藍(lán)光耦合UV-A對紅甜菜營養(yǎng)品質(zhì)的影響

黃 靖，段發(fā)民，鄭胤建，楊其長，郭曉強

(1.成都大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院，四川 成都 610106；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所，四川 成都 610213；3.國家成都農(nóng)業(yè)科技中心，四川 成都 610213)

引言

光照在植物的生長發(fā)育、形態(tài)建成和光合作用等生理活動中具有重要作用[1]。LED光源與金鹵燈、熒光燈和高壓鈉燈等光源相比因體積小、能耗低、壽命長、半波峰窄等優(yōu)勢，在植物照明領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[2]。藍(lán)光作為驅(qū)動植物光合作用的主要光譜之一，對植物株型調(diào)控[3]、蛋白質(zhì)代謝[4]、植物細(xì)胞的氧化應(yīng)激效應(yīng)[5]等生理生化反應(yīng)效果顯著。植株受紫外光照射能夠產(chǎn)生較多的自由基，進而刺激植物啟動應(yīng)急保護機制產(chǎn)生清除自由基的防御化合物，如：類胡蘿卜素、維生素和酚類化合物等[6]。有研究結(jié)果表明：藍(lán)光能夠增加植物類黃酮含量和酚類化合物含量，如豌豆芽苗菜[7]、苜蓿芽苗菜[8]、小白菜[9]等。UV-A光照能夠顯著增加花色苷、類胡蘿卜素和黃酮醇等抗氧化活性物質(zhì)含量，如生菜[10]、蠶豆[11]、辣椒[12]等。

植株可以通過隱花色素(CRY)感知藍(lán)光和UV-A的光信號，隨后隱花色素將光信號傳導(dǎo)給下游的蛋白因子，如：COP1、HY5等[13]。COP1是一種泛素化E3連接酶，是光形態(tài)建成的負(fù)調(diào)節(jié)因子，它可以被細(xì)胞核的其他蛋白因子(SPAs)激活介導(dǎo)HY5的降解[14]。而HY5是苯丙烷代謝途徑的重要轉(zhuǎn)錄因子，與類黃酮生物合成基因的啟動子結(jié)合并調(diào)控轉(zhuǎn)錄[11]。苯丙烷代謝途徑是植物合成黃酮類化合物的主要途徑。藍(lán)光對類黃酮代謝途徑中的關(guān)鍵酶和相關(guān)基因具有調(diào)控作用，藍(lán)光可以激活CRY1/CRY2-COP1相互作用導(dǎo)致HY5與MYB同下游的花青素合成基因CHS和DFR的結(jié)合，如早酥梨[15]、茄子[16]等。此外，UV-A輻照對類黃酮的合成也有重要作用，UV-A通過上調(diào)光受體基因(CRY、UVR8)、花青苷合成基因(PAL、CHS、ANS和UFGT)和調(diào)控基因(MYB75)的表達，誘導(dǎo)了花青苷的積累，如大豆芽苗菜[17]、蕪菁[18]等。UV-B通過UVR8和COP1的相互作用進而積累了HY5，從而上調(diào)下游黃酮類基因的表達，如：擬南芥[19]、杭白菊[20]等。

目前大部分報道都集中在單一藍(lán)光或紫外光對植物次級代謝產(chǎn)物含量的研究上。而藍(lán)光耦合UV-A的協(xié)同作用對蔬菜營養(yǎng)品質(zhì)調(diào)控方面的研究鮮有報道。紅甜菜(Beta vulgaris L.var.cicla L.)是藜科甜菜屬的一個變種，含有豐富的甜菜素、維生素、酚類化合物和花色苷等抗氧化活性物質(zhì)[21]，對人體預(yù)防癌癥、降血脂、抗疲勞和增強免疫力等方面具有重要作用[22]。紅甜菜因?qū)λ值囊蟊容^高，是喜肥深根作物[23,24]。因此，除了選擇富含抗氧化活性成分的品種之外，優(yōu)化生長環(huán)境以提高蔬菜次生代謝物質(zhì)含量也可作為其調(diào)控手段。本試驗利用藍(lán)光和UV-A兩種光源，在可控環(huán)境內(nèi)研究藍(lán)光和UV-A的不同強度比對紅甜菜營養(yǎng)品質(zhì)的作用規(guī)律，為蔬菜功能品質(zhì)提升的光譜選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

本試驗在成都市農(nóng)林科學(xué)院可控環(huán)境實驗室內(nèi)進行，將紅甜菜種子播于海綿塊(2 cm×2 cm×2 cm)中，黑暗處理24 h后自然光培養(yǎng)，待兩葉一心時，選取長勢一致健壯的幼苗于水培槽(80 cm×80 cm×80 cm)中定植待處理。處理為不同紫外光(UV-A)與藍(lán)光(B)光強(μmol·m-2·s-1)為0∶50(T0)、5∶45(T5)、10∶40(T10)、15∶35(T15)、20∶30(T20)，光周期為12 h/d，環(huán)境溫度為25 ℃，濕度為70%～80%，每個處理設(shè)3次重復(fù)于1/2 Hoagland’s營養(yǎng)液中栽培，待采樣。

1.2 指標(biāo)測定

將采收后紅甜菜隨機選取5株，千分之一天平測定地上部、地下部鮮重，烘干至恒重時，萬分之一天平測定地上部、地下部干重，選取植株葉片于液氮中研磨并轉(zhuǎn)存至-80 ℃冰箱，存樣待測。

測定方法：參照李合生[25]的測定方法：無水乙醇浸提法測定光合色素，利用蒽酮比色法、考馬斯亮藍(lán)G-250染色法、2,6-二氯酚靚酚比色法、硝基水楊酸比色法和水合茚三酮法測定可溶性糖、可溶性蛋白、維生素C(Vc)、硝酸鹽和游離氨基酸；參照Pirie等[26]方法略加修改：1%鹽酸-甲醇提取法測定總酚、類黃酮和花色苷相對含量。各指標(biāo)重復(fù)測定三次。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

全部試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 25.0進行統(tǒng)計與分析，使用LSD多重比較法進行單因素方差分析(P≤0.05)，作圖采用Origin 2018和Excel 2010。

2 結(jié)果與分析

2.1 藍(lán)光耦合UV-A對紅甜菜形態(tài)及生物量的影響

由圖1可知，藍(lán)光耦合UV-A處理對紅甜菜的形態(tài)影響顯著。T20處理下的紅甜菜株型較其他處理更緊湊，T15的葉張角最大；紅甜菜的葉片隨UV-A強度增大而逐漸變窄，T20時處理下葉片最窄；各處理的葉片顏色差異不顯著。藍(lán)光耦合UV-A對紅甜菜的生物量無顯著性差異(圖2)。

圖1 藍(lán)光耦合UV-A對紅甜菜的形態(tài)學(xué)影響Fig.1 Morphological effects of blue light coupling UV-A on red sugar beet

表1 藍(lán)光耦合UV-A對紅甜菜鮮重和干重的影響Table 1 Effects of blue light coupling UV-A on fresh and dry weight of red sugar beet

2.2 藍(lán)光耦合UV-A對紅甜菜光合色素含量的影響

由表2可知，藍(lán)光耦合UV-A處理對紅甜菜的光合色素作用結(jié)果差異較明顯，紅甜菜的葉綠素a、b和類胡蘿卜素含量隨UV-A強度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，均在T15處理達到最高，比之T0分別增加了35.21%、31.82%和33.33%，紅甜菜的類胡蘿卜素含量在T0時最高，但隨UV-A的強度增加而減少，在T15和T20達到最低，較T0降低了69.23%。

表2 藍(lán)光耦合V-A對紅甜菜光合色素的影響Table 2 Effects of blue light coupling UV-A on photosynthetic pigments of red sugar beet

2.3 藍(lán)光耦合UV-A對紅甜菜可溶性糖、可溶性蛋白、硝酸鹽和Vc含量的影響

由圖2可知，藍(lán)光耦合UV-A對紅甜菜的可溶性糖[圖2(a)]、硝酸鹽[圖2(c)]和Vc[圖2(d)]含量均無顯著性變化，對紅甜菜的可溶性蛋白[圖2(b)]含量有顯著影響，紅甜菜的可溶性蛋白含量在T0處理下最高，可溶性蛋白的含量隨UV-A強度的增加而減小，在T20時達到最低，比T0降低了32.66%。

圖2 藍(lán)光耦合UV-A對紅甜菜可溶性糖、可溶性蛋白、硝酸鹽和維生素C的影響Fig.2 Effects of blue light coupling UV-A on soluble sugar,soluble protein,nitrate and Vitamin C of red sugar beet

2.4 藍(lán)光耦合UV-A對紅甜菜游離氨基酸和抗氧化活性成分的影響

如圖3(a)所示，藍(lán)光耦合UV-A對紅甜菜的游離氨基酸含量影響顯著，隨UV-A強度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在T10處理下，紅甜菜的游離氨基酸含量最高，與T0比較，增加了58.19%。由圖3(b)可知，與T0相比，其他處理對紅甜菜的總酚含量影響顯著降低，分別降低了12.01%～60.06%，隨UV-A強度的增加呈降低趨勢。圖3(c)可得，藍(lán)光耦合UV-A處理對紅甜菜的類黃酮含量影響顯著，紅甜菜的類黃酮隨UV-A強度的增加呈先增加后減少的趨勢，在T5時，紅甜菜的類黃酮含量最高，較對照T0增加了14.99%。

圖3 藍(lán)光耦合UV-A對紅甜菜游離氨基酸、總酚、類黃酮和花色苷的影響Fig.3 Effects of blue light coupling UV-A on free amino acids,total phenolics,total flavonoids,and anthocyanins of red sugar beet

3 討論

光照是植物生長發(fā)育的重要決定因素，藍(lán)光和紫外光對植物形態(tài)學(xué)的影響通常取決于物種類別、波長范圍和光照強度[27]。有研究發(fā)現(xiàn)較高強度的藍(lán)光可以使大豆和生菜植株株型更為緊湊[28]，本研究發(fā)現(xiàn)隨著藍(lán)光強度的降低，植株的葉張角逐漸增大，在T15達到最大(圖1)。而隨著UV-A強度的增加，在T20時紅甜菜株型較其他處理更緊湊，Qian等[29]報道了補充UV-A的黃瓜幼苗株型更緊湊。這可能是當(dāng)UV-A達到一定強度時，植株通過調(diào)整株型來減輕接受的UV-A輻照。紅甜菜的葉片隨著UV-A強度的增強逐漸變窄(圖1)，這可能與株型緊湊的原因相同。

葉綠素是植物進行光合作用的重要基礎(chǔ)物質(zhì)[30]。在生菜[31]、小白菜[32]等作物中，添加藍(lán)光可以增加葉綠素含量。這是因為隱花色素和向光素可以介導(dǎo)藍(lán)光誘導(dǎo)葉綠素合酶基因的表達，促進葉綠素的積累[30]。而本試驗結(jié)果表明隨UV-A強度的增強，葉綠素的含量升高了。這可能是UV-A對紅甜菜產(chǎn)生的脅迫效應(yīng)，為減輕紫外輻射帶來的細(xì)胞損傷，促進葉綠素含量的積累以利于光能捕獲，進而促進苯丙烷的代謝途徑。植物的類胡蘿卜素對降低細(xì)胞內(nèi)活性氧、吸收過量的光能具有著重要作用[33]。本試驗發(fā)現(xiàn)類胡蘿卜素在藍(lán)光下的含量最大，而藍(lán)光耦合UV-A處理的類胡蘿卜素含量逐漸降低(表2)。Hoffmann等[12]報道了低強度藍(lán)光處理的甜椒在紫外線脅迫下的類胡蘿卜素含量較低，而較高強度的藍(lán)光可以緩解紫外線的脅迫作用，這與本研究結(jié)果相同。低強度的藍(lán)光在與UV-A的相互作用下，導(dǎo)致了紅甜菜類胡蘿卜素積累的減少，而具體的影響機制有待進一步研究。

試驗結(jié)果表明紅甜菜的可溶性蛋白在藍(lán)光耦合UV-A的處理下差異顯著[圖2(b)]。藍(lán)光可以激活硝酸還原酶(NR)，為蛋白質(zhì)的合成提供氮源，促進蛋白質(zhì)的積累[4]。在研究不同光質(zhì)對苜蓿芽苗菜品質(zhì)的影響中，發(fā)現(xiàn)藍(lán)光處理的可溶性蛋白含量比UV-A高[8]，本試驗可溶性蛋白含量隨藍(lán)光強度的降低和UV-A強度的增加逐漸降低。導(dǎo)致降低的可能原因一是藍(lán)光強度降低導(dǎo)致可溶性蛋白含量的降低，二是UV-A輻照影響了蛋白質(zhì)的合成。

游離氨基酸是評價蔬菜風(fēng)味的重要指標(biāo)之一，是蛋白質(zhì)等含氮化合物合成與分解的基本組成單位。楊曉建[34]報道在不同光質(zhì)處理處理下的青蒜苗中，藍(lán)光處理下的游離氨基酸含量最高，徐文棟等[31]報道的藍(lán)光量對萵苣生長和品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)無藍(lán)光處理下的游離氨基酸含量最低。這是因為藍(lán)光可以促進線粒體的暗呼吸，為氨基酸的合成提供碳架。本試驗發(fā)現(xiàn)在藍(lán)光耦合UV-A處理下的游離氨基酸含量均高于藍(lán)光(圖3a)，這表明UV-A可能也參與調(diào)控游離氨基酸的合成，促進了游離氨基酸的積累。

酚類化合物和類黃酮是植物響應(yīng)非生物脅迫產(chǎn)生的清除自由基的防御化合物，這些化合物可以吸收紫外光使植物可以適應(yīng)紫外線環(huán)境[11]。藍(lán)光和紫外光均可以通過光受體上調(diào)黃酮上游基因的表達，從而促進類黃酮的積累。Zheng等[9]和Li等[35]報道了補充藍(lán)光可以顯著增加小白菜和芥藍(lán)的酚類化合物和類黃酮。據(jù)報道[36]，UV-A可以促進紅葉生菜中總花色苷、類黃酮和酚類化合物含量的升高，本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)藍(lán)光耦合UV-A處理的酚類化合物隨UV-A的強度增強而降低(圖3b)，與上述結(jié)果不一致。導(dǎo)致這一結(jié)果差異可能與作物種類、基因型和試驗環(huán)境等條件有關(guān)。Yan等[11]報道了藍(lán)光和短時間UV輻照可以提高蠶豆的類黃酮含量，這與本試驗的研究結(jié)果一致。

花色苷是一種天然的水溶性色素，它的顏色會隨PH而變化，使植物可以呈現(xiàn)出不同的顏色，在預(yù)防癌癥和心腦血管等方面的疾病起重要的保健作用[37]。大量的研究證實了藍(lán)光促進了小白菜[9]、芥藍(lán)[35]和紅早酥梨[15]花色苷的合成，以及UV-A促進了甘藍(lán)幼苗[38]和紫葉生菜花色苷[39]的積累。本研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)光耦合UV-A處理下花色苷含量相比于藍(lán)光顯著增加，隨著藍(lán)光強度的降低和UV-A強度的增加，花色苷含量呈增長趨勢[圖3(d)]。Jiang等[16]認(rèn)為在藍(lán)光照射下，活躍形式的隱花色素與COP1相互作用，使HY5與MYB1得以積累，而HY5與MYB1可以直接結(jié)合在花色苷結(jié)構(gòu)基因(CHS與DFR)的啟動子上進而調(diào)控花色苷的積累。戚楠楠等[17]研究發(fā)現(xiàn)UV-A顯著上調(diào)了光受體基因(CRY1、CRY2)，且顯著高于藍(lán)光處理。苯丙氨酸解氨酶(PAL)是苯丙烷類代謝途徑的第一個酶，它的活性變化受UV-A的調(diào)控。查爾酮異構(gòu)酶(CHI)是花色苷合成途徑中的關(guān)鍵酶。唐麗等[8]報道了UV-A通過提升PAL、CHI酶活性促進了花色苷的合成。由此可見，藍(lán)光和UV-A均可以促進花色苷的合成，但是UV-A作用效應(yīng)大于藍(lán)光，這也解釋了本試驗藍(lán)光耦合UV-A處理的花色苷含量高于藍(lán)光處理。

4 結(jié)論

綜上，藍(lán)光耦合UV-A對紅甜菜的生物量、可溶性糖、硝酸鹽和Vc沒有顯著性影響，不利于類胡蘿卜素、可溶性蛋白和酚類化合物的積累。本試驗在T5處理的紅甜菜類黃酮含量最高；藍(lán)光耦合UV-A處理利于紅甜菜游離氨基酸的積累，T10達到最高；在T15處理時，有利于促進紅甜菜葉綠素和花色苷的合成，其含量最高。因此，紅甜菜在T15處理(35 μmol·m-2·s-1藍(lán)光、15 μmol·m-2·s-1UV-A)時可以作為提高色素的光照方案。