蕹菜芽苗菜对LED光强和光质的生长响应

赵 硕 赵柯涵 陈子义 章竞瑾 黄丹枫

（上海交通大学农业与生物学院，上海 200240）

芽苗菜是利用作物的种子等繁殖材料，在黑暗或弱光条件下培育成供食用的幼嫩芽苗、芽球、幼茎或嫩梢等（周秦 等，2017），其营养丰富、清洁健康、口感独特，深受广大消费者喜爱（张德纯和王德槟，1998；杨凤军 等，2013）。蕹菜（Ipomoea aquaticaForsk.）又称空心菜，其芽苗菜生长周期短，生产过程中不使用化肥、激素和农药，是绿色健康的活体蔬菜，且蕹菜芽苗菜口感柔嫩，具有防癌、防暑解热、降脂减肥等保健作用，已成为芽苗菜生产的主要品种之一（张静 等，2011）。目前，上海地区已有相关企业（如上海星辉蔬菜有限公司）在大规模地进行蕹菜芽苗菜的商品化生产和销售。

光照是影响植物生长最重要的因素之一，发光二极管（light emitting diode，LED）是一种新型照明光源，具有体积小、寿命长、使用直流电、低发热量等优点，植物工厂LED照明是设施农业照明研究的前沿和重要内容（魏灵玲 等，2007；刘文科和杨其长，2015）。应用LED改进芽苗菜的生长方式来提高芽苗菜产量及营养品质已引起广泛重视，并成为设施栽培范畴新的研究热点（崔瑾 等，2014；陈亚云和康玉凡，2016）。

张毅华等（2013）研究表明，与黑暗培养相比，光强 为 3～9 μmol·m-2·s-1的处理有利于黑豆芽苗菜的生长和部分营养品质的改善。王德槟等（1996）研究认为，芽苗菜生长期间如果光照过弱或不足，易引起下胚轴或茎叶柔长、细弱，并导致倒伏、腐烂和减产；如果光照过强则将促使纤维提前形成，不利于优质产品的形成。在光质方面，前人研究发现与白光处理相比，红蓝复合光处理显著提高了3种豌豆芽苗菜的可溶性糖、抗坏血酸（VC）等营养物质的含量（耿灵灵 等，2017）；在萝卜芽苗菜上的研究表明红光与红蓝光组合处理的可溶性糖含量和淀粉含量均显著高于荧光灯对照（张欢等，2009）；在香椿芽苗菜上的研究也发现蓝光和红蓝光处理显著提高了其氨基酸含量（刘素慧和张立伟，2015）。

蕹菜芽苗菜的生产要经过催芽和绿化两大阶段，目前在蕹菜芽苗菜生产中普遍采用日光作为绿化光源，少数情况下也会采用LED作为绿化光源。在蕹菜芽苗菜生产中存在着“脱壳难”的问题，即蕹菜种子萌发后种皮不能正常脱去，导致生长过程中子叶无法正常展开，从而影响最终的产量和品质。目前国内关于不同LED光强或光质对蕹菜芽苗菜生长的影响研究鲜有报道，本试验以阔叶空心菜为试材，研究了蕹菜芽苗菜对LED光强和光质的生长响应，以期为建立适宜蕹菜芽苗菜工厂化生产的LED光源配方提供依据，达到高产优质的目的。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试蕹菜品种为阔叶空心菜，种子由安徽荃银高科种业股份有限公司提供。

1.2 试验方法

试验于2018年1～2月在上海交通大学农业与生物学院进行。采取完全随机区组设计，绿化阶段的光强处理设置3个水平：3 000 lx（L3000）、7 000 lx（L7000）、11 000 lx（L11000）；光质处理设置 3 个水平：红∶蓝∶白光灯珠数量比 =7∶1∶1（RBW7∶1∶1）、红∶蓝∶白光灯珠数量比 =4∶1∶1（RBW4∶1∶1）、红∶蓝∶白光灯珠数量比 =1∶1∶1（RBW1∶1∶1），以白光处理作对照（W），各处理光谱图见图1；各处理组合详见表1。

图1 光质处理光谱图

表1 试验处理组合

选取颗粒饱满、大小均匀、无虫蛀残破霉变的蕹菜种子，用无菌水清洗5遍，然后用70 ℃的无菌水烫种1 min，在25 ℃的无菌水中浸种24 h。将洗净的育苗盒（长19 cm，宽13 cm，高8 cm）用次氯酸钠溶液消毒后滤洗干净，平铺一层湿润的无纺布，将蕹菜种子均匀播入育苗盒中，在（25±2）℃、80%相对湿度的HQH-250型人工气候培养箱（上海慧泰仪器制造有限公司制造）黑暗催芽5 d，每天喷6次无菌水。

催芽阶段结束后，蕹菜芽苗菜进入绿化处理阶段。每个处理设置3次重复，每重复播种3个育苗盒，每个育苗盒播100粒种子。光周期设置为12 h·d-1，控制培养箱内温度在25 ℃、相对湿度80%，每天喷6次无菌水。绿化处理5 d后各处理随机取样，3次重复；于液氮中快速冷冻，-80 ℃冰箱保存，用于相关生理生化指标的测定。

定制LED灯管（山东贵翔光电有限公司制造），通过改变红、蓝、白灯珠不同数量以提供不同光质，通过调节灯管数量及其与育苗盒的垂直距离，使光强满足处理条件。光强采用光谱分析仪（cl-500A，Konica Minolta，Inc，Japan）在气候箱载物托架的9个点进行测定，光谱使用台湾群智Asense Tek照明护照智能手持光谱仪（ALP-1，购于上海和晟仪器科技有限公司）在距离光源正下方30 cm处采集数据，光源的光谱分布见图1，其中红光波峰为660 nm，蓝光波峰为450 nm。

1.3 测定项目

1.3.1 形态指标 绿化处理5 d后，统计蕹菜芽苗菜的脱壳率，脱壳率为蕹菜种子在绿化时脱去种皮的数目（子叶正常展开）占播种总数目的比例；每个育苗盒随机选取10株，去根后用蒸馏水反复冲洗，吸去表面多余水分后测定可食部分鲜质量；105 ℃烘箱杀青，然后80 ℃条件下烘至恒重，测定可食部分干质量。干、鲜质量均采用万分之一天平测定。每个育苗盒随机选取10片子叶剪下，利用Matlab软件分析工业相机拍摄子叶所得照片，可得其叶面积。

1.3.2 生理生化指标 叶绿素含量采用直接浸提法测定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定，抗坏血酸（VC）含量采用紫外分光光度法测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250法测定（高俊凤，2006）。

1.4 图像处理与数据分析

1.4.1 图像处理 叶面积图像使用Matlab（R2014a，The MathWorks，Natick，MA，USA）软件自行编程处理计算叶面积。

1.4.2 数据分析 因为通过测定的各指标筛选出的最优光照环境培养条件不完全一致，为了综合各指标得出适合蕹菜芽苗菜生长的最优光照环境条件，采用主成分分析的方法进行综合评价。采用SPSS 19.0软件处理试验数据并进行差异显著性分析和主成分分析，处理间均值多重比较利用Duncan’s新复极差法，采用Excel 2016软件进行数据整理，试验结果为3次重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 不同LED光强和光质对蕹菜芽苗菜形态指标的影响

2.1.1 脱壳率 从表2可以看出，绿化阶段结束时处理L7000RBW4∶1∶1的脱壳率显著高于其他处理，处理L11000RBW7∶1∶1的脱壳率显著低于其他处理。不同光强水平下，脱壳率随光质配比变化的规律不一致，3 000 lx时，3种光质处理及白光对照间差异不显著；7 000 lx时，处理L7000RBW4∶1∶1的脱壳率显著高于其他处理；11 000 lx时，白光对照的脱壳率显著高于3种光质处理。不同光质水平下，除白光对照外，蕹菜芽苗菜的脱壳率均随着光强的增大呈先升高后降低的变化趋势。

表2 不同LED光强和光质对蕹菜芽苗菜形态指标的影响

2.1.2 可食部分干、鲜质量 从表2可以看出，不同光强和光质处理对蕹菜芽苗菜可食部分鲜质量均无显著影响。光强为7 000 lx时，白光对照的可食部分干质量显著低于3种光质处理，而3种光质处理间差异不显著。不同光质水平下，除白光对照外，L7000各处理的可食部分干质量均显著高于相应的L3000处理。

2.1.3 子叶叶面积 从表2可以看出，处理L3000RBW7∶1∶1蕹菜芽苗菜的子叶叶面积最大，显著高于除L3000W外的其他处理。光强为7 000、11 000 lx时，子叶叶面积随着红光比例的增加呈先增大后减小的变化趋势，处理RBW4∶1∶1的子叶叶面积显著高于处理 RBW7∶1∶1和 RBW1∶1∶1，但与白光对照间差异不显著。不同光质水平下，子叶叶面积均随着光强的增大而减小，处理L3000的子叶叶面积显著大于其他光强处理。

2.2 不同LED光强和光质对蕹菜芽苗菜生理生化指标的影响

2.2.1 叶绿素含量 从表3可以看出，光照强度过高显著影响蕹菜芽苗菜叶绿素的积累，处理L11000RBW7∶1∶1的叶绿素 a、叶绿素 b含量及叶绿素总量均显著低于其他处理。光强为3 000、7 000 lx时，3种光质处理及白光对照的叶绿素a、类胡萝卜素含量及叶绿素总量差异不显著。不同光质水平下，处理 RBW7∶1∶1和 RBW4∶1∶1的叶绿素 a、叶绿素b、类胡萝卜素含量及叶绿素总量均随着光强的增大而降低。

由图2可见，光强为11 000 lx时，3种光质处理的蕹菜芽苗菜子叶均出现了不同程度的白化现象，且随着红光比例增加，子叶白化程度逐渐增大，这个趋势与叶绿素总量的变化趋势相吻合，说明在高光强下蕹菜芽苗菜的叶绿素合成受到抑制，且红光比例较高的光质抑制作用更大。

表3 不同LED光强和光质对蕹菜芽苗菜叶绿素含量的影响

图2 光强为11 000 lx时蕹菜芽苗菜子叶白化现象

2.2.2 可溶性蛋白含量 从表4可以看出，光强为 3 000 lx 时，处理 RBW1∶1∶1的蕹菜芽苗菜可溶性蛋白含量显著高于白光对照；光强为7 000 lx时，可溶性蛋白含量随着红光比例的增加而降低，处理RBW1∶1∶1的可溶性蛋白含量显著高于处理RBW7∶1∶1及白光对照。不同光质水平下，除白光对照外，可溶性蛋白含量均随着光强的增大呈下降趋势。

表4 不同LED光强和光质对蕹菜芽苗菜生理生化指标的影响

2.2.3 抗坏血酸含量 从表4可以看出，处理L7000RBW1∶1∶1蕹菜芽苗菜的抗坏血酸含量显著高于其他处理，而处理L11000RBW7∶1∶1的抗坏血酸含量显著低于其他处理。不同光强水平下，抗坏血酸含量均随着红光比例的增加而降低。不同光质水平下，抗坏血酸含量均随着光强的增大呈先增加后降低的变化趋势。

2.2.4 可溶性糖含量 从表4可以看出，相同光强条件下，3种光质处理对蕹菜芽苗菜的可溶性糖含量无显著影响。不同光质水平下，处理RBW7∶1∶1和RBW1∶1∶1可溶性糖含量随着光强的增大呈先增加后减少的变化趋势，而处理RBW4∶1∶1可溶性糖含量则随着光强的增大而增加。

2.3 综合评价

对蕹菜芽苗菜的脱壳率、可食部分干鲜质量、子叶叶面积、叶绿素总量、可溶性蛋白含量、抗坏血酸含量、可溶性糖含量等指标进行主成分分析，从8个因子中提取出3个主成分，贡献率分别为34.280%、26.617%和15.196%，累计贡献率为76.093%。根据公式 Score=FAC1×34.280%+FAC2×26.617%+FAC3×15.196%计算各处理的综合得分并排序（表5），处理L7000RBW4∶1∶1的得分最高，说明3个主成分对其影响程度最大，在本试验条件下表现最佳。

表5 主成分分析结果

3 结论与讨论

光作为植物生长发育所必需的环境因子，对植物的生长发育有着重要的影响（Li & Kubota，2009；郝东川和司雨，2012；何伟明 等，2017）。本试验结果表明，不同光质处理的蕹菜芽苗菜的脱壳率随光强的增大呈先升高后降低的变化趋势，说明无论光强过高或者过低都不利于蕹菜芽苗菜的脱壳。光强为7 000 lx时，适当提高红光比例（RBW4∶1∶1）显著提高了蕹菜芽苗菜的脱壳率，今后应在L7000水平上进一步研究最适合脱壳的光质配比。需要说明的是：本试验在统计脱壳率时仅将种皮在无任何人为干扰的情况下自然脱去并且子叶在发育正常的情况下完全展开的植株视为“脱壳”（目前在蕹菜芽苗菜生产中会采用人工去壳的方式），包括已萌发但是未成苗、子叶展开但未脱去种皮以及脱去种皮但子叶发育畸形在内的植株均不视为“脱壳”，所以脱壳率的数据普遍较低，但是仍然发现不同LED光强和光质对蕹菜芽苗菜的脱壳率有显著影响，说明通过调控光环境的方式来解决脱壳问题是行之有效的。本试验中，适当增大光强（L7000）提高了蕹菜芽苗菜的可食部分干质量，说明适当的高光强有利于其干物质的积累，这与张毅华等（2013）的研究结论一致。本试验还发现，较低的光照强度有利于蕹菜芽苗菜子叶叶面积的增大，这可能是植株对弱光条件的适应性，在一定的弱光条件下植株通过增大叶面积来吸收更多光能以弥补光照的不足（种培芳，2003；朱延姝和冯辉，2006）。

不同LED光强和光质处理也对蕹菜芽苗菜的生理生化指标产生了显著影响。当光强为11 000 lx时，观察到子叶出现明显白化现象，并测得叶绿素总量最低，这可能是因为在高光强下蕹菜芽苗菜受到一定程度的强光胁迫，叶绿素合成的生理过程被破坏。一些研究认为，红光处理的叶片叶绿素含量要低于蓝光（曹刚 等，2013；周锦业 等，2015；李慧敏 等，2016），可能是红光比例较高的情况下，叶绿素较多地参与了光合作用，合成了光合产物，从而导致含量下降（Li et al.，2010），但也有研究认为红光处理的叶片叶绿素含量更高（胡阳 等，2009；赵占娟 等，2009；周锦业 等，2016）。本试验中，高光强（L11000）下的叶绿素a、叶绿素b含量及叶绿素总量随着红光比例的增加而降低，同时子叶白化现象越发明显，这可能是因为蓝光可以通过提高抗氧化酶的活性及基因表达，延缓叶绿素和可溶性蛋白的降解及膜脂过氧化的发生（王虹 等，2010；周秦 等，2017），这可能也是当光强为 7 000 lx 时红光比例较高（RBW7∶1∶1）的处理蕹菜芽苗菜可溶性蛋白含量显著低于蓝光比例较高（RBW1∶1∶1）的处理的原因。VC是人体必需的一类重要的维生素（Wu et al.，2007），本试验结果表明处理L7000RBW1∶1∶1蕹菜芽苗菜的抗坏血酸（VC）含量最高，显著高于其他处理，说明光强过高或者过低都不利于蕹菜芽苗菜抗坏血酸的累积，这和此前在黑豆芽苗菜上的研究结果一致（张毅华 等，2013）。本试验中，不同光强下，随着红光比例的增加蕹菜芽苗菜中抗坏血酸含量均表现降低，这与在豌豆苗上的研究结果一致（张立伟 等，2010a）。本试验中蓝光比例较高的处理RBW1∶1∶1抗坏血酸含量亦较高。有研究表明，半乳糖酸内酯脱氢酶催化半乳糖内酯合成抗坏血酸，蓝光可以通过提高半乳糖内酯脱氢酶的生物活性而提高抗坏血酸含量（张立伟，2010）。本试验发现，适度增大光强有利于可溶性糖含量的增加，这与前人研究结果一致（马超，2012；董皓，2016；肖婷婷，2016）。很多研究都认为红光促进植物体可溶性糖的合成（张立伟 等，2010a，2010b；闻永慧 等，2014；李慧敏 等，2016），但也有研究认为蓝光亦能起到这个作用（刘振威 等，2017），而在本试验中不同光质处理对蕹菜芽苗菜的可溶性糖含量无显著影响，这可能是由于蕹菜本身的品种特性所致。

本试验结果表明，不同LED光强和光质处理对蕹菜芽苗菜的生长及品质产生了显著影响。综合来看，处理L7000RBW4∶1∶1蕹菜芽苗菜的品质得到了明显提升。在蕹菜芽苗菜工厂化生产的过程中，利用LED作为人工光源，通过精准控制光强和光质参数，有利于获得更高的效益。