張亞芬，楊暉

（麗水學(xué)院生態(tài)學(xué)院，浙江 麗水323000）

光調(diào)控是一種科學(xué)有效、綠色無公害、精準(zhǔn)智能的植物生長調(diào)控手段，在滿足植物正常的生長發(fā)育對光照需求的前提下，對植物功能成分積累有著積極的促進(jìn)作用[1]。近年來，隨著光電技術(shù)的革新，人工光源被廣泛用于植物種植領(lǐng)域。熒光燈是氣體放電燈的一種，其中，冷白色直管熒光燈可用于植物生長照明，有較高的光通量輸出和較長的使用壽命，成本較低，應(yīng)用廣泛。發(fā)光二極管（light emitting diode,LED）是一類新型植物照明光源，可針對植物光譜吸收需求專門設(shè)計(jì)光輸出，被認(rèn)為是適合用于植物生長照明最有前景的光源[2-3]。

梔子（Gardenia jasminoides Ellis）是我國植物造景中常見的地被植物，屬茜草目（Rubiales）茜草科（Rubiaceae）梔子屬（Gardenia）香花植物，葉色翠綠，革質(zhì)，花白色，香氣濃郁，具有較高的觀賞性，是城市美化、道路綠化、庭院裝扮的理想植物。梔子的花與葉具有解毒、保肝、降壓等功效[4]，是原國家衛(wèi)生部頒布的第一批藥食兩用植物資源?，F(xiàn)代藥理試驗(yàn)表明，梔子花中的黃酮類化合物是梔子花主要的藥效成分[5]。近年來，梔子在藥品及保健食品中的應(yīng)用日益廣泛，國內(nèi)學(xué)者對梔子花的化學(xué)成分進(jìn)行了一系列的研究[6-11]，但對梔子葉的化學(xué)成分，特別是在不同人工光源處理下梔子葉的生化成分的研究未見報(bào)道。利用葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)能快速、無損地研究植物對光能的吸收、耗散和轉(zhuǎn)換的特性，能夠反映植物的光合能力及其對生長環(huán)境的適應(yīng)性[12-14]。本研究以梔子為材料，利用葉綠素?zé)晒鉁y定技術(shù)分析梔子葉在不同人工光源照射下的生長指數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)及葉片生化成分差異，探討梔子葉對不同輻射光能的利用和能量分配情況，以及影響梔子葉片生化成分的主要因素，揭示不同光質(zhì)對梔子葉光合生理功能的影響差異與生理生態(tài)適應(yīng)機(jī)制，以期為梔子的深入開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

梔子幼苗購自浙江省麗水市某花卉市場，選取生物量一致的12 盆梔子幼苗[株高（15±0.5）cm]進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)光源為市售飛利浦Lifemax系列三基色直管熒光燈，由昕諾飛（中國）投資有限公司生產(chǎn)；2種LED 燈板（分別命名為LED-1 和LED-2）定制于安徽昂科豐光電科技公司。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2019 年12 月在浙江省麗水市麗水學(xué)院生態(tài)實(shí)驗(yàn)中心人工氣候室進(jìn)行，光周期為光照/黑暗12 h/12 h；溫度為白天（23±1）℃，晚上（16±1）℃；相對濕度（65±3）%。將梔子幼苗分別置于熒光燈、LED-1和LED-2這3種光源下進(jìn)行光照處理，每個光源下放置4 盆梔子，共12 盆。用LI-250A 光照計(jì)（美國LI-COR公司）在梔子幼苗頂部受光面的9個點(diǎn)測定光量子通量密度并取平均值，通過調(diào)整梔子幼苗放置高度，將3 種光源的光量子通量密度統(tǒng)一調(diào)整為75 μmol/(m2·s)。試驗(yàn)期間，每盆梔子每隔3 d澆去離子水30 mL。

1.3 測定指標(biāo)與分析

1.3.1 生長指數(shù)測定

分別于光照處理后0、7、14、21 d，采用Dualex 4氮平衡指數(shù)測量儀（法國FORCE-A公司）測定葉片氮平衡指數(shù)（nitrogen balance index,NBI）、葉綠素指數(shù)、類黃酮指數(shù)、花青素指數(shù)，每個光處理選擇梔子幼苗頂部同一節(jié)位的成熟葉8 片，每片葉選取分布均勻的6個測定點(diǎn)[15]。

1.3.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定

采用德國Walz公司生產(chǎn)的MINI-PAM-Ⅱ脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒鈨x測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，每個處理選擇4片發(fā)育正常的葉，在處理的0、7、14、21 d用暗適應(yīng)葉夾處理5 h 后測定暗適應(yīng)下光系統(tǒng)Ⅱ（photosystemⅡ,PSⅡ）最大光化學(xué)量子效率（Fv/Fm）[16]和快速光曲線?？焖俟馇€的擬合采用PLATT 等提出的非線性方程[17]，以此得出快速光曲線的初始斜率α 和潛在最大相對電子傳遞效率（maximum relative electronic transport rate,rETRmax）。在光處理3、10、17 d 后測定植株上部相同葉位光適應(yīng)下的實(shí)際光化學(xué)量子效率（ФPSⅡ）。

1.3.3 葉片生化成分測定

于光照處理后21 d，每個處理選取8 片代表性葉，在105 ℃烘箱中殺青15 min，于80 ℃條件下烘干至恒量，粉碎過篩。采用酒石酸鐵比色法，參照GB/T 8313—2008 測定多酚含量；采用茚三酮顯色法，參考GB/T 8314—2002測定游離氨基酸含量；采用三氯化鋁比色法測定類黃酮指數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2013 和SPSS 18.0 軟件分別對生長指數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)和葉片生化成分進(jìn)行單因素方差分析和鄧肯多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光源的光譜特征分析

采用HAAS-200 高精度快速光譜輻射計(jì)（杭州遠(yuǎn)方光電公司）測量3種光源的光譜參數(shù)，結(jié)果如表1 所示。LED-1 的主波長為449 nm，紅藍(lán)光質(zhì)比為1.4；LED-2 的主波長為660 nm，紅藍(lán)光質(zhì)比為4.4；試驗(yàn)用熒光燈的主波長為545 nm，紅藍(lán)光質(zhì)比為0.8，紅光比例（25%）較低，藍(lán)光比例（32%）較高。熒光燈是根據(jù)人眼的峰值敏感波長（550 nm）而設(shè)計(jì)的，其光譜的綠光成分較多（41%），峰值波長位于黃綠光區(qū)域。而植物對紅光和藍(lán)光更敏感，波長400～520 nm的藍(lán)光和610～720 nm的紅光對植物的光合作用貢獻(xiàn)最大，紅光區(qū)域可以為植物生長提供最有效的營養(yǎng)，藍(lán)光次之。LED-2在可見波段紅光區(qū)域有較高的光輸出，其紅光占比高達(dá)50%，更有利于植物進(jìn)行光合作用。LED-1 紅藍(lán)光譜強(qiáng)度介于熒光燈和LED-2之間，但具有最大的紅光/遠(yuǎn)紅光質(zhì)比。

從3 種光源的絕對輻射光譜分布（圖1）可以看出：熒光燈光譜的最大峰值在綠光區(qū)，紅光、藍(lán)光占比較為接近；LED-1 的最大峰值在藍(lán)光區(qū)，綠光占比較少；LED-2 的最大峰值在紅光區(qū)，藍(lán)光占比極少。

2.2 不同光源處理對梔子葉片生長指數(shù)的影響

Dualex 4 氮平衡指數(shù)測量儀是利用雙重激發(fā)的葉綠素?zé)晒鉁y定葉片表面紫外吸收率，從而估測葉片多酚和葉綠素含量（葉綠素指數(shù)），這兩者的比值即為氮平衡指數(shù)（NBI）?；ㄇ嗨厥且活愃苄渣S酮類化合物，能夠提供反映植物生理狀況及其對環(huán)境脅迫響應(yīng)有價(jià)值的信息。由圖2A～B 可知，隨著處理時間的增加，在3 種光源照射下，梔子葉片氮平衡指數(shù)和葉綠素指數(shù)顯著增加（P＜0.05），就葉片葉綠素指數(shù)的變化而言，3 種光源之間沒有顯著性差異。就類黃酮指數(shù)的變化而言，在熒光燈和LED-2 照射下，梔子葉片類黃酮指數(shù)的變化規(guī)律一致，與0 d 相比，第14 天葉片類黃酮指數(shù)無顯著變化，但在21 d 時類黃酮指數(shù)顯著下降（P＜0.05；圖2C）。在LED-1 光照處理下，隨著照射時間的增加，梔子葉片類黃酮指數(shù)并無顯著變化；僅在處理7 d 時，LED-1 對梔子葉片類黃酮的影響與熒光燈和LED-2 存在顯著差異（P＜0.05；圖2C），其他處理時間3 種光源下梔子葉片類黃酮指數(shù)的變化并無顯著差異。3 種光源照射下，梔子葉片花青素指數(shù)隨時間的增加而顯著降低（P＜0.05；圖2D）。就葉片花青素指數(shù)的變化而言，3 種光源處理的梔子葉之間沒有顯著性差異。綜上所述，盡管3 種光源有著不同的光譜特征，但在相同的光照強(qiáng)度[75 μmol/(m2·s)]下，梔子葉的長勢良好，表現(xiàn)出對不同光質(zhì)較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

圖1 3種光源的絕對光譜分布Fig.1 Spectral distributions of three types of artificial light sources

表1 試驗(yàn)用人工光源的光譜參數(shù)Table 1 Spectral parameters for artificial light sources in this experiment

圖2 不同光源處理下梔子葉生長指數(shù)的變化Fig.2 Growth index dynamics of G.jasminoides leaves under different light source treatments

2.3 不同光源處理對梔子葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

最大光化學(xué)量子效率（Fv/Fm）是反映光系統(tǒng)Ⅱ活性中心光能轉(zhuǎn)換效率的重要參數(shù)，反映了植物對光能的利用效率。α是快速光曲線擬合后的初始斜率，表示光化學(xué)反應(yīng)的啟動速率，反映出光合器官對光能的利用效率。如圖3A 所示：處理21 d 后，3種光源處理下梔子葉片的Fv/Fm 均有下降，下降幅度為LED-1（1.68%）＞熒光燈（0.72%）＞LED-2（0.36%）；熒光燈與LED-2 對梔子葉片F(xiàn)v/Fm 的影響無顯著性差異，但隨著處理時間的延長，LED-1對梔子葉片F(xiàn)v/Fm的影響存在顯著差異（P＜0.05），表現(xiàn)為紅藍(lán)光質(zhì)比低的LED-1 會引起梔子葉片F(xiàn)v/Fm 顯著下降。如圖3B所示：隨著處理時間的增加，僅在LED-2光處理下梔子葉片的實(shí)際光化學(xué)量子效率（ФPSⅡ）值在10 d 后呈現(xiàn)顯著降低趨勢（P＜0.05）；與LED-1相比，LED-2處理更有利于梔子葉片保持最大的ФPSⅡ值；在處理后期，2種LED燈對梔子葉片ФPSⅡ值的影響存在顯著差異（P＜0.05）。與0 d相比，處理21 d后，梔子葉片的光能利用率（α）下降幅度為LED-2（28.89%）＞熒光燈（26.21%）＞LED-1（22.7%），LED-2 與LED-1 或熒光燈處理之間梔子葉片的光能利用率無顯著差異（圖3C）。植物的凈光合速率不僅與植物葉綠素含量有關(guān)，還與電子的傳遞速率和利用效率等參數(shù)相關(guān)，潛在最大相對電子傳遞速率（rETRmax）是無光抑制的最大相對電子傳遞速率，代表了葉片光合作用的最大能力。由圖3D 可見：僅有LED-2 處理14 d 后梔子葉的rETRmax顯著增加，其他2種光源在整個處理時間段內(nèi)對梔子葉的rETRmax無顯著影響；LED-2處理相對于熒光燈在處理14和21 d時對梔子葉的rETRmax變化均有顯著影響（P＜0.05）。這表明在LED-2 處理下梔子葉片PSⅡ具有較高的電子傳遞速率，能將光能及時傳遞出去。

圖3 不同處理下梔子葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化Fig.3 Chlorophyll fluorescence parameter changes of G.jasminoides leaves under different light source treatments

2.4 不同光源處理對梔子葉片功能成分的影響

由表2可見：在處理21 d后，2種LED光源下梔子葉片類黃酮含量無顯著差異；與2 種LED 光源處理相比，熒光燈處理下梔子葉片類黃酮含量極顯著增加（P＜0.01），可能是熒光燈中比較多的綠光促進(jìn)了類黃酮的合成，具體機(jī)制有待進(jìn)一步驗(yàn)證。與其他2 種光源處理相比，LED-2 處理后梔子葉片的多酚含量和游離氨基酸含量顯著（P＜0.05）和極顯著（P＜0.01）增加。3 種光源處理對梔子葉的含水量無顯著性影響。

表2 不同光源處理21 d后對梔子葉片生理生化指標(biāo)的影響Table 2 Effects of different light sources on physiological and biochemical indexes of G.jasminoides leaves after 21 d

3 討論與結(jié)論

植物體內(nèi)光敏色素和隱花色素能夠吸收不同波長的光從而表現(xiàn)出不同的活性，這是光質(zhì)調(diào)控植物生長發(fā)育的機(jī)制[18]。自然環(huán)境下，進(jìn)入傍晚后，太陽光中紅光與遠(yuǎn)紅光的比值會顯著下降，誘導(dǎo)植物體內(nèi)光敏色素從吸收遠(yuǎn)紅光（Pfr 型）很快轉(zhuǎn)化為吸收紅光（Pr型），引起植物相應(yīng)的生理生化反應(yīng)[19-21]。本研究的結(jié)果表明，與2種LED光源處理相比，經(jīng)過具有較低的紅光與遠(yuǎn)紅光比值的熒光燈光源處理后，梔子葉能積累更多的類黃酮。PSⅡ的最大光化學(xué)量子效率是反映環(huán)境脅迫對光合作用影響的重要指標(biāo)。在非脅迫條件下，對于不同種類和生態(tài)型的植物，梔子葉片的Fv/Fm 值基本穩(wěn)定在0.832±0.004 之間，而在脅迫條件下，梔子葉片的Fv/Fm 值降低，表明PSⅡ光化學(xué)量子效率下降[22-23]。實(shí)際ФPSⅡ反映了葉片用于光合電子傳遞的能量占吸收光能的比例，是光適應(yīng)條件下PSⅡ的光化學(xué)量子效率，反映了在部分PSⅡ反應(yīng)中心關(guān)閉情況下的原初光能捕獲效率。高ФPSⅡ有利于提高植物的光能轉(zhuǎn)化效率，為暗反應(yīng)的碳同化積累更多的能量，其數(shù)值的下降可認(rèn)為是PSⅡ功能的下降。葉綠素是光能捕獲的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量能夠反映葉片的養(yǎng)分狀況、植物的脅迫及衰老狀況[24-25]，氮平衡指數(shù)（NBI）是葉綠素與類黃酮含量的比值，能快速檢測作物氮肥的盈虧狀況[26]，花青素的積累是由強(qiáng)光、中波紫外線、低溫、干旱等環(huán)境脅迫引起的[27]。試驗(yàn)中3種光源并沒有引起梔子葉片花青素的積累，花青素含量反而下降。植物適應(yīng)環(huán)境總是沿著有利于光合作用的方向發(fā)展，以保證弱光下能最大限度地捕獲光能用于光合作用。本試驗(yàn)中的光照強(qiáng)度僅為75 μmol/(m2·s)，LED-1處理引起PSⅡ的Fv/Fm的降低，表明LED-1照射對梔子葉片具有潛在的負(fù)影響，造成一定的弱光脅迫，為捕獲更多的光能，部分植物在弱光環(huán)境下會通過合成大量葉綠素去適應(yīng)弱光環(huán)境。綠光對植物生長的影響還頗受爭議。有報(bào)道表明，在白光基礎(chǔ)上增補(bǔ)低強(qiáng)度［30 μmol/(m2·s)］的綠光有利于生菜的生長及可溶性糖、粗蛋白及維生素C 含量的增加[28]。本研究中，綠光占比最大的熒光燈照射促進(jìn)了梔子葉片類黃酮的積累，這表明綠光參與了植物光合作用并影響了植物的光合能力，產(chǎn)生了補(bǔ)償性作用[29-30]。

綜上所述，LED燈相較于目前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域常用的熒光燈而言，具有光量可調(diào)節(jié)、光質(zhì)可調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)。本試驗(yàn)中使用的2種LED燈以紅藍(lán)光源為主?？紤]到綠光、紫外光、遠(yuǎn)紅光對植物生長不可忽視的作用，開發(fā)適合梔子生長的LED 燈應(yīng)考慮在本試驗(yàn)LED燈的基礎(chǔ)上，輔以白色LED燈，適度增加綠光、遠(yuǎn)紅光和紫外線，以促進(jìn)梔子葉中類黃酮、多酚、游離氨基酸等功能成分的最大積累。