根部照光對(duì)葉用甜菜生長(zhǎng)及光合特性的影響

曾玉蘭,魯 娜,高垣美智子,王夏夏,朱月林*

(1南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,南京 210095;2千葉大學(xué)環(huán)境健康田間科學(xué)中心,千葉縣 277-0882)

葉用甜菜為藜科甜菜屬二年生蔬菜,又名菜用甜菜、紫菠菜,是栽培甜菜的一個(gè)變種。其葉部發(fā)達(dá),葉片肥厚,富含多種礦物質(zhì),還具有良好的藥用保健價(jià)值[1],已成為植物工廠內(nèi)栽培的新的葉菜類型。

光作為環(huán)境信號(hào),對(duì)植物的代謝、器官發(fā)生、形態(tài)建成和向性運(yùn)動(dòng)等都有較大影響[2]。目前植物工廠內(nèi)的光源主要是LED燈,具有波長(zhǎng)特異性、使用壽命長(zhǎng)、發(fā)熱少等優(yōu)點(diǎn)[3]。在植物工廠內(nèi)蔬菜生產(chǎn)中可獲得安全穩(wěn)定的產(chǎn)品,但由于高密度栽培,植物易受到上部或鄰近植株葉片的遮擋影響,導(dǎo)致外部或下部葉片接受光照不足,造成減產(chǎn)[4]。因此,在植物工廠栽培條件下,改進(jìn)LED光照模式對(duì)提高蔬菜產(chǎn)量具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為葉用甜菜(Beta vulgarisL.cv.Baby leaf),種子購(gòu)自日本Nakahara種苗公司。光源為植物工廠專用的薄板式的LED燈(Flexible LED sheet,HLU-E0_N23,Dai Nippon Printing Co.,Ltd.,Japan),可調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度,根部光源為同一種型號(hào)的LED燈。使用光譜儀(Lighting Passport Pro Standard,AsenseTek,Taiwan,China)實(shí)際測(cè)定獲得的有效光譜見(jiàn)圖1。

圖1 模擬太陽(yáng)輻射燈的有效光譜圖Fig.1 The effective spectrum of the light source

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2020年5月至9月在日本千葉大學(xué)植物工廠內(nèi)進(jìn)行。播種前準(zhǔn)備5個(gè)播種盤(pán)(長(zhǎng)×寬×高=22.5 cm×14.5 cm×4.5 cm),每個(gè)播種盤(pán)內(nèi)放置40個(gè)海綿塊,海綿塊的大小為:長(zhǎng)×寬×高=2.3 cm×2.3 cm×2.7 cm。挑選大小一致、子粒飽滿、無(wú)損傷的葉用甜菜種子,在30℃的水溫下浸泡4 h后,播種在吸足營(yíng)養(yǎng)液的海綿塊上,每個(gè)海綿塊播1粒種子,每個(gè)播種盤(pán)播種40粒。將播種盤(pán)放置于植物工廠內(nèi)的栽培架上,每隔2 d用噴壺噴灑營(yíng)養(yǎng)液保持海綿濕潤(rùn)。使用日本大塚配方營(yíng)養(yǎng)液[11],電導(dǎo)率(EC)為(2±0.2)dS·m-1[12],室溫為22℃∕18℃(白天∕夜晚),相對(duì)濕度為50%—60%。黑暗催芽3 d后,提供光照,光合光量子通量密度(PPFD)為(250±10)μmol·m-2·s-1,光周期為16 h∕8 h(光照∕黑暗)。待主根長(zhǎng)至4—5 cm,挑選長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗移植到4個(gè)放置在植物工廠內(nèi)特制的透明栽培箱(長(zhǎng)×寬×高=34.5 cm×20.5 cm×10.5 cm),栽培箱放置在不銹鋼的支架上,其下方15 cm處安裝可調(diào)節(jié)光強(qiáng)的LED燈,從下往上朝著根系的方向進(jìn)行光照射(稱為根部照光),在栽培箱及不銹鋼支架的縱側(cè)面用錫箔紙進(jìn)行圍擋、以防止光線的散射(圖2)。控制植物工廠的環(huán)境條件如下:溫度23℃∕19℃(光期∕暗期),相對(duì)濕度為(55±5)%,光周期為16 h∕8 h(光照∕黑暗),上部光照強(qiáng)度為(160±10)μmol·m-2·s-1,CO2濃度為400 mg∕L,EC為(2±0.2)dS·m-1,pH為(6.5±0.2),葉用甜菜栽培時(shí)使用的營(yíng)養(yǎng)液配方及濃度與育苗相同,用氣泵進(jìn)行連續(xù)通氣,每3 d更換一次營(yíng)養(yǎng)液。先進(jìn)行一次預(yù)備試驗(yàn)后,再進(jìn)行正式的試驗(yàn)。

圖2 葉用甜菜根部照光的模式圖Fig.2 The schematic diagram of root illumination for leaf beet

試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)定根部照光處理分別為PPFD 0(CK)、30μmol·m-2·s-1、60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1,處理時(shí)間為植株移植后的整個(gè)生長(zhǎng)期共32 d。使用光量子測(cè)定儀將光傳感器朝下,測(cè)定透過(guò)栽培箱底面的根部光強(qiáng)。每個(gè)處理11株,2次重復(fù),定植32 d后進(jìn)行隨機(jī)取樣[13],分別選取5株進(jìn)行生長(zhǎng)及生理指標(biāo)的測(cè)定與分析。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定

使用電子天平測(cè)定地上部、地下部鮮重,將各處理試驗(yàn)樣本依次放至棕色信封內(nèi),做好標(biāo)記,然后將其放到80℃的烘箱中,5 d后分別測(cè)定干重。使用葉面積測(cè)定儀(LI-300,Li-Cor Inc.,USA)測(cè)定植株葉面積,用卷尺測(cè)量株高(從莖基部至生長(zhǎng)點(diǎn))、根長(zhǎng)度,用游標(biāo)卡尺測(cè)量肉質(zhì)根長(zhǎng)及直徑。

1.3.2 光合參數(shù)的測(cè)定

收獲前2 d對(duì)從外至內(nèi)第3片完全展開(kāi)葉進(jìn)行光合參數(shù)的測(cè)定。利用便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)(Li-6400XT,Li-Cor Inc.,USA)測(cè)定植株的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。在測(cè)定過(guò)程中葉室內(nèi)的溫度為20℃,相對(duì)濕度為50%,PPFD 160μmol·m-2·s-1,CO2濃度為400 mg∕L。

1.3.3 色素含量的測(cè)定

以乙苯為原料生產(chǎn)苯乙烯單體需要超高溫蒸汽作為能量來(lái)源和促進(jìn)脫氫催化劑的反應(yīng)。蒸汽的消耗量是生產(chǎn)成本中的最大影響因素，因此優(yōu)化流程設(shè)計(jì)一直是工程師煞費(fèi)苦心的環(huán)節(jié)。自20世紀(jì)50年代起，業(yè)內(nèi)常規(guī)的新廠設(shè)計(jì)蒸汽／烴比值（SHR）已從重量比2.5降低到1.0。在當(dāng)前的SHR處理?xiàng)l件下，也就是所定義的超低SHR，所需的蒸汽量將大幅降低，從而顯著提升能源效率。

葉綠素含量采用N,N-二甲基甲酰胺法測(cè)定[14]。

花青素含量使用花青素含量測(cè)定儀ACM-200 plus(OPTI-sciences,Winn Avenue,USA)測(cè)定[15]。

1.3.4 總酚、硝酸鹽含量和抗氧化活性的測(cè)定

分別稱取1 g葉用甜菜葉片及葉柄,采用福林酚法測(cè)定總酚含量[16]。

稱取1 g葉用甜菜葉片,加入30 mL ddH2O將其粉碎后過(guò)濾,取濾液,使用RQ Flex plus反射儀(Merck,Darmstadt,Germany)進(jìn)行硝酸鹽含量測(cè)定[17]。

分別稱取1 g葉用甜菜葉片及葉柄,采用DPPH法測(cè)定抗氧化活性[18]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=5)表示,采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行Tukey’s多重比較及差異顯著性分析,P＜0.05表示差異顯著。使用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 根部不同光強(qiáng)照射對(duì)葉用甜菜生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

根部不同光強(qiáng)照射對(duì)葉用甜菜生長(zhǎng)差異顯著。如表1所示,地上部鮮重在根部光處理下均有不同程度的增加,較對(duì)照分別增加了23.2%、46.5%、51.5%,其中在60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1時(shí)顯著高于對(duì)照;處理間也存在顯著差異,根部光處理90μmol·m-2·s-1顯著高于根部照光30μmol·m-2·s-1。在不同根部光處理下地上部干重、植株葉面積和地上部鮮重具有相類似的趨勢(shì)。株高和側(cè)根數(shù)量在根部照光30μmol·m-2·s-1、60μmol·m-2·s-1和90μmol·m-2·s-1下顯著高于對(duì)照,處理間無(wú)顯著差異。根部干重、肉質(zhì)根直徑在根部照光90μmol·m-2·s-1時(shí)顯著高于對(duì)照。在葉片數(shù)、根部鮮重、肉質(zhì)根根長(zhǎng)方面處理間差異均不顯著。根部照光不利于根系伸長(zhǎng),處理間與對(duì)照比差異顯著(表2)。葉用甜菜鮮重、干重、葉面積及肉質(zhì)根直徑隨根部光強(qiáng)的增加而增加,在根部照光90μmol·m-2·s-1時(shí)達(dá)到最大值。

表1 根部不同光強(qiáng)照射對(duì)葉用甜菜地上部生長(zhǎng)的影響Table 1 Effects of different root illumination intensity on the shoot growth of leaf beet

表2 根部不同光強(qiáng)照射對(duì)葉用甜菜根部生長(zhǎng)的影響Table 2 Effects of different root illumination intensity on the root growth of leaf beet

2.2 根部不同光強(qiáng)照射對(duì)葉用甜菜葉片光合作用的影響

根部照光90μmol·m-2·s-1葉片凈光合速率提高了19.5%,其他根部照光處理與對(duì)照無(wú)顯著差異(圖3A)。根部光處理下葉片氣孔導(dǎo)度與對(duì)照相比差異不顯著(圖3B)。胞間CO2濃度在根部照光60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1顯著低于對(duì)照,在30μmol·m-2·s-1處理下與對(duì)照相比差異不顯著(圖3C)。葉片蒸騰速率在根部照光60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1顯著高于對(duì)照處理,30μmol·m-2·s-1與對(duì)照無(wú)顯著差異(圖3D)。

圖3 根部不同光強(qiáng)照射對(duì)葉用甜菜葉片光合參數(shù)的影響Fig.3 Effects of different root illumination intensity on photosynthetic parameters of leaf beet

2.3 根部不同光強(qiáng)照射對(duì)葉用甜菜葉綠素和花青素含量的影響

如表3所示,根部光處理增加了葉用甜菜葉片中總?cè)~綠素含量,分別比對(duì)照增加14.4%、23.9%、5.1%,并在根部照光60μmol·m-2·s-1顯著高于對(duì)照。葉綠素a含量與總?cè)~綠素變化趨勢(shì)一致。各處理葉綠素b含量與對(duì)照無(wú)顯著差異。根部光處理使葉綠素a與葉綠素b的比值增大,在根部照光90μmol·m-2·s-1時(shí)顯著高于對(duì)照。根部照光60μmol·m-2·s-1顯著增加了葉片花青素含量,其他根部光照處理與對(duì)照相比無(wú)顯著差異,處理間根部照光60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1與根部光照30μmol·m-2·s-1存在顯著差異。

表3 根部不同光照強(qiáng)度對(duì)葉用甜菜葉片葉綠素和花青素含量的影響Table 3 Effects of different root illumination intensity on the content of chlorophyll and anthocyanin in leaf beet

2.4 根部不同光強(qiáng)照射對(duì)葉用甜菜總酚、硝酸鹽含量和抗氧化活性的影響

根部光處理下葉用甜菜葉片中總酚含量隨根部光照強(qiáng)度的增加而增加,分別比對(duì)照增加37.0%、42.6%、50.0%,在根部照光30μmol·m-2·s-1、60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-13個(gè)處理間差異不顯著。根部照光也增加了葉柄中的總酚含量,分別比對(duì)照提高26.0%、22.8%、37.9%,并在根部照光90μmol·m-2·s-1時(shí)顯著高于對(duì)照,其他處理與對(duì)照比無(wú)顯著差異(圖4A)。葉片及葉柄中的抗氧化活性與總酚含量變化趨勢(shì)一致(圖4B)。根部光處理降低了葉片中硝酸鹽含量,但與對(duì)照相比差異不顯著(圖4C)。

圖4 根部不同光強(qiáng)照射對(duì)葉用甜菜總酚含量、抗氧化活性及硝酸鹽含量的影響Fig.4 Effects of different root illumination intensity on the content of total phenols,antioxidant activity and nitrate in leaf beet

3 結(jié)論與討論

根中存在的光感受器有光敏色素、隱花色素、UVR8和一些光蛋白,光感受器的基因可以在根細(xì)胞中表達(dá),并且可以通過(guò)直接根部照光來(lái)激活[6]。其中光敏色素是光譜中紅光∕遠(yuǎn)紅光(660 nm∕730 nm)的主要受體,光敏色素家族成員PhyA和PhyB含量提高可以增加作物產(chǎn)量[19]。Robson等[20]研究表明煙草中PhyA的過(guò)量表達(dá)對(duì)煙草田間生長(zhǎng)發(fā)育情況作用顯著,從根本上改變煙草的植株結(jié)構(gòu)和收獲指數(shù)從而提高其產(chǎn)量。Hernan等[21]通過(guò)基因工程技術(shù)將擬南芥PhyB基因轉(zhuǎn)入到馬鈴薯中,增加了馬鈴薯塊莖的重量。本試驗(yàn)研究結(jié)果顯示,根部照光使葉用甜菜單株產(chǎn)量增加,其中地上部干鮮重,在根部照光60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1處理下顯著高于對(duì)照,這反映在葉用甜菜葉面積大小方面,植株葉面積在根部照光60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1處理下同樣顯著高于對(duì)照(表1)。植株地上部葉面積越大,植株干鮮重就越大[22]。另一方面,根部照光可能使根中存在的光敏色素向地上部運(yùn)輸,導(dǎo)致葉片中光敏色素含量增加,從而提高了葉用甜菜的生物量。有研究表明,PhyA和PhyB可以改善地上部葉片的遮蔽作用[23-24],這對(duì)葉用甜菜中下部葉片在弱光情況下光合利用率增加具有積極意義。本試驗(yàn)中,根部照光雖然不利于葉用甜菜根系的伸長(zhǎng),但側(cè)根數(shù)增加(表2),與Silva Navas等[25]采用D-Root系統(tǒng)對(duì)擬南芥根部照光結(jié)果相一致,根部照光通過(guò)增加側(cè)根數(shù)來(lái)增大根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的吸收面積以滿足地上部生長(zhǎng)需求。

植物葉片光合參數(shù)和光合色素含量是光合作用的基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)葉片光合氣體交換參數(shù)和光合色素含量的分析,可以了解植物葉片對(duì)光能的吸收和利用效率[26-27]。如果胞間CO2濃度與光合速率呈正相關(guān),即光合速率增加是由胞間CO2濃度升高引起,則光合速率增加是由氣孔因素導(dǎo)致,如果兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)說(shuō)明光合速率增加是葉肉細(xì)胞光合活性增大的結(jié)果,即胞間CO2濃度降低是葉肉細(xì)胞光合活性增大引起光合速率增加的結(jié)果,則光合速率增加是由非氣孔因素誘導(dǎo)[28-30]。本試驗(yàn)中,葉片凈光合速率在根部照光60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1時(shí)得到提高(圖3A),由于處理間與對(duì)照相比氣孔導(dǎo)度均無(wú)顯著差異(圖3B),同時(shí)胞間CO2濃度在凈光合速率增加時(shí)顯著降低(圖3C),說(shuō)明根部照光處理引起光合速率升高的主要原因是由非氣孔因素導(dǎo)致的。根部照光增加了葉片葉綠素含量(表3),可能是植株通過(guò)自身的調(diào)節(jié)機(jī)制,如葉片組織液濃縮,或反饋?zhàn)饔脕?lái)提高葉綠素合成速率,以提高葉片單位面積的葉綠素含量,從而維持植株生長(zhǎng)所需要的能量[31]。根部照光還增加了葉綠素a與b的比值(表3),進(jìn)一步說(shuō)明根部照光使葉片對(duì)光能的利用率得到提高[32],最終導(dǎo)致葉用甜菜的生物量增加。

花青素是一種具有天然生物活性的植物色素,在營(yíng)養(yǎng)器官中的合成和積累對(duì)植物適應(yīng)和抵抗惡劣的環(huán)境條件至關(guān)重要,它可以增強(qiáng)植物對(duì)多種生物脅迫和非生物脅迫的抵抗能力[33]。根部照光60μmol·m-2·s-1顯著增加了葉用甜菜葉片花青素含量(圖4-A),這與Silva Navas等[25]的結(jié)果相一致。酚類物質(zhì)是蔬菜中的次生代謝產(chǎn)物,具有較好的抗氧化性,同時(shí)也是公認(rèn)的普遍存在于植物中的一類重要防御物質(zhì)[34]。大量研究表明,總酚含量與抗氧化活性之間存在一定的相關(guān)性。孫海龍等[35]采用DPPH自由基清除法、ABTs自由基清除法和FRAP法3種抗氧化能力評(píng)價(jià)方法測(cè)定李(Prunusspp.)果皮的抗氧化能力,結(jié)果表明,李果皮總酚含量與抗氧化能力均呈顯著正相關(guān)。本試驗(yàn)中,總酚含量與總抗氧化活性變化趨勢(shì)一致,葉片與葉柄中總酚含量和抗氧化能力隨根部照光光強(qiáng)的增強(qiáng)而增加,且都在根部照光90μmol·m-2·s-1下達(dá)到最大值(圖4A,圖4B)。故增加根部光照強(qiáng)度可以增加葉片及葉柄中總酚含量,這是抗氧化系統(tǒng)中的抗氧化酶和非酶抗氧化物保護(hù)植物免受環(huán)境條件所造成氧化脅迫[36],酚類化合物總含量的提高是葉用甜菜適應(yīng)環(huán)境變化的重要措施,也是抗氧化活性顯著增加的原因之一。

綜上所述,根部照光可以緩解植物工廠內(nèi)葉用甜菜栽培的葉片遮擋作用,促進(jìn)植株生長(zhǎng),還可以通過(guò)提高花青素、總酚含量來(lái)提升其總的抗氧化能力,從而提高產(chǎn)量及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。這為在植物工廠條件下葉用甜菜栽培的光照模式優(yōu)化提供了一定的參考價(jià)值。