光學(xué)干涉膜下生菜的生理指標(biāo)變化及品質(zhì)分析

翟克清，張昕昱，周念念，安玉蘭，雷 玥，高 潔，甘德芳，*，劉 文，何曉梅

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，安徽 合肥 230036； 2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理學(xué)院，安徽 合肥 230026； 3.皖西學(xué)院，安徽 六安 237012)

生菜(LactucasativaL.)，又稱葉用萵苣，為菊科萵苣屬半耐寒性蔬菜，富含維生素、煙酸、葉酸和礦物質(zhì)，具有清熱安神、清肝利膽和養(yǎng)胃的功效[1]。生菜具有生長期短、易于管理、產(chǎn)量高以及適宜生食等特點(diǎn)，近年來，食用人群不斷增多，栽培面積迅速擴(kuò)大，逐漸成為植物設(shè)施園藝的主要葉菜種類[2]。

光伏農(nóng)業(yè)作為一種新的農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，在增加土地利用率的同時(shí)，亦是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與新能源結(jié)合的新形式，能夠促進(jìn)農(nóng)業(yè)的綠色化以及低碳循環(huán)生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展[3-4]。目前，光伏農(nóng)業(yè)在日本、德國、意大利、智利、俄羅斯等國家都有一定規(guī)模的應(yīng)用[5-7]，但是現(xiàn)有光伏農(nóng)業(yè)在農(nóng)作物生長條件方面仍然存在問題，譬如農(nóng)作物種植品種的限制以及對產(chǎn)量的影響[8-9]。傳統(tǒng)的光伏農(nóng)業(yè)主要采用在農(nóng)田上部鋪設(shè)晶硅電池以實(shí)現(xiàn)太陽光的幾何分離，或者使用具有固有光譜特性的非晶硅電池來分離太陽光，但兩種光伏農(nóng)業(yè)形式均影響下方植物光合作用所需的光照[10]。光伏農(nóng)業(yè)的核心是農(nóng)業(yè)，即在優(yōu)先保證農(nóng)作物生長不受影響或者基本不受影響的前提下，運(yùn)用現(xiàn)代光學(xué)干涉濾光方法對太陽光進(jìn)行合理分配，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長與光伏發(fā)電兩不誤。因此發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)(農(nóng)場)，既是解決土地資源匱乏、提升土地資源利用率的一大舉措，也是目前國內(nèi)各級政府農(nóng)村扶貧的一個(gè)重要內(nèi)容。尤其在炎熱的夏季，因大部分太陽光都被反射用來發(fā)電，植株葉片溫度和土壤溫度明顯降低，減緩水分蒸發(fā)，有利于水土保濕，在一定程度上也可緩解農(nóng)業(yè)水資源匱乏瓶頸，更好地實(shí)現(xiàn)清潔能源與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)雙效利用?；谏鲜銮闆r，課題組提出一種新型光伏農(nóng)業(yè)方案——基于植物光合作用的太陽光譜分離技術(shù)，利用低成本塑料多層膜將太陽光中適合光合作用的紅藍(lán)光光譜分選出來用于植物生長，其余大部分反射光集中于晶硅電池上用于發(fā)電，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的電力供應(yīng)問題[11]。本研究模擬了光學(xué)干涉膜下的植物生長環(huán)境，研究分析在該光環(huán)境下，生菜生長、抗氧化酶及營養(yǎng)品質(zhì)等的變化。同時(shí)，模擬了波長≤720 nm的光環(huán)境，即截止遠(yuǎn)紅光，探究在缺失遠(yuǎn)紅光的情況下生菜的生理形態(tài)變化等，以期為溫室蔬菜栽培光環(huán)境研究和光伏農(nóng)業(yè)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持，為今后相關(guān)濾光薄膜的推廣打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試生菜品種為蒙黛及克里斯汀，由荷蘭瑞克斯旺種子公司提供，栽培于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院溫室內(nèi)。

供試薄膜為光伏農(nóng)業(yè)新型薄膜(納米材料制作)，其中紅藍(lán)光透過膜是對太陽光中紅藍(lán)光高透射，其他光均反射的一種薄膜，其透過波長范圍與葉綠素吸收光譜相對應(yīng)，如圖1左；遠(yuǎn)紅光截止膜為反射太陽光波長大于720 nm的光線，透過波長≤720 nm的光線。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料的定植與處理

2017年3月2日播種，采用穴盤基質(zhì)育苗方式。待生菜三葉一心時(shí)移栽至40 cm×40 cm×26 cm的栽培槽內(nèi)，每個(gè)品種栽種9棵，3次重復(fù)。待生菜定植2 d后，在栽培槽上方固定支架加蓋玻璃板。處理如下：處理1(對照)，普通透明玻璃板(光強(qiáng)660 μmol·m-2·s-1)；處理2，覆蓋有紅藍(lán)濾光膜的透明玻璃板(光強(qiáng)440 μmol·m-2·s-1)；處理3，覆蓋有遠(yuǎn)紅光截止膜的透明玻璃板(光強(qiáng)700 μmol·m-2·s-1)。其他生長因素均一致，按常規(guī)方法管理。試驗(yàn)環(huán)境如圖1。

1.2.2 取樣及測定

蓋膜后20、35 d時(shí)分別取樣，每組隨機(jī)選取相同部位的葉片，剪碎混勻，并稱取相應(yīng)質(zhì)量，用錫箔紙包好，投入液氮中處理2～3 min后取出，置于-80 ℃冰箱中保存供測定相關(guān)指標(biāo)。維生素C含量用2，6-二氯酚靛酚法測定，葉片可溶性蛋白含量用考馬斯亮藍(lán)G-250法測定，蒽酮比色法測定植株葉片可溶性糖含量，分光光度法測葉綠素含量，SOD、CAT活性采用分光光度計(jì)法測定，丙二醛含量采用TBA比色法測定。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析采用Excel 2010和方差分析2013，用Sigmaplot 10.0和Excel 2010軟件繪制圖表。

1.2.4 葉綠體超微結(jié)構(gòu)

蓋膜后20 d，取蒙黛生菜各處理的葉片，置預(yù)冷的5%戊二醛固定液中，用真空泵抽出葉片組織內(nèi)的氣體，4 ℃固定過夜。然后經(jīng)過漂洗、鋨酸固定、脫水、滲透、包埋和聚合等，將包埋塊用超薄切片機(jī)切成100 nm的切片，經(jīng)醋酸雙氧鈾50%乙醇飽和溶液及檸檬酸鉛溶液各染色5～10 min，并沖洗烘干，透射電鏡下觀察葉綠體的超微結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光環(huán)境對生菜部分生理指標(biāo)的影響

2.1.1 不同光環(huán)境對生菜過氧化氫酶(CAT)活性的影響

蒙黛蓋膜20 d時(shí)，遠(yuǎn)紅光截止膜下CAT活性最低，而紅藍(lán)光透過膜CAT活性最大，且與遠(yuǎn)紅光截止膜的差異性達(dá)到顯著水平(P<0.05)；蓋膜35 d時(shí)，除對照組CAT活性升高外，其他2種處理CAT活性都下降?？死锼雇∩w膜20 d，遠(yuǎn)紅光截止膜的CAT活性最高，紅藍(lán)光透過膜的活性最低，二者差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；蓋膜35 d，三種處理間的CAT活性差異均不顯著(P>0.05)，但處理35 d的酶活性均較處理20 d的有所上升(圖2)。

2.1.2 不同光環(huán)境對生菜超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

蒙黛蓋膜20 d時(shí)，紅藍(lán)光透過膜處理下SOD活性最高，與遠(yuǎn)紅光截止膜處理組及對照組差異顯著(P<0.05)；蓋膜35 d時(shí)，紅藍(lán)光環(huán)境下葉片中SOD活性顯著降低，與遠(yuǎn)紅光截止環(huán)境下的酶活性比較接近，但兩者與對照差異顯著(P<0.05)?？死锼雇∩w膜20 d和35 d時(shí)，都以遠(yuǎn)紅光截止膜下的活性最高，三種處理在35 d時(shí)，SOD活性均有較大下降(圖3)。

2.1.3 不同光環(huán)境對生菜丙二醛(MDA)含量的影響丙二醛(MDA)是細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化作用的產(chǎn)物之一，它的產(chǎn)生會加劇膜的損傷。丙二醛含量的高低，反映膜脂質(zhì)過氧化的程度，也間接反映植物組織抗氧化能力的強(qiáng)弱。由圖4可以看出，蒙黛和克里斯汀蓋膜后20 d，紅藍(lán)濾光膜覆蓋下的生菜丙二醛含量都顯著高于其他兩種處理(P<0.05)，隨著時(shí)間的推移，丙二醛含量呈現(xiàn)下降趨勢；蓋膜后35 d，紅藍(lán)光環(huán)境下的丙二醛含量明顯降低，但兩種膜覆蓋下的生菜葉片丙二醛含量均無顯著差異(P>0.05)(圖4)。

圖1 紅藍(lán)濾光膜透射率示意圖[12]及生菜栽培環(huán)境示意圖Fig.1 Schematic diagram of transmittance of red-blue filter film[12] and lettuce cultivation environment

A，蒙黛；B，克里斯汀；同一覆蓋時(shí)間內(nèi)不同處理之間無相同小寫字母表示在0.05水平存在顯著差異(n=3)。下同。A， MonDai; B， Kristin; The bars of different treatments in the same coverage time with different lowercase letters indicated significant difference at 0.05 level (n=3). The same as below.圖2 不同光環(huán)境對生菜過氧化氫酶(CAT)活性的影響Fig.2 Effect of different light environments on the activity of catalase (CAT) in lettuce

圖3 不同光環(huán)境對生菜超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響Fig.3 Effect of different light environments on the activity of superoxide dismutase (SOD) in lettuce

圖4 不同光環(huán)境對生菜丙二醛含量的影響Fig.4 Effect of different light environments on malondialdehyde (MDA) content in lettuce

2.2 不同光環(huán)境對生菜營養(yǎng)品質(zhì)的影響

2.2.1 不同光環(huán)境對生菜可溶性糖含量的影響

蒙黛和克里斯汀蓋膜20 d時(shí)，紅藍(lán)光膜覆蓋下的可溶性糖含量最高，隨著覆蓋時(shí)間的延長，到35 d時(shí)，紅藍(lán)光膜覆蓋下的可溶性糖含量下降到最低，低于遠(yuǎn)紅光截止膜組及對照組。遠(yuǎn)紅光截止膜下的可溶性糖含量隨著蓋膜時(shí)間的延長成上升趨勢，35 d時(shí)顯著高于紅藍(lán)光透過膜組(P<0.05)(圖5)。

圖5 不同光環(huán)境對生菜可溶性糖含量的影響Fig.5 Effects of different light environments on soluble sugar content in lettuce

2.2.2 不同光環(huán)境對生菜維生素C含量的影響

蒙黛蓋膜20 d時(shí)，紅藍(lán)光環(huán)境處理下維生素C含量最低，顯著低于對照和遠(yuǎn)紅光截止膜的(P<0.05)；隨著蓋膜處理時(shí)間的延長，至35 d時(shí)，維生素C積累量有較大幅度提高，尤以遠(yuǎn)紅光截止膜處理更為明顯。克里斯汀的維生素C含量也是以蓋膜35 d的累積量最高(圖6)。

2.2.3 不同光環(huán)境對生菜可溶性蛋白和葉綠素a+b的影響

蒙黛蓋膜20 d時(shí)，紅藍(lán)光處理組及遠(yuǎn)紅光截止處理組的可溶性蛋白含量都顯著高于對照組(P<0.05)；葉綠素a+b含量各處理之間無顯著性差異(P>0.05)。蓋膜35 d時(shí)，可溶性蛋白積累量顯著下降，且以紅藍(lán)光處理組下降明顯(P<0.05)；葉綠素a+b含量也有所下降，但都高于對照組?？死锼雇∩w膜20 d時(shí)，紅藍(lán)光處理組可溶性蛋白含量顯著低于遠(yuǎn)紅光截止處理組及對照組(P<0.05)，葉綠素a+b含量差異不顯著(P>0.05)；蓋膜處理35 d時(shí)，可溶性蛋白含量有所下降，但遠(yuǎn)紅光截止膜處理的可溶性蛋白含量顯著高于其他2組(P<0.05)。葉綠素a+b含量也有所下降，對照組及紅藍(lán)光處理組下降較多(圖7)。

圖6 不同光環(huán)境對生菜維生素C含量的影響Fig.6 Effects of different light environments on vitamin C content in lettuce

2.3 不同光環(huán)境對蒙黛葉片細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)及葉綠體結(jié)構(gòu)的影響

為研究不同光環(huán)境對生菜葉片細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響，取蓋膜20 d的蒙黛生菜葉片，經(jīng)固定、漂洗、固定、脫水、滲透、包埋和聚合、切片、染色等過程，在0.3 K和5.0 K放大倍數(shù)下的透射電鏡觀察葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)及葉綠體的變化。結(jié)果表明，對照組即自然光環(huán)境下植株葉片細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)完整，葉綠體依次排列并均勻分布于細(xì)胞內(nèi)部，葉綠體基粒片層緊密堆疊，類囊體整齊排列(圖8-A、B)；紅藍(lán)光環(huán)境下細(xì)胞中葉綠體排列聚集，形成一個(gè)大葉綠體，單個(gè)葉綠體內(nèi)部基粒片層依舊排列緊密細(xì)致，葉綠體結(jié)構(gòu)完整(圖8-C、D)；遠(yuǎn)紅光截止環(huán)境下生菜葉片部分細(xì)胞被破壞，細(xì)胞無規(guī)則排列，葉綠體分布細(xì)胞外層，部分葉綠體結(jié)構(gòu)被破壞，基粒片層呈無規(guī)則排列(圖8-E、F)。

3 討論

隨著全球化石能源的日益枯竭，大力開發(fā)可再生能源已迫在眉睫，光伏發(fā)電是一種最具可持續(xù)發(fā)展理想特征的可再生能源發(fā)電技術(shù)[13-14]。但是有限的土地資源從某種程度上又限制了光伏發(fā)電的發(fā)展，于是促生了“光伏+”模式，即光伏與農(nóng)業(yè)、光伏與林業(yè)[15]、光伏與景觀[16]、光伏與治沙[17]等結(jié)合模式。其中，光伏農(nóng)業(yè)對緩解土地資源與光伏發(fā)電發(fā)展的矛盾，實(shí)現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)與循環(huán)農(nóng)業(yè)相結(jié)合具有深遠(yuǎn)意義[13]。研究表明，紅藍(lán)光環(huán)境對于溫室作物的生長具有積極作用[18]。陳文昊等[19]認(rèn)為，紅藍(lán)光環(huán)境下生長的生菜，其可溶性糖、總酚、蔗糖等指標(biāo)優(yōu)于普通光照條件下栽培的生菜。梁貝貝等[20]認(rèn)為，LED紅藍(lán)光源環(huán)境下，85%～90%基質(zhì)含水量培育黃瓜優(yōu)質(zhì)壯苗的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)水分的高效利用。陳祥偉等[21]認(rèn)為，紅/藍(lán)(7/1)有利于增加光合色素含量，提高光合速率和營養(yǎng)品質(zhì)。余意等[22]研究了LED光質(zhì)對3種葉色生菜光譜吸收特性、生長及品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，紅藍(lán)光組合顯著提高3種生菜地上部分的干質(zhì)量，類黃酮、花青素及可溶性糖等含量。

A、C，蒙黛；B、D，克里斯汀。A， C， MonDai; B， D， Kristin.圖7 不同光環(huán)境對生菜蛋白質(zhì)含量和葉綠素a+b含量的影響Fig.7 Effects of different light environments on content of soluble protein and chlorophyll a+b in lettuce

SOD、CAT等酶是植株體內(nèi)重要的保護(hù)酶，其活性高低反映植株的生理活性狀況。本實(shí)驗(yàn)以中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉文課題組自主研發(fā)的光學(xué)干涉膜為基礎(chǔ)[23]，研究其覆蓋對生菜部分生理指標(biāo)及品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，紅藍(lán)光環(huán)境能提高蒙戴生菜生長前期過氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性，這與蒲高斌等[24]的研究結(jié)果相一致，即紅光和藍(lán)光可以提高番茄幼苗的抗氧化酶活性，有利于提高其抗氧化能力。后期部分酶的活性雖然較對照的低，但差異不顯著。生菜葉片內(nèi)維生素C、蛋白質(zhì)及可溶性糖含量等是評價(jià)生菜綜合質(zhì)量的重要指標(biāo)[19]。高波等[25]研究認(rèn)為，紅、藍(lán)光為3∶1光配比可提高芹菜可溶性糖含量，而本研究發(fā)現(xiàn)，在生菜生長的前期，兩種光環(huán)境較普通光照環(huán)境提高了葉片的可溶性糖含量，后期紅藍(lán)透過膜則下降明顯，而克里斯汀在后期可溶性糖含量升高，但與對照差異不明顯。維生素C在生菜生長后期逐漸積累，但與對照差異不顯著。Samuolienég等[26-29]認(rèn)為，藍(lán)光對葉綠素含量有顯著促進(jìn)作用，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了前期紅藍(lán)光有利于提高葉綠素含量，后期隨品種不同有所差異，但與對照差異不顯著。葉綠體超微結(jié)構(gòu)分析表明，紅藍(lán)光環(huán)境促進(jìn)葉綠體聚集增大，進(jìn)而提高植物葉片光合作用；遠(yuǎn)紅光截止環(huán)境下葉片的部分細(xì)胞破壞，葉綠體基粒分層不明顯，說明遠(yuǎn)紅光對生菜生長也起著重要作用。本研究是建立在光伏農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)上，在滿足作物生長光需求的基礎(chǔ)上，將多余的光反射收集用于發(fā)電，保證作物生長和發(fā)電兩不誤，雖然在紅藍(lán)光透過膜覆蓋后期，部分品質(zhì)指標(biāo)有所下降，但大多與對照差異不顯著。

A，B，自然光(對照)；C，D，紅藍(lán)光透過膜；E，F(xiàn)，遠(yuǎn)紅光截止膜。A， B， Natural light (control); C， D， Red blue light transmission film; E， F， Far red light-cutting film.圖8 不同光環(huán)境對葉綠體超微結(jié)構(gòu)的影響Fig.8 Effect of different light environments on ultrastructure of chloroplasts

遠(yuǎn)紅光截止膜是透過除遠(yuǎn)紅光之外的其余光譜，雖然遠(yuǎn)紅光截止膜覆蓋下的生菜部分生物活性酶及品質(zhì)指標(biāo)優(yōu)于紅藍(lán)光透過膜下生菜的相應(yīng)指標(biāo)，但是，該分光膜應(yīng)用于光伏發(fā)電的效率是很低的，是很難直接應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的，因而后續(xù)實(shí)驗(yàn)可以考慮改進(jìn)光學(xué)分光膜的組成，使之透過紅藍(lán)光的同時(shí)，增加部分遠(yuǎn)紅光的透過率，保證作物生長不受影響的基礎(chǔ)上進(jìn)行光伏發(fā)電。該研究結(jié)果為光學(xué)干涉膜的技術(shù)改進(jìn)、光學(xué)干涉膜的大田推廣應(yīng)用以及光伏農(nóng)業(yè)的未來發(fā)展走向提供了參考和依據(jù)。