不同LED光源對(duì)一種新紫菜葉狀體生長(zhǎng)發(fā)育和光合生理的影響

摘" 要：將一種新紫菜放置在5種不同的LED光源下培養(yǎng)，通過(guò)測(cè)量其各種數(shù)值，來(lái)探討哪種LED光源會(huì)促進(jìn)該種新紫菜的生長(zhǎng)和光合作用。該種新紫菜葉狀體的藻膽蛋白含量在藍(lán)光和白光處理下的含量顯著高于紅光和綠光的處理。紅光和白光處理下葉綠素a含量和類(lèi)胡蘿卜素含量顯著高于藍(lán)光與綠光處理下的含量。該種新紫菜在藍(lán)光照射下最大相對(duì)電子傳遞速率（rETRmax）達(dá)到最大值，綠色最低，F(xiàn)v/Fm無(wú)明顯差距，NPQ的數(shù)值在藍(lán)光下最高，橙光下最低。探索不同LED光對(duì)該種新紫菜葉狀體生長(zhǎng)發(fā)育和光合生理的影響，可以為未來(lái)開(kāi)發(fā)利用這個(gè)新物種提供基本資料。

關(guān)鍵詞：新紫菜；LED燈；光質(zhì)；色素；生長(zhǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：S968.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-2419（2024）06-0684-06

中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，紫菜（Porphyra）是出口的重要海洋農(nóng)作品中不可或缺的一部分，是食物的來(lái)源之一，同時(shí)也是中國(guó)沿海城市重要的經(jīng)濟(jì)來(lái)源[1-2]。紫菜的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量相對(duì)比較高，物美價(jià)廉[3]。紫菜也還能緩減海洋環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化，提高藻體種植區(qū)域的溶解氧含量，防治海洋酸化問(wèn)題以及海洋低溶氧問(wèn)題等[4]。紫菜富含人體所需的多種物質(zhì)，長(zhǎng)期食用具有促進(jìn)健康、提高人體防御抵抗能力等多種功效[5]。在連云港的海域地區(qū)調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)了一種紫菜。經(jīng)過(guò)初步研究，這種紫菜只在Genebank有少量記錄，沒(méi)有正式命名。該種紫菜的葉狀體具有 形態(tài)細(xì)長(zhǎng)、藻體較薄、耐干旱等特點(diǎn)，具有潛在的栽培價(jià)值和生態(tài)價(jià)值。

光是植物生長(zhǎng)發(fā)育的一部分，也是光合作用過(guò)程中不可缺乏的一部分，能夠促進(jìn)植物體的新陳代謝，促進(jìn)植物體細(xì)胞分化以及細(xì)胞分裂，是植物體不可缺少的外界條件[6]。在實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)人員更多是使用人工光源培育植物體的生長(zhǎng)發(fā)育[7]。這些燈很多都是讓電能白白流失掉，或者是轉(zhuǎn)化為植物體所不需要的熱能，然而這部分能量會(huì)導(dǎo)致植物體因受高溫而破壞或者是死亡[8]。

LED燈作為新型光源，該技術(shù)在中國(guó)有很廣泛的應(yīng)用[9]。LED燈比傳統(tǒng)的燈所消耗的能量接近其一半，且工作效率高[10]。在藻類(lèi)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)中，紅光以及藍(lán)光下江籬的色素含量相比于其他光質(zhì)下的色素含量要略高于0.5倍左右[11]，相比熒光燈，藍(lán)色以及綠色LED燈照射能夠提高藻紅蛋白的含量[12]。對(duì)于綠藻石莼，紅色LED 燈可以提高其生長(zhǎng)發(fā)育的速度以及增加其類(lèi)胡蘿卜素的含量[13]。據(jù)有關(guān)研究表明，藍(lán)光效應(yīng)具有記憶性，在黑暗環(huán)境下藻體的呼吸作用依照之前的速率進(jìn)行著，藍(lán)光可能促進(jìn)RNA的合成以及蛋白質(zhì)的合成[14]。藍(lán)光可以提高對(duì)NO-2，PO3-4等離子的吸收效率，藍(lán)光在紅藻和綠藻的生長(zhǎng)過(guò)程中，能夠促進(jìn)藻體氮的積累，為碳固定以及氮固定的途徑提供能量[15]。研究發(fā)現(xiàn)紅藻在藍(lán)色光質(zhì)下其生長(zhǎng)發(fā)育速度最低，綠藻在藍(lán)光下的蛋白質(zhì)含量以及生長(zhǎng)率要明顯高于紅光，但在藍(lán)光下的糖含量要明顯低于紅光下。在藻體中，不是單純通過(guò)調(diào)整自身色素含量就能適應(yīng)光質(zhì)條件，當(dāng)葉綠素增加時(shí)，光吸收力是不會(huì)變大的[16]。光質(zhì)對(duì)于藻體的生長(zhǎng)發(fā)育的影響是很重要的，研究出藻體在何種光質(zhì)下能夠更好更快地生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)于其營(yíng)養(yǎng)成分的培育是有很大的作用。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為從連云港連云區(qū)海域采摘的新紫菜葉狀體，在實(shí)驗(yàn)室將葉狀體用海水進(jìn)行簡(jiǎn)單漂洗，然后通氣并加入營(yíng)養(yǎng)鹽培養(yǎng)3 d即開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置

將五種不同顏色的LED燈帶（藍(lán)色，綠色，紅色，白色，橙色）均勻粘貼在培養(yǎng)鍋的內(nèi)壁上，將培養(yǎng)鍋放置在植物培養(yǎng)箱中，光強(qiáng)保持在60 μmol·photons/m2·s。將新紫菜的葉狀體放入500 mL的培養(yǎng)瓶中，每個(gè)培養(yǎng)鍋內(nèi)放置3瓶培養(yǎng)瓶作為平行試驗(yàn)。將培養(yǎng)鍋放入10℃的HP1000 G-D型植物培養(yǎng)箱內(nèi)，并通空氣培養(yǎng)，光周期為1212。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 相對(duì)生長(zhǎng)速率（RGR）的測(cè)定

用面積法測(cè)定相對(duì)生長(zhǎng)速率（Relative growth rate，RGR），每隔2 d將新紫菜平鋪在透明玻璃板上，并拍照。在透明玻璃板的右上角放一個(gè)面積為1cm2的紙片為參照物，最后紫菜連同參照物一起拍下照片。用Photoshop軟件處理紫菜面積，相對(duì)生長(zhǎng)速率（RGR）計(jì)算公式如下：

RGR=100×ln（Wt/W0）/t

其中，Wt代表在第t天藻體的面積，W0代表藻體初始時(shí)的面積。

1.3.2 類(lèi)胡蘿卜素（Car）和葉綠素a（Chla）的測(cè)定

新紫菜葉狀體培養(yǎng)至8 d后，稱(chēng)取0.1 g左右的葉狀體放入含有5 mL甲醇的離心管中，避光處理。放置4℃的冰箱冷藏24 h后，設(shè)置溫度為4℃，轉(zhuǎn)速為5000 r/min，時(shí)間為10 min進(jìn)行離心。吸取上清液3 mL，測(cè)量在470 nm、653 nm、666 nm波長(zhǎng)處的吸光值。Car以及Chla的計(jì)算公式如下：

Car=（1000×A470+1403.57×A666-3473.87×A653）/221×10/W/1000

Chla=（15.65×A666-7.53×A653）×5/W/1000

1.3.3 藻紅蛋白（PE）和藻藍(lán)蛋白（PC）測(cè)定

新紫菜葉狀體培養(yǎng)至8 d后，稱(chēng)取0.1g左右的葉狀體與石英砂以及磷酸緩沖液（pH值=6.8）研磨碎。用磷酸緩沖液將其定容到15 mL，溫度為4℃，轉(zhuǎn)速為5000 r/min離心15 min。吸取 3 mL的上清液，測(cè)量其在455、564、592波長(zhǎng)處的吸光值。PE和PC的計(jì)算公式如下：

PE=[（A564-A592）-（A455-A592）×0.2]×0.12×10/W

PC=[（A618-A645）-（A592-A645）×0.51]×0.15×10/W

1.3.4 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定

取五種不同光質(zhì)下0.1 g新紫菜的葉狀體放置于比色皿中，暗處理15 min，然后用小型浮游植物熒光測(cè)定儀測(cè)量QY值來(lái)反映Fv/Fm。NPQ以及相對(duì)電子傳遞速率（rETR）的數(shù)值可直接由儀器測(cè)量得出。

2 結(jié)果

2.1 不同光質(zhì)處理下新紫菜葉狀體的相對(duì)生長(zhǎng)速率（RGR）

根據(jù)圖1可知，白光的處理下的新紫菜葉狀體在第8天時(shí)的生長(zhǎng)速率是最高的，顯著高于其他光質(zhì)處理下的生長(zhǎng)速率（P＜0.05）。紅光和綠光處理下的新紫菜葉狀體在第8天時(shí)的生長(zhǎng)速率顯著低于其他光處理下的生長(zhǎng)速率（P＜0.05）。新紫菜葉狀體在各種光質(zhì)的短期處理下都能正常生長(zhǎng)。

根據(jù)圖1我們可以得知，白光的處理下的新紫菜葉狀體在第8天時(shí)的生長(zhǎng)速率是最高的，顯著高于其他光質(zhì)處理下的生長(zhǎng)速率（P＜0.05）。紅光和綠光處理下的新紫菜葉狀體在第8天時(shí)的生長(zhǎng)速率顯著低于其他光處理下的生長(zhǎng)速率（P＜0.05）。新紫菜葉狀體在各種光質(zhì)的短期處理下都能正常生長(zhǎng)。

2.2 不同光質(zhì)處理下新紫菜葉狀體葉綠素a（Chla）和類(lèi)胡蘿卜素（Car）的含量

根據(jù)圖2可知，在紅光和白光的處理下，葉綠素a的含量顯著高于其他光質(zhì)（P＜0.05），藍(lán)光和綠光相對(duì)較低兩者沒(méi)有顯著性差異（P＞0.05）。在白光、紅光、橙光的處理下，類(lèi)胡蘿卜素的含量顯著高于藍(lán)光（P＜0.05）。故而，白光、紅光處理下能夠促進(jìn)新紫菜葉狀體葉綠素a和類(lèi)胡蘿卜素的合成。

2.3 不同光質(zhì)處理下新紫菜葉狀體藻紅蛋白（PE）和藻藍(lán)蛋白（PC）的含量

根據(jù)圖3可知，新紫菜在藍(lán)光的處理下，其藻紅蛋白和藻藍(lán)蛋白的含量最高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在紅色光質(zhì)下的含量（P＜0.05）。其在白光和藍(lán)光的照射下，其藻紅蛋白和藻藍(lán)蛋白的含量基本沒(méi)有什么差距，在橙光的照射下，其藻蛋白的含量還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在綠光下的含量，但比紅光下的含量要多，與白光，藍(lán)光下的含量相差不大。

2.4 不同光質(zhì)處理下新紫菜葉狀體的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）

根據(jù)圖4可知，新紫菜在各種光質(zhì)下Fv/Fm沒(méi)有很大的差距，其數(shù)值較為平均，新紫菜在藍(lán)光下的數(shù)值最大，大約為0.45，然后在綠光下的數(shù)值最低，處于0.38左右。白光下新紫菜Fv/Fm的數(shù)值稍微比在綠光下的數(shù)值要大上一些，而紅光與橙光差距非常小。

2.5 不同光質(zhì)處理下新紫菜葉狀體的非光化學(xué)猝滅（NPQ）

根據(jù)圖5可知，新紫菜在各種光質(zhì)下的所含有NPQ的數(shù)值差異差距較大，在藍(lán)光下NPQ的數(shù)值相比其他的數(shù)值較大，其次是白光的數(shù)值位居第二，綠光與紅光的數(shù)值差距不是很明顯，而橙光的數(shù)值是在各種光質(zhì)下是最低的。

2.6 不同光質(zhì)處理下新紫菜葉狀體的相對(duì)電子傳遞速率

根據(jù)快速光響應(yīng)曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在綠光處理下新紫菜的 rETR 受到明顯的光抑制現(xiàn)象（見(jiàn)圖6）。根據(jù)葉綠素?zé)晒鈪?shù)分析的結(jié)果可看出，新紫菜在藍(lán)光光質(zhì)下其rETRmax值是最高的，顯著高于其他光質(zhì)（P＜0.05），藍(lán)光和白光處理下的Ik值顯著高于其他光質(zhì)（P＜0.05），見(jiàn)表1。

3 討論

3.1 不同光質(zhì)處理下對(duì)新紫菜葉狀體的生長(zhǎng)和生理組分的影響

在對(duì)紫菜的研究實(shí)驗(yàn)中，光質(zhì)作為重要的外界因素之一，對(duì)其的研究是不可分割的一部分，光質(zhì)在紫菜生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，占據(jù)很大的一部分條件。在此次實(shí)驗(yàn)中，新紫菜在藍(lán)色光質(zhì)下其藻膽蛋白的含量是最高的，在紅光光質(zhì)下葉綠素a的含量是最高的，在白光光質(zhì)下新紫菜的類(lèi)胡蘿卜素的含量相比其他的光質(zhì)要高得多，這與條斑紫菜有所區(qū)別。在條斑紫菜（P. yezoensis）的相關(guān)研究中，紅光被藻膽蛋白以及葉綠素a所吸收，綠光被類(lèi)胡蘿卜素所吸收[17]。

3.2 不同光質(zhì)處理下對(duì)新紫菜葉狀體的葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

紅藻的藻紅蛋白對(duì)藍(lán)光的吸收有很大的促進(jìn)作用，但是紅藻的光系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ不能擁有良好的配合效果，故而其光合速率很低。在藍(lán)光下，新紫菜的藻膽蛋白含量能夠快速增加，能夠有利于光合作用的進(jìn)行，也有利于捕捉光合色素系統(tǒng)，然而在紅光的照射下其會(huì)抑制藻紅蛋白以及藻藍(lán)蛋白的合成，在藍(lán)光下藻膽蛋白含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在紅光下。龍須菜在藍(lán)光下藻膽蛋白的含量相對(duì)于其他光質(zhì)其含量是最高的[18]。新紫菜的Fv/Fm的數(shù)值并沒(méi)有太大的差距，說(shuō)明光質(zhì)對(duì)其影響不大，光質(zhì)的不同并沒(méi)有對(duì)新紫菜的生長(zhǎng)產(chǎn)生脅迫。藍(lán)光下，rETR速率最大，并且在藍(lán)光處的斜率最大，說(shuō)明新紫菜在藍(lán)光光質(zhì)下其光合作用是最快的。在五種光質(zhì)中，藍(lán)光的NPQ數(shù)值相比較其他光質(zhì)是最高的，說(shuō)明新紫菜在藍(lán)光的照射下所需要的能量就要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他光質(zhì)照射所需要的能量。

4 結(jié)論

對(duì)于新紫菜葉狀體生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，白光處理下其生長(zhǎng)速率是最高的。除了白光，紅光相對(duì)于其他光質(zhì)來(lái)說(shuō)能促進(jìn)新紫菜葉狀體葉綠素a和類(lèi)胡蘿卜素的合成，藍(lán)光有益于新紫菜葉狀體藻膽蛋白的合成。藍(lán)光處理下，新紫菜的rETRmax數(shù)值最高，其數(shù)值顯著高于其他四種光質(zhì)的數(shù)值。Fv/Fm的值在不同光處理下無(wú)顯著性差異。藍(lán)光下的NPQ的數(shù)值顯著高于其他光處理，橙光的數(shù)值最低。綜上所述，白光下有助于新紫菜葉狀體的生長(zhǎng)，紅光能促進(jìn)新紫菜葉狀體葉綠素a和類(lèi)胡蘿卜素的合成，藍(lán)光有益于新紫菜葉狀體藻膽蛋白的合成且能夠提高新紫菜的光合作用。這些都為后續(xù)培養(yǎng)新紫菜提供了一定的認(rèn)識(shí)。

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Effects of different LED light sources on the growth， development and photosynthetic physiology of the thallus of Neopyropia sp.

SUN Jie1， WANG Nan1， MA Wenting1， SU Ni2， LI Xinshu1，3

（1.Key Laboratory of Marine Biotechnology， College of Marine Science and Fisheries， Jiangsu Ocean University， Lianyungang 222005， Jiangsu China; 2.College of Marine Science and Fisheries， Jiangsu Ocean University， Lianyungang 222005， Jiangsu China; 3.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Marine Biological Industry Technology， Lianyungang 222005， Jiangsu China）

Abstract：A new kind of laver （Neopyropia sp.） was cultured under 5 different LED light sources， and various values were measured to explore which LED light source would promote the growth and photosynthesis of this new kind of laver. The content of phycobilin in thallus of this new porphyra was significantly higher under blue light and white light treatment than under red light and green light treatment. The content of chlorophyll a and carotenoid under red and white light treatment were significantly higher than those under blue and green light treatment. Under blue light irradiation， the rETRmax reaches the maximum relative electron transfer rate （rETRmax）， green light is the lowest， Fv/Fm has no significant difference， and NPQ is the highest under blue light and the lowest under orange light. Exploring the effects of different LED light on the growth and photosynthetic physiology of the thallus of this new species can provide basic information for the future development and utilization of this new species.

Keywords：laver （Neopyropia sp.）; LED lights; light quality; pigment; growth

基金項(xiàng)目：江蘇省科技廳蘇北科技專(zhuān)項(xiàng)（LYG-SZ201817）；江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)重點(diǎn)項(xiàng)目（BE2018335）。

作者簡(jiǎn)介：孫杰（1996- ），男，江蘇連云港人，碩士研究生。研究方向：海藻生物學(xué)。E-mail：843490104@qq.com。

通信作者：李信書(shū)（1968- ），男，教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向：紫菜生物學(xué)。E-mail：xslee@jou.edu.cn。