趙明偉，呂 新，張 澤，劉慧英，牛寧兒，崔金霞

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)特色果蔬栽培生理與種質(zhì)資源利用重點實驗室，新疆石河子 832000;2 .新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意義】植物接受的光譜、數(shù)量和持續(xù)時間都會影響植物光合作用、植物生長和發(fā)育[1-2]。研究表明，不同補光時間既會影響植物生存、生長和繁殖，還會影響植物中化學(xué)物質(zhì)的代謝，特別是波長640 ～ 660 nm的紅光與波長430 ～ 450 nm的藍(lán)光是植物進(jìn)行光合作用和光形態(tài)建成的主要光譜[3]，其影響也最為重要。【前人研究進(jìn)展】紅藍(lán)復(fù)合光能夠明顯促進(jìn)辣椒[5]、菊花[6]、黃瓜[7-8]和東方百合[9]等植物的生長。夜間補光和低光量子通量密度條件下延長光照時間可以提高生菜的生物量和品質(zhì)[10-11]，紅藍(lán)光質(zhì)已經(jīng)日漸成為設(shè)施栽培的主要光譜[12]。冰菜(MesembryanthemumcrystallinumL)又名冰葉日中花，是番杏科，日中花屬1年生草本植物，其特點是在葉面和莖上著生有大量大型泡狀細(xì)胞，里面填充有液體，在太陽照射下反射光線，就像冰晶一樣，而得名冰菜，該植物還具有快速積累植物化學(xué)物質(zhì)和次生代謝產(chǎn)物的能力，如β-胡蘿卜素、松醇、β-花青苷、酚類化合物等，此外冰菜還常被用于治療眼部感染[13-16]?！颈狙芯壳腥朦c】目前關(guān)于適宜冰菜紅藍(lán)光配比以及補光時間的研究較少。研究不同紅藍(lán)光照時間對冰菜生長發(fā)育以及營養(yǎng)品質(zhì)的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以LED燈為人工可調(diào)控，配置比例為3∶1的紅藍(lán)光，研究不同補光時間對冰菜生長，光合和品質(zhì)的影響，優(yōu)化光質(zhì)條件調(diào)控冰菜生長，為植物工廠化下生產(chǎn)冰菜提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試種子為非洲冰菜種子，購于山東豐沛農(nóng)業(yè)科技有限公司。供試LED燈管為“T8一體化”，規(guī)格1.2M，18W。無土栽培種植機(jī)，購于河北乾元水培電子科技有限公司。土壤全價滴灌肥購于太倉戈林農(nóng)業(yè)科技有限公司。RS-XZJ-100-Y有線環(huán)境監(jiān)控主機(jī)，實時監(jiān)控光強，植物工廠溫度濕度，二氧化碳濃度，購于濟(jì)南仁碩電子科技有限公司。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗于石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗站進(jìn)行，光照周期設(shè)定為A∶8 h/d、B∶10 h/d、C∶12 h/d、D∶14 h/d和E∶16 h/d，通過電子定時器精確控時，進(jìn)行溫湯浸種催芽，24 h后將露白的種子播種在穴盤中育苗，待幼苗長至4片真葉時，選擇長勢一致的幼苗移栽，每個處理重復(fù)3次，常規(guī)管理45 d后取樣測定。試驗水培架中的水若低于最低水位線時要及時對水。各光質(zhì)配比的總光量子通量密度均為 300 μmol/(m2·s)。人工氣候室各項環(huán)境指標(biāo)為 晝溫( 25±1)℃、夜溫(18±1)℃ 、空氣相對濕度 60%～70%。圖1

1.2.2 測定指標(biāo)

光量子通量密度用特安斯數(shù)字照度計測定(特安斯公司，中國)，各處理光譜用虹譜光OHSP-350S光譜照度分析儀測定(杭州虹譜光色科技有限公司)。用直尺測株高、根長、葉長、葉寬，數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量莖粗，數(shù)出葉片數(shù)，收集植株并將水擦拭干凈用電子天平測量鮮質(zhì)量，將鮮樣置于 105℃ 烘箱中殺青 15 min，于 80℃ 烘干至恒質(zhì)量，測定干質(zhì)量，用LI-3100C臺式葉面積儀測定葉面積。采用丙酮乙醇混合液法提取葉綠素，可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法；可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法；VC 含量測定采用 2，6-二氯靛酚比色法；硝酸鹽含量測定采用水楊酸比色法[17]。超氧化物歧化酶( superoxide dismutase，SOD) 活性采用氮藍(lán)四唑( NBT) 法[18]測定；過氧化物酶( peroxidase，POD) 和過氧化氫酶 ( catalase，CAT) 活性采用愈創(chuàng)木酚法[19]測定；參考Srivastava[20]和Schansker等[21]的方法，利用M-PEA多功能植物效率儀(Hansatesch，英國)進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)測定以及測定葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)。采用 Li-6400XT 型光合儀( LI-COR公司，美國) 測定葉片凈光合速率，氣孔導(dǎo)度，胞間二氧化碳濃度，蒸騰速率；葉綠素?zé)晒鈪?shù)采用飽和脈沖分析方法，用新型調(diào)制葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)(Imagine-PAM，Walz，德國)測定，用SPAD-502 葉綠素儀測定冰菜SPAD值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2013進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，SPSS 21軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，Duncan’s新復(fù)極差法用于差異顯著性檢驗(P<0.05)，ORIGIN PRO 8.5軟件用于繪圖。數(shù)據(jù)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)表示。表1

表1 不同紅藍(lán)光照時間下冰菜形態(tài)指標(biāo)變化Table 1 Effects of different red and blue light times on morphological indexes of ice plant

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光照時間對冰菜生長形態(tài)的影響

研究表明，不同光照時間對冰菜生長形態(tài)有著不同程度的影響，隨著光照時間的延長，冰菜的株高、莖粗、根長、葉長、葉寬、干鮮重以及葉面積都有著不同程度的增加，都是呈現(xiàn)先升后降的趨勢，D處理(14 h)為拐點;形態(tài)指標(biāo)均高于其他處理，C處理與E處理之間各項形態(tài)指標(biāo)無顯著性差異，其中A處理下的各項指標(biāo)都較低。圖2

2.2 不同光照時間對冰菜SPAD的影響

研究表明，不同光照時間處理下對冰菜的SPAD值有不同程度的影響，隨著光照時間的延長SPAD值也有著不同程度的上升。D處理下SPAD值最高，顯著高于A處理，相比A處理提高了27%，但與BCE處理之間差異不顯著。圖3

2.3 不同光照時間對冰菜光合色素的影響

研究表明，葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素以及類胡蘿卜素含量在不同光照時間處理下略有差異，葉綠素a在D處理下含量最高達(dá)到1.2 mg/g，顯著高于C處理，但與其他處理無顯著性差異，C處理下葉綠素a含量最低，僅為0.87 mg/g；葉綠素b在B處理下含量最高達(dá)到0.48 mg/g，顯著高于CDE處理，但與A處理無顯著性差異，同樣在C處理下葉綠素b含量最低為0.34 mg/g；類胡蘿卜素在D處理下含量最高，達(dá)到0.63 mg/g，顯著高于C處理，但與ABE處理無顯著性差異，C處理下類胡蘿卜素含量最低為0.47 mg/g；總?cè)~綠素含量在B處理下含量最高達(dá)到1.59 mg/g，顯著高于C處理，但與ADE處理之間無顯著性差異，C處理下總?cè)~綠素含量最低為1.22 mg/g。圖4

2.4 不同光照時間對冰菜葉片光合氣體交換參數(shù)的影響

研究表明，不同光照時間處理對冰菜葉片光合作用的影響有著不同程度的差異，隨著光照時間的延長，凈光合速率顯著上升，但是達(dá)到D處理這一時間節(jié)點時，將光合速率開始下降，在D處理下冰菜葉片的凈光合速率最快，顯著高于ABC處理，但與E處理無顯著性差異，A處理下凈光合速率最低為6.86 μmol/(m2·s)，D處理相比A凈光合速率提高約26%；氣孔導(dǎo)度在B處理下最大，顯著高于C處理，但與ADE處理之間無顯著性差異，并且過了B處理這一時間節(jié)點之后氣孔導(dǎo)度有著不同程度的降低；冰菜葉片的胞間二氧化碳濃度隨著光照時間的延長慢慢降低，A處理下胞間二氧化碳濃度最高，顯著高于CDE處理，與B處理無顯著性差異，E處理下胞間二氧化碳濃度最低；在B處理下冰菜的蒸騰速率最高，顯著高于A處理，與CDE無顯著差異，A處理下的冰菜蒸騰速率最慢。圖5

2.5 不同光照時間對冰菜葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

研究表明，不同光照時間對冰菜葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)有著不同程度的影響，暗適應(yīng)下 PSII 的最大量子產(chǎn)額(Fv/Fm) 是指開放的 PSII反應(yīng)中心捕獲激發(fā)能的效率，反映植物光能利用潛力，D處理下最大量子產(chǎn)額最大，顯著高于E處理，但與ABC處理無顯著性差異，E處理下最大量子產(chǎn)額最小，ΦPSII在C處理下最高，顯著高于E處理，與ABD處理無顯著性差異；ΦNO在E處理下最高顯著高于ACD處理，與B處理無顯著性差異；ΦNPQ在E處理下最高顯著高于ABC處理，與D處理無顯著性差異，C處理ΦNPQ最低；在B處理下qp值最高，顯著高于E處理，且與ACD處理無顯著性差異，E處理qp值最低。表2，圖6

表2 不同光照時間下冰菜葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)變化Table 2 Effects of different light time on chlorophyll fluorescence parameters of ice plant leaves

2.6 不同光照時間對冰菜葉片快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)特征的比較

研究表明，在整個處理期間，冰菜葉片快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線在J、I、P各點均有較明顯的拐點，各處理下熒光強度逐漸上升，且達(dá)到P點時AB處理要高于CDE處理，AB處理下緩解了冰菜葉片熒光產(chǎn)額下降趨勢；各處理下冰菜葉片達(dá)到Fm的時間基本相似，在O-J-I段，ABC處理逐漸升高，隨著光照時間的延長冰菜受到的傷害程度更大。圖7

2.7 不同光照時間對冰菜抗氧化酶活性的影響

研究表明，不同光照時間對冰菜的抗氧化酶活性有著不同的程度的影響，隨著光照時間的延長，SOD酶活性先增后降，D處理下SOD酶活性最大，顯著高于AE處理，與BC處理無顯著性差異，A處理下SOD活性最低，D相比A處理提高了約69%；隨著光照時間的延長，冰菜葉片POD活性逐漸增加，E處理下POD活性最高，顯著高于A處理，約提高55%，與BCD處理無顯著性差異；在D處理下冰菜葉片的CAT活性最高，顯著高于AE處理，與BC處理無顯著性差異，A處理下CAT活性最低，D相比A處理提高約55%；延長光照時間有利于提高冰菜抗氧化酶的活性。圖8

2.8 不同光照時間對冰菜營養(yǎng)品質(zhì)的影響

研究表明，不同光照時間對冰菜的營養(yǎng)品質(zhì)有著不同程度的影響，在E處理下冰菜葉片的可溶性蛋白含量最高，顯著高于B處理，與ACD處理無顯著性差異；在C處理下可溶性糖含量最高，顯著高于ABDE處理，其余處理之間可溶性糖含量無顯著性差異，A處理含量最低；同樣在C處理下VC含量最高，顯著高于AE處理，與BD處理無顯著性差異，A處理下VC含量最低；在E處理下硝酸鹽含量最高，顯著高于BCD處理，與A處理無顯著性差異，D處理下硝酸鹽含量最低。圖9

3 討 論

光照是決定植物自身物質(zhì)積累和生長速度快慢的因子之一,光照是植物葉綠體發(fā)育和葉綠素合成的必需條件，光合色素起著吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換光能的作用。延長光照時間，不僅能增加植物光合作用時間，還能刺激光敏色素傳導(dǎo)信號，誘導(dǎo)相關(guān)基因表達(dá)，調(diào)節(jié)植物生理代謝反應(yīng)，使其干質(zhì)量增大[22-23]。在研究中，隨著光照時間的延長，冰菜全株的生長量顯著增大，其中包括全株干鮮重等，當(dāng)光照時間超過14 h時，全株的生物量呈下降趨勢，與王蒙蒙等[24]研究相似。增加光照時間有利于冰菜生物量的積累，造成這一差異的原因是冰菜的光合特性與日積累量有關(guān)系，在14 h光照處理下，冰菜的凈光合速率最快，進(jìn)而有利于生物量的積累，而16 h生物量開始降低，是由于光照達(dá)到了冰菜所需的總量時，可造成光能過剩，進(jìn)而生物量積累變慢，從而造成了干鮮重等指標(biāo)的降低。葉片的綠色程度與 SPAD 值顯著正相關(guān)[25]，研究中隨著光照時間的延長，冰菜葉片的SPAD值呈現(xiàn)先增后降的趨勢，與劉成功等[26]研究相似，造成這一現(xiàn)象的原因可能是由于與植株自身的抗氧化酶SOD活性有關(guān)，中SOD活性變化趨勢與SPAD值相同，抗氧化酶活性降低能使葉綠素降解，從而導(dǎo)致SPAD值的降低。鮑順淑等[27]發(fā)現(xiàn)隨著光照時間的延長，鐵皮石斛葉綠素a、葉綠素b及葉綠素a+b含量先升后降,光照為 12 h/d 時達(dá)到最高，與研究結(jié)果不一致，在研究中總?cè)~綠素含量與類胡蘿卜素含量呈現(xiàn)先降后升的趨勢，在10 h以及14 h處理下總?cè)~綠素含量以及類胡蘿卜素含量最高，反而在12 h的光照下含量較低，這可能是因為葉綠體內(nèi)光合中間產(chǎn)物濃度超過一定的水平或沒有達(dá)到相應(yīng)的水平，造成葉綠素的合成受阻，從而造成了含量的降低[27]。

在研究中，隨著光照時間的增加，冰菜的凈光合速率也呈增大趨勢，葉片的凈光合速率不受葉綠素含量的影響，與劉杰等[28]研究相似。研究表明，增加光照時間。胞間二氧化碳濃度減低，表明增加光照時間可以顯著刺激對二氧化碳的吸收，隨著光照的延長，二氧化碳在細(xì)胞間隙中的富集量減小，CO2進(jìn)入氣孔之后，葉肉細(xì)胞等阻力受到光照時間與光強的影響[29]，研究可知，當(dāng)光強達(dá)到一定值時，凈光合速率開始下降，胞間二氧化碳濃度開始上升，凈光合速率與植物生長量是成正比的，是否當(dāng)光強與光照時間達(dá)到某一特定值時，植物生長量也跟隨趨勢呈現(xiàn)上升趨勢。植物的光響應(yīng)曲線特征參數(shù)是進(jìn)行植物環(huán)境適應(yīng)性評價的基本指標(biāo)[30]，研究發(fā)現(xiàn)葉片的Pmax隨著時間的延長而增大，這與趙海亮等[31]研究相似，延長光照時間有利于冰菜同化物的積累。植物的光響應(yīng)曲線對了解光化學(xué)過程中的光化學(xué)效率具有重要意義，提高植株的凈光合速率，有利于有機(jī)物的積累，研究表明，14與16 h的光飽和點接近，并且又要使得植株減緩生理傷害，即14 h更有利于冰菜的生長。與光合參數(shù)相比，葉綠素?zé)晒鈪?shù)能更直接的反映出植物葉片PSII對光能吸收和利用情況，更好地分析光合機(jī)構(gòu)受逆境脅迫損傷的部位和程度[32-33]。Fv/Fm反映了 PSII 反應(yīng)中心最大光能轉(zhuǎn)換效率，若Fv/Fm大幅降低則說明葉片受到了光抑制。朱婷婷等[34]認(rèn)為植物在無光呼吸狀態(tài)下，F(xiàn)v/Fm通常為 0.75 ～0.85，其值會因光呼吸及外界環(huán)境脅迫的變大而減小，研究中冰菜在16 h光照處理下Fv/Fm最低，與呂兵兵等[35]研究不一致,造成這一現(xiàn)象的原因是PSII系統(tǒng)捕光色素蛋白復(fù)合體受到影響，PSII光合中心受到損害[36]，研究中在16 h光照時間下PSII值也最低。表明超過16 h光照時促使PSII重新氧化的量減小，不利于PSII的開放度，減緩電子傳遞[37]，并且在16 h光照時間的處理下更高的NPQ與NO表明，雖然冰菜葉片能激發(fā)光保護(hù)反應(yīng)，但仍不足保護(hù)光合作用系統(tǒng)受損，這可能會產(chǎn)生多余能量導(dǎo)致產(chǎn)生ROS,例如H2O2[38],過量的ROS抑制了Y(Ⅱ)光損傷的修復(fù)并增加了受損傷的程度，這就是導(dǎo)致了光合速率開始緩慢降低的原因?？焖偃~綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線不僅與PSII中的氧化還原反應(yīng)直接相關(guān)，而且與整個光合電子傳遞鏈中的氧化還原反應(yīng)直接相關(guān), JIP的應(yīng)用能夠分析PSII的重要能量特征的變化以及植物體在脅迫誘導(dǎo)下的光合作用[39]。葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線的K點、J點、I點和IP相分別與OEC、QA、質(zhì)體醌(plastoquinone, PQ)和PSI電子受體側(cè)末端接受體的還原狀態(tài)(慢還原性PQ庫的還原狀態(tài))有關(guān)[40], O點和P點則分別代表植物PSII反應(yīng)中心全部開放時的初始熒光Fo和PSII反應(yīng)中心全部關(guān)閉時的Fm。Fo反映PSII的能量捕獲效率情況， 其升高說明PSII反應(yīng)中心破環(huán)或可逆失活，而Fm是一個相對復(fù)雜的參數(shù)，取決于植物葉片的組織特征(包括葉綠體的受損情況), 由葉片葉綠素?zé)晒獾墓饣?、反射和重吸收決定[41]。典型的快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線有O、J、I和P等相，但當(dāng)PSII的供體側(cè)反應(yīng)中心放氧復(fù)合物OEC受到傷害時，經(jīng)過極短的時間，葉綠素?zé)晒鈴姸葧杆偕仙?，在J點之前出現(xiàn)K點(照光后大約300 μs處的特征位點)。研究表明，隨著光照時間的延長，冰菜葉片收到了不同程度的傷害。

研究中，隨著光照時間的延長，冰菜可溶性蛋白含量先降后升，在16 h光照時間可溶性蛋白含量最高，與毛金柱等[42]研究不一致，造成這一現(xiàn)象的原因可能是不同光照時間導(dǎo)致光合速率的不同，從而促進(jìn)線粒體呼吸和初級氮代謝酶的活性，為蛋白質(zhì)合成提供了充足的碳架和氮源，從而促進(jìn)了可溶性蛋白含量[43]。可溶性糖含量與VC含量都是先升后降，并且都是在光照時間為12 h時含量最高，研究與王蒙蒙等[24]研究相似，這是因為隨著光合作用的增加，光合產(chǎn)物也增多，隨著光照時間的延長，反而降低植株光合代謝，從而致使光合產(chǎn)物的降低；蔬菜中的硝酸鹽含量過高對人體可能造成傷害，更為嚴(yán)重的是硝酸鹽在微生物的作用下極易還原成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽與食物中的胺類物質(zhì)可形成亞硝胺，亞硝胺可能誘發(fā)癌癥，研究中光照時間16 h處理下冰菜葉片硝酸鹽含量最高，可能是由于延長光照時間造成了微量元素的過度積累，從而造成了硝酸鹽含量的增加。

4 結(jié) 論

從冰菜的個體生長形態(tài)以及營養(yǎng)品質(zhì)參考，14 h光照時間較適宜冰菜生長，光照時間是冰菜有效進(jìn)行光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，其在不同光照時間下以及延長光照時間進(jìn)而改變自身的光合特性和同化產(chǎn)物的配置以維持生命活動。