光學干涉膜下生菜的生理指標變化及品質分析

翟克清，張昕昱，周念念，安玉蘭，雷 玥，高 潔，甘德芳，*，劉 文，何曉梅

(1.安徽農業大學 園藝學院，安徽 合肥 230036； 2.中國科學技術大學 物理學院，安徽 合肥 230026； 3.皖西學院，安徽 六安 237012)

生菜(LactucasativaL.)，又稱葉用萵苣，為菊科萵苣屬半耐寒性蔬菜，富含維生素、煙酸、葉酸和礦物質，具有清熱安神、清肝利膽和養胃的功效[1]。生菜具有生長期短、易于管理、產量高以及適宜生食等特點，近年來，食用人群不斷增多，栽培面積迅速擴大，逐漸成為植物設施園藝的主要葉菜種類[2]。

光伏農業作為一種新的農業發展方式，在增加土地利用率的同時，亦是現代農業與新能源結合的新形式，能夠促進農業的綠色化以及低碳循環生態農業的發展[3-4]。目前，光伏農業在日本、德國、意大利、智利、俄羅斯等國家都有一定規模的應用[5-7]，但是現有光伏農業在農作物生長條件方面仍然存在問題，譬如農作物種植品種的限制以及對產量的影響[8-9]。傳統的光伏農業主要采用在農田上部鋪設晶硅電池以實現太陽光的幾何分離，或者使用具有固有光譜特性的非晶硅電池來分離太陽光，但兩種光伏農業形式均影響下方植物光合作用所需的光照[10]。光伏農業的核心是農業，即在優先保證農作物生長不受影響或者基本不受影響的前提下，運用現代光學干涉濾光方法對太陽光進行合理分配，實現農作物生長與光伏發電兩不誤。因此發展光伏農業(農場)，既是解決土地資源匱乏、提升土地資源利用率的一大舉措，也是目前國內各級政府農村扶貧的一個重要內容。尤其在炎熱的夏季，因大部分太陽光都被反射用來發電，植株葉片溫度和土壤溫度明顯降低，減緩水分蒸發，有利于水土保濕，在一定程度上也可緩解農業水資源匱乏瓶頸，更好地實現清潔能源與現代農業雙效利用。基于上述情況，課題組提出一種新型光伏農業方案——基于植物光合作用的太陽光譜分離技術，利用低成本塑料多層膜將太陽光中適合光合作用的紅藍光光譜分選出來用于植物生長，其余大部分反射光集中于晶硅電池上用于發電，滿足農業生產中的電力供應問題[11]。本研究模擬了光學干涉膜下的植物生長環境，研究分析在該光環境下，生菜生長、抗氧化酶及營養品質等的變化。同時，模擬了波長≤720 nm的光環境，即截止遠紅光，探究在缺失遠紅光的情況下生菜的生理形態變化等，以期為溫室蔬菜栽培光環境研究和光伏農業發展提供數據支持，為今后相關濾光薄膜的推廣打下基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試生菜品種為蒙黛及克里斯汀，由荷蘭瑞克斯旺種子公司提供，栽培于中國科學技術大學先進技術研究院溫室內。

供試薄膜為光伏農業新型薄膜(納米材料制作)，其中紅藍光透過膜是對太陽光中紅藍光高透射，其他光均反射的一種薄膜，其透過波長范圍與葉綠素吸收光譜相對應，如圖1左；遠紅光截止膜為反射太陽光波長大于720 nm的光線，透過波長≤720 nm的光線。

1.2 試驗方法

1.2.1 材料的定植與處理

2017年3月2日播種，采用穴盤基質育苗方式。待生菜三葉一心時移栽至40 cm×40 cm×26 cm的栽培槽內，每個品種栽種9棵，3次重復。待生菜定植2 d后，在栽培槽上方固定支架加蓋玻璃板。處理如下：處理1(對照)，普通透明玻璃板(光強660 μmol·m-2·s-1)；處理2，覆蓋有紅藍濾光膜的透明玻璃板(光強440 μmol·m-2·s-1)；處理3，覆蓋有遠紅光截止膜的透明玻璃板(光強700 μmol·m-2·s-1)。其他生長因素均一致，按常規方法管理。試驗環境如圖1。

1.2.2 取樣及測定

蓋膜后20、35 d時分別取樣，每組隨機選取相同部位的葉片，剪碎混勻，并稱取相應質量，用錫箔紙包好，投入液氮中處理2～3 min后取出，置于-80 ℃冰箱中保存供測定相關指標。維生素C含量用2，6-二氯酚靛酚法測定，葉片可溶性蛋白含量用考馬斯亮藍G-250法測定，蒽酮比色法測定植株葉片可溶性糖含量，分光光度法測葉綠素含量，SOD、CAT活性采用分光光度計法測定，丙二醛含量采用TBA比色法測定。

1.2.3 數據分析

數據統計和分析采用Excel 2010和方差分析2013，用Sigmaplot 10.0和Excel 2010軟件繪制圖表。

1.2.4 葉綠體超微結構

蓋膜后20 d，取蒙黛生菜各處理的葉片，置預冷的5%戊二醛固定液中，用真空泵抽出葉片組織內的氣體，4 ℃固定過夜。然后經過漂洗、鋨酸固定、脫水、滲透、包埋和聚合等，將包埋塊用超薄切片機切成100 nm的切片，經醋酸雙氧鈾50%乙醇飽和溶液及檸檬酸鉛溶液各染色5～10 min，并沖洗烘干，透射電鏡下觀察葉綠體的超微結構。

2 結果與分析

2.1 不同光環境對生菜部分生理指標的影響

2.1.1 不同光環境對生菜過氧化氫酶(CAT)活性的影響

蒙黛蓋膜20 d時，遠紅光截止膜下CAT活性最低，而紅藍光透過膜CAT活性最大，且與遠紅光截止膜的差異性達到顯著水平(P<0.05)；蓋膜35 d時，除對照組CAT活性升高外，其他2種處理CAT活性都下降。克里斯汀蓋膜20 d，遠紅光截止膜的CAT活性最高，紅藍光透過膜的活性最低，二者差異達顯著水平(P<0.05)；蓋膜35 d，三種處理間的CAT活性差異均不顯著(P>0.05)，但處理35 d的酶活性均較處理20 d的有所上升(圖2)。

2.1.2 不同光環境對生菜超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

蒙黛蓋膜20 d時，紅藍光透過膜處理下SOD活性最高，與遠紅光截止膜處理組及對照組差異顯著(P<0.05)；蓋膜35 d時，紅藍光環境下葉片中SOD活性顯著降低，與遠紅光截止環境下的酶活性比較接近，但兩者與對照差異顯著(P<0.05)。克里斯汀蓋膜20 d和35 d時，都以遠紅光截止膜下的活性最高，三種處理在35 d時，SOD活性均有較大下降(圖3)。

2.1.3 不同光環境對生菜丙二醛(MDA)含量的影響丙二醛(MDA)是細胞膜脂質過氧化作用的產物之一，它的產生會加劇膜的損傷。丙二醛含量的高低，反映膜脂質過氧化的程度，也間接反映植物組織抗氧化能力的強弱。由圖4可以看出，蒙黛和克里斯汀蓋膜后20 d，紅藍濾光膜覆蓋下的生菜丙二醛含量都顯著高于其他兩種處理(P<0.05)，隨著時間的推移，丙二醛含量呈現下降趨勢；蓋膜后35 d，紅藍光環境下的丙二醛含量明顯降低，但兩種膜覆蓋下的生菜葉片丙二醛含量均無顯著差異(P>0.05)(圖4)。

圖1 紅藍濾光膜透射率示意圖[12]及生菜栽培環境示意圖Fig.1 Schematic diagram of transmittance of red-blue filter film[12] and lettuce cultivation environment

A，蒙黛；B，克里斯汀；同一覆蓋時間內不同處理之間無相同小寫字母表示在0.05水平存在顯著差異(n=3)。下同。A， MonDai; B， Kristin; The bars of different treatments in the same coverage time with different lowercase letters indicated significant difference at 0.05 level (n=3). The same as below.圖2 不同光環境對生菜過氧化氫酶(CAT)活性的影響Fig.2 Effect of different light environments on the activity of catalase (CAT) in lettuce

圖3 不同光環境對生菜超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響Fig.3 Effect of different light environments on the activity of superoxide dismutase (SOD) in lettuce

圖4 不同光環境對生菜丙二醛含量的影響Fig.4 Effect of different light environments on malondialdehyde (MDA) content in lettuce

2.2 不同光環境對生菜營養品質的影響

2.2.1 不同光環境對生菜可溶性糖含量的影響

蒙黛和克里斯汀蓋膜20 d時，紅藍光膜覆蓋下的可溶性糖含量最高，隨著覆蓋時間的延長，到35 d時，紅藍光膜覆蓋下的可溶性糖含量下降到最低，低于遠紅光截止膜組及對照組。遠紅光截止膜下的可溶性糖含量隨著蓋膜時間的延長成上升趨勢，35 d時顯著高于紅藍光透過膜組(P<0.05)(圖5)。

圖5 不同光環境對生菜可溶性糖含量的影響Fig.5 Effects of different light environments on soluble sugar content in lettuce

2.2.2 不同光環境對生菜維生素C含量的影響

蒙黛蓋膜20 d時，紅藍光環境處理下維生素C含量最低，顯著低于對照和遠紅光截止膜的(P<0.05)；隨著蓋膜處理時間的延長，至35 d時，維生素C積累量有較大幅度提高，尤以遠紅光截止膜處理更為明顯。克里斯汀的維生素C含量也是以蓋膜35 d的累積量最高(圖6)。

2.2.3 不同光環境對生菜可溶性蛋白和葉綠素a+b的影響

蒙黛蓋膜20 d時，紅藍光處理組及遠紅光截止處理組的可溶性蛋白含量都顯著高于對照組(P<0.05)；葉綠素a+b含量各處理之間無顯著性差異(P>0.05)。蓋膜35 d時，可溶性蛋白積累量顯著下降，且以紅藍光處理組下降明顯(P<0.05)；葉綠素a+b含量也有所下降，但都高于對照組。克里斯汀蓋膜20 d時，紅藍光處理組可溶性蛋白含量顯著低于遠紅光截止處理組及對照組(P<0.05)，葉綠素a+b含量差異不顯著(P>0.05)；蓋膜處理35 d時，可溶性蛋白含量有所下降，但遠紅光截止膜處理的可溶性蛋白含量顯著高于其他2組(P<0.05)。葉綠素a+b含量也有所下降，對照組及紅藍光處理組下降較多(圖7)。

圖6 不同光環境對生菜維生素C含量的影響Fig.6 Effects of different light environments on vitamin C content in lettuce

2.3 不同光環境對蒙黛葉片細胞超微結構及葉綠體結構的影響

為研究不同光環境對生菜葉片細胞超微結構的影響，取蓋膜20 d的蒙黛生菜葉片，經固定、漂洗、固定、脫水、滲透、包埋和聚合、切片、染色等過程，在0.3 K和5.0 K放大倍數下的透射電鏡觀察葉片細胞結構及葉綠體的變化。結果表明，對照組即自然光環境下植株葉片細胞超微結構完整，葉綠體依次排列并均勻分布于細胞內部，葉綠體基粒片層緊密堆疊，類囊體整齊排列(圖8-A、B)；紅藍光環境下細胞中葉綠體排列聚集，形成一個大葉綠體，單個葉綠體內部基粒片層依舊排列緊密細致，葉綠體結構完整(圖8-C、D)；遠紅光截止環境下生菜葉片部分細胞被破壞，細胞無規則排列，葉綠體分布細胞外層，部分葉綠體結構被破壞，基粒片層呈無規則排列(圖8-E、F)。

3 討論

隨著全球化石能源的日益枯竭，大力開發可再生能源已迫在眉睫，光伏發電是一種最具可持續發展理想特征的可再生能源發電技術[13-14]。但是有限的土地資源從某種程度上又限制了光伏發電的發展，于是促生了“光伏+”模式，即光伏與農業、光伏與林業[15]、光伏與景觀[16]、光伏與治沙[17]等結合模式。其中，光伏農業對緩解土地資源與光伏發電發展的矛盾，實現生態農業與循環農業相結合具有深遠意義[13]。研究表明，紅藍光環境對于溫室作物的生長具有積極作用[18]。陳文昊等[19]認為，紅藍光環境下生長的生菜，其可溶性糖、總酚、蔗糖等指標優于普通光照條件下栽培的生菜。梁貝貝等[20]認為，LED紅藍光源環境下，85%～90%基質含水量培育黃瓜優質壯苗的同時能夠實現水分的高效利用。陳祥偉等[21]認為，紅/藍(7/1)有利于增加光合色素含量，提高光合速率和營養品質。余意等[22]研究了LED光質對3種葉色生菜光譜吸收特性、生長及品質的影響，結果表明，紅藍光組合顯著提高3種生菜地上部分的干質量，類黃酮、花青素及可溶性糖等含量。

A、C，蒙黛；B、D，克里斯汀。A， C， MonDai; B， D， Kristin.圖7 不同光環境對生菜蛋白質含量和葉綠素a+b含量的影響Fig.7 Effects of different light environments on content of soluble protein and chlorophyll a+b in lettuce

SOD、CAT等酶是植株體內重要的保護酶，其活性高低反映植株的生理活性狀況。本實驗以中國科學技術大學劉文課題組自主研發的光學干涉膜為基礎[23]，研究其覆蓋對生菜部分生理指標及品質的影響，結果表明，紅藍光環境能提高蒙戴生菜生長前期過氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性，這與蒲高斌等[24]的研究結果相一致，即紅光和藍光可以提高番茄幼苗的抗氧化酶活性，有利于提高其抗氧化能力。后期部分酶的活性雖然較對照的低，但差異不顯著。生菜葉片內維生素C、蛋白質及可溶性糖含量等是評價生菜綜合質量的重要指標[19]。高波等[25]研究認為，紅、藍光為3∶1光配比可提高芹菜可溶性糖含量，而本研究發現，在生菜生長的前期，兩種光環境較普通光照環境提高了葉片的可溶性糖含量，后期紅藍透過膜則下降明顯，而克里斯汀在后期可溶性糖含量升高，但與對照差異不明顯。維生素C在生菜生長后期逐漸積累，但與對照差異不顯著。Samuolienég等[26-29]認為，藍光對葉綠素含量有顯著促進作用，本實驗結果證實了前期紅藍光有利于提高葉綠素含量，后期隨品種不同有所差異，但與對照差異不顯著。葉綠體超微結構分析表明，紅藍光環境促進葉綠體聚集增大，進而提高植物葉片光合作用；遠紅光截止環境下葉片的部分細胞破壞，葉綠體基粒分層不明顯，說明遠紅光對生菜生長也起著重要作用。本研究是建立在光伏農業的基礎上，在滿足作物生長光需求的基礎上，將多余的光反射收集用于發電，保證作物生長和發電兩不誤，雖然在紅藍光透過膜覆蓋后期，部分品質指標有所下降，但大多與對照差異不顯著。

A，B，自然光(對照)；C，D，紅藍光透過膜；E，F，遠紅光截止膜。A， B， Natural light (control); C， D， Red blue light transmission film; E， F， Far red light-cutting film.圖8 不同光環境對葉綠體超微結構的影響Fig.8 Effect of different light environments on ultrastructure of chloroplasts

遠紅光截止膜是透過除遠紅光之外的其余光譜，雖然遠紅光截止膜覆蓋下的生菜部分生物活性酶及品質指標優于紅藍光透過膜下生菜的相應指標，但是，該分光膜應用于光伏發電的效率是很低的，是很難直接應用于生產實際的，因而后續實驗可以考慮改進光學分光膜的組成，使之透過紅藍光的同時，增加部分遠紅光的透過率，保證作物生長不受影響的基礎上進行光伏發電。該研究結果為光學干涉膜的技術改進、光學干涉膜的大田推廣應用以及光伏農業的未來發展走向提供了參考和依據。