不同LED 光質(zhì)對芥菜芽苗菜生長、營養(yǎng)品質(zhì)和抗氧化特性的影響

莫言玲 羅亞蘭 劉義華 曾 靜 郭 健 陳靜靜*

（1 長江師范學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)院，重慶 408100；2 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西太谷 030801；3 重慶市涪陵區(qū)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全中心，重慶 408100）

芥菜（BrassicajunceaL.）為十字花科蕓薹屬一年生草本植物，是我國重要的經(jīng)濟(jì)蔬菜作物，既可以鮮食，也常用作加工各種酸泡菜（Tian &Deng，2020）。其營養(yǎng)物質(zhì)豐富，含有大量的鉀、鈣、鈉、鎂等微量元素，以及氨基酸、VC、可溶性糖等營養(yǎng)成分，具有治療腹脹氣滯、止咳通肺、溫胃散熱等功效（羅文珊 等，2022）。芥菜芽苗菜是利用芥菜種子在適當(dāng)光照條件下借助種子本身貯藏的營養(yǎng)而生產(chǎn)的一類新型綠體芽苗蔬菜，其質(zhì)地脆嫩、味道鮮美，同其他芽苗菜一樣具有生產(chǎn)周期短、綠色安全等特點，因此發(fā)展芥菜芽苗菜生產(chǎn)具有廣闊的商業(yè)前景。

光照是影響植物生長發(fā)育的重要環(huán)境條件。通過光環(huán)境調(diào)控技術(shù)可以調(diào)節(jié)芽苗菜的生長發(fā)育，改善其營養(yǎng)品質(zhì)。發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）具有發(fā)熱量低、高效節(jié)能、光譜能量調(diào)制方便準(zhǔn)確等特點，是理想的光環(huán)境調(diào)控光源（李鳳華等，2022；潘師峰 等，2023）。近年來，隨著芽苗菜工廠化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，使用LED 光源調(diào)節(jié)光環(huán)境提高芽苗菜產(chǎn)量與品質(zhì)的研究日益受到關(guān)注，已成為設(shè)施園藝栽培領(lǐng)域的研究熱點（趙碩 等，2019）。余婷（2021）在研究光環(huán)境對豌豆、蘿卜芽苗菜生長及品質(zhì)的影響時發(fā)現(xiàn)，紅藍(lán)復(fù)合光（紅光∶藍(lán)光 = 5∶1）處理的豌豆芽苗菜生長最好，而對于蘿卜芽苗菜則是紅光∶藍(lán)光 = 9∶1 處理的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量最高，多項指標(biāo)表現(xiàn)最好。龔春燕等（2018）研究表明，白光、紅光、藍(lán)光和UV-B 4 種光質(zhì)下培養(yǎng)的青花菜（西蘭花）芽苗菜中，藍(lán)光是能夠提高其營養(yǎng)品質(zhì)及抗氧化特性的最佳光質(zhì)。而魯燕舞等（2014）研究表明，香椿芽苗菜在白光光質(zhì)處理下最有利于其生長，并可部分改善其營養(yǎng)品質(zhì)，是較適宜的LED 處理光源。由此可見，LED 光源對芽苗菜的生長發(fā)育及品質(zhì)調(diào)控具有物種特異性。目前尚缺乏LED 光質(zhì)對芥菜芽苗菜生產(chǎn)影響的研究報道，為填補這一空白，通過設(shè)置不同LED 光質(zhì)處理，篩選適宜的光環(huán)境調(diào)控LED 光源，對實現(xiàn)芥菜芽苗菜高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)具有重要理論意義和應(yīng)用價值。本試驗設(shè)置白光、綠光、紅光、藍(lán)光及紅藍(lán)組合光（R∶B = 3∶2）5 種光質(zhì)處理，研究不同LED 光質(zhì)對芥菜芽苗菜生長、營養(yǎng)品質(zhì)以及抗氧化特性的影響，并采用隸屬函數(shù)法對各光質(zhì)處理下的芥菜芽苗菜進(jìn)行綜合評價，篩選出最佳光質(zhì)條件，以期為芥菜芽苗菜工廠化生產(chǎn)選擇適宜的光環(huán)境調(diào)控光源提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及處理

試驗于2022 年2 月在長江師范學(xué)院武陵山特色植物資源保護(hù)與利用重慶市重點實驗室進(jìn)行，試驗材料為葉用芥菜品種砂鍋底青菜，種子購自云南京滇種業(yè)有限公司。

選擇飽滿一致、成熟度好的芥菜種子，將其浸入2%次氯酸鈉溶液中表面消毒5 min，蒸餾水洗凈后再浸泡4 h；然后均勻撒播在鋪有3 cm 厚蛭石的圓形育苗盤（直徑20.0 cm ×高3.8 cm）中，每盤播種量1 g，黑暗條件下25 ℃催芽2 d；置于多色LED 人工氣候箱（寧波樂電儀器制造有限公司，型號：HLD-300P-4S）中進(jìn)行不同LED 光質(zhì)處理。設(shè)置5 個LED 光質(zhì)處理：白光（W）、綠光（G）、紅光（R）、藍(lán)光（B）、紅藍(lán)組合光（R∶B = 3∶2），各處理光譜能量分布的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示；以白光為對照，每處理3 次重復(fù)，每重復(fù)3 盤。芽苗菜生長期間的光周期為10 h/14 h（晝/夜，下同），溫度20 ℃/15 ℃，相對濕度80%，光照強(qiáng)度5 000 lx。播種8 d 后隨機(jī)采樣，進(jìn)行各項指標(biāo)測定。

表1 不同LED 光質(zhì)處理光譜能量分布的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 測定項目及方法

1.2.1 生長指標(biāo) 每處理隨機(jī)選擇芥菜芽苗菜30株，使用游標(biāo)卡尺測量株高、子葉長和寬；使用電子天平測定子葉鮮質(zhì)量、胚軸鮮質(zhì)量、可食鮮質(zhì)量（去根后的地上部鮮質(zhì)量）和單株鮮質(zhì)量，然后將樣品放入105 ℃烘箱殺青30 min，80 ℃烘烤24 h 至恒重，測定可食干質(zhì)量和單株干質(zhì)量，并計算子葉/胚軸鮮質(zhì)量比、可食率、含水量及產(chǎn)出率。

可食率 = 可食鮮質(zhì)量/單株鮮質(zhì)量× 100%

含水量 = （可食鮮質(zhì)量-可食干質(zhì)量）/可食鮮質(zhì)量×100%

產(chǎn)出率 = 每育苗盤全部芽苗菜可食鮮質(zhì)量/每育苗盤干種子使用量× 100%

1.2.2 生理指標(biāo) 可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)比色法進(jìn)行測定（Bradford，1976）；可溶性糖含量采用蒽酮比色法進(jìn)行測定（李合生，2000）；游離氨基酸含量采用水合茚三酮比色法進(jìn)行測定（李合生，2000）；VC 含量采用2，6-二氯靛酚滴定法進(jìn)行測定（高俊鳳，2005）；類胡蘿卜素含量參考Wang 等（2019）的方法，用95%乙醇提取，分光光度法進(jìn)行測定；花青素含量參考龔春燕等（2018）的方法，用1%鹽酸-甲醇水溶液浸提，浸提液離心后分別在530 nm 和657 nm 下測定吸光度值，差值每增加0.01 定義為一個單位；總酚和總黃酮含量參考莫言玲等（2022）的方法進(jìn)行測定，總酚含量用每千克樣品鮮質(zhì)量中含有的沒食子酸當(dāng)量毫克數(shù)表示，總黃酮含量用每千克樣品鮮質(zhì)量中含有的蘆丁當(dāng)量毫克數(shù)表示；粗纖維含量采用GB/T 5009.10—2003《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 植物類食品中粗纖維的測定》中的酸堿洗滌法進(jìn)行測定?？偡犹崛∥锏目寡趸芰σ远酱辔鄂；杂苫―PPH）清除率來表示，參考金杰等（2006）的方法進(jìn)行測定并做適當(dāng)改動，在500 μL 總酚提取上清液中加入500 μL DPPH 溶液（1mmo1 · L-1），充分混勻后靜置30 min，以助溶劑無水乙醇為參比，在517 nm 下測定吸光度值（Ai），同時測定500 μL 總酚提取上清液與500 μL 無水乙醇混合后的吸光度值（Aj）以及500 μL DPPH 溶液與500 μL 無水乙醇混合后的吸光度值（Ac），計算DPPH 自由基清除率。每處理樣品重復(fù)測定3 次。

DPPH 自由基清除率 = 〔1 -（Ai-Aj）/Ac〕× 100%

1.2.3BjPAL、BjCHI基因表達(dá)分析 芥菜芽苗菜的RNA 提取使用RNAprep Pure Plant Kit 試劑盒〔天根生化科技（北京）有限公司〕，參照說明書進(jìn)行；反轉(zhuǎn)錄使用FastKing gDNA Dispelling RT SuperMix試劑盒〔天根生化科技（北京）有限公司〕，參照說明書進(jìn)行。實時熒光定量（qRT-PCR）分析在ABI QuantStudio 3 Real-time PCR System（Thermo Fisher Scientific，USA） 儀器上進(jìn)行， 以芥菜BjActin3基因為內(nèi)參（孫全 等，2013），引物序列如表2 所示，采用2-ΔΔCt法計算基因的相對表達(dá)量，3 次重復(fù)。

表2 用于實時熒光定量分析的引物序列

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用隸屬函數(shù)法對各光質(zhì)處理下的芥菜芽苗菜生長狀況、營養(yǎng)品質(zhì)及抗氧化能力進(jìn)行綜合評價（班甜甜 等，2019），將測定的指標(biāo)按照市場對芽苗菜需求的正負(fù)向性分為優(yōu)良指標(biāo)（單株鮮質(zhì)量、單株干質(zhì)量、可食鮮質(zhì)量、株高、產(chǎn)出率、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、游離氨基酸含量、VC 含量、類胡蘿卜素含量、花青素含量、總酚含量、總黃酮含量和DPPH 自由基清除率）和不良指標(biāo)（粗纖維含量）兩種類型，優(yōu)良指標(biāo)的隸屬函數(shù)值計算公式為X（i） = （Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin），不良指標(biāo)的隸屬函數(shù)值計算公式為X（i） = 1 -（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin）。式中，Xi表示某一光質(zhì)處理下芥菜芽苗菜某一指標(biāo)測定值，Xmax和Xmin分別表示所有光質(zhì)處理下芥菜芽苗菜某一指標(biāo)的最大值和最小值。最后求得各光質(zhì)處理下芥菜芽苗菜所有評價指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值，以此作為評價標(biāo)準(zhǔn)評判各光質(zhì)處理下芥菜芽苗菜的相對優(yōu)劣。

采用Excel 2010 軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，利用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行方差分析，運用Duncan 多重比較法進(jìn)行差異顯著性檢驗（P＜ 0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同LED 光質(zhì)對芥菜芽苗菜生長的影響

不同LED 光質(zhì)處理下芥菜芽苗菜的植株及子葉形態(tài)如圖1 所示。由表3 可知，藍(lán)光處理的芥菜芽苗菜具有最大單株鮮質(zhì)量、單株干質(zhì)量、可食鮮質(zhì)量和產(chǎn)出率，均顯著高于其他光質(zhì)處理及對照，分別比白光對照提高了27.43%、60.15%、26.83%和24.48%；紅藍(lán)組合光處理的可食率最低，藍(lán)光處理的含水量最低，說明紅藍(lán)組合光處理利于芥菜芽苗菜根系生長，藍(lán)光處理則利于干物質(zhì)積累；綠光處理的株高最高，其次為紅光處理，其他處理間差異不顯著；子葉長、寬和子葉/胚軸鮮質(zhì)量比以藍(lán)光和紅藍(lán)組合光處理較大，其次為紅光處理和白光對照，最小的是綠光處理，說明藍(lán)光和紅藍(lán)組合光處理下芥菜芽苗菜的可食鮮質(zhì)量主要取決于子葉鮮質(zhì)量，而綠光處理下的可食鮮質(zhì)量則主要取決于胚軸鮮質(zhì)量。

圖1 不同LED 光質(zhì)處理下芥菜芽苗菜的植株及子葉形態(tài)

表3 不同LED 光質(zhì)對芥菜芽苗菜生長指標(biāo)的影響

2.2 不同LED 光質(zhì)對芥菜芽苗菜品質(zhì)的影響

由表4 可知，藍(lán)光和紅藍(lán)組合光處理的芥菜芽苗菜可溶性蛋白和可溶性糖含量較高，顯著高于紅光、綠光處理及白光對照；游離氨基酸含量則是藍(lán)光和綠光處理顯著高于其他光質(zhì)處理及對照；VC 含量也是藍(lán)光處理最高，是含量最低的綠光處理的2.32 倍；類胡蘿卜素含量在藍(lán)光、紅藍(lán)組合光處理及白光對照下較高，三者間無顯著差異，而紅光和綠光處理則顯著低于對照，分別較對照下降了25.00%和37.50%；藍(lán)光處理的花青素、總酚和總黃酮含量均顯著提高，分別比對照提高了48.61%、35.49%和20.21%，紅藍(lán)組合光處理的總酚含量也顯著提高，比對照提高了25.73%；藍(lán)光處理的粗纖維含量最低，為10.94%，顯著低于綠光和紅光處理，比對照降低了4.62%。

表4 不同LED 光質(zhì)對芥菜芽苗菜品質(zhì)指標(biāo)的影響

2.3 不同LED 光質(zhì)對芥菜芽苗菜抗氧化能力和BjPAL、BjCHI 基因表達(dá)量的影響

DPPH 是一種穩(wěn)定的自由基，植物體抗氧化物質(zhì)清除DPPH 的效率可反映其抗氧化能力的強(qiáng)弱。從表5 可以看出，藍(lán)光處理的芥菜芽苗菜DPPH 自由基清除率最高，是白光對照的2.50 倍，其次是紅藍(lán)組合光處理，藍(lán)光和紅藍(lán)組合光處理的DPPH 自由基清除率顯著高于其他光質(zhì)處理及對照。

表5 不同LED 光質(zhì)對芥菜芽苗菜DPPH 自由基清除率和BjPAL、BjCHI 基因表達(dá)量的影響

通過對酚類物質(zhì)合成途徑中起關(guān)鍵作用的BjPAL和BjCHI基因進(jìn)行表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)與白光對照相比，紅光、藍(lán)光和紅藍(lán)組合光處理均顯著上調(diào)了BjPAL基因的表達(dá)，其中藍(lán)光處理的上調(diào)幅度最大；藍(lán)光處理還顯著上調(diào)了BjCHI基因的表達(dá)，基因相對表達(dá)量是對照的2.77 倍，而其他光質(zhì)處理則對BjCHI基因的表達(dá)無顯著影響（表5）。

2.4 不同LED 光質(zhì)處理下芥菜芽苗菜的綜合評價

應(yīng)用隸屬函數(shù)法對各光質(zhì)處理下芥菜芽苗菜的相對優(yōu)劣進(jìn)行綜合評價。如表6 所示，藍(lán)光處理下芥菜芽苗菜各生長和營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值最高，達(dá)0.90；其次是紅藍(lán)組合光處理；再次是紅光處理、白光對照、綠光處理，這三者的平均隸屬函數(shù)值均較低且相差不大。說明，藍(lán)光光質(zhì)用以培育芥菜芽苗菜最適宜，而綠光光質(zhì)則最不適宜。

表6 不同LED 光質(zhì)處理下芥菜芽苗菜的隸屬函數(shù)值及綜合評價結(jié)果

3 討論與結(jié)論

不同光環(huán)境下，芽苗菜的外觀形態(tài)和生長勢存在明顯差別，這是其對光環(huán)境調(diào)控的不同自適應(yīng)結(jié)果。本試驗中，藍(lán)光處理的芥菜芽苗菜單株鮮質(zhì)量、單株干質(zhì)量、可食鮮質(zhì)量和產(chǎn)出率均顯著高于其他光質(zhì)處理及白光對照。藍(lán)光是葉綠素的主要吸收光譜之一，可促進(jìn)植物進(jìn)行光合作用并參與形態(tài)建成（張云 等，2019）。因此，藍(lán)光處理下芥菜芽苗菜具有較高的生物量和產(chǎn)出率可能與其具有較高的光合效率有關(guān)。本試驗結(jié)果表明，藍(lán)光處理的芥菜芽苗菜株高略低于白光對照，但差異不顯著，可食部分主要取決于子葉而非胚軸，而綠光和紅光處理則顯著促進(jìn)株高的增長，使得可食部分主要來自胚軸而非子葉。這與戴林秀等（2019）在苦蕎芽苗菜上的研究結(jié)果相似。前人研究指出，藍(lán)光可提高吲哚乙酸氧化酶的活性以降低IAA 含量水平，進(jìn)而抑制植株伸長（譚茂玲 等，2019；崔洪平，2022）。由此可見，不同光質(zhì)處理對芥菜芽苗菜的伸長會產(chǎn)生不同的影響，其原因可能是芽苗菜在感受不同光質(zhì)后體內(nèi)激素水平發(fā)生改變，進(jìn)而造成莖的細(xì)胞分裂和伸長受到加速或抑制兩種不同方向的影響。

可溶性蛋白和可溶性糖是衡量蔬菜營養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)，能夠反映植株體內(nèi)的總體碳氮代謝水平（龔春燕 等，2018；He et al.，2020）。本試驗中，藍(lán)光和紅藍(lán)組合光處理均顯著提高了芥菜芽苗菜的可溶性蛋白含量和可溶性糖含量，而單獨紅光處理則對這兩個指標(biāo)無明顯影響，表明芥菜芽苗菜的可溶性蛋白和可溶性糖含量高低主要受藍(lán)光光質(zhì)的影響。張立偉等（2010）研究表明，藍(lán)光對硝酸還原酶有激活作用，能夠為蛋白質(zhì)的合成提供充足氮源，藍(lán)光處理的蘿卜芽苗菜可溶性蛋白含量顯著高于其他處理。唐麗等（2014）和樊小雪等（2018）的研究也得出了類似結(jié)論。Kowallik（1982）的研究表明，藍(lán)光有利于細(xì)胞進(jìn)行暗呼吸，可調(diào)節(jié)糖酵解途徑為氨基酸合成提供碳架，進(jìn)而提高氨基酸含量。這與本試驗中藍(lán)光處理的芥菜芽苗菜游離氨基酸含量最高的結(jié)果一致?；ㄇ嗨?、總酚和總黃酮是果蔬中的重要功能成分，與果蔬色澤、風(fēng)味形成、品質(zhì)優(yōu)劣、抗逆性等密切相關(guān)（班甜甜 等，2019）。本試驗中，藍(lán)光處理的芥菜芽苗菜花青素、總酚和總黃酮含量均最高，含藍(lán)色復(fù)合光質(zhì)的紅藍(lán)組合光處理總酚含量也較高，說明藍(lán)光可以促進(jìn)酚類相關(guān)功能物質(zhì)合成，與前人研究發(fā)現(xiàn)長波段（紅光）抑制黃酮類物質(zhì)積累，短波段（藍(lán)光）利于黃酮類物質(zhì)積累的結(jié)論相符合（郭佩瑤 等，2022）。植物的抗氧化能力與抗氧化物質(zhì)含量的高低及其相互協(xié)同作用密切相關(guān)。本試驗結(jié)果表明，藍(lán)光處理在促進(jìn)芥菜芽苗菜酚類物質(zhì)積累的同時，也增強(qiáng)了芥菜芽苗菜的抗氧化能力，DPPH 自由基清除率最高；紅藍(lán)組合光處理的DPPH 自由基清除率也顯著提高；而紅光和綠光處理則對DPPH 自由基清除率無明顯影響。這可能與藍(lán)光能誘導(dǎo)酚類物質(zhì)合成途徑中的關(guān)鍵酶基因上調(diào)表達(dá)有關(guān)，藍(lán)光處理的芥菜芽苗菜BjPAL和BjCHI基因相對表達(dá)量分別是白光對照的2.03 倍和2.77 倍，與龔春燕等（2018）研究發(fā)現(xiàn)藍(lán)光和UV-B 處理可以顯著提高青花菜（西蘭花）芽苗菜PAL 和CHI 酶活性的結(jié)果高度吻合。光對植物的影響極為復(fù)雜（班甜甜 等，2019），通過單一指標(biāo)難以全面評價不同光質(zhì)處理對芥菜芽苗菜的影響。本試驗采用隸屬函數(shù)法，對各光質(zhì)處理下芥菜芽苗菜的相對優(yōu)劣進(jìn)行綜合評價，結(jié)果表明藍(lán)光處理的芥菜芽苗菜綜合表現(xiàn)最好，綠光處理的綜合表現(xiàn)最差。

綜上，不同LED 光質(zhì)處理對芥菜芽苗菜生長、營養(yǎng)品質(zhì)和抗氧化特性的影響存在明顯差異。與白光對照相比，藍(lán)光處理促進(jìn)了芥菜芽苗菜生長，改善了營養(yǎng)品質(zhì)，增強(qiáng)了抗氧化能力，單株鮮質(zhì)量、單株干質(zhì)量、可食鮮質(zhì)量、產(chǎn)出率顯著增加，可溶性蛋白、可溶性糖、游離氨基酸、VC、花青素、總酚、總黃酮含量顯著提高，粗纖維含量降低，DPPH 自由基清除率顯著提高，并上調(diào)了酚類物質(zhì)合成途徑中起關(guān)鍵作用的BjPAL和BjCHI基因表達(dá)水平。進(jìn)一步通過隸屬函數(shù)分析進(jìn)行綜合評價，藍(lán)光處理下芥菜芽苗菜的平均隸屬函數(shù)值最高，即藍(lán)光光質(zhì)是芥菜芽苗菜工廠化生產(chǎn)最理想的光環(huán)境調(diào)控光源。