曾玉兰,鲁 娜,高垣美智子,王夏夏,朱月林*
(1南京农业大学园艺学院,南京 210095;2千叶大学环境健康田间科学中心,千叶县 277-0882)
叶用甜菜为藜科甜菜属二年生蔬菜,又名菜用甜菜、紫菠菜,是栽培甜菜的一个变种。其叶部发达,叶片肥厚,富含多种矿物质,还具有良好的药用保健价值[1],已成为植物工厂内栽培的新的叶菜类型。
光作为环境信号,对植物的代谢、器官发生、形态建成和向性运动等都有较大影响[2]。目前植物工厂内的光源主要是LED灯,具有波长特异性、使用寿命长、发热少等优点[3]。在植物工厂内蔬菜生产中可获得安全稳定的产品,但由于高密度栽培,植物易受到上部或邻近植株叶片的遮挡影响,导致外部或下部叶片接受光照不足,造成减产[4]。因此,在植物工厂栽培条件下,改进LED光照模式对提高蔬菜产量具有重要意义。
1.1 试验材料
供试材料为叶用甜菜(Beta vulgarisL.cv.Baby leaf),种子购自日本Nakahara种苗公司。光源为植物工厂专用的薄板式的LED灯(Flexible LED sheet,HLU-E0_N23,Dai Nippon Printing Co.,Ltd.,Japan),可调节光照强度,根部光源为同一种型号的LED灯。使用光谱仪(Lighting Passport Pro Standard,AsenseTek,Taiwan,China)实际测定获得的有效光谱见图1。
图1 模拟太阳辐射灯的有效光谱图Fig.1 The effective spectrum of the light source
1.2 试验方法
试验于2020年5月至9月在日本千叶大学植物工厂内进行。播种前准备5个播种盘(长×宽×高=22.5 cm×14.5 cm×4.5 cm),每个播种盘内放置40个海绵块,海绵块的大小为:长×宽×高=2.3 cm×2.3 cm×2.7 cm。挑选大小一致、子粒饱满、无损伤的叶用甜菜种子,在30℃的水温下浸泡4 h后,播种在吸足营养液的海绵块上,每个海绵块播1粒种子,每个播种盘播种40粒。将播种盘放置于植物工厂内的栽培架上,每隔2 d用喷壶喷洒营养液保持海绵湿润。使用日本大塚配方营养液[11],电导率(EC)为(2±0.2)dS·m-1[12],室温为22℃∕18℃(白天∕夜晚),相对湿度为50%—60%。黑暗催芽3 d后,提供光照,光合光量子通量密度(PPFD)为(250±10)μmol·m-2·s-1,光周期为16 h∕8 h(光照∕黑暗)。待主根长至4—5 cm,挑选长势一致的幼苗移植到4个放置在植物工厂内特制的透明栽培箱(长×宽×高=34.5 cm×20.5 cm×10.5 cm),栽培箱放置在不锈钢的支架上,其下方15 cm处安装可调节光强的LED灯,从下往上朝着根系的方向进行光照射(称为根部照光),在栽培箱及不锈钢支架的纵侧面用锡箔纸进行围挡、以防止光线的散射(图2)。控制植物工厂的环境条件如下:温度23℃∕19℃(光期∕暗期),相对湿度为(55±5)%,光周期为16 h∕8 h(光照∕黑暗),上部光照强度为(160±10)μmol·m-2·s-1,CO2浓度为400 mg∕L,EC为(2±0.2)dS·m-1,pH为(6.5±0.2),叶用甜菜栽培时使用的营养液配方及浓度与育苗相同,用气泵进行连续通气,每3 d更换一次营养液。先进行一次预备试验后,再进行正式的试验。
图2 叶用甜菜根部照光的模式图Fig.2 The schematic diagram of root illumination for leaf beet
试验采用单因素随机区组设计,设定根部照光处理分别为PPFD 0(CK)、30μmol·m-2·s-1、60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1,处理时间为植株移植后的整个生长期共32 d。使用光量子测定仪将光传感器朝下,测定透过栽培箱底面的根部光强。每个处理11株,2次重复,定植32 d后进行随机取样[13],分别选取5株进行生长及生理指标的测定与分析。
1.3 测定方法
1.3.1 生长指标的测定
使用电子天平测定地上部、地下部鲜重,将各处理试验样本依次放至棕色信封内,做好标记,然后将其放到80℃的烘箱中,5 d后分别测定干重。使用叶面积测定仪(LI-300,Li-Cor Inc.,USA)测定植株叶面积,用卷尺测量株高(从茎基部至生长点)、根长度,用游标卡尺测量肉质根长及直径。
1.3.2 光合参数的测定
收获前2 d对从外至内第3片完全展开叶进行光合参数的测定。利用便携式光合作用测定系统(Li-6400XT,Li-Cor Inc.,USA)测定植株的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)。在测定过程中叶室内的温度为20℃,相对湿度为50%,PPFD 160μmol·m-2·s-1,CO2浓度为400 mg∕L。
1.3.3 色素含量的测定
以乙苯为原料生产苯乙烯单体需要超高温蒸汽作为能量来源和促进脱氢催化剂的反应。蒸汽的消耗量是生产成本中的最大影响因素，因此优化流程设计一直是工程师煞费苦心的环节。自20世纪50年代起，业内常规的新厂设计蒸汽／烃比值（SHR）已从重量比2.5降低到1.0。在当前的SHR处理条件下，也就是所定义的超低SHR，所需的蒸汽量将大幅降低，从而显著提升能源效率。
叶绿素含量采用N,N-二甲基甲酰胺法测定[14]。
花青素含量使用花青素含量测定仪ACM-200 plus(OPTI-sciences,Winn Avenue,USA)测定[15]。
1.3.4 总酚、硝酸盐含量和抗氧化活性的测定
分别称取1 g叶用甜菜叶片及叶柄,采用福林酚法测定总酚含量[16]。
称取1 g叶用甜菜叶片,加入30 mL ddH2O将其粉碎后过滤,取滤液,使用RQ Flex plus反射仪(Merck,Darmstadt,Germany)进行硝酸盐含量测定[17]。
分别称取1 g叶用甜菜叶片及叶柄,采用DPPH法测定抗氧化活性[18]。
1.4 统计分析
试验数据用平均值±标准差(n=5)表示,采用SPSS统计软件进行Tukey’s多重比较及差异显著性分析,P＜0.05表示差异显著。使用Excel软件进行数据处理和作图。
2.1 根部不同光强照射对叶用甜菜生长指标的影响
根部不同光强照射对叶用甜菜生长差异显著。如表1所示,地上部鲜重在根部光处理下均有不同程度的增加,较对照分别增加了23.2%、46.5%、51.5%,其中在60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1时显著高于对照;处理间也存在显著差异,根部光处理90μmol·m-2·s-1显著高于根部照光30μmol·m-2·s-1。在不同根部光处理下地上部干重、植株叶面积和地上部鲜重具有相类似的趋势。株高和侧根数量在根部照光30μmol·m-2·s-1、60μmol·m-2·s-1和90μmol·m-2·s-1下显著高于对照,处理间无显著差异。根部干重、肉质根直径在根部照光90μmol·m-2·s-1时显著高于对照。在叶片数、根部鲜重、肉质根根长方面处理间差异均不显著。根部照光不利于根系伸长,处理间与对照比差异显著(表2)。叶用甜菜鲜重、干重、叶面积及肉质根直径随根部光强的增加而增加,在根部照光90μmol·m-2·s-1时达到最大值。
表1 根部不同光强照射对叶用甜菜地上部生长的影响Table 1 Effects of different root illumination intensity on the shoot growth of leaf beet
表2 根部不同光强照射对叶用甜菜根部生长的影响Table 2 Effects of different root illumination intensity on the root growth of leaf beet
2.2 根部不同光强照射对叶用甜菜叶片光合作用的影响
根部照光90μmol·m-2·s-1叶片净光合速率提高了19.5%,其他根部照光处理与对照无显著差异(图3A)。根部光处理下叶片气孔导度与对照相比差异不显著(图3B)。胞间CO2浓度在根部照光60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1显著低于对照,在30μmol·m-2·s-1处理下与对照相比差异不显著(图3C)。叶片蒸腾速率在根部照光60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1显著高于对照处理,30μmol·m-2·s-1与对照无显著差异(图3D)。
图3 根部不同光强照射对叶用甜菜叶片光合参数的影响Fig.3 Effects of different root illumination intensity on photosynthetic parameters of leaf beet
2.3 根部不同光强照射对叶用甜菜叶绿素和花青素含量的影响
如表3所示,根部光处理增加了叶用甜菜叶片中总叶绿素含量,分别比对照增加14.4%、23.9%、5.1%,并在根部照光60μmol·m-2·s-1显著高于对照。叶绿素a含量与总叶绿素变化趋势一致。各处理叶绿素b含量与对照无显著差异。根部光处理使叶绿素a与叶绿素b的比值增大,在根部照光90μmol·m-2·s-1时显著高于对照。根部照光60μmol·m-2·s-1显著增加了叶片花青素含量,其他根部光照处理与对照相比无显著差异,处理间根部照光60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1与根部光照30μmol·m-2·s-1存在显著差异。
表3 根部不同光照强度对叶用甜菜叶片叶绿素和花青素含量的影响Table 3 Effects of different root illumination intensity on the content of chlorophyll and anthocyanin in leaf beet
2.4 根部不同光强照射对叶用甜菜总酚、硝酸盐含量和抗氧化活性的影响
根部光处理下叶用甜菜叶片中总酚含量随根部光照强度的增加而增加,分别比对照增加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个处理间差异不显著。根部照光也增加了叶柄中的总酚含量,分别比对照提高26.0%、22.8%、37.9%,并在根部照光90μmol·m-2·s-1时显著高于对照,其他处理与对照比无显著差异(图4A)。叶片及叶柄中的抗氧化活性与总酚含量变化趋势一致(图4B)。根部光处理降低了叶片中硝酸盐含量,但与对照相比差异不显著(图4C)。
图4 根部不同光强照射对叶用甜菜总酚含量、抗氧化活性及硝酸盐含量的影响Fig.4 Effects of different root illumination intensity on the content of total phenols,antioxidant activity and nitrate in leaf beet
根中存在的光感受器有光敏色素、隐花色素、UVR8和一些光蛋白,光感受器的基因可以在根细胞中表达,并且可以通过直接根部照光来激活[6]。其中光敏色素是光谱中红光∕远红光(660 nm∕730 nm)的主要受体,光敏色素家族成员PhyA和PhyB含量提高可以增加作物产量[19]。Robson等[20]研究表明烟草中PhyA的过量表达对烟草田间生长发育情况作用显著,从根本上改变烟草的植株结构和收获指数从而提高其产量。Hernan等[21]通过基因工程技术将拟南芥PhyB基因转入到马铃薯中,增加了马铃薯块茎的重量。本试验研究结果显示,根部照光使叶用甜菜单株产量增加,其中地上部干鲜重,在根部照光60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1处理下显著高于对照,这反映在叶用甜菜叶面积大小方面,植株叶面积在根部照光60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1处理下同样显著高于对照(表1)。植株地上部叶面积越大,植株干鲜重就越大[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运输,导致叶片中光敏色素含量增加,从而提高了叶用甜菜的生物量。有研究表明,PhyA和PhyB可以改善地上部叶片的遮蔽作用[23-24],这对叶用甜菜中下部叶片在弱光情况下光合利用率增加具有积极意义。本试验中,根部照光虽然不利于叶用甜菜根系的伸长,但侧根数增加(表2),与Silva Navas等[25]采用D-Root系统对拟南芥根部照光结果相一致,根部照光通过增加侧根数来增大根系对营养液的吸收面积以满足地上部生长需求。
植物叶片光合参数和光合色素含量是光合作用的基础,通过对叶片光合气体交换参数和光合色素含量的分析,可以了解植物叶片对光能的吸收和利用效率[26-27]。如果胞间CO2浓度与光合速率呈正相关,即光合速率增加是由胞间CO2浓度升高引起,则光合速率增加是由气孔因素导致,如果两者呈现负相关说明光合速率增加是叶肉细胞光合活性增大的结果,即胞间CO2浓度降低是叶肉细胞光合活性增大引起光合速率增加的结果,则光合速率增加是由非气孔因素诱导[28-30]。本试验中,叶片净光合速率在根部照光60μmol·m-2·s-1、90μmol·m-2·s-1时得到提高(图3A),由于处理间与对照相比气孔导度均无显著差异(图3B),同时胞间CO2浓度在净光合速率增加时显著降低(图3C),说明根部照光处理引起光合速率升高的主要原因是由非气孔因素导致的。根部照光增加了叶片叶绿素含量(表3),可能是植株通过自身的调节机制,如叶片组织液浓缩,或反馈作用来提高叶绿素合成速率,以提高叶片单位面积的叶绿素含量,从而维持植株生长所需要的能量[31]。根部照光还增加了叶绿素a与b的比值(表3),进一步说明根部照光使叶片对光能的利用率得到提高[32],最终导致叶用甜菜的生物量增加。
花青素是一种具有天然生物活性的植物色素,在营养器官中的合成和积累对植物适应和抵抗恶劣的环境条件至关重要,它可以增强植物对多种生物胁迫和非生物胁迫的抵抗能力[33]。根部照光60μmol·m-2·s-1显著增加了叶用甜菜叶片花青素含量(图4-A),这与Silva Navas等[25]的结果相一致。酚类物质是蔬菜中的次生代谢产物,具有较好的抗氧化性,同时也是公认的普遍存在于植物中的一类重要防御物质[34]。大量研究表明,总酚含量与抗氧化活性之间存在一定的相关性。孙海龙等[35]采用DPPH自由基清除法、ABTs自由基清除法和FRAP法3种抗氧化能力评价方法测定李(Prunusspp.)果皮的抗氧化能力,结果表明,李果皮总酚含量与抗氧化能力均呈显著正相关。本试验中,总酚含量与总抗氧化活性变化趋势一致,叶片与叶柄中总酚含量和抗氧化能力随根部照光光强的增强而增加,且都在根部照光90μmol·m-2·s-1下达到最大值(图4A,图4B)。故增加根部光照强度可以增加叶片及叶柄中总酚含量,这是抗氧化系统中的抗氧化酶和非酶抗氧化物保护植物免受环境条件所造成氧化胁迫[36],酚类化合物总含量的提高是叶用甜菜适应环境变化的重要措施,也是抗氧化活性显著增加的原因之一。
综上所述,根部照光可以缓解植物工厂内叶用甜菜栽培的叶片遮挡作用,促进植株生长,还可以通过提高花青素、总酚含量来提升其总的抗氧化能力,从而提高产量及营养品质。这为在植物工厂条件下叶用甜菜栽培的光照模式优化提供了一定的参考价值。
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