LED光源对不同品种生菜生长和品质的影响

陈文昊1,徐志刚2,刘晓英23,杨 杨2,王志敏1,宋非非1

(1南京农业大学园艺学院,南京210095;2南京农业大学农学院,南京210095)

摘 要:以自然光为对照(CK),探讨了LED红光(R)、蓝光(B)和红蓝组合光(RB)对不同品种生菜生长与品质的影响.结果显示:(1)不同光质处理的4个品种生菜的根长、株高及生物量积累等形态及生长指标具有相同的变化规律.(2)植株干鲜重、叶面积及根系活力在R和RB处理下都较大,而在B处理下较小;‘金祥’、‘高华’和‘永荣’的B处理植株可溶性蛋白含量较高;‘联记’、‘金祥’和‘高华’植株的淀粉含量在RB处理下较多,而‘永荣’在R处理下较多;各品种植株可溶性糖含量在R和RB处理下较高,而‘永荣’植株RB处理蔗糖含量较高,其余品种蔗糖含量在R处理下较高;‘金祥’、‘高华’和‘永荣’VC含量在B和RB下较高,‘联记’在RB下较高,各品种在R下均较低;植株总酚含量在各光质处理间无显著差异.(3)‘联记’的硝态氮含量及亚硝酸还原酶对光质敏感,B处理能降低其硝态氮含量及亚硝酸还原酶活性,其他品种的硝态氮含量及亚硝酸还原酶活性在光质处理间无显著差异.研究表明,相同光质下品种间生长无显著差异,而各品种生菜植株在红光和红蓝组合光下生长较好,在红蓝光处理下品质较优,红蓝光是设施栽培生菜的良好光源.

关键词:LED光源;生菜;生长;品质

EffectofLEDLightSourceontheGrowthand

QualityofDifferentLettuceVarieties

CHENWen2hao1,XUZhi2gang2,LIUXiao2ying23,YANGYang2,WANGZhi2min1,SONGFei2fei1

(1HorticultureCollegeofNanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China;2AgronomyCollegeofNanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China)

Abstract:Thestudyinvestigatedtheeffectsofgrowthandqualityofdifferentvarietiesoflettuceundertreatments:redLEDs(R),blueLEDs(B)andtheLEDscombinationofredandbluelight(RB)bynaturallightascontrol(CK).Theresultsshowedthateffectoffourlighttreatmentsonrootlength,plantheight,biomassandgrowthoffourvarietiesoflettucehadthesamevariationtrends.Comparedwiththecontrol,plantfreshanddryweight,leafareaandrootactivityofRandRBtreatmentsweregreater,andBtreatmentwassmaller.SolubleproteincontentsinplantsofYongrong(YR),Jinxiang(JX),andGaohua(GH)underBwerehigher.StarchcontentsinplantsofLianji(LJ),JX,andGHunderRBwerehigher.WhilestarchandsucrosecontentsinplantofYRunderRwerethehighestandsolublesugarcontentsunderRandRBwerethehighest.VccontentsinplantsofJX,YRandGHunderBandRBwerehigher,whileLJunderRBwashigherandunderRwaslower.Totalphenolcontentsinplantswerenosignificantdifferenceunderlighttreatments.Nitratecontentandsub2nitritereductaseactivityinplantofLJweresensitivetobluelight.Bluelightcanreducethecontentsofnitrateandsub2nitritereductaseactivity;nitratecontentandsub2nitritereductaseactivityinplantofothervarietywerenosignificantdifference.Insummary,fourvarie2tyoflettuceunderlighttreatmentsisnosignificantdifference.Redlightandthecombinationredandbluelightarebenefittogrowthofplant,andthecombinationredandbluelightcanimprovethequalityoflet2tuce.Redandbluelightisthebestlightforculturinglettuce.

Keywords:LEDlightsource;lettuce;growth;quality

光是植物生长中最重要的环境因子之一,它不仅是植物进行光合作用必需的能源,也是形成叶绿素的必要条件[1];同时,光还调节着碳同化过程中的许多酶的活性和气孔开度,影响着植物的生长代谢和物质运输[2].高等植物具有一整套精细的光接受系统和光信号转导系统,探测光强、光质、光照方向和光照时间的变化并做出适应性反应[324].

光质对植物的形态建成、生理代谢、生长发育及产品品质有着广泛的调节作用[527].现阶段针对光质的研究大部分集中在光形态建成及生长发育上,对果实品质的研究较少.已有研究表明,光质对转色期番茄果实[8]、草莓果实[9]、萝卜和芽苗菜[10]、菠菜[11]、收获期番茄果实[12]、豌豆苗[13]等蔬菜的产品品质有显著的影响,且不同物种的生长和品质对光质的响应差异因物种而变化.

生菜(LactucasativaL.)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[14215],近年来成为设施蔬菜的主栽类型.光质对生菜的生长等方面有显著影响且有不少报道.如Masanori[16]等发现通过夜间补充UV2A、UV2B和蓝光可以促进红叶生菜生长和着色;Li[17]等研究指出,补充UV2A和蓝光能增加生菜中花青素的含量,补充红光增加总酚含量,补充远红光却使生菜中花青素、类胡萝卜素和总酚均降低;Tracy[18]证实黄光(580～600nm)对光合作用和碳同化所起的作用很少且抑制生菜生长;Kim[19220]研究指出,不同光质下生菜气孔导度变化是短期行为,不会直接引起干物质的倍增,但在红光和蓝光的基础上补充绿光可以增加菠菜的生长;Dougher[21]等研究认为,长期的蓝光作用会增大生菜和菜豆的叶面积但抑制茎的伸长.但前人的研究大多集中在光质对生菜生长的影响上,而对生菜品质影响的研究不多,尤其是以LED为光源的研究更为少见.

LED灯作为冷光源,是新型的第四代光源,具有光谱分布纯、光谱分布类型丰富、光谱能量调制便捷,以及低发热、小体积、长寿命等突出优势,在植物科研和生产中逐步得到应用[22223].随着LED灯的推广普及,预计在不久的将来它会在农业与生物产业中有广阔的应用前景[24].本研究基于第四代新型LED光源,探讨了LED光源对4个品种的生菜生长和营养及安全品质的影响,以期为高产优质生产生菜光质环境调控提供理论支撑,并为设施栽培其他叶菜类蔬菜的光质环境调控提供参考.

1 材料和方法

1.1 材料与处理

试验于2010年4月至2010年5月在南京农业大学LED(购于厦华电子)室中进行.以皱叶生菜(LactucasativaL.)为试验材料,品种为‘金祥’(JX)、‘联记’(LJ)、‘高华’(GH)和‘永荣’(YR),种子均购于江苏省农业科学院.种子催芽后播种于小塑料杯中,育苗基质为草炭和蛭石混合物(草炭∶蛭石体积比为3∶1).待幼苗二叶一心后以自然光为对照(CK),分别置于高功率型红色LED光(R)、蓝色LED光(B)和红蓝LED光(RB)下培养30d(采收期),其中红蓝复合光由红色与蓝色LED光以1∶1组合获取,红光和蓝光的光谱分布如图1所示.每处理重复3次,每重复10盆.各光处理光强均设定为200μmol!m-2!s-1,光周期为12h.其他环境因子可控,白天温度(28±2)℃,夜间温度(18±2)℃,环境湿度为60%～90%,每隔3d浇灌相同量的自来水.

1.2 测定指标及方法

测定指标所需样品在光处理30d时取样,每处理随机取样3株,以生菜的叶片为取样部位,且测定相同的指标时取样品相同部位.用直尺测量幼苗株高与根长;用电子天平称量鲜重和干重,并测定计算含水量[含水量=(幼苗叶片鲜重-幼苗叶片干重)/幼苗叶片鲜重×100%];采用肖强[25]的方法测定叶面积,比叶面积用叶面积/植株的鲜重来计算.参照李合生[26]的方法测定可溶性糖、淀粉和蔗糖含量;TTC法[25]测根系活力;考马斯亮蓝法[25]测可溶性蛋白含量.分光光度计法[26]测定Vc含量;活体法[27]测亚硝酸还原酶活性;水杨酸比色法[28]测硝态氮含量;1%的HCl2甲醇提取法[29]测定总酚含量.

1.3 统计分析

采用Excel2007进行数据整理,利用SPSS16.0的Tukey多重比较进行差异显著性分析,显著水平为0.05.

2 结果与分析

2.1 不同光质LED光源对生菜生长的影响

如表1所示,不同光质处理下4个品种生菜的根长、株高及生物量的积累等形态及生长指标具有相同的变化规律.其中,各品种根长在不同光质处理间差异不显著,但‘金祥’、‘高华’和‘永荣’的根长分别比自然光下显著增长了25%～67%、30%～75%和34%～55%;而各品种的株高在R处理下显著高于B和RB处理,但与对照无显著差异;各品种叶面积在R和RB处理下显著大于B处理,而比叶面积在不同LED光处理下都较对照显著降低,其中B和RB处理降低幅度比R处理更大.各品种的生物量以R处理最高,其显著大于B处理,而与RB处理无显著差异.各品种根系活力均显著大于对照,‘金祥’和‘永荣’的根系活力在R、B和RB处理下无显著差异,而‘联记’和‘高华’的根系活力在RB处理下最高,其次为R处理,B处理下最低.以上结果说明4个品种生菜对光质变化引起光形态建成的响应机理可能相同,同时说明红光对生菜的生长有利.

2.2 不同光质LED光源对生菜营养品质的影响

    2.2.1 可溶性蛋白含量 如图2,A所示,‘金祥’和‘高华’在B处理下的可溶性蛋白含量显著大于R、RB和CK处理,R处理小于其他处理;‘联记’各处理的可溶性蛋白含量无显著性差异,但CK处理较低;‘永荣’CK处理的可溶性蛋白含量显著大于其他处理,各LED处理间无显著差异.表明不同光质LED处理下生菜可溶性蛋白含量因品种不同而变化较大,品种对光质的敏感程度不同.

    2.2.2 淀粉含量 图2,B显示,‘联记’和‘金祥’淀粉含量在不同光处理间无显著性差异;‘高华’的LED光处理淀粉含量显著大于CK,而LED光处理间无显著差异;‘永荣’的R和CK处理显著大于B和RB处理,而两两间无显著差异.

    2.2.3 可溶性糖含量 从图2,C来看,‘联记’和‘金祥’可溶性糖含量在各光处理下变化规律相同,即可溶性糖含量以R处理最高,其次为RB处理,两者均显著大于CK,而B处理较低且和CK处理无显著差异;‘高华’的可溶性糖含量在R处理下显著大于其他处理,B和RB处理无显著差异,但显著大于CK;‘永荣’的可溶性糖含量在R和RB处理下显著大于B处理和CK处理,而R和RB处理、B和CK处理间无显著差异.上述数据表明红光有利于各品种生菜中可溶性糖含量的积累.

2.2.4 蔗糖含量 生菜品种‘金祥’的蔗糖含量在RB处理下显著大于其他处理,R和B处理的蔗糖含量虽大于CK,但差异不显著;‘联记’的蔗糖含量在LED光处理下均显著大于CK,并表现为B>R>RB;‘高华’的蔗糖含量在B和CK处理下显著低于R和RB处理,且两两无显著差异;‘永荣’的B和RB处理植株蔗糖含量高于R和CK处理,但各处理间均无显著差异(图2,D).以上数据说明不同光质LED处理下生菜蔗糖含量变化因品种不同而变化较大,没有明显的规律可循.

2.2.5 维生素C(Vc)含量 Vc为生菜中重要的营养成分,是评价其品质指标的重要依据.如图2,E所示,4个品种生菜的Vc含量都是在R处理下较低,CK处理居中,B和RB光处理Vc含量相对较高,大多显著高于CK处理.即蓝光处理可以促进生菜中Vc的合成.

2.2.6 总酚含量 ‘联记’和‘金祥’总酚含量都是在R和RB下较高,而在B和CK下较低,‘联记’的LED光处理间无显著差异,但显著大于CK处理,而‘金祥’的各处理及对照间均无显著差异;‘高华’和‘永荣’植株的总酚含量在LED光处理下显著大于CK处理,且都在B处理中总酚含量较高(图2,F).可见,不同光质LED光源对生菜总酚含量影响较小.

2.3 LED光源对生菜硝态氮含量与亚硝酸还原酶活性的影响

硝酸盐对人体健康有不利影响,人体摄取过量可导致活动迟钝,工作能力减退,头晕、昏迷等,一次用量过大甚至会导致死亡[30].亚硝酸还原酶是反硝化过程中的关键作用酶[31],它能降低植物体内硝酸盐的含量,因此亚硝酸还原酶与植物体内的硝酸盐有直接关系[32].如表2所示,4个品种生菜在各光处理下硝态氮含量无显著差异,LED光处理下的硝态氮含量在数值上要比在自然光处理下低.品种‘联记’在LED光处理下的亚硝酸还原酶活性都显著小于CK处理,并以RB处理最低,其次是B处理;而其他3个品种的亚硝酸还原酶活性在光处理间无显著差异.说明LED光处理有利于提高生菜品种‘联记’的安全品质.

3 讨论与结论

本实验条件下,光质显著影响生菜的生长,而相同光质处理的不同品种生菜在生长上表现出的差异较小,但同一品种生菜不同光质处理的生长差异较大.Tadayoshi等[33]研究指出,蓝光下生菜茎与叶的生长明显受到抑制,同时还抑制了生菜叶面积的增大,而红光促进了株高的生长,并使叶片增厚;Kim[34]报道,菊科类植物容易受红光刺激,最易长长,同时也因为过度增长而显得很脆.本研究结果与上述两结果相似,即有红光参与的LED光处理下生菜生长较其他处理旺盛,且叶面积较大,而蓝色LED光具有抑制生菜叶面积增大并矮化植株的作用.不同品种生菜在相同光处理下表现出相似的特性,可能主要由于其遗传特性相似的缘故.

同时,光质也能调控生菜的品质,不同品种的生菜在相同光质处理下品质也呈现一定的差异性.生菜的品质主要由含水量、维生素C、可溶性糖、可溶性蛋白、总酚及硝酸盐含量等指标来综合衡量.可溶性糖是衡量生菜品质的重要指标,与自然光相比,红光、蓝光和红蓝光处理生菜的可溶性糖含量较高,这与许莉等[35]的研究结果相同.而蔗糖作为可溶性糖中的主要成分也直接影响生菜的品质,除‘联记’品种在红蓝光处理下蔗糖含量较低外,其余生菜品种红蓝光处理的蔗糖含量均较单色的蓝光或红光处理高,说明红蓝复合光的综合效应比单色的红光或蓝光更有利于蔗糖在生菜叶片中累积.蛋白作为植物基因表达的重要产物,在植物的生长发育过程中具有重要的作用.本研究结果显示单色红光或蓝光,以及复合光下生菜都有可溶性蛋白的合成,但生菜在LED蓝光下可溶性蛋白含量较高,这与傅明华等[36]发现的蓝光可显著促进水稻幼苗蛋白质合成的结果相一致,说明可溶性蛋白的合成并不是只需要特定的某种光色的光,如果在设施栽培中适当提高蓝光在光源中所占比例,就可提高植株中蛋白质的含量.

Vc是人体必需的营养元素,而硝酸盐含量则是重要的安全指标,如何进一步提高生菜中Vc及降低硝酸盐的含量,是生产优质生菜的重要途径之一.本研究发现,蓝光和红蓝光下生菜Vc含量显著大于单色的红光,即照射蓝光可显著提高植株中Vc的含量.蔬菜中的硝酸盐累积是营养代谢尤其是氮素代谢受阻所致[37238],其含量与亚硝酸还原酶活性正相关,本研究结果也充分证实这一结论,并且发现LED光源处理生菜中的硝酸盐含量较自然光下要低,此研究结果与闻婧等[31]的研究结果相同.此外,酚类物质与生菜的品质、风味、色泽等均有密切的联系,同时酚类物质也有利于人体健康,具有营养价值与保健价值.LED红蓝单色或复合光源下生菜总酚的含量较自然光下要高.说明要减少硝酸盐的含量并提高总酚含量可能通过补充LED蓝光或红光来调节.

综上所述,本实验条件下光质能显著调控生菜的生长,4个品种生菜在相同光质处理下生长差异不显著,但不同光质处理下4个品种的生菜都表现出显著的差异,且在红光和红蓝光下生菜生长较好.同时,光质还可调控生菜的营养品质和安全品质,并以红蓝光下生菜品质较好,综合生长和品质指标认为,红蓝复合光是高产优质栽培生菜的较好光源.