光照强度对普通白菜生长特性及膳食纤维含量的影响

陈子义,赵 硕,章竞瑾,黄丹枫

(上海交通大学农业与生物学院,上海 200240)

普通白菜[Brassica campestrisssp.chinensis(L.) Makino]也称青菜、小白菜,为十字花科芸苔属白菜亚种中直立或半直立株型的变种,普通白菜苗菜生产周期短,无农药残留隐患,口感滑嫩,营养价值高。 随着社会的发展,高品质蔬菜的市场潜力不断增加[1]。

光照强度影响作物生长,弱光条件下生菜光合作用下降,产量减少[2],提高环境光强可以显著提高其产量[3-4],但强光条件下适当遮光则对作物的产量没有影响[5],甚至可提高其光合能力[6]。 马齿苋在光照不足的条件下会出现生长停滞[7],番茄的叶片内、外部结构,以及株幅和根系在不同光照强度下差异显著[8]。 Kim 等[9]指出,作物中的抗氧化物质活性受光照强度的影响。 Maekawa 等[10]发现,强光可以有效提高十字花科苗菜的抗氧化物活性。 普通白菜的饱和光强在1 300—1 500 μmol·m-2·s-1[11],而在人工光源条件下,普通白菜对光照强度的适应性与自然光下有一定的差异[12-14]。

膳食纤维这一概念提出较早[15],指聚合度大于3 的碳水化合物[16],它在小肠内不能被消化吸收。 研究表明,膳食纤维有预防结肠癌、心血管疾病的作用[17-18],同时有利于预防肥胖症和糖尿病[19-20]。Padayachee 等[21]指出,蔬菜作物中细胞壁是膳食纤维的主要来源。 相比于人工提取或合成的膳食纤维,未加工的植物膳食纤维对发挥大鼠大肠的功能更加有益[22]。 膳食纤维不同于其他蔬菜营养物质,其含量不受常见烹饪方式的影响[23-24]。 光照强度影响苣荬菜中粗纤维的积累[25],阚茗铭等[26]发现,甘蓝成熟过程中不同类型膳食纤维含量会发生变化;岳翔等[27]研究了土壤水分对普通白菜膳食纤维含量的影响。 目前,光照强度对普通白菜膳食纤维含量的影响还未见报道。 本试验在人工光型植物工厂中,以发光二极管(LED)白光作为光源,探究光照强度对普通白菜光合特性、形态及膳食纤维积累的影响,旨在为人工光型植物工厂生产高品质绿叶作物及作物细胞壁合成相关基础研究提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计

以‘夏王’普通白菜为试验材料,种子购于上海惠和种业公司。 试验在人工光型植物工厂(爱盛生物科技有限公司)中进行。 挑选完整、饱满的普通白菜种子,用浸湿的无纺布包裹后在温度25 ℃、相对湿度80%的黑暗条件下催芽24 h,大部分种子露白后,播种于128 孔穴盘中,每孔1 粒,基质使用有机专用育苗基质(丹阳市有机肥料有限公司)。 育苗温度(25 ±1)℃、相对湿度80%,黑暗2 d。 播种后3 d,统一提供LED 白色光源,光照强度为(104.37 ±11.2)μmol·m-2·s-1,昼温为(25 ±1)℃,夜温为(20 ±1)℃,相对湿度为 65%,光周期为 16 h·d-1。 营养液使用霍格兰配方,导电率设定为(1 500 ±300)μS·cm-1。

播种后14 d,对普通白菜进行不同光照强度处理,使用LED 灯条提供全光谱的白光,色温6 500 K。采用便携式光谱仪(ALP-01,广州群志科技股份有限公司)测定各处理灯下15 cm 处光合有效辐射通量。试验共设置 4 个水平,分别为 100 μmol·m-2·s-1(T100)、260 μmol·m-2·s-1(T260)、400 μmol·m-2·s-1(T400)和500 μmol·m-2·s-1(T500)。 播种 20 d 后取样,测定植株光合特性及叶片生长状况,每个处理3 次重复,每个重复3 株普通白菜。 播种后29 d 进行采收,测定植株生物量、营养物质含量、膳食纤维及细胞壁多糖含量,每个处理3 次重复,每个重复10 株普通白菜。

1.2 测定方法

1.2.1 光合特性

使用便携式光合仪(GFS-3000,WALZ)于9:00—11:00 及14:00—16:00 测定普通白菜的光合作用参数,选取普通白菜生长点以下第二片无黄化、萎蔫、破损的叶片,测定位置为距离叶片尖端三分之一处。

使用调制式叶绿素荧光仪(IMAGING-PAM,WALZ)测定普通白菜叶绿素荧光参数,将整株普通白菜暗处理30 min 后拍摄图片,记录生长点以下第二片叶参数。

1.2.2 叶片生长状况

使用爱普生扫描仪(PERFECTION V700 PHOTO,爱普生)扫描单株鸡毛菜叶面积:将叶片展平放在扫描台,EPSON SCAN 软件设为专业模式,分辨率300 dpi,采集图片前预览效果,所有叶片调整合适后保存图片。

叶片厚度通过制作横截面切片测量,切片取用部位为距叶片尖端三分之一处并避开叶脉的中部,使用福尔马林-乙酸-乙醇(FAA)固定液保存、环氧树脂包埋,60 ℃聚合48 h。 超薄切片机(EM UC7,徕卡)切取厚度为1 μm 的切片,在光学显微镜(DM6 B,徕卡)20 倍镜头下,选取清晰无杂质,结构完整无破坏的视野,使用LASX 软件截取图片。

1.2.3 生物量

采收后,使用百分之一精度电子天平(PL602-L,梅特勒-托利多)称取普通白菜鲜重,鼓风式干燥箱在温度105 ℃条件杀青0.5 h,60 ℃烘干48 h 至恒重,称取普通白菜干重。

1.2.4 营养物质含量

维生素C 含量使用钼蓝比色法测定;可溶性蛋白含量测定使用考马斯亮蓝G-250 染色法;硝酸盐含量测定使用水杨酸-硫酸比色法;叶绿素、类胡萝卜含量测定使用95%乙醇浸提比色法。

1.2.5 膳食纤维及细胞壁多糖

膳食纤维测定按照国家制定的标准《食品安全国家标准 食品中膳食纤维的测定》(GB 5009.88—2014)进行。 细胞壁提取、组分分离及含量测定参考欧祥俐[28]的方法。

1.3 图像处理

使用 Image-J 软件(https:∕∕imagej.nih.gov∕ij∕developer∕index. html)处理普通白菜叶片扫描图,测定叶片形态,图片分辨率300 dpi,长度比例118.110 2 pixels =1 cm,直线工具测定;将彩色图片转为8 位色图(Image-Type-8 bit),调节灰度色域值(Image-Adjust-Threshold),Default-Red 模式,当红色区域覆盖对应目标叶片并无较多杂质时测定叶面积;将长度比例设置为2.36 pixels= 1 μm,使用直线工具测定叶片厚度。

1.4 数据分析

使用Excel 2016 软件整理数据、绘制图表,使用PASW 18.0 软件进行统计学分析,多重比较使用Tukey 法。

2 结果与分析

2.1 光照强度对不接球白菜光合特性的影响

图1 显示,T500 处理的普通白菜叶片净光合速率高于其他处理,约为 T100 的 4 倍,比 T260 高37.5%,与 T400 差异不显著。 T100 处理的普通白菜的蒸腾速率显著低于其他处理(图1),T260 的蒸腾速率是T100 的2.6 倍左右,T400、T500 处理的普通白菜蒸腾速率相比于T260 分别提高了13% 和25%左右,且T500 的蒸腾速率高于其他处理。

图1 不同光照强度的普通白菜光合特性Fig.1 Photosynthetic characteristics of pakchoi under different light intensities

如图2A 所示,T500 处理的 Y(II)最高,约为T100 的1.9 倍,比 T260 高 16.8%,T400 处理的 Y(II)与 T500 差异不显著,各处理普通白菜的Y(II)由大至小为:T500 ＞T400 ＞T260 ＞T100。 T500 处理的ETR 最高,约为T100 的1.9 倍,比T260 高16.9%,与T400 差异不显著(图2B)。 T400 处理普通白菜叶片qL 最高,比 T100 高 62.0%,比 T260 高 22.9%,与 T500 差异不显著(图 2C)。

图2 不同光照强度的普通白菜叶绿素荧光参数Fig.2 Chlorophyll flourensent parameters of pakchoi under different light intensities

2.2 光照强度对普通白菜叶片生长的影响

由表1 可知,各处理的普通白菜叶长由大至小为T400 ＞T260 ＞T100 ＞T500,且各处理间差异不显著。 T400 处理普通白菜叶宽显著大于其他处理,其余处理间差异不显著。 T400 处理的的普通白菜叶宽∕叶长比值最大,为0.76,其次为T260 处理,两者间差异不显著。 T260 处理的第三叶位叶面积最大,达19.4 cm2,各处理的普通白菜叶面积由大至小为T260 ＞T400 ＞T500 ＞T100。 T260 的普通白菜叶柄最长,与其他处理间差异显著,T500 处理的叶柄长显著低于其他处理,仅为3.5 cm。 T400 与T500 处理叶柄长与叶长比值均接近0.7,且二者间差异不显著,T260 处理最高。 叶片厚度随着光照强度的升高呈现出先增加后减小的趋势,T400 处理的普通白菜叶片厚度为352 μm,显著大于其他处理。

表1 不同光照强度普通白菜的叶片形态Table 1 The blade morphologenesis of pakchoi under different light intensities

2.3 光照强度对普通白菜生物量及营养物质的影响

由表2 可知,T100 处理的普通白菜鲜重显著低于其他处理,T260 和T400 处理间差异不显著。 普通白菜的干重表现出与鲜重相似的变化趋势。

表2 不同光照强度普通白菜生物量及营养物质含量Table 2 Biomass and nutrient component content of pakchoi under different light intensities

T260 处理的普通白菜的维生素C 含量最低,T400 与T500 处理间差异不显著,T100 处理最高。 可溶性蛋白的含量随着光照强度的增加不断增高,且各处理间差异显著。 T500 处理的普通白菜可溶性糖含量最高,T100、 T260 及T400 处理之间的差异不显著。

2.4 光照强度对普通白菜膳食纤维及细胞壁多糖的影响

由图3 可知,普通白菜不可溶膳食纤维含量由大至小为:T500 ＞T400 ＞T260 ＞T100,T500 比T100 处理高42.2%,比T260 处理高27.2%。 T400 处理的普通白菜可溶性膳食纤维含量最高,约为T100 的1.9 倍,比T260 处理高50.7%。 T500 处理的总膳食纤维最高,比 T100 处理高47.8%,比 T260 处理高30.5%,T400 与T500 处理间差异不显著。

图3 不同光照强度的普通白菜膳食纤维含量Fig.3 Dietary fiber content of pakchoi under different light intensities

由图4 可知,普通白菜细胞壁纤维素含量随着光照强度升高而增加。 T100 处理的普通白菜细胞壁半纤维素含量与T260 处理差异不显著,T400 与T500 处理间差异不显著。 随着光照强度的升高,普通白菜细胞壁果胶含量先增加后降低,T400 显著高于其他处理,比T100 处理高20.9%,比T260 处理高13.4%。

图4 不同光照强度的普通白菜细胞壁多糖含量Fig.4 Cell wall polysaccharides content of pakchoi under different light intensities

3 讨论与结论

光是作物生命活动的重要能量来源,弱光导致作物光合能力下降,器官发育缓慢、产量降低[29],强光会引起作物光抑制反应,光合能力下降,甚至破环光合器官[30-31],为了在人工光型植物工厂中获得产量高、品质好的蔬菜,需要明确合适的光照强度。 本研究中,当光照强度由100 μmol·m-2·s-1升高至400 μmol·m-2·s-1时,普通白菜净光合速率、蒸腾速率、Y(II)和 ETR 显著提高,而光照强度提高至500 μmol·m-2·s-1时并未显著增加,说明过高的光照强度不能促进普通白菜光合能力的提升;且光化学淬灭参数qL 在T500 条件下略有下降,说明T500 处理的普通白菜光合活性略有下降。 Samuoliene 等[32]研究表明,110 μmol·m-2·s-1光照强度会抑制十字花科叶菜苗菜的生长,330—440 μmol·m-2·s-1是其生长及抗氧化物质积累的最佳光照强度。 本研究中,光照强度由 100 μmol·m-2·s-1提高到400 μmol·m-2·s-1后,普通白菜叶片面积和叶片厚度显著增加,这与 Tan 等[33]的研究结果一致。 Ma等[34]研究发现,414 μmol·m-2·s-1光照强度有利于水培普通白菜地上部鲜重的积累,540 μmol·m-2·s-1条件下,普通白菜地上部鲜重减少。 本研究中,T500 条件下普通白菜鲜重、干重均较高,可能是不同栽培方式下普通白菜对光照强度的适应能力不同所致。 普通白菜的可溶性蛋白、可溶性糖含量随着光照强度的提高而增加,维生素C 含量并未随光照强度变化呈现出上述规律。

膳食纤维是一类化合物的总称,包括作物细胞壁的纤维素、半纤维素、果胶及非碳水化合物类木质素等[35]。 纤维素合成过程中的关键酶为纤维素合酶复合体,其磷酸化水平随着光合速率的增加而提高。 同时,向该过程分配碳通量的多少也与光合作用的强弱相关[36-37],高光强环境下烟草茎木质部木质素含量增加[38]。 Wang 等[39]发现,低光、高温及高水势环境抑制普通白菜下胚轴细胞壁多糖的沉积,对果胶的影响尤为显著。 本研究中,T500 和T400 处理的细胞壁纤维素和半纤维素含量以及不可溶膳食纤维(IDF)含量显著升高,与前人研究结果一致,而普通白菜的细胞壁果胶和可溶性膳食纤维(SDF)含量在T400 处理时达到最大,提高光照强度后略微下降,表明过高的光照强度不利于细胞壁果胶和可溶性膳食纤维(SDF)的积累。

综上,普通白菜膳食纤维、细胞壁多糖含量会受到光照强度的影响,并随着光照强度的升高而增加。400 μmol·m-2·s-1光照强度(T400)较适合人工光型植物工厂高品质普通白菜生产。