不同LED 組合光質(zhì)對萵苣灰霉病防御酶活性的影響

劉勇鵬王彬楊哲任旭妍朱新紅馬肖靜孫凱樂孫治強(qiáng)樸鳳植張濤姚秋菊

(1. 漯河市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南漯河 462000；2. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所，河南鄭州 450002；3. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，河南鄭州 450002；4. 河南省駐馬店農(nóng)業(yè)學(xué)校，河南駐馬店 463000)

葉用萵苣(Lactuca sativaL.)，又名生菜，營養(yǎng)豐富、栽培管理簡單，是當(dāng)前植物工廠及設(shè)施溫室栽培中重要的主栽蔬菜之一[1]。 光是植物重要的調(diào)控信號，也是植物生長發(fā)育的重要能量來源[2-3]，植物會因光環(huán)境的不同而產(chǎn)生不同的生理生化反應(yīng)[4]。 當(dāng)前，半導(dǎo)體技術(shù)的不斷成熟和迅猛發(fā)展，使高效、環(huán)保、穩(wěn)定的LED 燈在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，也讓人工光環(huán)境控制技術(shù)取得很大進(jìn)步和發(fā)展[5-6]。 其中萵苣生產(chǎn)中，有研究發(fā)現(xiàn)LED 紅藍(lán)黃復(fù)合光質(zhì)可促進(jìn)萵苣生長；LED 紅藍(lán)光下通過添加一定量的綠光和黃光，對生菜的光合性能和產(chǎn)量有很好的提升作用[7-8]。 也有研究發(fā)現(xiàn)，光質(zhì)對植物的抗病性也有一定的影響，它參與多種作物對病原菌的多種防御生理反應(yīng)，能增強(qiáng)植物的多種防御酶活性，提高植物抗病、抗逆能力[9-10]:Wang 等[11]研究指出，光照質(zhì)量對黃瓜白粉病有較大影響；Islam 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，紅光照射下番茄植株中的防御酶抗性提高，能有效防治番茄根結(jié)線蟲病侵染；付雁南[13]研究不同光質(zhì)LED 處理對接種在培養(yǎng)基上的灰霉病菌落的抑制作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，紫光處理的抑制率要高于藍(lán)光。 灰霉病作為一種全球高危病害，尤其是在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中，一旦發(fā)病，可減產(chǎn)20%～50%，嚴(yán)重者甚至絕收[14-15]。

目前針對LED 單色光以及紅藍(lán)光對作物抗病性及致病性機(jī)理的研究相對較多，而關(guān)于其它組合光諸如黃光、綠光及紫光的多種組合研究相對較少[16]。 因此本試驗(yàn)在前人研究基礎(chǔ)上，于萵苣生長后期，以紅藍(lán)組合光(紅光∶藍(lán)光＝4∶1)為基礎(chǔ)及對照，通過添加一定比例紫光、黃光和綠光組成紅藍(lán)紫、紅藍(lán)黃、紅藍(lán)綠3 種不同組合光質(zhì)處理，并在光照第3 d 時(shí)進(jìn)行灰霉病菌接種處理，調(diào)查研究萵苣在不同組合光質(zhì)下灰霉病的發(fā)病狀況及接種前后其對植株體內(nèi)POD、PPO、PAL、CHT、GLU 主要防御酶活性的影響，以期篩選出能抑制萵苣灰霉病菌的最佳組合光質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與設(shè)備

供試葉用萵苣品種:‘美國大速生’，由河南豫藝種業(yè)公司提供。 供試LED:由河南智圣普電子有限公司提供。 供試灰霉病病菌孢子:河南農(nóng)業(yè)大學(xué)植保學(xué)院實(shí)驗(yàn)室內(nèi)培養(yǎng)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理，分別為紅藍(lán)組合光(RB，紅光∶藍(lán)光＝4∶1)、紅藍(lán)紫組合光(RBP，紅光∶藍(lán)光∶紫光＝4∶1∶1)、紅藍(lán)黃組合光(RBY，紅光∶藍(lán)光∶黃光＝4 ∶1 ∶1)、紅藍(lán)綠組合光(RBG，紅光∶藍(lán)光∶綠光＝4∶1∶1)。 光合有效輻射通量密度為(200±5) μmol·m-2·s-1。 各處理LED 組合光相對光譜值見圖1。

圖1 不同LED 組合光相對光譜圖

1.3 試驗(yàn)條件與處理方法

本試驗(yàn)于2018年在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)毛莊科教園區(qū)植物工廠內(nèi)采用水培方式進(jìn)行。 其白天溫度控制在23～25 ℃，夜間控制在15 ～18 ℃，濕度為65%～75%，CO2濃度為350 ～400 μmol·mol-1，晝夜周期為12 h/12 h。 水培種植設(shè)備是立體栽培架，規(guī)格為:1 850 mm(L)×700 mm(W)×2 500 mm(H)，層高500 mm。 其上面是四層栽培槽，栽培槽規(guī)格為1 800 mm(L)×650 mm(W)×100 mm(H)。 栽培槽由栽培床和種植托板組成，栽培床放營養(yǎng)液，種植托板用來固定葉用萵苣。 栽培架最底部是營養(yǎng)液灌溉設(shè)備。 LED 組合光源布局和布置方法為:每層栽培槽設(shè)置一種光源處理，四周拉上遮光布。 營養(yǎng)液采用山崎葉類蔬菜專用配方(大量營養(yǎng)元素配方為:四水硝酸鈣236 mg·L-1、硝酸鉀404 mg·L-1、磷酸二氫銨57 mg·L-1和七水硫酸鎂123 mg·L-1。 微量元素配方為:乙二胺四乙酸二鈉鐵20～40 mg·L-1、硼酸2.86 mg·L-1、四水硫酸錳2.13 mg·L-1、七水硫酸鋅0.22 mg·L-1、五水硫酸銅0.08 mg·L-1、四水鉬酸銨0.02 mg·L-1和硫酸亞鐵13.9 mg·L-1)，每7 d 更換1 次營養(yǎng)液。 萵苣生長前期采用紅藍(lán)(4∶1)光照處理；生長至28 d 時(shí)，在紅藍(lán)光基礎(chǔ)上再分別添加黃光、紫光、綠光進(jìn)行紅藍(lán)紫、紅藍(lán)黃、紅藍(lán)綠組合光處理；組合光照處理后3 d 對萵苣上部第3 片葉進(jìn)行針刺灰霉病菌接種處理，接種的孢子懸浮液為106cfu·mL-1，接種后共計(jì)8個(gè)處理。 隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3 次。 為避免交叉感染，未接菌和接菌處理間有適當(dāng)距離隔離，接菌后植物工廠溫度調(diào)至30 ℃，濕度調(diào)至80%，使其快速感病。

1.4 測定指標(biāo)及方法

紅藍(lán)紫、紅藍(lán)黃、紅藍(lán)綠組合光處理后1 d 和3 d 進(jìn)行采樣，測定GLU(β-1，3-葡聚糖酶)、PAL(苯丙氨酸解氨酶)、POD(過氧化物酶)、CHT(幾丁質(zhì)酶)及PPO(多酚氧化酶)主要防御酶活性。組合光處理5 d 時(shí)調(diào)查灰霉病發(fā)病情況，同時(shí)在處理后5 d 和7 d 時(shí)分開采樣，測其酶活性。

POD 活性測定根據(jù)Huo 等[17]的方法；PAL 活性測定采用反式肉桂酸顯色法，PPO 活性測定采用鄰苯二酚法，均參照《植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)》[18]進(jìn)行；GLU 及CHT 活性測定參照田菲菲[19]的方法。 隨機(jī)取樣，所有指標(biāo)測定均重復(fù)3 次。

參照楊哲[20]的葉類蔬菜灰霉病分級標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算病情指數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用WPS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并作圖，SPSS 20.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析(Duncan’s，P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同LED 組合光質(zhì)對萵苣灰霉病發(fā)病的影響

由表1 可知，不同LED 組合光質(zhì)處理葉用萵苣灰霉病的病情指數(shù)相比CK(紅藍(lán)光)均顯著降低。 接種灰霉病菌后2 d，各處理萵苣完全發(fā)病，其中CK(RB)病情指數(shù)最高，為53.33，其次為紅藍(lán)綠(RBG)和紅藍(lán)黃(RBY)組合光質(zhì)處理，紅藍(lán)紫(RBP)處理病情指數(shù)最低，僅為10.00。 說明在紅藍(lán)光條件下適當(dāng)添加一定量的紫光、綠光和黃光對灰霉病的發(fā)生均有一定的抑制作用，整體以添加紫光處理抑制能力最強(qiáng)。

表1 不同LED 組合光質(zhì)下萵苣灰霉病的發(fā)病情況

2.2 不同LED 組合光質(zhì)對萵苣灰霉病防御酶POD 活性的影響

由圖2 可知，不同LED 組合光質(zhì)對葉用萵苣灰霉病防御酶POD 活性有著不同影響。 光照1 d時(shí)，各處理間POD 活性無顯著差異。 光照3 d時(shí)，各處理間POD 活性存在顯著差異，以RBP(紅藍(lán)紫)處理POD 活性最高，比CK(RB)增高27%(P＜0.05)，RB 酶活性最低。 光照5 d 接種病菌2 d 時(shí)，RBP+F 處理POD 活性最高，其次是RBG(紅藍(lán)綠)+F，兩處理間無顯著差異，但與其它處理均差異顯著，RBY(紅藍(lán)黃)+F 與RB(紅藍(lán))+F 處理間差異也不顯著；未接種病菌處理中，RBP 處理酶活性最高，比RB 高33%且差異顯著。光照7 d 接種病菌4 d 時(shí)，各個(gè)接種病菌處理都比未接種病菌處理高，整體以RBP+F 和RBY+F 處理的POD 活性最高；未接種病菌處理中，各LED組合光質(zhì)處理的POD 活性比RB 都顯著增高。

圖2 不同LED 組合光質(zhì)對萵苣灰霉病防御酶POD 活性的影響

綜上可知，在紅藍(lán)組合光條件下適當(dāng)添加紫光、綠光和黃光可以提高萵苣體內(nèi)POD 活性，整體上看以紅藍(lán)紫和紅藍(lán)黃LED 組合光質(zhì)最有利于提高感染灰霉病萵苣體內(nèi)的POD 活性。

2.3 不同LED 組合光質(zhì)對萵苣灰霉病防御酶PPO 活性的影響

由圖3 可知，不同LED 組合光質(zhì)對接種灰霉病菌萵苣的PPO 活性有著不同影響。 光照1 d時(shí)，各處理萵苣PPO 活性均顯著高于CK(RB)，以RBP(紅藍(lán)紫)處理PPO 活性最高，比RB 高14.06%；其次是RBY(紅藍(lán)黃)處理，比RB 高8.45%。光照3 d 未接菌時(shí)，以RBY(紅藍(lán)黃)處理的PPO 活性最高，顯著高于其它處理，比RB 高36%；其次是RBG(紅藍(lán)綠) 處理，比RB 高26.11%；RBP 處理與RB 相比無顯著差異，僅高7%。 光照5 d 接種病菌2 d 時(shí)，添加紫光和黃光的接菌和未接菌處理的PPO 活性與各自CK 相比均差異顯著，以RBY(紅藍(lán)黃)+F 處理的PPO活性最高，其次是RBP+F 處理。 光照7 d 接種灰霉病菌4 d 時(shí)，未接菌處理中，以RBY(紅藍(lán)黃)和RBG(紅藍(lán)綠)處理的PPO 活性最高；接菌處理中，RBP(紅藍(lán)紫)+F 處理的PPO 活性最高，其次為RBY(紅藍(lán)黃)+F 和RBG(紅藍(lán)綠)+F 處理。

圖3 不同LED 組合光質(zhì)對萵苣灰霉病防御酶PPO 活性的影響

綜上可知，在紅藍(lán)組合光基礎(chǔ)上添加一定比例的紫光、黃光、綠光組成組合光質(zhì)，可以提高萵苣PPO 活性，接種灰霉病菌后，整體上以RBP+F 處理最有利于提高萵苣PPO 活性，控制灰霉病菌侵染。

2.4 不同LED 組合光質(zhì)對萵苣灰霉病防御酶PAL 活性的影響

由圖4 可以看出，光照1 d 時(shí)，各處理萵苣PAL 活性無顯著差異。 光照3 d 時(shí)，與紅藍(lán)組合光相比，添加紫光、黃光和綠光對萵苣PAL 活性均有一定的提升作用，其中RBY(紅藍(lán)黃)和RBG(紅藍(lán)綠)處理的PAL 活性顯著高于CK(RB)，分別增高5%和10%。 光照5 d 接種病菌2 d 時(shí)，各接菌處理比對應(yīng)的未接菌處理PAL 活性都高；各接菌處理中，RBG+F 處理PAL 活性最高，但與RB+F 無顯著差異，僅高5%；RBY+F 處理酶活性與RB+F 相比降低4.4%。 光照7 d 接種病菌4 d 時(shí)，RBY+F 處理的PAL 活性最高，其次是RBP(紅藍(lán)紫)+F 處理，與未接菌的RBY、RBP 處理均差異顯著；RBG+F 處理最低，與RBG 處理差異不顯著。

圖4 不同LED 組合光質(zhì)對萵苣灰霉病防御酶PAL 活性的影響

綜上可知，在紅藍(lán)組合光基礎(chǔ)上添加一定比例的紫光、黃光、綠光組合光質(zhì)對葉用萵苣PAL活性均有一定的提升作用，接種灰霉病菌后，整體上以添加黃光最有利于提高PAL 活性，其次是添加紫光。

2.5 不同LED 組合光質(zhì)對萵苣灰霉病防御酶CHT 活性的影響

由圖5 可知，不同組合光質(zhì)對葉用萵苣CHT活性均有一定影響。 光照1 d 時(shí)，各處理萵苣CHT 活性均顯著高于CK(RB)，其大小順序?yàn)镽BY＞RBG＞RBP ＞RB，比RB 分別增高23.33%、24.38%和23.21%。 光照3 d 時(shí)，RBY(紅藍(lán)黃)和RBG(紅藍(lán)綠)組合光質(zhì)處理的CHT 活性相比RB差異顯著，分別增高27.10%和19.17%，而RBP(紅藍(lán)紫)處理與RB 差異不顯著。 光照5 d 接種病菌2 d 時(shí)，未接菌處理中，RBP 處理的CHT 活性最高，顯著高于其它處理，比RB(紅藍(lán)光)高68.58%；接菌處理中，CHT 活性也以RBP(添加紫光)+F 處理最高；各接菌處理的CHT 活性均顯著高于對應(yīng)的未接菌處理。 光照7 d 接種病菌4 d時(shí)，以添加綠光的RBG+F 處理CHT 活性最高，其次是RBY+F 和RBP 處理。

綜上可知，在紅藍(lán)光基礎(chǔ)上添加一定比例紫光、黃光、綠光的組合光質(zhì)對葉用萵苣的CHT 活性均有一定的提升作用，且隨著光照時(shí)間的延長和接種灰霉菌的影響，整體上以添加綠光和黃光提升作用最為明顯。

2.6 不同LED 組合光質(zhì)對萵苣灰霉病防御酶GLU 活性的影響

由圖6 可知，不同LED 組合光質(zhì)對葉用萵苣GLU 活性均有一定的影響。 光照1 d 時(shí)，各處理GLU 活性除RBY(添加黃光)顯著高于CK(RB)外，其它處理與RB 均無顯著差異。 光照3 d 時(shí)，3個(gè)LED 組合光質(zhì)處理的GLU 活性均顯著高于CK(RB)，RBY 處理仍最高，比CK 增22.39%；其次是RBG(添加綠光)和RBP(添加紫光)處理，比CK 分別高14.42%和11.21%。 光照5 d 接種病菌2 d 時(shí)，RBP(紅藍(lán)紫)+F 處理GLU 活性最高，其次是未接菌的RBP(紅藍(lán)紫)處理，兩處理間無顯著差異，前者顯著高于其它未摘菌處理。光照7 d 接種病菌4 d 時(shí)，未接菌的RBY(紅藍(lán)黃)和RBG(紅藍(lán)綠)處理GLU 活性分別比RB 高65.07%和69.0%，RBP 比RB 高33.54%，均達(dá)顯著水平；接菌處理中，3個(gè)組合光質(zhì)處理間無顯著差異，但顯著高于RB+F，RBG(紅藍(lán)綠)+F 處理酶活性最高，RBY+F(紅藍(lán)黃)位次，分別比RB+F增加25.77%和25.50%，均達(dá)顯著水平。

圖6 不同LED 組合光質(zhì)對萵苣灰霉病防御酶GLU 活性的影響

由上可知，接種灰霉病菌后，LED 紅藍(lán)組合光基礎(chǔ)上添加一定比例的紫光、黃光、綠光均能有利于提高葉用萵苣GLU 活性，整體上以紅藍(lán)黃、紅藍(lán)紫處理較佳。

3 討論與結(jié)論

光環(huán)境作為植物離不開的環(huán)境因子，不僅提供植物所需的輻射能量，還能傳遞光能量信號，調(diào)控其植物發(fā)育[21]。 當(dāng)前，隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，特別是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來的高精度環(huán)境控制技術(shù)，使周年生產(chǎn)的植物工廠在我國得到很大發(fā)展，尤其是在LED 光環(huán)境控制技術(shù)上，通過調(diào)節(jié)形成不同LED 組合光質(zhì)來控制作物的生長發(fā)育，以提高作物的抗蟲、抗病以及抗脅迫能力，這已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[2]。

有研究表明，園藝作物生長及其產(chǎn)量主要取決于光合效率，其中波長400 ～700 nm 范圍內(nèi)的光質(zhì)是植物進(jìn)行光合作用的主要光頻率，而植物對紅藍(lán)光的吸收率約為90%[22-23]。 基于紅光和藍(lán)光的多種組合光質(zhì)對萵苣生長影響的研究有較多報(bào)道:王曉晶等[24]研究表明，添加綠光能降低生菜的地上部生物量，抑制其正常生長發(fā)育進(jìn)程；陳田甜[25]研究指出，在紅藍(lán)光基礎(chǔ)上補(bǔ)充黃光可以提高番茄地上部生物量；石圓圓[7]研究表明，補(bǔ)充紫光處理下的萵苣株高降低，葉片衰老延緩。本試驗(yàn)表明，在紅藍(lán)光條件下適當(dāng)添加紫光的RBY(紅藍(lán)紫)處理最能降低灰霉病的發(fā)病程度。這與付雁南[13]的研究結(jié)果一致，即LED 紫光處理能抑制灰霉菌菌絲生長。

研究發(fā)現(xiàn)，植物受到病原菌侵害后會產(chǎn)生多種防御反應(yīng)，而光作為植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因子，不僅能調(diào)控植物的生長發(fā)育，也參與植物對病原菌抗性機(jī)制的建立，提高植物體內(nèi)多種防御酶活性[26]。 其中抗氧化代謝對植物的抗病性有關(guān)鍵作用，POD 活性增強(qiáng)能很好地減輕由病原菌引起活性氧增多造成的傷害[27]。 本研究發(fā)現(xiàn)，在紅藍(lán)組合光條件下適當(dāng)添加紫光、綠光、黃光可以提高萵苣體內(nèi)過氧化物酶活性，在未接種灰霉病菌前以添加紫光處理酶活性最高，接種病菌后以添加紫光和黃光處理最有利于提高POD 活性。這與韓吉思等[28]的研究結(jié)果(紅心杉在不同配比紅藍(lán)光基礎(chǔ)上增加紫光POD 活性會增加)、石圓圓[7]的研究結(jié)果(補(bǔ)充LED 紫光處理能明顯提高萵苣的POD 活性)一致。 PAL 是植物次生代謝最重要的酶，與植物的抗病能力直接相關(guān)[29]。 本研究發(fā)現(xiàn)，在LED 紅藍(lán)光基礎(chǔ)上添加紫光、黃光、綠光的不同組合光質(zhì)處理對葉用萵苣PAL 活性有很好的提升作用，接種病菌后以添加黃光、紫光處理的PAL 活性相對較高。 這與崔琳琳等[30]的研究結(jié)果(苦蕎在紫光下PAL 活性和黃酮類累積量都較高)一致。 PPO 是一種含銅的氧化酶，當(dāng)植物細(xì)胞受到病原菌侵染或入侵破壞時(shí)，PPO 會發(fā)生生理反應(yīng)，產(chǎn)生酚類物質(zhì)，防止植物侵染，甚至殺死病原菌[31]。 本試驗(yàn)中，在紅藍(lán)組合光基礎(chǔ)上添加一定比例的紫光、黃光、綠光處理對萵苣體內(nèi)PPO 活性均有一定的提升作用，以添加紫光最有利于提高接種灰霉菌萵苣體內(nèi)的PPO 活性。這與王虹[26]的研究結(jié)果(紫光處理能顯著提高白粉病黃瓜植株體內(nèi)的PAL 和PPO 活性)一致。另外有研究發(fā)現(xiàn)，GLU 和CHT 在抵御植物病原菌傷害的防御反應(yīng)中發(fā)揮著細(xì)胞壁水解酶的作用，往往在植物受病原菌或其它逆境傷害時(shí)被誘導(dǎo)和積累，能夠控制真菌孢子的發(fā)育和菌絲生長。 本研究發(fā)現(xiàn)，在LED 紅藍(lán)光質(zhì)基礎(chǔ)上添加紫光、黃光、綠光的不同組合光質(zhì)處理對葉用萵苣CHT、GLU 活性均很好的增強(qiáng)作用，且隨著光照時(shí)間的延長和接種灰霉菌的影響，整體上看CHT 活性以添加綠光和黃光處理相對較高，GLU 活性則以添加黃光、紫光處理較高。

綜上可知，葉用萵苣生長后期接種灰霉病菌后，不同LED 組合光質(zhì)處理中以添加紫光處理最有利于降低灰霉病的發(fā)生程度；在紅藍(lán)光基礎(chǔ)上添加紫光和黃光處理的POD、PAL、PPO、GLU 活性較高，添加綠光和黃光處理的CHT 活性增強(qiáng)最為明顯。 整體上看，在LED 紅藍(lán)光基礎(chǔ)上添加一定比例的紫光或黃光，對葉用萵苣灰霉病能產(chǎn)生較好的防御能力。

當(dāng)前，隨著人們食品安全意識的增強(qiáng)，一些高毒農(nóng)藥、抗生素等有機(jī)污染物在蔬菜生產(chǎn)中的應(yīng)用逐漸受到限制[32]。 而隨著LED 光照技術(shù)在設(shè)施蔬菜上的應(yīng)用，明確不同組合光質(zhì)配比對提高植物抗病性的作用機(jī)理[33]、開展綠色高效的不同組合光質(zhì)病害防治，也將成為未來LED 應(yīng)用的重要研究方向。