LED光質(zhì)對紫背天葵揮發(fā)油和酚類成分積累的影響

任 錦，郭雙生，，沈韞賾

（1.西北工業(yè)大學(xué)生命學(xué)院，陜西西安710072；2.中國航天員科研訓(xùn)練中心，人因工程重點實驗室，北京100094）

LED光質(zhì)對紫背天葵揮發(fā)油和酚類成分積累的影響

任 錦1，郭雙生2，1，沈韞賾2

（1.西北工業(yè)大學(xué)生命學(xué)院，陜西西安710072；2.中國航天員科研訓(xùn)練中心，人因工程重點實驗室，北京100094）

為了探索促進紫背天葵在受控環(huán)境中更好地積累生物活性成分的有效光質(zhì)條件，采用3種LED光源（R60B30G10/60%紅光+30%藍光+10%綠光，R70B20G10/70%紅光+20%藍光+10%綠光，R60B20G20/60%紅光+20%藍光+20%綠光）研究了光質(zhì)條件對紫背天葵次級代謝物（揮發(fā)油和酚類）的影響。結(jié)果表明：與R70B20G10光質(zhì)相比，R60B20G20光質(zhì)顯著增加了萜烯類物質(zhì)（α，β-石竹烯）的積累，降低了醛類成分（綠葉揮發(fā)物）在香氣物質(zhì)中的比例，而R60B30G10與此結(jié)果相反；與其它光質(zhì)相比，R60B30G10光質(zhì)增加了總花色苷和總黃酮的含量，而在R70B20G10和R60B2OG20光質(zhì)條件下這些物質(zhì)的含量沒有顯著差異；與其它光質(zhì)相比，R70B20G10光質(zhì)增加了β-胡蘿卜素積累和植物葉片提取物的抗氧化活性（DPPH），而R60B20G20光質(zhì)則顯著降低了β-胡蘿卜素的含量。因此，R70B20G10為適合于紫背天葵積累更多有用次級代謝產(chǎn)物及提高其營養(yǎng)和藥用價值的光質(zhì)條件。

LED光質(zhì)；紫背天葵；萜烯類；酚類

1 引言

長期載人航天飛行任務(wù)和月球、火星等地外星球定居與開發(fā)需要建立受控生態(tài)生保系統(tǒng)（controlled ecological life support system，CELSS），航天員食用該系統(tǒng)中富含抗氧化劑的新鮮蔬菜可有效提高抗空間輻射的能力［1］。紫背天葵，是一種具有較高營養(yǎng)及藥用價值的沙拉型蔬菜，可成為適合于CELSS種植的一種富含抗氧化劑的可食用植物。目前的研究表明紫背天葵比其它蔬菜和常用的可食用抗氧化劑具有更高的抗氧化活性［2］。紫背天葵中較多次級代謝類活性成分在其中起到非常重要的作用，比如酚類［3］和萜烯類揮發(fā)油［4］等。因此，提高植物中這些有益活性成分是很必要的。光質(zhì)是影響這些物質(zhì)積累的重要因子。LED燈由于其具有體積小，波長可精確控制、低熱輻射性和壽命長等優(yōu)勢，目前已經(jīng)成為CELSS中的首選光源［5］。目前研究表明藍色LED光質(zhì)比例增加可促進櫻桃番茄果實中番茄紅素和類黃酮的形成［6］。紅藍LED光質(zhì)對豌豆苗抗氧化活性研究表明較多紅光有利于β-胡蘿卜素的積累［7］。而綠色LED光質(zhì)可能會通過影響植物葉片上香茅簇腺體的數(shù)量來增加或減少可揮發(fā)性物質(zhì)的積累［8］。這些結(jié)果都表明通過優(yōu)化光質(zhì)條件可以提高植物中有益生物活性成分的含量。在前期的工作中，我們側(cè)重研究了高CO2濃度對紫背天葵酚類及其抗氧化能力的影響［9］。而本文將深入研究紅藍綠LED復(fù)合光質(zhì)對紫背天葵酚類和萜烯類揮發(fā)油積累的影響。因此，本文旨在受控環(huán)境下篩選能使紫背天葵積累較多有益生物活性成分的有效光質(zhì)條件，實驗結(jié)果可為航天員提供營養(yǎng)豐富可食的新鮮蔬菜，也可為太空農(nóng)場的建立提供理論依據(jù)，甚至在民用蔬菜生產(chǎn)中獲得推廣。

2 材料與方法

2.1 植物材料及生長條件

光照系統(tǒng)：包括三種光源——紅色LED（1 W，625～630 nm），藍色LED（1 W，460～463 nm），綠色LED（1W，524～527 nm）。本實驗中的光照處理設(shè)置為：R60B30G10（60%紅光+30%藍光+ 10%綠光），R70B20G10（70%紅光+20%藍光+ 10%綠光）和R60B20G20（60%紅光+20%藍光+ 20%綠光）。所有的光質(zhì)模塊區(qū)都置于一個受控環(huán)境艙中［11］，使植物處于同樣的環(huán)境條件下，各處理間用非反射板相隔以避免光質(zhì)污染。各光質(zhì)處理的具體光合有效輻射強度見表1。

本實驗在一個受控環(huán)境試驗艙［10］中進行。紫背天葵扦插幼苗（江蘇省宿遷美利紅楓園林有限公司）生長于一種大小為15 cm（高）×17 cm（上部直徑）×12 cm（底部直徑）的圓形塑料盆中，盆中裝有多孔陶瓷顆粒和珍珠巖混合基質(zhì)（1∶2），每隔一天澆灌新鮮的營養(yǎng)液（日本園試茼蒿配方，電導(dǎo)率為2～2.5 ms·cm-1，PH值為6.3～6.4）以確保足夠的營養(yǎng)和水分供應(yīng)。每盆中定植一棵健壯的幼苗，花盆在生長區(qū)內(nèi)隨機放置，每個生長區(qū)放置12盆植物，每個處理設(shè)置3個重復(fù)生長區(qū)。幼苗在定值后先在弱光下放置3天以適應(yīng)新的環(huán)境和培養(yǎng)條件，然后轉(zhuǎn)移至不同的光質(zhì)處理區(qū)，光合有效輻射強度為250±5μmol· m-2·s-1（植物冠層上方20 cm處，并隨著植物的生長做調(diào)整），光周期為16/8 h光/暗。在每個光質(zhì)模塊區(qū)內(nèi)，花盆每隔一天隨機移動位置以避免任何位置效應(yīng)。艙內(nèi)空氣相對濕度和溫度分別保持在60%±5%和24℃/19℃±1℃（晝/夜）范圍內(nèi)。生長周期30天。艙內(nèi)風(fēng)速大約為0.8 m· s-1。所有這些環(huán)境參數(shù)通過集成控制和監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件（LabVIEW，USA）監(jiān)控。除了光質(zhì)外，每個實驗的其它環(huán)境條件和植物培養(yǎng)方式都保持一致。

植物葉片于第30天收獲，新鮮的葉片液氮立即速凍后于凍干機48 h完全凍干，以避免由于相關(guān)酶活性的變化產(chǎn)生的生物化學(xué)方面的改變。凍干的樣品密封存于-20℃直至進行分析。

2.2 揮發(fā)油的分析及測定

揮發(fā)油的頂空固相微萃取（定性分析）和溶劑萃取（定量分析）程序及氣相色譜-質(zhì)譜分析（GC-MS）條件參照Ren等（2014b）［11］。

鑒定組分的相對百分比從GC（FID）峰面積的平均值獲得。半定量數(shù)據(jù)通過內(nèi)標法計算，F(xiàn)ID響應(yīng)因子使用內(nèi)標和被分析成分的有效碳數(shù)進行理論計算，這是基于FID響應(yīng)因子與化合物的有效碳數(shù)之間的正相關(guān)性。而α，-β-石竹烯的定量計算采用外標法，α，-β-石竹烯標品購買于ChromaDex。

化合物鑒定檢測到的化合物的線性保留指數(shù)（RIs）使用n-烷烴類（C6-C30）作為標準品計算。揮發(fā)油組分的鑒定通過與相關(guān)文獻、商業(yè)化數(shù)據(jù)庫（NIST08.L）和一些已經(jīng)出版的質(zhì)譜比較它們的RIs和質(zhì)譜（DB-5MS柱）。

2.3 酚類及其抗氧化活性測定

總花色苷，黃酮及總酚酸含量的測定參照Ren等（2014a）［9］。抗氧化活性通過自由基清除活性（DPPH）分析法測定，方法參照Ozgen（2006）［12］。Vc被用作標準品繪制標準曲線，抗氧化能力表示為每100 g植物干樣中相當(dāng)于Vc的毫克數(shù)。每樣做三個重復(fù)。

2.4 β-胡蘿卜素測定

β-胡蘿卜素的測定參照國標GB/T5009.83-2003。

2.5 統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)采用SAS9.2（SAS Inc.，Cary，NC）統(tǒng)計軟件ANOVA程序進行方差分析，并對不同處理的平均值進行多重比較（Duncan，P= 0.05），以P＜0.05和P＜0.01作為統(tǒng)計學(xué)顯著和極顯著意義。

3. 結(jié)果與討論

3.1 揮發(fā)性成分的定性分析

本文采用頂空固相微萃取氣質(zhì)聯(lián)用分析（HS-SPME-GC-MS）生長于不同LED光質(zhì)條件下紫背天葵葉子中的揮發(fā)油成分（表2），共鑒定出28種化合物。不同光質(zhì)條件下?lián)]發(fā)性物質(zhì)的組成基本相似，其中己醛、2-己烯醛、（E，E）-2，4-己二烯醛、α，β-石竹烯和雙環(huán)吉馬烯是主要組分。這與其它的研究結(jié)果有所不同［4］，比如并未檢測到大量的α-蒎烯，但是本研究中卻檢測到大量的綠葉揮發(fā)物成分（C6醛）及較多的抗氧化劑丁羥甲苯，這可能是由于分析方法不同，植物的基因型及生長的環(huán)境不一樣造成的。C6醛屬于低沸點高揮發(fā)性成分，而固相微萃取法能夠盡可能減少萃取過程中高揮發(fā)性成分的損失，可以較為真實地反映植物葉片中的香氣組成。

不同光質(zhì)條件下，R60B20G20光質(zhì)組的己醛、己烯醛和（E，E）-2，4-己二烯醛百分含量明顯低于R60B30G10和R70B20G10光質(zhì)組。而α，β-石竹烯和雙環(huán)吉馬烯的百分含量顯著高于R60B30G10和R70B20G10光質(zhì)組（表2）。這與圖1中不同光質(zhì)條件下醛類和萜烯類占總揮發(fā)油的比例變化相一致。R60B30G10和R70B20G10光質(zhì)組醛類和萜烯類占總揮發(fā)油的比例沒有顯著性差異。結(jié)果說明，綠光從10%升到20%顯著增加了萜烯類物質(zhì)的比例，而減少了醛類物質(zhì)的百分含量。而當(dāng)綠光為10%時，紅藍光比例的變化并沒有顯著影響到萜烯類和醛類物質(zhì)的組成變化。即較多的綠光明顯影響了植物揮發(fā)性物質(zhì)的組成。醛類比例隨著綠光比例

增加而降低是可能由于萜烯類揮發(fā)性油實際含量增加導(dǎo)致的，也可能是實際含量降低導(dǎo)致的。

醛類成分，這里主要是C6和C9醛，也稱綠葉揮發(fā)物，由于它的新鮮綠色氣味被廣泛用于食物香料。這些短鏈醛類由植物體內(nèi)的亞油酸和亞麻酸經(jīng)一系列酶促反應(yīng)快速形成，在傷口愈合和抗蟲性方面起到重要作用［13］。其一方面是植物防御反應(yīng)的信號分子，另一方面它是吸引傳粉者和天敵的重要信號分子。由于光質(zhì)比例變化會明顯影響紫背天葵葉片的香氣組成變化，特別是綠光的加入，減少了那些易揮發(fā)性香氣成分的積累，這可能會對將來的受控生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。

圖1 不同光質(zhì)條件紫背天葵葉片中不同類揮發(fā)性物質(zhì)的百分比（%）變化Fig.1 Proportion（%）of volatile compounds classes in essential oils from G.bicolor leaves under different light qualities

3.2 揮發(fā)油成分的定量分析

萜烯類揮發(fā)油含量在不同光質(zhì)處理下具有顯著差異（表3），從表4可以看出萜烯類揮發(fā)油含量在R60B20G20光質(zhì)處理下最高，R70B20G10光質(zhì)處理下其次，而在R60B30G10光質(zhì)處理下最低。與R60B30G10光質(zhì)組相比，R60B20G20光質(zhì)組的總萜類含量增加了25.9%，R70B20G10光質(zhì)組增加了17.4%。與R70B20G10光質(zhì)組相比，R60B20G20光質(zhì)組的總萜類含量增加了7.3%。即較多的綠光有利于萜烯類物質(zhì)的積累，紅光次之，而較多的藍光與此相反。

由于固相微萃取定性分析揮發(fā)性物質(zhì)時僅表明了各組分的相對含量，不能反映各組分的真實含量，因此我們采用溶劑萃取法對主要的萜烯類物質(zhì)進行了定量分析。由于醛類屬于低沸點高揮發(fā)性成分，溶劑萃取過程中其已經(jīng)完全損失，因此醛類成分未能出現(xiàn)在定量分析的數(shù)據(jù)表中。表5列出了一些主要的揮發(fā)性萜類成分在不同光質(zhì)條件下的絕對含量變化。主要萜類成分（α，β-石竹烯）在不同光質(zhì)處理條件下的表現(xiàn)趨勢與總萜類成分的產(chǎn)量相一致。其中，與R60B30G10光質(zhì)組相比，R60B20G20光質(zhì)組的β-石竹烯含量增加了38.2%，R70B20G10光質(zhì)組增加了19.3%；α-石竹烯含量在R60B20G20光質(zhì)組增加了19.5%，R70B20G10光質(zhì)組增加了11.4%。

光質(zhì)處理條件對各萜類成分的含量影響較為復(fù)雜，目前關(guān)于光質(zhì)條件對植物揮發(fā)性成分的研究較少［14］。然而，有研究指出紅光增加了薄荷腦的含量，它是野生薄荷揮發(fā)油的主要成分。而紫蘇葉子中紫蘇醛和檸檬烯的含量在綠光處理時高于其它富含紅光的光質(zhì)處理，而接近于藍光和藍綠光處理［12］。Yoshida等（1968）的研究［15］發(fā)現(xiàn)綠色葉片的紫蘇植物揮發(fā)油含量會隨著單位葉面積上盾狀腺毛體數(shù)量的增加而增加。盾狀腺毛體源于葉表面細胞，它是揮發(fā)性油合成和積累的主要位點［16，17］。因此，Nishimura等（2009）［8］推斷綠光處理會增加植物表面盾狀腺毛體數(shù)量，使得揮發(fā)油含量也隨之增加。這可能是本研究中較多綠光處理時萜烯類揮發(fā)油比其它處理高的原因之一。

表3 不同光質(zhì)條件下紫背天葵葉片的生物化學(xué)特性的單因子ANOVA統(tǒng)計顯著性Table3 Significance of a one-way ANOVA of biochemistry traits of G.bicolor leaves under different light qualities

表4 紫背天葵次級代謝產(chǎn)物含量在不同光質(zhì)條件下的變化Table 4 Changes of secondary metabolites contents in G.bicolor under different light qualities

表5 紫背天葵主要萜類成分的定量（m g g-1DW）變化受到不同光質(zhì)的影響Table5 Quantitative（mg g-1DW）changes ofmain volatile terpenoids components in G.bicolor as influenced under different light qualities

萜烯類揮發(fā)性油同樣被用作天然香料，一些生物活性成分物質(zhì)對人類的健康有益，除了這些，萜烯類揮發(fā)性油在直接和間接植物防御植食性昆蟲及病菌方面起到重要作用。紫背天葵中的主要萜烯類成分α，β-石竹烯，研究已經(jīng)表明其具有重要的藥理活性，例如抗菌，消炎，抗癌，抗氧化及局部麻醉活性。最近的研究表明石竹烯是一種可食用大麻素［18］，是食物中存在的一種非精神性的大麻素受體（CB2）激動劑，與經(jīng)典大麻素的結(jié)構(gòu)不一樣，不具有任何精神副作用，能夠保護大腦細胞缺血帶來的損傷［19］。由于它在不同疾病組織能活化大量的CB2受體，因此，它在臨床上的治療性是比較廣泛的。綠光比例增加時其含量也顯著增加，一方面，增加了該植物的有效藥用成分，提高其藥用價值，另一方面，這些物質(zhì)的增加還能使植物更好的防御外來植食性昆蟲及病菌帶來的傷害，使植物健康生長。

3.3 酚類及抗氧化活性

紫背天葵中的酚類，包括花色苷，黃酮及其它酚酸類，天然抗氧化劑，是苯丙烷代謝途徑中的的產(chǎn)物，在人類對抗活性氧帶來的傷害時具有重要的作用。表3所示，不同光質(zhì)處理對植物葉子中的花色苷，黃酮含量及葉片提取物的抗氧化活性（DPPH法）有顯著影響，而對多酚含量沒有顯著性差異。

花色苷和黃酮含量在R70B20G10和R60B20G20光質(zhì)組間沒有顯著差異，而R60B30G10光質(zhì)組與R7020G10相比，花色苷含量增加了13.8%，黃酮含量增加了6.5%（表4）。R7020G10光質(zhì)組的葉片提取物的抗氧化活性（DPPH）分別高于R60B30G10光質(zhì)組7.2% R60B20G20光質(zhì)組6.5%。這些結(jié)果說明藍光有利于花色苷，黃酮的積累，而在藍光一定的基礎(chǔ)上，紅綠光的增加與否對其沒有顯著性影響。花色苷和黃酮的生物合成屬植物次生代謝的苯丙烷代謝途徑，研究表明藍光會刺激苯丙烷途徑中物質(zhì)的生物合成［20］，因為在此生物合成途徑中的兩個關(guān)鍵酶CHS和DFR基因表達量受到藍光調(diào)控［21］。研究表明藍光比例增加可促進櫻桃番茄果實中番茄紅素和類黃酮的形成，且藍光比例占60%的紅藍光組合光源是櫻桃番茄果實品質(zhì)相對較好的光源［6］。較多紅光似乎增加了植物葉片提取物的自由基清除活性（抗氧化能力），這與Wu等（2007）［7］的研究一致，即豌豆幼苗的丙酮和乙醇提取物的TEAC值在紅光輻射下明顯增加。由于紅光能夠增加植物體內(nèi)的細胞分裂素水平［22］，從而刺激酚酸類物質(zhì)的合成積累［23］，然而，多酚類物質(zhì)在各光質(zhì)處理間沒有顯著性差異的原因可能是本研究中紅光對酚類物質(zhì)的影響已達到飽和，因為本文中紅光比例占到60%以上。

3.4 β-胡蘿卜素

表3可看出，不同光質(zhì)處理對植物β-胡蘿卜素含量有極顯著影響（p＜0.0001）。R7020G10光質(zhì)組的β-胡蘿卜素含量分別高于R60B30G10光質(zhì)組6.5%，R60B20G20光質(zhì)組50.1%。這說明較多紅光有利于β-胡蘿卜素的積累，藍光次之，而綠光顯著降低了β-胡蘿卜素的合成（表4）。有研究［21］表明LED輻射下的豌豆幼苗的β-胡蘿卜素在紅光下最高，藍光次之，白光隨后，即紅光刺激了β-胡蘿卜素的積累。這與本研究一致。但是也有研究［24］證明β-胡蘿卜素的含量會隨著藍光的增加而增加，因為β-胡蘿卜素的吸收光譜在藍光波段（460 nm）。但是β-胡蘿卜素在紅藍光下的具體機制不清楚。此外，β-胡蘿卜素一方面可以作為捕光色素參與光合作用，另一方面可以保護葉綠素免受強光降解。由于在紅藍光背景中加入綠光時生長的植物會具有遮蔭下植物的表現(xiàn)特征［25］，植物不需要合成較多的β-胡蘿卜素進行非光化學(xué)猝滅以避免強光對葉綠體帶來的損傷，這可能是較多綠光下β-胡蘿卜素顯著降低的原因。

4 結(jié)論

總之，受控環(huán)境中，紅藍綠光質(zhì)比例變化顯著地影響了紫背天葵中不同類次級代謝產(chǎn)物的積累。綠光比例升高增加了萜烯類物質(zhì)的積累，降低了醛類成分（綠葉揮發(fā)物）在葉片香氣中的比例；藍光比例升高增加了花色苷和黃酮類物質(zhì)的含量；紅光比例升高增加β-胡蘿卜素的含量及植物提取物的抗氧化活性（DPPH）；但是較多藍光不利于萜烯類物質(zhì)的積累，較多綠光不利于β-胡蘿卜素的合成積累，又因為植物生物量在這三種光質(zhì)下沒有顯著性差異（數(shù)據(jù)未顯示），因此，綜合來講，R70B20G10為較適合于紫背天葵積累較多有益生物活性成分的光質(zhì)條件。這些研究成果可以幫助我們在未來的植物艙中有效地設(shè)計合適的光環(huán)境使這種蔬菜具有更好的營養(yǎng)及藥用價值。另一方面，還可以為使紫背天葵成為航天員新鮮蔬菜飲食單的一員提供理論根據(jù)。

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Effects of LED Light Quality on the Accumulation of Essential Oils and Phenols in Gynura Bicolor DC

REN Jin1，GUO Shuangsheng2，1，SHEN Yunze2
（1.Faculty of Life Sciences，Northwestern Polytechnical University，Shaanxi Xi'an 710072，China；2.National Key Laboratory of Human Factors Engineering，China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China）

To explore the efficient illuminant for Gynura bicolor DC to producemore bioactive compounds under controlled environments，three LED illuminants of R60B30G10（60%Red lights+ 30%Blue lights+10%Green lights），R70B20G10/（70%Red lights+20%Blue lights+10% Green lights）and R60B20G20（60%Red lights+20%Blue lights+20%Green lights）were applied to investigate the effects of light quality on the accumulation of secondary metabolites（essential oils and phenols）.Results showed that R60B20G20 light treatment significantly increased the accumulation of terpenes（α，β-caryophyllene）and reduced the proportion of aldehydes（green leaf volatiles）in total volatiles，but such trend conversed in R60B30G10 light group.The contents of total anthocyanins and flavonoidswere promoted in R60B30G10 light treatment as compared with other light groups，and there were no difference between R70B20G10 and R60B2OG20 light conditions.In comparison to other light conditions，R70B20G10 lightgroup enhanced the accumulation of β-carotene and antioxidative capacity（DPPH assay）of leaf extract，whereas R60B20G20 light group evidently decreased the accumulation ofβ-carotene.Therefore，artificial LED lighting of R70B20G10 was a suitable condition for Gynura bicolor DC to produce more beneficial secondary metabolites and improve nutritional and medicinal value under controlled environment.

LED light quality；Gynura Bicolor DC.；terpenes；phenols

V524.2

A

1674-5825（2014）04-0386-07

2014-04-0；

2014-06-20

人因工程重點實驗室自主研究基金（HF11ZZB06）

任錦（1986-），女，博士研究生，研究方向為受控生態(tài)生保系統(tǒng)。Email：yanjiushengrj@126.com