2015, Vol. 38
文章信息
- 徐文栋, 刘晓英, 焦学磊, 徐志刚. 2015.
- XU Wendong, LIU Xiaoying, JIAO Xuelei, XU Zhigang. 2015.
- 蓝光量对莴苣生长和品质的影响
- Effect of blue light quantity on growth and quality of lettuce
- 南京农业大学学报, 38(6): 890-895
- Journal of Nanjing Agricultural University, 38(6): 890-895.
- http://dx.doi.org/10.7685/j.issn.1000-2030.2015.06.003
-
文章历史
- 收稿日期: 2015-04-08
植物工厂是不受或很少受自然条件制约的一种可实现作物周年连续生产的高效农业系统和省力型生产方式[1]。随着工厂化育苗和工厂化栽培技术的发展,应用于植物生长的人工光源,逐渐从传统的荧光灯、高压钠灯、镝灯等向半导体植物照明方向发展[2]。
不同配比的LED(light-emitting diodes)光源影响植物的生长发育、光合作用及形态建成[3]。研究发现红蓝复合光,不仅能促进辣椒[4]、黄瓜[5]和生菜[6]植株生物量的积累,而且还能增加辣椒[4]、萝卜和芽苗菜[7]及葡萄新梢[8]的干物质积累;同时也增大烟草[9]、草莓[10]和生菜[6]的叶片面积。但由于研究条件不同,利于植物生长的红蓝LED复合光源的红光量和蓝光量研究结果各异,造成植物工厂生产的光调控无标准可循。
莴苣(Lactuca sativa L.)是重要的世界性绿叶蔬菜,富含蛋白质、糖类、维生素和矿物质等营养成分,具有预防贫血、防癌、抗衰老、降低血压和防止心律紊乱等保健功能[11]。莴苣具有生育期短,易于种植等特点,成为近年来工厂化生产的模式作物及工厂化栽培常用蔬菜之一。Yanagi等[12]研究发现红光处理的生菜茎长和叶片数都明显大于蓝光处理;陈文昊等[6]研究发现不同品种生菜的生长对同一光质的响应无显著差异,都在红光和红蓝组合光下生长较好,品质较优,但仍不清楚莴苣对红光和蓝光量的需求。
本研究调制不同蓝光量的红蓝LED复合光源,对莴苣进行全生育期光照,旨在探明蓝光量对莴苣生长和品质的影响,以期为植物工厂栽培莴苣的光谱选择提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验设计
试验在南京农业大学LED植物光源研究中心开展。以‘绿领’散叶莴苣为试验材料,种子催芽5 d后,播于直径为8 cm的营养钵,采用蔬菜栽培专用基质育苗。待长至2叶1心时,以荧光灯为对照(CK),分别置于光照强度为(200±5)μmol · m-2 · s-1的5种不同配比的红蓝复合光下(光照强度通过控制LED灯数量和调整LED灯与莴苣冠层间的距离保持稳定),蓝光量分别为:0蓝光(0 B)、25%蓝光+75%红光(25 B)、50%蓝光+50%红光(50 B)、75%蓝光+25%红光(75 B)、100%蓝光(100 B)。蓝光主峰波长为445 nm,半波宽为20 nm,红光的主峰波长为660 nm,半波宽为20 nm。日温为(26±1)℃,夜温为(18±1)℃,光照/黑暗时间为16 h/8 h,相对湿度为60%~80%,按需水肥管理,每处理栽植30株,3次重复。
1.2 测定指标与方法
植株培养40 d后取样,各处理随机取样3株。用直尺测量植株株高与根长;用电子天平称量鲜样质量;将植株于烘箱中105 ℃杀青15 min后,85 ℃烘干至恒质量后,称量植株干样质量,并测定计算含水量:含水量=(植株叶片鲜质量-植株叶片干质量)/植株叶片鲜质量×100%。采用Xiao等[13]的方法测定叶面积,并计算比叶面积:比叶面积=叶面积/植株叶片鲜样质量。用分光光度计法[14]测定维生素C的含量。叶绿素用80%丙酮提取,采用分光光度计测定;用TTC法[14]测定根系活力;参照李合生[14]的方法测定可溶性糖、蔗糖和淀粉含量;可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法[15]测定;各指标均重复测定3次。
莴苣的消费品质用外观、颜色、甜度和脆度4个指标来进行评价。随机选取50名不同年龄层次没有经过训练的志愿者,按其喜好对各处理打分(志愿者在品尝不同处理的样品时用水漱口从而使味觉保持一致),取值为平均值。
1.3 数据分析
所有数据采用Microsoft Excel 2003进行整理,采用SPSS 16.0的Duncan′s多重比较法进行方差分析。
2 结果与分析
2.1 蓝光量对莴苣形态指标、根系活力、生物量积累及含水量的影响
如表 1所示:25 B和50 B处理下,莴苣叶面积和根系活力显著大于其他处理,0 B处理的叶面积和根系活力都最小,因叶片较大、鲜样质量较小,0 B处理的比叶面积显著大于其他处理。0 B、50 B及100 B处理的株高显著大于其他处理,0 B处理的根长显著小于其他处理,而25 B处理的根长最长。随着蓝光比例的变化,干样质量和鲜样质量变化趋势相同,都表现为先增高后下降的趋势,25 B和50 B处理的鲜样质
| 指标 Index |
|
| 叶面积/cm2 Leaf area | 59.23±2.11c | 82.68±5.73a | 77.92±5.67ab | 61.14±1.91b | 75.24±4.63b | 62.21±3.18c |
| 根长/cm Root length | 14.92±3.78c | 22.14±1.45a | 20.32±1.44ab | 18.94±0.31b | 19.72±0.81b | 18.19±2.11b |
| 株高/cm Plant height | 18.94±1.41a | 16.42±2.23b | 18.03±3.18a | 12.89±2.45b | 18.33±1.41a | 12.41±3.22b |
| 比叶面积/(cm2·g-1) Specific leaf area | 38.56±2.67a | 23.13±1.45b | 25.33±0.46b | 28.22±1.81b | 23.14±2.27b | 35.82±3.85b |
| 干样质量/g Dry weight | 10.23±0.51c | 20.34±1.46a | 16.62±1.17b | 7.13±0.58d | 8.32±0.77d | 3.61±0.22e |
| 鲜样质量/g Fresh weight | 128.71±4.60b | 200.32±6.82a | 207.21±6.19a | 95.52±7.67c | 109.33±6.56bc | 59.61±9.11c |
| 含水量/% Water content | 95.03±0.52a | 93.64±1.24ab | 92.41±1.92b | 90.53±2.19b | 93.51±2.86ab | 92.53±1.75b |
| 根系活力/(mg·g-1·h-1) Root activity | 125.6±11.7d | 321.1±15.9a | 329.1±14.7a | 211.8±10.6bc | 267.7±19.1ab | 137.8±13.5d |
| 注: 1)0 B:100%红光;25 B:25%蓝光+75%红光;50 B:50%蓝光+50%红光;75 B:75%蓝光+25%红光;100 B:100%蓝光。2)不同小写字母表示各处理间在0.05水平差异显著。 Note: 1)0 B:100% red lights;25 B:25% blue lights+75% red lights;50 B:50% blue lights+50% red lights;75 B:75% blue lights+25% red lights;100 B:100% blue lights. 2)Different lowercase letters indicate statistically significant differences at 0.05 level. The same as follows. |
量显著大于其他处理,而25 B处理的干质量也显著大于其他处理。蓝光量在0%~75%的范围内,各处理叶片含水量随着蓝光量的增大而呈逐渐降低的趋势,在蓝光量为100%时又出现峰值,但较0 B处理的含水量小。表明25%和50%的蓝光量可增大叶面积,使叶片增厚,有利于捕获光能,同时可使根系发育良好,活性较强,有利于养分和水分吸收,促进植株生长。
2.2 蓝光量对生菜叶片光合色素含量的影响
25 B和50 B及CK处理的叶绿素含量显著大于其他处理,这3个处理间无显著性差异,75 B处理的叶绿素a含量最低,0 B和75 B处理的叶绿素(a+b)和叶绿素b含量显著低于其他处理;0 B处理的叶绿素a/b显著大于其他处理,其他处理间无显著性差异;0 B、25 B和50 B处理的类胡萝卜素含量无显著性差别,75 B处理的类胡萝卜素含量最少(表 2)。表明蓝光量在25 B和50 B蓝光量处理下,莴苣叶绿素、类胡萝卜素含量较高,有利于光合作用,可合成更多的光合产物。
| mg · g-1 |
| 处理 Treatment | 叶绿素a含量 Chlorophyll a content | 叶绿素b含量 Chlorophyll b content | 叶绿素(a+b)含量 Chlorophyll(a+b)content | 叶绿素a/b Chlorophyll a/b | 类胡萝卜素含量 Carotenoid content |
| 0 B | 0.45±0.03b | 0.08±0.03c | 0.52±0.01bc | 5.63±0.34a | 0.47±0.01a |
| 25 B | 0.92±0.03a | 0.32±0.04ab | 1.25±0.07a | 2.96±0.27b | 0.36±0.02ab |
| 50 B | 0.95±0.15a | 0.38±0.08a | 1.33±0.22a | 2.56±0.22b | 0.41±0.07a |
| 75 B | 0.14±0.03c | 0.09±0.03c | 0.22±0.02c | 2.31±1.04b | 0.09±0.01c |
| 100 B | 0.76±0.10b | 0.19±0.04bc | 0.95±0.13ab | 4.26±0.54ab | 0.31±0.03b |
| CK | 0.86±0.12a | 0.28±0.07ab | 1.15±0.19a | 3.27±0.35b | 0.32±0.05b |
2.3 蓝光量对莴苣营养品质和硝酸盐含量的影响
0 B处理的可溶性蛋白含量最低,显著低于其他处理,其他处理的可溶性蛋白含量无显著性差异(图 1-A)。100 B处理的游离氨基酸含量最高,与CK处理无显著差异,但显著高于其他处理,而0 B处理的游离氨基酸含量最低(图 1-B)。
 | 图 1 不同蓝光量处理对莴苣营养品质的影响Fig. 1 Effect of amount of blue light on the nutritional quality of lettuce |
0 B和25 B处理的可溶性糖含量显著高于其他处理,75 B、50 B与CK处理的可溶性糖含量无显著差异,且可溶性糖含量显著高于100 B处理(图 1-C)。蔗糖含量随着蓝光比例的增大,其含量越来越低;0 B和25 B处理的蔗糖含量显著高于其他处理,100 B处理的蔗糖含量最低,但与75B及CK处理的蔗糖含量无显著差异(图 1-D)。
25 B和100 B处理的维生素C含量显著高于其他处理,25 B处理的维生素C含量最高,75 B处理的维生素C含量最低,与CK处理无显著差异,但显著低于其他LED处理(图 1-E)。
0 B和CK处理的硝酸盐含量显著高于其他处理,其他处理间无显著性差异(图 1-F)。
2.4 蓝光量对莴苣消费品质的影响
25 B和75 B处理的外观品质和颜色受到受试者的欢迎,受试者对100 B和CK处理的外观和颜色评价最低,且认为50 B和75 B处理比其他处理更脆,而0 B和CK处理则过韧;受试者认为0 B和50 B处理更甜,而100 B处理的甜度最低,其他处理的甜度无显著差别。
| 处理Treatment | 外观Appearance | 颜色Color | 脆度Crispness | 甜度Sweetness | |
| 0 B | 3.44b | 3.91b | 3.21c | 4.72a | |
| 25 B | 4.12a | 4.61a | 3.95b | 3.91b | |
| 50 B | 4.35a | 4.35a | 4.13ab | 4.20a | |
| 75 B | 3.61b | 3.92b | 4.62a | 3.61b | |
| 100 B | 2.82c | 2.78c | 3.73b | 1.78c | |
| CK | 1.81c | 1.94c | 1.92c | 3.40b | |
| 注:从0~6设为6个等级,6为非常喜欢,5~1表示喜欢程度逐渐降低,0为非常不喜欢。 Note:There are six levels from 0 to 6,6 to be like extremely,5-1 indicate the degree gradually decreased,0 to be dislike extremely. | |||||
3 讨论和结论
蓝光是植物生长所需的主要光谱,蓝光量显著地影响着植物的生长。研究表明,50%的蓝光有利于提高黄瓜幼苗比叶质量[16],14.3%的蓝光量能显著提高不结球白菜生物量的积累[17],20%的蓝光量能促进香蕉试管苗芽和根的生长[18];50%的蓝光量可提高菊花苗的净光合速率且有利于生物量的积累[19],33.3%的蓝光量显著促进赤桉苗的生长[20]。本研究发现25%和50%的蓝光量均有利于生菜生物量的积累。可见植物对蓝光量的需求因植物的不同而呈现差异,但也发现研究条件不同,既使同一种蔬菜所需蓝光量也有差异。闻婧等[21]对莴苣研究发现,在设置光照强度约为154 μmol · m-2 · s-1,红光主峰波长为630 nm时,发现11.1%的蓝光量提高叶用莴苣的光合速率。而本研究的光照强度为200 μmol · m-2 · s-1,红光主峰波长为660 nm,25%和50%的蓝光量均有利于莴苣生物量的积累。波长越短,光子的能量越高[22],短波红光(630 nm)相较长波红光(660 nm)的光子所含的能量高,这种光照强度上的差异一部分可能被波长630 nm的红光所弥补,所以在闻婧等的[21]试验条件下莴苣需要较少的蓝光量。本研究25%和50%的蓝光量处理光合色素含量多,有较大的叶面积,叶片较厚,有利于光合作用[23],同时根系发育良好,活性较强,有利于养分和水分吸收,长势较其他处理较好。
蓝光量同样也影响植物产品的品质。研究发现,14.3%的蓝光量提高不结球白菜可溶性糖、维生素C、粗蛋白等各种营养物质含量,且安全品质显著提高[17];50%蓝光量显著提高了黄瓜维生素C含量,而11.1%蓝光量处理的游离氨基酸含量较高[24];油菜叶片可溶性糖和维生素C的含量在75%蓝光辐射下最多[25];0%蓝光处理能促使可溶性糖、蔗糖在叶片中积累,并且有较高的干物质积累[26]。这些结果表明,植物产品品质变化对蓝光量的需求因物种变化呈现差异性。本研究发现,0(0 B)和25%(25 B)蓝光处理的可溶性糖、蔗糖含量显著的大于其他处理,甜度最高,但0%蓝光量处理的干物质较少,可能无蓝光量时,叶片糖分累积过多抑制了光合作用[27],导致了生物量积累的降低;而25%蓝光量处理因为叶面积较大,而单位叶面积积累的糖含量相对较少,没有对光合作用产生抑制[28]。此外,碳水化合物含量的增加,有助于维生素C含量的提高[29]。
蓝光能诱使线粒体进行暗呼吸,暗呼吸过程中产生的有机酸为氨基酸的合成提供碳架,从而促进蛋白质的合成[30]。0%蓝光量处理因缺少蓝光诱导,导致蛋白质含量较低,同时硝酸还原酶的活性也受到影响[16,30],一定量的蓝光还可以促进硝酸盐代谢分解[31],所以0%蓝光量处理的硝酸盐含量也较高。
综上所述,25%(25 B)和50%(50 B)蓝光量的红蓝光有利于莴苣生长,并提升消费品质,25%蓝光量的红蓝光有利于生菜营养品质的提高,特别是叶片中维生素C含量得到很大程度的提高。由于植物对光量的需求并非是一个精确的数值,而是有一定宽度的阈值,建议植物工厂栽培莴苣选择25%~50%蓝光量的红蓝LED复合光源。
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