shoot dry weight，SDW）和地下部干重（root fresh weight，RFW），計算地上部含水量（shoot water content，SWC）。

1.4 生理指標測定

準確稱取0.1 g混勻后的冷凍鮮樣于2 mL離心管中，并使用高通量組織研磨器在低溫的條件下使用液氮將管內(nèi)樣品磨至粉末狀待測。

可溶性糖（soluble sugar，SS）含量測定采用苯酚-硫酸法[14]；淀粉含量測定采用酸水解法[15]；硝酸鹽含量參考Cataldo等[16]的方法測定；花青素含量采用pH示差法[17]測定；類黃酮和總酚（total phenol，TP）含量根據(jù)Khanam等[18]的方法進行測定；抗壞血酸（ascorbic acid，AsA）含量參考Spínola等[19]的方法進行測定；苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia-lyase，PAL）活性根據(jù)Koukol等[20]的方法測定；丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量采用Hodges等[21]的方法測定；超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）和過氧化物酶（peroxidase，POD）活性及過氧化氫（H2O2）和超氧陰離子含量均使用試劑盒（索萊寶，北京）測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 23軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，使用Graphpad prism軟件進行數(shù)據(jù)繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 CL條件下紅藍光供光模式對生菜生長及營養(yǎng)品質(zhì)的影響

與常規(guī)光照（RB）相比，5個紅藍光CL處理均顯著提高了生菜的地上部干重（表2），增幅為24%～65%，其中交替光處理（A1和A2）下生菜地上部干重最高，且顯著高于其他處理。5個CL處理的生菜地上部和地下部鮮重?zé)o顯著差異。S1、A1和A2處理的生菜地上部鮮重、地下部干重較RB處理顯著提高，其中地上部鮮重的增幅分別為38%、34%和45%。RB’、S1、A1和A2處理下生菜地下部鮮重較RB處理顯著提高43%～50%。與RB和RB’處理相比，S1、A1和A2處理下生菜葉面積顯著增加26%～39%。RB’處理生菜的比葉重顯著大于其他處理。由此可見，CL條件下非連續(xù)紅藍光照射通過生菜生物量的分配影響葉面積，進而影響生菜冠層的光截獲對生菜生物量的積累起作用。CL對生菜地上部干物質(zhì)的積累有顯著的促進作用，其中紅藍光交替處理（A1和A2）和紅藍光交錯1次照射處理（S1）對增加生菜產(chǎn)量的效果更顯著，A2處理下生菜地上部干、鮮重和葉面積均最大。A1和A2處理顯著降低了生菜地上部的含水量。

表2 不同處理模式下生菜的生長Table 2 Growth of lettuce under different treatments

S1處理下生菜可溶性糖含量最高，且顯著高于其他處理，較RB和RB’處理分別提高18%和14%；其他處理間可溶性糖含量無顯著差異（圖1）。與常規(guī)光照（RB）相比，CL處理下淀粉含量均顯著提高；與RB’處理相比，交替和交錯光處理下淀粉含量顯著提高10%～21%（圖1）。與RB處理相比，常規(guī)CL處理（RB’）對硝酸鹽含量無顯著影響（圖1）；交替和交錯光處理下硝酸鹽含量顯著提高，其中S1處理較S2處理葉片中硝酸鹽含量顯著提高39%，A1處理較A2處理顯著提高30%。由此可見紅藍光照射模式及其交錯照射、交替照射次數(shù)均顯著影響葉片中硝酸鹽的累積。

圖1 不同處理模式下生菜的可溶性糖、淀粉和硝酸鹽含量Fig. 1 SS， starch， and nitrate contents of lettuce under different treatments

2.2 連續(xù)光照條件下紅藍光供光模式對生菜抗氧化物質(zhì)及其相關(guān)酶活性的影響

與RB處理相比，常規(guī)CL處理（RB’）下生菜花青素含量顯著增加42%（圖2）。與RB’處理相比，交替和交錯光處理下葉片中花青素含量顯著增加75%～129%。RB和RB’處理下類黃酮和總酚含量差異不顯著（圖2）。CL處理間類黃酮含量差異不顯著，但S1、S2和A1處理下類黃酮含量顯著高于RB處理。交替和交錯光照處理下總酚含量較RB’處理顯著提高9%～13%。

圖2 不同處理模式下生菜的花青素、類黃酮和總酚含量Fig. 2 Anthocyanin， flavonoids， and TP contents of lettuce under different treatments

RB和RB’處理間生菜葉片中PAL活性差異不顯著（圖3）。與RB’處理相比，交替和交錯光處理下生菜葉片中PAL活性顯著提高28%～95%，其中，A1處理下生菜葉片中PAL酶活性最高，且顯著高于其他處理。

圖3 不同處理模式下生菜的PAL活性Fig. 3 PAL activity of lettuce under different treatments

由圖4可知，與常規(guī)光照RB處理相比，CL處理下生菜抗壞血酸含量顯著增加，其中，RB’處理下抗壞血酸含量較RB處理顯著增加20%；S2處理下抗壞血酸含量顯著高于其他處理，且比S1處理顯著增加12%；A2處理下抗壞血酸含量與A1相比顯著增加6%。由此可見，CL條件下紅藍光交替和交錯照射可在一定程度上增加生菜葉片中抗氧化物質(zhì)含量。

圖4 不同處理模式下生菜的AsA含量Fig. 4 AsA content of lettuce under different treatments

2.3 連續(xù)光照條件下紅藍光供光模式對生菜抗氧化酶活性的影響

CL處理下生菜葉片中POD和SOD活性均顯著高于RB處理，交替和交錯光處理下生菜CAT酶活性均顯著高于RB’處理（圖5）。與RB處理相比，RB’處理下POD和SOD活性分別顯著提高37%和16%，CAT活性顯著降低52%。S1處理下POD活性最高，且顯著高于其他處理；A1處理次之，顯著高于其他4個處理。S1、S2和A1處理下CAT活性顯著高于其他處理。S2和A1處理下SOD酶活性顯著高于RB、RB’和S1處理。

圖5 不同處理模式下生菜的抗氧化酶活性Fig. 5 Antioxidant enzymes activities of lettuce under different treatments

2.4 連續(xù)光照條件下紅藍光供光模式對生菜活性氧和MDA含量的影響

交替和交錯光處理間生菜H2O2含量和含量差異不顯著，但均顯著高于RB和RB’處理；RB和RB’處理之間H2O2含量差異不顯著（圖6）。與RB’處理相比，交替和交錯光處理下H2O2含量顯著提高38%～48%。RB’處理下含量較RB處理顯著提高81%。與RB’處理相比，交替和交錯光處理下含量顯著提高56%～58%。由此可見，連續(xù)光照條件下紅藍光交替和交錯照射可顯著增加生菜葉片中活性氧含量的積累。

圖6 不同處理模式下生菜的H2O2和含量Fig. 6 H2O2 and contents of lettuce under differen treatmentst

由圖7可知，RB’處理下生菜葉片中MDA含量較RB處理顯著增加105%；與RB’處理相比，交替和交錯光處理下MDA含量顯著增加50%～97%；交替光處理（A1和A2）下MDA含量顯著高于S1處理。

圖7 不同處理模式下生菜的MDA含量Fig. 7 MDA content of lettuce under different treatments

3 討論

CL是一種促進植物生長和營養(yǎng)品質(zhì)積累的潛在途徑，它能增加光合作用的持續(xù)時間和DLI。研究表明，延長光周期比增加光照強度更能有效地提高植物的生物量。在相同的DLI條件下，與短光周期的強光照射相比，長光周期的弱光照射更有利于生菜[22-23]、蘿卜[24]、玫瑰[25]等植物生物量的積累。本研究表明，不改變光強的條件下延長光照時間可有效促進生菜地上部干物質(zhì)量的累積，這可能得益于生菜比葉重的增加。和常規(guī)光照相比，交替光處理對生菜地上部生物量的促進作用最為顯著，同時交替光處理下生菜葉面積顯著增加，地上部含水量顯著降低。研究表明，黑暗期對植物氣孔發(fā)育起重要作用，因此CL可能會降低植物的保水能力[26]。氣孔在光照下開放，在黑暗中關(guān)閉，以此來調(diào)節(jié)植物的氣體交換和水分損失。單色藍光可通過激活保衛(wèi)細胞的滲透勢誘導(dǎo)氣孔開放[27-28]。Hanyu等[8]研究表明，在明期開始前進行30 min的單色藍光照射處理可有效增加菠菜的氣孔孔徑，促進植株生長，這可能也是交替光照射促進植物生長的原因。在本研究中，交錯光照射雖然促進了生菜地上部生物量的增加，但是對其含水量無顯著影響，這可能是因為不同植物種類對單色藍光照射調(diào)節(jié)氣孔開放的敏感度存在差別。Jishi等[9]研究表明，長時間（約7 h）的單色紅光和單色藍光照射可以促進植物葉片伸展，從而提高植株的光截獲能力促進植物生長，與本研究結(jié)果一致。

在植物碳氮代謝的復(fù)雜過程中，光環(huán)境起著決定性的作用。光能被綠色植物葉片吸收后，通過光系統(tǒng)Ⅱ和光系統(tǒng)Ⅰ中的一系列能量轉(zhuǎn)換和電子傳遞過程轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并儲存在ATP和NADPH中用于碳固定和氮還原[29]。植物中的碳水化合物可以刺激硝酸還原酶基因的表達，從而加速硝酸鹽代謝[30]。在弱光條件下，光合產(chǎn)物的減少將導(dǎo)致大量硝酸鹽作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)進入植物葉片，進一步加劇硝酸鹽在植物中的積累[31]。Zhou等[32]研究表明，采收前的短期CL可以有效降低生菜硝酸鹽含量，提高可溶性糖含量。然而本研究表明，紅藍光交錯和交替照射并未降低生菜碳水化合物含量，卻顯著增加了生菜葉片中硝酸鹽含量。有研究發(fā)現(xiàn)，在紅光和藍光的共同作用下，植物光合產(chǎn)物顯著增加，硝酸鹽含量顯著降低[33]。紅光可以提高植物葉片中硝酸還原酶活性，加速植物的硝酸鹽代謝，促進無機氮向有機氮的轉(zhuǎn)化[34]。紅藍光交錯和交替照射處理下生菜硝酸鹽含量增加可能是因為紅光照射時間的減少。增加交替光或交錯光照射頻率可有效減少硝酸鹽的累積，這也可能是得益于紅光對硝酸還原酶的調(diào)控作用。

CL和長時間的單色光照射都可能成為植物的應(yīng)激源，使植株產(chǎn)生更多的活性氧[29,35]。在本研究中，與SPD恒定的RB和RB’處理相比，紅藍光交錯和交替照射處理均顯著提高了生菜葉片中和MDA含量；而與RB處理相比，RB’也顯著提高了生菜葉片中和MDA含量。這表明紅藍光交錯和交替照射的連續(xù)光照處理下生菜活性氧含量的增加不僅與連續(xù)光照的時間有關(guān)，還和其SPD的變化有關(guān)。另外，本研究中CL處理均顯著降低了生菜的Fv/Fm，但其值均未低于0.8，說明連續(xù)光照處理下生菜葉片中活性氧的產(chǎn)生過程和清除過程處于動態(tài)平衡，植株未遭受到光氧化脅迫。

抗氧化酶系統(tǒng)是植物體內(nèi)清除活性氧的第一道防線，在本研究中活性氧含量對生菜抗氧化酶活性有明顯的調(diào)控作用。CL處理均顯著提高了生菜葉片POD和SOD活性，但是RB’處理顯著降低了生菜CAT活性，這可能是因為RB’處理下生菜H2O2含量未出現(xiàn)明顯累積。CL處理在一定程度上提高了生菜葉片中花青素和類黃酮含量，尤其是紅藍光交錯和交替照射的CL處理對花青素含量的提高作用更加顯著，紅藍光交錯和交替照射的CL處理下生菜總酚含量較RB’處理顯著提高，但是與RB處理相比無顯著性變化，這可能和PAL活性有關(guān)，其中，A1處理下生菜酚類物質(zhì)含量最高，PAL活性也最高。另外，連續(xù)光照處理對生菜抗壞血酸含量的提高同樣有顯著的促進作用，活性氧含量的提高促進了生菜抗氧化物質(zhì)的累積。

本研究表明，不改變光強（200 μmol·m-2·s-1）的條件下延長光照時間可有效促進生菜地上部干物質(zhì)量的累積，其中交替光處理對促進生菜地上部生物量的效果最佳。相比于CL，交錯和交替光處理下由于紅光照射時間縮，短硝酸鹽含量顯著增加。但交替照射促進了淀粉、抗壞血酸和抗氧化物質(zhì)的積累，提高了抗氧化酶的活性和H2O2、的含量。綜上所述，在環(huán)境可控的人工光植物工廠內(nèi)，光強為200 μmol·m-2·s-1時紅藍光交替連續(xù)照射有助于獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的生菜產(chǎn)品。