不同波長(zhǎng)藍(lán)光對(duì)紫葉生菜品質(zhì)形成的影響

熊偉任， 雷雨田， 楊永森， 胡永波， 林碧英， 申寶營

(福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院，福建福州 350002)

生菜(Lactucasativa)是世界比較受歡迎的蔬菜，近年來已成為我國設(shè)施及植物工廠中的主要蔬菜栽培類型，其多種營養(yǎng)價(jià)值使得在市場(chǎng)上的需求量持續(xù)走高。近年來，富含花青素的紫葉生菜也逐漸進(jìn)入大眾視野，花青素具有較強(qiáng)的抗氧化性，可消除體內(nèi)自由基，減緩衰老的功效[1]。

“萬物生長(zhǎng)靠太陽”揭示了光對(duì)于植物生長(zhǎng)的重要性，光是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中不可或缺的環(huán)境因子之一[2]。利用LED光源對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行研究的相關(guān)試驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行了多年，并取得了可喜的成效。前人研究認(rèn)為，LED光源產(chǎn)生的紅、藍(lán)光能明顯影響植物的生長(zhǎng)[3]，并且改善植物的品質(zhì)與產(chǎn)量[4-5]。李聰聰?shù)仍诩t藍(lán)光配比的研究中發(fā)現(xiàn)，紫葉生菜中花青素含量隨藍(lán)光比例增加而提高[6]；余意等發(fā)現(xiàn)，紅藍(lán)光質(zhì)配比可有效提升紅色、紫色與綠色3種葉色生菜生長(zhǎng)與品質(zhì)[7]。然而，目前研究多以探尋提升紫葉生菜品質(zhì)與產(chǎn)量的最優(yōu)紅藍(lán)光質(zhì)配比為目的，對(duì)最優(yōu)LED光源峰值的選擇卻鮮有研究。本試驗(yàn)通過測(cè)定不同峰值LED光源下，紫葉生菜生物量指標(biāo)和相應(yīng)品質(zhì)指標(biāo)的變化，選擇最優(yōu)峰值LED光源，旨在為紫葉生菜工廠化栽培的LED光源精細(xì)調(diào)控提供一些理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)采用的生菜品種紅皺是由北京綠東方農(nóng)業(yè)技術(shù)研究所培育提供。肥料用普樂收A、B肥。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2021年4—9月進(jìn)行。將紫葉生菜種子置于培養(yǎng)皿中，放置在催芽箱，箱內(nèi)溫度保持在 30 ℃ 催芽至種子露白。再將露白的種子播種至60孔穴盤中，在人工氣候室內(nèi)育苗。待幼苗生長(zhǎng)15 d左右達(dá)到兩葉一心，將生長(zhǎng)一致的幼苗轉(zhuǎn)移至水培槽中。為研究不同波長(zhǎng)LED藍(lán)光對(duì)紫葉生菜生長(zhǎng)及品質(zhì)的影響，設(shè)置LED紅藍(lán)光總光照度 240 μmol/(m2·s)，光處理具有相同的光周期(12 h/12 h)、相同的晝夜溫差(25/18 ℃)和室內(nèi)濕度(60%)，紅藍(lán)光光質(zhì)比為1 ∶2，其中紅光波長(zhǎng)為660 nm，藍(lán)光波長(zhǎng)分別為410、450、480 nm，分別記為BO、BF、BE。以 240 μmol/(m2·s) 的白光為對(duì)照(CK)組，光譜能量分布曲線如圖1所示。營養(yǎng)液采取的是蔬菜類A、B肥，將10.35 g的A、B肥溶于9 L的水中。在定植4、8、12、16 d后，從每個(gè)處理中取3株苗，從心向外數(shù)第3張葉片進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定，試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量株高(cm)和冠幅(cm)，用精度為0.000 1的電子天平測(cè)地上部位鮮質(zhì)量(g)，用根系掃描儀測(cè)量葉面積(cm2)，用分光測(cè)色儀(3nh，YS3060)測(cè)定紫葉生菜葉片色度值，采用 FMS-2 便攜式熒光儀測(cè)定葉片葉綠素?zé)晒猓焱壬y(cè)量可溶性糖含量[8]，用考馬斯亮藍(lán)染色法測(cè)量可溶性蛋白含量[9]，比色法測(cè)量抗壞血酸含量，用Folin-酚法測(cè)量總酚含量，花色苷、類黃酮、苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性用試劑盒進(jìn)行測(cè)定，試劑盒來自蘇州科銘生物公司。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 2010和DPS整理數(shù)據(jù)和作圖，并對(duì)不同處理得到的數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行多重比較。用最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行差異顯著性 (P<0. 05)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同波長(zhǎng)藍(lán)光對(duì)紫葉生菜形態(tài)的影響

由表1和圖2可知，在不同波長(zhǎng)藍(lán)光處理下各生長(zhǎng)指標(biāo)總體差異顯著。隨著藍(lán)光波長(zhǎng)的增加，各處理間株高、鮮質(zhì)量、冠幅、葉面積整體呈先下降后上升趨勢(shì)，且均以BF與CK間差異最大，分別比CK降低41%、46%、40%、50%；BO各項(xiàng)指標(biāo)顯著低于CK，說明復(fù)合光處理下紫葉生菜地上部形態(tài)較不同峰值藍(lán)光處理顯著提高，其中BF處理明顯低于其他處理。在不同波長(zhǎng)的藍(lán)光處理下，測(cè)量的色度L值與b值排序均為CK>BO>BE>BF，a值排序?yàn)锽F>BE>BO>CK，BF處理a值較BO、BE分別提高了222.00倍、2.84倍，表明在BF處理下的紫葉生菜花青素含量最高。

表1 不同波長(zhǎng)藍(lán)光對(duì)紫葉生菜地上部的影響

2.2 不同波長(zhǎng)藍(lán)光對(duì)紫葉生菜可溶性糖和可溶性蛋白含量的影響

如圖3所示，在試驗(yàn)處理4～16 d，可溶性糖含量差異性顯著，都低于處理0 d，在處理4 d，可溶性糖含量表現(xiàn)為BF>BO>BE>CK。可溶性蛋白的含量的整體趨勢(shì)表現(xiàn)為為先上升后下降。BO、BF、BE處理均提高了可溶性蛋白含量，其中在BF處理下可溶性蛋白含量顯著高于其他處理，在處理16 d表現(xiàn)為BF>BE>BO>CK，BF處理分別比CK、BO、BE提高了41%、31%、16%。

2.3 不同波長(zhǎng)藍(lán)光對(duì)紫葉生菜類黃酮和花青素含量的影響

如圖4所示，紫葉生菜中類黃酮和花青素的含量受不同波長(zhǎng)藍(lán)光的影響，總體差異顯著。紫葉生菜中類黃酮含量隨處理時(shí)間呈先上升后下下降的趨勢(shì)，總體表現(xiàn)為BF>BE>BO>CK，BF條件下生長(zhǎng)的紫葉生菜葉片中類黃酮含量最高，在處理16 d比CK高71%。在不同波峰藍(lán)光處理下， 花青素含量依次表為BF>BE>BO>CK，其中BF的葉片花青素含量最高，處理16 d，在波長(zhǎng)為450 nm的藍(lán)光處理下比CK高128%。

2.4 不同波長(zhǎng)藍(lán)光對(duì)總酚含量和PAL活性的影響

由圖5可知，在不同波長(zhǎng)藍(lán)光處理下，總酚含量和PAL活性顯著高于對(duì)照處理。葉片內(nèi)總酚含量和PAL活性在BF與BE處理下無顯著性差異，但顯著高于CK處理。在處理16 d，BF處理下葉片總酚含量比CK處理下高13%。PAL活性整體表現(xiàn)為BF>BE>BO>CK，BF與BE無顯著性差異，在處理16 d，與CK相比，BO、BF、BE處理下葉片中PAL活性分別提高了8%、33%。

2.5 不同波長(zhǎng)藍(lán)光對(duì)紫葉生菜抗壞血酸含量的影響

如圖6所示，在處理4、8 d，BO、BF、BE處理下的抗壞血酸含量無顯著性差異，在處理12 d，各處理間差異最明顯。不同波長(zhǎng)藍(lán)光處理均能促進(jìn)葉片中抗壞血酸的含量，BF處理下抗壞血酸均高于其他光照處理，表現(xiàn)為BF>BE>BO>CK。在處理12 d的樣品中，BF處理的抗壞血酸含量相比其他處理分別提高了10%、5%、3%。

3 討論與結(jié)論

前人研究主要在不同紅藍(lán)光配比對(duì)紫葉生菜品質(zhì)的影響[10]。到目前為止，關(guān)于不同波長(zhǎng)藍(lán)光對(duì)紫葉生菜品質(zhì)的影響研究還很少。由于LED的廣泛應(yīng)用，光譜和強(qiáng)度的任意可控性，現(xiàn)在我們完全可以在可控的環(huán)境中將植物暴露在精確的光質(zhì)下，提高作物產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)。在本研究中，不同波長(zhǎng)藍(lán)光照射顯著刺激紫葉生菜次級(jí)代謝物的積累，但抑制生菜的生物量產(chǎn)生。因此通過調(diào)控不同波長(zhǎng)藍(lán)光有助于提高紫葉生菜的品質(zhì)，為水培紫葉生菜提供一種合理的照明模式。

3.1 不同波長(zhǎng)藍(lán)光對(duì)紫葉生菜形態(tài)的影響

光照對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育不可或缺，植物通過一套光受體系統(tǒng)來接收不同波長(zhǎng)的光子，影響著植物的生命周期。藍(lán)光是作物生長(zhǎng)過程中不可缺少的光質(zhì)，對(duì)作物的生長(zhǎng)有重大的影響[11]。本研究表明，不同波長(zhǎng)藍(lán)光照射對(duì)紫葉生菜生長(zhǎng)有顯著的影響，株高、鮮質(zhì)量、冠幅、葉面積顯著低于白光的處理，且隨著藍(lán)光波長(zhǎng)的增加，呈先下降后上升的趨勢(shì)，與高波等的研究結(jié)果[12-13]相同，雖然試驗(yàn)中添加了紅光，但并未表現(xiàn)出對(duì)植物生長(zhǎng)促進(jìn)的作用，可能是因?yàn)楦弑壤{(lán)光的照射對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生了抑制作用。光照是導(dǎo)致植物葉片顏色變化的主要原因之一，它從光強(qiáng)、光質(zhì)和照射時(shí)間的長(zhǎng)短來影響植物花青素的合成從而改變植物葉片的顏色[14]。王璐等對(duì)紫葉生菜花青素含量與色差指標(biāo)進(jìn)行回歸分析，表明L、a、b均能反應(yīng)紫葉生菜花青素含量[15]。色差指標(biāo)L代表明亮度的變化，L值在0～100之間，L=0代表黑色，L=100代表白色；a值代表紅/綠之間的變化，當(dāng)a值為正數(shù)時(shí)，色彩表現(xiàn)為偏紅色，當(dāng)a值為負(fù)數(shù)時(shí)，色彩表現(xiàn)為偏綠色；b值代表黃/藍(lán)之間的變化，b為正值時(shí)，表現(xiàn)為黃色，b值為負(fù)值時(shí)，顏色表現(xiàn)為藍(lán)色[16]。其中L、b值與花青素含量呈明顯負(fù)相關(guān)，a值與花青素含量呈明顯正相關(guān)。本研究結(jié)果表明，在不同波長(zhǎng)藍(lán)光的處理下紫葉生菜的葉片顏色較深，可能是花青素含量較高的原因所導(dǎo)致的。

3.2 不同波長(zhǎng)藍(lán)光對(duì)紫葉生菜品質(zhì)的影響

可溶性蛋白含量是評(píng)價(jià)蔬菜營養(yǎng)價(jià)值的主要指標(biāo)之一。光質(zhì)對(duì)植物的碳氮代謝有極大的影響，藍(lán)光對(duì)植物生物量的積累有促進(jìn)作用[17]。本研究表明，與對(duì)照組的生菜相比，不同波長(zhǎng)藍(lán)光處理都顯著提高了可溶性蛋白的含量。這與邵明杰對(duì)紫葉生菜[18]和張立偉等對(duì)豌豆苗[19]的研究結(jié)果相同，這可能是因?yàn)樗{(lán)光促進(jìn)了NR、NIR、GOGAT等初級(jí)氮代謝相關(guān)酶活性[20]，從而有助于可溶性蛋白的合成。可溶性糖是植物儲(chǔ)存能量的一種物質(zhì)，也是果蔬甜度的主要來源，高含量的可溶性糖會(huì)讓蔬菜的口感更好[21]。高比例紅光有助于提高可溶性糖的含量[22]。盧貝通過不同光質(zhì)對(duì)草莓品質(zhì)影響的研究發(fā)現(xiàn)，在高比例紅光的照射下草莓的可溶性糖含量較高[23]。在處理0 d，紫葉生菜可溶性糖含量均高于其他時(shí)間的處理，可能是因?yàn)樵谟酌缙诳扇苄蕴鞘侵饕L(zhǎng)物質(zhì)；在處理16 d，對(duì)照組處理的紫葉生菜可溶性糖的含量顯著高于不同波長(zhǎng)藍(lán)光處理，這可能是因?yàn)樗{(lán)光抑制了蔗糖代謝相關(guān)酶活性的原因，從而導(dǎo)致了不同波長(zhǎng)藍(lán)光處理可溶性糖含量低于對(duì)照組。抗壞血酸普遍存在于新鮮的水果蔬菜中，能夠增強(qiáng)植物的抗逆性，Moradi等在研究藍(lán)光對(duì)藏紅花光合性能和生物量的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光能提高藏紅花抗壞血酸的含量[24]，本研究的結(jié)果與之相同。

3.3 不同波長(zhǎng)藍(lán)光促進(jìn)紫葉生菜的次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生

研究表明，植物中的抗氧化劑是抵御各種壓力的復(fù)雜防御機(jī)制的一部分。植物組織中花青素的積累是植物遭受脅迫的一個(gè)標(biāo)志，花青素這類類黃酮物質(zhì)一方面作為抗氧化物質(zhì)對(duì)植物起到保護(hù)的作用，另一方面可以在植物中起到結(jié)合植物毒素以及控制生長(zhǎng)素運(yùn)輸來幫助調(diào)節(jié)應(yīng)激反應(yīng)的作用[24]。藍(lán)光被認(rèn)為是一種能誘導(dǎo)酚類化合物積累和增強(qiáng)抗氧化能力的應(yīng)激源[25]。總酚類包括類黃酮和花青素，是一種有效的抗氧化劑，具有抗氧化DNA損傷和預(yù)防人類慢性疾病的能力，類黃酮結(jié)構(gòu)中羥基的數(shù)量和定位對(duì)化合物的抗氧化和細(xì)胞保護(hù)潛力似乎很重要[26]。花青素屬于類黃酮的一種，花色苷合成生物途徑也是類黃酮的合成途徑的一個(gè)分支[27]。PAL是合成酚類化合物的關(guān)鍵酶，由光誘導(dǎo)[28]。在本研究中，總酚含量和PAL活性隨著藍(lán)光的波長(zhǎng)增加表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，都高于對(duì)照組，這證實(shí)了藍(lán)光在刺激酚類合成方面仍然有效。處理4～16 d時(shí)，不同波長(zhǎng)藍(lán)光處理紫葉生菜中黃酮含量明顯高于對(duì)照組，且存在顯著差異，表明藍(lán)光有刺激黃酮類化合物的合成作用。在處理16 d時(shí)，各處理紫葉生菜中黃酮含量明顯下降，且在藍(lán)光波長(zhǎng)為450 nm處理的紫葉生菜中黃酮含量最高，這可能是因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)藍(lán)光對(duì)植物后期生長(zhǎng)階段黃酮合成的影響不如前期。 花青素含量的變化趨勢(shì)與類黃酮不同在于，在處理4～16 d中，藍(lán)光波長(zhǎng)為450 nm處理的紫葉生菜花青素含量始終最大，且顯著高于藍(lán)光410 nm和藍(lán)光 480 nm 處理下的花青素含量。 據(jù)報(bào)道，藍(lán)光誘導(dǎo)花青素合成也受葉片發(fā)育階段的影響。二氫黃酮醇 4-還原酶(DFR)和花青素合成酶(LDOX/ANS)基因在幼葉中的表達(dá)水平較高，且隨著葉片的發(fā)育而逐漸降低，在成熟葉中最低[29]。 這可能解釋了紫葉生菜后期花青素含量活性下降的原因。

本研究利用藍(lán)色發(fā)光二極管研究了不同波長(zhǎng)藍(lán)光照射對(duì)紫葉生菜生產(chǎn)和次生代謝產(chǎn)物積累的影響。不同波峰藍(lán)光照射誘導(dǎo)了較高的次生代謝產(chǎn)物，也增加了紫葉生菜的營養(yǎng)品質(zhì)，但對(duì)植物造成了脅迫，表現(xiàn)為抗壞血酸含量較高、花青素含量較高、生物量產(chǎn)量顯著降低。結(jié)果表明，采用紅光加不同波長(zhǎng)藍(lán)光是有目的地調(diào)整生菜生長(zhǎng)和質(zhì)量的一種潛在方法。然而，需要進(jìn)行更多的試驗(yàn)來確定最佳的紅藍(lán)光配比，以獲得產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)更好的生菜。