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植物工厂中光强对番杏生长发育及品质的影响

2022-07-22张瑞洁贺忠群刘雨杭谢永东王海霞李春燕

西北农业学报 2022年7期
关键词:叶绿素叶片含量

张瑞洁,贺忠群,刘雨杭,谢永东,王海霞,李春燕

(四川农业大学 园艺学院,成都 611130)

光是高等植物进行光合作用的能量来源,影响植物形态建成和营养物质积累,因此满足植物光合特性对光的要求,提高叶片光合速率,促进植物生长速率,对植物产量及品质起决定性的作用[1]。有研究表明较弱光强会延长植物进入花期的时间[2];植株的茎杆、叶片及干鲜质量等农艺性状变差[3];较高光强则有利于水培生菜根系和形态结构的建成[4],促进菠菜合成叶绿素[5],增强PSⅡ反应中心的开放程度和光能转化效率[6]。

此外,光强还可通过影响植物光合作用,调控营养物质吸收和分配,进而影响品质[7]。研究表明,光照强度减弱后,果实及叶片中维生素C、可溶性糖、蔗糖、果糖含量显著降低[8]。Feng等[9]对苹果进行光暗处理后发现,光处理下果皮中黄酮类化合物含量增加。低光强导致植物呼吸作用大于光合作用,对植物生长不利,太高的光强有利于植物进行光合作用,但释放的根系有机碳,会增加能耗,造成资源浪费[10]。以上研究显示适宜的光照可改善植物生长环境,增加干物质积累,提高果蔬的产量和品质。

番杏[Tetragoniatetragonoides(Pall.) Kuntze]又名新西兰菠菜、法国菠菜、洋菠菜等,是番杏科番杏属 1 a生半蔓性草本植物[11],富含大量氨基酸、无机盐、胡萝卜素及还原糖等[12],食用性多样,在中国具有非常广阔的市场和发展前景。然而,自然环境下生长的番杏口感不佳,品质差等问题严重阻碍了番杏的推广,且对番杏的研究多集中于营养价值和盐胁迫方面,光环境调控番杏生长的研究仍处空白。植物工厂栽培条件高度可控,通过调控光环境可影响植物产量和品质。故本试验利用植物工厂人工调控光强,探究不同光强对番杏生长生理及品质的影响,以期筛选出能使番杏达到最佳生长状态的光照强度,为番杏的优质高产及推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2020年12月至2021年3月在四川农业大学成都校区植物工厂内进行,植物工厂中内置LED白光冷光源(植物生长灯,型号为HY-TBT8S-F7-18 W,南京,中国),灯管长1 200 mm,功率18 W;试验所用番杏种子均来自科研基地。

为确保种子出苗整齐,育苗前挑选颗粒饱满的种子,用55 ℃温水浸泡30 min后,经湿纱布包裹置于25 ℃恒温箱中,待80%种子露白后播于穴盘中。待幼苗长至四叶一心时,选取生长基本一致且无病虫害的材料移入植物工厂,调节植株与光源的距离,由光谱分析仪(Li-cor,PS300,U.S)测定光谱,(光源的光谱分布见图1),将光强设置为T1:50 μmol/(m2·s)、T2:100 μmol/(m2·s)、T3:150 μmol/(m2·s)、T4:200 μmol/(m2·s)、T5:250 μmol/(m2·s),温度为25 ℃/18 ℃ (昼/夜),利用土壤三参数仪(WET-2)测量土壤湿度,使其相对湿度保持在60%~70%,光周期12 h/12 h,培养土配比为腐殖质∶珍珠岩∶蛭 石=3∶1∶1(V∶V∶V)。每个处理10株,重复 3次,共150株。试验期间进行常规养护管理。 45 d后测定各指标。

图1 白光LED灯的光谱分布Fig.1 Spectrum distribution diagram of white LED lights

1.2 测定指标及方法

1.2.1 形态指标测定 每个处理选取10株,用去离子水洗净,擦干表面水分。利用毫米刻度尺测量其株高、根长;游标卡尺测量茎粗;数叶片数和侧枝数。各处理选取10片相同部位的功能叶,利用打孔法测其叶面积[13]。

1.2.2 光合色素及叶绿素荧光参数测定 叶绿素a、叶绿素b以及胡萝卜素含量采用80%的丙酮浸泡法测定[14]。叶绿素荧光动力学参数参照Cuddy[15]的方法,用便携式调制叶绿素荧光仪(PAM-2500,生产厂家,中国)测定PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、非光化学淬灭(NPQ)、光化学淬灭(qP)、电子传递速率(ETR)。

1.2.3 品质指标测定 叶片可溶性糖、蔗糖和果糖含量均参考曹建康等[16]的方法测定;还原糖采用3,5-二硝基水杨酸法测定[17]。叶片可滴定酸含量采用NaOH滴定法测定,维生素C含量采用2,6-二氯酚靛酚法测定,可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法,游离氨基酸含量采用茚三酮显色法,以上指标测定均参考曹建康等的[16]方法测定;叶片单宁含量采用福林酚法[18]测定;叶片总黄酮含量采用亚硝酸钠-硝酸铝比色法[19]测定;粗纤维含量测定参考高俊凤[13]的方法测定;硝酸盐采用水杨酸-硫酸法[20]测定。

1.3 数据分析

使用SPSS 20.0软件进行数据处理,用Duncan’s法进行处理间多重比较,P<0.05表示差异显著,利用Microsoft Excel 2010作图,所有指标均重复测定3次,结果以3次的均值表示。

2 结果与分析

2.1 光照强度对番杏生长的影响

研究表明,不同光照强度对番杏各形态指标变化的影响基本一致。从表1看出,随光照强度增加,植株株高、茎粗、根长、叶面积、叶片数及侧枝数均呈现先升后降的趋势,光强150 μmol/(m2·s)时最大,分别较T1提高16.06%、34.78%、 172.01%、57.65%、116.10%、50.10%,在T2和T3处理之间,番杏茎粗、根长、叶片数无显著性差异,后随光强增强,株高、根长、叶片数、侧枝数逐渐低于T2处理。说明适宜的光强可促进番杏生长,光强持续增强,促进效果减弱。

2.2 光照强度对番杏光合特性的影响

2.2.1 光照强度对番杏光合色素的影响 由图2可看出,随光强增强,光合色素总体呈先升后降的趋势。叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素在光强T3处理时最大,较T1处理分别增加33.33%、 30.43%、32.35%,T4和T5处理之间叶绿素a、b虽有所降低,但变化均不显著;类胡萝卜素含量在T4时最大,较T1处理增加14.29%,之后随光照强度增大而降低,但仍显著高于T1。说明适度光照有利于光合色素积累,提高番杏光能利用率和光合能力,使其维持在较高水平。

2.2.2 光照强度对番杏叶绿素荧光参数的影响 叶绿素荧光参数反映光系统对光能吸收、传递、耗散等过程,常被用来检测植物的光合能力。表2显示,Fv/Fm、qP、ETR在数值上均随光照强度增大呈现先上升后下降的变化趋势,NPQ随光强增强而增加,Fv/Fm、qP变化不显著,较T1处理,T3处理下的ETR增加14.76%。

表1 不同光照强度下番杏农艺性状比较Table 1 Comparison of Tetragonia tetragonoides agronomic characters under different light intensities

图中不同小写字母表示同一指标在不同光强之间差异显著(P<0.05)。下同

2.3 光照强度对番杏品质的影响

图3反映了在不同光照处理下番杏品质的变化情况。除单宁、粗纤维及硝酸盐外,其余各指标均随光照强度增加呈现先上升后下降的变化趋势。与T1处理相比,糖类化合物分别增加 25.66%、49.21%、42%、50.75%,其中可溶性糖含量经光照强度处理后变化幅度最大,不同处理之间差异显著。可滴定酸、维生素C、可溶性蛋白、游离氨基酸、总黄酮含量较T1处理分别增加 52.50%、80.06%、14.96%、77.24%、32.14%,维生素C和可溶性蛋白含量在T4和T5处理下无显著性差异。可滴定酸、可溶性蛋白及总黄酮含量在光照T2和T4处理时差异不显著,但仍高于T1和 T5。单宁与粗纤维随光强变化不明显,T5处理时最大。硝酸盐含量则随光强增强呈现先降后升的趋势,T3处理含量最低。说明适宜光强可提高番杏品质,降低硝酸盐含量。

表2 不同光照强度下叶绿素荧光参数Table 2 Chlorophyll fluorescence parameters of Tetragonia tetragonoides under different light intensities

3 讨 论

一方面光是植物进行光合作用的必需能量来源,另一方面光还通过刺激光敏色素传导信号,诱导相关基因表达,调节植物生理代谢反应和物质运输[21],因此适宜的光照强度可通过影响植物的光合效率,提高植株的产量及品质。本研究表明,随光强增加,番杏株高、茎粗、根长、叶面积、叶片数及侧枝数等农艺性状呈先上升后下降的趋势,且均在T3(150 μmol/(m2·s))时达到最大。与周华等[22]研究光强对辣椒幼苗生长的影响趋势相似。这是因为适宜的光强能使番杏有效利用光合作用,提高了番杏叶片数和叶面积,从而获得更多光合有效辐射,得到更多光合产物,使其产量增加。当光强过高时,提高植物光合作用的同时,植物根系分泌有毒物质,分解叶绿体的光合结构[10],捕获的光能不能被有效利用而通过热能等其他形式被耗散,导致植株生长受到抑制,从而造成番杏产量低,品质差。同时在T3处理下番杏表现出更好的电子传导速率(ETR)和更高的光化学量子产量(Fv/Fm),说明此时番杏吸收和利用光能效率更高,较多的叶绿素b也说明这一点,这与前人研究一致[23]。另外,NPQ随光强增大而增加,可在天线色素对光能进行过剩吸收时,通过热耗散来保护其光合机构,防止过剩激发能对光合机构的破坏[24],但光强吸收的能量高于光化学利用时,其光合能力变弱[25]。叶绿素a、b及总叶绿素含量在光强T3(150 μmol/(m2·s))时最高,类胡萝卜素则在T4(200 μmol/(m2·s))处理最高。表明适宜的光照强度有利于光合色素积累,植物叶色浓绿,但弱光会导致叶绿素合成受阻,捕获利用光能的能力减弱,植物表现黄化弱小,从而影响其产量及品质形成,而过强的光照会限制植物的光合碳同化力和植物体中酶活力,叶绿素易分解,PSⅡ结构受损,光能电子传递受抑[26],光能转换效率随之降低,此时类胡萝卜素含量升高能更好的捕捉光能,保护光合系统[27],可在一定范围保证产量。

图3 不同光照强度下番杏品质差异Fig.3 Differences of Tetragonia tetragonoides quality under different light intensities

光照强度通过影响植株干物质吸收、积累和转运来影响品质。本研究中T3处理时各品质含量除粗纤维、单宁及纤维素外均最大,表明适宜的光照强度能够促进番杏品质合成与积累。随光强增加,促进作用受到抑制,这可能是在光强较高的情况下叶片中膜系统受到破坏,叶绿素合成受抑,根系活力降低,植物自身的代谢速率减慢,营养物质的各相关合成酶活性降低[28-29],有机物消耗量大于合成量,外部表现为番杏株高、叶面积、叶片数减少,这可能是番杏对强光的一种适应机制。硝酸盐则在T3处理下含量最低。其中单宁与纤维素主要影响蔬菜口感,在光强为T5[250 μmol/(m2·s)]时含量最大,这可能是由于光强增大,乙醇脱氢酶的活性降低,导致单宁含量增加,纤维次生壁加厚,导致纤维素合成加快[30],使番杏口感不佳。

综上所述,本试验中光强150 μmol/(m2·s)处理有利于番杏生长、品质提高及硝酸盐含量降低,可为番杏栽培生产提供理论依据。

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