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抗坏血酸(AsA)作为非常重要的抗氧化物质之一,对于维持植物正常生长和人体健康都具有极其重要的作用。但是,由于园艺设施中相对较低的光照条件,导致设施栽培蔬菜尤其是人工光植物工厂水培叶菜AsA含量偏低的问题十分突出。连续光照可从时间角度最大限度增加有效光照,是一个安全提升蔬菜产量和品质的有效手段,但同时也是一种潜在的光氧化胁迫诱因。LED光源光谱精准,可按需调控,丰富了连续光照的内涵与调控模式。为探明LED红蓝光连续光照对水培生菜中AsA含量的调控效果及其相应的代谢机理。本研究以AsA代谢途径(合成、氧化和还原再生)连续光照响应位点与联动机制为突破口,研究了红蓝光连续光照对水培生菜AsA含量及其代谢关键酶(L-半乳糖-1,4-内酯脱氢酶GalLDH、抗坏血酸过氧化氢酶APX、单脱氢抗坏血酸还原酶MDHAR、脱氢抗坏血酸还原酶DHAR和谷胱甘肽还原酶GR)的影响及其与时长、光强和光质的关系,揭示水培生菜AsA代谢的连续光照响应机理。此外,通过生菜生长及氧化应激对连续光照响应,揭示生菜对不同时长、光强和光质的连续光照的耐受特征,为建立设施水培生菜LED红蓝光连续光照产量品质提升技术提供科学依据。主要研究结果与结论如下:
(1)以常规光周期(Control,16/8h,200μmol?m-2?s-1)为对照,研究了15d内红蓝光连续光照(CL,24/0h,200μmol?m-2?s-1)下生菜生长、AsA含量及其代谢以及氧化应激的动态变化。结果表明,15d内CL处理能够提高生菜生物量和干物质含量。CL通过上调GalLDH和APX活性显著促进了AsA和DHA的累积,并在处理后期同时还上调MDHAR活性以促进MDHA还原为AsA。DHAR酶活和基因表达水平均对CL没有显著响应。H2O2含量在CL下虽显著提高,但没有持续上升。而且光系统Ⅱ最大光合效率(Fv/Fm)荧光图像也表明CL下生菜叶片没有遭受胁迫,说明生菜能够耐受15d连续光照。
(2)研究了不同光强(100μmol?m-2?s-1;200μmol?m-2?s-1;300μmol?m-2?s-1)的LED红蓝光连续光照12d内生菜生长、AsA含量及其代谢以及氧化应激的动态变化。结果表明光强越高生菜生物量、干重比、根冠比和比叶重越高,但叶面积不受影响。总体而言,AsA含量以及参与AsA代谢关键酶的活性均与连续光照下的光强度呈正相关。说明高光强连续光照通过同时刺激AsA合成和还原再生促进AsA累积。此外,光强越高H2O2含量越高。200和300μmol?m-2?s-1处理导致Fv/Fm值在第6d显著降低,但在第12d恢复至正常水平。表明高光强连续光照初期引起光抑制。而100μmol?m-2?s-1处理没有引起光氧化应激,说明连续光照胁迫由于过量光能导致的。
(3)研究了不同红(R)蓝(B)比例(3R∶1B,1R∶1B和1R∶3B)的LED红蓝光连续光照12d内生菜生长、AsA含量及其代谢以及氧化应激的动态变化。结果表明,生菜的生长参数(包括生物量、根冠比和叶面积)与红光比例呈正相关,而AsA含量与蓝光比例呈正相关。1R∶3B处理在第6~12d提高了参与AsA还原再生(APX,MDHAR,DHAR和GR)的酶的活性从而促进AsA累积,而GalLDH活性对光质没有显著响应。H2O2含量也随蓝光比例增加而增加。连续光照下红蓝光比例对生菜Fv/Fm无显著影响,所有处理fv/fM在处理后期恢复至正常水平。
(4)研究不同暗期光强(NL,0μmol?m-2?s-1;LL,20μmol?m-2?s-1;CL,200μmol?m-2?s-1)的连续光照0~72h(3d)内生菜生长、AsA含量及其代谢以及氧化应激的节律变化特征。结果表明,LL处理对生物量没有显著的促进作用,但会降低根冠比。AsA含量在处理的8h内即被CL显著提升,随后略有增加。72h内CL在多个时间点显著提高了除DHAR外其他酶的活性。NL和LL处理下AsA含量无显著差异且呈现相同的昼夜节律特征。CL处理下Fv/Fm值也在8h内显著下降,随后维持稳定。生菜AsA含量及其代谢对LL的响应,表明光信号没有参与连续光照对AsA的调控。
(1)以常规光周期(Control,16/8h,200μmol?m-2?s-1)为对照,研究了15d内红蓝光连续光照(CL,24/0h,200μmol?m-2?s-1)下生菜生长、AsA含量及其代谢以及氧化应激的动态变化。结果表明,15d内CL处理能够提高生菜生物量和干物质含量。CL通过上调GalLDH和APX活性显著促进了AsA和DHA的累积,并在处理后期同时还上调MDHAR活性以促进MDHA还原为AsA。DHAR酶活和基因表达水平均对CL没有显著响应。H2O2含量在CL下虽显著提高,但没有持续上升。而且光系统Ⅱ最大光合效率(Fv/Fm)荧光图像也表明CL下生菜叶片没有遭受胁迫,说明生菜能够耐受15d连续光照。
(2)研究了不同光强(100μmol?m-2?s-1;200μmol?m-2?s-1;300μmol?m-2?s-1)的LED红蓝光连续光照12d内生菜生长、AsA含量及其代谢以及氧化应激的动态变化。结果表明光强越高生菜生物量、干重比、根冠比和比叶重越高,但叶面积不受影响。总体而言,AsA含量以及参与AsA代谢关键酶的活性均与连续光照下的光强度呈正相关。说明高光强连续光照通过同时刺激AsA合成和还原再生促进AsA累积。此外,光强越高H2O2含量越高。200和300μmol?m-2?s-1处理导致Fv/Fm值在第6d显著降低,但在第12d恢复至正常水平。表明高光强连续光照初期引起光抑制。而100μmol?m-2?s-1处理没有引起光氧化应激,说明连续光照胁迫由于过量光能导致的。
(3)研究了不同红(R)蓝(B)比例(3R∶1B,1R∶1B和1R∶3B)的LED红蓝光连续光照12d内生菜生长、AsA含量及其代谢以及氧化应激的动态变化。结果表明,生菜的生长参数(包括生物量、根冠比和叶面积)与红光比例呈正相关,而AsA含量与蓝光比例呈正相关。1R∶3B处理在第6~12d提高了参与AsA还原再生(APX,MDHAR,DHAR和GR)的酶的活性从而促进AsA累积,而GalLDH活性对光质没有显著响应。H2O2含量也随蓝光比例增加而增加。连续光照下红蓝光比例对生菜Fv/Fm无显著影响,所有处理fv/fM在处理后期恢复至正常水平。
(4)研究不同暗期光强(NL,0μmol?m-2?s-1;LL,20μmol?m-2?s-1;CL,200μmol?m-2?s-1)的连续光照0~72h(3d)内生菜生长、AsA含量及其代谢以及氧化应激的节律变化特征。结果表明,LL处理对生物量没有显著的促进作用,但会降低根冠比。AsA含量在处理的8h内即被CL显著提升,随后略有增加。72h内CL在多个时间点显著提高了除DHAR外其他酶的活性。NL和LL处理下AsA含量无显著差异且呈现相同的昼夜节律特征。CL处理下Fv/Fm值也在8h内显著下降,随后维持稳定。生菜AsA含量及其代谢对LL的响应,表明光信号没有参与连续光照对AsA的调控。