蕹菜芽苗菜對LED光強和光質的生長響應

趙 碩 趙柯涵 陳子義 章競瑾 黃丹楓

（上海交通大學農業與生物學院，上海 200240）

芽苗菜是利用作物的種子等繁殖材料，在黑暗或弱光條件下培育成供食用的幼嫩芽苗、芽球、幼莖或嫩梢等（周秦 等，2017），其營養豐富、清潔健康、口感獨特，深受廣大消費者喜愛（張德純和王德檳，1998；楊鳳軍 等，2013）。蕹菜（Ipomoea aquaticaForsk.）又稱空心菜，其芽苗菜生長周期短，生產過程中不使用化肥、激素和農藥，是綠色健康的活體蔬菜，且蕹菜芽苗菜口感柔嫩，具有防癌、防暑解熱、降脂減肥等保健作用，已成為芽苗菜生產的主要品種之一（張靜 等，2011）。目前，上海地區已有相關企業（如上海星輝蔬菜有限公司）在大規模地進行蕹菜芽苗菜的商品化生產和銷售。

光照是影響植物生長最重要的因素之一，發光二極管（light emitting diode，LED）是一種新型照明光源，具有體積小、壽命長、使用直流電、低發熱量等優點，植物工廠LED照明是設施農業照明研究的前沿和重要內容（魏靈玲 等，2007；劉文科和楊其長，2015）。應用LED改進芽苗菜的生長方式來提高芽苗菜產量及營養品質已引起廣泛重視，并成為設施栽培范疇新的研究熱點（崔瑾 等，2014；陳亞云和康玉凡，2016）。

張毅華等（2013）研究表明，與黑暗培養相比，光強 為 3～9 μmol·m-2·s-1的處理有利于黑豆芽苗菜的生長和部分營養品質的改善。王德檳等（1996）研究認為，芽苗菜生長期間如果光照過弱或不足，易引起下胚軸或莖葉柔長、細弱，并導致倒伏、腐爛和減產；如果光照過強則將促使纖維提前形成，不利于優質產品的形成。在光質方面，前人研究發現與白光處理相比，紅藍復合光處理顯著提高了3種豌豆芽苗菜的可溶性糖、抗壞血酸（VC）等營養物質的含量（耿靈靈 等，2017）；在蘿卜芽苗菜上的研究表明紅光與紅藍光組合處理的可溶性糖含量和淀粉含量均顯著高于熒光燈對照（張歡等，2009）；在香椿芽苗菜上的研究也發現藍光和紅藍光處理顯著提高了其氨基酸含量（劉素慧和張立偉，2015）。

蕹菜芽苗菜的生產要經過催芽和綠化兩大階段，目前在蕹菜芽苗菜生產中普遍采用日光作為綠化光源，少數情況下也會采用LED作為綠化光源。在蕹菜芽苗菜生產中存在著“脫殼難”的問題，即蕹菜種子萌發后種皮不能正常脫去，導致生長過程中子葉無法正常展開，從而影響最終的產量和品質。目前國內關于不同LED光強或光質對蕹菜芽苗菜生長的影響研究鮮有報道，本試驗以闊葉空心菜為試材，研究了蕹菜芽苗菜對LED光強和光質的生長響應，以期為建立適宜蕹菜芽苗菜工廠化生產的LED光源配方提供依據，達到高產優質的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試蕹菜品種為闊葉空心菜，種子由安徽荃銀高科種業股份有限公司提供。

1.2 試驗方法

試驗于2018年1～2月在上海交通大學農業與生物學院進行。采取完全隨機區組設計，綠化階段的光強處理設置3個水平：3 000 lx（L3000）、7 000 lx（L7000）、11 000 lx（L11000）；光質處理設置 3 個水平：紅∶藍∶白光燈珠數量比 =7∶1∶1（RBW7∶1∶1）、紅∶藍∶白光燈珠數量比 =4∶1∶1（RBW4∶1∶1）、紅∶藍∶白光燈珠數量比 =1∶1∶1（RBW1∶1∶1），以白光處理作對照（W），各處理光譜圖見圖1；各處理組合詳見表1。

圖1 光質處理光譜圖

表1 試驗處理組合

選取顆粒飽滿、大小均勻、無蟲蛀殘破霉變的蕹菜種子，用無菌水清洗5遍，然后用70 ℃的無菌水燙種1 min，在25 ℃的無菌水中浸種24 h。將洗凈的育苗盒（長19 cm，寬13 cm，高8 cm）用次氯酸鈉溶液消毒后濾洗干凈，平鋪一層濕潤的無紡布，將蕹菜種子均勻播入育苗盒中，在（25±2）℃、80%相對濕度的HQH-250型人工氣候培養箱（上海慧泰儀器制造有限公司制造）黑暗催芽5 d，每天噴6次無菌水。

催芽階段結束后，蕹菜芽苗菜進入綠化處理階段。每個處理設置3次重復，每重復播種3個育苗盒，每個育苗盒播100粒種子。光周期設置為12 h·d-1，控制培養箱內溫度在25 ℃、相對濕度80%，每天噴6次無菌水。綠化處理5 d后各處理隨機取樣，3次重復；于液氮中快速冷凍，-80 ℃冰箱保存，用于相關生理生化指標的測定。

定制LED燈管（山東貴翔光電有限公司制造），通過改變紅、藍、白燈珠不同數量以提供不同光質，通過調節燈管數量及其與育苗盒的垂直距離，使光強滿足處理條件。光強采用光譜分析儀（cl-500A，Konica Minolta，Inc，Japan）在氣候箱載物托架的9個點進行測定，光譜使用臺灣群智Asense Tek照明護照智能手持光譜儀（ALP-1，購于上海和晟儀器科技有限公司）在距離光源正下方30 cm處采集數據，光源的光譜分布見圖1，其中紅光波峰為660 nm，藍光波峰為450 nm。

1.3 測定項目

1.3.1 形態指標 綠化處理5 d后，統計蕹菜芽苗菜的脫殼率，脫殼率為蕹菜種子在綠化時脫去種皮的數目（子葉正常展開）占播種總數目的比例；每個育苗盒隨機選取10株，去根后用蒸餾水反復沖洗，吸去表面多余水分后測定可食部分鮮質量；105 ℃烘箱殺青，然后80 ℃條件下烘至恒重，測定可食部分干質量。干、鮮質量均采用萬分之一天平測定。每個育苗盒隨機選取10片子葉剪下，利用Matlab軟件分析工業相機拍攝子葉所得照片，可得其葉面積。

1.3.2 生理生化指標 葉綠素含量采用直接浸提法測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定，抗壞血酸（VC）含量采用紫外分光光度法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250法測定（高俊鳳，2006）。

1.4 圖像處理與數據分析

1.4.1 圖像處理 葉面積圖像使用Matlab（R2014a，The MathWorks，Natick，MA，USA）軟件自行編程處理計算葉面積。

1.4.2 數據分析 因為通過測定的各指標篩選出的最優光照環境培養條件不完全一致，為了綜合各指標得出適合蕹菜芽苗菜生長的最優光照環境條件，采用主成分分析的方法進行綜合評價。采用SPSS 19.0軟件處理試驗數據并進行差異顯著性分析和主成分分析，處理間均值多重比較利用Duncan’s新復極差法，采用Excel 2016軟件進行數據整理，試驗結果為3次重復的平均值。

2 結果與分析

2.1 不同LED光強和光質對蕹菜芽苗菜形態指標的影響

2.1.1 脫殼率 從表2可以看出，綠化階段結束時處理L7000RBW4∶1∶1的脫殼率顯著高于其他處理，處理L11000RBW7∶1∶1的脫殼率顯著低于其他處理。不同光強水平下，脫殼率隨光質配比變化的規律不一致，3 000 lx時，3種光質處理及白光對照間差異不顯著；7 000 lx時，處理L7000RBW4∶1∶1的脫殼率顯著高于其他處理；11 000 lx時，白光對照的脫殼率顯著高于3種光質處理。不同光質水平下，除白光對照外，蕹菜芽苗菜的脫殼率均隨著光強的增大呈先升高后降低的變化趨勢。

表2 不同LED光強和光質對蕹菜芽苗菜形態指標的影響

2.1.2 可食部分干、鮮質量 從表2可以看出，不同光強和光質處理對蕹菜芽苗菜可食部分鮮質量均無顯著影響。光強為7 000 lx時，白光對照的可食部分干質量顯著低于3種光質處理，而3種光質處理間差異不顯著。不同光質水平下，除白光對照外，L7000各處理的可食部分干質量均顯著高于相應的L3000處理。

2.1.3 子葉葉面積 從表2可以看出，處理L3000RBW7∶1∶1蕹菜芽苗菜的子葉葉面積最大，顯著高于除L3000W外的其他處理。光強為7 000、11 000 lx時，子葉葉面積隨著紅光比例的增加呈先增大后減小的變化趨勢，處理RBW4∶1∶1的子葉葉面積顯著高于處理 RBW7∶1∶1和 RBW1∶1∶1，但與白光對照間差異不顯著。不同光質水平下，子葉葉面積均隨著光強的增大而減小，處理L3000的子葉葉面積顯著大于其他光強處理。

2.2 不同LED光強和光質對蕹菜芽苗菜生理生化指標的影響

2.2.1 葉綠素含量 從表3可以看出，光照強度過高顯著影響蕹菜芽苗菜葉綠素的積累，處理L11000RBW7∶1∶1的葉綠素 a、葉綠素 b含量及葉綠素總量均顯著低于其他處理。光強為3 000、7 000 lx時，3種光質處理及白光對照的葉綠素a、類胡蘿卜素含量及葉綠素總量差異不顯著。不同光質水平下，處理 RBW7∶1∶1和 RBW4∶1∶1的葉綠素 a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量及葉綠素總量均隨著光強的增大而降低。

由圖2可見，光強為11 000 lx時，3種光質處理的蕹菜芽苗菜子葉均出現了不同程度的白化現象，且隨著紅光比例增加，子葉白化程度逐漸增大，這個趨勢與葉綠素總量的變化趨勢相吻合，說明在高光強下蕹菜芽苗菜的葉綠素合成受到抑制，且紅光比例較高的光質抑制作用更大。

表3 不同LED光強和光質對蕹菜芽苗菜葉綠素含量的影響

圖2 光強為11 000 lx時蕹菜芽苗菜子葉白化現象

2.2.2 可溶性蛋白含量 從表4可以看出，光強為 3 000 lx 時，處理 RBW1∶1∶1的蕹菜芽苗菜可溶性蛋白含量顯著高于白光對照；光強為7 000 lx時，可溶性蛋白含量隨著紅光比例的增加而降低，處理RBW1∶1∶1的可溶性蛋白含量顯著高于處理RBW7∶1∶1及白光對照。不同光質水平下，除白光對照外，可溶性蛋白含量均隨著光強的增大呈下降趨勢。

表4 不同LED光強和光質對蕹菜芽苗菜生理生化指標的影響

2.2.3 抗壞血酸含量 從表4可以看出，處理L7000RBW1∶1∶1蕹菜芽苗菜的抗壞血酸含量顯著高于其他處理，而處理L11000RBW7∶1∶1的抗壞血酸含量顯著低于其他處理。不同光強水平下，抗壞血酸含量均隨著紅光比例的增加而降低。不同光質水平下，抗壞血酸含量均隨著光強的增大呈先增加后降低的變化趨勢。

2.2.4 可溶性糖含量 從表4可以看出，相同光強條件下，3種光質處理對蕹菜芽苗菜的可溶性糖含量無顯著影響。不同光質水平下，處理RBW7∶1∶1和RBW1∶1∶1可溶性糖含量隨著光強的增大呈先增加后減少的變化趨勢，而處理RBW4∶1∶1可溶性糖含量則隨著光強的增大而增加。

2.3 綜合評價

對蕹菜芽苗菜的脫殼率、可食部分干鮮質量、子葉葉面積、葉綠素總量、可溶性蛋白含量、抗壞血酸含量、可溶性糖含量等指標進行主成分分析，從8個因子中提取出3個主成分，貢獻率分別為34.280%、26.617%和15.196%，累計貢獻率為76.093%。根據公式 Score=FAC1×34.280%+FAC2×26.617%+FAC3×15.196%計算各處理的綜合得分并排序（表5），處理L7000RBW4∶1∶1的得分最高，說明3個主成分對其影響程度最大，在本試驗條件下表現最佳。

表5 主成分分析結果

3 結論與討論

光作為植物生長發育所必需的環境因子，對植物的生長發育有著重要的影響（Li & Kubota，2009；郝東川和司雨，2012；何偉明 等，2017）。本試驗結果表明，不同光質處理的蕹菜芽苗菜的脫殼率隨光強的增大呈先升高后降低的變化趨勢，說明無論光強過高或者過低都不利于蕹菜芽苗菜的脫殼。光強為7 000 lx時，適當提高紅光比例（RBW4∶1∶1）顯著提高了蕹菜芽苗菜的脫殼率，今后應在L7000水平上進一步研究最適合脫殼的光質配比。需要說明的是：本試驗在統計脫殼率時僅將種皮在無任何人為干擾的情況下自然脫去并且子葉在發育正常的情況下完全展開的植株視為“脫殼”（目前在蕹菜芽苗菜生產中會采用人工去殼的方式），包括已萌發但是未成苗、子葉展開但未脫去種皮以及脫去種皮但子葉發育畸形在內的植株均不視為“脫殼”，所以脫殼率的數據普遍較低，但是仍然發現不同LED光強和光質對蕹菜芽苗菜的脫殼率有顯著影響，說明通過調控光環境的方式來解決脫殼問題是行之有效的。本試驗中，適當增大光強（L7000）提高了蕹菜芽苗菜的可食部分干質量，說明適當的高光強有利于其干物質的積累，這與張毅華等（2013）的研究結論一致。本試驗還發現，較低的光照強度有利于蕹菜芽苗菜子葉葉面積的增大，這可能是植株對弱光條件的適應性，在一定的弱光條件下植株通過增大葉面積來吸收更多光能以彌補光照的不足（種培芳，2003；朱延姝和馮輝，2006）。

不同LED光強和光質處理也對蕹菜芽苗菜的生理生化指標產生了顯著影響。當光強為11 000 lx時，觀察到子葉出現明顯白化現象，并測得葉綠素總量最低，這可能是因為在高光強下蕹菜芽苗菜受到一定程度的強光脅迫，葉綠素合成的生理過程被破壞。一些研究認為，紅光處理的葉片葉綠素含量要低于藍光（曹剛 等，2013；周錦業 等，2015；李慧敏 等，2016），可能是紅光比例較高的情況下，葉綠素較多地參與了光合作用，合成了光合產物，從而導致含量下降（Li et al.，2010），但也有研究認為紅光處理的葉片葉綠素含量更高（胡陽 等，2009；趙占娟 等，2009；周錦業 等，2016）。本試驗中，高光強（L11000）下的葉綠素a、葉綠素b含量及葉綠素總量隨著紅光比例的增加而降低，同時子葉白化現象越發明顯，這可能是因為藍光可以通過提高抗氧化酶的活性及基因表達，延緩葉綠素和可溶性蛋白的降解及膜脂過氧化的發生（王虹 等，2010；周秦 等，2017），這可能也是當光強為 7 000 lx 時紅光比例較高（RBW7∶1∶1）的處理蕹菜芽苗菜可溶性蛋白含量顯著低于藍光比例較高（RBW1∶1∶1）的處理的原因。VC是人體必需的一類重要的維生素（Wu et al.，2007），本試驗結果表明處理L7000RBW1∶1∶1蕹菜芽苗菜的抗壞血酸（VC）含量最高，顯著高于其他處理，說明光強過高或者過低都不利于蕹菜芽苗菜抗壞血酸的累積，這和此前在黑豆芽苗菜上的研究結果一致（張毅華 等，2013）。本試驗中，不同光強下，隨著紅光比例的增加蕹菜芽苗菜中抗壞血酸含量均表現降低，這與在豌豆苗上的研究結果一致（張立偉 等，2010a）。本試驗中藍光比例較高的處理RBW1∶1∶1抗壞血酸含量亦較高。有研究表明，半乳糖酸內酯脫氫酶催化半乳糖內酯合成抗壞血酸，藍光可以通過提高半乳糖內酯脫氫酶的生物活性而提高抗壞血酸含量（張立偉，2010）。本試驗發現，適度增大光強有利于可溶性糖含量的增加，這與前人研究結果一致（馬超，2012；董皓，2016；肖婷婷，2016）。很多研究都認為紅光促進植物體可溶性糖的合成（張立偉 等，2010a，2010b；聞永慧 等，2014；李慧敏 等，2016），但也有研究認為藍光亦能起到這個作用（劉振威 等，2017），而在本試驗中不同光質處理對蕹菜芽苗菜的可溶性糖含量無顯著影響，這可能是由于蕹菜本身的品種特性所致。

本試驗結果表明，不同LED光強和光質處理對蕹菜芽苗菜的生長及品質產生了顯著影響。綜合來看，處理L7000RBW4∶1∶1蕹菜芽苗菜的品質得到了明顯提升。在蕹菜芽苗菜工廠化生產的過程中，利用LED作為人工光源，通過精準控制光強和光質參數，有利于獲得更高的效益。