不同光照處理對生菜葉片熒光成像特性的影響

摘要：本研究評估了不同光強(qiáng)處理對設(shè)施栽培生菜光系統(tǒng)II的光化學(xué)效率及光保護(hù)機(jī)制的影響，以確定最佳光環(huán)境條件。設(shè)置50 μmol·m?2·s?1、100 μmol·m?2·s?1、150 μmol·m?2·s?1和200 μmol·m?2·s?1四個(gè)光強(qiáng)處理組，使用葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)測量了最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、非光化學(xué)淬滅（NPQ）和熒光遞減比率（Rfd）。結(jié)果表明，150 μmol·m?2·s?1的光強(qiáng)下生菜的Fv/Fm和Rfd值最高，且NPQ值較低，顯示該光強(qiáng)下光系統(tǒng)II具備最佳的光能捕獲和電子傳遞效率，避免了光抑制的發(fā)生。較低光強(qiáng)（50 μmol·m?2·s?1和100 μmol·m?2·s?1）限制了光系統(tǒng)II的活性，而較高光強(qiáng)（200 μmol·m?2·s?1）則增加了光抑制風(fēng)險(xiǎn)，降低了光能利用效率。綜上，150 μmol·m?2·s?1的光強(qiáng)為生菜提供了最佳光環(huán)境條件，可提高光系統(tǒng)II活性及光能利用效率，從而實(shí)現(xiàn)高光合效率和產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：生菜；葉綠素?zé)晒獬上?；光化學(xué)效率；光強(qiáng)

生菜作為一種重要的葉菜類蔬菜，因其獨(dú)特的營養(yǎng)、健康及經(jīng)濟(jì)價(jià)值而在全球范圍內(nèi)被廣泛種植和消費(fèi)[1]。在設(shè)施農(nóng)業(yè)中，生菜不僅能夠?qū)崿F(xiàn)周年生產(chǎn)，還可以通過環(huán)境調(diào)控進(jìn)一步提高產(chǎn)量和品質(zhì)，極大地滿足了市場需求[2]。近年來，隨著對食品安全和高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求不斷增加，設(shè)施栽培技術(shù)的應(yīng)用愈加普及，而生菜作為設(shè)施栽培的典型代表作物，光環(huán)境的優(yōu)化對于提升其產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要意義。

光環(huán)境作為設(shè)施農(nóng)業(yè)中最為關(guān)鍵的環(huán)境因子之一，對生菜的生長、品質(zhì)和產(chǎn)量有顯著影響。光強(qiáng)不僅直接決定了植物光合作用的速率，還通過影響植物的生理和生化特性，調(diào)節(jié)其光合作用的光能利用效率和光保護(hù)機(jī)制[3]。因此，深入理解不同光強(qiáng)對生菜生理特性，尤其是光合作用相關(guān)參數(shù)的影響，對于優(yōu)化設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義[4]。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)因其能夠反映植物光合作用的效率及光系統(tǒng)II（PSII）的狀態(tài)，而被廣泛應(yīng)用于研究光對植物影響的過程中[5]。葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)作為一種無損、高效的方法，通過測量最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、非光化學(xué)淬滅（NPQ）及熒光遞減比率（Rfd），可以系統(tǒng)地評估植物的光能利用效率和光保護(hù)機(jī)制，從而全面揭示植物在不同光環(huán)境下的光系統(tǒng)狀態(tài)和適應(yīng)能力[6-7]。這些參數(shù)之間相輔相成，通過對它們的綜合分析，可以更精確地理解植物在不同光強(qiáng)下的光合性能和應(yīng)激響應(yīng)能力。

不同光強(qiáng)下生長的植物，其光合作用系統(tǒng)會表現(xiàn)出不同的適應(yīng)性調(diào)節(jié)，以應(yīng)對不同光能輸入帶來的生理脅迫[8]。在適宜的光強(qiáng)下，植物光系統(tǒng)II能夠?qū)崿F(xiàn)光能的高效利用，而在過高或過低的光強(qiáng)下，光系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換和光保護(hù)機(jī)制則會受到影響，導(dǎo)致光抑制或光合效率下降[9]。因此，光強(qiáng)的精確調(diào)控對于優(yōu)化設(shè)施栽培中植物的生長發(fā)育至關(guān)重要。在設(shè)施栽培系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)光強(qiáng)，能夠有效提高生菜的光合作用效率、優(yōu)化營養(yǎng)品質(zhì)以及降低光脅迫帶來的不利影響[10]。然而，目前針對不同光強(qiáng)處理對生菜葉綠素?zé)晒忭憫?yīng)的系統(tǒng)性研究相對有限，尤其是在設(shè)施栽培環(huán)境下進(jìn)行的量化研究亟待補(bǔ)充。

本研究旨在探討不同光強(qiáng)處理對生菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響，重點(diǎn)關(guān)注最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）及非光化學(xué)淬滅（NPQ）的響應(yīng)規(guī)律。通過熒光成像技術(shù)，定量評估生菜在不同光強(qiáng)處理下的光系統(tǒng)適應(yīng)性及光保護(hù)能力，為設(shè)施農(nóng)業(yè)中光環(huán)境的優(yōu)化管理提供科學(xué)依據(jù)。此項(xiàng)研究不僅有助于深入理解生菜對光環(huán)境的適應(yīng)性調(diào)節(jié)機(jī)制，也為實(shí)現(xiàn)設(shè)施栽培條件下的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效生產(chǎn)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與培育條件

試驗(yàn)品種為羅馬生菜。光源采用LED光源，設(shè)置同種光質(zhì)，不同光強(qiáng)作為四個(gè)實(shí)驗(yàn)組，光照強(qiáng)度分別為50 μmol·m?2·s?1（T1）、100 μmol·m?2·s?1（T2）、150 μmol·m?2·s?1（T3）和200 μmol·m?2·s?1（T4），光質(zhì)組成如圖1所示。光照期間環(huán)境相對濕度保持在60% ± 10%，二氧化碳濃度為400 ± 50 μmol/mol，在標(biāo)準(zhǔn)人工氣候室內(nèi)培育。

1.2 葉綠素?zé)晒獬上駭?shù)據(jù)與圖像采集

使用葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)（FluoCam，PSⅠ，Czech Republic）進(jìn)行葉綠素?zé)晒鉁y量，測量前將樣本暗適應(yīng)20min，測量最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）、非光化學(xué)淬滅系數(shù)（non-photochemical quenching，NPQ）和光適應(yīng)熒光遞減比率Rfd（Fluorescence Decline Ratio），同時(shí)采集對應(yīng)數(shù)據(jù)和圖像

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用FluoCam熒光成像分析軟件提取每個(gè)處理的熒光參數(shù)數(shù)值，利用Excel 2013、Origin2018等軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光強(qiáng)處理對生菜初始光系統(tǒng)狀態(tài)的影響

從初始熒光成像圖1來看，光系統(tǒng)II的初始狀態(tài)因光強(qiáng)處理的不同而發(fā)生顯著變化。整體結(jié)果表明，光強(qiáng)150 μmol·m?2·s?1（T3處理）為光系統(tǒng)II提供了最佳的光環(huán)境，使其具備良好的初始活性和健康狀態(tài)，而過低（T1）的光強(qiáng)則會導(dǎo)致光系統(tǒng)II活性的降低或損傷。因此，適宜的光強(qiáng)對于優(yōu)化光系統(tǒng)II的初始光化學(xué)狀態(tài)至關(guān)重要。通過對Fo的成像分析，為進(jìn)一步研究不同光強(qiáng)處理對生菜光合作用效率及光保護(hù)機(jī)制的影響提供了科學(xué)依據(jù)。

2.2 不同光強(qiáng)對生菜最大光化學(xué)效率的影響

圖2展示了不同光強(qiáng)處理下生菜葉片的最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）熒光成像結(jié)果，分別代表了四個(gè)光強(qiáng)處理組的生菜植株。這些處理組的Fv/Fm值均落在0.80至0.86之間，符合健康植物光系統(tǒng)II的典型范圍（0.79至0.85），表明在所有處理?xiàng)l件下，生菜的光系統(tǒng)II功能維持在正常生長的水平。

根據(jù)圖2所示的Fv/Fm熒光成像結(jié)果，可以看出不同光強(qiáng)處理對生菜光系統(tǒng)II的最大光化學(xué)效率產(chǎn)生了顯著影響。在T1和T2處理組中，生菜的Fv/Fm值較低，T3處理組下的生菜表現(xiàn)出最高的Fv/Fm值，并且光系統(tǒng)II的活性在所有處理中最為均勻，表明該光強(qiáng)下生菜能夠?qū)崿F(xiàn)光能的最優(yōu)利用和高效的電子傳遞過程。T4處理組的Fv/Fm值與T3相近，但平均像素點(diǎn)表示的數(shù)值略低于T3。因此，150 μmol·m?2·s?1的光強(qiáng)是最適合生菜生長的光環(huán)境條件，這一光強(qiáng)既能夠充分激發(fā)光系統(tǒng)II的活性，又不會帶來顯著的光脅迫。

2.3 不同光強(qiáng)對生菜非光化學(xué)淬滅系數(shù)的影響

根據(jù)3所示，展示了在不同光強(qiáng)處理下生長的生菜的非光化學(xué)淬滅（NPQ）圖像變化。光照處理分別為T1，T2，T3，以及T4。

從熒光圖像來看，T3組的表現(xiàn)最為理想，圖像主要呈現(xiàn)藍(lán)色，表明NPQ值最低，光系統(tǒng)II能夠高效地利用吸收的光能，光合作用效率最高。而T1和T2組由于生長狀態(tài)下光強(qiáng)不足，導(dǎo)致光系統(tǒng)II利用效率不佳，增加了熱量耗散。T4組由于光強(qiáng)過高而導(dǎo)致部分光抑制，NPQ增加，影響了光能利用效率。綜上所述，本研究結(jié)果顯示在不同光強(qiáng)處理下，生菜的非光化學(xué)淬滅反應(yīng)存在顯著差異。T3處理表現(xiàn)出最低且最穩(wěn)定的NPQ值，說明其在光保護(hù)和光合利用之間達(dá)到了良好的平衡。因此，150 μmol·m?2·s?1的光強(qiáng)可能是生菜光合作用與光保護(hù)的最佳平衡點(diǎn)，建議設(shè)施栽培中將光強(qiáng)控制在此范圍，以促進(jìn)生菜的健康生長并優(yōu)化光利用效率。

2.4 不同光強(qiáng)對生菜光態(tài)熒光遞減比率的影響

圖4展示了不同光強(qiáng)處理下生長的生菜葉片的熒光遞減比率（Rfd）熒光成像結(jié)果。Rfd是光合作用過程中植物光系統(tǒng)II的反應(yīng)速率和恢復(fù)能力的重要指標(biāo)，常用于評估植物的光合健康狀況和光系統(tǒng)II的活性。

T1組的Rfd值平均為1.56，圖像主要呈現(xiàn)為藍(lán)色和淺綠色區(qū)域，表明在50 μmol·m?2·s?1的低光強(qiáng)條件下，光系統(tǒng)II的活性較低。藍(lán)色區(qū)域的廣泛存在顯示光系統(tǒng)的光能捕獲和利用能力受限，無法實(shí)現(xiàn)高效的光合作用。這種情況可能是由于光強(qiáng)過低，未能提供足夠的光能激發(fā)光系統(tǒng)II，從而導(dǎo)致光合作用受到抑制，Rfd值偏低。T2組的Rfd值平均為2.3，圖像中藍(lán)色和綠色區(qū)域減少，更多的黃綠色開始出現(xiàn)，反映出光系統(tǒng)II的活性有所改善。較高的Rfd值表明，隨著光強(qiáng)增加到100 μmol·m?2·s?1，光系統(tǒng)II的光能捕獲和利用能力得到了明顯的提升。盡管光系統(tǒng)的效率相比低光強(qiáng)有所增強(qiáng)，但T2組的光化學(xué)效率仍未達(dá)到最佳狀態(tài)，表現(xiàn)出有限的光適應(yīng)性。T3組的Rfd值平均為3.54，圖像中呈現(xiàn)出大量的紅色和橙色區(qū)域，這些區(qū)域的顯著存在表明光系統(tǒng)II活性達(dá)到了最高水平。紅色和橙色的高比例反映出在150 μmol·m?2·s?1光強(qiáng)下，光系統(tǒng)II具備最強(qiáng)的光能捕獲和電子傳遞能力，充分支持了光合作用的高效進(jìn)行。這一光強(qiáng)條件使得生菜的光保護(hù)機(jī)制和光合作用效率達(dá)到了最優(yōu)平衡。T3處理組的結(jié)果驗(yàn)證了預(yù)測，即150 μmol·m?2·s?1的光強(qiáng)為生菜提供了最佳的光環(huán)境，使光系統(tǒng)II的光能利用最大化，從而達(dá)到最高的Rfd值。T4組的Rfd值平均為3.27，盡管整體數(shù)值接近T3，但圖像中可以觀察到部分藍(lán)色和綠色區(qū)域。與T3相比，T4組的Rfd值略低，部分區(qū)域出現(xiàn)的藍(lán)色和綠色信號暗示光系統(tǒng)可能在高光強(qiáng)條件下承受了一定程度的光脅迫，導(dǎo)致Rfd有所下降。200 μmol·m?2·s?1的高光強(qiáng)雖然依然維持了較高的光化學(xué)效率，但也可能由于光抑制效應(yīng)，使光系統(tǒng)II的均勻性和光能利用效率受到負(fù)面影響。

基于圖4的熒光遞減比率（Rfd）熒光成像結(jié)果，不同光強(qiáng)處理對生菜光系統(tǒng)II的活性和光合能力產(chǎn)生了顯著影響。T3組表現(xiàn)出最高的Rfd值（3.54），表明在該光強(qiáng)下，光系統(tǒng)II的活性和光能利用效率達(dá)到了最佳狀態(tài)。相比之下，T1組和T2組的Rfd值較低，表明低光強(qiáng)條件下光系統(tǒng)的激發(fā)和光合效率受到了明顯的限制。T4組盡管Rfd值也較高，但其光系統(tǒng)II的光能利用能力略低于T3組，可能由于過高光強(qiáng)引發(fā)了光抑制效應(yīng)。

從整體來看，光強(qiáng)為150 μmol·m?2·s?1（T3組）為生菜的光系統(tǒng)II提供了最適宜的激發(fā)條件，使其能夠充分發(fā)揮光能捕獲與利用的潛力，而不受到高光脅迫的抑制。因此，適中的光強(qiáng)（150 μmol·m?2·s?1）在設(shè)施栽培中對于提升生菜的光合效率和生產(chǎn)性能至關(guān)重要，這一結(jié)論也為設(shè)施農(nóng)業(yè)中光環(huán)境的優(yōu)化提供了有力的科學(xué)依據(jù)。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

本研究探討了不同光強(qiáng)處理對生菜葉片光系統(tǒng)II的光化學(xué)效率和光保護(hù)機(jī)制的影響。結(jié)果顯示，光強(qiáng)對光系統(tǒng)II的活性和光合作用效率具有顯著的影響，而適宜的光強(qiáng)選擇對于優(yōu)化生菜的生長至關(guān)重要。

150 μmol·m?2·s?1的光強(qiáng)被證明是適合生菜生長的光環(huán)境條件，既能夠充分激發(fā)光系統(tǒng)II的活性，又能夠避免光抑制現(xiàn)象的發(fā)生。在這種光強(qiáng)條件下，光系統(tǒng)II的最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）達(dá)到最高，并且其光保護(hù)機(jī)制得到了最佳的調(diào)節(jié)，能夠確保光合作用的順利進(jìn)行。相比之下，低光強(qiáng)（50和100 μmol·m?2·s?1）限制了光系統(tǒng)II的激發(fā)，導(dǎo)致光合作用效率不足，植株生長緩慢且整體光合潛力較低。而較高光強(qiáng)（200 μmol·m?2·s?1）雖然在一定程度上提升了光系統(tǒng)II的活性，但由于高光強(qiáng)的光抑制效應(yīng)，光系統(tǒng)II的均勻性和光能利用效率受到抑制，這可能對生菜的生長產(chǎn)生不利影響。進(jìn)一步分析表明，適中的光強(qiáng)（150 μmol·m?2·s?1）能夠有效平衡光系統(tǒng)II的激發(fā)與光保護(hù)機(jī)制，最大化光能的利用效率，并同時(shí)避免過高光強(qiáng)引起的氧化脅迫和光損傷。這對于設(shè)施農(nóng)業(yè)中的生菜栽培具有重要意義，因?yàn)樵谠O(shè)施環(huán)境中，光照強(qiáng)度是可以精確調(diào)控的。通過選擇合適的光強(qiáng)，能夠提高生菜的產(chǎn)量和品質(zhì)。

3.2 結(jié)論

研究表明，適中的光強(qiáng)（150 μmol·m?2·s?1）既能確保光系統(tǒng)II的高效激發(fā)，又能夠維持適當(dāng)?shù)墓獗Ｗo(hù)機(jī)制，提升了生菜的光合效率和生產(chǎn)性能。此外，這一研究還揭示了不同光強(qiáng)條件對光系統(tǒng)均勻性的影響，強(qiáng)調(diào)了在設(shè)施農(nóng)業(yè)中精細(xì)化光環(huán)境管理的重要性，以最大化光能利用率和植物生長性能。綜上所述，適中的光強(qiáng)（150 μmol·m?2·s?1）為設(shè)施栽培條件下生菜的生長提供了適宜的光環(huán)境條件，顯著提高了其光合效率和產(chǎn)量潛力。這些結(jié)果為設(shè)施農(nóng)業(yè)的光環(huán)境管理和生菜高效生產(chǎn)提供了重要的理論參考。

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