不同光質組合的LED燈對小白菜生長及氮代謝生理機制的研究

劉玉兵 劉新華 劉明月 王軍偉 張偉春 曹春信

摘 要 以‘早熟五號小白菜為試材，采用5種光質處理，研究不同光處理下小白菜生長、品質以及氮代謝主要相關酶活性及基因相對表達量的影響機理。與CK相比，其他4個處理均顯著提高了小白菜的株高、莖粗、地上部分鮮質量、地上部分干質量、地下部分鮮質量和地下部分干質量。所有處理中，RBP處理下可溶性糖、可溶性蛋白、維生素C、銨態氮（NH4+-N）和硝態氮（NO3--N）含量達到最高，亞硝酸鹽含量降低。RBP處理下硝酸還原酶（NR）活性和亞硝酸還原酶（NiR）活性最高，RB和RBP處理明顯增加了谷氨酸合成酶（GOGAT）活性。RB、RBG和RBP處理下谷氨酰胺合成酶（Gs）活性顯著高于CK，谷氨酸脫氫酶（GDH）活性則在RBP處理下最低。基因表達方面，RBP處理下NR、NiR、Gs和GDH的mRNA表達水平最高，GOGAT的mRNA表達量以RB處理最高，RBP處理其次。結合生長量、氮代謝和相關基因表達的綜合表現，在紅藍光基礎上增加紫光對小白菜的生長最為有利。

關鍵詞 光質；小白菜；生長；氮代謝；基因表達

眾所周知，植物生長發育離不開光照，除光強和光周期外，光質及其組成成分也起著至關重要的作用。光質不僅影響植物種子萌發、幼苗生長、莖的生長以及根系活力，還影響植物品質、代謝并參與調控其基因表達[1-2]。蔬菜中的代謝物積累會受到基因型、光照條件、環境溫度、灌溉和施肥的顯著影響，光質在光合生物合成和光形態建成中起著重要作用[3]。

發光二極管（LED）光源系統是近年來逐步發展起來的新型節能照明光源，可發出與光合色素吸收光譜相一致的單色光，也可以根據植物對光質需求的不同，調節光質比例，為植物生長提供適宜的光環境參數[4]。LED光現已被廣泛應用在各種水果、蔬菜、農作物、花卉、藥用植物及部分林木植物樹種幼苗的生產培育等各類植物中，其對于植物種苗生長和品質的明顯改善以及藥用有效植物成分的大量累加等多個方面均可能會有著較大的不同程度的影響。然而目前的研究主要集中在單色紅光、藍光或不同比例的紅藍組合光。在此基礎上，本試驗添加其他顏色的光質，研究不同光質對小白菜生長量、營養品質以及氮代謝主要相關酶活性及其基因相對表達量的影響機理，為植物工廠選擇適宜小白菜生長的最佳光質配比提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用小白菜，品種為‘早熟五號，采購于杭州六和種子有限公司。LED燈光（型號：T8）訂購于廣東中山善栽農林科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 試驗于2020年5月6日—7月5日在湖南農業大學人工氣候室內進行。將種子直播于50孔穴盤中進行育苗，待幼苗長到2葉1心時，選取長勢一致的定植于水培槽中，隨即進行光質處理。人工氣候室白天溫度設定為25 ℃，夜間溫度為18 ℃，空氣濕度60%；栽培營養液采用日本園試配方，pH保持在6.0～6.5。在定植30 d后取樣采收，隨后立即用液氮冷凍儲存于? -80 ℃超低溫冰箱中，以便測試相關生理指標和基因表達。

1.2.2 試驗方法 試驗共設置5種光質處理：（1）白熾光（W，對照）；（2）紅藍光（RB=? 3∶1）；（3）紅藍綠光（RBG=3∶1∶1）；（4）紅藍紫光（RBP=3∶1∶1）；（5）紅藍近紅外光（RBF=? 3∶1∶1）共5種不同組合光質處理；每個處理重復3次，共15個小區，每小區培養30株。

燈管比例按照燈珠數量之比設置，試驗全程采用黑布進行遮蓋，防止受到外界自然光的干擾；各處理之間也采用銀黑雙色薄膜間隔，避免相互影響。通過調整燈管的數量和設置水培架的高度設置光照強度為150 μmol/（m2·s），光周期為晝夜14 h/10 h。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 形態指標測定 每個小區隨機選取3株。用直尺直接測量小白菜葉節部位到頂部的距離作為株高；將游標卡尺測量平行于子葉展開方向的子葉節粗度作為莖粗；剪斷植株根莖相連部分，用電子天平分別測量植株的地上部分鮮質量和地下部分鮮質量；設置烘箱溫度為105 ℃，殺青30 min后再調至65 ℃烘干至恒量，測定植株地上部分干質量和地下部分干質量（精確到0.01 g）。

1.3.2 葉綠素含量的測定 采用丙酮∶乙醇∶水=4.5∶4.5∶1（體積比）浸泡的方法對葉綠素進行提取，用紫外可見分光光度計檢測葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素峰值，計算各葉綠素含量。

1.3.3 品質指標測定 利用蒽酮比色法原理測定可溶性糖含量。維生素C含量、亞硝酸鹽含量、可溶性蛋白含量均使用蘇州科銘生物技術有限公司提供的試劑盒測定。

1.3.4 氮含量及代謝相關酶活性測定 銨態氮和硝態氮含量測定均使用蘇州科銘生物技術有限公司提供的試劑盒測定。參照上海茁彩生物科技有限公司生產的硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、谷氨酸合成酶測定試劑盒、谷氨酰胺合成酶測定試劑盒和谷氨酸脫氫酶測定試劑盒的說明書測定硝酸還原酶（NR）、亞硝酸還原酶（NiR）、谷氨酸合成酶（GOGAT）、谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸脫氫酶（GDH）活性。

1.3.5 氮代謝相關酶活性基因表達測定 總RNA提取及cDNA的合成：小白菜總RNA提取使用TIANGEN公司生產的RNAperp Pure Plant Plus Kit植物總RNA提取試劑盒，操作步驟參照試劑盒的說明書，對總RNA進行提取，對所有被提取出來的RNA進行OD值和RNA濃度測定，并用電泳確認RNA是否已經降解。隨后置于-80 ℃超低溫冰箱中保存，備用。采用TIANGEN公司生產的FastKing gDNA Dispelling RT SuperMix試劑盒進行cDNA第一鏈的合成。

熒光定量PCR：（1）引物設計試驗選取了小白菜氮代謝的5個編碼關鍵酶的基因進行熒光定量PCR分析。以Actin作為內參基因，利用引物設計軟件premier 5設計基因特異性引物，引物由生物工程技術服務有限公司合成。內參及引物設計如表1所示。

（2）反應體系：采用諾唯贊生物科技有限公司生產的2×ChamQ Universal SYBR qPCR Master Mix試劑盒進行熒光定量PCR（表2）。

（3）反應程序：采用3步法PCR擴增程序進行PCR反應：第一步，95 ℃ 30 s；第二步，95 ℃? 10 s，60 ℃? 30 s，40個循壞；第三步，95 ℃15 s，? 60 ℃ 60 s，95 ℃15 s。以上所有指標均生物學重復3次，求平均值。

1.4 數據處理

分別使用軟件Excel 2010和GraphPad Prism 5處理試驗數據和作圖，采用SPSS 20.0進行單因素顯著性方差分析，用Duncans檢驗法對顯著性差異（P<0.05）進行多重性比較。利用2-△△CT計算定量相對基因表達。

2 結果與分析

2.1 不同光質對小白菜生長及葉片色素含量的影響

由表3可以看出，不同光質處理對小白菜生長量影響顯著。與CK相比，RB、RBP和RBF處理顯著增加了小白菜的株高，莖粗以RB和RBP處理下最明顯；RB、RBP、RBG和RBF處理都不同程度地提高了植株的地上部分鮮質量、地下部分鮮質量和地上部分干質量，且以RBP處理提高最為明顯。表明RBP處理有利于小白菜地上部和地下部干物質的積累。

由表4可看出，除RBG處理外，RB、RBP和RBF處理下小白菜葉綠素a含量明顯高于CK，其中以RBP處理最高，與其他處理達到顯著差異；葉綠素b含量除RB處理略低于CK外，其余各處理都高于CK，但各處理間差異并不顯著。RBP 處理下小白菜的葉綠素（a+b）總含量最高，RBG處理最低；葉綠素（a/b）值在RB處理下最大，但各處理間未達到顯著。RBP處理下類胡蘿卜素含量最高，并顯著高于其他處理。

2.2 光質對小白菜營養品質的影響

由表5可知，不同光質處理對小白菜的營養品質有明顯不同的影響。RB、RBG、RBP和RBF處理下可溶性糖含量均高于CK，且達到顯著水平，其中RB處理達到最高；可溶性蛋白含量以RBP處理最高，說明紫光有利于植株體內蛋白質的積累。此外，RB和RBP處理下維生素C含量均顯著高于CK處理。與CK相比，只有RBF處理下亞硝酸鹽含量高于CK，其余各處理均表現為降低。

2.3 光質對小白菜氮代謝的影響

2.3.1 光質對小白菜銨態氮和硝態氮含量的影響 銨態氮和硝態氮是植物吸收、利用氮素的主要來源。由圖1可知，與CK相比，RB、RBG、RBP和RBF處理都明顯地增加了小白菜葉片銨態氮含量，其中RB處理未與CK達到顯著差異，RBG、RBP和RBF處理則顯著高于CK；硝態氮含量以RBP處理最高，并顯著高于其他處理。表明RBP處理更有利于小白菜對氮素的吸收和? 利用。

2.3.2 光質對小白菜氮代謝關鍵酶活性的影響 由圖2可以看出，硝酸還原酶活性（NR）以RBP處理最高，RB、RBG、RBP和RBF處理均顯著提高小白菜葉片的亞硝酸還原酶活性（NiR），谷氨酸合成酶活性（GOGAT）以RB處理最大，RBP處理其次，谷氨酰胺合成酶活性（Gs）除RBF處理與CK無顯著差異外，其余處理都顯著提高了其活性，谷氨酸脫氫酶（GDH）活性只有在RB處理下得到提高，其余處理均明顯低于CK，其中RBP和RBF處理更是顯著降低。綜上表明RBP處理對促進碳的同化、轉化及氮的吸收與利用，增加氮代謝產物的積累的效果最佳。

2.3.3 光質對小白菜氮代謝關鍵酶基因表達量的影響 從圖3可以看到，不同光質處理對小白菜葉片氮代謝關鍵酶基因表達量水平的影響有著顯著差異。RBP處理下NR和NiR的mRNA表達水平顯著高于其他處理，RB和RBG處理下NR和NiR的mRNA表達水平雖明顯上調，但與CK未達到顯著差異；RBF處理下NiR的基因表達水平更是顯著低于CK。GOGAT的基因表達量以RB處理最高，其次是RBP處理。與GOGAT類似，Gs的mRNA表達水平以RB和RBP處理最高，且兩處理間無顯著差異。RB和RBP處理下GDH的mRNA表達水平顯著上調，且RBP處理顯著高于RB處理。表明RBP處理更能促進小白菜葉片NR、NiR、Gs和GDH基因表達水平的上調。

3 討? 論

生長量可以直觀地表達植株生長的情況。研究表明，紅光處理促進植物莖的伸長，而藍光則促進植物的莖粗生長[5]。本試驗中，與CK相比，RB、RBP和RBF處理都顯著增加了小白菜株高，這與高波等[6]、孫娜等[7]的研究報道類似。相比RB處理，RBP處理下小白菜地上部分干質量、地下部分鮮質量和地下部分干質量顯著性地分別提高3.2%、30.3%和19.0%。表明，RBP處理更有利于促進小白菜的生長發育，促進地下部分向地上部分干物質的運輸和積累。

糖類物質是植物新陳代謝的主要原料和儲存物質。本試驗中，與CK處理相比，其他處理均顯著提高了小白菜的可溶性糖含量，RB處理提升最多，RBP處理次之，這與王曉晶等人在生菜上的試驗結果一致[8]。隨著藍光比例的增加，西蘭花芽苗菜維素素C和蛋白逐漸上升[9]，而紫光處理也可以提高生菜[10]和番茄果實[11]的可溶性蛋白含量。本試驗中，除RBG處理降低外，其余各處理均不同程度地提高了小白菜葉片可溶性蛋白含量，其中以RBP和RBF處理最高。此外，除RBF處理明顯低于CK外，各處理均提高了小白菜的維生素C含量，其中RB和RBP處理顯著高于其他處理，分別比CK提高了13.7%和? 38.1%。因此，相比于紅藍混合光，紅藍紫混合光更有利于促進小白菜葉片維生素C含量積累，這一結論與王曉晶等[8]和班甜甜等[12]試驗結果不同，基于這種現象可能由于處理方法、光源類型及選用試材不同所導致。

在連續光處理下，將綠光添加到紅光和藍光中對降低萵苣中的硝酸鹽含量具有積極作用[13]。本試驗中，除RBF處理下小白菜葉片亞硝酸鹽含量要高于CK處理，其余各處理均得到了降低，其中RBG處理降低最多，這與前人研究的結果一致[14]。不同光質處理對植株光合作用的影響最終反映在對其生長和物質積累上[15]。本試驗中，除RBG處理外，RB、RBP和RBF處理都明顯地增加了葉片中葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素（a+b）和類胡蘿卜素的含量，這與陳藝群等[16]的研究結果一致。

硝酸還原酶主要作為一種能夠調節各類亞硝酸鹽酶的共聚性和酶的主要關鍵還原酶之一[17]。研究表明，當增加藍光比例，可提高萵苣和菠菜的NR活性，增強氮代謝[18-19]。本試驗中，NR活性以RBP處理最高，且與其他處理達到顯著差異，與CK相比，RB、RBG、RBP和RBF處理下NiR活性，較CK分別提高了224.6%、116.7%、? 244.8%和199.5%。RB和RBP處理提高了葉片GOGAT活性。另外，與CK相比，RB、RBG、RBP和RBF處理都明顯地提高了小白菜葉片中谷氨酰胺合成酶（Gs）活性。GDH活性只有RB處理高于CK，RBG、RBP和RBF處理分別低于對照20.6%、40.5%和33.7%。這與前人表示紅藍混合光可顯著提高番茄幼苗的GS、GOGAT活性的研究結果相似[7]。

光可以直接參與Gs2基因的表達及其活性。本試驗中，RBP處理下小白菜葉片Gs的mRNA表達水平最高，且顯著高于其他處理，RB和RBG處理下NR和NiR的mRNA表達水平與對照無顯著差異，RBF處理則顯著低于CK。Bian等[20]報道了在短期連續光照下補充綠光對提高NR和NiR的mRNA表達水平具有積極作用。可見，即使采用同一種光，設置不同光照時間和不同植株，最終結果也不相同。此外，RBG和RBF處理下Gs的mRNA表達水平都低于CK。GOGAT的mRNA表達量以RB處理最高，RBP處理其次，RBG和RBF處理均低于CK，但差異不顯著。在所有處理中，RBP處理下GDH的mRNA表達水平顯著高于其他處理。

4 結? 論

綜上，RBP處理誘導NR、NiR、Gs和GDH的mRNA表達水平的上調，提高了植株NR、NiR、GOGAT和GS活性，增強植株光合作用，改善小白菜的營養品質，顯著提高了地上部分鮮質量、地上部分干質量、地下部分鮮質量和地下部分干質量，促進植株生長及同化產物向營養器官的運輸和積累

參考文獻 Reference：

［1］ MONOSTORI I，HEILMANN M，KOCSY G，et al. LED lighting - modification of growth，metabolism，yield and flour composition in wheat by spectral quality and intensity[J].Frontier Plant Science，2018（4）：605-624.

[2] 劉玉兵，王軍偉，羅鑫輝，等. LED光質對芹菜生長、品質及氮代謝關鍵酶活性的影響[J]. 中國瓜菜，2020，33（12）：71-76.

LIU Y B，WANG J W，LUO X H，et al. Effect of LED light quality on the growth，quality and key enzyme activities of nitrogen metabolism of celery[J]. Chinese Melon and Vegetable，2020，33（12）：71-76.

[3] BIAN Z H. Effects of light quality on the accumulation of phytochemicals in vegetables producedin controlled environments[J].Science Food Agriculture，2015，95：869-877.

[4] SANUSI S N. Effect oflight-emitting Diodes （LEDs） on the quality of fruits and vegetables during postharvest period：a? review[J]. Food and Bioprocess Technology，2020（12）：1-27.

[5] 陳祥偉. 不同光質LED對烏塌菜生長生理特性及營養品質的影響[D]. 山東泰安：山東農業大學，2014.

CHEN? X W.Effects of different LED light on the growth and physiological characteristics and nutritional quality in Savoy[D]. Taian Shandong：Shandong Agricultural University，2014.

[6] 高 波，楊振超，李萬青，等. 3種不同LED光質配比對芹菜生長和品質的影響[J]. 西北農業學報，2015，24（12）：125-132.

GAO B，YANG ZH CH，LI W Q，et al. Effects of three different red and blue LED light ratios on growth and quality of celery[J]. Acta Agriculturae Boreali-occidentalis Sinica，2015，? 24（12）：125-132.

[7] 孫 娜，魏 珉，李 巖，等. 光質對番茄幼苗碳氮代謝及相關酶活性的影響[J]. 園藝學報，2016，43（1）：80-88.

SUN N，WEI M，LI Y，et al. Effects of light quality on carbon and nitrogen metabolism and related enzyme activities in tomato seedlings[J]. Acta Horticulturae Sinica，2016，43（1）：80-88.

[8] 王曉晶，陳曉麗，郭文忠，等. LED綠光對生菜生長和品質的影響[J]. 中國農業氣象，2019，40（1）：25-32.

WANG X J，CHEN X L，GUO W ZH，et al. Effects of LED green light on growth and quality of lettuce[J]. Chinese Journal Agricultural Meteorology，2019，40（1）：25-32.

[9] OVAIS S. Genetic，developmental and temporal variability in nitrate accumulation and nitrate reductase activity in medicinal herb andrographis paniculata[J].Pedosphere，2016，26（6）：839-847.

[10] 王麗偉，李 巖，辛國鳳，等. 紅藍光質對番茄幼苗氮水平和代謝關鍵酶及基因表達的影響[J]. 園藝學報，2017，? 44（4）：768-776.

WANG L W，LI Y，XIN G F，et al. Effects of red and blue light quality on nitrogen levels，acitivities ang gene expression of key enzymes involed in nitrogen metabolic from leaves of tomato seedlings[J]. Acta Horticulturae Sinica，2017，44（4）：768-776.

[11] 陳文昊，徐志剛，劉曉英，等. LED光源對不同品種生菜生長和品質的影響[J]. 西北植物學報，2011，31（7）：1434-1440.

CHEN W H，XU ZH G，LIU X Y，et al. Effects of LED light source on the growth and quality of different lettuce varieties[J].Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica，2011，31（7）：1434-1440.

[12] 班甜甜，李曉慧，馬 超，等. 不同光質對豌豆芽苗菜生長和品質的影響[J]. 北方園藝，2019（13）：77-82.

BIAN T T，LI X H，MA CH，et al. Effect of light qualities on the growth and quality of? Pisum sativum Linn. Sprouts[J]. Northern Horticulturae ，2019（13）：77-82.

[13] BIAN Z H. Continuous light from red，blue，and green light-emitting diodes reduces nitrate content and enhances phytochemical concentrations and antioxidant capacity in lettuce[J].Environmental and Experimental Botany，2016，141（2）：186-195.

[14] 周成波，張 旭，劉彬彬，等. 補光光質對葉用萵苣光合特性的影響[J]. 植物生理學報，2015，51（12）：2255-2262.

ZHOU CH B，ZHANG X，LIU B B，et al. The effects of supplementary light quality on photosynthetic characteristics of lettuce[J]. Plant Physiology Journal ，2015，? 51（12）：2255-2262.

[15] 劉玉兵，陳海燕，王軍偉，等. LED紅藍光質調控辣椒幼苗生長的光合機制研究[J]. 河南農業科學，2021，50（7）：145-153.

LIU Y B，CHEN H Y，WANG J W，et al. Photosynthetic regulating mechanism of red blue LED light quality on growth of papper seedlings[J].Journal of Henan Agricultural Sciences，2021，50（7）：145-153.

[16] 陳藝群，王婷婷，馬 健，等. 光質對西瓜幼苗生長及光合特性的影響[J]. 中國蔬菜，2012（4）：45-50.

CHEN Y Q，WANG T T，MA J，et al. Effects of light quality on growth and photosynthetic characteristics of watermelon seedlings[J]. China Vegetables，2012（4）：45-50.

[17] YUAN Z Y，DENG L L，YIN B F，et al. Effffects of blue LED light irradiation on pigment metabolism of ethephon degreened mandarin fruit[J]. Postharvest Biology and Technology，2017，134：45-54.

[18] 張 旭. 光質對葉用萵苣與菠菜生長及生理特性的影響[D]. 山東泰安：山東農業大學，2015.

ZHANG X.Effects of light quality on growth and physiological characteristics of leaf lettuce and spinach[D]. Taian Shandong：Shandong? Agricultural University，2015.

[19] 滕祥勇，李彩鳳，谷 維，等. 甜菜谷氨酸合成酶活性與塊根產量、含糖率的相關性分析[J]. 中國土壤與肥料，2012（3）：65-69.

TENG X Y，LI C F，GU W，et al. Correlation analysis of glutamate synthase，activity with root yieid and rate of sugar content in sugar beet[J]. China Soil and Fertilizer，2012（3）：65-69.

[20] BIAN Z H. Effect of green light on nitrate reduction and edible quality of hydroponically grown lettuce （Lactuca sativa L.） under short-term continuous light from red and blue light-emitting diodes[J]. Environmental and Experimental Botany，2018（153）：63-71.

Physiological Mechanism of LED Lights with Different

Light Quality Combinations on Growth and Nitrogen Metabolism of Mini Chinese Cabbage

Abstract The effects of different light treatments on the growth，quality，as well as the activities of main related enzymes and gene expression of nitrogen metabolism involved in nitrogen metabolism were investigated. Using ‘Zaoshu No.5 as the test material，five different light quality treatments were applied，and compared with control （CK），the other four treatments significantly improved the various growth parameters of mini? Chinese cabbage，including plant height，stem diameter，fresh? mass of aboveground part，dry? mass? of aboveground part，fresh weight of underground part and dry weight of underground part.Among the treatments，the highest levels of soluble sugar，soluble protein，vitamin C，ammonium nitrogen （NH+4-N），and nitrate nitrogen （NO-3-N） were observed under the red，blue，and purple （RBP） treatment，with a decrease in nitrite content.Nitrate reductase （NR） activity and nitrite reductase （NiR） activity were highest under RBP treatment，while the RB and RBP treatment significantly increased glutamate synthase （GOGAT） activity. Glutamine synthase （Gs） activity was significantly higher than CK under RB，RBG and RBP treatment，while glutamate dehydrogenase （GDH） activity was the lowest under RBP treatment.In terms of gene expression，the mRNA expression levels of NR，NiR，Gs and GDH were the highest under RBP treatment，and the mRNA expression of GOGAT was the highest in RB treatment，followed by RBP treatment. Combined with the comprehensive performance of growth amount，nitrogen metabolism and related gene expression，adding purple light on the basis of red and blue light is most beneficial to the growth of pakchoi.

Key words Light quality; Chinese cabbage; Growth; Nitrogen metabolism; Gene expression