引用本文
翟克清, 张昕昱, 周念念, 安玉兰, 雷玥, 高洁, 甘德芳, 刘文, 何晓梅. 光学干涉膜下生菜的生理指标变化及品质分析[J]. 浙江农业学报, 2019,31(9): 1493-1501.
ZHAI Keqing, ZHANG Xinyu, ZHOU Niannian, AN Yulan, LEI Yue, GAO Jie, GAN Defang, LIU Wen, HE Xiaomei. Changes of physiological indexes and quality analysis of lettuce under optical interference film[J]. ACTA AGRICULTURAE ZHEJIANGENSIS, 2019,31(9): 1493-1501.
  
Doi: 10.3969/j.issn.1004-1524.2019.09.13
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光学干涉膜下生菜的生理指标变化及品质分析
翟克清1, 张昕昱2, 周念念1, 安玉兰1, 雷玥1, 高洁1, 甘德芳1,*, 刘文2, 何晓梅3
1.安徽农业大学 园艺学院,安徽 合肥 230036
2.中国科学技术大学 物理学院,安徽 合肥 230026
3.皖西学院,安徽 六安 237012
*通信作者,甘德芳,E-mail:gandf@ahau.edu.cn

作者简介:翟克清(1993—),男,山东滨州人,硕士研究生,主要从事蔬菜分子生物学研究。E-mail: 275974456@qq.com

收稿日期: 2019-03-03
基金资助: 安徽省高等学校自然科学研究重点项目(KJ2019A0188,KJ2017A407); 研究生创新基金(2019ysj-9); 大学生创新项目(201710364075,XJDC2018387,201810364177); 中央高校基本科研业务费专项资金(WK6030000084)
摘要

生菜因其生长期短、产量高、易于生食等特点,已经成为设施栽培的一种重要叶菜。传统的光伏发电占用大量的土地资源,而光伏农业在满足农作物生长的光照需求下,进行光伏发电。为此,本研究以蒙黛和克里斯汀两个生菜品种作为供试品种,研究不同光学干涉薄膜(红蓝光透过膜及远红光截止膜)对生菜的抗氧化酶、营养品质及叶片超微结构等的影响。结果表明,蒙黛在红蓝光透过膜及远红光截止膜下的CAT活性、SOD活性及丙二醛含量都呈现下降的趋势;克里斯汀在两种膜覆盖下的CAT活性上升,而SOD活性及丙二醛的含量则呈现下降趋势,但两种生菜在两种膜覆盖下,后期的酶活性大多较对照的高。红蓝光透过膜下,两种生菜可溶性糖的含量先升高后降低,远红光截止环境下则呈现上升的趋势。随着覆盖时间的延长,两个品种在两种光环境下,维生素C的累积量都明显增加;蛋白质及叶绿素含量随着覆盖时间的延长,较前期有所下降,但大多比对照的高。叶片超微结构分析表明,红蓝光透过膜下,蒙黛的叶绿体聚集增大,而远红光截止环境下叶片的部分细胞破坏,叶绿体基粒分层不明显。研究结果可为光学干涉膜的技术改进、光学干涉膜的大田推广应用以及光伏农业的未来发展走向提供参考和依据。

关键词: 光学干涉膜; 生菜; 生理指标; 营养品质; 细胞超微结构
中图分类号:S636.2 文献标志码:A 文章编号:1004-1524(2019)09-1493-09
Changes of physiological indexes and quality analysis of lettuce under optical interference film
ZHAI Keqing1, ZHANG Xinyu2, ZHOU Niannian1, AN Yulan1, LEI Yue1, GAO Jie1, GAN Defang1,*, LIU Wen2, HE Xiaomei3
1. College of Horticulture, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China
2. School of Physical Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
3. West Anhui University, Lu’an 237012, China
Abstract

Due to short growing period, high yield and suitable for raw food, lettuce becomes an important leafy vegetable in facility cultivation. Traditional photovoltaic power generation occupies a large amount of land resources, while photovoltaic agriculture performs photovoltaic power generation under the illumination demand that meets the growth of crops. In this study, two kinds of lettuce varieties, MonDai and Kristin were used as the tested varieties to study the bioactive enzymes, nutritional quality and the ultrastructure of the leaves under different optical interference films (red blue light transmission film and far red light-cutting film). The results showed that the CAT activity, SOD activity and malondialdehyde content of MonDai showed a downward trend under the red blue light transmission film and the far-red light-cutting film. Meanwhile, the increased activity of CAT and the reduced activity of SOD and the malondialdehyde appeared in Kristin covered with two films. However, the enzyme activities of two lettuces under two kinds of film mulching were mostly higher than those of the control. As for the nutritional quality of lettuce, the content of soluble sugar in the two lettuces increased firstly and then decreased in the red-blue light transmission film treatment, while there is an upward trend in the far red light-cutting film treatment. With the extension of the coverage time, the accumulation of vitamin C increased significantly in both light treatments and the content of protein and chlorophyll decreased, while most of them are higher than those of the control. The ultrastructural analysis of the leaves showed that the chloroplast aggregation of the MonDai increased under the red and blue light, while some cells of the leaves were destroyed under the far red light-cutting film, and the chloroplast granules were not obvious. This study provided a reference and basis for the technical improvement of optical interferometric film, the field application and the future development trend of photovoltaic agriculture.

Keyword: optical interference film; lettuce; physiological index; nutritional quality; cell ultrastructure

生菜(Lactuca sativa L.), 又称叶用莴苣, 为菊科莴苣属半耐寒性蔬菜, 富含维生素、烟酸、叶酸和矿物质, 具有清热安神、清肝利胆和养胃的功效[1]。生菜具有生长期短、易于管理、产量高以及适宜生食等特点, 近年来, 食用人群不断增多, 栽培面积迅速扩大, 逐渐成为植物设施园艺的主要叶菜种类[2]。

光伏农业作为一种新的农业发展方式, 在增加土地利用率的同时, 亦是现代农业与新能源结合的新形式, 能够促进农业的绿色化以及低碳循环生态农业的发展[3, 4]。目前, 光伏农业在日本、德国、意大利、智利、俄罗斯等国家都有一定规模的应用[5, 6, 7], 但是现有光伏农业在农作物生长条件方面仍然存在问题, 譬如农作物种植品种的限制以及对产量的影响[8, 9]。传统的光伏农业主要采用在农田上部铺设晶硅电池以实现太阳光的几何分离, 或者使用具有固有光谱特性的非晶硅电池来分离太阳光, 但两种光伏农业形式均影响下方植物光合作用所需的光照[10]。光伏农业的核心是农业, 即在优先保证农作物生长不受影响或者基本不受影响的前提下, 运用现代光学干涉滤光方法对太阳光进行合理分配, 实现农作物生长与光伏发电两不误。因此发展光伏农业(农场), 既是解决土地资源匮乏、提升土地资源利用率的一大举措, 也是目前国内各级政府农村扶贫的一个重要内容。尤其在炎热的夏季, 因大部分太阳光都被反射用来发电, 植株叶片温度和土壤温度明显降低, 减缓水分蒸发, 有利于水土保湿, 在一定程度上也可缓解农业水资源匮乏瓶颈, 更好地实现清洁能源与现代农业双效利用。基于上述情况, 课题组提出一种新型光伏农业方案— — 基于植物光合作用的太阳光谱分离技术, 利用低成本塑料多层膜将太阳光中适合光合作用的红蓝光光谱分选出来用于植物生长, 其余大部分反射光集中于晶硅电池上用于发电, 满足农业生产中的电力供应问题[11]。本研究模拟了光学干涉膜下的植物生长环境, 研究分析在该光环境下, 生菜生长、抗氧化酶及营养品质等的变化。同时, 模拟了波长≤ 720 nm的光环境, 即截止远红光, 探究在缺失远红光的情况下生菜的生理形态变化等, 以期为温室蔬菜栽培光环境研究和光伏农业发展提供数据支持, 为今后相关滤光薄膜的推广打下基础。

1 材料与方法
1.1 试验材料

供试生菜品种为蒙黛及克里斯汀, 由荷兰瑞克斯旺种子公司提供, 栽培于中国科学技术大学先进技术研究院温室内。

供试薄膜为光伏农业新型薄膜(纳米材料制作), 其中红蓝光透过膜是对太阳光中红蓝光高透射, 其他光均反射的一种薄膜, 其透过波长范围与叶绿素吸收光谱相对应, 如图1左; 远红光截止膜为反射太阳光波长大于720 nm的光线, 透过波长≤ 720 nm的光线。

图1 红蓝滤光膜透射率示意图[12]及生菜栽培环境示意图Fig.1 Schematic diagram of transmittance of red-blue filter film[12] and lettuce cultivation environment

1.2 试验方法

1.2.1 材料的定植与处理

2017年3月2日播种, 采用穴盘基质育苗方式。待生菜三叶一心时移栽至40 cm× 40 cm× 26 cm的栽培槽内, 每个品种栽种9棵, 3次重复。待生菜定植2 d后, 在栽培槽上方固定支架加盖玻璃板。处理如下:处理1(对照), 普通透明玻璃板(光强660 μ mol· m-2· s-1); 处理2, 覆盖有红蓝滤光膜的透明玻璃板(光强440 μ mol· m-2· s-1); 处理3, 覆盖有远红光截止膜的透明玻璃板(光强700 μ mol· m-2· s-1)。其他生长因素均一致, 按常规方法管理。试验环境如图1。

1.2.2 取样及测定

盖膜后20、35 d时分别取样, 每组随机选取相同部位的叶片, 剪碎混匀, 并称取相应质量, 用锡箔纸包好, 投入液氮中处理2~3 min后取出, 置于-80 ℃冰箱中保存供测定相关指标。维生素C含量用2, 6-二氯酚靛酚法测定, 叶片可溶性蛋白含量用考马斯亮蓝G-250法测定, 蒽酮比色法测定植株叶片可溶性糖含量, 分光光度法测叶绿素含量, SOD、CAT活性采用分光光度计法测定, 丙二醛含量采用TBA比色法测定。

1.2.3 数据分析

数据统计和分析采用Excel 2010和方差分析2013, 用Sigmaplot 10.0和Excel 2010软件绘制图表。

1.2.4 叶绿体超微结构

盖膜后20 d, 取蒙黛生菜各处理的叶片, 置预冷的5%戊二醛固定液中, 用真空泵抽出叶片组织内的气体, 4 ℃固定过夜。然后经过漂洗、锇酸固定、脱水、渗透、包埋和聚合等, 将包埋块用超薄切片机切成100 nm的切片, 经醋酸双氧铀50%乙醇饱和溶液及柠檬酸铅溶液各染色5~10 min, 并冲洗烘干, 透射电镜下观察叶绿体的超微结构。

2 结果与分析
2.1 不同光环境对生菜部分生理指标的影响

2.1.1 不同光环境对生菜过氧化氢酶(CAT)活性的影响

蒙黛盖膜20 d时, 远红光截止膜下CAT活性最低, 而红蓝光透过膜CAT活性最大, 且与远红光截止膜的差异性达到显著水平(P< 0.05); 盖膜35 d时, 除对照组CAT活性升高外, 其他2种处理CAT活性都下降。克里斯汀盖膜20 d, 远红光截止膜的CAT活性最高, 红蓝光透过膜的活性最低, 二者差异达显著水平(P< 0.05); 盖膜35 d, 三种处理间的CAT活性差异均不显著(P> 0.05), 但处理35 d的酶活性均较处理20 d的有所上升(图2)。

图2 不同光环境对生菜过氧化氢酶(CAT)活性的影响
A, 蒙黛; B, 克里斯汀; 同一覆盖时间内不同处理之间无相同小写字母表示在0.05水平存在显著差异(n=3)。下同。Fig.2 Effect of different light environments on the activity of catalase (CAT) in lettuce
A, MonDai; B, Kristin; The bars of different treatments in the same coverage time with different lowercase letters indicated significant difference at 0.05 level (n=3). The same as below.

2.1.2 不同光环境对生菜超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响

蒙黛盖膜20 d时, 红蓝光透过膜处理下SOD活性最高, 与远红光截止膜处理组及对照组差异显著(P< 0.05); 盖膜35 d时, 红蓝光环境下叶片中SOD活性显著降低, 与远红光截止环境下的酶活性比较接近, 但两者与对照差异显著(P< 0.05)。克里斯汀盖膜20 d和35 d时, 都以远红光截止膜下的活性最高, 三种处理在35 d时, SOD活性均有较大下降(图3)。

图3 不同光环境对生菜超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响Fig.3 Effect of different light environments on the activity of superoxide dismutase (SOD) in lettuce

2.1.3 不同光环境对生菜丙二醛(MDA)含量的影响

丙二醛(MDA)是细胞膜脂质过氧化作用的产物之一, 它的产生会加剧膜的损伤。丙二醛含量的高低, 反映膜脂质过氧化的程度, 也间接反映植物组织抗氧化能力的强弱。由图4可以看出, 蒙黛和克里斯汀盖膜后20 d, 红蓝滤光膜覆盖下的生菜丙二醛含量都显著高于其他两种处理(P< 0.05), 随着时间的推移, 丙二醛含量呈现下降趋势; 盖膜后35 d, 红蓝光环境下的丙二醛含量明显降低, 但两种膜覆盖下的生菜叶片丙二醛含量均无显著差异(P> 0.05)(图4)。

图4 不同光环境对生菜丙二醛含量的影响Fig.4 Effect of different light environments on malondialdehyde (MDA) content in lettuce

2.2 不同光环境对生菜营养品质的影响

2.2.1 不同光环境对生菜可溶性糖含量的影响

蒙黛和克里斯汀盖膜20 d时, 红蓝光膜覆盖下的可溶性糖含量最高, 随着覆盖时间的延长, 到35 d时, 红蓝光膜覆盖下的可溶性糖含量下降到最低, 低于远红光截止膜组及对照组。远红光截止膜下的可溶性糖含量随着盖膜时间的延长成上升趋势, 35 d时显著高于红蓝光透过膜组(P< 0.05)(图5)。

图5 不同光环境对生菜可溶性糖含量的影响Fig.5 Effects of different light environments on soluble sugar content in lettuce

2.2.2 不同光环境对生菜维生素C含量的影响

蒙黛盖膜20 d时, 红蓝光环境处理下维生素C含量最低, 显著低于对照和远红光截止膜的(P< 0.05); 随着盖膜处理时间的延长, 至35 d时, 维生素C积累量有较大幅度提高, 尤以远红光截止膜处理更为明显。克里斯汀的维生素C含量也是以盖膜35 d的累积量最高(图6)。

图6 不同光环境对生菜维生素C含量的影响Fig.6 Effects of different light environments on vitamin C content in lettuce

2.2.3 不同光环境对生菜可溶性蛋白和叶绿素a+b的影响

蒙黛盖膜20 d时, 红蓝光处理组及远红光截止处理组的可溶性蛋白含量都显著高于对照组 (P< 0.05); 叶绿素a+b含量各处理之间无显著性差异(P> 0.05)。盖膜35 d时, 可溶性蛋白积累量显著下降, 且以红蓝光处理组下降明显(P< 0.05); 叶绿素a+b含量也有所下降, 但都高于对照组。克里斯汀盖膜20 d时, 红蓝光处理组可溶性蛋白含量显著低于远红光截止处理组及对照组(P< 0.05), 叶绿素a+b含量差异不显著(P> 0.05); 盖膜处理35 d时, 可溶性蛋白含量有所下降, 但远红光截止膜处理的可溶性蛋白含量显著高于其他2组(P< 0.05)。叶绿素a+b含量也有所下降, 对照组及红蓝光处理组下降较多(图7)。

图7 不同光环境对生菜蛋白质含量和叶绿素a+b含量的影响
A、C, 蒙黛; B、D, 克里斯汀。Fig.7 Effects of different light environments on content of soluble protein and chlorophyll a+b in lettuce
A, C, MonDai; B, D, Kristin.

2.3 不同光环境对蒙黛叶片细胞超微结构及叶绿体结构的影响

为研究不同光环境对生菜叶片细胞超微结构的影响, 取盖膜20 d的蒙黛生菜叶片, 经固定、漂洗、固定、脱水、渗透、包埋和聚合、切片、染色等过程, 在0.3 K和5.0 K放大倍数下的透射电镜观察叶片细胞结构及叶绿体的变化。结果表明, 对照组即自然光环境下植株叶片细胞超微结构完整, 叶绿体依次排列并均匀分布于细胞内部, 叶绿体基粒片层紧密堆叠, 类囊体整齐排列(图8-A、B); 红蓝光环境下细胞中叶绿体排列聚集, 形成一个大叶绿体, 单个叶绿体内部基粒片层依旧排列紧密细致, 叶绿体结构完整(图8-C、D); 远红光截止环境下生菜叶片部分细胞被破坏, 细胞无规则排列, 叶绿体分布细胞外层, 部分叶绿体结构被破坏, 基粒片层呈无规则排列(图8-E、F)。

图8 不同光环境对叶绿体超微结构的影响
A, B, 自然光(对照); C, D, 红蓝光透过膜; E, F, 远红光截止膜。Fig.8 Effect of different light environments on ultrastructure of chloroplasts
A, B, Natural light (control); C, D, Red blue light transmission film; E, F, Far red light-cutting film.

3 讨论

随着全球化石能源的日益枯竭, 大力开发可再生能源已迫在眉睫, 光伏发电是一种最具可持续发展理想特征的可再生能源发电技术[13, 14]。但是有限的土地资源从某种程度上又限制了光伏发电的发展, 于是促生了“ 光伏+” 模式, 即光伏与农业、光伏与林业[15]、光伏与景观[16]、光伏与治沙[17]等结合模式。其中, 光伏农业对缓解土地资源与光伏发电发展的矛盾, 实现生态农业与循环农业相结合具有深远意义[13]。研究表明, 红蓝光环境对于温室作物的生长具有积极作用[18]。陈文昊等[19]认为, 红蓝光环境下生长的生菜, 其可溶性糖、总酚、蔗糖等指标优于普通光照条件下栽培的生菜。梁贝贝等[20]认为, LED红蓝光源环境下, 85%~90%基质含水量培育黄瓜优质壮苗的同时能够实现水分的高效利用。陈祥伟等[21]认为, 红/蓝(7/1)有利于增加光合色素含量, 提高光合速率和营养品质。余意等[22]研究了LED光质对3种叶色生菜光谱吸收特性、生长及品质的影响, 结果表明, 红蓝光组合显著提高3种生菜地上部分的干质量, 类黄酮、花青素及可溶性糖等含量。

SOD、CAT等酶是植株体内重要的保护酶, 其活性高低反映植株的生理活性状况。本实验以中国科学技术大学刘文课题组自主研发的光学干涉膜为基础[23], 研究其覆盖对生菜部分生理指标及品质的影响, 结果表明, 红蓝光环境能提高蒙戴生菜生长前期过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性, 这与蒲高斌等[24]的研究结果相一致, 即红光和蓝光可以提高番茄幼苗的抗氧化酶活性, 有利于提高其抗氧化能力。后期部分酶的活性虽然较对照的低, 但差异不显著。生菜叶片内维生素C、蛋白质及可溶性糖含量等是评价生菜综合质量的重要指标[19]。高波等[25]研究认为, 红、蓝光为3:1光配比可提高芹菜可溶性糖含量, 而本研究发现, 在生菜生长的前期, 两种光环境较普通光照环境提高了叶片的可溶性糖含量, 后期红蓝透过膜则下降明显, 而克里斯汀在后期可溶性糖含量升高, 但与对照差异不明显。维生素C在生菜生长后期逐渐积累, 但与对照差异不显著。Samuoliené g等[26, 27, 28, 29]认为, 蓝光对叶绿素含量有显著促进作用, 本实验结果证实了前期红蓝光有利于提高叶绿素含量, 后期随品种不同有所差异, 但与对照差异不显著。叶绿体超微结构分析表明, 红蓝光环境促进叶绿体聚集增大, 进而提高植物叶片光合作用; 远红光截止环境下叶片的部分细胞破坏, 叶绿体基粒分层不明显, 说明远红光对生菜生长也起着重要作用。本研究是建立在光伏农业的基础上, 在满足作物生长光需求的基础上, 将多余的光反射收集用于发电, 保证作物生长和发电两不误, 虽然在红蓝光透过膜覆盖后期, 部分品质指标有所下降, 但大多与对照差异不显著。

远红光截止膜是透过除远红光之外的其余光谱, 虽然远红光截止膜覆盖下的生菜部分生物活性酶及品质指标优于红蓝光透过膜下生菜的相应指标, 但是, 该分光膜应用于光伏发电的效率是很低的, 是很难直接应用于生产实际的, 因而后续实验可以考虑改进光学分光膜的组成, 使之透过红蓝光的同时, 增加部分远红光的透过率, 保证作物生长不受影响的基础上进行光伏发电。该研究结果为光学干涉膜的技术改进、光学干涉膜的大田推广应用以及光伏农业的未来发展走向提供了参考和依据。

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