采前不同比例LED红蓝光连续光照对生菜光合特性及产量和品质的影响

　　摘 要: 为了探究采前连续光照光质对水培生菜( Lactuca sativa L.) 产量和品质的影响，研究了不同红( R) 蓝 ( B) 光质比例( 1R: 4B、1R: 2B、1R: 1B、2R: 1B 和 4R: 1B) 对水培生菜生长、光合特性、抗坏血酸( ascorbic acid， AsA) 含量和 AsA 代谢关键酶活性的影响。结果表明: 与连续光照前相比，不同比例 LED 红蓝光连续光照后，生菜地上部鲜重的增幅为 38.82% ～ 77.65%，2R: 1B 处理下的地上部鲜重最大达到 30.23 g; 根鲜重的增幅为 27.43% ～ 73.14%，4R: 1B 处理下的根鲜重最大为 3.03 g。红光比例越高，生菜的叶面积、SPAD 和可溶性糖含量越高，硝酸盐含量的变化不显著。与其他处理相比，1R: 4B 的连续光照处理后，生菜的净光合速率、蒸腾速率、胞间 CO2浓度和气孔导度达到最大。提高采前连续光照中的蓝光比例可显著提高生菜 AsA 含量和单脱氢抗坏血酸还原酶( MDHAR) 的酶活性，1R: 4B 处理下叶片 AsA 的含量最高达到 3.22 mg·g -1 ，1R: 4B 处理下的生菜叶片 MDHAR 酶活性显著增加了 0.81 U·mg -1 FW。综上，降低采前连续光照的蓝光比例，可显著提高生菜的产量和可溶性糖等的含量，而提高采前连续光照蓝光比例可显著提高 AsA 的含量，这是因为采前连续光照蓝光比例的升高提高了 MDHAR 的活性。

　　张玉彬; 刘文科; 杨其长; 邵明杰; 查凌雁; 周成波; 李宝石; 王奇， 中国农业科技导报 发表时间：2021-10-15

　　关键词: 采前连续光照; 光质; 抗坏血酸; 代谢网络; 品质

　　抗坏血酸( ascorbic acid，AsA) ，又称维生素 C，是一种抗氧化剂。AsA 与其他抗氧化剂共同组成抗氧化系统，可保护植物免受有氧代谢、光合作用和多种污染物等造成的氧化损害[1]。AsA 与人类健康关系密切，人类及动物自身无法合成 AsA，必须通过饮食获取[2]。AsA 可通过参与 AsA-GSH 循环途径清除人体内过多的活性氧[3]。 AsA 通过反应底物或酶辅助因子的形式参与人体内胶原合成过程等多种生化反应，胶原蛋白缺乏会导致坏血病的发生[4]。AsA 还有降低血脂和抑制致癌物质产生等作用[5]。此外，AsA 也是蔬菜中的重要品质物质，由于人体无法合成 AsA，蔬菜成为人体 AsA 的主要来源。

　　目前，已经探明的 AsA 合成途径主要是 L-半乳糖途径[6]。L-半乳糖酸-1，4-内酯脱氢酶 ( Lgalactono-1，4-lactone dehydrogenase，GalLDH) 是植物 AsA 合成途径中最后一步的酶，它的活性决定了 AsA 含量的高低。植物体内的 AsA 主要是通过抗 坏 血 酸 过 氧 化 物 酶 ( ascorbate peroxidase， APX) 和抗坏血酸氧化酶( ascorbate oxidase，AO) 被 氧 化 分 解 为 单 脱 氢 抗 坏 血 酸 ( monodehydroascorbic acid，MDHA) ，MDHA 可以生成脱氢抗坏血酸( dehydroascorbic acid，DHA) ，或 通 过 单 脱 氢 抗 坏 血 酸 还 原 酶 ( monodehydroascorbate reductase，MDHAR) 再次还原为 AsA。而氧化形成的 DHA 可以在脱氢抗坏血 酸 还 原 酶 ( dehydroascorbic acid reductase， DHAR) 的作用下被还原为 AsA，或者被水解为 2，3-二酮古洛糖酸。谷胱甘肽还原酶( glutathione reductase，GR) 作为氧化还原酶，可催化氧化型谷胱甘肽( oxidized glutathione，GSSG) 还原为还原型谷胱甘肽( glutathione，GSH) ，进而维持植物体内 GSH 的含量，DHA 还原再生为 AsA 的过程需要 GSH 提供电子供体[7]。植物 AsA 含量的高低是合成、降解、转运各种代谢之间共同作用的结果[3]。AsA 的合成代谢受多种环 境 因 子 的 影响[8-9]，如光照、温度等对 AsA 积累会产生显著的影响，其中光环境对 AsA 代谢途径的影响尤为重要。光环境的变化可以显著影响植物的生长发育及其叶片的光合作用进程，同时，光合作用所生成的碳水化合物也为植物 AsA 的合成代谢提供了物质基础。因此，光环境对于植物体内 AsA 含量有重要影响。

　　连续光照通常是指改变植物原有的明暗交替的光周期规律，给植物提供连续 24 h 或超过 24 h 的光照。研究发现，连续光照可加速植物的生长、增加生物量、提高品质等[10-12]。Ohyama 等[13]研究表明，连续光照促使番茄植株鲜重、干重及叶面积等显著提高; 周晚来[14]研究发现，在生菜采收前，进行短期连续光照可以显著降低水培生菜的硝酸盐含量并提高可溶性糖、AsA 等营养物质的含量; Zha 等[15]在生菜幼苗移栽 10 d 后进行 12 d 不同光强的连续光照，结果表明，抗坏血酸含量和参与 AsA 代谢的酶活性与连续光照光强呈正相关关系，且 APX 和 DHAR 酶活性对连续光照光强的响应分别最大和最小。光谱组成也是影响连续光照对植物作用效果的重要光环境因子之一，适当的红蓝光质比例可以有效提高植物的的产量和品质。但目前关于采前连续光照光质对于 AsA 的影响机理尚不清楚。

　　生菜是一种被广泛食用的叶菜类蔬菜，也是人工光植物工厂广泛种植的代表性蔬菜。在植物工厂内，生菜生产通常以提高氮素投入的方法来提高其产量，但以 AsA 为代表的营养物质含量却显著降低。解决在提高水培生菜产量的同时，又提升生菜体内 AsA 等营养物质含量的问题具有重要的现实意义。本研究在水培生菜生长过程中，采用 LED 红蓝光进行采前 72 h 连续光照处理提高生菜的产量和品质，同时探究采前连续光照光质对水培生菜体内 AsA 相关代谢网络影响，更深层次地阐明采前连续光照光质对生菜体内 AsA 的影响机理，以期为植物工厂中高产优质蔬菜的生产 中 采 前 连 续 光 照 光 质 的 调 控 提 供 理 论依据。

　　1 材料与方法

　　1.1 试验地概况

　　试验在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究 所 植 物 工 厂 内 进 行，栽 培 环 境 温 度 为 ( 25±1) ℃，相对湿度为 65%±5%。生菜前期育苗和试验期间均采用营养液水培，营养液配方为: 4 mmol·L-1 Ca ( NO3 ) 2·4 H2 O、0. 75 mmol·L-1 K2 SO4、0.5 mmol·L-1 KH2 PO4、0.1 mmol·L-1 KCl、 0.65 mmol·L-1 Mg SO4 ·7 H2O、1.0×10-3 mmol·L-1 H3BO3、1.0×10-3 mmol·L-1 MnSO4 ·H2O、1.0×10-4 mmol·L-1 CuSO4 ·5H2O、1.0×10-3 mmol·L-1 ZnSO4 · 7 H2O、5×10-6 mmol·L-1 ( NH4 ) 6 Mo7O24 ·4 H2O、 0. 1 mmol·L-1 EDTA-Fe。

　　1.2 试验设计

　　试验以“意大利耐抽薹”生菜( Lactuca sativa L.) 为试验材料，先将种子播种于海绵块中育苗，培养 15 d 后将大小一致的生菜苗随机移栽于长方形塑料栽培槽( 长 180 cm、宽 60 cm、高 6 cm) 内，并于次日开始光照试验。

　　试验前期正常光照采用 LED 红蓝光面板灯进 行 光 照 处 理，LED 灯 的 光 照 强 度 为 150 μmol·m-2 ·s -1 ，红光与蓝光的组成比例为 4 ∶1，光暗周期设置为 16 h /8 h，光期时间段为 6: 00— 22: 00。植物工厂生菜因品种不同，生长发育速度也不同，本试验统一连续培养 17 d，生菜长到 15 片叶左右，达到采收标准时，开始进行不同比例红 ( R) 蓝( B) 光质的光照集中连续处理 72 h，从定植后第 18 d 的 6: 00 开始，在第 21 d 的 6: 00 光照结束。连续光照红蓝光质比例设置 5 个处理，分别为1 ∶4( 1R: 4B) 、1 ∶ 2( 1R: 2B) 、1 ∶ 1( 1R: 1B) 、 2 ∶1( 2R: 1B) 和 4 ∶1( 4R: 1B) 。同时以采前 72 h 连续光照处理前的取样( BCL) 作为对照处理。每个处理栽培生菜 26 株，选用红光波峰为 655 nm，蓝光波峰为 430 nm 的 LED 红蓝光组合灯板( 49 cm×49 cm) 进行光照处理。灯板放置在栽培槽上方 40 cm 处。

　　1.3 测定指标及方法

　　在集中连续照射开始和结束时取样，采用叶绿素含量测定仪( SPAD-502，Konica Minolta，日本) 测定叶绿素含量 ( SPAD) 。分别于每个处理中随机选 8 株生菜作为重复样本，从茎基部切开。其中 4 株的地上部分将叶片与叶柄分离后，迅速用液氮冷冻，并用高通量组织研磨器在低温下把用液氮 冷 冻 好 的 植 物 样 品 研 磨 成 粉 末，放 至-80 ℃冰箱中留样备用; 另外 4 株用电子计数天平称取地上部鲜重和根鲜重，用叶面积仪( Li3100C，Li-Cor，Biosciences，美国) 测量整株生菜叶片的叶面积，然后将生菜 100 ℃ 杀青 20 min， 80 ℃ 烘干至恒重，用分析天平分别称取地上部干重和根干重。采用便携式光合仪( LI-6400XT， NE，美国) 分别在采前连续光照前后分 2 次测定生 菜 不 同 处 理 下 叶 片 的 净 光 合 速 率 ( net photosynthetic rate，Pn ) 、蒸 腾 速 率 ( transpiration rate，Tr ) 、胞 间 CO2 浓 度 ( intercellular CO2 concentration，Ci ) 和 气 孔 导 度 ( stomatal conductance，Gs) 。

　　硝酸盐含量采用硫酸-水杨酸法[16]测定，可溶性糖含量采用硫酸-苯酚法[17]测定。APX 酶活性参考文献[18]的测定方法测定。DHAR、 MDHAR 和 GR 的酶活性参照 Ma 等[19]方法测定。 GalLDH 酶活性均采用试剂盒测定。抗坏血酸含量参考 Spínola 等[20]方法测定。

　　1.4 数据分析

　　采用 Microsoft Excel 2015 进行数据整理，采用 SPSS 25.0 软件对数据进行差异显著性检验分析( LSD 法，α = 0.05) 。

　　2 结果与分析

　　2.1 采前不同比例 LED 连续光照对生菜生长的影响

　　2.1.1 对生菜生物量的影响 由表 1 可知，与连续光照前( BCL) 相比，采前 72 h 进行 LED 连续光照后，地上部鲜重和干重以及根的鲜重和干重均显著增加。其中，地上部鲜重的增幅为 38.82% ～ 77.65%，1R: 4B 处 理 下 的 地 上 部 鲜 重 最 小 为 23. 60 g，2R: 1B 处理下的地上部鲜重最大达到 30.23 g; 地上部干重的增幅为 89.74% ～ 94.87%，各处理间地上部干重无显著差异; 根鲜重的增幅为 27.43% ～73.14%，1R: 2B 处理下的根鲜重最小为 2.23 g，4R: 1B 处理下的根鲜重最大为 3.03 g; 根干重的增幅为 39.84% ～ 65.38%，各处理间的根干重无显著差异。可见，采前 LED 连续光照光质的红光比例越低，地上部和根的鲜重越低。采前 LED 连续光照光质的红蓝光比例对地上部和根的干重无显著影响。

　　2.1.2 对生菜生长指标的影响 采前 LED 连续光照光质对生菜的形态指标具有显著影响。由表 2可知，与连续光照前( BCL) 相比，采前 72 h 进行 LED 连续光照处理后，生菜的叶面积、SPAD ( 叶绿素含量) 、干物质含量和比叶重均显著增加。其中，叶面积的增幅为 32.43% ～68.09%，1R: 4B 处理下生菜叶面积最小为 477.58 cm2 ，2R: 1B 处理下生菜叶面积最大达到 606.15 cm2 。SPAD 的增幅为 27. 42% ～ 70. 85%，1R: 1B 处理下的 SPAD 最小为 23.47，4R: 1B 处理下的 SPAD 最大为 31. 47。干物质含量的增幅为 5.62% ～37.27%， 2R: 1B 处理下的干物质含量最小为 4.86%，1R: 4B 处理下的干物质含量最大为 6.31%。比叶重的增幅为 12.80% ～44.09%，2R: 1B 处理下的比叶重最小为 2.44 mg·cm-2 ，1R: 4B 处理下的比叶重最大为 3.11 mg·cm-2 。可见，采前 LED 连续光照光质的红光比例越高，生菜的叶面积和 SPAD 越高; 采前 LED 连续光照光质的红光比例越低，生菜的干物质含量和比叶重越高。

　　2.2 采前不同比例 LED 连续光照对生菜光合特性的影响

　　采前 LED 连续光照光质对生菜叶片的光合特性具有显著影响。由表 3 可知，与连续光照前 ( BCL) 相比，生菜叶片的净光合速率( Pn ) 的变化幅度为-35.11% ～ 62.00%，采前 LED 连续光照处理后，4R: 1B 处理下，生菜叶片的 Pn有所降低，为 7.65 μmol·m-2 ·s -1 ，1R: 4B 处理下生菜叶片的 Pn最高达到 19.10 μmol·m-2 ·s -1 。生菜叶片的气孔导度( Gs ) 的降低幅度为 26.97% ～ 62.34%，采前 LED 连续光照处理后，1R: 1B 处理下生菜叶片的 Gs最低为 0.148 mol·m-2 ·s -1 ，1R: 4B 处理下生菜叶片的 Gs最高达到 0.287 mol·m-2 ·s -1 。生菜叶片的胞间 CO2 浓度 ( Ci ) 的降低幅度为 9. 68% ～ 24. 97%，采前 LED 连续光照处理后，1R: 1B 处理下生菜叶片的 Ci最低为 252.69 μmol·mol -1 ，1R: 4B 处 理 下 生 菜 叶 片 的 Ci 最 高 达 到 304. 18 μmol·mol -1 。生菜叶片的蒸腾速率( Tr ) 的降低幅度为 34.15% ～ 58.74%，采前 LED 连续光照处理后，1R: 1B 处理下生菜叶片的 Tr 最低为 2. 03 mmol·m-2 ·s -1 ，1R: 4B 处理下生菜叶片的 Tr最高达到 3. 24 mmol·m-2 ·s -1 。

　　2.3 采前不同比例 LED 连续光照对生菜可溶性糖和硝酸盐含量的影响

　　由表 4 可得，与 BCL 相比，采前 72 h 进行 LED 连续光照处理后，生菜的可溶性糖含量不同程度的升高，硝酸盐含量不同程度的降低。叶片的可溶性糖含量增加幅度为 1.46% ～47.17%，1R: 2B 处理下叶片的可溶性糖含量最低为 17. 38 mg·g-1 ，4R: 1B 处理下叶片的可溶性糖含量最高达到 25.21 mg·g-1 。叶柄的可溶性糖含量增加幅度为 26.08% ～67.36%，1R: 2B 处理下叶柄的可溶性糖含量最低为 32.68 mg·g-1 ，4R: 1B 处理下叶柄的可溶性糖含量最高达到 43.38 mg·g-1 。叶片的硝酸盐含量降低幅度为 4.94% ～ 28.24%，4R: 1B 处 理 下 叶 片 的 硝 酸 盐 含 量 最 低 为 256. 91 mg·kg-1 ，1R: 2B 处理下叶片的可溶性糖含量最高为 340.34 mg·kg-1 。采前 LED 连续光照处理后，叶柄的硝酸盐含量降低幅度为 6.96% ～ 24.71%， 2R: 1B 处理下叶柄的硝酸盐含量最低为 371.51 mg·kg-1 ，1R: 1B 处理下叶柄的可溶性糖含量最高为 459.08 mg·kg-1 。可见，采前 LED 连续光照光质红光比例越高，生菜叶片和叶柄的可溶性糖含量越高，生菜叶片的硝酸盐含量越低。

　　2.4 采前不同比例 LED 连续光照对生菜 AsA 代谢的影响

　　2.4.1 对生菜 AsA 和 DHA 含量的影响 由表 5 可知，与 BCL 相比，采前 72 h 进行 LED 连续光照处理后，生菜的 AsA 含量有所升高。其中，叶片的 AsA 含量的增加幅度为 25.15% ～ 92.81%，4R: 1B 处理下叶片的 AsA 含量最低为 2.09 mg·g-1 ， 1R: 4B 处理下叶片的 AsA 含量最高达到 3. 22 mg·g-1 。叶柄的 AsA 含量变化无显著差异。叶片的 DHA 含量增加幅度为 61.90% ～ 204.76%，叶柄的 DHA 含量降低幅度为 47.83% ～ 52.17%，但采前 LED 连续光照后，各光质处理间叶片和叶柄的 DHA 含量均无显著差异。可见，采前 LED 连续光照光质蓝光比例越高，生菜的 AsA 含量越高，采前 LED 连续光照光质对叶柄的 AsA 和 DHA 含量无显著影响。

　　2.4.2 对生菜 GalLDH 酶活性的影响 由表 6 可得，采前 LED 连续光照光质对叶片的 GalLDH 酶活性具有显著影响。与连续光照前( BCL) 相比，采前 LED 连续光照后，叶片的 GalLDH 酶活性的变化幅度为- 65. 58% ～ 5. 56%，相比于连续光照前，仅有 4R: 1B 处理下的叶片 GalLDH 酶活性略高于连续光照前的，达到 0.281 U·mg-1 FW。其他处 理下 叶 片 GalLDH 酶 活 性 均 低 于 连 续 光 照前的，1R: 4B 处理下叶片的 GalLDH 酶活性最低为 0.092 U·mg-1 FW。采前 LED 连续光照光质处理对叶柄的 GalLDH 酶活性无显著影响。采前 LED 连 续 光 照 光 质 红 光 比 例 越 高，叶 片 的 GalLDH 酶活性越高。

　　2.4.3 对生菜 AsA 代谢相关酶活性的影响 由表 7 可知，采前 LED 连续光照前( BCL) ，生菜叶片的 APX 酶活性为 0.28 U·mg-1 FW，72 h 连续光照后，1R: 4B 和 1R: 2B 处理下的生菜叶片 APX 酶活性显著增加，均增加了 0.16 U·mg-1 FW。生菜叶片的 MDHAR 酶活性在采前 LED 连续光照前为 0.11 U·mg-1 FW，72 h 连续光照后，1R: 4B 处理下的生菜叶片 MDHAR 酶活性显著增加，增加了 0.81 U·mg-1 FW。相比于采前 LED 连续光照前，生菜叶片的 DHAR 和 GR 酶活性在 72 h 连续光照后均有所增加，但无显著差异。生菜叶柄中 APX、MDHAR、DHAR 和 GR 的酶活性在 72 h 连续光照后均无显著差异。可见，采前 LED 连续光照光质只对生菜叶片的 APX 和 MDHAR 具有显著影响。采前 LED 连续光照光质红光比例越大，对 APX 和 MDHAR 的影响越小。各处理间叶柄的 AsA 代谢相关酶活性均无显著影响。

　　3 讨论

　　本研究结果表明，采前 LED 连续光照后生菜地上部鲜重和干重均显著增加，连续光照的红光比例越低，产量越低。这是因为红光是被绿色植物吸收最多的光，红光通过光敏色素在调控光形态建成上发挥作用，可以促进茎伸长，促进碳水化合物合成，使得植物生长更快，促进植物产量的增加，采前连续光照红光比例降低导致生菜的产量降低。同时红光有利于糖的合成，抑制氮的同化作用[21]。这也解释了本研究中的结果，随着连续光照红光比例的增大，生菜的可溶性糖含量增加，硝酸盐的含量略微减少。

　　周晚来[14]研究了光强 150 μmol·m-2 ·s -1 下，红蓝光质比例分别为 8、4、2 和纯红光下的采前连续光照对 AsA 含量的影响，结果发现，采前连续光照的蓝光比例越高，越有利于 AsA 含量的增加。本研究继续增加蓝光在采前连续光照时的比例，结果发现，随采前连续光照蓝光比例的升高，叶片 AsA 含量逐渐增加，叶片 DHA 含量逐渐降低。GalLDH 是催化 AsA 合成的关键酶，在 AsA 的合成上起着很大的作用[8]。本研究结果表明，随着连续光照蓝光比例的升高，叶片中 GalLDH 活性逐渐降低。因此，采前 LED 连续光照光质对生菜叶片 GalLDH 活性的影响与抗坏血酸含量变化相反。本研究结果表明，叶片 APX 酶活性随连续光照蓝光比例的升高而增大，与 AsA 含量的变化趋势一致，说明连续光照蓝光比例越高，APX 酶活性越高，催化分解 AsA 的量越多。Eltayeb等[22]研究发现，转基因番茄中 MDHAR 的高效表达提高了转化为 AsA 的效率，降低 MDHAR 转化为 DHA 的比率。叶片 MDHAR 酶活性随连续光照蓝光比例的升高而增大，与 AsA 含量的变化趋势一致，说明连续光照蓝光比例越高，MDHAR 酶活性越高，催化分解为 DHA 那部分的 MDHA 转化合成 AsA 的量越多。Chen 等[5]研究发现，植物体内 DHAR 基因高效表达会通过加快 AsA 再生循环来增加 AsA 的含量，这促进了转化为 2，3-二酮古洛糖酸的 DHA 转化为 AsA 的比例。这与 Matsuda 等[23]的研究结果一致。本研究中连续光照光质对叶片 DHAR 酶活性影响不显著，但叶片 DHAR 酶活性随连续光照蓝光比例的升高而略微增大，与 AsA 含量的变化趋势一致，说明连续光照蓝光比例越高，DHAR 酶活性越高，催化分解为 2，3-二酮古洛糖酸那部分 DHA 转化合成 AsA 的量越多，但 DHAR 在连续光照下对 AsA 升高的贡献有限[24]。可见，连续光照光质对 AsA 含量的影响主要是与参与 AsA 再生循环系统的 MDHAR 酶活性相关，可能与 DHAR 酶活性相关。

　　综上所述，采前连续光照光质对水培生菜产量及品质的调控效果有显著影响。随着采前连续光照红光比例的升高，水培生菜的产量会逐渐升高，且可溶性糖含量逐渐升高。AsA 含量随采前连续光照蓝光比例的增大而增加，这是 AsA 合成和再生循环系统综合调控的结果，主要是因为蓝光比例的增大提高了参与 AsA 再生循环系统的 MDHAR 酶活性，促进了 MDHA 转化为 AsA 的效率。