不同LED光源對一種新紫菜葉狀體生長發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，通過測量其各種數值，來探討哪種LED光源會促進該種新紫菜的生長和光合作用。該種新紫菜葉狀體的藻膽蛋白含量在藍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含量和類胡蘿卜素含量顯著高于藍光與綠光處理下的含量。該種新紫菜在藍光照射下最大相對電子傳遞速率（rETRmax）達到最大值，綠色最低，Fv/Fm無明顯差距，NPQ的數值在藍光下最高，橙光下最低。探索不同LED光對該種新紫菜葉狀體生長發育和光合生理的影響，可以為未來開發利用這個新物種提供基本資料。

關鍵詞：新紫菜；LED燈；光質；色素；生長

中圖分類號：S968.4文獻標志碼：A

文章編號：1674-2419（2024）06-0684-06

中國作為農業大國，紫菜（Porphyra）是出口的重要海洋農作品中不可或缺的一部分，是食物的來源之一，同時也是中國沿海城市重要的經濟來源[1-2]。紫菜的營養物質含量相對比較高，物美價廉[3]。紫菜也還能緩減海洋環境富營養化，提高藻體種植區域的溶解氧含量，防治海洋酸化問題以及海洋低溶氧問題等[4]。紫菜富含人體所需的多種物質，長期食用具有促進健康、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調查中，發現了一種紫菜。經過初步研究，這種紫菜只在Genebank有少量記錄，沒有正式命名。該種紫菜的葉狀體具有 形態細長、藻體較薄、耐干旱等特點，具有潛在的栽培價值和生態價值。

光是植物生長發育的一部分，也是光合作用過程中不可缺乏的一部分，能夠促進植物體的新陳代謝，促進植物體細胞分化以及細胞分裂，是植物體不可缺少的外界條件[6]。在實驗室中，實驗人員更多是使用人工光源培育植物體的生長發育[7]。這些燈很多都是讓電能白白流失掉，或者是轉化為植物體所不需要的熱能，然而這部分能量會導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，該技術在中國有很廣泛的應用[9]。LED燈比傳統的燈所消耗的能量接近其一半，且工作效率高[10]。在藻類實驗培養中，紅光以及藍光下江籬的色素含量相比于其他光質下的色素含量要略高于0.5倍左右[11]，相比熒光燈，藍色以及綠色LED燈照射能夠提高藻紅蛋白的含量[12]。對于綠藻石莼，紅色LED 燈可以提高其生長發育的速度以及增加其類胡蘿卜素的含量[13]。據有關研究表明，藍光效應具有記憶性，在黑暗環境下藻體的呼吸作用依照之前的速率進行著，藍光可能促進RNA的合成以及蛋白質的合成[14]。藍光可以提高對NO-2，PO3-4等離子的吸收效率，藍光在紅藻和綠藻的生長過程中，能夠促進藻體氮的積累，為碳固定以及氮固定的途徑提供能量[15]。研究發現紅藻在藍色光質下其生長發育速度最低，綠藻在藍光下的蛋白質含量以及生長率要明顯高于紅光，但在藍光下的糖含量要明顯低于紅光下。在藻體中，不是單純通過調整自身色素含量就能適應光質條件，當葉綠素增加時，光吸收力是不會變大的[16]。光質對于藻體的生長發育的影響是很重要的，研究出藻體在何種光質下能夠更好更快地生長發育，對于其營養成分的培育是有很大的作用。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料為從連云港連云區海域采摘的新紫菜葉狀體，在實驗室將葉狀體用海水進行簡單漂洗，然后通氣并加入營養鹽培養3 d即開始實驗。

1.2 實驗條件設置

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

1.3 實驗方法

1.3.1 相對生長速率（RGR）的測定

用面積法測定相對生長速率（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，相對生長速率（RGR）計算公式如下：

RGR=100×ln（Wt/W0）/t

其中，Wt代表在第t天藻體的面積，W0代表藻體初始時的面積。

1.3.2 類胡蘿卜素（Car）和葉綠素a（Chla）的測定

新紫菜葉狀體培養至8 d后，稱取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，設置溫度為4℃，轉速為5000 r/min，時間為10 min進行離心。吸取上清液3 mL，測量在470 nm、653 nm、666 nm波長處的吸光值。Car以及Chla的計算公式如下：

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）和藻藍蛋白（PC）測定

新紫菜葉狀體培養至8 d后，稱取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℃，轉速為5000 r/min離心15 min。吸取 3 mL的上清液，測量其在455、564、592波長處的吸光值。PE和PC的計算公式如下：

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 葉綠素熒光參數測定

取五種不同光質下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定儀測量QY值來反映Fv/Fm。NPQ以及相對電子傳遞速率（rETR）的數值可直接由儀器測量得出。

2 結果

2.1 不同光質處理下新紫菜葉狀體的相對生長速率（RGR）

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

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

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

根據圖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（P＜0.05），藍光和綠光相對較低兩者沒有顯著性差異（P＞0.05）。在白光、紅光、橙光的處理下，類胡蘿卜素的含量顯著高于藍光（P＜0.05）。故而，白光、紅光處理下能夠促進新紫菜葉狀體葉綠素a和類胡蘿卜素的合成。

2.3 不同光質處理下新紫菜葉狀體藻紅蛋白（PE）和藻藍蛋白（PC）的含量

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

2.4 不同光質處理下新紫菜葉狀體的最大光化學量子產量（Fv/Fm）

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

2.5 不同光質處理下新紫菜葉狀體的非光化學猝滅（NPQ）

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

2.6 不同光質處理下新紫菜葉狀體的相對電子傳遞速率

根據快速光響應曲線，發現在綠光處理下新紫菜的 rETR 受到明顯的光抑制現象（見圖6）。根據葉綠素熒光參數分析的結果可看出，新紫菜在藍光光質下其rETRmax值是最高的，顯著高于其他光質（P＜0.05），藍光和白光處理下的Ik值顯著高于其他光質（P＜0.05），見表1。

3 討論

3.1 不同光質處理下對新紫菜葉狀體的生長和生理組分的影響

在對紫菜的研究實驗中，光質作為重要的外界因素之一，對其的研究是不可分割的一部分，光質在紫菜生長發育過程中，占據很大的一部分條件。在此次實驗中，新紫菜在藍色光質下其藻膽蛋白的含量是最高的，在紅光光質下葉綠素a的含量是最高的，在白光光質下新紫菜的類胡蘿卜素的含量相比其他的光質要高得多，這與條斑紫菜有所區別。在條斑紫菜（P. yezoensis）的相關研究中，紅光被藻膽蛋白以及葉綠素a所吸收，綠光被類胡蘿卜素所吸收[17]。

3.2 不同光質處理下對新紫菜葉狀體的葉綠素熒光參數的影響

紅藻的藻紅蛋白對藍光的吸收有很大的促進作用，但是紅藻的光系統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行，也有利于捕捉光合色素系統，然而在紅光的照射下其會抑制藻紅蛋白以及藻藍蛋白的合成，在藍光下藻膽蛋白含量要遠遠大于在紅光下。龍須菜在藍光下藻膽蛋白的含量相對于其他光質其含量是最高的[18]。新紫菜的Fv/Fm的數值并沒有太大的差距，說明光質對其影響不大，光質的不同并沒有對新紫菜的生長產生脅迫。藍光下，rETR速率最大，并且在藍光處的斜率最大，說明新紫菜在藍光光質下其光合作用是最快的。在五種光質中，藍光的NPQ數值相比較其他光質是最高的，說明新紫菜在藍光的照射下所需要的能量就要遠遠低于其他光質照射所需要的能量。

4 結論

對于新紫菜葉狀體生長來說，白光處理下其生長速率是最高的。除了白光，紅光相對于其他光質來說能促進新紫菜葉狀體葉綠素a和類胡蘿卜素的合成，藍光有益于新紫菜葉狀體藻膽蛋白的合成。藍光處理下，新紫菜的rETRmax數值最高，其數值顯著高于其他四種光質的數值。Fv/Fm的值在不同光處理下無顯著性差異。藍光下的NPQ的數值顯著高于其他光處理，橙光的數值最低。綜上所述，白光下有助于新紫菜葉狀體的生長，紅光能促進新紫菜葉狀體葉綠素a和類胡蘿卜素的合成，藍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。這些都為后續培養新紫菜提供了一定的認識。

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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

基金項目：江蘇省科技廳蘇北科技專項（LYG-SZ201817）；江蘇省現代農業重點項目（BE2018335）。

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

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