曾玉蘭,魯 娜,高垣美智子,王夏夏,朱月林*

(1南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,南京 210095;2千葉大學(xué)環(huán)境健康田間科學(xué)中心,千葉縣 277-0882)

葉用甜菜為藜科甜菜屬二年生蔬菜,又名菜用甜菜、紫菠菜,是栽培甜菜的一個變種。其葉部發(fā)達(dá),葉片肥厚,富含多種礦物質(zhì),還具有良好的藥用保健價值[1],已成為植物工廠內(nèi)栽培的新的葉菜類型。

光作為環(huán)境信號,對植物的代謝、器官發(fā)生、形態(tài)建成和向性運動等都有較大影響[2]。目前植物工廠內(nèi)的光源主要是LED燈,具有波長特異性、使用壽命長、發(fā)熱少等優(yōu)點[3]。在植物工廠內(nèi)蔬菜生產(chǎn)中可獲得安全穩(wěn)定的產(chǎn)品,但由于高密度栽培,植物易受到上部或鄰近植株葉片的遮擋影響,導(dǎo)致外部或下部葉片接受光照不足,造成減產(chǎn)[4]。因此,在植物工廠栽培條件下,改進(jìn)LED光照模式對提高蔬菜產(chǎn)量具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為葉用甜菜(Beta vulgarisL.cv.Baby leaf),種子購自日本Nakahara種苗公司。光源為植物工廠專用的薄板式的LED燈(Flexible LED sheet,HLU-E0_N23,Dai Nippon Printing Co.,Ltd.,Japan),可調(diào)節(jié)光照強度,根部光源為同一種型號的LED燈。使用光譜儀(Lighting Passport Pro Standard,AsenseTek,Taiwan,China)實際測定獲得的有效光譜見圖1。

圖1 模擬太陽輻射燈的有效光譜圖Fig.1 The effective spectrum of the light source

1.2 試驗方法

試驗于2020年5月至9月在日本千葉大學(xué)植物工廠內(nèi)進(jìn)行。播種前準(zhǔn)備5個播種盤(長×寬×高=22.5 cm×14.5 cm×4.5 cm),每個播種盤內(nèi)放置40個海綿塊,海綿塊的大小為:長×寬×高=2.3 cm×2.3 cm×2.7 cm。挑選大小一致、子粒飽滿、無損傷的葉用甜菜種子,在30℃的水溫下浸泡4 h后,播種在吸足營養(yǎng)液的海綿塊上,每個海綿塊播1粒種子,每個播種盤播種40粒。將播種盤放置于植物工廠內(nèi)的栽培架上,每隔2 d用噴壺噴灑營養(yǎng)液保持海綿濕潤。使用日本大塚配方營養(yǎng)液[11],電導(dǎo)率(EC)為(2±0.2)dS·m-1[12],室溫為22℃∕18℃(白天∕夜晚),相對濕度為50%—60%。黑暗催芽3 d后,提供光照,光合光量子通量密度(PPFD)為(250±10)μmol·m-2·s-1,光周期為16 h∕8 h(光照∕黑暗)。待主根長至4—5 cm,挑選長勢一致的幼苗移植到4個放置在植物工廠內(nèi)特制的透明栽培箱(長×寬×高=34.5 cm×20.5 cm×10.5 cm),栽培箱放置在不銹鋼的支架上,其下方15 cm處安裝可調(diào)節(jié)光強的LED燈,從下往上朝著根系的方向進(jìn)行光照射(稱為根部照光),在栽培箱及不銹鋼支架的縱側(cè)面用錫箔紙進(jìn)行圍擋、以防止光線的散射(圖2)?？刂浦参锕S的環(huán)境條件如下:溫度23℃∕19℃(光期∕暗期),相對濕度為(55±5)%,光周期為16 h∕8 h(光照∕黑暗),上部光照強度為(160±10)μmol·m-2·s-1,CO2濃度為400 mg∕L,EC為(2±0.2)dS·m-1,pH為(6.5±0.2),葉用甜菜栽培時使用的營養(yǎng)液配方及濃度與育苗相同,用氣泵進(jìn)行連續(xù)通氣,每3 d更換一次營養(yǎng)液。先進(jìn)行一次預(yù)備試驗后,再進(jìn)行正式的試驗。

圖2 葉用甜菜根部照光的模式圖Fig.2 The schematic diagram of root illumination for leaf beet

試驗采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計,設(shè)定根部照光處理分別為PPFD 0(CK)、30μmol·m-2·s-1、60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1,處理時間為植株移植后的整個生長期共32 d。使用光量子測定儀將光傳感器朝下,測定透過栽培箱底面的根部光強。每個處理11株,2次重復(fù),定植32 d后進(jìn)行隨機取樣[13],分別選取5株進(jìn)行生長及生理指標(biāo)的測定與分析。

1.3 測定方法

1.3.1 生長指標(biāo)的測定

使用電子天平測定地上部、地下部鮮重,將各處理試驗樣本依次放至棕色信封內(nèi),做好標(biāo)記,然后將其放到80℃的烘箱中,5 d后分別測定干重。使用葉面積測定儀(LI-300,Li-Cor Inc.,USA)測定植株葉面積,用卷尺測量株高(從莖基部至生長點)、根長度,用游標(biāo)卡尺測量肉質(zhì)根長及直徑。

1.3.2 光合參數(shù)的測定

收獲前2 d對從外至內(nèi)第3片完全展開葉進(jìn)行光合參數(shù)的測定。利用便攜式光合作用測定系統(tǒng)(Li-6400XT,Li-Cor Inc.,USA)測定植株的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。在測定過程中葉室內(nèi)的溫度為20℃,相對濕度為50%,PPFD 160μmol·m-2·s-1,CO2濃度為400 mg∕L。

1.3.3 色素含量的測定

以乙苯為原料生產(chǎn)苯乙烯單體需要超高溫蒸汽作為能量來源和促進(jìn)脫氫催化劑的反應(yīng)。蒸汽的消耗量是生產(chǎn)成本中的最大影響因素，因此優(yōu)化流程設(shè)計一直是工程師煞費苦心的環(huán)節(jié)。自20世紀(jì)50年代起，業(yè)內(nèi)常規(guī)的新廠設(shè)計蒸汽／烴比值（SHR）已從重量比2.5降低到1.0。在當(dāng)前的SHR處理條件下，也就是所定義的超低SHR，所需的蒸汽量將大幅降低，從而顯著提升能源效率。

葉綠素含量采用N,N-二甲基甲酰胺法測定[14]。

花青素含量使用花青素含量測定儀ACM-200 plus(OPTI-sciences,Winn Avenue,USA)測定[15]。

1.3.4 總酚、硝酸鹽含量和抗氧化活性的測定

分別稱取1 g葉用甜菜葉片及葉柄,采用福林酚法測定總酚含量[16]。

稱取1 g葉用甜菜葉片,加入30 mL ddH2O將其粉碎后過濾,取濾液,使用RQ Flex plus反射儀(Merck,Darmstadt,Germany)進(jìn)行硝酸鹽含量測定[17]。

分別稱取1 g葉用甜菜葉片及葉柄,采用DPPH法測定抗氧化活性[18]。

1.4 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=5)表示,采用SPSS統(tǒng)計軟件進(jìn)行Tukey’s多重比較及差異顯著性分析,P＜0.05表示差異顯著。使用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 根部不同光強照射對葉用甜菜生長指標(biāo)的影響

根部不同光強照射對葉用甜菜生長差異顯著。如表1所示,地上部鮮重在根部光處理下均有不同程度的增加,較對照分別增加了23.2%、46.5%、51.5%,其中在60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1時顯著高于對照;處理間也存在顯著差異,根部光處理90μmol·m-2·s-1顯著高于根部照光30μmol·m-2·s-1。在不同根部光處理下地上部干重、植株葉面積和地上部鮮重具有相類似的趨勢。株高和側(cè)根數(shù)量在根部照光30μmol·m-2·s-1、60μmol·m-2·s-1和90μmol·m-2·s-1下顯著高于對照,處理間無顯著差異。根部干重、肉質(zhì)根直徑在根部照光90μmol·m-2·s-1時顯著高于對照。在葉片數(shù)、根部鮮重、肉質(zhì)根根長方面處理間差異均不顯著。根部照光不利于根系伸長,處理間與對照比差異顯著(表2)。葉用甜菜鮮重、干重、葉面積及肉質(zhì)根直徑隨根部光強的增加而增加,在根部照光90μmol·m-2·s-1時達(dá)到最大值。

表1 根部不同光強照射對葉用甜菜地上部生長的影響Table 1 Effects of different root illumination intensity on the shoot growth of leaf beet

表2 根部不同光強照射對葉用甜菜根部生長的影響Table 2 Effects of different root illumination intensity on the root growth of leaf beet

2.2 根部不同光強照射對葉用甜菜葉片光合作用的影響

根部照光90μmol·m-2·s-1葉片凈光合速率提高了19.5%,其他根部照光處理與對照無顯著差異(圖3A)。根部光處理下葉片氣孔導(dǎo)度與對照相比差異不顯著(圖3B)。胞間CO2濃度在根部照光60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1顯著低于對照,在30μmol·m-2·s-1處理下與對照相比差異不顯著(圖3C)。葉片蒸騰速率在根部照光60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1顯著高于對照處理,30μmol·m-2·s-1與對照無顯著差異(圖3D)。

圖3 根部不同光強照射對葉用甜菜葉片光合參數(shù)的影響Fig.3 Effects of different root illumination intensity on photosynthetic parameters of leaf beet

2.3 根部不同光強照射對葉用甜菜葉綠素和花青素含量的影響

如表3所示,根部光處理增加了葉用甜菜葉片中總?cè)~綠素含量,分別比對照增加14.4%、23.9%、5.1%,并在根部照光60μmol·m-2·s-1顯著高于對照。葉綠素a含量與總?cè)~綠素變化趨勢一致。各處理葉綠素b含量與對照無顯著差異。根部光處理使葉綠素a與葉綠素b的比值增大,在根部照光90μmol·m-2·s-1時顯著高于對照。根部照光60μmol·m-2·s-1顯著增加了葉片花青素含量,其他根部光照處理與對照相比無顯著差異,處理間根部照光60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1與根部光照30μmol·m-2·s-1存在顯著差異。

表3 根部不同光照強度對葉用甜菜葉片葉綠素和花青素含量的影響Table 3 Effects of different root illumination intensity on the content of chlorophyll and anthocyanin in leaf beet

2.4 根部不同光強照射對葉用甜菜總酚、硝酸鹽含量和抗氧化活性的影響

根部光處理下葉用甜菜葉片中總酚含量隨根部光照強度的增加而增加,分別比對照增加37.0%、42.6%、50.0%,在根部照光30μmol·m-2·s-1、60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-13個處理間差異不顯著。根部照光也增加了葉柄中的總酚含量,分別比對照提高26.0%、22.8%、37.9%,并在根部照光90μmol·m-2·s-1時顯著高于對照,其他處理與對照比無顯著差異(圖4A)。葉片及葉柄中的抗氧化活性與總酚含量變化趨勢一致(圖4B)。根部光處理降低了葉片中硝酸鹽含量,但與對照相比差異不顯著(圖4C)。

圖4 根部不同光強照射對葉用甜菜總酚含量、抗氧化活性及硝酸鹽含量的影響Fig.4 Effects of different root illumination intensity on the content of total phenols,antioxidant activity and nitrate in leaf beet

3 結(jié)論與討論

根中存在的光感受器有光敏色素、隱花色素、UVR8和一些光蛋白,光感受器的基因可以在根細(xì)胞中表達(dá),并且可以通過直接根部照光來激活[6]。其中光敏色素是光譜中紅光∕遠(yuǎn)紅光(660 nm∕730 nm)的主要受體,光敏色素家族成員PhyA和PhyB含量提高可以增加作物產(chǎn)量[19]。Robson等[20]研究表明煙草中PhyA的過量表達(dá)對煙草田間生長發(fā)育情況作用顯著,從根本上改變煙草的植株結(jié)構(gòu)和收獲指數(shù)從而提高其產(chǎn)量。Hernan等[21]通過基因工程技術(shù)將擬南芥PhyB基因轉(zhuǎn)入到馬鈴薯中,增加了馬鈴薯塊莖的重量。本試驗研究結(jié)果顯示,根部照光使葉用甜菜單株產(chǎn)量增加,其中地上部干鮮重,在根部照光60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1處理下顯著高于對照,這反映在葉用甜菜葉面積大小方面,植株葉面積在根部照光60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1處理下同樣顯著高于對照(表1)。植株地上部葉面積越大,植株干鮮重就越大[22]。另一方面,根部照光可能使根中存在的光敏色素向地上部運輸,導(dǎo)致葉片中光敏色素含量增加,從而提高了葉用甜菜的生物量。有研究表明,PhyA和PhyB可以改善地上部葉片的遮蔽作用[23-24],這對葉用甜菜中下部葉片在弱光情況下光合利用率增加具有積極意義。本試驗中,根部照光雖然不利于葉用甜菜根系的伸長,但側(cè)根數(shù)增加(表2),與Silva Navas等[25]采用D-Root系統(tǒng)對擬南芥根部照光結(jié)果相一致,根部照光通過增加側(cè)根數(shù)來增大根系對營養(yǎng)液的吸收面積以滿足地上部生長需求。

植物葉片光合參數(shù)和光合色素含量是光合作用的基礎(chǔ),通過對葉片光合氣體交換參數(shù)和光合色素含量的分析,可以了解植物葉片對光能的吸收和利用效率[26-27]。如果胞間CO2濃度與光合速率呈正相關(guān),即光合速率增加是由胞間CO2濃度升高引起,則光合速率增加是由氣孔因素導(dǎo)致,如果兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)說明光合速率增加是葉肉細(xì)胞光合活性增大的結(jié)果,即胞間CO2濃度降低是葉肉細(xì)胞光合活性增大引起光合速率增加的結(jié)果,則光合速率增加是由非氣孔因素誘導(dǎo)[28-30]。本試驗中,葉片凈光合速率在根部照光60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1時得到提高(圖3A),由于處理間與對照相比氣孔導(dǎo)度均無顯著差異(圖3B),同時胞間CO2濃度在凈光合速率增加時顯著降低(圖3C),說明根部照光處理引起光合速率升高的主要原因是由非氣孔因素導(dǎo)致的。根部照光增加了葉片葉綠素含量(表3),可能是植株通過自身的調(diào)節(jié)機制,如葉片組織液濃縮,或反饋作用來提高葉綠素合成速率,以提高葉片單位面積的葉綠素含量,從而維持植株生長所需要的能量[31]。根部照光還增加了葉綠素a與b的比值(表3),進(jìn)一步說明根部照光使葉片對光能的利用率得到提高[32],最終導(dǎo)致葉用甜菜的生物量增加。

花青素是一種具有天然生物活性的植物色素,在營養(yǎng)器官中的合成和積累對植物適應(yīng)和抵抗惡劣的環(huán)境條件至關(guān)重要,它可以增強植物對多種生物脅迫和非生物脅迫的抵抗能力[33]。根部照光60μmol·m-2·s-1顯著增加了葉用甜菜葉片花青素含量(圖4-A),這與Silva Navas等[25]的結(jié)果相一致。酚類物質(zhì)是蔬菜中的次生代謝產(chǎn)物,具有較好的抗氧化性,同時也是公認(rèn)的普遍存在于植物中的一類重要防御物質(zhì)[34]。大量研究表明,總酚含量與抗氧化活性之間存在一定的相關(guān)性。孫海龍等[35]采用DPPH自由基清除法、ABTs自由基清除法和FRAP法3種抗氧化能力評價方法測定李(Prunusspp.)果皮的抗氧化能力,結(jié)果表明,李果皮總酚含量與抗氧化能力均呈顯著正相關(guān)。本試驗中,總酚含量與總抗氧化活性變化趨勢一致,葉片與葉柄中總酚含量和抗氧化能力隨根部照光光強的增強而增加,且都在根部照光90μmol·m-2·s-1下達(dá)到最大值(圖4A,圖4B)。故增加根部光照強度可以增加葉片及葉柄中總酚含量,這是抗氧化系統(tǒng)中的抗氧化酶和非酶抗氧化物保護(hù)植物免受環(huán)境條件所造成氧化脅迫[36],酚類化合物總含量的提高是葉用甜菜適應(yīng)環(huán)境變化的重要措施,也是抗氧化活性顯著增加的原因之一。

綜上所述,根部照光可以緩解植物工廠內(nèi)葉用甜菜栽培的葉片遮擋作用,促進(jìn)植株生長,還可以通過提高花青素、總酚含量來提升其總的抗氧化能力,從而提高產(chǎn)量及營養(yǎng)品質(zhì)。這為在植物工廠條件下葉用甜菜栽培的光照模式優(yōu)化提供了一定的參考價值。