不同LED光源對(duì)生菜生長和品質(zhì)的影響

樊小雪，宋 波，徐 海，陳龍正?，徐志剛，袁希漢

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，江蘇 南京 210014；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江蘇 南京 210095）

不同LED光源對(duì)生菜生長和品質(zhì)的影響

樊小雪1，宋 波1，徐 海1，陳龍正1?，徐志剛2，袁希漢1

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，江蘇 南京 210014；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江蘇 南京 210095）

試驗(yàn)以生菜為材料，利用LED精量調(diào)制光源，設(shè)置黃光（Y）、綠光（G）、紅光（R）、藍(lán)光（B）和紅藍(lán)組合光（R∶B＝3∶1）5個(gè)LED光處理，以鏑燈白光為對(duì)照，探討了不同LED光源對(duì)生菜生長和品質(zhì)的影響.結(jié)果表明：紅藍(lán)組合光下生菜植株鮮樣質(zhì)量和干樣質(zhì)量最大，其次是藍(lán)光處理.與對(duì)照相比，藍(lán)光和紅藍(lán)組合光顯著提高了生菜可溶性糖、可溶性蛋白、游離氨基酸和維生素C含量.試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，紅藍(lán)組合光顯著提高了生菜葉片中硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性，從而降低了硝酸鹽和亞硝酸鹽含量，有效提高了其安全品質(zhì).

LED光源；光質(zhì)；生菜；生長；營養(yǎng)品質(zhì)；安全性

光質(zhì)是影響植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因素，對(duì)植物生長發(fā)育的許多方面有重要影響，如生物量、株高、葉面積、植株形狀等［1－3］.在對(duì)豇豆幼苗、水稻和香椿苗等多種作物的研究中發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光有利于可溶性蛋白積累［4－7］.增加藍(lán)光比例還可以促進(jìn)煙葉的氮代謝，使葉片總氮、蛋白質(zhì)以及氨基酸含量提高［8］.紅光可以促進(jìn)植物碳水化合物的代謝，提高碳水化合物含量［9－10］.與此同時(shí)，紅光還可以抑制光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)過程，促進(jìn)植株葉片中淀粉的積累［11］.

近年來，新型節(jié)能高效的光源發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）成為研究的熱點(diǎn).與傳統(tǒng)光源相比，LED具有冷光源、耗能低、波長固定、光電轉(zhuǎn)換率高等諸多優(yōu)點(diǎn).在實(shí)際生產(chǎn)中，LED光源光密度和光質(zhì)（紅／藍(lán)光比例或紅／遠(yuǎn)紅光比例）等可以調(diào)節(jié).使用LED光源結(jié)合農(nóng)作物的需要進(jìn)行光譜的精確配置，可以促進(jìn)高效率、高產(chǎn)量、高品質(zhì)和綠色環(huán)保的農(nóng)作物生產(chǎn)［12－13］.另外采用LED光源能得到解決了以往研究中光質(zhì)不純的問題，增加了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性.本試驗(yàn)通過LED精量調(diào)制光質(zhì)研究其對(duì)生菜生長及營養(yǎng)品質(zhì)的影響，以期探明光質(zhì)對(duì)生菜生長和各項(xiàng)品質(zhì)的影響，為LED光源在生菜設(shè)施栽培上的應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2011年10月在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)LED植物光源研究中心進(jìn)行，供試材料為意大利全年耐抽薹生菜.種子經(jīng)浸種催芽后播于裝滿草炭＋蛭石＋珍珠巖（3V∶1 V∶1 V）穴盤中育苗，環(huán)境條件如下：自然光照條件下，溫度（20±2）℃，光周期12h·d－1，相對(duì)濕度控制在80%左右.第2片真葉完全展開時(shí)，選取形態(tài)長勢(shì)一致的生菜幼苗定植于聚氨酯泡沫育苗塊上定植于水培箱中，并置于5種不同光譜能量分布的LED光源和對(duì)照鏑燈下培養(yǎng).LED光設(shè)置藍(lán)光（B）、紅光（R）、綠光（G）、黃光（Y）和紅藍(lán)組合光（R∶B＝3∶1）.光強(qiáng)設(shè)置為100μmol m－2s－1.利用充氣泵供應(yīng)營養(yǎng)液中氧氣，每隔7d更換營養(yǎng)液一次，以園式配方為基本營養(yǎng)液配方，微量元素配方均采用Aron配方.各處理15株，3次重復(fù)，光照12h·d－1，處理20d后隨機(jī)取樣測(cè)量各項(xiàng)指標(biāo).各處理隨機(jī)選取3株幼苗，每項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定設(shè)3次重復(fù).

1.2 光譜能量分布

LED光源系統(tǒng)由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院LED植物光源研究中心自主研制，以日光色鏑燈（QB／T3583－99）作為對(duì)照.光譜分布如表1所示.

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

各處理隨機(jī)選取3株植物測(cè)量株高指標(biāo)，用電子天平稱量植株鮮重；于105℃烘箱殺青15min，80℃烘干至恒重稱量干重；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定［14］；游離氨基酸含量采用水合茚三酮法測(cè)定［14］；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G－250染色法測(cè)定［14］；硝態(tài)氮含量用硫酸－水楊酸法測(cè)定［14］；硝酸還原酶活性用離體法測(cè)定［14］，亞硝酸鹽含量測(cè)定參照秦遂初的方法［15］；谷氨酰胺合成酶活性參照殷召學(xué)的方法測(cè)定［16］.

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2003進(jìn)行整理，SPSS17.0軟件統(tǒng)計(jì)，方差分析采用Duncan’s多重比較法.文中小寫字母a、b、c、d、e表示不同處理在0.05水平上的差異顯著性.

表1 不同LED光譜能量分布的技術(shù)參數(shù)Tab.1 Major technique parameters of different light spectral energy distribution under LED

2 結(jié)果與分析

2.1 不同LED光質(zhì)對(duì)生菜生物量及形態(tài)的影響

由表2可知，與對(duì)照相比，生菜植株鮮樣質(zhì)量和干樣質(zhì)量在紅藍(lán)組合LED光下最大，分別提高了55.6%和62.5%；其次是藍(lán)光LED處理，提高鮮樣質(zhì)量和干樣質(zhì)量分別為37.7%和25%，紅光LED處理提高鮮樣質(zhì)量和干樣質(zhì)量分別為14.8%和12.5%.而黃光LED和綠光LED則明顯降低生菜的鮮樣質(zhì)量和干樣質(zhì)量.以上結(jié)果表明紅光、藍(lán)光以及紅藍(lán)組合光是對(duì)植物有正面促進(jìn)效果的光譜.

與CK相比，黃光LED、綠光LED和紅光LED顯著增加生菜株高；藍(lán)光LED顯著抑制株高；紅藍(lán)組合LED光與CK沒有顯著差異.

2.2 不同LED光質(zhì)對(duì)生菜品質(zhì)指標(biāo)的影響

由表3可知，光質(zhì)可以明顯影響生菜的品質(zhì).紅光處理下可溶性糖含量顯著高于其他處理，比對(duì)照增加了24.1%，紅藍(lán)組合光和藍(lán)光分別比對(duì)照增加了21.5%和14.3%，而黃光和綠光處理下，可溶性糖含量顯著降低.藍(lán)光、紅藍(lán)組合光以及紅光處理下可溶性蛋白含量顯著增加，分別比對(duì)照增加了25.2%、5.9%和4.7%，而黃光和綠光處理下，可溶性蛋白含量降低.藍(lán)光和紅藍(lán)組合光還顯著提高了生菜中氨基酸的含量，分別比對(duì)照增加了43.4%和32.8%，其他處理與對(duì)照沒有明顯差異.生菜中維生素C含量在藍(lán)光和紅藍(lán)組合光下含量較高，分別比對(duì)照提高了29.4%和17.6%，在紅光、黃光和綠光處理下含量顯著降低.

表2 不同LED光質(zhì)對(duì)生菜生物量及形態(tài)的影響Tab.2 Effect of different light quality on morphology and biomass of lettuce seedlings

由表4可知，硝酸鹽含量在綠光和黃光下較高，紅光和藍(lán)光與對(duì)照沒有顯著差異，而紅藍(lán)組合光處理明顯降低了硝酸鹽含量，比對(duì)照降低43.2%.亞硝酸鹽的含量與硝酸鹽含量趨勢(shì)一致，也是在紅藍(lán)組合光下含量最低.通過對(duì)硝酸鹽代謝關(guān)鍵酶活性研究發(fā)現(xiàn)，紅藍(lán)組合光下硝酸鹽還原酶活性最高，比對(duì)照提高了3倍，藍(lán)光和紅光也分別使酶活性提高了1.5倍和1.75倍.與此同時(shí)，紅藍(lán)組合光也顯著提高了谷氨酰胺合成酶的活性，比對(duì)照提高了66.7%.可見紅光、藍(lán)光和紅藍(lán)組合光可以通過提高代謝酶活性來降低生菜的硝酸鹽含量，其中紅藍(lán)組合光效果最佳.

綜合分析可知，相對(duì)于對(duì)照與其他處理紅藍(lán)組合光更能顯著提高生菜中可溶性糖、可溶性蛋白、游離氨基酸和維生素C含量，而顯著地降低了硝酸鹽含量，由此可知紅藍(lán)組合處理下生菜營養(yǎng)品質(zhì)最佳.

表3 不同LED光質(zhì)對(duì)生菜營養(yǎng)品質(zhì)的影響Tab.3 Effect of different light quality on quality of lettuce seedlings

表4 不同LED光質(zhì)對(duì)生菜安全品質(zhì)的影響Tab.4 Effect of different LED light quality on safety of lettuce seedlings

3 結(jié)論與討論

大量研究表明，紅光和藍(lán)光對(duì)高等植物的蛋白質(zhì)代謝有重要的調(diào)節(jié)作用，藍(lán)光處理下多種植物的葉片和種子中蛋白質(zhì)的含量高于紅光處理［9，17］.本研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)光LED處理下生菜葉片中可溶性蛋白和游離氨基酸含量最高，這與前人的研究結(jié)果相同.前人研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)光可以明顯促進(jìn)線粒體的暗呼吸，為氮代謝和蛋白質(zhì)合成提供能量和碳架［9］；與此同時(shí)，藍(lán)光對(duì)NR有激活作用，從而為蛋白質(zhì)的合成提供了較多的可同化氮源［18－19］.因此，藍(lán)光LED有利于生菜可溶性蛋白和氨基酸合成與積累.

糖類是有機(jī)代謝的起點(diǎn)物質(zhì)，是維持生命活動(dòng)的主要能量來源［20］.前人研究發(fā)現(xiàn)，紅光提高了番茄、香椿苗和小白菜等［7，21－22］多種蔬菜可溶性糖含量；也有研究報(bào)道紅藍(lán)組合光提高了水稻幼苗中可溶性糖含量［23］.本研究中也發(fā)現(xiàn)紅光處理下生菜可溶性糖含量最高，其次是紅藍(lán)組合光處理下含量也較高，這與前人研究結(jié)果一致.

維生素是人體健康必不可少的營養(yǎng)成分，研究表明藍(lán)光能促進(jìn)維生素C合成.藍(lán)光處理下，豌豆苗、蘿卜芽苗菜和青蒜苗的維生素C含量較高［24－26］.適宜的藍(lán)紅光比例同樣能有效增加植物維生素C含量［27］.在對(duì)油菜的研究中發(fā)現(xiàn)，組培苗葉片維生素C的含量在藍(lán)紅3∶1處理下最大［28］.本研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)光和紅藍(lán)組合光處理下生菜維生素C含量較高，這與前人研究一致.

光照對(duì)植物體內(nèi)硝酸鹽代謝起著極其重要的作用，是決定硝酸鹽含量的主要因素之一.硝酸還原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶（GS）是NO3－同化過程中2種關(guān)鍵酶［18］.不同光質(zhì)可以明顯改變NR和GS的活性.研究表明，藍(lán)光對(duì)NR很可能存在直接的刺激作用，同時(shí)紅光和光敏色素也可以調(diào)控NR活性［29－30］.而GS活性在一定程度上可以由NR活性促進(jìn)［31］.本試驗(yàn)結(jié)果表明，紅藍(lán)3∶1LED對(duì)生菜NR和GS的活性調(diào)控有積極作用，單色的紅光和藍(lán)光的效果沒有紅藍(lán)組合光明顯，這可能與光敏色素和隱花色素的互作影響有關(guān).蔬菜中硝酸鹽累積是氮素代謝受阻所致，其含量與NR活性和GS酶活性正相關(guān)，本研究結(jié)果也充分證實(shí)這一結(jié)論，紅藍(lán)組合光提高了硝酸鹽代謝酶活性有效降低了生菜中硝酸鹽含量.

由于紅光和藍(lán)光的光譜能量分布與葉綠素吸收光譜峰值區(qū)域一致，因此紅藍(lán)組合光對(duì)植物的生長發(fā)育能產(chǎn)生積極影響，適宜的光譜比例能夠充分發(fā)揮植物的生長潛力［27，32］，但是適合的比例可能因植物的品種而異.

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責(zé)任編輯：高 山

Effects of Different Light Emitting Diodes on Growth and Quality of Lettuce

FAN Xiaoxue1，SONG Bo1，XU Hai1，CHEN Longzheng1，XU Zhigang2，YUAN Xihan1
（1.Institute of Vegetable Crops，Jiangsu Academy of Agricultural Sciences，Nanjing 210014，China；2.College of Agronomy，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China）

The study investigated the effects on growth and quality of lettuce under six light treatments：yellow LED（Y），green LED（G），red LED（R），blue LED（B）and the red plus blue light（R∶B＝3∶1）by dysprosium lamp as control（CK）.The results showed that：under combination of red light and blue light，the fresh weight and dry weight were the largest，and the second is blue light treatment.Compared with the control，blue light and the red plus blue light significantly enhanced the content of soluble sugar，soluble protein，amino and vitamin C.The study also showed that the red plus blue light significantly im?proved activity of nitrate reductase and glutamine synthetase in lettuce leaf，which reduced the content of nitrate and nitrite and improve the safety effectively.

light emitting diode（LED）；light quality；lettuce；growth；quality；safety

S641.1

A

1008－8423（2015）03－0330－04

10.13501／j.cnki.42－1569／n.2015.09.026

2015－06－22.

江蘇省自主創(chuàng)新基金項(xiàng)目（CX（13）2004）；農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201403032）.

樊小雪（1983－），女，博士，主要從事蔬菜育種與生理生態(tài)的研究；?

陳龍正（1980－），男，博士，副教授，主要從事蔬菜育種與分子育種的研究.