浙江大学学报（农业与生命科学版）

浙江大学学报（农业与生命科学版）, 2020, 46(4): 441-448 doi: 10.3785/j.issn.1008-9209.2020.02.011

园艺学

不同光源处理对栀子叶片叶绿素荧光参数和生化成分的影响

张亚芬,,, 杨晖

丽水学院生态学院，浙江 丽水 323000

Effects of different artificial lights on chlorophyll fluorescence parameters and biochemical components of Gardeniajasminoides Ellis leaves

ZHANG Yafen,,, YANG Hui

College of Ecology, Lishui University, Lishui 323000, Zhejiang, China

通讯作者: 张亚芬（https://orcid.org/0000-0002-9296-9980），E-mail：zhangyafen@lsu.edu.cn

收稿日期: 2020-02-01   接受日期: 2020-04-09   网络出版日期: 2020-09-11

基金资助: 浙江省自然科学基金.  LY20C030002

Received: 2020-02-01   Accepted: 2020-04-09   Online: 2020-09-11

摘要

以2种发光二极管（light emitting diode, LED）和荧光灯为光源，在人工气候室条件下探讨3种光源处理对栀子叶片叶绿素荧光参数和生化成分的影响。结果表明：随着处理时间的增加，3种光源显著增加了栀子叶片的叶绿素指数和氮平衡指数，但3种光源之间无显著性差异。在红蓝光质比最大（4.4）的LED-2照射下，栀子叶片多酚和游离氨基酸含量最高；在具有最低的红蓝光质比（0.8）和最高的绿光占比（0.41）荧光灯照射下，栀子叶中类黄酮指数最高；而在蓝光比例较高的LED-1照射下，栀子叶生化成分含量及实际光化学量子效率较低。以上研究结果表明：在开发适合栀子生长的LED灯时，应适当增加部分绿光及远红光，降低红光与远红光比值，以促进栀子叶中类黄酮、多酚、游离氨基酸等功能成分的积累。

关键词： 发光二极管 ; 绿光 ; 光化学量子效率 ; 栀子 ; 类黄酮 ; 游离氨基酸

Abstract

The effects of two light emitting diodes（LED-1 and LED-2）and the fluorescent lamp treatments on chlorophyll fluorescence parameters and biochemical components of Gardenia jasminoides Ellis leaves were studied in the artificial climate chamber. The results showed that with the increase of the treatment time, the nitrogen balance index and chlorophyll index increased significantly, while no significant differences among the three light source treatments. At the end of the experiment, the highest contents of polyphenols and free amino acids were recorded under the LED-2 treatment with the maximal ratio of red to blue light (4.4). The highest flavonoid index was detected under the fluorescent lamp treatment with the lowest ratio of red to blue light (0.8) and the highest ratio of green light (0.41). The minimal values of biochemical component contents and actual photochemical quantum efficiency were observed under the LED-1 treatment with a higher ratio of blue light. The above results indicate that, in order to promote the accumulation of flavonoid and free amino acids in G. jasminoides leaves, it is necessary to increase account of green and far-red lights, and reduce the ratio of red to far-red light, while designing a suitable LED for G. jasminoides.

Keywords： light emitting diode ; green light ; photochemical quantum efficiency ; Gardenia jasminoides Ellis ; flavonoid ; free amino acid

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本文引用格式

张亚芬, 杨晖. 不同光源处理对栀子叶片叶绿素荧光参数和生化成分的影响. 浙江大学学报（农业与生命科学版）[J]. 2020, 46(4): 441-448 doi:10.3785/j.issn.1008-9209.2020.02.011

ZHANG Yafen, YANG Hui. Effects of different artificial lights on chlorophyll fluorescence parameters and biochemical components of Gardeniajasminoides Ellis leaves. Journal of Zhejiang University（Agriculture & Life Sciences）[J]. 2020, 46(4): 441-448 doi:10.3785/j.issn.1008-9209.2020.02.011

光调控是一种科学有效、绿色无公害、精准智能的植物生长调控手段，在满足植物正常的生长发育对光照需求的前提下，对植物功能成分积累有着积极的促进作用[1]。近年来，随着光电技术的革新，人工光源被广泛用于植物种植领域。荧光灯是气体放电灯的一种，其中，冷白色直管荧光灯可用于植物生长照明，有较高的光通量输出和较长的使用寿命，成本较低，应用广泛。发光二极管（light emitting diode, LED）是一类新型植物照明光源，可针对植物光谱吸收需求专门设计光输出，被认为是适合用于植物生长照明最有前景的光源[2-3]。

栀子（Gardenia jasminoides Ellis）是我国植物造景中常见的地被植物，属茜草目（Rubiales）茜草科（Rubiaceae）栀子属（Gardenia）香花植物，叶色翠绿，革质，花白色，香气浓郁，具有较高的观赏性，是城市美化、道路绿化、庭院装扮的理想植物。栀子的花与叶具有解毒、保肝、降压等功效[4]，是原国家卫生部颁布的第一批药食两用植物资源。现代药理试验表明，栀子花中的黄酮类化合物是栀子花主要的药效成分[5]。近年来，栀子在药品及保健食品中的应用日益广泛，国内学者对栀子花的化学成分进行了一系列的研究[6-11]，但对栀子叶的化学成分，特别是在不同人工光源处理下栀子叶的生化成分的研究未见报道。利用叶绿素荧光分析技术能快速、无损地研究植物对光能的吸收、耗散和转换的特性，能够反映植物的光合能力及其对生长环境的适应性[12-14]。本研究以栀子为材料，利用叶绿素荧光测定技术分析栀子叶在不同人工光源照射下的生长指数、叶绿素荧光参数及叶片生化成分差异，探讨栀子叶对不同辐射光能的利用和能量分配情况，以及影响栀子叶片生化成分的主要因素，揭示不同光质对栀子叶光合生理功能的影响差异与生理生态适应机制，以期为栀子的深入开发利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

栀子幼苗购自浙江省丽水市某花卉市场，选取生物量一致的12盆栀子幼苗[株高（15±0.5） cm]进行试验。

试验光源为市售飞利浦Lifemax系列三基色直管荧光灯，由昕诺飞（中国）投资有限公司生产；2种LED灯板（分别命名为LED-1和LED-2）定制于安徽昂科丰光电科技公司。

1.2 试验方法

试验于2019年12月在浙江省丽水市丽水学院生态实验中心人工气候室进行，光周期为光照/黑暗12 h/12 h；温度为白天（23±1） ℃，晚上（16±1） ℃；相对湿度（65±3）%。将栀子幼苗分别置于荧光灯、LED-1和LED-2这3种光源下进行光照处理，每个光源下放置4盆栀子，共12盆。用LI-250A光照计（美国LI-COR公司）在栀子幼苗顶部受光面的9个点测定光量子通量密度并取平均值，通过调整栀子幼苗放置高度，将3种光源的光量子通量密度统一调整为75 μmol/(m2•s)。试验期间，每盆栀子每隔 3 d浇去离子水30 mL。

1.3 测定指标与分析

1.3.1 生长指数测定

分别于光照处理后0、7、14、21 d，采用Dualex 4氮平衡指数测量仪（法国FORCE-A公司）测定叶片氮平衡指数（nitrogen balance index, NBI）、叶绿素指数、类黄酮指数、花青素指数，每个光处理选择栀子幼苗顶部同一节位的成熟叶8片，每片叶选取分布均匀的6个测定点[15]。

1.3.2 叶绿素荧光参数测定

采用德国Walz公司生产的MINI-PAM-Ⅱ脉冲调制式叶绿素荧光仪测定叶绿素荧光参数，每个处理选择4片发育正常的叶，在处理的0、7、14、21 d用暗适应叶夹处理5 h后测定暗适应下光系统Ⅱ（photo-systemⅡ, PSⅡ）最大光化学量子效率（Fv/Fm）[16]和快速光曲线。快速光曲线的拟合采用PLATT等提出的非线性方程[17]，以此得出快速光曲线的初始斜率α和潜在最大相对电子传递效率（maximum relative electronic transport rate, rETRmax）。在光处理3、10、17 d后测定植株上部相同叶位光适应下的实际光化学量子效率（ФPSⅡ）。

1.3.3 叶片生化成分测定

于光照处理后21 d，每个处理选取8片代表性叶，在105 ℃烘箱中杀青15 min，于80 ℃条件下烘干至恒量，粉碎过筛。采用酒石酸铁比色法，参照GB/T 8313—2008测定多酚含量；采用茚三酮显色法，参考GB/T 8314—2002测定游离氨基酸含量；采用三氯化铝比色法测定类黄酮指数。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2013和SPSS 18.0软件分别对生长指数、叶绿素荧光参数和叶片生化成分进行单因素方差分析和邓肯多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同光源的光谱特征分析

采用HAAS-200高精度快速光谱辐射计（杭州远方光电公司）测量3种光源的光谱参数，结果如表1所示。LED-1的主波长为449 nm，红蓝光质比为1.4；LED-2的主波长为660 nm，红蓝光质比为4.4；试验用荧光灯的主波长为545 nm，红蓝光质比为0.8，红光比例（25%）较低，蓝光比例（32%）较高。荧光灯是根据人眼的峰值敏感波长（550 nm）而设计的，其光谱的绿光成分较多（41%），峰值波长位于黄绿光区域。而植物对红光和蓝光更敏感，波长400～520 nm的蓝光和610～720 nm的红光对植物的光合作用贡献最大，红光区域可以为植物生长提供最有效的营养，蓝光次之。LED-2在可见波段红光区域有较高的光输出，其红光占比高达50%，更有利于植物进行光合作用。LED-1红蓝光谱强度介于荧光灯和LED-2之间，但具有最大的红光/远红光质比。

表1   试验用人工光源的光谱参数

Table 1  Spectral parameters for artificial light sources in this experiment

光源

Light source

峰值波长

Peak

wavelength/nm

蓝光占比

Blue light

proportion/%

绿光占比

Green light

proportion/%

红光占比

Red light

proportion/%

远红光占比

Far-red light

proportion/%

红蓝光质比

Ratio of red

to blue light

红光/远红光质比

Ratio of red to

far-red light

荧光灯（对照）

Fluorescent lamp (control)

54532412520.811.4
LED-144930274221.426.5
LED-266012365024.422.1

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从3种光源的绝对辐射光谱分布（图1）可以看出：荧光灯光谱的最大峰值在绿光区，红光、蓝光占比较为接近；LED-1的最大峰值在蓝光区，绿光占比较少；LED-2的最大峰值在红光区，蓝光占比极少。

图1

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图1   3种光源的绝对光谱分布

Fig. 1   Spectral distributions of three types of artificial light sources


2.2 不同光源处理对栀子叶片生长指数的影响

Dualex 4氮平衡指数测量仪是利用双重激发的叶绿素荧光测定叶片表面紫外吸收率，从而估测叶片多酚和叶绿素含量（叶绿素指数），这两者的比值即为氮平衡指数（NBI）。花青素是一类水溶性黄酮类化合物，能够提供反映植物生理状况及其对环境胁迫响应有价值的信息。由图2A～B可知，随着处理时间的增加，在3种光源照射下，栀子叶片氮平衡指数和叶绿素指数显著增加（P＜0.05），就叶片叶绿素指数的变化而言，3种光源之间没有显著性差异。就类黄酮指数的变化而言，在荧光灯和LED-2照射下，栀子叶片类黄酮指数的变化规律一致，与0 d相比，第14天叶片类黄酮指数无显著变化，但在21 d时类黄酮指数显著下降（P＜0.05；图2C）。在LED-1光照处理下，随着照射时间的增加，栀子叶片类黄酮指数并无显著变化；仅在处理7 d时，LED-1对栀子叶片类黄酮的影响与荧光灯和LED-2存在显著差异（P＜0.05；图2C），其他处理时间3种光源下栀子叶片类黄酮指数的变化并无显著差异。3种光源照射下，栀子叶片花青素指数随时间的增加而显著降低（P＜0.05；图2D）。就叶片花青素指数的变化而言，3种光源处理的栀子叶之间没有显著性差异。综上所述，尽管3种光源有着不同的光谱特征，但在相同的光照强度[75 μmol/(m2•s)]下，栀子叶的长势良好，表现出对不同光质较强的适应能力。

图2

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图2   不同光源处理下栀子叶生长指数的变化

短栅上不同小写字母表示相同光照条件下不同处理时间在P＜0.05水平差异有统计学意义；短栅上不同大写字母表示不同光照处理下相同处理时间在P＜0.05水平差异有统计学意义。

Fig. 2   Growth index dynamics of G. jasminoides leaves under different light source treatments

Different lowercase letters above the bars indicate significant differences at different treatment time under the same light source at the 0.05 probability level; different uppercase letters above the bars indicate significant differences at the same treatment time under different light sources at the 0.05 probability level.


2.3 不同光源处理对栀子叶片叶绿素荧光参数的影响

最大光化学量子效率（Fv/Fm）是反映光系统Ⅱ活性中心光能转换效率的重要参数，反映了植物对光能的利用效率。α是快速光曲线拟合后的初始斜率，表示光化学反应的启动速率，反映出光合器官对光能的利用效率。如图3A所示：处理21 d后，3种光源处理下栀子叶片的Fv/Fm均有下降，下降幅度为LED-1（1.68%）＞荧光灯（0.72%）＞LED-2（0.36%）；荧光灯与LED-2对栀子叶片Fv/Fm的影响无显著性差异，但随着处理时间的延长，LED-1对栀子叶片Fv/Fm的影响存在显著差异（P＜0.05），表现为红蓝光质比低的LED-1会引起栀子叶片Fv/Fm显著下降。如图3B所示：随着处理时间的增加，仅在LED-2光处理下栀子叶片的实际光化学量子效率（ФPSⅡ）值在10 d后呈现显著降低趋势（P＜0.05）；与LED-1相比，LED-2处理更有利于栀子叶片保持最大的ФPSⅡ值；在处理后期，2种LED灯对栀子叶片ФPSⅡ值的影响存在显著差异（P＜0.05）。与 0 d相比，处理21 d后，栀子叶片的光能利用率（α）下降幅度为LED-2（28.89%）＞荧光灯（26.21%）＞LED-1（22.7%），LED-2与LED-1或荧光灯处理之间栀子叶片的光能利用率无显著差异（图3C）。植物的净光合速率不仅与植物叶绿素含量有关，还与电子的传递速率和利用效率等参数相关，潜在最大相对电子传递速率（rETRmax）是无光抑制的最大相对电子传递速率，代表了叶片光合作用的最大能力。由图3D可见：仅有LED-2处理14 d后栀子叶的rETRmax显著增加，其他2种光源在整个处理时间段内对栀子叶的rETRmax无显著影响；LED-2处理相对于荧光灯在处理14和21 d时对栀子叶的rETRmax变化均有显著影响（P＜0.05）。这表明在LED-2处理下栀子叶片PSⅡ具有较高的电子传递速率，能将光能及时传递出去。

图3

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图3   不同处理下栀子叶绿素荧光参数的变化

短栅上不同小写字母表示相同光照条件下不同处理时间在P＜0.05水平差异有统计学意义；短栅上不同大写字母表示不同光照处理下相同处理时间在P＜0.05水平差异有统计学意义。

Fig. 3   Chlorophyll fluorescence parameter changes of G. jasminoides leaves under different light source treatments

Different lowercase letters above the bars indicate significant differences at different treatment time under the same light source at the 0.05 probability level; different uppercase letters above the bars indicate significant differences at the same treatment time under different light sources at the 0.05 probability level.


2.4 不同光源处理对栀子叶片功能成分的影响

由表2可见：在处理21 d后，2种LED光源下栀子叶片类黄酮含量无显著差异；与2种LED光源处理相比，荧光灯处理下栀子叶片类黄酮含量极显著增加（P＜0.01），可能是荧光灯中比较多的绿光促进了类黄酮的合成，具体机制有待进一步验证。与其他2种光源处理相比，LED-2处理后栀子叶片的多酚含量和游离氨基酸含量显著（P＜0.05）和极显著（P＜0.01）增加。3种光源处理对栀子叶的含水量无显著性影响。

表2   不同光源处理21 d后对栀子叶片生理生化指标的影响

Table 2  Effects of different light sources on physiological and biochemical indexes of G. jasminoides leaves after 21 d

光源

Light source

含水量

Water content/%

多酚

Total polyphenols/%

类黄酮

Flavonoid/(mg/g)

游离氨基酸

Free amino acid/%

荧光灯（对照）

Fluorescent lamp (control)

67.15±0.97aA4.76±0.13bA37.26±1.42aA0.097±0.010bB
LED-166.81±1.66aA4.52±0.12cB31.48±1.31bB0.092±0.005bB
LED-266.69±0.73aA4.95±0.15aA32.97±2.10bB0.107±0.008aA

同列数据后不同小写或大写字母分别表示在P＜0.05或P＜0.01水平差异有统计学或高度统计学意义。

Values within the same column followed by different lowercase or uppercase letters indicate significant differences at the 0.05 probability level or highly significant differences at the 0.01 probability level, respectively.

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3 讨论与结论

植物体内光敏色素和隐花色素能够吸收不同波长的光从而表现出不同的活性，这是光质调控植物生长发育的机制[18]。自然环境下，进入傍晚后，太阳光中红光与远红光的比值会显著下降，诱导植物体内光敏色素从吸收远红光（Pfr型）很快转化为吸收红光（Pr型），引起植物相应的生理生化反应[19-21]。本研究的结果表明，与2种LED光源处理相比，经过具有较低的红光与远红光比值的荧光灯光源处理后，栀子叶能积累更多的类黄酮。PSⅡ的最大光化学量子效率是反映环境胁迫对光合作用影响的重要指标。在非胁迫条件下，对于不同种类和生态型的植物，栀子叶片的Fv/Fm值基本稳定在0.832±0.004之间，而在胁迫条件下，栀子叶片的Fv/Fm值降低，表明PSⅡ光化学量子效率下降[22-23]。实际ФPSⅡ反映了叶片用于光合电子传递的能量占吸收光能的比例，是光适应条件下PSⅡ的光化学量子效率，反映了在部分PSⅡ反应中心关闭情况下的原初光能捕获效率。高ФPSⅡ有利于提高植物的光能转化效率，为暗反应的碳同化积累更多的能量，其数值的下降可认为是PSⅡ功能的下降。叶绿素是光能捕获的物质基础，其含量能够反映叶片的养分状况、植物的胁迫及衰老状况[24-25]，氮平衡指数（NBI）是叶绿素与类黄酮含量的比值，能快速检测作物氮肥的盈亏状况[26]，花青素的积累是由强光、中波紫外线、低温、干旱等环境胁迫引起的[27]。试验中3种光源并没有引起栀子叶片花青素的积累，花青素含量反而下降。植物适应环境总是沿着有利于光合作用的方向发展，以保证弱光下能最大限度地捕获光能用于光合作用。本试验中的光照强度仅为75 μmol/(m2•s)，LED-1处理引起PSⅡ 的Fv/Fm的降低，表明LED-1照射对栀子叶片具有潜在的负影响，造成一定的弱光胁迫，为捕获更多的光能，部分植物在弱光环境下会通过合成大量叶绿素去适应弱光环境。绿光对植物生长的影响还颇受争议。有报道表明，在白光基础上增补低强度［30 μmol/(m2•s)］的绿光有利于生菜的生长及可溶性糖、粗蛋白及维生素C含量的增加[28]。本研究中，绿光占比最大的荧光灯照射促进了栀子叶片类黄酮的积累，这表明绿光参与了植物光合作用并影响了植物的光合能力，产生了补偿性作用[29-30]。

综上所述，LED灯相较于目前农业领域常用的荧光灯而言，具有光量可调节、光质可调整的优点。本试验中使用的2种LED灯以红蓝光源为主。考虑到绿光、紫外光、远红光对植物生长不可忽视的作用，开发适合栀子生长的LED灯应考虑在本试验LED灯的基础上，辅以白色LED灯，适度增加绿光、远红光和紫外线，以促进栀子叶中类黄酮、多酚、游离氨基酸等功能成分的最大积累。

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