LED紅藍光對西洋參植株生長、產量和皂苷含量的影響

張玉彬， 劉文科， 楊其長， 邵明杰， 查凌雁， 周成波， 李寶石

(中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，農業農村部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081)

西洋參(Panaxquinquefolius)是五加科(Araliaceae)多年生草本植物，具有預防癌癥、調節免疫系統、增強記憶力等功效。西洋參果實具有抗氧化作用，在保護神經、降低血壓以及止吐等方面也具有良好的功效[1]。西洋參的生長環境較苛刻，喜溫涼、濕潤的環境，當前僅在我國的吉林省、山東省威海市和北京市懷柔區等地有種植，主要有農田、林下和設施等栽培方式。農田和林下種植模式，耗時且勞動密集度大，使得生產成本大幅增加；設施栽培是用遮蔽物覆蓋在西洋參的上部來進行遮光，這種栽培方式難以有效調控出適宜西洋參生長的光環境。西洋參的產品外觀和質量因產地氣候、栽培方式等不同而差別較大[2-3]，西洋參種子質量也因此參差不齊，這也影響了西洋參的品質。且野生資源越來越少，已很難通過現有的栽培方式來滿足醫藥市場對于高品質西洋參的需求。

人工光植物工廠可以調控溫度、光照、水肥等環境因子，使植物生長不受或很少受自然條件制約，大大提高作物的生產效率[4]。光是影響植物生長器官發育的重要因素，也是植物工廠栽培中重要的環境調控因素。與普通補光方式相比，LED照明的發展更大程度地完善了植物生長的光環境系統[5]。研究表明，在LED光照射下，人參植株的葉綠素含量及總皂苷含量較熒光燈比都會顯著增加[6]。且LED光照射可使參根中的蔗糖、香豆酸、香草酸、膽固醇等有效成分顯著增加[7-8]。Seong等[9]初步研究發現，LED紅藍光質比例3∶1，光強63.85 μmol·m-2·s-1處理可以促進人參的生長發育。目前國內藥用植物的田間生產大多數采用濾光膜或轉光膜來實現植物對于不同光質的需求[10]，但這很難實現光強和光質比例的精確調控。本研究創新性地以西洋參為例，在環境可控的人工光植物工廠內進行栽培，設置3種LED紅藍光質比例(2R:1B、3R:1B、4R:1B)和2種光強(50和80 μmol·m-2·s-1)，以探究人工光植物工廠內多種光環境因子對西洋參生長和品質的影響，為西洋參在人工光植物工廠栽培的光環境調控提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設計

試驗在中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所的密閉植物工廠內進行。栽培環境晝/夜溫度為(26±1)/(24±1)℃，晝夜相對濕度65%～75%。試驗材料為長勢一致的2年生西洋參苗，由中國農業科學院特產研究所提供。將西洋參苗隨機斜栽于長方形培養槽(57 cm×32 cm×18 cm)內，每槽8株。采用LED紅藍光組合燈板進行光照處理(表1)，設置2R:1B(Q2∶1)、3R:1B(Q3∶1)和4R:1B(Q4∶1)3種紅藍光譜組成，50 (I50)和80 μmol·m-2·s-1(I80)2種光強，共6個處理組合。采用LI 1500輻射照度測量儀(LI-COR，USA)標定植株冠層光強，試驗過程中，根據參苗的長勢調整光強以保障植物冠層所受光強一致。栽培基質為珍珠巖、草炭和蛭石(體積比為 1∶1∶1)的混合物。每周對所有處理噴施2次500 mL營養液及2次200 mL純水，營養液按照查凌雁等[11]的配方配制。

表1 試驗中LED光譜參數Table 1 LED spectral parameters

1.2 測定指標及方法

西洋參收獲時，每個處理隨機取4株植株，將地上部分放入烘箱中，80 ℃烘干至恒重并稱取質量。采用計數法測定西洋參果實和種子的數量，并稱取質量。采用Li-6400便攜式光合儀(Lincoln, NE, USA)在參苗移栽后第60 d，測定植株開花期不同光處理下葉片的凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)以及蒸騰速率(Tr)。西洋參地下部收獲后采用冷凍干燥機(Millrock Technology, USA)對其進行脫水處理，先將參根切成1 cm的小段，再用真空冷凍干燥機進行凍干處理[12]，凍干結束后立即進行真空包裝。并在凍干前后分別稱取參根的鮮重和干重。采用香草醛—冰醋酸—高氯酸比色法[13]測定西洋參根中的總皂苷含量。離心提取上清液后，60 ℃下氮吹，加80%甲醇溶液至勻漿狀，用100%甲醇定容至1.25 mL，從中移取50 μL，低溫揮去溶劑，然后再按照步驟依次操作測定總皂苷含量。

1.3 數據分析

采用Microsoft Excel 2015進行數據整理，SPSS 25.0軟件對數據進行差異顯著性檢驗分析(LSD法，α=0.05)，用Orgin 9.0進行作圖分析。

2 結果與分析

2.1 LED紅藍光處理對西洋參地上干重的影響

不同處理的西洋參地上干重結果(圖1)顯示，不同LED紅藍光質與光強處理下，西洋參植株地上部的干重均有不同程度的差異，但無顯著性差異。其中，Q2∶1I50處理下西洋參地上部干重最大，達到0.81 g，Q3∶1I80處理最小為0.46 g。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異在P<0.05水平上具有統計學意義。Note: Different small letters indicate statistically significant difference between different treatments at P<0.05 level.圖1 LED紅藍光對西洋參地上干重的影響Fig.1 Effects of LED red and blue light on dry weight of American ginseng

2.2 LED紅藍光對西洋參植株光合特性的影響

由表2可知，不同LED紅藍光照射對西洋參葉片的光合特性有一定影響。西洋參葉片的凈光合速率在Q4∶1I50下最低，為1.83 μmol·m-2·s-1；在Q4∶1I80下達到最高，為2.54 μmol·m-2·s-1，二者間差異具有統計學意義。氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率各處理間沒有顯著差異(P>0.05)。I50下，凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均隨紅光比例的增大呈現先增大后減小的趨勢。I80下，西洋參葉片凈光合速率隨紅光比例的增大而逐漸增大，而氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率則變化相反。同一光質處理下，I80下的凈光合速率略高于I50處理，即西洋參葉片在LED光強為80 μmol·m-2·s-1下具有較高的光合能力。

表2 不同處理對西洋參光合特性的影響 Table 2 Effects of different treatments on photosynthetic characteristics of American ginseng

2.3 LED紅藍光處理對西洋參果實和種子產量的影響

由表3可得，不同LED紅藍光照射下，西洋參果實和種子性狀均有差異。Q3∶1處理下，I50下的西洋參果實和種子數量顯著多于I80處理；Q2∶1和Q4∶1處理下，兩種光強處理的果實和種子數量均沒有顯著差異。Q2∶1處理下，I50的西洋參果實單粒重顯著低于I80處理。Q3∶1和Q4∶1處理下，兩種光強處理下的西洋參果實單粒重均無顯著差異。同一紅藍光質下，不同光強處理下的西洋參種子單粒重均沒有顯著差異。I50下，Q4∶1的果實和種子數量顯著低于Q2∶1和Q3∶1處理，Q2∶1和Q3∶1處理間的果實及種子數量沒有顯著差異；果實單粒重隨紅光比例的增大而逐漸增大，Q4∶1時，西洋參種子單粒重最重，為50.4 mg，與Q2∶1和Q3∶1處理存在顯著差異。I80下，不同LED紅藍光質處理下的果實、種子數量以及種子單粒重均無顯著差異；果實單粒重隨紅光比例的增大而逐漸減小，Q2∶1時，果實單粒重最重，為270.8 mg。結果表明，Q3∶1I50處理下，西洋參果實和種子數量最多，分別達到17.3和19.7個。Q2∶1I80處理下，西洋參果實單粒重最重，為270.8 mg，Q4∶1I50處理下，西洋參種子單粒重最重，為50.4 mg。

表3 LED紅藍光對西洋參果實和種子性狀的影響Table 3 Effects of LED red and blue light on characteristics of fruits and seeds of American ginseng

2.4 LED紅藍光對西洋參根生物量及總皂苷含量的影響

由表4可得，不同LED光處理對西洋參地下部生物量及總皂苷均有一定影響。Q2∶1和Q3∶1處理下，I80的根鮮重和根干重均顯著大于I50處理。Q4∶1下，不同光強下的根鮮重、干重無顯著差異，I50處理的總皂苷含量顯著低于I80處理。I50下，不同光質處理間的西洋參根鮮、干重無顯著差異；西洋參總皂苷含量隨著藍光比例的降低而逐漸降低。I80下，西洋參根鮮重、根干重隨LED紅光比例的增大而逐漸減小。Q4∶1處理的總皂苷含量最高，為111.9 mg·g-1，且與Q2∶1和Q3∶1處理差異顯著。本研究中，Q2∶1I80處理下的西洋參鮮重、干重最大，分別為15.97和4.13 g，Q4∶1I80處理下的西洋參總皂苷含量最高，達到111.9 mg·g-1。

表4 LED紅藍光對西洋參根生物量及總皂苷含量的影響Table 4 Effects of LED red and blue light on root biomass and total saponin content of American ginseng

3 討論

西洋參產量和品質的提高與生長期間光照條件的改善有關。本研究表明，與50 μmol·m-2·s-1處理相比，西洋參葉片在80 μmol·m-2·s-1下凈光合速率更高，這與蔚榮海等[14]的研究結果一致。與弱光相比，強光照射下的葉片光合生產能力更強，促進光合產物積累，可以快速完成個體各器官結構的發育過程，使得高光強下西洋參生長更快。據試驗觀察，80 μmol·m-2·s-1下生長的西洋參植株比50 μmol·m-2·s-1的西洋參植株早開花1～3 d，在強光下細胞分裂、生長速度增加，這也使高光強下的西洋參植株較低光強的早進入黃葉期1～2 d，這與徐克章等[15]對不同生育期的人參葉片光合特性變化的研究結果一致。本研究中，不同光處理的西洋參葉片的光合特性無顯著差異。這是因為植物的光合特性受環境條件的綜合作用影響，在不同生育期，光合特性與環境因子間的相互關系也會發生變化。研究發現，北細辛開花期的凈光合速率受某些環境因子的直接影響，而在結果期凈光合速率則受環境因子協同影響[16]。西洋參與北細辛生長環境類似，其光合作用也可能是在不同的生長期受環境因子影響不同。各處理之間的光合指標無差異，可能是因為處于開花期，受光合效率、Rubisco活性[17]等因素的綜合影響。

本研究發現，光強為50 μmol·m-2·s-1時，西洋參總皂苷含量隨著藍光比例的升高而逐漸增加，可能是藍光比例較高促進了皂苷的生成。一般來說，在適宜藥用植物生長的光強范圍內，藍光比例越高，越利于次生代謝物質的合成[10]。光強為80 μmol·m-2·s-1時，西洋參總皂苷含量隨著藍光比例的降低而逐漸升高，這可能是同一紅藍光質比例時，在不同光強下，藍光比例增大導致西洋參須根數量增多，而須根在西洋參各部位中，皂苷含量最豐富[18]，從而導致皂苷整體含量增多，關于總皂苷生成量對于光譜照射的響應機理，有待進一步探究。

綜上所述，LED紅藍光的光強不同，紅藍光質比例對西洋參的生長、果實和種子性狀及總皂苷含量的影響不同。不同LED紅藍光質比例及光強處理對西洋參葉片的光合特性均無顯著影響。紅藍光質比例因照射光強不同對西洋參的影響有差異，低光強的LED紅藍光利于西洋參果實和種子的生長。光強50 μmol·m-2·s-1，紅藍光質比例3∶1是利于西洋參果實和種子生長的適宜條件。高光強的LED紅藍光利于西洋參根的生長，光強80 μmol·m-2·s-1，紅藍光質比例 2∶1 是西洋參根生長的適宜條件。