姜瑋莉,康紅旗,孫啟穎,周璇,孔靜雯,孫坡,李清明,劉彬彬

CO2加富與LED光對(duì)黃瓜幼苗抗氧化特性的影響

姜瑋莉1,康紅旗1,孫啟穎1,周璇1,孔靜雯1,孫坡1,李清明2*,劉彬彬3*

1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 泰安 271018 2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所, 四川 成都 610299 3. 作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 泰安 271018

以‘津優(yōu)35號(hào)’黃瓜品種為試材，采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主區(qū)因素為CO2濃度處理，分為大氣CO2濃度（≈ 400 μmol·mol?1）和加富CO2濃度（≈ 800 μmol·mol?1）2個(gè)水平。裂區(qū)因素為光配方處理，分為白光（W）、紅藍(lán)光（RB=7:3）和紅藍(lán)光加UV-A（RBU=7:3+20 μmol·m-2·s-1）3個(gè)光配方，研究了CO2加富與LED光配方對(duì)黃瓜幼苗抗氧化性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：CO2加富和RBU處理可以顯著提高SOD、POD、CAT、APX、GPX、GR、DHAR等抗氧化酶的活性以及可溶性糖、游離氨基酸、可溶性蛋白和脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，提高ASA、GSH含量以及ASA/DHA、GSH/GSSG的比值，促進(jìn)ASA-GSH循環(huán)，從而降低RBU處理下MDA及ROS的含量，減緩添加UV-A后對(duì)黃瓜幼苗所造成的氧化損傷。綜上所述，CO2加富和RBU處理可以通過(guò)提高抗氧化酶活性以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量來(lái)減少活性氧的積累，提高植物的抗氧化性，從而有利于幼苗的健壯生長(zhǎng)，培育壯苗。

黃瓜; CO2加富; LED光配方; 抗氧化性

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，大氣中CO2濃度不斷升高[1,2]。預(yù)計(jì)到本世紀(jì)末，大氣中二氧化碳的濃度將增加一倍[3]。CO2作為植物光合作用的重要原料，其濃度高低將直接影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育及生理代謝過(guò)程[4]。適宜的光環(huán)境是影響植物工廠化育苗的關(guān)鍵因素[5]，包括光強(qiáng)、光質(zhì)、光照時(shí)數(shù)和光的分布四個(gè)方面，其中光質(zhì)是影響蔬菜細(xì)胞內(nèi)活性物質(zhì)生物合成的主要因素，不僅影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，而且對(duì)植物的物質(zhì)代謝也起著至關(guān)重要的作用，可以作為調(diào)控蔬菜的抗氧化活性的措施之一[6,7]。

有研究表明，CO2加富能提高植物的抗病性，降低農(nóng)藥的使用量[8]。在增施CO2后，植株生長(zhǎng)健壯，葉片肥厚，SOD、POD等抗氧化酶活性明顯增強(qiáng)，MDA含量和電解質(zhì)滲漏率降低，顯著提高了植株的抗氧化性[9,10]。其原因是CO2濃度升高能促進(jìn)光合作用，提高光合產(chǎn)物，充足的光合產(chǎn)物加強(qiáng)了抗壞血酸等物質(zhì)的合成，提高了抗氧化酶的活性，從而提高植物的抗氧化能力[11]。另外，CO2濃度升高增加了CO2/O2的比例，抑制了C3植物的光呼吸，減少了以O(shè)2作為底物形成的活性氧，進(jìn)而降低了植物體內(nèi)ROS的積累[12]。并且高濃度的CO2也促進(jìn)了碳水化合物的合成，使葉片可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量增高，從而提高作物的抗性[13]。ASA-GSH循環(huán)是植物體內(nèi)重要的非酶促抗氧化系統(tǒng)，它在幫助植物抵御逆境脅迫時(shí)發(fā)揮著重要的作用。Muthusamy M等研究發(fā)現(xiàn)，CO2加富能夠顯著提高十字花科蔬菜幼苗的ASA含量和抗氧化性能[14]。王騫春等的研究結(jié)果表明，CO2加富除了可以顯著提高ASA的含量，還可以顯著提高GR、APX等ASA-GSH循環(huán)關(guān)鍵酶的活性，從而提高植物的抗氧化能力[15]。

植物的衰老過(guò)程受溫度和光照等環(huán)境因子的影響，近年來(lái)，有許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者以光質(zhì)作為環(huán)境調(diào)控因子，探討其對(duì)植物抗氧化系統(tǒng)的影響[16]。蒲高斌等的研究結(jié)果表明，紅光和藍(lán)光處理與白光處理相比可以顯著提高POD、SOD及APX等抗氧化酶的活性[17]。而王虹、高美芳等人的研究進(jìn)一步表明，藍(lán)光和UV-A能夠提高作物抗氧化能力，誘導(dǎo)抗氧化酶相關(guān)基因的表達(dá)，提高SOD、POD、CAT、APX等抗氧化酶的活性，減少葉片中MDA以及ROS的積累[18,19]。而綠光、黃瓜則會(huì)抑制抗氧化酶的活性，加速植物的衰老，說(shuō)明植物體內(nèi)抗氧化酶的活性受光質(zhì)影響較大。

黃瓜（L.）是我國(guó)北方地區(qū)設(shè)施栽培中的常見(jiàn)蔬菜作物，栽培面積已超過(guò)70萬(wàn)hm2且呈穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，隨著黃瓜生產(chǎn)的不斷擴(kuò)大及人工成本的不斷升高，優(yōu)質(zhì)種苗的需求量也在不斷增加[20]。ROS是一類具有很強(qiáng)氧化能力的含氧物質(zhì)，植物體內(nèi)若產(chǎn)生并積累過(guò)多的ROS將會(huì)破壞植物組織結(jié)構(gòu)與功能[21]；而當(dāng)濃度較低時(shí)，ROS就可以作為植物體內(nèi)一類重要信號(hào)分子，參與調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和逆境脅迫響應(yīng)，提高植物的抗氧化性從而提高幼苗的健壯度[22]。本試驗(yàn)通過(guò)研究CO2加富和LED光配方對(duì)黃瓜幼苗ROS含量的調(diào)節(jié)，旨在探究CO2加富和LED光配方提高黃瓜幼苗抗氧化性的生理機(jī)制，以期找到適于黃瓜幼苗健壯生長(zhǎng)的環(huán)境，為培育優(yōu)質(zhì)黃瓜壯苗提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)于2021年8月到2021年11月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝試驗(yàn)站進(jìn)行，供試材料是‘津優(yōu)35號(hào)’黃瓜，購(gòu)自天津市科潤(rùn)黃瓜研究所。供試的LED光源購(gòu)買自青島索廣電器有限公司，根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)計(jì)成形狀為長(zhǎng)（120 cm）×寬（10 cm）的方形植物生長(zhǎng)燈，包含白光、紅光、藍(lán)光、UV-A四種光質(zhì)，根據(jù)試驗(yàn)要求按照不同比例搭配成LED組合光。

黃瓜種子經(jīng)過(guò)浸種催芽后，挑選出芽一致的種子點(diǎn)播于50孔塑料穴盤(pán)中，一穴一粒，基質(zhì)配制比例為草炭：蛭石:珍珠巖=3:1:1。待幼苗長(zhǎng)到一葉一心之后挑選出長(zhǎng)勢(shì)一致的黃瓜幼苗移栽到直徑為11 cm的營(yíng)養(yǎng)缽中，在日光溫室緩苗一至兩天后移至不同光配方下進(jìn)行處理。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)因素是CO2處理，分為大氣CO2濃度（≈400 μmol·mol-1）和加富CO2濃度（≈800 μmol·mol-1）兩個(gè)水平，裂區(qū)因素是不同光配方處理，分為白光（W）、紅藍(lán)光（RB=7:3）、紅藍(lán)光加UV-A（RBU=7:3+20 μmol·m-2·s-1）3個(gè)水平，光周期為12 h·d-1，光強(qiáng)為300 μmol·m-2·s-1，每個(gè)處理之間用遮光布隔開(kāi)。試驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的頂通風(fēng)式塑料拱棚（長(zhǎng)6 m，寬6 m，脊高2.6 m）內(nèi)進(jìn)行，棚內(nèi)設(shè)有環(huán)境控制系統(tǒng)。CO2由液態(tài)CO2鋼瓶供給，濃度由CO2自動(dòng)控制系統(tǒng)控制（Auto 2000，北京奧托）。當(dāng)CO2濃度低于目標(biāo)濃度時(shí)，電磁閥會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟進(jìn)行補(bǔ)充CO2，使?jié)舛冗_(dá)到800±50 μmol·mol-1。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）葉片丙二醛、ROS含量的測(cè)量丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TBA）顯色法測(cè)定，超氧陰離子自由基（O2.-）產(chǎn)生速率采用羥胺氧化法測(cè)定[23]；過(guò)氧化氫（H2O2）含量按照試劑盒說(shuō)明測(cè)定（科銘生物科技有限公司，中國(guó)蘇州）。

（2）葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的測(cè)量脯氨酸含量采用茚三酮-磺基水楊酸法測(cè)定[24]；游離氨基酸含量采用茚三酮顯色法測(cè)定[25]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定[25]；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)染色法測(cè)定[24]。

（3）葉片抗氧化酶活性的測(cè)量用NBT法測(cè)定超氧化物歧化酶（SOD）、用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定過(guò)氧化物酶活性（POD）、用紫外吸收法測(cè)定過(guò)氧化氫酶（CAT）活性[26]。

（4）葉片ASA、DHA、GSH、GSSG含量及ASA-GSH循環(huán)關(guān)鍵酶活性的測(cè)量還原型抗壞血酸（ASA）含量采用2,2-二聯(lián)吡啶的比色法測(cè)定[26]；還原型谷胱甘肽（GSH）含量采用5,5-二硫代雙（2-硝基苯甲酸）比色法測(cè)定[27]；脫氫抗壞血酸（DHA）、氧化型谷胱甘肽（GSSG）含量按照試劑盒說(shuō)明測(cè)定（科銘生物科技有限公司，中國(guó)蘇州）。抗壞血酸過(guò)氧化物酶（APX）活性參照吳強(qiáng)盛的方法[26]；谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GPX）、谷胱甘肽還原酶（GR）、脫氫抗壞血酸還原酶（DHAR）活性按照試劑盒說(shuō)明測(cè)定（科銘生物科技有限公司，中國(guó)蘇州）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2019和DPS 15.10軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯著性分析，并采用SigmaPlot 10.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2加富與LED光配方對(duì)黃瓜幼苗葉片丙二醛及ROS含量

植物在受到逆境脅迫時(shí)，體內(nèi)往往會(huì)產(chǎn)生大量的丙二醛和活性氧（ROS）。ROS是植物在生化反應(yīng)中生成的具有強(qiáng)氧化活性、能夠加速植物衰老的物質(zhì)。MDA是膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物之一，可以反應(yīng)細(xì)胞的受損程度[19]。MDA含量大幅增加會(huì)使細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用加劇，從而加重膜的損傷。從圖1中可以看出，在RB處理下，超氧陰離子產(chǎn)生速率、丙二醛和過(guò)氧化氫的含量都顯著低于W處理，而RBU處理提高了超氧陰離子產(chǎn)生速率、丙二醛以及過(guò)氧化氫的含量，說(shuō)明添加UV-A之后黃瓜幼苗受到了一定程度的脅迫。而CO2加富處理均降低了RB和RBU處理下的超氧陰離子的產(chǎn)生速率、丙二醛和過(guò)氧化氫的含量，說(shuō)明CO2加富處理可以減少各個(gè)光配方處理下的活性氧物質(zhì)的積累，提高黃瓜幼苗的抗氧化能力。

圖1 CO2加富與LED光配方對(duì)黃瓜幼苗丙二醛及活性氧含量的影響

2.2 CO2加富與LED光配方對(duì)黃瓜幼苗葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量

在植物中，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)往往可以幫助植物抵御逆境。由圖2可知，RB和RBU處理與W處理相比，顯著提高了脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖的含量，CO2加富處理進(jìn)一步提高了RB和RBU處理下的脯氨酸和可溶性糖的含量，分別提高了22.76%、20.17%、72.28%、19.7%。但是對(duì)可溶性蛋白含量的影響不大。在不同光配方處理下，游離氨基酸的含量在RBU處理下的含量最高，在RB處理下的含量最低，并且CO2加富處理進(jìn)一步降低了不同光配方處理下游離氨基酸的含量。

圖2 CO2加富與LED光對(duì)黃瓜幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

2.3 CO2加富與LED光配方對(duì)黃瓜幼苗葉片抗氧化酶活性

由圖3可以看出，在大氣CO2濃度下，與W處理相比，RB和RBU處理顯著提高了過(guò)氧化氫酶（CAT）、過(guò)氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性，說(shuō)明RB和RBU處理在大氣CO2濃度下可以通過(guò)提高抗氧化酶的活性來(lái)提高黃瓜幼苗的抗氧化能力。而CO2加富處理進(jìn)一步提高了各個(gè)光配方處理下的抗氧化酶的活性，其中過(guò)氧化氫酶（CAT）和過(guò)氧化物酶（POD）的活性在RBU處理下達(dá)到最大值，與W處理相比提高了7.19%、51.3%，SOD的活性在RB處理下活性到達(dá)最大值，與W處理相比提高了98.05%，差異達(dá)到顯著水平。

圖3 CO2加富與LED光對(duì)黃瓜幼苗抗氧化酶活性的影響

2.4 CO2加富與LED光配方對(duì)黃瓜幼苗葉片ASA、DHA、GSH、GSSG含量

由圖4可以看出，不管是在大氣CO2還是加富CO2濃度下，RB和RBU處理下的ASA、DHA、GSH、GSSG的含量均顯著高于W處理，而CO2加富處理進(jìn)一步提高了RB和RBU處理下的ASA、DHA、GSH、GSSG含量，其中在RBU處理下的含量均達(dá)到最大值，與W處理相比提高了30.56%、23.38%、28.13%、23.74%，這說(shuō)明在紅藍(lán)光的基礎(chǔ)上添加20 μmol·m-2·s-1UV-A可以顯著提高ASA、DHA、GSH、GSSG的含量。

圖4 CO2加富與LED光對(duì)黃瓜幼苗ASA-GSH循環(huán)抗氧化劑含量的影響

2.5 CO2加富與LED光配方對(duì)黃瓜幼苗葉片ASA/DHA、GSH/GSSG比值

ASA/DHA、GSH/GSSG的比值可以反應(yīng)植株的受損程度，比值越低說(shuō)明植株的防御系統(tǒng)越弱。從圖5中可以看出，RB和RBU處理下的ASA/DHA、GSH/GSSG的比值顯著高于W處理，并且CO2加富處理進(jìn)一步提高了RB和RBU處理下的ASA/DHA、GSH/GSSG的比值，在RBU處理下達(dá)到最大值，說(shuō)明CO2加富和RBU處理可以促進(jìn)ASA-GSH循環(huán)的代謝速率，從而提高黃瓜幼苗葉片的抗氧化能力。

圖5 CO2加富與LED光對(duì)黃瓜幼苗ASA/DHA、GSH/GSSG的影響

2.6 CO2加富與LED光配方對(duì)黃瓜幼苗葉片ASA-GSH循環(huán)關(guān)鍵酶活性

由圖6可以看出，在大氣CO2濃度下，RB和RBU處理均顯著提高了抗壞血酸過(guò)氧化物酶（APX）、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GPX）、脫氫抗壞血酸酶（DHAR）、谷胱甘肽還原酶（GR）的活性，其中GPX、DHAR、GR的活性均在RBU處理下達(dá)到最大值，與W處理相比提高了57.02%、59.82%、15.71%，APX在RB處理下達(dá)到最大值，與W處理相比提高了18.3%。而CO2加富處理進(jìn)一步提高了各個(gè)光配方處理下的APX、GPX、DHAR、GR的活性，并且均在RBU處理下達(dá)到最大值，說(shuō)明CO2加富配合RBU處理可以顯著提高ASA-GSH循環(huán)的關(guān)鍵酶活性，從而提高黃瓜的抗氧化能力。

圖6 CO2加富與LED光對(duì)黃瓜幼苗ASA-GSH循環(huán)關(guān)鍵酶活性的影響

3 討論

植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中受到非生物脅迫時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的ROS，而ROS積累過(guò)量會(huì)對(duì)細(xì)胞造成損傷，最終可能導(dǎo)致植物的壞死[18]。而遭受可承受或較為溫和的脅迫時(shí)，ROS可作為一種信號(hào)分子，參與調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和逆境脅迫響應(yīng)，激活氧化防御機(jī)制來(lái)適應(yīng)脅迫環(huán)境[22]。O2.-和H2O2是植物細(xì)胞代謝過(guò)程中的產(chǎn)物，具有很強(qiáng)的氧化性，會(huì)使細(xì)胞膜發(fā)生膜脂過(guò)氧化損傷，破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，造成膜損傷。而MDA是植物細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用的最終產(chǎn)物，對(duì)細(xì)胞膜具有毒害作用[28]。在本試驗(yàn)中，在大氣CO2處理下，RB處理下的MDA、O2.-以及H2O2的含量都顯著低于W處理，而RBU處理下MDA、O2.-、H2O2含量均顯著高于W處理（圖1），并且差異顯著，說(shuō)明添加UV-A后對(duì)黃瓜幼苗造成了一定程度上的脅迫，誘導(dǎo)黃瓜幼苗葉片產(chǎn)生了大量的ROS和丙二醛，而積累過(guò)多的ROS和丙二醛會(huì)造成嚴(yán)重的氧化應(yīng)激和膜脂過(guò)氧化損傷，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育造成不良影響[29]。當(dāng)植物體內(nèi)積累過(guò)多的ROS時(shí)，會(huì)激活植物體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)，從而提高抗氧化酶的活性來(lái)修復(fù)由逆境造成的活性氧代謝失衡，從而清除植物體內(nèi)的ROS。SOD、CAT、POD是植物抗氧化系統(tǒng)的關(guān)鍵酶，其活性的高低可以反應(yīng)植物受逆境影響的程度。SOD是抗氧化系統(tǒng)清除活性氧的第一道防線，可催化O2.-轉(zhuǎn)化為H2O2和O2，CAT和POD在清除ROS方面也發(fā)揮著重要的作用，可以將H2O2反應(yīng)生成水[30]。在正常生理活性下，三種酶相互協(xié)同合作，可以維持ROS保持在一個(gè)穩(wěn)態(tài)水平。在本試驗(yàn)中，大氣CO2處理下的RB處理顯著提高了CAT、POD、SOD等抗氧化酶的活性（圖3），這與劉福霞等人研究結(jié)果一致[31]。在RB處理的基礎(chǔ)上添加UV-A之后酶活性得到進(jìn)一步提高，說(shuō)明在添加UV-A黃瓜受到一定程度的脅迫之后，體內(nèi)積累的ROS誘導(dǎo)黃瓜幼苗對(duì)UV-A脅迫做出了適應(yīng)性反應(yīng)，提高抗氧化系統(tǒng)關(guān)鍵酶的活性，減少了ROS的積累，降低了ROS對(duì)細(xì)胞膜的損傷，從而提高植物的抗氧化能力。而不同光配方處理在CO2加富之后顯著降低了MDA、H2O2的含量以及O2.-的產(chǎn)生速率（圖1），這與既往研究結(jié)果一致[28,32,33]。這是因?yàn)镃O2加富可以提高葉綠體CO2/O2的比率，增加CO2的同化[15]，減少因O2作為電子受體而形成的活性氧，減輕O2.-的毒害作用，而且CO2濃度的提高還可以降低光呼吸形成的H2O2[34,35]。同時(shí)，CO2加富處理顯著提高了不同光質(zhì)處理下的CAT、POD、SOD等抗氧化關(guān)鍵酶的活性，從而降低了丙二醛和ROS含量。

多種逆境都會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生直接或間接的水分脅迫，而脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白、游離氨基酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可以在植物受到逆境時(shí)對(duì)脅迫作出適應(yīng)性反應(yīng)。維持細(xì)胞正常膨壓，保護(hù)酶活性，維持氣孔開(kāi)放，促進(jìn)植物的光合作用，從而提高植物的抗氧化能力[36,37]。其中，脯氨酸是一種抗氧化劑，可清除細(xì)胞內(nèi)部的ROS[38]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，RB和RBU處理均可以顯著提高大氣CO2濃度下脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖的含量，并且CO2加富處理可以進(jìn)一步提高不同光質(zhì)處理下三種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量（圖2），說(shuō)明在CO2加富和RB、CO2加富和RBU組合處理下，有利于滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，降低細(xì)胞水勢(shì)，提高細(xì)胞吸水和保水的能力從而提高抗氧化能力，減少逆境的損傷。游離氨基酸含量與上述三種物質(zhì)含量趨勢(shì)相反，在RB處理下顯著降低，而在RBU處理下含量顯著高于W處理（圖2）。這可能是因?yàn)镽B處理提高了抗氧化酶活性，降低了ROS含量，從而對(duì)游離氨基酸的需求量減少。而CO2加富處理進(jìn)一步降低了RB和RBU處理下游離氨基酸的含量（圖2），這與H?gy P等和Li SH等的研究結(jié)果一致[39,40]，可能是游離氨基酸降低的這部分是非結(jié)構(gòu)性碳水化合物增加的結(jié)果[41]。

ASA-GSH循環(huán)是植物體內(nèi)清除細(xì)胞活性氧的重要途徑之一，能夠提高植物的抗逆性[42]。該循環(huán)系統(tǒng)在植物清除活性氧，抵抗氧化脅迫，促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)等方面具有重要功能。抗壞血酸（ASA）和谷胱甘肽（GSH）是普遍存在于植物體內(nèi)的小分子水溶性非酶抗氧化物質(zhì)，可以清除植物體內(nèi)活性氧，抵抗氧化脅迫[43]。他們的存在狀態(tài)也會(huì)影響其功能，當(dāng)受到一定程度的氧化損傷時(shí)，植物可將氧化型抗壞血酸和氧化型谷胱甘肽都轉(zhuǎn)化成還原型狀態(tài)，以減輕損害[44]。魏國(guó)芹等研究認(rèn)為較高的ASA/DHA和GSH/GSSG能保證ASA-GSH循環(huán)代謝正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高植株清除ROS能力[45]。在本試驗(yàn)中，RB和RBU處理顯著提高了ASA、DHA、GSH、GSSG的含量以及ASA/DHA、GSH/GSSG的比值，并且在CO2加富處理下得到進(jìn)一步提高（圖4，5），說(shuō)明CO2加富和RB以及CO2加富和RBU的組合處理可以顯著提高植株體內(nèi)抗氧化劑的含量，以減輕逆境脅迫。APX、GPX、DHAR、GR是ASA-GSH循環(huán)的關(guān)鍵酶，對(duì)維持ASA-GSH循環(huán)的有效運(yùn)行具有重要的作用。ASA在APX的催化作用下與H2O2反應(yīng)，將其分解生成H2O，從而達(dá)到清除H2O2的目的(曹碧珍，2021)，而ASA則被氧化成MDHA，MDHA極不穩(wěn)定，進(jìn)一步再氧化脫氫生成穩(wěn)定的DHA。而DHA又以GSH為底物在DHAR酶的催化作用下重新生成ASA，而此反應(yīng)所產(chǎn)生的GSSG在NADPH參與下又被GR催化還原成GSH[46-48]，因此，GR活性直接影響細(xì)胞GSH庫(kù)的水平[49]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在RB和RBU處理下的APX、DHAR、GPX、GR活性均顯著高于W處理，而CO2加富處理進(jìn)一步提高了各個(gè)光配方處理下的酶活性，其中在RBU處理下APX、DHAR、GPX、GR活性最強(qiáng)（圖6）。說(shuō)明CO2加富和RBU的組合處理可以有效提高ASA-GSH關(guān)鍵酶活性，從而使ASA-GSH循環(huán)代謝正常有效地運(yùn)行，提高清除活性氧的能力。

綜合以上討論說(shuō)明，植物在受到輕微脅迫的時(shí)候，植物體內(nèi)產(chǎn)生的ROS可以起到信號(hào)調(diào)節(jié)的作用，刺激植物啟動(dòng)體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)，提高抗氧化酶的活性以及加速滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在黃瓜體內(nèi)的積累以維持細(xì)胞正常膨壓。加速活性氧的清除，從而使植物體內(nèi)ROS的產(chǎn)生和清除達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，減輕膜損傷，維持植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育。

4 結(jié)論

綜上所述，黃瓜幼苗在CO2加富和RBU處理下抗氧化性最高。CO2加富和RBU處理可以通過(guò)提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以及ASA、DHA等抗氧化劑的含量，SOD、POD、CAT、APX等抗氧化酶的活性，來(lái)降低RBU處理下的ROS和丙二醛，從而提高幼苗的抗氧化能力，有利于培育壯苗。

[1] 劉曉聰,董家華,歐英娟.大氣中CO2與O3濃度升高對(duì)植物光合作用影響研究[J]環(huán)境科學(xué)與管理,2016,41(3):152-155

[2] 肖石紅,張衛(wèi)強(qiáng),黃芳芳,等.CO2加富對(duì)施鹽處理下銀葉樹(shù)幼苗葉片光合特性的影響[J]中國(guó)水土保持科學(xué),2020,18(5):127-135

[3] 楊連新,王云霞,朱建國(guó),等.開(kāi)放式空氣中CO2濃度增高(FACE)對(duì)水稻生長(zhǎng)和發(fā)育的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2010,30(6):1573-1585

[4] 許小勇,武佩琪,張新嶺,等.外源增施CO2對(duì)茄子生長(zhǎng)及光合特性的影響[J]北方園藝,2021(14):65-73

[5] 張?jiān)?呂鎮(zhèn)城,徐良雄,等,LED紅藍(lán)光對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育和光合特性影響的研究進(jìn)展[J]惠州學(xué)院學(xué)報(bào),2019,39(6):33-40

[6] Amitrano C, Arena C, Pascale SD,Light and Low Relative Humidity Increase Antioxidants Content in Mung Bean (L.) Sprouts [J]. Plants, 2020,9(9):1093

[7] 王鵬,曾固,熊姜玲,等.植物工廠中光質(zhì)對(duì)高品質(zhì)蔬菜生產(chǎn)的影響研究進(jìn)展[J]安徽農(nóng)學(xué)通報(bào),2021,27(23):24-29,35

[8] Berkel VN. CO2enrichment in the netherlands [J]. Acta Horticulturae, 1984,21(162):197-206

[9] 王忠,蔡恒,高煜珠,等.CO2加富對(duì)黃瓜的增產(chǎn)效應(yīng)及其原因分析[J]江蘇農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào),1993,15(2):37-44

[10] 魏珉,邢禹賢,馬紅,等.果菜苗期CO2施肥壯苗效果研究[J]山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2000,31(2):196-200

[11] 盧濤,何興元,陳瑋.O3和CO2濃度升高對(duì)油松針葉抗氧化系統(tǒng)的影響[J]生態(tài)學(xué)雜志,2009,28(7):1316-1323

[12] 任錦,郭雙生,楊成佳,等.紫背天葵在不同二氧化碳濃度和LED光質(zhì)條件下的抗氧化應(yīng)激能力研究[J]航天醫(yī)學(xué)與 醫(yī)學(xué)工程,2014,27(2):122-128

[13] 尚春明,董曉菲,王玉靜,等.增施CO2對(duì)溫室番茄產(chǎn)量、品質(zhì)及病害的影響[J]北方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2017,45(5):33-36

[14] Muthusamy M, Jung EH, Suk HKElevated carbon dioxide significantly improves ascorbic acid content, antioxidative properties and restricted biomass production in cruciferous vegetable seedlings [J]. Plant Biotechnology Reports, 2019,13(3):293-304

[15] 王騫春.CO2濃度升高對(duì)落葉松葉片抗氧化系統(tǒng)的影響[J]防護(hù)林科技,2017,3(3):11-13

[16] 胡瑜輝,楊振宇,宋詩(shī)娟,等.不同光質(zhì)對(duì)黃芪抗氧化酶活性及產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J]山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2021,49(10):1173-1178

[17] 蒲高斌,劉世琦,張珍.光質(zhì)對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)及抗氧化酶活性的影響[J].中國(guó)蔬菜,2005(9):21-23

[18] 高美芳,劉厚誠(chéng).UV-A輻射對(duì)設(shè)施作物生長(zhǎng)及生理生化的影響[J].照明工程學(xué)報(bào),2020,31(5):9-16

[19] 王虹,姜玉萍,師愷,等.光質(zhì)對(duì)黃瓜葉片衰老與抗氧化酶系統(tǒng)的影響[J]中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,43(3):529-534

[20] 宋陽(yáng),杜憲,王鵬,等.CO2加富對(duì)黃瓜幼苗光合特性及生長(zhǎng)發(fā)育的影響[J]內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2020,41(2):13-19

[21] 徐松華.逆境條件下植物體內(nèi)活性氧代謝研究進(jìn)展[J]安徽農(nóng)學(xué)通報(bào),2021,27(21):29-32

[22] 劉聰,董臘嬡,林建中,等.逆境脅迫下植物體內(nèi)活性氧代謝及調(diào)控機(jī)理研究進(jìn)展[J]生命科學(xué)研究,2019,23(3):253-258

[23] 中國(guó)科學(xué)院上海植物生理研究所,上海市植物生理學(xué)會(huì).現(xiàn)代植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指南[M].北京:科學(xué)出版社,1999

[24] 趙世杰,蒼晶.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2015

[25] 王學(xué)奎,黃見(jiàn)良.植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理與技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2015

[26] 吳強(qiáng)盛.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2018

[27] Paoletti E, Gellini R. Stomatal density variation in beech and holm oak leaves collected over the last 200 years [J]. Acta Oecologica, 1993,14:173-178

[28] 趙天宏,孫加偉,付宇,等.CO2和O3濃度升高對(duì)春小麥活性氧代謝及抗氧化酶活性的影響[J]中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,42(1):64-71

[29] 山溪,秦文斌,張振超,等.低溫脅迫對(duì)不同品系甘藍(lán)幼葉ASA-GSH循環(huán)代謝的影響[J]南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2018,49(11):2230-2235

[30] 張?jiān)奇?宋霞,葉云天,等.光質(zhì)對(duì)低溫脅迫下草莓葉片生理生化特性的影響[J]浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2016,28(5):790-796

[31] 劉福霞,劉乃森.不同光質(zhì)對(duì)黃瓜幼苗生理生化特性的影響[J]湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,55(7):1722-1725

[32] 陳雄,吳冬秀,王根軒,等.CO2濃度升高對(duì)干旱脅迫下小麥光合作用和抗氧化酶活性的影響[J]應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2000, 11(6):881-884

[33] 任紅旭,陳雄,吳冬秀.CO2濃度升高對(duì)干旱脅迫下蠶豆光合作用和抗氧化能力的影響[J]作物學(xué)報(bào),2001, 27(6):729-736

[34] 彭長(zhǎng)連,林植芳,林桂珠.加富CO2條件下水稻葉片抗氧化能力的變化[J].作物學(xué)報(bào),1999,25(1):39-43

[35] 莊明浩,李迎春,郭子武,等.大氣CO2濃度升高對(duì)毛竹葉片膜脂過(guò)氧化和抗氧化系統(tǒng)的影響[J]生態(tài)學(xué)雜志,2012, 31(5):1064-1069

[36] 李德全,鄒琦.抗旱性不同的冬小麥品種滲透調(diào)節(jié)能力的研究[J]山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1991,22(4):377-383

[37] 朱維琴,吳良?xì)g,陶勤南.干旱逆境下不同品種水稻葉片有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)變化研究[J]土壤通報(bào),2003,34(1):25-28

[38] 李小玲,賀廣祥,華智銳.外源滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)黃芩幼苗抗旱能力的影響研究[J]江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2021,33(11):20-27

[39] H?gy P, Wieser H, Khler P,. Effects of elevated CO2on grain yield and quality of wheat: results from a 3‐year free‐air CO2enrichment experiment [J]. Plant Biology, 2009,11:60-69

[40] Li SH, Li YM, He XR,. Response of water balance and nitrogen assimilation in cucumber seedlings to CO2enrichment and salt stress [J]. Plant Physiology and Biochemistry, 2019,139:256-263

[41] Stitt M, Krapp A. The interaction between elevated carbon dioxide and nitrogen nutrition: the physiological and molecular background [J]. Plant, Cell & Environment, 1999,22(6):583-621

[42] Gupta M, Cuypers A, Vangronsveld J,Copper affects the enzymes of the ascorbate-glutathione cycle and its related metabolites in the roots of Phaseolus vulgaris [J]. Physiologia Plantarum, 2010,106(3):262-267

[43] Pukacka S, Ratajczak E. Antioxidative response of ascorbate-glutathione pathway enzymes and metabolites to desiccation of recalcitrant Acer saccharinum seeds [J]. Journal of Plant Physiology, 2006,163(12):1259-1266

[44] 劉寧,勾啟螢,韓瑩琰,等.不同氮素配比對(duì)生菜抗壞血酸—谷胱甘肽循環(huán)的影響[J]北京農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào),2020,35(2):59-64

[45] 魏國(guó)芹,陶吉寒,付全娟,等.硫化氫對(duì)低溫脅迫下甜櫻桃柱頭和子房線粒體功能的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2020,31(4):1121-1129

[46] Wu XX, He J, Ding HD,Modulation of zinc-induced oxidative damage in Solanum melongena by 6-benzylaminopurine involves ascorbate-glutathione cycle metabolism [J]. Environmental and Experimental Botany, 2015,116:1-11

[47] 韓敏,曹逼力,劉樹(shù)森,等.低溫脅迫下番茄幼苗根穗互作對(duì)其抗壞血酸—谷胱甘肽循環(huán)的影響[J].園藝學(xué)報(bào),2019,

46(1):65-73

[48] 苗衛(wèi)東,王萌,高換超,等.外源褪黑素對(duì)低溫脅迫下不同葡萄品種抗氧化酶活性和ASA-GSH循環(huán)的影響[J]江蘇 農(nóng)業(yè)科學(xué),2021,49(23):133-138

[49] 楊慶賀,鄭成淑.低溫弱光脅迫下外源ASA與CaCl_2對(duì)菊花葉片AsA-GSH循環(huán)的影響[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自 然科學(xué)版),2018,49(3):495-499

Effects of CO2Enrichment and LED Light on the Antioxidant Properties of Cucumber Seedlings

JIANG Wei-li1, KANG Hong-qi1, SUN Qi-ying1, ZHOU Xuan1, KONG Jing-wen2, SUN Po1, LI Qing-ming2*, LIU Bin-bin3*

1.271018,2.610299,3.271018,

A split-plot experimental design was adopted for this experiment using 'Jinyou 35' cucumber as the test material, with the main plot factor being the CO2concentration treatment, divided into two levels of atmospheric CO2concentration (≈400 μmol·mol-1) and enriched CO2concentration (≈800 μmol·mol-1). The split-plot factor was the light recipes treatment, which was divided into three light recipes: white light (W), red and blue light (RB=7:3), and red and blue light plus UV-A (RBU=7:3+20 μmol·m-2·s-1). The effect of CO2enrichment and LED light recipes on the antioxidant properties of cucumber seedlings was investigated. The experimental results showed that the CO2enrichment and RBU treatment significantly increased the activities of antioxidant enzymes such as SOD, POD, CAT, APX, GPX, GR and DHAR and the contents of osmoregulatory substances such as soluble sugars, free amino acids, soluble proteins and proline. It also increased ASA and GSH content and ASA/DHA and GSH/GSSG ratios, promoting the ASA-GSH cycle, thus reducing the content of MDA and ROS under RBU treatment and slowing down the oxidative damage caused by the addition of UV-A to cucumber seedlings. In summary, the CO2enrichment and RBU treatment can reduce the accumulation of reactive oxygen species by increasing the activity of antioxidant enzymes as well as the content of osmoregulatory substances, and improve the antioxidant properties of plants, thus contributing to the development of strong seedlings.

Cucumber; CO2enrichment; LED light recipes; antioxidant

S642.2

A

1000-2324(2022)05-0763-08

2022-01-17

2022-02-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31872154,31902092);中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程(34-IUA-03)

姜瑋莉(1997-),女,碩士研究生,研究方向:設(shè)施蔬菜生理生態(tài). E-mail:jiangwl97@163.com

通訊作者:Author for correspondence.E-mail:liqingming@caas.cn; lbroom@163.com