植物工厂远红光对生菜生长和产量品质的影响_张步驰.pdf

a a a 沈 浦 罗 盛 吴正锋 等 花生磷吸收分配及根系形态对不 同酸碱度叶面磷肥的响应特征 核农学报 宋 慧 冯佰利 高小丽 等 不同品种小豆根系活力与叶片衰 老的关系 西北植物学报 a a a a 张步驰 李源源 吴翠南 等 植物工厂远红光对生菜生长和产量品质的影响 江苏农业科学 植物工厂远红光对生菜生长和产量品质的影响 张步驰 李源源 吴翠南 吴 雪 胡立盼 岳钉伊 徐识溥 曹 凯 江苏省农业科学院农业设施与装备研究所 农业农村部长江中下游设施农业工程重点实验室 江苏南京 重庆三峡学院 生物与食品工程学院 重庆 上海农林职业技术学院 上海 农业农村部长三角智慧农业技术重点实验室 上海市农业科学院农业科技信息研究所 上海 摘要 为探究远红光 对植物工厂生菜产量及品质的影响 筛选适宜植物工厂生产的优质品种 以绿叶生菜品 种意大利 玻璃 紫叶生菜品种罗莎红 四季紫叶为试材 采用白光基础上补充 照射生菜 在 时测定其生长指 标 然后设置不同 照射时间再次测定其生长指标 在最佳照射时间下测定其光合特性 光合色素含量 品质及抗氧 化酶活性 结果表明 在补充 照射 时 意大利 罗莎红干鲜重较 的增幅显著高于玻璃 四季紫叶 的照 射时间显著提高了生菜的干鲜重 促进了可溶性糖和抗坏血酸含量 综上 补充 能够提升生菜的产量和品质 且 对于绿叶意大利 紫叶罗莎红生物量的提升效果优于其他 个品种 在植物工厂生产中宜作为优质品种 关键词 生菜 植物工厂 远红光 生长指标 产量 品质 抗氧化酶 中图分类号 文献标志码 文章编号 收稿日期 基金项目 江苏省基础研究专项资金 自然科学青年基金项目 编号 江苏省农业科技自主创新资金 编号 农 业农村部长三角智慧农业技术重点实验室开放课题 编号 上海晨光计划项目 编号 作者简介 张步驰 男 山东济宁人 硕士研究生 研究方向 为资源利用与植物保护 通信作者 曹 凯 博士 副研究员 硕士生导师 研究方向为设施园 艺学 徐识溥 博士 副研究员 研究方 向为农业信息化 生菜 a a a a 又称为叶用莴苣 是重要的世界性绿叶蔬菜 也是我国设施蔬菜的主栽 类型 与传统农业相比 设施园艺能够显著提高 园艺作物生产效率 而植物工厂作为设施园艺的 最高级发展阶段 是衡量一个国家农业高技术水平 的重要标志之一 生菜因其生长周期短 产量 高 营养价值高 市场需求大等特点成为植物工 厂理想的研究对象 而紫叶生菜相较于绿叶生菜颜 色更加鲜艳 有更高的营养价值 越来越受到市场 欢迎 光是植物生长发育的重要组成部分 不同波长 江苏农业科学 年第 卷第 期 的光通过与其相关的色素作用而影响植物体内的 激素平衡 光质对植物的形态建成 生长发育 光合特性 物质代谢以及基因调控等方面都具有重 要作用 生菜为常见的设施蔬菜 不同的补光 方式影响着生菜的产量和品质 不同品种的生菜 对光的响应也不同 目前研究发现 植物光合作用 主要是波长在 的吸收光谱 但是容 易被忽视的是波长在 左右的远红光 也 影响着作物的生长发育 近年来研究表明 能够 调控植株的光合作用 光形态建成及部分次生代谢 产物含量 促进下胚轴伸长及叶片的展开 扩大 叶面积 提高光合能力 改善口感 色泽和营 养价值 调节抗氧化酶活性及植物开花等 在实际生产应用中 大量研究证明 能够提高作 物的产量 调控开花时间等 但是 对不同 品种 不同叶色生菜的生长影响是否一致 尚未见 系统的研究报道 本试验旨在在前人研究 的基础上 以不同 品种的生菜为试材 通过分析其生长形态 光合特 性 光合色素含量 品质及抗氧化酶活性 最终筛选 出优质的生菜品种 为 在植物工厂生产中提高 生菜产量 降低植物工厂能耗提供技术支持 材料与方法 试验设计 本试验于 年 月在江苏省农业科学院 装备研究所的集装箱式植物工厂中进行 选取的绿 叶意大利 玻璃 紫叶罗莎红 四季紫叶生菜品种 均为本土或市场热销品种 种子经过浸种 催芽 后 点种在海绵块中 待真叶展平后 采用霍格兰 倍营养液育苗 然后定植在集装箱中 于定植 后开始补充 照射 光源为光照度 的 光源 光照周期为光 照 暗培养 营养液的 值为 电导 率 值 为 为探究 照射对不同品种生菜生长指标 的影响 设置白光对照 试验处理设置补充远 红光的 配比为 照射时间为 每个处理种植 株生菜 分别重复 次试验 结果 取 次试验的平均值 为确定 最佳照射时 间 照射时间分别设置为 持续照射至 其中 照射 后恢复成 照射直至 每个处理种植 株生菜 分别 重复 次试验 结果取 次试验的平均值 测定指标及测定方法 照射对不同品种生菜生长指标的影响 试验 于开始 照射后 每隔 分别 取 次样 最佳照射时间试验在照射至 时统一取 次样 每次取样均选取 株形态整 齐一致的植株 用直尺测量株高 采用 活体 叶面积仪 浙江托普云农科技股份有限公司 测量 最大叶片的面积 用电子天平测定其地上部与地 下部的总鲜重 测完后将鲜样置于烘箱中 杀青 于 烘干至水分完全蒸发 测定其 总干重 个部分试验均在 照射 时测定生 理生化指标 光合特性 光响应曲线 响应曲线 及净光合速率 胞间 浓度 气孔导度 蒸腾速率 采用 光合仪 美国 公司产品 测定 光合色素含量 总叶绿 素 叶绿素 叶绿素 和类胡萝卜素的含量 采用 乙醇提取法 测定 可溶性糖含量采用蒽酮 硫酸 法 测定 可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝 染色法 测定 抗坏血酸含量采用钼蓝比 色法 测定 超氧化物歧化酶 活性采用氮蓝 四唑光化还原法 测定 过氧化物酶 活性采 用愈创木酚法 测定 过氧化氢酶 活性采用 过氧化氢法 测定 生理生化指标对生菜生长点 以下第 张完全展开的功能叶进行测定 每个处理 均选取长势一致的 株生菜 每 株作为 个重复 共重复 次 结果取 次试验的平均值 数据处理与分析 采用 整理试验数据 用 对平均值进行单因素 检验 采用 检验进行多重比较 以 为差异 显著水平 采用 进行制图和相关性 分析 结果与分析 照射对生菜生长指标的影响 照射对不同品种生菜生长指标的影响 生菜的干鲜重可以反映植株的最终产量 叶面积和 株高则反映植株整体的形态 照射对不同品种 生菜鲜重 干重 叶面积和株高等形态指标的影响 如图 所示 在 生长周期内 随着照射时间的 延长 生菜的株高 叶面积及干鲜重均逐渐增大 在每个取样时期 照射的意大利 罗莎红 玻璃 江苏农业科学 年第 卷第 期 四季紫叶生菜的干鲜重 叶面积和株高较 均显 著增加 在 时 处理下意大利 罗莎红 玻 璃 四季紫叶生菜的鲜重分别较 显著增加 干重分别较 显著增加 叶面积分别较 显著增加 株高分别较 显著增加 可见 在 时 意大利 罗莎红的鲜重 干重较 的增幅 显著高于玻璃 四季紫叶 综上 照射能够促进 不同品种 不同叶色的生菜产量 但品种之间对于 的响应仍然有差异 为最大程度提升生菜的干 鲜重 减少植物工厂能耗 宜选择绿叶意大利 紫叶 罗莎红为优质品种 有助于生菜生物量的积累 不同照射时间对生菜生长指标的影响 如 图 所示 不同 照射时间均影响了生菜的干鲜 重 叶面积和株高 与 相比 随着照射时间的延 长 生菜鲜重 干重及叶面积在 先迅速增 加 增加减缓 株高持续伸长 在 生 长周期内 照射 可以显著提高不同品种生 菜的干鲜重 与 照射 相比 照射 的意大利鲜重分别显著增加 干重显著增加 照射 的罗莎红鲜重分别显著增加 干重分别显著增加 照射 的玻璃鲜重分别显 著增加 干重分别显著增 加 照射 的四季 紫叶鲜重分别显著增加 干重分别显著增加 由此 可知 照射 时不同品种的生菜产量提高效 果均达到最优 最佳照射时间对不同品种生菜叶片光合参 数的影响 光合参数反映了植株的光合作用能力 在 照射 时 与 相比 意大利 罗莎红 玻璃及四 季紫叶生菜净光合速率 气孔导度均显著降低 意 大利 罗莎红生菜胞间 浓度显著降低 意大利 罗莎红 玻璃生菜蒸腾速率显著降低 而四季紫叶 生菜蒸腾速率降低 但无显著差异 图 照射 时 不同品种生菜的净光合速率均较 显著 降低 不同品种之间存在差异 且以罗莎红最低 光响应曲线和 响应曲线能够反映植物对 环境的适应能力 随着光合有效辐射和胞间 浓度的增加 不同品种生菜叶片的净光合速率均先 增加迅速 后增加减缓 图 与 相比 当光合 江苏农业科学 年第 卷第 期 江苏农业科学 年第 卷第 期 有效辐射等于或高于 或胞间 浓度等于或高于 时 照射下意 大利 罗莎红生菜的净光合速率显著下降 而对于 玻璃 四季紫叶生菜而言 当光合有效辐射升高至 玻璃 甚至 四季紫叶 及以上或是胞间 浓度为 及以上时 照射的叶片净光合速 率显著低于 本试验在光合有效辐射为 江苏农业科学 年第 卷第 期 条件下 照射对意大利 罗莎 红净光合速率的影响显著高于玻璃 四季紫叶品 种 因此以意大利 罗莎红作为优质品种为宜 能够 更好地对 照射作出响应 综上 随着光合有效 辐射或胞间 浓度的增加 照射下不同品种 生菜的净光合速率均会显著降低 但株高伸长 叶 面积增大 图 图 会提升生菜冠层的光截获能 力 最终提升其干鲜重 最佳照射时间对不同品种生菜叶片生理生 化指标的影响 在 照射 时 意大利 罗莎红 玻璃 四季 紫叶生菜叶片的总叶绿素含量较 分别显著降低 叶绿素 含量 较 分别显著降低 叶绿素 含量较 分别显著降低 类胡萝卜素含 量较 分别显著降低 表 试验表明 照射会显著降低不 同生菜品种的总叶绿素含量 这可能是导致净光合 速率下降的主要原因 在 照射 时 意大利 罗莎红 玻璃 四季 紫叶生菜叶片的可溶性糖含量分别较 显著增加 可溶性蛋白含 量分别较 显著减少 抗坏血酸含量分别较 显著增加 表 说明 照射能够促进不同生菜品种的可溶性糖及抗坏 血酸含量的积累 提升生菜的保水能力及抗氧化能 力 但是降低可溶性蛋白含量 表 最佳照射时间对不同品种生菜光合色素含量的影响 品种处理 各光合色素含量 总叶绿素叶绿素 叶绿素 类胡萝卜素 意大利 罗莎红 玻璃 四季紫叶 注 同列数据后标不同小写字母表示同一品种不同光质处理间差异显著 表 表 同 表 最佳照射时间对不同品种生菜品质指标的影响 品种处理 可溶性糖含量 可溶性蛋白含量 抗坏血酸含量 意大利 罗莎红 玻璃 四季紫叶 在 照射 时 意大利 罗莎红 玻璃 四季 紫叶生菜叶片的 活性分别较 显著降低 活性分别较 显著降低 活性分别较 显著降低 表 说明 照射会显著降低 不同生菜品种的 活性 讨论 最佳照射时间对不同品种生菜生长的影响 本研究用 照射生菜 结果发现 与 相比 照射显著提高了不同品种生菜的干鲜重 叶面积 和株高 与前人的研究结果 一致 等的研 究表明 照射使生菜的鲜重 干重和叶面积均高 于仅使用红光照射的对照 另一研究中 的 值为 显著促进了菊花的生长并提高了菊花的外 观品质 其他研究表明 补充 能促进生菜株 型直立 有利于提高人工照明植物工厂生菜的栽培 密度 从而提高产量 还有研究表明 增加 会使菊花插条的茎伸长 但第 节间的过度伸长导 江苏农业科学 年第 卷第 期 表 最佳照射时间对不同品种生菜抗氧化酶活性的影响 品种处理 超氧化物歧化酶活性 过氧化物酶活性 过氧化氢酶活性 意大利 罗莎红 玻璃 四季紫叶 致茎秆变得脆弱 在自然光环境中 光敏色素以 非活性的红光吸收型 和有活性的远红光吸收 型 动态平衡存在 当植物触发避阴反应 这些植物就会以生理为代价 使茎秆持续伸长 甚 至影响植物的正常生长 在本研究中 照射 能促进生菜产量提升 但是其品种之间对于避阴效 应的反应时间不同 随着照射时间延长 生菜会明 显徒长 从则降低生菜的外观品质 为最大程度提 升生菜生物量的积累 在植物工厂实际生产中宜选 用 照射 其生物量的调高效果显著 最佳照射时间对不同生菜品种光合色素和 光合特性的影响 有研究表明 在室内生产中 光源提供的 增加生菜的株高及冠层尺寸 以捕获更多光能驱 动光合作用 还有研究表明 补充 主要通过 叶面积扩展来增加生菜的生物量 从而增加光的拦 截 在本研究中 生菜经过 照射后 株高伸 长 叶面积增大 提升了其冠层的光截获能力 最终 增加了生菜的干鲜重 但不同品种之间其增长速率 不同 这与前人的研究结果 一致 本研究还发 现 当 照射 时 与 相比 不同品种生菜 单张叶片的净光合速率均会降低 但鲜重显著增 加 推测其净光合速率的降低可能与叶片的叶绿素 含量降低有关 有研究表明 叶绿素含量是影响光 合能力的重要因素 拟南芥在经 照射后的叶片 苍白呈淡黄色 本研究中生菜经 照射叶片变 黄 与该研究结果 一致 在其他研究中 补充 会导致生菜叶绿素含量显著降低 证实 照射 将活跃的 转化成为了不活跃的 进而影响了叶 绿素的合成 光响应曲线和 响应曲线结果 表明 随着光合有效辐射或胞间 浓度的增加 照射下生菜的净光合速率显著降低 在本试验条 件下 对意大利 罗莎红净光合速率的影响显著 高于玻璃 四季紫叶品种 证明生菜品种之间是有 特性差异的 综上 照射能调控不同品种生菜的 光形态的建成 使株高伸长 叶面积增大 进而提升 了冠层的光截获能力 最终促进生菜的干物质的 积累 最佳照射时间对不同品种生菜品质及抗氧 化酶活性的影响 还会影响生菜的营养品质 本研究发现 在 照射 时 显著促进了生菜可溶性糖 抗坏血 酸的积累 但显著降低了可溶性蛋白含量以及抗氧 化酶活性 有研究表明 照射提高了番茄果实中 糖分的运输和代谢 提升了干物质分配 欧树颖 等研究发现 促进了可溶性糖的积累 但降低了 可溶性蛋白含量 证实 能改变生菜碳水化合物 及各类氨基酸的合成与吸收 在王发南的研究 中 促进了樱桃萝卜叶片抗坏血酸的合成 证实 通过改变光敏色素的 和 增加了樱桃萝卜 的抗坏血酸含量 此外 照射造成了辣椒叶 片的衰老 使抗氧化酶活代谢的失调而抑制了其活 性 在其他研究中 盐胁迫增加 照射能提升 番茄的抗氧化酶活性 结论 本研究发现 照射能调控生菜的光形态的建 成 使茎秆伸长 叶面积增大 进而提升了植株冠层 的光截获能力 促进了生菜的生物量及干物质的积 累 但是品种之间是有差异性的 综合筛选出植物 工厂实际生产中适宜栽培的品种为绿叶意大利和 紫叶罗莎红 为减少植物工厂能耗 本研究发现 照射 各品种生菜产量提高效果均达到最 优 提升了可溶性糖和抗坏血酸含量 但是会降低 江苏农业科学 年第 卷第 期 生菜的净光合速率 可溶性蛋白含量及抗氧化酶 活性 参考文献 陈文昊 徐志刚 刘晓英 等 光源对不同品种生菜生长和 品质的影响 西北植物学报 刘凯歌 宋云鹏 张丽丽 等 紫叶生菜和绿叶生菜品质的综合比 较 长江蔬菜 孙 锦 高洪波 田 婧 等 我国设施园艺发展现状与趋势 南京农业大学学报 杨其长 植物工厂的发展策略 科技导报 a a a a 赵占娟 李 光 王秀生 等 光质对绿豆幼苗叶片超微弱发光及 叶绿素含量的影响 西北植物学报 王 哲 王宇航 解山森 等 植物工厂 光质调控对生菜幼 苗生长的影响 现代农业科技 任毛飞 毛桂玲 刘善振 等 光质对植物生长发育 光合作用和 碳氮代谢的影响研究进展 植物生理学报 张玉彬 刘文科 杨其长 等 采前不同比例 红蓝光连续光 照对生菜光合特性及产量和品质的影响 中国农业科技导 报 占丽英 光质对紫色小白菜生长和花青苷合成基因表达的影响 福州 福建农林大学 徐 永 温室补光及其发展趋势 农业工程技术 郑 洁 胡美君 郭延平 光质对植物光合作用的调控及其机理 应用生态学报 窦海杰 等 远红光有效促进罗勒植株的生 物量和叶片花青素 总酚及类黄酮的积累 中国蔬菜 刘宣宣 贺忠群 李清明 等 植物工厂中不同 光质对番杏 植株生长及营养物质积累的影响 南方农业学报 赵世杰 苍 晶 植物生理学实验指导 北京 中国农业出 版社 高俊凤 植物生理学实验指导 北京 高等教育出版社 韩玉珍 张学琴 植物生理学实验 北京 科学出版社 张继波 杨再强 张 静 等 红光与远红光比值对切花菊 神 马 发育和外观品质的影响 生态学杂志 a a a a a 欧树颖 刘厚诚 远红光 蓝光分阶段补光对生菜生长和品质的 影响 照明工程学报 王发南 光质对樱桃萝卜生长发育及营养品质的调控机制 杭州 浙江大学 戴云花 刘周斌 杨 莎 等 不同光质对辣椒叶色黄化突变体 光合生理特性的影响研究 西北植物学报 王云龙 红光与远红光比值 对番茄盐胁迫的缓解效应及其 调控机理 杨凌 西北农林科技大学 江苏农业科学 年第 卷第 期