有色膜光谱下苗用型大白菜生长及光合活性的基因型响应

王春平，高 爽，薛占军，王俊玲，王 梅，高志奎

（1.河北农业大学 园艺学院，河北 保定 071001; 2.河北农业大学 食品科技学院，河北 保定 071001；3.河北农业大学 生命科学学院，河北 保定 071001）

苗用型大白菜，简称苗用大白菜、苗用白菜或快白菜，以鲜嫩的绿叶和叶柄为产品器官，是深受消费者喜食的绿叶类蔬菜［1］。近年来，为满足周年供应，在一些苗用型［2-4］、苗球兼用型［2］以及紫色型［4］新品种被选育应用的同时，结合其速生性的特点（生长期约20 ～35 d），在露地和设施栽培进行一年四季排开播种，还可以利用集约化育苗设备或无土栽培设备的闲置期进行无土基质以及水培或沙培［5-6］的灵活种植。

随着苗用型大白菜周年生产的发展，选育目标从速生丰产为核心扩充到了优质、抗病、耐抽薹及耐热等性状［7］，各地逐渐开展新品种的引种筛选择优试验［8］，逐渐开展了栽培技术和栽培生理研究。如种植适宜密度［9-10］、施肥方式及氮磷钾配比［10］、无土基质配比及沼肥施用［11］、越夏种植［12］与耐热性能［13］、无公害安全生产［14］与重金属污染［15］等试验。迄今，有色膜光质对苗用型大白菜现有基因型品种的生长及光合活性、营养品质的调优尚未见报道。

光质对植物生长发育具有重要的调节作用。多年来，科研人员以红光和蓝光为核心，在形态建成、光合作用、物质代谢、基因表达的光谱调节效应方面开展了大量试验研究工作［16］。然而，与LEDs 电照技术的硬件高成本和运转高能耗相比，有色薄膜覆盖技术在现代农业应用中仍然具有明显优势［17］。试验表明，有色膜的光质调节效应，不仅因植物种类的基因型而异［18］，而且也会因作物品种的基因型而异［19］。因此，可是通过有色膜光质对生物学表型效应的调节，进一步充分挖掘现有基因型生长潜势。

本试验以深绿叶、浅绿叶和紫色叶类型的4 个苗用型大白菜品种为试材，分别进行蓝、绿、黄、红4 种有色膜覆盖处理，以无色膜为对照，测定鲜重、干重、叶面积、可溶性糖、游离氨基酸、可溶性蛋白质、光合色素、光合活性等指标，明确有色膜对各基因型品种的生长、营养品质、光合活性的调节效应，并结合有色膜透射光谱特征和变量因子分析揭示诸多调节效应点间的表征关联性，以期筛选出能够充分挖掘现有品种基因型生长潜势的有色膜，为苗用型大白菜的营养品质定向调控以及生产的综合调优提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料培养

试验材料包括深绿叶色的‘油绿3 号’（L3）和‘京研1 号’（J1）、浅绿叶色的 ‘京研6 号’（J6）和紫色叶的‘京研紫快菜’（JZ） 共4 个苗用型大白菜栽培品种。于2021 年6 月24 日采用50孔穴盘直播，2021 年7 月3 日幼苗生长至2 叶1 心时，移栽到黑色塑料育苗钵(13 cm×12 cm)。基质为有机通用型栽培基质(N+P2O5+K2O ≥2%，有机质≥40%，淮安市中禾农业科技开发有限公司)。幼苗移栽3 d 后，各品种选择整齐一致的幼苗共150 株转入5 个有色膜的小拱棚

1.2 试验处理

在河北农业大学东校区日光温室内搭建小拱棚。其棚高70 cm，棚宽120 cm，棚长160 cm，棚向为东西延长。棚顶面覆盖的有色膜分别为蓝膜（B）、绿膜（G）、黄膜（Y）和红膜（R），以无色膜（W）为对照（山东塑洋有限公司生产）。将棚膜底部12 cm卷起，以形成良好的通风状态，来保持小拱棚之间棚温一致。以田间每个有色膜小拱棚为小区，随机区组排列，3 次重复。

1.3 有色膜透射光谱和生长指标测定

采用QE65（美国Ocean Optics Inc. S）测定5种有色薄膜400 ～800 nm 的光谱透过率。

有色膜覆盖处理2 周后，在每重复小区4 个品种各随机选取5 株，采用LI-3000 叶面积仪测量叶面积，采用电子天平测定地上部鲜重，然后在烘箱中 105 ℃下杀青0.5 h 后，转至75 ℃烘干至恒重，分别称取干重。

1.4 营养品质、光合色素和叶色参数测定

可溶性糖含量和淀粉含量采用硫酸蒽酮法测定，游离氨基酸总量采用水合茚三酮法测定［20］，可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝法测定［20］，抗坏血酸含量采用2,6-酚靛酚滴定法测定［20］，叶片叶绿素a、叶绿素b 和类胡萝卜素含量采用丙酮浸提法测定［20］，采用MINOLTA CR-400 色差仪测定叶色参数明亮度 (L*)、色相(a*)、色相 (b*)。

1.5 光合和叶绿素荧光参数测定

用 CIRAS-Ⅱ 光合仪（PP Systems, Ltd.）测定大白菜底数第 4 片真叶的光合气体交换参数。设定叶室温度为 20 ℃，CO2浓度为 380 μmol/mol (与外界大气中 CO2浓度相近)，光源为红蓝复合光源，比例为3 ∶1，光照强度1 200 μmol/(m2·s)(与设施环境内中午光强相近)。

采用Handy PEA（英国Hansatech 公司）测定苗用型大白菜底数第4 片真叶的快速荧光。暗适应20 min 后在3 000 μmol/(m2·s)的饱和激发光（λ=650 nm）下连续照射1 s 进行叶绿素荧光原初动力学曲线测定，并读取整个光系统性能指数PItotal［21］

1.6 数据处理与变量因子分析

采用Excel 2019 软件对数据进行处理与绘图，利用IBM SPSS Statistics 26.0 做方差分析，采用Duncan 方法进行多重比较（α=0.05）。采用IBM SPSS Statistics 26.0 进行变量因子分析，在KMO 和巴特利特球形度检验达到0.05 显著水平的基础上，基于初始特征值＞1 和方差贡献（Vi）累计≥87%，经最大方差法旋转后提取主因子（Fi）获得因子载荷矩阵和因子得分（FACi）。之后，计算变量共同度h2= Σ(Fi2)［22］。按照变量h2进行排序后，分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区段，并计算变异系数（cv= 标准差/平均值）。再计算处理样品的综合得分composite score=Σ(Vi·FACi)。

2 结果与分析

2.1 有色膜的光谱透过率

将有色薄膜在400 ～800 nm 范围内的光谱透过率（图1A）简化成7 段光谱范围（表1），即紫光（400 ～449 nm，Purple）、蓝光（450 ～499 nm，Blue）、绿光（500 ～549 nm，Green,）、黄光（550 ～599 nm，Yellow）、橙红光（600 ～649 nm，Orange）、红光（650 ～699 nm，Red）、远红光（700 ～800 nm，Far Red）。从表1 可见，无色膜的7 段光谱范围透过率都较高，而蓝膜以紫光、蓝光、绿光为主，绿膜以紫光、蓝光、绿光、黄光为主，黄膜以黄光、橙红光、红光为主，红膜以橙红光、红光为主。

表1 有色薄膜的光谱透过率Table 1 Transmittance spectral of colored films

从图1A 计算了各有色膜之间光谱透过率差值△T（图1B、C、D）。从图1B 可见，无色膜比红膜主要增添了紫光、蓝光、绿光和黄光（400 ～600 nm），尤其是绿光（500 ～550 nm）的光谱；无色膜比黄膜主要增添了紫光和蓝光（400 ～500 nm）的光谱；黄膜比红膜主要增添了绿光和黄光（500 ～600 nm）的光谱。从图1C 可见，蓝膜比无色膜主要增添了紫光、蓝光和绿光（400 ～550 nm）的光谱，减少了黄光、橙红光和红光（550 ～700 nm）的光谱，还减少了700 ～750 nm 的远红光光谱；绿膜比无色膜增添了蓝光和绿光（450 ～550 nm）的光谱，减少了橙红光、红光（600 ～700 nm）的光谱；绿膜比蓝膜主要增添了黄光（550 ～600 nm）光谱以及700 ～750 nm 的远红光光谱，减少了紫光（400 ～450 nm）的光谱。从图1D 可见，红膜比蓝膜主要增添了在橙红光、红光（600 ～700 nm）的光谱以及700 ～750 nm 的远红光光谱，减少了蓝光和绿光（450～550 nm）的光谱。因此，本试验采用的黄膜是在红膜的基础上辅助添加绿光和黄光；绿膜是在蓝膜的基础上添加了辅助黄光和远红光。

图1 有色薄膜的光谱透过率（T）和光谱透过率差值（ΔT）Fig.1 Transmittance Spectral and transmittance differences of colored films

2.2 有色膜光谱对苗用型大白菜形态生长的影响

有色膜光谱明显影响各品种的形态生长（图2）。在无色膜W 处理下，J1 和L3 的干重、鲜重、叶面积显著高于J6 和JZ。

由图2 可见，在B、G、Y、R 各有色膜光谱下，分别与无色膜下4 个品种相比，发现在黄膜Y 下，L3 的鲜重（+17.90%）、干重（+12.49%）和叶面积（+21.98%）均增加最大；还发现黄膜Y 下JZ和J6 的鲜重（+10.09%、+9.91%）、J1 的叶面积（+13.32%）和红膜R 下J1 的鲜重（+7.91%）与干重（+7.49%）、J6 的干重（+5.50%）与叶面积（+4.29%）均增加较大。然而，蓝膜B 和绿膜G 下各品种的上述生长指标却显著下降。

图2 有色膜光谱对苗用型大白菜形态生长的影响Fig.2 Effect of colored film spectra on the morphological growth of Chinese cabbage

总之，黄膜明显有利于各品种苗用型大白菜干鲜重和叶面积的生长，其次是红膜，且对L3 的生长促进效应最大。而蓝膜和绿膜明显抑制了苗用型大白菜的生长。

2.3 有色膜光谱对苗用型大白菜营养品质的影响

由图3 可见，在无色膜W 处理下，L3 的可溶性糖和淀粉最高，J1 较高，JZ 次之，J6 最低；而JZ、L3 和J6 的游离氨基酸和可溶性蛋白质无差异，但是J1 的游离氨基酸最低，可溶性蛋白质最高；另外，抗坏血酸表现为J1 最高，L3 较高，J6 次之，JZ 最低。

图3 有色膜光谱对快白菜可溶性糖、游离氨基酸、可溶性蛋白质、淀粉和抗坏血酸的影响Fig. 3 Effect of coloured film spectra on soluble sugars, free amino acids, soluble protein, starch and ascorbic acid in Chinese cabbage

在B、G、Y、R 各有色膜光谱下，分别与无色膜下4 个品种相比，发现蓝膜下J6 的可溶性糖（+48.01%）、JZ 的游离氨基酸（+60.44%）大幅度增加，而其它有色膜下各品种的可溶性糖和游离氨基酸显著下降或与对照相近，其中，各有色膜下L3 的可溶性糖平均下降了18.32%、L3 和J6 游离氨基酸平均下降了20.70%和21.43%。值得关注的是，蓝膜和绿膜下JZ、J1、L3 和J6 的可溶性蛋白质均大幅度增加，平均增幅达48.85%，仅有绿膜下JZ 的增幅较小（+27.80%）。同时，黄膜和红膜下JZ、L3 和J6 的可溶性蛋白质也增加较多。各有色膜下JZ 和J6 的淀粉含量均显著上升，而蓝膜下J1和红膜下L3 的淀粉也显著上升。另外，各有色膜下JZ 的抗坏血酸无差异，而绿膜下J1（+35.44%）、蓝膜下L3（+16.98%）和J6（+33.54%）的抗坏血酸均显著增加，其它膜处理下各品种的苗用型大白菜均下降或与对照相近。

总之，4 种有色膜对碳氮协同代谢途径的调节特征呈现为，各品种的上游产物可溶性糖均下降或保持不变，中间产物游离氨基酸也均下降或保持不变，而末端产物可溶性蛋白质却均显著上升，尤其是蓝膜和绿膜。同时，上游的碳水化合物还会以淀粉的形式贮藏。

2.4 有色膜光谱对苗用型大白菜光合色素的影响

由图4 可见，在无色膜W 膜下，J1 的叶绿素a、叶绿素b 和类胡萝卜素最高，L3 其次，JZ 再次，J6最低。

在B、G、Y、R 各有色膜光谱下，分别与无色膜下4 个品种相比，发现蓝膜和绿膜下JZ、J1、L3和J6 的叶绿素a，叶绿素b 和类胡萝卜素均显著增加，平均增加了18.00%。同时，黄膜下的JZ、黄膜和红膜下JZ 与J1 的叶绿素a，叶绿素b 和类胡萝卜素也增加较多。

总之，蓝膜和绿膜均有利于各品种光合色素的合成，而黄膜和红膜仅对部分品种（尤其是紫叶品种JZ）的光合色素合成有促进效应。

2.5 有色膜光谱对苗用型大白菜叶色参数的影响

根据 1970 年国际照明委员会推出的 CIELab 表色系统，以明亮度 (L*)、色相(a*)、色相 (b*) 表示色彩［23］。L*值增加表示亮度逐渐增加；a*值增加表示由绿色逐渐变为红色；b*值增加表示由蓝色逐渐变成黄色。

由图4 可见，在无色膜下，J6 的叶色参数明亮度L*、色相b*均最高，J1 和L3 次之，JZ 最低，而各品种的色相a*参数变化趋势则与L*、b*相反。

图4 有色膜光谱对苗用型大白菜光合色素和叶色参数的影响Fig. 4 Effect of colored film spectra on photosynthetic pigments and leaf color parameters in Chinese cabbage

在B、G、Y、R 各有色膜光谱下，分别与无色膜下4 个品种相比，发现有色膜光谱对绿叶品种（J1、L3、J6）的叶色参数L*、a*、b*影响较小，尤其是浅绿叶品种（J6）无显著影响。然而，紫叶品种（JZ）在蓝膜和绿膜下叶色参数L*、b*值显著增加，而a*值显著降低；相比之下，红膜和黄膜下JZ 的L*、b*值降低，而a*值增加。

因此，蓝膜和绿膜下JZ 的叶色不仅明亮度提高，而且叶片色彩的红蓝复合色（紫色）变浅且趋于黄绿复合色；黄膜和红膜下JZ 的叶色不仅明亮度变暗，而且叶片色彩的红蓝复合色（紫色）加重。

2.6 有色膜光谱对苗用型大白菜光合活性的影响

由图5 和图6 可见，在无色膜W 膜下，L3 和J6 的Pn、Gs、PItotal均显著高于J1 和JZ。

图5 有色膜光谱对苗用型大白菜光合速率和气孔导度的影响Fig. 5 Effect of colored film spectra on Pn and Gs of Chinese cabbage

图6 有色膜光谱对苗用型大白菜荧光活性的影响Fig. 6 Effect of colored film spectra on fluorescence activity of Chinese cabbage

在B、G、Y、R 各有色膜光谱下，分别与无色膜下4 个品种相比，各品种在蓝膜下的Pn和PItotal分别平均下降了29.86%和25.42%；而Gs均平均上升了111.98%；可是，在绿膜、黄膜和红膜下对Pn、Gs、PItotal的影响不一致。其中，黄膜和绿膜下JZ（+27.66%、+24.62%）的Pn显著增加；黄膜下JZ（+9.39%）、绿膜下J1（+12.74%）的PItotal显著增加；绿膜下JZ（+122.93%）、黄膜下J6（+85.91%）的Gs大幅度提高。有6 个变量（可溶性蛋白质、淀粉、叶面积、L*、b*、Gs）的h2差 异 也 很 小（cv=0.011）。Ⅲ级（h2=0.81 ～0.79）的4 个变量中，有4 个变量（抗坏血酸、可溶性糖、Pn、PItotal）的h2差异较小（cv=0.024）。另外，Ⅳ区段（h2=0.68 以下）仅有1 个变量的游离氨基酸。一般来说，因子载荷量反映着主成分变量与原变量的相关系数，其绝对值大小能够反映出主成分与各变量间的亲疏关系［34］。显然，在依赖于变量间相关性的因子分析中，通过荷载值计算的共同度h2相近的变量关联较为密切。因此，在不同基因型的苗用型大白菜对有色膜光谱调节效应会呈现4 个密切关联群。

2.7 因子分析

对苗用型大白菜形态生长、物质累积和光合活性的16 个变量，进行SPSS 软件的因子分析结果（KMO=0.622，巴特利特球形度检验达到0.000 显著水平），在旋转后因子载荷阵提取的5 个主因子F1（32.6%）、F2（21.4%）、F3（14.1%）、F4（9. 8%）、F5（9.1%）的方差贡献累积可达87.1%（表2）。

从表2 可见，从主因子F1中提取荷载值≥0.70的主成分变量5 个，不仅解释为鲜重、干重、叶面积的形态生长因子，还解释为L*、a*、b*的叶色参数因子以及抗坏血酸因子；从主因子F2中提取荷载值≥0.74 的主成分共4 个，解释为叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素的光合色素因子和可溶性蛋白质因子；从主因子F3中提取荷载值≥0.85 的主成分共2 个，解释为可溶性糖和淀粉的非结构性碳水化合物因子；从主因子F4和F5中提取荷载值≥0.76 的主成分共3 个，解释为Pn、Gs和PItotal的光合活性因子。

表2 因子载荷值和变量共同度Table 2 Factor loading values and variable commonality

通过提取的5 个主因子F1、F2、F3、F4、F5荷载值计算的变量共同度h2，进行排序可分为4 级（表3）。Ⅰ级（h2=0.98 ～0.91）：有6 个变量（叶绿素a、a*、类胡萝卜素、叶绿素b、干重、鲜重）h2的差异很小（变异系数cv=0.012）；Ⅱ级（h2=0.89 ～0.86）：?

由图7 可见，在无色膜W 膜下，J1 的综合得分最高，L3 和J6 其次，JZ 最低。分别与无色膜下4个品种相比，在绿膜、黄膜和红膜下各品种的综合得分均显著增加，尤其是黄膜下JZ（+138.5%）、J1（+10.6%）、L3（+58.3%） 和J6（+44.2%） 综合得分增幅较大；在蓝膜下，仅有JZ（+62.9%）的综合得分显著增加，而其余品种均与对照无显著差异。总之，蓝、绿、黄、红4 种有色膜，尤其是黄膜，对苗用型大白菜的物质累积和光合活性有较大的综合调优效应。

图7 综合得分Fig. 7 Composite score

3 讨论与结论

许大全在总结LED 光质调节效应的总趋势时提出，对植物生长最有利的是适宜比例的红蓝组合光，其次是白光，最不利的是黄光、绿光［16］。LED 光源的发射光谱为窄带的单色光质，而在阳光或钨灯光源下有色膜的透射光谱为宽带的复色光质（图1A）。这会给各种有色膜之间的生物学效应比较带来复杂性。有色膜对植物生长调节效应的大量研究报道［18-19］呈现出既有相似性又有差异性。Ye 观察到，与黄膜和红膜相比，金线莲在蓝膜下具有最大的叶面积、鲜重和干重［24］。He 以无色膜为对照观察到，八角莲在红膜和蓝膜下生长较差，黄膜下最差［25］。然而，彭晓丹等以无色膜为对照却呈现出，红膜下甜椒叶面积、干重、鲜重最大，黄膜下其次，而蓝膜下最小的调节效应［26］。与上述试验结果相似的是，本试验以无色膜为对照观察到，苗用型大白菜的叶面积、干重和鲜重均在蓝膜下降低，绿膜下也有所降低；而不同的是本试验中红膜下有所增加，黄膜下最高。

为了辨析有色膜复色光下单色光质的生物学效应，本试验将有色膜光谱透过率差值△T 的特征（图1）与图2 对比分析不难发现，采用的黄膜是在红膜的基础上辅助添加绿光和黄光才会取得更好的生长促进效应。同时，绿膜是在蓝膜的基础上添加了辅助黄光和远红光，则对苗用型大白菜生长产生了轻微的抑制效应。因此，有色膜复合光谱下黄光作为红光的辅助光或作为蓝光的辅助光会产生相反的生长调节效应。

本试验观察到与蓝膜相比，红膜更有利于可溶性糖的累积（J6 除外），绿膜和黄膜对可溶性糖累积的效应在各品种间存在差异；与红膜相比，蓝膜和绿膜对可溶性蛋白质的累积促进效应较大，黄膜的促进效应较小（JZ 除外）。这与以往文献报道的LED 红光促进可溶性糖的合成［27］，蓝光促进可溶性蛋白质的合成［27］效应相一致。可是，绿膜是在蓝膜的基础上所添加的辅助黄光和远红光对可溶性蛋白质的累积无显著影响，而黄膜是在红膜的基础上所添加的辅助绿光和黄光却对可溶性蛋白质的累积有一定的促进效应。另外，绿膜和黄膜的辅助黄光对可溶性糖的累积在各品种间存在差异的现象，有待于进一步研究。

本试验还观察到4 种苗用型大白菜在蓝膜下光合速率最小，而气孔导度最大。这与LED 单色光研究发现蓝光可以促进了植物叶片气孔开启［16］；红光促进光合碳吸收［16］相一致。同时，与蓝膜相比，绿膜增添了辅助绿光和黄光促进了光合速率；与红膜相比，黄膜增添了辅助黄光和远红光抑制了光合速率。另外，J6 在黄膜下气孔导度却显著上升。这是否与黄膜增添的辅助黄光有关尚待研究。

有色膜光谱的生物学调节效应在植物种类间或品种间呈现相互交错的异同性。有色膜覆盖试验观察到，‘苏椒13 号’和‘川雄9 号’2 个品种甜椒的干鲜物质累积表现出一致的调节效应，即红膜＞黄膜＞无色膜＞绿膜＞蓝膜＞紫膜；而‘苏椒13 号’在黄膜下叶面积大于绿膜，‘川雄9 号’则相反［26］。本试验观察到，随着有色膜主波长的增加，4 个品种的干重基本上呈现蓝膜和绿膜较低、黄膜和红膜较高的趋势。然而，JZ 和L3 的干鲜物质和叶面积在黄膜下更高，J1 则在红膜下更高；可是，J6 的鲜重在黄膜下最高，干重和叶面积在红膜下最高。

值得注意的是，本试验不仅有3 个绿叶品种（J1、L3、J6），还有1 个紫叶品种（JZ）。薛占军等研究发现茄子叶片的紫斑区域主要是上表皮的花色素苷吸收了黄绿光，构建成生物物理水平的防御系统，可以有效地保护了PS Ⅱ和PS Ⅰ反应中心，减轻光抑制程度，并维持较高的PS Ⅱ活性［28］。本试验通过田间和叶片纵切面解剖观察到，紫叶品种‘JZ’的花色素苷也同样是主要分布在叶片上表皮（文中数据未列出）。本试验还观察到，在蓝膜、绿膜和黄膜下花色素苷含量较高，而红膜和无色膜下较低（文中数据未列出）。这种紫色叶片上表皮的花色素苷分布层相当于在有色膜覆盖下的二次光谱选择透过。本试验观察到在蓝膜和红膜下JZ 的光系统整体性能指数PItotal呈现出略低于无色膜的水平，而绿膜下更低，黄膜下更高的调节效应。这种有色膜与叶片上表皮花色素苷的分布层构成的二次光谱选择透过对叶片的光系统活性乃至植物生长的调节效应有待于进一步深入研究。

总之，与无色膜相比，蓝膜和绿膜对苗用型大白菜生长呈现出抑制效应，而红膜和黄膜则呈现出促进效应，且黄膜尤其是对L3 的生长促进效应最优。尽管绿膜是在蓝膜复合光谱的基础上添加了辅助黄光和远红光光谱，可是绿膜与蓝膜一样，均具有促进各品种的可溶性蛋白质和类胡萝卜素的定向调优效应。另外，蓝膜光谱下，各品种的光合活性均降低。无论如何，各品种生长及光合活性的变量因子综合调优效应最好的是黄膜，其次是红膜和绿膜，蓝膜最弱。