LED紅藍(lán)光對(duì)西洋參植株生長(zhǎng)、產(chǎn)量和皂苷含量的影響

張玉彬， 劉文科， 楊其長(zhǎng)， 邵明杰， 查凌雁， 周成波， 李寶石

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

西洋參(Panaxquinquefolius)是五加科(Araliaceae)多年生草本植物，具有預(yù)防癌癥、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)、增強(qiáng)記憶力等功效。西洋參果實(shí)具有抗氧化作用，在保護(hù)神經(jīng)、降低血壓以及止吐等方面也具有良好的功效[1]。西洋參的生長(zhǎng)環(huán)境較苛刻，喜溫涼、濕潤(rùn)的環(huán)境，當(dāng)前僅在我國(guó)的吉林省、山東省威海市和北京市懷柔區(qū)等地有種植，主要有農(nóng)田、林下和設(shè)施等栽培方式。農(nóng)田和林下種植模式，耗時(shí)且勞動(dòng)密集度大，使得生產(chǎn)成本大幅增加；設(shè)施栽培是用遮蔽物覆蓋在西洋參的上部來進(jìn)行遮光，這種栽培方式難以有效調(diào)控出適宜西洋參生長(zhǎng)的光環(huán)境。西洋參的產(chǎn)品外觀和質(zhì)量因產(chǎn)地氣候、栽培方式等不同而差別較大[2-3]，西洋參種子質(zhì)量也因此參差不齊，這也影響了西洋參的品質(zhì)。且野生資源越來越少，已很難通過現(xiàn)有的栽培方式來滿足醫(yī)藥市場(chǎng)對(duì)于高品質(zhì)西洋參的需求。

人工光植物工廠可以調(diào)控溫度、光照、水肥等環(huán)境因子，使植物生長(zhǎng)不受或很少受自然條件制約，大大提高作物的生產(chǎn)效率[4]。光是影響植物生長(zhǎng)器官發(fā)育的重要因素，也是植物工廠栽培中重要的環(huán)境調(diào)控因素。與普通補(bǔ)光方式相比，LED照明的發(fā)展更大程度地完善了植物生長(zhǎng)的光環(huán)境系統(tǒng)[5]。研究表明，在LED光照射下，人參植株的葉綠素含量及總皂苷含量較熒光燈比都會(huì)顯著增加[6]。且LED光照射可使參根中的蔗糖、香豆酸、香草酸、膽固醇等有效成分顯著增加[7-8]。Seong等[9]初步研究發(fā)現(xiàn)，LED紅藍(lán)光質(zhì)比例3∶1，光強(qiáng)63.85 μmol·m-2·s-1處理可以促進(jìn)人參的生長(zhǎng)發(fā)育。目前國(guó)內(nèi)藥用植物的田間生產(chǎn)大多數(shù)采用濾光膜或轉(zhuǎn)光膜來實(shí)現(xiàn)植物對(duì)于不同光質(zhì)的需求[10]，但這很難實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)和光質(zhì)比例的精確調(diào)控。本研究創(chuàng)新性地以西洋參為例，在環(huán)境可控的人工光植物工廠內(nèi)進(jìn)行栽培，設(shè)置3種LED紅藍(lán)光質(zhì)比例(2R:1B、3R:1B、4R:1B)和2種光強(qiáng)(50和80 μmol·m-2·s-1)，以探究人工光植物工廠內(nèi)多種光環(huán)境因子對(duì)西洋參生長(zhǎng)和品質(zhì)的影響，為西洋參在人工光植物工廠栽培的光環(huán)境調(diào)控提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所的密閉植物工廠內(nèi)進(jìn)行。栽培環(huán)境晝/夜溫度為(26±1)/(24±1)℃，晝夜相對(duì)濕度65%～75%。試驗(yàn)材料為長(zhǎng)勢(shì)一致的2年生西洋參苗，由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所提供。將西洋參苗隨機(jī)斜栽于長(zhǎng)方形培養(yǎng)槽(57 cm×32 cm×18 cm)內(nèi)，每槽8株。采用LED紅藍(lán)光組合燈板進(jìn)行光照處理(表1)，設(shè)置2R:1B(Q2∶1)、3R:1B(Q3∶1)和4R:1B(Q4∶1)3種紅藍(lán)光譜組成，50 (I50)和80 μmol·m-2·s-1(I80)2種光強(qiáng)，共6個(gè)處理組合。采用LI 1500輻射照度測(cè)量?jī)x(LI-COR，USA)標(biāo)定植株冠層光強(qiáng)，試驗(yàn)過程中，根據(jù)參苗的長(zhǎng)勢(shì)調(diào)整光強(qiáng)以保障植物冠層所受光強(qiáng)一致。栽培基質(zhì)為珍珠巖、草炭和蛭石(體積比為 1∶1∶1)的混合物。每周對(duì)所有處理噴施2次500 mL營(yíng)養(yǎng)液及2次200 mL純水，營(yíng)養(yǎng)液按照查凌雁等[11]的配方配制。

表1 試驗(yàn)中LED光譜參數(shù)Table 1 LED spectral parameters

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

西洋參收獲時(shí)，每個(gè)處理隨機(jī)取4株植株，將地上部分放入烘箱中，80 ℃烘干至恒重并稱取質(zhì)量。采用計(jì)數(shù)法測(cè)定西洋參果實(shí)和種子的數(shù)量，并稱取質(zhì)量。采用Li-6400便攜式光合儀(Lincoln, NE, USA)在參苗移栽后第60 d，測(cè)定植株開花期不同光處理下葉片的凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)以及蒸騰速率(Tr)。西洋參地下部收獲后采用冷凍干燥機(jī)(Millrock Technology, USA)對(duì)其進(jìn)行脫水處理，先將參根切成1 cm的小段，再用真空冷凍干燥機(jī)進(jìn)行凍干處理[12]，凍干結(jié)束后立即進(jìn)行真空包裝。并在凍干前后分別稱取參根的鮮重和干重。采用香草醛—冰醋酸—高氯酸比色法[13]測(cè)定西洋參根中的總皂苷含量。離心提取上清液后，60 ℃下氮吹，加80%甲醇溶液至勻漿狀，用100%甲醇定容至1.25 mL，從中移取50 μL，低溫?fù)]去溶劑，然后再按照步驟依次操作測(cè)定總皂苷含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2015進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS 25.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)分析(LSD法，α=0.05)，用Orgin 9.0進(jìn)行作圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 LED紅藍(lán)光處理對(duì)西洋參地上干重的影響

不同處理的西洋參地上干重結(jié)果(圖1)顯示，不同LED紅藍(lán)光質(zhì)與光強(qiáng)處理下，西洋參植株地上部的干重均有不同程度的差異，但無顯著性差異。其中，Q2∶1I50處理下西洋參地上部干重最大，達(dá)到0.81 g，Q3∶1I80處理最小為0.46 g。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異在P<0.05水平上具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note: Different small letters indicate statistically significant difference between different treatments at P<0.05 level.圖1 LED紅藍(lán)光對(duì)西洋參地上干重的影響Fig.1 Effects of LED red and blue light on dry weight of American ginseng

2.2 LED紅藍(lán)光對(duì)西洋參植株光合特性的影響

由表2可知，不同LED紅藍(lán)光照射對(duì)西洋參葉片的光合特性有一定影響。西洋參葉片的凈光合速率在Q4∶1I50下最低，為1.83 μmol·m-2·s-1；在Q4∶1I80下達(dá)到最高，為2.54 μmol·m-2·s-1，二者間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率各處理間沒有顯著差異(P>0.05)。I50下，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均隨紅光比例的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。I80下，西洋參葉片凈光合速率隨紅光比例的增大而逐漸增大，而氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率則變化相反。同一光質(zhì)處理下，I80下的凈光合速率略高于I50處理，即西洋參葉片在LED光強(qiáng)為80 μmol·m-2·s-1下具有較高的光合能力。

表2 不同處理對(duì)西洋參光合特性的影響 Table 2 Effects of different treatments on photosynthetic characteristics of American ginseng

2.3 LED紅藍(lán)光處理對(duì)西洋參果實(shí)和種子產(chǎn)量的影響

由表3可得，不同LED紅藍(lán)光照射下，西洋參果實(shí)和種子性狀均有差異。Q3∶1處理下，I50下的西洋參果實(shí)和種子數(shù)量顯著多于I80處理；Q2∶1和Q4∶1處理下，兩種光強(qiáng)處理的果實(shí)和種子數(shù)量均沒有顯著差異。Q2∶1處理下，I50的西洋參果實(shí)單粒重顯著低于I80處理。Q3∶1和Q4∶1處理下，兩種光強(qiáng)處理下的西洋參果實(shí)單粒重均無顯著差異。同一紅藍(lán)光質(zhì)下，不同光強(qiáng)處理下的西洋參種子單粒重均沒有顯著差異。I50下，Q4∶1的果實(shí)和種子數(shù)量顯著低于Q2∶1和Q3∶1處理，Q2∶1和Q3∶1處理間的果實(shí)及種子數(shù)量沒有顯著差異；果實(shí)單粒重隨紅光比例的增大而逐漸增大，Q4∶1時(shí)，西洋參種子單粒重最重，為50.4 mg，與Q2∶1和Q3∶1處理存在顯著差異。I80下，不同LED紅藍(lán)光質(zhì)處理下的果實(shí)、種子數(shù)量以及種子單粒重均無顯著差異；果實(shí)單粒重隨紅光比例的增大而逐漸減小，Q2∶1時(shí)，果實(shí)單粒重最重，為270.8 mg。結(jié)果表明，Q3∶1I50處理下，西洋參果實(shí)和種子數(shù)量最多，分別達(dá)到17.3和19.7個(gè)。Q2∶1I80處理下，西洋參果實(shí)單粒重最重，為270.8 mg，Q4∶1I50處理下，西洋參種子單粒重最重，為50.4 mg。

表3 LED紅藍(lán)光對(duì)西洋參果實(shí)和種子性狀的影響Table 3 Effects of LED red and blue light on characteristics of fruits and seeds of American ginseng

2.4 LED紅藍(lán)光對(duì)西洋參根生物量及總皂苷含量的影響

由表4可得，不同LED光處理對(duì)西洋參地下部生物量及總皂苷均有一定影響。Q2∶1和Q3∶1處理下，I80的根鮮重和根干重均顯著大于I50處理。Q4∶1下，不同光強(qiáng)下的根鮮重、干重?zé)o顯著差異，I50處理的總皂苷含量顯著低于I80處理。I50下，不同光質(zhì)處理間的西洋參根鮮、干重?zé)o顯著差異；西洋參總皂苷含量隨著藍(lán)光比例的降低而逐漸降低。I80下，西洋參根鮮重、根干重隨LED紅光比例的增大而逐漸減小。Q4∶1處理的總皂苷含量最高，為111.9 mg·g-1，且與Q2∶1和Q3∶1處理差異顯著。本研究中，Q2∶1I80處理下的西洋參鮮重、干重最大，分別為15.97和4.13 g，Q4∶1I80處理下的西洋參總皂苷含量最高，達(dá)到111.9 mg·g-1。

表4 LED紅藍(lán)光對(duì)西洋參根生物量及總皂苷含量的影響Table 4 Effects of LED red and blue light on root biomass and total saponin content of American ginseng

3 討論

西洋參產(chǎn)量和品質(zhì)的提高與生長(zhǎng)期間光照條件的改善有關(guān)。本研究表明，與50 μmol·m-2·s-1處理相比，西洋參葉片在80 μmol·m-2·s-1下凈光合速率更高，這與蔚榮海等[14]的研究結(jié)果一致。與弱光相比，強(qiáng)光照射下的葉片光合生產(chǎn)能力更強(qiáng)，促進(jìn)光合產(chǎn)物積累，可以快速完成個(gè)體各器官結(jié)構(gòu)的發(fā)育過程，使得高光強(qiáng)下西洋參生長(zhǎng)更快。據(jù)試驗(yàn)觀察，80 μmol·m-2·s-1下生長(zhǎng)的西洋參植株比50 μmol·m-2·s-1的西洋參植株早開花1～3 d，在強(qiáng)光下細(xì)胞分裂、生長(zhǎng)速度增加，這也使高光強(qiáng)下的西洋參植株較低光強(qiáng)的早進(jìn)入黃葉期1～2 d，這與徐克章等[15]對(duì)不同生育期的人參葉片光合特性變化的研究結(jié)果一致。本研究中，不同光處理的西洋參葉片的光合特性無顯著差異。這是因?yàn)橹参锏墓夂咸匦允墉h(huán)境條件的綜合作用影響，在不同生育期，光合特性與環(huán)境因子間的相互關(guān)系也會(huì)發(fā)生變化。研究發(fā)現(xiàn)，北細(xì)辛開花期的凈光合速率受某些環(huán)境因子的直接影響，而在結(jié)果期凈光合速率則受環(huán)境因子協(xié)同影響[16]。西洋參與北細(xì)辛生長(zhǎng)環(huán)境類似，其光合作用也可能是在不同的生長(zhǎng)期受環(huán)境因子影響不同。各處理之間的光合指標(biāo)無差異，可能是因?yàn)樘幱陂_花期，受光合效率、Rubisco活性[17]等因素的綜合影響。

本研究發(fā)現(xiàn)，光強(qiáng)為50 μmol·m-2·s-1時(shí)，西洋參總皂苷含量隨著藍(lán)光比例的升高而逐漸增加，可能是藍(lán)光比例較高促進(jìn)了皂苷的生成。一般來說，在適宜藥用植物生長(zhǎng)的光強(qiáng)范圍內(nèi)，藍(lán)光比例越高，越利于次生代謝物質(zhì)的合成[10]。光強(qiáng)為80 μmol·m-2·s-1時(shí)，西洋參總皂苷含量隨著藍(lán)光比例的降低而逐漸升高，這可能是同一紅藍(lán)光質(zhì)比例時(shí)，在不同光強(qiáng)下，藍(lán)光比例增大導(dǎo)致西洋參須根數(shù)量增多，而須根在西洋參各部位中，皂苷含量最豐富[18]，從而導(dǎo)致皂苷整體含量增多，關(guān)于總皂苷生成量對(duì)于光譜照射的響應(yīng)機(jī)理，有待進(jìn)一步探究。

綜上所述，LED紅藍(lán)光的光強(qiáng)不同，紅藍(lán)光質(zhì)比例對(duì)西洋參的生長(zhǎng)、果實(shí)和種子性狀及總皂苷含量的影響不同。不同LED紅藍(lán)光質(zhì)比例及光強(qiáng)處理對(duì)西洋參葉片的光合特性均無顯著影響。紅藍(lán)光質(zhì)比例因照射光強(qiáng)不同對(duì)西洋參的影響有差異，低光強(qiáng)的LED紅藍(lán)光利于西洋參果實(shí)和種子的生長(zhǎng)。光強(qiáng)50 μmol·m-2·s-1，紅藍(lán)光質(zhì)比例3∶1是利于西洋參果實(shí)和種子生長(zhǎng)的適宜條件。高光強(qiáng)的LED紅藍(lán)光利于西洋參根的生長(zhǎng)，光強(qiáng)80 μmol·m-2·s-1，紅藍(lán)光質(zhì)比例 2∶1 是西洋參根生長(zhǎng)的適宜條件。