藍光耦合UV-A對紅甜菜營養品質的影響

黃 靖，段發民，鄭胤建，楊其長，郭曉強

(1.成都大學藥學與生物工程學院，四川 成都 610106；2.中國農業科學院都市農業研究所，四川 成都 610213；3.國家成都農業科技中心，四川 成都 610213)

引言

光照在植物的生長發育、形態建成和光合作用等生理活動中具有重要作用[1]。LED光源與金鹵燈、熒光燈和高壓鈉燈等光源相比因體積小、能耗低、壽命長、半波峰窄等優勢，在植物照明領域中應用廣泛[2]。藍光作為驅動植物光合作用的主要光譜之一，對植物株型調控[3]、蛋白質代謝[4]、植物細胞的氧化應激效應[5]等生理生化反應效果顯著。植株受紫外光照射能夠產生較多的自由基，進而刺激植物啟動應急保護機制產生清除自由基的防御化合物，如：類胡蘿卜素、維生素和酚類化合物等[6]。有研究結果表明：藍光能夠增加植物類黃酮含量和酚類化合物含量，如豌豆芽苗菜[7]、苜蓿芽苗菜[8]、小白菜[9]等。UV-A光照能夠顯著增加花色苷、類胡蘿卜素和黃酮醇等抗氧化活性物質含量，如生菜[10]、蠶豆[11]、辣椒[12]等。

植株可以通過隱花色素(CRY)感知藍光和UV-A的光信號，隨后隱花色素將光信號傳導給下游的蛋白因子，如：COP1、HY5等[13]。COP1是一種泛素化E3連接酶，是光形態建成的負調節因子，它可以被細胞核的其他蛋白因子(SPAs)激活介導HY5的降解[14]。而HY5是苯丙烷代謝途徑的重要轉錄因子，與類黃酮生物合成基因的啟動子結合并調控轉錄[11]。苯丙烷代謝途徑是植物合成黃酮類化合物的主要途徑。藍光對類黃酮代謝途徑中的關鍵酶和相關基因具有調控作用，藍光可以激活CRY1/CRY2-COP1相互作用導致HY5與MYB同下游的花青素合成基因CHS和DFR的結合，如早酥梨[15]、茄子[16]等。此外，UV-A輻照對類黃酮的合成也有重要作用，UV-A通過上調光受體基因(CRY、UVR8)、花青苷合成基因(PAL、CHS、ANS和UFGT)和調控基因(MYB75)的表達，誘導了花青苷的積累，如大豆芽苗菜[17]、蕪菁[18]等。UV-B通過UVR8和COP1的相互作用進而積累了HY5，從而上調下游黃酮類基因的表達，如：擬南芥[19]、杭白菊[20]等。

目前大部分報道都集中在單一藍光或紫外光對植物次級代謝產物含量的研究上。而藍光耦合UV-A的協同作用對蔬菜營養品質調控方面的研究鮮有報道。紅甜菜(Beta vulgaris L.var.cicla L.)是藜科甜菜屬的一個變種，含有豐富的甜菜素、維生素、酚類化合物和花色苷等抗氧化活性物質[21]，對人體預防癌癥、降血脂、抗疲勞和增強免疫力等方面具有重要作用[22]。紅甜菜因對水分的要求比較高，是喜肥深根作物[23,24]。因此，除了選擇富含抗氧化活性成分的品種之外，優化生長環境以提高蔬菜次生代謝物質含量也可作為其調控手段。本試驗利用藍光和UV-A兩種光源，在可控環境內研究藍光和UV-A的不同強度比對紅甜菜營養品質的作用規律，為蔬菜功能品質提升的光譜選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗在成都市農林科學院可控環境實驗室內進行，將紅甜菜種子播于海綿塊(2 cm×2 cm×2 cm)中，黑暗處理24 h后自然光培養，待兩葉一心時，選取長勢一致健壯的幼苗于水培槽(80 cm×80 cm×80 cm)中定植待處理。處理為不同紫外光(UV-A)與藍光(B)光強(μmol·m-2·s-1)為0∶50(T0)、5∶45(T5)、10∶40(T10)、15∶35(T15)、20∶30(T20)，光周期為12 h/d，環境溫度為25 ℃，濕度為70%～80%，每個處理設3次重復于1/2 Hoagland’s營養液中栽培，待采樣。

1.2 指標測定

將采收后紅甜菜隨機選取5株，千分之一天平測定地上部、地下部鮮重，烘干至恒重時，萬分之一天平測定地上部、地下部干重，選取植株葉片于液氮中研磨并轉存至-80 ℃冰箱，存樣待測。

測定方法：參照李合生[25]的測定方法：無水乙醇浸提法測定光合色素，利用蒽酮比色法、考馬斯亮藍G-250染色法、2,6-二氯酚靚酚比色法、硝基水楊酸比色法和水合茚三酮法測定可溶性糖、可溶性蛋白、維生素C(Vc)、硝酸鹽和游離氨基酸；參照Pirie等[26]方法略加修改：1%鹽酸-甲醇提取法測定總酚、類黃酮和花色苷相對含量。各指標重復測定三次。

1.3 數據統計與分析

全部試驗數據采用SPSS 25.0進行統計與分析，使用LSD多重比較法進行單因素方差分析(P≤0.05)，作圖采用Origin 2018和Excel 2010。

2 結果與分析

2.1 藍光耦合UV-A對紅甜菜形態及生物量的影響

由圖1可知，藍光耦合UV-A處理對紅甜菜的形態影響顯著。T20處理下的紅甜菜株型較其他處理更緊湊，T15的葉張角最大；紅甜菜的葉片隨UV-A強度增大而逐漸變窄，T20時處理下葉片最窄；各處理的葉片顏色差異不顯著。藍光耦合UV-A對紅甜菜的生物量無顯著性差異(圖2)。

圖1 藍光耦合UV-A對紅甜菜的形態學影響Fig.1 Morphological effects of blue light coupling UV-A on red sugar beet

表1 藍光耦合UV-A對紅甜菜鮮重和干重的影響Table 1 Effects of blue light coupling UV-A on fresh and dry weight of red sugar beet

2.2 藍光耦合UV-A對紅甜菜光合色素含量的影響

由表2可知，藍光耦合UV-A處理對紅甜菜的光合色素作用結果差異較明顯，紅甜菜的葉綠素a、b和類胡蘿卜素含量隨UV-A強度的增加呈現先升高后降低的趨勢，均在T15處理達到最高，比之T0分別增加了35.21%、31.82%和33.33%，紅甜菜的類胡蘿卜素含量在T0時最高，但隨UV-A的強度增加而減少，在T15和T20達到最低，較T0降低了69.23%。

表2 藍光耦合V-A對紅甜菜光合色素的影響Table 2 Effects of blue light coupling UV-A on photosynthetic pigments of red sugar beet

2.3 藍光耦合UV-A對紅甜菜可溶性糖、可溶性蛋白、硝酸鹽和Vc含量的影響

由圖2可知，藍光耦合UV-A對紅甜菜的可溶性糖[圖2(a)]、硝酸鹽[圖2(c)]和Vc[圖2(d)]含量均無顯著性變化，對紅甜菜的可溶性蛋白[圖2(b)]含量有顯著影響，紅甜菜的可溶性蛋白含量在T0處理下最高，可溶性蛋白的含量隨UV-A強度的增加而減小，在T20時達到最低，比T0降低了32.66%。

圖2 藍光耦合UV-A對紅甜菜可溶性糖、可溶性蛋白、硝酸鹽和維生素C的影響Fig.2 Effects of blue light coupling UV-A on soluble sugar,soluble protein,nitrate and Vitamin C of red sugar beet

2.4 藍光耦合UV-A對紅甜菜游離氨基酸和抗氧化活性成分的影響

如圖3(a)所示，藍光耦合UV-A對紅甜菜的游離氨基酸含量影響顯著，隨UV-A強度的增加呈現先升高后降低的趨勢，在T10處理下，紅甜菜的游離氨基酸含量最高，與T0比較，增加了58.19%。由圖3(b)可知，與T0相比，其他處理對紅甜菜的總酚含量影響顯著降低，分別降低了12.01%～60.06%，隨UV-A強度的增加呈降低趨勢。圖3(c)可得，藍光耦合UV-A處理對紅甜菜的類黃酮含量影響顯著，紅甜菜的類黃酮隨UV-A強度的增加呈先增加后減少的趨勢，在T5時，紅甜菜的類黃酮含量最高，較對照T0增加了14.99%。

圖3 藍光耦合UV-A對紅甜菜游離氨基酸、總酚、類黃酮和花色苷的影響Fig.3 Effects of blue light coupling UV-A on free amino acids,total phenolics,total flavonoids,and anthocyanins of red sugar beet

3 討論

光照是植物生長發育的重要決定因素，藍光和紫外光對植物形態學的影響通常取決于物種類別、波長范圍和光照強度[27]。有研究發現較高強度的藍光可以使大豆和生菜植株株型更為緊湊[28]，本研究發現隨著藍光強度的降低，植株的葉張角逐漸增大，在T15達到最大(圖1)。而隨著UV-A強度的增加，在T20時紅甜菜株型較其他處理更緊湊，Qian等[29]報道了補充UV-A的黃瓜幼苗株型更緊湊。這可能是當UV-A達到一定強度時，植株通過調整株型來減輕接受的UV-A輻照。紅甜菜的葉片隨著UV-A強度的增強逐漸變窄(圖1)，這可能與株型緊湊的原因相同。

葉綠素是植物進行光合作用的重要基礎物質[30]。在生菜[31]、小白菜[32]等作物中，添加藍光可以增加葉綠素含量。這是因為隱花色素和向光素可以介導藍光誘導葉綠素合酶基因的表達，促進葉綠素的積累[30]。而本試驗結果表明隨UV-A強度的增強，葉綠素的含量升高了。這可能是UV-A對紅甜菜產生的脅迫效應，為減輕紫外輻射帶來的細胞損傷，促進葉綠素含量的積累以利于光能捕獲，進而促進苯丙烷的代謝途徑。植物的類胡蘿卜素對降低細胞內活性氧、吸收過量的光能具有著重要作用[33]。本試驗發現類胡蘿卜素在藍光下的含量最大，而藍光耦合UV-A處理的類胡蘿卜素含量逐漸降低(表2)。Hoffmann等[12]報道了低強度藍光處理的甜椒在紫外線脅迫下的類胡蘿卜素含量較低，而較高強度的藍光可以緩解紫外線的脅迫作用，這與本研究結果相同。低強度的藍光在與UV-A的相互作用下，導致了紅甜菜類胡蘿卜素積累的減少，而具體的影響機制有待進一步研究。

試驗結果表明紅甜菜的可溶性蛋白在藍光耦合UV-A的處理下差異顯著[圖2(b)]。藍光可以激活硝酸還原酶(NR)，為蛋白質的合成提供氮源，促進蛋白質的積累[4]。在研究不同光質對苜蓿芽苗菜品質的影響中，發現藍光處理的可溶性蛋白含量比UV-A高[8]，本試驗可溶性蛋白含量隨藍光強度的降低和UV-A強度的增加逐漸降低。導致降低的可能原因一是藍光強度降低導致可溶性蛋白含量的降低，二是UV-A輻照影響了蛋白質的合成。

游離氨基酸是評價蔬菜風味的重要指標之一，是蛋白質等含氮化合物合成與分解的基本組成單位。楊曉建[34]報道在不同光質處理處理下的青蒜苗中，藍光處理下的游離氨基酸含量最高，徐文棟等[31]報道的藍光量對萵苣生長和品質的影響，發現無藍光處理下的游離氨基酸含量最低。這是因為藍光可以促進線粒體的暗呼吸，為氨基酸的合成提供碳架。本試驗發現在藍光耦合UV-A處理下的游離氨基酸含量均高于藍光(圖3a)，這表明UV-A可能也參與調控游離氨基酸的合成，促進了游離氨基酸的積累。

酚類化合物和類黃酮是植物響應非生物脅迫產生的清除自由基的防御化合物，這些化合物可以吸收紫外光使植物可以適應紫外線環境[11]。藍光和紫外光均可以通過光受體上調黃酮上游基因的表達，從而促進類黃酮的積累。Zheng等[9]和Li等[35]報道了補充藍光可以顯著增加小白菜和芥藍的酚類化合物和類黃酮。據報道[36]，UV-A可以促進紅葉生菜中總花色苷、類黃酮和酚類化合物含量的升高，本研究結果發現藍光耦合UV-A處理的酚類化合物隨UV-A的強度增強而降低(圖3b)，與上述結果不一致。導致這一結果差異可能與作物種類、基因型和試驗環境等條件有關。Yan等[11]報道了藍光和短時間UV輻照可以提高蠶豆的類黃酮含量，這與本試驗的研究結果一致。

花色苷是一種天然的水溶性色素，它的顏色會隨PH而變化，使植物可以呈現出不同的顏色，在預防癌癥和心腦血管等方面的疾病起重要的保健作用[37]。大量的研究證實了藍光促進了小白菜[9]、芥藍[35]和紅早酥梨[15]花色苷的合成，以及UV-A促進了甘藍幼苗[38]和紫葉生菜花色苷[39]的積累。本研究發現藍光耦合UV-A處理下花色苷含量相比于藍光顯著增加，隨著藍光強度的降低和UV-A強度的增加，花色苷含量呈增長趨勢[圖3(d)]。Jiang等[16]認為在藍光照射下，活躍形式的隱花色素與COP1相互作用，使HY5與MYB1得以積累，而HY5與MYB1可以直接結合在花色苷結構基因(CHS與DFR)的啟動子上進而調控花色苷的積累。戚楠楠等[17]研究發現UV-A顯著上調了光受體基因(CRY1、CRY2)，且顯著高于藍光處理。苯丙氨酸解氨酶(PAL)是苯丙烷類代謝途徑的第一個酶，它的活性變化受UV-A的調控。查爾酮異構酶(CHI)是花色苷合成途徑中的關鍵酶。唐麗等[8]報道了UV-A通過提升PAL、CHI酶活性促進了花色苷的合成。由此可見，藍光和UV-A均可以促進花色苷的合成，但是UV-A作用效應大于藍光，這也解釋了本試驗藍光耦合UV-A處理的花色苷含量高于藍光處理。

4 結論

綜上，藍光耦合UV-A對紅甜菜的生物量、可溶性糖、硝酸鹽和Vc沒有顯著性影響，不利于類胡蘿卜素、可溶性蛋白和酚類化合物的積累。本試驗在T5處理的紅甜菜類黃酮含量最高；藍光耦合UV-A處理利于紅甜菜游離氨基酸的積累，T10達到最高；在T15處理時，有利于促進紅甜菜葉綠素和花色苷的合成，其含量最高。因此，紅甜菜在T15處理(35 μmol·m-2·s-1藍光、15 μmol·m-2·s-1UV-A)時可以作為提高色素的光照方案。