遠紅光有效促進羅勒植株的生物量和葉片花青素、總酚及類黃酮的積累

竇海杰 Genhua Niu Mengmeng Gu Joseph Masabni

（1 北京一輕研究院有限公司，智能化室內(nèi)植物種植研發(fā)平臺，北京 101111；2Texas A &M AgriLife Research，Dallas，TX，USA 75252；3Department of Horticultural Sciences，Texas A &M AgriLife Extension Service，College Station，TX，USA 77843）

光合有效輻射（PAR，400～700 nm）不僅為植物的光合作用提供能量，而且可作為一種信號調(diào)控因子調(diào)控作物的生長發(fā)育（Snowdenet al，2016；Douet al.，2017，2019；Son et al.，2017）。光合有效輻射波段外的波長，如紫外輻射（UR，280～399 nm）和遠紅光輻射（FR，700～780 nm）同樣可調(diào)控作物的生長發(fā)育（Casal，2013；Wargent &Jordan，2013；Ballaré，2014）。近年來研究表明，遠紅光可調(diào)控植株的光合作用、光形態(tài)建成及植株的部分次生代謝產(chǎn)物含量（Yang et al.，2013；Demotes-Mainard et al.，2016；Zhen &van Iersel，2017；Meng et al.，2019；Zhen &Bugbee，2020）。研究發(fā)現(xiàn)光合有效輻射與遠紅光輻射能夠協(xié)同提高植株的凈光合速率，且其量子產(chǎn)額大于光合有效輻射及遠紅光輻射單獨照射的總和，此現(xiàn)象被稱為增益效應(yīng)或愛默生效應(yīng)（Emerson et al.，1957；Emerson &Rabinowitch，1960）。增益效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)表明植株中存在2 個光系統(tǒng)，即光系統(tǒng)I（PSI）和光系統(tǒng)II（PSII），分別由遠紅光輻射和光合有效輻射優(yōu)先激活（Emerson &Rabinowitch，1960；Myers，1971；Allen，2003），且2 個光系統(tǒng)協(xié)同進行光合作用的電子傳遞。單獨的光合有效輻射或遠紅光輻射使得PSI 和PSII 處于失衡狀態(tài)，光量子產(chǎn)額較低。

人工光型植物工廠一般使用僅包含光合有效輻射波段的人工光源作為植株光合作用的唯一光源。在光合有效輻射中加入遠紅光能夠有效驅(qū)動PSI 的循環(huán)電子傳遞，緩解電子受體端的限制，提高光系統(tǒng)的光量子效率（Kono et al.，2019）。研究表明，生長在紅藍光（RGB）和白光（BGRFR）下的葉用萵苣（生菜）植株，添加遠紅光后植株P(guān)SII 的光量子效率和植株凈光合速率快速增加（Zhen &van Iersel，2017）。在光合有效輻射的基礎(chǔ)上添加總光強比例約40%的遠紅光對植株冠層凈光合速率的增加值與添加相同強度的光合有效輻射的增加值相同（Zhen &Bugbee，2020）。在光合有效輻射強度為200 μmol·m·s的條件下，添加50 μmol·m·s的遠紅光可使PSI 和PSII 達到平衡，但繼續(xù)增加遠紅光的光照強度對PSII 光量子效率的增加無促進作用（Zhen &van Iersel，2017）。

遠紅光不僅影響植株的光合作用效率，同時還調(diào)控植株的光形態(tài)建成（Trupkinet al.，2014；Park &Runkle，2017）。遠紅光通過光敏色素phyB調(diào)控光敏色素相互作用因子（PIFs），激活植株生長素合成基因，誘導(dǎo)植株的庇蔭反應(yīng)（Trupkin et al.，2014）。若紅光∶遠紅光（R∶FR）＞1，光敏色素phyB 由紅光吸收態(tài)（P，λ=660 nm）轉(zhuǎn)變?yōu)檫h紅光吸收態(tài)（P，λ=730 nm），進而通過PIF7 調(diào)控路徑誘導(dǎo)生長素的合成及植株的庇蔭反應(yīng)（Quail，2002；Liet al.，2012）。在紅藍光中增加遠紅光使得葉用萵苣和羅勒葉面積增大，植株鮮質(zhì)量增加，但植株葉綠素含量降低。結(jié)果表明，R∶FR 值較低時，植株莖稈和葉柄伸長、葉片傾角向上、側(cè)枝減少，增加了植株對光合有效輻射的捕獲（Meng &Runkle，2017）。

綜上可知，在光合有效輻射的基礎(chǔ)上添加遠紅光能夠促進植株的光合作用，調(diào)控光形態(tài)建成，增加植株生物量積累。因此，有研究建議將光合有效輻射的波段范圍擴大至遠紅光波段（Franklin，2008；Zhen &Bugbee，2020）。但是，在相同的總光照強度下，用遠紅光代替部分光合有效輻射對植株生長發(fā)育的作用機理仍不明確，比例不當有可能造成植株光合有效輻射捕獲量降低，對植株生物量積累產(chǎn)生抑制作用，以及減弱遠紅光對植株光合、生物量積累的促進作用。因此，探究遠紅光代替部分光合有效輻射對植株生長發(fā)育的影響，對人工光型植物工廠作物栽培的光環(huán)境調(diào)控具有重要意義。

羅勒（）為唇形科羅勒屬藥食兼用芳香植物，別名九層塔、香花子、蘭香等。植株含有豐富的芳香油及花青素、總酚和類黃酮等抗氧化物，可調(diào)配化妝品、香料、日用品和醫(yī)藥保健等產(chǎn)品（Sun et al.，2021）。本試驗選取綠葉羅勒為研究對象，利用5 種不同的人工光源在植物工廠內(nèi)開展遠紅光代替光合有效輻射對植株光合、形態(tài)、產(chǎn)量和部分次生代謝產(chǎn)物含量影響的研究，以期為人工光型植物工廠的光環(huán)境調(diào)控提供理論依據(jù)和實踐支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及栽培方法

于2019 年在美國德州農(nóng)工大學(xué)埃爾帕索試驗基地開展了遠紅光對羅勒植株生物量和葉片花青素、總酚及類黃酮積累影響的試驗，以綠葉羅勒（Improved Genovese Compact，種子購于Johnny’s Selected Seeds）為試材，在溫室內(nèi)進行播種育苗，溫室內(nèi)的溫度（晝/夜）為（28.3 ± 3.0）℃/（23.7 ± 1.4）℃，相對濕度（晝/夜）為（40 % ± 13%）/（56% ± 10%）。播種3 周后（幼苗展開3 片真葉時），將幼苗移栽至人工光型植物工廠實驗室（35 m），采用基質(zhì)栽培于口徑約10 cm的方形苗缽中，栽培密度為79 株·m，每處理12株。按需澆灌營養(yǎng)液。營養(yǎng)液的EC 值為（2.01 ±0.06）dS·m，pH 值為5.98 ± 0.03。植株冠層溫度（晝/夜）為（23.5 ± 0.5）℃/（22.0 ± 0.1）℃。移栽后進行不同光照處理，19 d 后統(tǒng)一采收，并進行相關(guān)指標的測定。

1.2 試驗處理方法

設(shè)計5 種不同的人工光源，分為兩組共10 個處理（表1）。第1 組為不含遠紅光（或遠紅光含量極低，忽略不計）的5 種人工光源處理，分別為紅藍光LED1（RB）、紅藍光LED2（RB）、紅藍光LED3（RB）、白色LED（RGB）和白色熒光燈（RGB）。第2 組即在保持總光量子通量密度（TPFD）不變的情況下，用遠紅光代替5 種人工光源的部分光合有效輻射的5 個處理，分別為紅藍光LED1/FR（RBFR）、紅藍光LED2/FR（RBFR）、紅藍光LED3/FR（RBFR）、白色LED/FR（RGBFR）和白色熒光燈/FR（RGBFR）。各處理的TPFD 見表1，光照周期均為16 h/8 h（晝/夜）。TPFD 和光合光量子通量密度（PPFD）為燈下15 cm 的測定值，根據(jù)各波段波長對植株光合作用的有效性加權(quán)獲得各處理的有效光量子通量密度（YPFD）（表1）。

表1 各處理不同輻射波段的光照強度和光量子通量密度 μmol·m-2·s-1

1.3 項目測定

1.3.1 生長發(fā)育指標的測定 每個處理隨機選取5株測定植株的株高、開展度、節(jié)間數(shù)、葉面積以及地上部、地下部的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量，其中地上部分別測定了葉片及莖稈的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量。葉面積使用葉面積儀（LI-3100，LI-COR）進行測定。將植株地上部置于80 ℃烘箱（Grieve）烘干至恒重，測定干質(zhì)量。

1.3.2 光合速率及葉綠素含量的測定 每個處理隨機選取5 株進行光合速率和葉綠素含量的測定。光合速率利用便攜式光合測定儀（CIRAS-3，Portable Photosynthesis Systems International）的標準葉室（PLC3）進行測定，葉室內(nèi)的光照強度、相對濕度、CO濃度分別為800 μmol·m·s、50%、390 μmol ·mol。葉片的葉綠素相對含量用便攜式葉綠素測定儀SPAD-502（Konica-Minolta cooperation，Ltd.）進行測定，用SPAD 值表示；葉綠素a+b 含量采用浸提法進行測定（Porra et al，1989）。

1.3.3 花青素、總酚、類黃酮及抗氧化活性的測定 每個處理隨機選取5 株測定植株葉片的花青素、總酚、類黃酮的含量和抗氧化活性。取新鮮的植物葉片于-80 ℃保存?zhèn)溆?。測定時，稱取約2 g葉片進行研磨，然后加入酸化甲醇溶液浸提，在黑暗中冷藏靜置12～16 h 后離心，吸取上清液用于以上各項指標的測定（Xu &Mou，2016）?；ㄇ嗨睾坎捎梅止夤舛确y定，測定結(jié)果以氰化物-3-葡萄糖苷當量表示（Connor et al，2002）；總酚含量采用Folin-Ciocalteu 法測定，測定結(jié)果以沒食子酸當量表示（Xu &Mou，2016）；類黃酮含量采用分光光度法測定，測定結(jié)果以兒茶素水合物當量表示（Dou et al，2018）；抗氧化活性采用ABTS 方法測定，測定結(jié)果以Trolox（水溶性VE）當量表示（Arnao et al，2001）。測定結(jié)果根據(jù)地上部鮮質(zhì)量折算成整株含量和活性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用JMP 軟件整理和計算，并進行單因素方差分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 遠紅光對植株生長發(fā)育的影響

試驗結(jié)果表明，遠紅光代替部分光合有效輻射使植株的株高和開展度分別提高了49%～65%和10%～17%（圖1），植株地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量分別增加了6%～23%和4%～28%（圖2）。其中株高的增加值明顯大于開展度，表明遠紅光對植株莖稈伸長的促進作用大于其對葉柄及葉片伸長的促進作用。同時，遠紅光處理對植株的節(jié)間數(shù)無顯著影響（均在5 節(jié)左右），表明遠紅光主要促進了植株節(jié)間莖稈的伸長，而非節(jié)間數(shù)的增加。在紅藍光LED3 處理下，遠紅光處理（RBFR）提高了植株葉面積12%，但在其他光源下遠紅光處理對植株葉面積無顯著影響（圖1）。

圖1 不同光質(zhì)處理下羅勒植株的株高、開展度和葉面積的變化

圖2 不同光質(zhì)處理下羅勒植株的地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量的變化

2.2 遠紅光對植株光合作用和葉綠素含量的影響

在相同的總光量子通量密度下，遠紅光代替部分光合有效輻射對羅勒葉片的凈光合速率無顯著影響（圖3）。保持總光量子通量密度不變，遠紅光代替部分光合有效輻射（RBFR、RBFR）顯著降低了紅藍光LED1、紅藍光LED3 處理下羅勒葉片的葉綠素相對含量（SPAD）值，以及紅藍光LED3 處理下羅勒葉片中葉綠素a+b 的含量（圖4）。

圖3 不同光質(zhì)處理下羅勒葉片的凈光合速率的變化

圖4 不同光質(zhì)處理下羅勒葉片的葉綠素相對含量和葉綠素a+b 含量的變化

2.3 遠紅光對植株花青素、總酚和類黃酮積累的影響

如圖5 所示，在紅藍光LED2 和白色LED 處理下，遠紅光代替部分光合有效輻射（RBFR、RGBFR）顯著提高了植株葉片花青素、總酚和類黃酮的含量。在紅藍光LED1、紅藍光LED2和白色熒光燈處理下，遠紅光代替部分光合有效輻射（RBFR、RBFR和RGBFR）顯著提高了葉片抗氧化活性，分別提高了21%、44%和22%；且RBFR和RGBFR不同程度地提高了植株葉片花青素、總酚和類黃酮的含量。

圖5 不同光質(zhì)處理下羅勒葉片的花青素、總酚、類黃酮含量和抗氧化活性

在紅藍光LED1 處理下，遠紅光代替部分光合有效輻射（RBFR）顯著提高了植株花青素含量；在紅藍光LED2 處理下，遠紅光代替部分光合有效輻射（RBFR）顯著提高了植株總酚和類黃酮含量；除紅藍光LED3 處理外，遠紅光代替部分光合有效輻射均顯著提高了植株的抗氧化活性（表2）。

表2 不同光質(zhì)處理下羅勒植株的花青素、總酚、類黃酮含量及植株抗氧化活性

3 結(jié)論與討論

本試驗中，遠紅光輻射下，羅勒植株的株高、地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量提高程度高于開展度和葉面積，表明植株地上部鮮質(zhì)量的增加主要是由于遠紅光輻射促進了植株莖稈的伸長而非葉面積的增大。研究表明，遠紅光輻射能夠顯著提高植株莖稈中赤霉素和生長素的含量，并調(diào)控植株莖稈伸長（Kurepin et al.，2007）。紅藍光LED 光源中增加遠紅光輻射和用遠紅光代替部分紅藍光均提高了天竺葵、金魚草、葉用萵苣和羽衣甘藍的株高和葉面積（Park &Runkle，2017），提高了葉用萵苣和羽衣甘藍的地上部、地下部的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量（Li &Kubota，2009；Meng et al.，2019）。

本試驗結(jié)果表明，在相同的總光量子通量密度下，遠紅光代替部分光合有效輻射對羅勒植株的凈光合速率無顯著影響。相同地，Zhen 和Bugbee（2020）通過對12種C和2種C植物的研究表明，在相同的總光量子通量密度下，盡管植株的光合碳同化途徑、冠層大小及形態(tài)、葉片結(jié)構(gòu)和色素組成不同，但利用遠紅光代替部分光合有效輻射對植株的光合速率無顯著影響。盡管植株對波長680 nm以上的輻射光量子利用效率隨著波長的增加顯著降低，但遠紅光輻射與光合有效輻射能夠協(xié)同提高植株的凈光合速率（Zhen &van Iersel，2017；Zhen &Bugbee，2020）。一種假設(shè)認為遠紅光與光合有效輻射能夠協(xié)同促進PSI 和PSII 的平衡，從而彌補光合有效輻射波段損失的光量子利用效率，最終保持植株的光合效率不變或者提高植株的光合效率（Sager et al.，1989；Yang et al.，2020）。但當遠紅光比例高于一定值后，遠紅光對PSI 和PSII 的平衡無進一步的促進作用，同時由于光合有效輻射波段強度的降低對植株光合作用的抑制進一步增強，使得植株總體表現(xiàn)為凈光合速率的降低。因此，為保證植株的光合速率，在紅藍光源中添加遠紅光時應(yīng)將遠紅光的比例限定在一定范圍內(nèi)（Zhen &van Iersel，2017；Zhen &Bugbee，2020）。本試驗中，遠紅光比例為13%時顯著增加了植株株高，且由于株高的增加造成了部分植株倒伏。因此，在生產(chǎn)中決定遠紅光在總光量子通量密度中的比例時應(yīng)綜合考慮植株的凈光合速率、產(chǎn)量、形態(tài)及植株的用途。另一種假設(shè)認為遠紅光輻射誘導(dǎo)葉綠素f進入PSI 復(fù)合物并代替部分葉綠素a，進而降低了植株葉片的葉綠素a+b 含量，為適應(yīng)葉綠素f 的介入，6 個PSI 亞基被FaRLiP 基因組編碼的旁系同源物所替代，進而提升了植株對遠紅光的利用效率（Gisriel et al.，2020）。

本試驗中，遠紅光代替部分光合有效輻射提高了部分光源下的羅勒葉片中花青素、總酚和類黃酮的含量及葉片的抗氧化活性。Courbier 等（2020）研究表明，遠紅光提高了番茄葉片中有益于病原菌感染的可溶性糖含量，特別是葡萄糖和果糖，進而誘導(dǎo)了植株防御機制的啟動，即植株次生代謝產(chǎn)物的積累。但有研究表明，遠紅光降低了植株次生代謝產(chǎn)物的積累（Kadomura-Ishikawa et al.，2013；Ballaré，2014；Holopainen et al.，2018）。羅勒和琉璃苣（）中的迷迭香酸含量隨著總光量子通量密度中遠紅光比例的降低而增加（Schwend et al.，2016）。紅藍光源或紅藍綠光源下的紅葉生菜葉片中的花青素含量高于在紅光和遠紅光處理下的植株（Stutte，2009）。本試驗與其他研究結(jié)果的不同可能是由于不同的試驗處理造成的。在遠紅光的試驗中，植株栽培光源的光合有效輻射波段所用光源的波長構(gòu)成（紅光、藍光、綠光的比例及各波段的波長范圍）、遠紅光的波長范圍、植株種類及其栽培條件（光照強度、栽培密度）均不相同，進而造成試驗結(jié)果的不同。因此，遠紅光對植株次生代謝產(chǎn)物積累的影響仍有待進一步的研究。

綜上所述，在相同的總光量子通量密度下，遠紅光代替部分光合有效輻射誘導(dǎo)了羅勒植株莖稈的伸長，進而提高了植株地上部的生物量積累，但對植株的凈光合速率和葉面積無顯著影響。同時，遠紅光代替部分光合有效輻射的羅勒植株的葉片和整株花青素、總酚、類黃酮含量和抗氧化活性與對照相比呈現(xiàn)增加的趨勢。