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2020 年 8 月 第 31 卷 第 4 期 照明工程学报 ZHAOMING GONGCHENG XUEBAO Aug 2020 Vol 31 No 4 蓝光比例对植物工厂小白菜生长及品质的影响 江浩昭 张继业 刘厚诚 华南农业大学园艺学院 广东 广州 510642 摘 要 为研究植物工厂条件下不同蓝光比例对小白菜 白玫瑰和青梗菜 的生长和营养品质的影响 总光强为 250 mol m 2 s 1 下设置 3 个光照处理 CK W150 100 T1 W120 80B50 T2 W90 60B100 高比例蓝光 可以促进小白菜叶色加深 抗氧化能力的提高 可溶性糖和可溶性蛋白质含量增加升以及促进硝酸盐含量的降低 两个品种对光质变化的响应有差异 白玫瑰较青梗菜受到光质变化的影响较大 白玫瑰的维生素 C 和抗氧化能力 比青梗菜高 而青梗菜的叶绿素 可溶性糖 可溶性蛋白质和硝酸盐含量比白玫瑰高 关键词 小白菜 蓝光 生长 品质 中图分类号 S634 3 文献标识码 A DOI 10 3969 j issn 1004 440X 2020 04 028 The Effects of Blue Light atios on Growth and Quality of Pakchoi in Artificial Light Plant Factory JIANG Haozhao ZHANG Jiye LIU Houcheng College of Horticulture South China Agriculture University Guangzhou 510642 China Abstract The effects of blue light ratios on the growth and nutritional quality of Brassica chinensis L cv Baimeigui and Qinggengcai were investigated in artificial light plant factory with PPFD photosynthetic photon flux density 250 mol m 2 s 1 There were 3 treatments CK W150 100 T1 W120 80B50 T2 W90 60B100 In pakchoi under higher ratio of blue light treatment leaves color deepened antioxidant capacity content of soluble sugar and soluble protein increased while nitrate content reduced These were different responses of two pakchoi cultivars to different light quality pakchoi cv Baimeigui were more susceptible to the changes of light quality than cv Qinggengcai The vitamin C content and antioxidant capacity in cv Baimeigui were higher than those in cv Qinggengcai while the content of chlorophyll soluble sugar soluble protein and nitrate in cv Qinggengcai were higher than those in cv Baimeigui Key words Brassica chinensis blue light growth quality 基金项目 广东重点研发计划项目 2019B020214005 2019B020222003 广州市科技计划项目 201704020058 201704020006 通信作者 刘厚诚 E mail liuhch scau edu cn 引言 小白菜 Brassica chinensis L 是我国长江流域 及其以南地区栽培蔬菜中分布最广 种类最多 种 植面积及复种指数最大的蔬菜作物 由于小白菜富 含维生素 胡萝卜素和矿物质钙 铁等营养物质 其消费量占据各类蔬菜之首 1 在植物生长的各个阶段中 光照是光合作用的 主要能量来源 也是调控植物生长所需要的关键因 第 31 卷第 4 期 江浩昭等 蓝光比例对植物工厂小白菜生长及品质的影响 167 素 除了调节植物的生长发育 光还可以调控初级 和次级代谢产物的生物合成 2 而在光合作用中 红色和蓝色波长的光对植物的光合作用 生长和发 育影响最大 这些特定波长的光为植物色素 例如 叶绿素或其他参与碳固定和基本代谢的次级色素 提供目标能量 3 光照对于绿叶蔬菜品质影响的相关报道有很多 采前连续蓝光处理 B 值为 4 可以提高生菜的 营养品质 4 4 1B 光源可以有效提升生菜的生长 和营养品质 5 蓝光对苋菜甜菜色素和类黄酮积累 的促进作用最显著 6 随着蓝光强度的增加 罗勒 中的类黄酮化合物含量提高 7 蓝光不仅提高了十 字花科幼苗叶黄素 胡萝卜素含量 还促进了叶 黄素的合成 8 蓝光强度可以调控温室条件下小白 菜生物量的积累 形态并促进功能化合物的合 成 9 本研究在植物工厂条件下探索在总光强不变 条件下改变蓝光比例对小白菜产量和营养品质的影 响 为小白菜植物工厂生产提供参考 1 材料与方法 试验在华南农业大学试验植物工厂进行 1 1 试验材料 小白菜品种 白玫瑰 青梗菜 由广东省良种 引进服务公司提供 1 2 试验方法 小白菜种子播种在育苗海绵块中 白光 LED 灯 下育苗 15 d 后 幼苗长到三叶一心时 移栽定 植 使用 1 2 霍格兰营养液配方 栽培光源采用多 通道智能可调 LED 灯板 广州诚汇装备农业科技有 限公司提供 红光 LED 660 10 nm 蓝光 LED 460 10 nm 白光 LED 试验各处理总光强保持为 250 mol m 2 s 1 红光 白光 2 3 设置 3 个光照 处理 CK T1 T2 表 1 光谱数据采用台湾 Asensetek 照明护照测量 图 1 光强数据是红 蓝 白 LED 各通路独立测定 每组处理 3 个重复 移栽 30 d 后 取样进行测定 表 1 小白菜试验光质比例 Table 1 The light ratios of pakchoi test 处理 蓝光光强 mol m 2 s 1 红光光强 mol m 2 s 1 白光光强 mol m 2 s 1 CK 0 100 150 T1 50 80 120 T2 100 60 90 图 1 试验光谱图 Fig 1 The spectrograms in the experiments 1 3 测定方法 1 生长指标的测定 每个处理组取 15 株小白 菜进行生物量量的测定 测量地上部及根系鲜重 然后放入烘箱 105 条件下杀青 2 h 再调至 75 烘干到重量不再变化 测量地上部及根系干重 2 生理指标的测定 每个处理组取 12 株小白 菜 取第 5 个节位的叶片用液氮磨样并保存于 80 冰箱中 光合色素含量的测定采用丙酮乙醇 混合法 可溶性糖含量的测定采用蒽酮比色法 硝 酸盐含量的测定采用紫外分光光度法 10 多酚含量 采用 Folin Cioealteu 法 11 测定 类黄酮的含量采用 Mashiba 法 12 测 定 DPPH 自 由 基 清 除 率 参 照 Tadolino 的方法 13 测定 每个测定 3 次重复 3 数据分析 利用分析软件 SPSS23 0 对试验 数据进行统计分析 用邓肯法进行多重比较 再在 P 0 05 水平上的单因子方差 One Way ANOVA 检验 用字母法标记 最后采用 Origin 2018 进行 绘图 168 照明工程学报 2020 年 8 月 2 结果与分析 2 1 不同蓝光比例对小白菜生长影响 青梗菜的生物量比白玫瑰的生物量高 不同光 质处理下两个白菜品种的生物量 地上部 根系和 全株干 鲜重 没有显著差异 图 2 和表 2 与 CK 对比 其他两个处理白玫瑰的干鲜重差异不显 著 但 CK 比经过蓝光处理 T1 和 T2 的白玫瑰生 物量略高 可见 不同蓝光比例处理对两个品种的 小白菜生物量有影响 但差异不显著 表 2 不同蓝光比例光质对小白菜生长的影响 Table 2 The effects on the growth of pakchoi under different blue light ratios 处理 品种 鲜重 mg g 干重 mg g 地上部 根系 植株 地上部 根系 植株 CK 青梗菜 76 58 5 87a 6 68 0 59a 83 27 6 26a 3 79 0 30a 0 40 0 03a 4 20 0 33a T1 68 45 3 35a 7 43 1 37a 75 89 3 64a 3 41 0 18a 0 40 0 03a 3 82 0 21a T2 76 45 3 70a 6 90 0 43a 83 35 4 08a 3 79 0 19a 0 46 0 03a 4 25 0 22a CK 白玫瑰 75 56 6 74a 3 88 0 54a 79 45 7 14a 3 69 0 35a 0 27 0 03a 3 96 0 37a T1 65 79 4 65a 3 30 0 30a 69 10 4 92a 3 39 0 25a 0 23 0 01a 3 62 0 27a T2 67 02 4 29a 3 51 0 23a 70 53 4 46a 3 52 0 23a 0 24 0 01a 3 77 0 24a 注 同列不同小写字母表示差异达到显著水平 p 0 05 图 2 不同蓝光比例光质下小白菜生长情况 Fig 2 The growth of pakchoi under different blue light ratios 2 2 不同蓝光比例对小白菜叶绿素含量的影响 增加蓝光处理影响小白菜的叶绿素含量 随着 蓝光强度增加 白玫瑰的叶绿素 a 叶绿素 b 和总 叶绿素含量显著提高 图 3 但青梗菜的叶绿素含 量在各处理间差异不显著 T1 和 T2 处理的白玫瑰 总叶绿素含量分别比 CK 明显增长了 35 97 和 55 69 增加蓝光处理对小白菜叶绿素 a b 值的影 响差异也不显著 图 3 d 青梗菜的总叶绿素 含量明显高于白玫瑰 因此提高蓝光处理有利于提 高小白菜的叶绿素含量 叶绿素含量低的品种提高 明显 而叶绿素含量高的影响不显著 2 3 不同蓝光比例光质对小白菜可溶性糖 可溶性 蛋白质和硝酸盐含量的影响 由图 4 a 看出 白玫瑰的可溶性糖含量处 理间变化不大 T1 处理青梗菜可溶性糖含量变化 不显著 但较高蓝光比例 T2 的可溶性糖含量 比 CK 增加 49 49 说明提高蓝光比例利于提高 小白菜可溶性糖含量 不同蓝光比例光质对青梗 菜可溶性蛋白质有显著影响 而对白玫瑰可溶性 蛋白没有显著影响 图 4b 较高蓝光 T1 和 T2 处理的青梗菜可溶性蛋白质含量都比 CK 高 其中 T1 最高 增加了 27 71 T2 次之 增加了 22 69 白玫瑰可溶性蛋白质含量虽然差异不显 著 但也有上升趋势 由此表明 增加蓝光可以 提高小白菜的可溶性蛋白含量 不同蓝光比例光 质对白玫瑰和青梗菜硝酸盐含量降低的影响不显 著 图 4 c 总体来看 白玫瑰的可溶性糖和可溶性蛋白 质含量比青梗菜低 而且青梗菜的含量受光质影 响更明显 但青梗菜的硝酸盐含量明显比白玫瑰 试验高 2 4 不同蓝光比例光质对小白菜抗氧化能力的影响 不同蓝光比例光质对青梗菜的多酚含量有显著 影响 而对白玫瑰的多酚含量没有显著影响 图 5 b 较高蓝光比例的青梗菜多酚含量明显低于 第 31 卷第 4 期 江浩昭等 蓝光比例对植物工厂小白菜生长及品质的影响 169 图 3 不同蓝光比例光质对小白菜叶绿素含量的影响 Fig 3 The effects of different blue light ratios on the chlorophyll content in pakchoi CK 其中 T1 的多酚含量最低 由此可见较高蓝 光不利于青梗菜多酚含量的提高 不同蓝光比例光 质对白玫瑰和青梗菜的类黄酮含量没有显著影响 图 5 c 增加蓝光处理对小白菜维生素 C 含量 有影响 图 4 e 白玫瑰的维生素 C 含量比青 梗菜的维生素 C 含量高 其中 白玫瑰试验的 T2 图 4 不同蓝光比例光质对小白菜可溶性糖含量 可溶性蛋白质含量和硝酸盐含量的影响 Fig 4 The effects of different blue light ratios on contents of soluble sugar soluble protein nitrate in pakchoi 处理维生素含量明显最高 T1 最低 但不同处理的 青梗菜维生素 C 含量差异不显著 不同蓝光比例光 质对于小白菜 白玫瑰和青梗菜 的 DPPH 自由基 消除率 图 5 a 和 F AP 值 图 5 d 无显 著影响 在不同光处理下 白玫瑰的抗氧化能力都 比青梗菜高 而青梗菜的抗氧化物含量变化幅度较 白玫瑰大 3 讨论 植物生长发育过程中 光照是不可或缺的条件 光照可以调控蔬菜生长及相关基因的表达等等 但 不同的光质对蔬菜的影响是不同的 蓝光抑制了绿 叶生菜的生物量生长 14 本研究发现两个小白菜品 170 照明工程学报 2020 年 8 月 图 5 不同蓝光比例光质对小白菜抗氧化能力的影响 Fig 5 The effects of different blue light ratios on antioxidant capacity in pakchoi 种不同蓝光比例 12W8 5B 9W6 10B 处理的生 物量差异不显著 蓝光对蔬菜生长的影响可能与蔬 菜的种类和品种差异有关 生菜的光合能力和光合速率随蓝光的增强而增 加 这与气孔导度增加 气孔密度显着增加和气孔 大小略有减少有关 而且蓝光促进了叶绿素含量和 叶绿素 a b 值得提高 15 添加红蓝光促进了紫叶生 菜光合色素的合成 16 在蓝光处理下 大白菜的叶 绿素含量升高 且叶绿素 a b 值提高 17 有学者研 究得出在 3B1 光照下培养的生菜叶绿素 a 浓度和 背面气孔频率更高 18 本研究经过蓝光处理的白玫 瑰叶绿素含量都显著提高 而青梗菜变化不显著 增加蓝光处理 12W8 5B 9W6 10B 对小白菜叶 绿素 a b 值的影响差异也不显著 可能与蔬菜品种 差异有关 不同光处理中蓝光处理对于提高大白菜可溶性 糖浓度是最有效的 19 蓝光有利于大白菜幼苗 17 生菜 20 的可溶性糖含量提高 蓝光对生菜可溶性蛋 白含量的影响最明显 21 蓝光促进了 N NI GOGAT GS 和 GDH 等初级氮代谢酶的活性 从而 影响了氮素的吸收 还原和同化 进而促进紫叶生 菜的蛋白质合成 16 本研究中青梗菜较高蓝光质 9W6 10B 下的可溶性糖和可溶性蛋白质含量都 比 CK 高 而白玫瑰不明显 可能存在品种响应 差异 蔬菜基本富集硝酸盐 硝酸盐没有毒性 但进 入人体内会形成有毒的亚硝酸盐 严重危害人体健 康 22 已有研究表明 3W1B 蓝光条件下水培生菜的 硝酸盐含量显著降低 约 200 mg kg 23 生菜在 8 1B 处理下硝酸盐含量最低 约 2 960 mg kg 24 纯蓝光 50 mol m 2 s 1 处理下菠菜柄部的 硝酸盐含量最低 约 800 mg kg 25 有学者发现硝 酸还原酶的辅基有黄素腺嘌呤二核苷酸 FAD 和 喋呤 26 而蓝光受体的生色团含有黄素和喋呤 27 所以蓝光更有利于刺激硝酸盐被还原 而本研究发 现两个小白菜品种不同蓝光比例 12W8 5B 9W6 10B 处理的硝酸盐含量均差异不显著 白玫 瑰蓝光处理后硝酸盐含量约为 870 mg kg 而青梗 菜硝酸盐含量约为 1 280 mg kg 红蓝光配比中增大蓝光比例 可以促进生菜叶 片中维生素 C 含量的积累 28 蓝色 LED 灯可以通 过激活大白菜幼苗的生物合成和循环利用途径的基 因表达从而增强了维生素 C 的积累 29 高强蓝光质 的白玫瑰维生素 C 含量显著提高 蓝光比例越高 时 紫叶生菜的维生素 C 含量也会变高 16 至于两 个品种维生素 C 含量在 T1 处理 12W8 5B 比 CK 第 31 卷第 4 期 江浩昭等 蓝光比例对植物工厂小白菜生长及品质的影响 171 3W2 低可能是因为红光比例比蓝光高而导 致的 在单色光中 蓝光可以最有效地提高生菜总酚 类黄酮和抗氧化剂的含量 30 红 色 和 蓝 色 70 30B 光谱的组合提高了苋菜苗菜的总抗氧化 能力 31 蓝光使绿叶和紫叶罗勒 生菜等叶菜中的 类黄酮指数显着提高 14 蓝光补光促进了白菜酚类 和类黄酮含量提高 从而促进 DPPH 和 F AP 提 升 9 在高比例蓝光 65 35B 53 47B 41 59B 测试下生长的生菜总酚含量 总黄酮含量显著提 高 32 本研究则发现两个白菜品种的 DPPH F AP 多酚和类黄酮含量在不同处理 3W2 12W8 5B 9W6 10B 之间差异不显著 4 结论 本文研究表明 提高蓝光比例 12W8 5B 9W6 10B 可以促进白菜叶色加深 抗氧化能力的 提高 促进可溶性糖和可溶性蛋白质含量的提升以 及硝酸盐含量的降低 不同白菜品种对光质响应有 差异 白玫瑰比青梗菜更容易受到光质变化的影响 在维生素 C 多酚和类黄酮含量及 DPPH F AP 活 性等抗氧化能力方面 白玫瑰比青梗菜强 而在叶 绿素 可溶性糖 可溶性蛋白质和硝酸盐含量方面 青梗菜比白玫瑰高 参 考 文 献 1 苏小俊 李彬 袁希汉 等 小白菜田间耐热性鉴定 方法研究 J 江苏农业科学 2004 5 63 65 2 Ghasemzadeh A Jaafar HZ ahmat A et al Effect of different light intensities on total phenolics and flavonoids synthesis and anti oxidant activities in young ginger varieties Zingiber officinale oscoe J Int J Mol Sci 2010 11 3885 3897 3 Metallo M Kopsell DA Sams CE et al Influence of blue red vs white LED light treatments on biomass shoot morphology and quality parameters of hydroponically grown kale J Sci Hortic 2018 235 189 197 4 李聪聪 吉家曾 丁慧霞 等 连续光照及光质对水 培生菜生长及营养品质的影响 J 现代农业技 2019 16 55 56 5 张涛 不同 LED 光质和组配对叶用莴苣生理基础及营 养品质的影响 D 郑州 河南农业大学 2018 6 彭丽云 光质处理苋菜幼苗转录组分析及 MYB 转录因 子功能研究 D 福州 福建农林大学 2019 7 Taulavuori K Hy ky V Oksanen J et al Species specific differences in synthesis of flavonoids and phenolic acids under increasing periods of enhanced blue light J Environmental and Experimental Botany 2015 72 1350 1368 8 Brazaityt e A Sakalauskien e S Samuolien e G et al The effects of LED illumination spectra and intensity on carotenoid content in Brassicaceae microgreens J Food Chemistry 2015 5 600 606 9 ZHENG Yinjian ZHANG Yiting LIU Houcheng et al Supplemental blue light increases growth and quality of greenhouse Qinggengcai depending on cultivar and supplemental light intensity J Journal of Integrative Agriculture 2018 17 10 2245 2256 10 LI H S Principles and techniques of plant physiological and biochemical experiments M Beijing Beijing Higher Education Press 2000 11 LEE E J NOMU A N PATIL B S et al Measurement of total phenolic content in wine using an automatic Folin Ciocalteu assay J International Journal of Food Science Technology 2014 49 11 2364 2372 12 AGATI G AZZA ELLO E POLLAST I S et al Flavonoids as antioxidants in plants location and functional significance J Plant Science 2012 196 67 76 13 TADOLINI B JULIANO C PIU L et al esveratrol inhibition of lipid peroxidation J Free adical esearch 2000 33 1 105 114 14 Bo zena MATYSIAK Artur KOWALSKI White blue and red LED lighting on growth morphology and accumulation of flavonoid compounds in leafy greens J Zemdirbyste Agriculture 2019 106 3 281 286 15 Wang Jun Lu Wei Tong Yuxin et al Leaf morphology photosynthetic perance chlorophyll fluorescence stomata development of lettuce Lactuca sativa L exposed to different ratios of red light to blue light J Frontiers in Plant Science 2016 7 1664 462X 16 高勇 光质对紫叶生菜生理特性及品质的影响 D 济南 山东农业大学 2019 17 Fan X Zang J Xu Z et al Effects of different light quality on growth chlorophyll concentration and chlorophyll biosynthesis precursors of non heading Chinese cabbage Brassica campestris L J Acta Physiol Plant 2013 35 2721 2726 下转第 176 页 176 照明工程学报 2020 年 8 月 5 ZHAO G Z YAO Y P QI W et al Draft Genome Sequence of Aspergillus oryzae Strain 3 042 J Eukaryot Cell 2012 11 9 1178 6 HATAKEYAMA NAKAHAMA T HIGUCHI Y et al Light represses conidiation in koji mold Aspergillus oryzae J Biosci Biotechnol Biochem 2007 71 8 1844 7 MU THY P S SUZUKI S KUSUMOTO K I Effect of light on the growth and acid protease production of aspergillus oryzae J Food Sci Technol es 2015 21 4 631 8 李学伟 朱新贵 王婷婷 等 光照对酱油发酵影响初 步研究 J 中国酿造 2012 31 11 21 9 周允华 项月琴 太阳直接辐射光量子通量的气候学 计算方法 J 地理学报 1987 2 116 128 10 侯庸 张宏达 粤西及相邻地区太阳总辐射 光合有 效辐射能量和光量子通量时空分布 J 生态科学 1995 2 10 11 王启星 徐景宏 张昕昱 等 LED 植物补光源光量子 通量密度的数据采集系统 J 照明工程学报 2018 29 2 53 12 汤露瑶 苏成悦 陈少藩 等 用多种 LED 单色光芯片 模拟太阳光谱的一种光谱组装算法及相似度评价标准 J 照明工程学报 2017 28 5 4 9 13 倪凯凯 沈海平 江磊 等 LED 光谱色温可调照明系 统及其优化算法研究 J 照明工程学报 2015 26 2 42 46 14 王莹 米曲霉 IB40 和 3 042 在酱油酿造中发酵性能 的对比 D 天津 天津科技大学 2014 上接第 171 页 18 Li Huimin Tang Canming Xu Zhigang The effects of different light qualities on rapeseed Brassica napus L plantlet growth and morphogenesis in vitro J Scientia Horticulturae 2013 150 117 124 19 Li H Tang C Xu Z et al Effects of different light sources on the growth of non heading Chinese cabbage Brassica campestris L J The Journal of Agricultural Science 2012 4 262 20 张涛 不同 LED 光质和组配对叶用莴苣生理基础及营 养品质的影响 D 郑州 河南农业大学 2018 21 陈文昊 徐志刚 刘晓英 等 LED 光源对不同品种 生菜生长和品质的影响 J 西北植物学报 2011 31 7 1434 1440 22 卞中华 采收前连续 LED 光照调控生菜硝酸盐代谢机 理的研究 D 北京 中国农业科学院 2015 23 Ohashi Kaneko K Takase M Kon N et al Effect of light quality on growth and vegetable quality in leaf lettuce spinach and komatsuna J Environmental Control in Biology 2007 45 189 198 24 闻婧 鲍顺淑 杨其长 等 LED 光源 B 对叶用莴 苣生理性状及品质的影响 J 中国农业象 2009 30 3 413 416 25 齐连东 刘世琦 许莉 等 光质对菠菜草酸 单宁 及硝酸盐积累效应的影响 J 农业工程学报 2007 4 201 205 26 Campbell W H Nitrate reductase biochemistry comes of age J Plant Physiol 1996 111 355 361 27 Ninnermann H Some aspects of blue light research during last decade J Photochem Photobiol 1995 61 22 31 28 王涛 兰婕 陈永快 等 LED 红蓝光配比对生菜生 长及生理特性的影响 J 江苏农业科学 2019 47 22 199 203 29 Chang Ho Kang Eun Kyung Yoon Muthusamy Muthusamy et al Blue LED light irradiation enhances L ascorbic acid content while reducing reactive oxygen species accumulation in Chinese cabbage seedlings J Scientia Horticulturae 2020 261 108924 30 Ouzounis T Parjikolaei B Frett X et al Predawn and high intensity application of supplemental blue light decreases the quantum yield of PSII and enhances the amount of phenolic acids flavonoids and pigments in Lactuca sativa J Frontiers in Plant Sciences 2015 6 1 14 31 Soborn Meas Kietsuda Luengwilai Thammasak Thongket Enhancing growth and phytochemicals of two amaranth microgreens by LEDs light irradiation J Scientia Horticulturae 2020 265 109204 32 Son K Oh M Leaf shape growth and antioxidant phenolic compounds of two lettuce cultivars grown under various combinations of blue and red light emitting diodes J Hortscience 2013 48 988 995