光照強度對普通白菜生長特性及膳食纖維含量的影響

陳子義,趙 碩,章競瑾,黃丹楓

(上海交通大學農(nóng)業(yè)與生物學院,上海 200240)

普通白菜[Brassica campestrisssp.chinensis(L.) Makino]也稱青菜、小白菜,為十字花科蕓苔屬白菜亞種中直立或半直立株型的變種,普通白菜苗菜生產(chǎn)周期短,無農(nóng)藥殘留隱患,口感滑嫩,營養(yǎng)價值高。 隨著社會的發(fā)展,高品質(zhì)蔬菜的市場潛力不斷增加[1]。

光照強度影響作物生長,弱光條件下生菜光合作用下降,產(chǎn)量減少[2],提高環(huán)境光強可以顯著提高其產(chǎn)量[3-4],但強光條件下適當遮光則對作物的產(chǎn)量沒有影響[5],甚至可提高其光合能力[6]。 馬齒莧在光照不足的條件下會出現(xiàn)生長停滯[7],番茄的葉片內(nèi)、外部結(jié)構(gòu),以及株幅和根系在不同光照強度下差異顯著[8]。 Kim 等[9]指出,作物中的抗氧化物質(zhì)活性受光照強度的影響。 Maekawa 等[10]發(fā)現(xiàn),強光可以有效提高十字花科苗菜的抗氧化物活性。 普通白菜的飽和光強在1 300—1 500 μmol·m-2·s-1[11],而在人工光源條件下,普通白菜對光照強度的適應(yīng)性與自然光下有一定的差異[12-14]。

膳食纖維這一概念提出較早[15],指聚合度大于3 的碳水化合物[16],它在小腸內(nèi)不能被消化吸收。 研究表明,膳食纖維有預(yù)防結(jié)腸癌、心血管疾病的作用[17-18],同時有利于預(yù)防肥胖癥和糖尿病[19-20]。Padayachee 等[21]指出,蔬菜作物中細胞壁是膳食纖維的主要來源。 相比于人工提取或合成的膳食纖維,未加工的植物膳食纖維對發(fā)揮大鼠大腸的功能更加有益[22]。 膳食纖維不同于其他蔬菜營養(yǎng)物質(zhì),其含量不受常見烹飪方式的影響[23-24]。 光照強度影響苣荬菜中粗纖維的積累[25],闞茗銘等[26]發(fā)現(xiàn),甘藍成熟過程中不同類型膳食纖維含量會發(fā)生變化;岳翔等[27]研究了土壤水分對普通白菜膳食纖維含量的影響。 目前,光照強度對普通白菜膳食纖維含量的影響還未見報道。 本試驗在人工光型植物工廠中,以發(fā)光二極管(LED)白光作為光源,探究光照強度對普通白菜光合特性、形態(tài)及膳食纖維積累的影響,旨在為人工光型植物工廠生產(chǎn)高品質(zhì)綠葉作物及作物細胞壁合成相關(guān)基礎(chǔ)研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

以‘夏王’普通白菜為試驗材料,種子購于上?；莺头N業(yè)公司。 試驗在人工光型植物工廠(愛盛生物科技有限公司)中進行。 挑選完整、飽滿的普通白菜種子,用浸濕的無紡布包裹后在溫度25 ℃、相對濕度80%的黑暗條件下催芽24 h,大部分種子露白后,播種于128 孔穴盤中,每孔1 粒,基質(zhì)使用有機專用育苗基質(zhì)(丹陽市有機肥料有限公司)。 育苗溫度(25 ±1)℃、相對濕度80%,黑暗2 d。 播種后3 d,統(tǒng)一提供LED 白色光源,光照強度為(104.37 ±11.2)μmol·m-2·s-1,晝溫為(25 ±1)℃,夜溫為(20 ±1)℃,相對濕度為 65%,光周期為 16 h·d-1。 營養(yǎng)液使用霍格蘭配方,導電率設(shè)定為(1 500 ±300)μS·cm-1。

播種后14 d,對普通白菜進行不同光照強度處理,使用LED 燈條提供全光譜的白光,色溫6 500 K。采用便攜式光譜儀(ALP-01,廣州群志科技股份有限公司)測定各處理燈下15 cm 處光合有效輻射通量。試驗共設(shè)置 4 個水平,分別為 100 μmol·m-2·s-1(T100)、260 μmol·m-2·s-1(T260)、400 μmol·m-2·s-1(T400)和500 μmol·m-2·s-1(T500)。 播種 20 d 后取樣,測定植株光合特性及葉片生長狀況,每個處理3 次重復(fù),每個重復(fù)3 株普通白菜。 播種后29 d 進行采收,測定植株生物量、營養(yǎng)物質(zhì)含量、膳食纖維及細胞壁多糖含量,每個處理3 次重復(fù),每個重復(fù)10 株普通白菜。

1.2 測定方法

1.2.1 光合特性

使用便攜式光合儀(GFS-3000,WALZ)于9:00—11:00 及14:00—16:00 測定普通白菜的光合作用參數(shù),選取普通白菜生長點以下第二片無黃化、萎蔫、破損的葉片,測定位置為距離葉片尖端三分之一處。

使用調(diào)制式葉綠素熒光儀(IMAGING-PAM,WALZ)測定普通白菜葉綠素熒光參數(shù),將整株普通白菜暗處理30 min 后拍攝圖片,記錄生長點以下第二片葉參數(shù)。

1.2.2 葉片生長狀況

使用愛普生掃描儀(PERFECTION V700 PHOTO,愛普生)掃描單株雞毛菜葉面積:將葉片展平放在掃描臺,EPSON SCAN 軟件設(shè)為專業(yè)模式,分辨率300 dpi,采集圖片前預(yù)覽效果,所有葉片調(diào)整合適后保存圖片。

葉片厚度通過制作橫截面切片測量,切片取用部位為距葉片尖端三分之一處并避開葉脈的中部,使用福爾馬林-乙酸-乙醇(FAA)固定液保存、環(huán)氧樹脂包埋,60 ℃聚合48 h。 超薄切片機(EM UC7,徠卡)切取厚度為1 μm 的切片,在光學顯微鏡(DM6 B,徠卡)20 倍鏡頭下,選取清晰無雜質(zhì),結(jié)構(gòu)完整無破壞的視野,使用LASX 軟件截取圖片。

1.2.3 生物量

采收后,使用百分之一精度電子天平(PL602-L,梅特勒-托利多)稱取普通白菜鮮重,鼓風式干燥箱在溫度105 ℃條件殺青0.5 h,60 ℃烘干48 h 至恒重,稱取普通白菜干重。

1.2.4 營養(yǎng)物質(zhì)含量

維生素C 含量使用鉬藍比色法測定;可溶性蛋白含量測定使用考馬斯亮藍G-250 染色法;硝酸鹽含量測定使用水楊酸-硫酸比色法;葉綠素、類胡蘿卜含量測定使用95%乙醇浸提比色法。

1.2.5 膳食纖維及細胞壁多糖

膳食纖維測定按照國家制定的標準《食品安全國家標準 食品中膳食纖維的測定》(GB 5009.88—2014)進行。 細胞壁提取、組分分離及含量測定參考歐祥俐[28]的方法。

1.3 圖像處理

使用 Image-J 軟件(https:∕∕imagej.nih.gov∕ij∕developer∕index. html)處理普通白菜葉片掃描圖,測定葉片形態(tài),圖片分辨率300 dpi,長度比例118.110 2 pixels =1 cm,直線工具測定;將彩色圖片轉(zhuǎn)為8 位色圖(Image-Type-8 bit),調(diào)節(jié)灰度色域值(Image-Adjust-Threshold),Default-Red 模式,當紅色區(qū)域覆蓋對應(yīng)目標葉片并無較多雜質(zhì)時測定葉面積;將長度比例設(shè)置為2.36 pixels= 1 μm,使用直線工具測定葉片厚度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2016 軟件整理數(shù)據(jù)、繪制圖表,使用PASW 18.0 軟件進行統(tǒng)計學分析,多重比較使用Tukey 法。

2 結(jié)果與分析

2.1 光照強度對不接球白菜光合特性的影響

圖1 顯示,T500 處理的普通白菜葉片凈光合速率高于其他處理,約為 T100 的 4 倍,比 T260 高37.5%,與 T400 差異不顯著。 T100 處理的普通白菜的蒸騰速率顯著低于其他處理(圖1),T260 的蒸騰速率是T100 的2.6 倍左右,T400、T500 處理的普通白菜蒸騰速率相比于T260 分別提高了13% 和25%左右,且T500 的蒸騰速率高于其他處理。

圖1 不同光照強度的普通白菜光合特性Fig.1 Photosynthetic characteristics of pakchoi under different light intensities

如圖2A 所示,T500 處理的 Y(II)最高,約為T100 的1.9 倍,比 T260 高 16.8%,T400 處理的 Y(II)與 T500 差異不顯著,各處理普通白菜的Y(II)由大至小為:T500 ＞T400 ＞T260 ＞T100。 T500 處理的ETR 最高,約為T100 的1.9 倍,比T260 高16.9%,與T400 差異不顯著(圖2B)。 T400 處理普通白菜葉片qL 最高,比 T100 高 62.0%,比 T260 高 22.9%,與 T500 差異不顯著(圖 2C)。

圖2 不同光照強度的普通白菜葉綠素熒光參數(shù)Fig.2 Chlorophyll flourensent parameters of pakchoi under different light intensities

2.2 光照強度對普通白菜葉片生長的影響

由表1 可知,各處理的普通白菜葉長由大至小為T400 ＞T260 ＞T100 ＞T500,且各處理間差異不顯著。 T400 處理普通白菜葉寬顯著大于其他處理,其余處理間差異不顯著。 T400 處理的的普通白菜葉寬∕葉長比值最大,為0.76,其次為T260 處理,兩者間差異不顯著。 T260 處理的第三葉位葉面積最大,達19.4 cm2,各處理的普通白菜葉面積由大至小為T260 ＞T400 ＞T500 ＞T100。 T260 的普通白菜葉柄最長,與其他處理間差異顯著,T500 處理的葉柄長顯著低于其他處理,僅為3.5 cm。 T400 與T500 處理葉柄長與葉長比值均接近0.7,且二者間差異不顯著,T260 處理最高。 葉片厚度隨著光照強度的升高呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢,T400 處理的普通白菜葉片厚度為352 μm,顯著大于其他處理。

表1 不同光照強度普通白菜的葉片形態(tài)Table 1 The blade morphologenesis of pakchoi under different light intensities

2.3 光照強度對普通白菜生物量及營養(yǎng)物質(zhì)的影響

由表2 可知,T100 處理的普通白菜鮮重顯著低于其他處理,T260 和T400 處理間差異不顯著。 普通白菜的干重表現(xiàn)出與鮮重相似的變化趨勢。

表2 不同光照強度普通白菜生物量及營養(yǎng)物質(zhì)含量Table 2 Biomass and nutrient component content of pakchoi under different light intensities

T260 處理的普通白菜的維生素C 含量最低,T400 與T500 處理間差異不顯著,T100 處理最高。 可溶性蛋白的含量隨著光照強度的增加不斷增高,且各處理間差異顯著。 T500 處理的普通白菜可溶性糖含量最高,T100、 T260 及T400 處理之間的差異不顯著。

2.4 光照強度對普通白菜膳食纖維及細胞壁多糖的影響

由圖3 可知,普通白菜不可溶膳食纖維含量由大至小為:T500 ＞T400 ＞T260 ＞T100,T500 比T100 處理高42.2%,比T260 處理高27.2%。 T400 處理的普通白菜可溶性膳食纖維含量最高,約為T100 的1.9 倍,比T260 處理高50.7%。 T500 處理的總膳食纖維最高,比 T100 處理高47.8%,比 T260 處理高30.5%,T400 與T500 處理間差異不顯著。

圖3 不同光照強度的普通白菜膳食纖維含量Fig.3 Dietary fiber content of pakchoi under different light intensities

由圖4 可知,普通白菜細胞壁纖維素含量隨著光照強度升高而增加。 T100 處理的普通白菜細胞壁半纖維素含量與T260 處理差異不顯著,T400 與T500 處理間差異不顯著。 隨著光照強度的升高,普通白菜細胞壁果膠含量先增加后降低,T400 顯著高于其他處理,比T100 處理高20.9%,比T260 處理高13.4%。

圖4 不同光照強度的普通白菜細胞壁多糖含量Fig.4 Cell wall polysaccharides content of pakchoi under different light intensities

3 討論與結(jié)論

光是作物生命活動的重要能量來源,弱光導致作物光合能力下降,器官發(fā)育緩慢、產(chǎn)量降低[29],強光會引起作物光抑制反應(yīng),光合能力下降,甚至破環(huán)光合器官[30-31],為了在人工光型植物工廠中獲得產(chǎn)量高、品質(zhì)好的蔬菜,需要明確合適的光照強度。 本研究中,當光照強度由100 μmol·m-2·s-1升高至400 μmol·m-2·s-1時,普通白菜凈光合速率、蒸騰速率、Y(II)和 ETR 顯著提高,而光照強度提高至500 μmol·m-2·s-1時并未顯著增加,說明過高的光照強度不能促進普通白菜光合能力的提升;且光化學淬滅參數(shù)qL 在T500 條件下略有下降,說明T500 處理的普通白菜光合活性略有下降。 Samuoliene 等[32]研究表明,110 μmol·m-2·s-1光照強度會抑制十字花科葉菜苗菜的生長,330—440 μmol·m-2·s-1是其生長及抗氧化物質(zhì)積累的最佳光照強度。 本研究中,光照強度由 100 μmol·m-2·s-1提高到400 μmol·m-2·s-1后,普通白菜葉片面積和葉片厚度顯著增加,這與 Tan 等[33]的研究結(jié)果一致。 Ma等[34]研究發(fā)現(xiàn),414 μmol·m-2·s-1光照強度有利于水培普通白菜地上部鮮重的積累,540 μmol·m-2·s-1條件下,普通白菜地上部鮮重減少。 本研究中,T500 條件下普通白菜鮮重、干重均較高,可能是不同栽培方式下普通白菜對光照強度的適應(yīng)能力不同所致。 普通白菜的可溶性蛋白、可溶性糖含量隨著光照強度的提高而增加,維生素C 含量并未隨光照強度變化呈現(xiàn)出上述規(guī)律。

膳食纖維是一類化合物的總稱,包括作物細胞壁的纖維素、半纖維素、果膠及非碳水化合物類木質(zhì)素等[35]。 纖維素合成過程中的關(guān)鍵酶為纖維素合酶復(fù)合體,其磷酸化水平隨著光合速率的增加而提高。 同時,向該過程分配碳通量的多少也與光合作用的強弱相關(guān)[36-37],高光強環(huán)境下煙草莖木質(zhì)部木質(zhì)素含量增加[38]。 Wang 等[39]發(fā)現(xiàn),低光、高溫及高水勢環(huán)境抑制普通白菜下胚軸細胞壁多糖的沉積,對果膠的影響尤為顯著。 本研究中,T500 和T400 處理的細胞壁纖維素和半纖維素含量以及不可溶膳食纖維(IDF)含量顯著升高,與前人研究結(jié)果一致,而普通白菜的細胞壁果膠和可溶性膳食纖維(SDF)含量在T400 處理時達到最大,提高光照強度后略微下降,表明過高的光照強度不利于細胞壁果膠和可溶性膳食纖維(SDF)的積累。

綜上,普通白菜膳食纖維、細胞壁多糖含量會受到光照強度的影響,并隨著光照強度的升高而增加。400 μmol·m-2·s-1光照強度(T400)較適合人工光型植物工廠高品質(zhì)普通白菜生產(chǎn)。