LED植物生长灯对植物延缓衰老的影响

LED植物生长灯对植物延缓衰老的影响

2018-06-17 22:14:25 13

LED植物生长补光灯对植物延缓衰老的影响

植物衰老过程中的叶绿素降解、蛋白质迅 速丧失及 RNA 水解,主要表现为叶片衰老。叶 绿体对外界光环境的变化十分敏感,尤其受光 质影响显著。红光、蓝光和红蓝组合光有利于 叶绿体形态建成,蓝光有利于叶绿体内淀粉粒 的积累,红光和远红光对叶绿体发育具有负面 效应 。蓝光及红蓝组合光可促进黄瓜幼苗叶 片叶绿素的合成,红蓝组合光还能延缓叶片叶 绿素含量在后期的衰减,这种效应随红光比例 的减小和蓝光比例的增加表现越明显 。LED 红蓝组合光处理下黄瓜幼苗叶片的叶绿素含量 显著高于荧光灯对照和单色红、蓝光处理 ; LED 蓝光能显著提高乌塌菜 、青蒜苗的 叶绿素 a/b 值。

叶片衰老过程中细胞分裂素(CTK)、生 长素(IAA)、脱落酸(ABA)含量变化及多 种酶活性发生变化 。植物激素的含量容易 受到光环境的影响 ,不同光质对植物激素的 调控作用不同,并且光信号传导途径的初始步骤 涉及细胞分裂素 。CTK 促使叶片细胞扩大, 增强叶片的光合作用,同时抑制核糖核酸酶、脱 氧核糖核酸酶和蛋白酶的活性,延缓核酸、蛋白 质和叶绿素等的降解,因此能够显著延缓叶片衰 老。光和CTK 介导的发育调控之间存在相互作 用,光能刺激内源性细胞分裂素水平的增加[47]。 当植物组织处于衰老状态时,其内源细胞分裂素含量下降 。IAA 主要集中在生长旺盛的部位, 衰老的组织或器官中含量甚微。紫光能提高吲哚 乙酸氧化酶的活性,低IAA 水平则会抑制植物 的伸长生长 。ABA 主要形成于衰老的叶片组 织、成熟的果实、种子及茎、根部等部位,红蓝 组合光下黄瓜和结球甘蓝的ABA 含量均低于白 光、蓝光 。

过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶 (SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、过 氧化氢酶(CAT)是植物体内较为重要且与光 有关的保护酶,若植物衰老,这几种酶的活性 将迅速降低。不同光质对植物抗氧化酶活性的 影响显著,红光处理9 天后油菜幼苗APX 活性 显著升高,POD 活性下降 [50];红光和蓝光照射 15 天后番茄的 POD 活性分别高于白光 20.9%、 11.7%,绿光处理20 天后POD 活性最低,仅 为白光的55.4%;补充4 h 蓝光可以明显提高 黄瓜幼苗叶片可溶性蛋白含量、POD、SOD、 APX、CAT 酶活性[51]。此外,SOD、APX 活 性随光照时间的延长而逐渐降低。蓝光、红光照 射下的SOD、APX 活性下降缓慢但始终高于白 光 [52]。红光照射使番茄叶片过氧化物酶、IAA 过氧化物酶、茄子叶片IAA 过氧化物酶活性明 显降低,但引起茄子叶片过氧化物酶活性明显上 升 。因此,采用合理的LED 补光策略可以有 效延缓设施园艺作物的衰老,提高产量和品质。


LED 光配方的构建与应用

植物的生长发育受光质及其不同组成比例 的影响十分显著 [54],光配方主要包括光质配比、 光照强度、光照时间等几个要素。由于不同植 物对光的需求有所差异,而且在不同生长发育阶段对光的需求也会有所不同,因此需要对所 栽培的作物进行最佳的光质、光照强度和补光 时间组合。 光质配比  与白光和单一的红、蓝光相比,LED红蓝组合光对黄瓜和结球甘蓝幼苗的生长 发育表现出综合优势。红蓝光配比为8:2 时, 植株的茎粗、株高、植株干、鲜重、壮苗指数 等显著提升,同时利于叶绿体基质、基粒片层 的形成和输出同化产物 [20]。红蓝光配比为8:1 处理下,黄瓜幼苗的株高、茎粗、叶面积、壮 苗指数、地上部和全株鲜质量最大,且幼苗叶 片有较高的POD、APX 活性;而红蓝光配比 为 6:3 处理下,黄瓜幼苗根系活力、叶片可溶 性蛋白、可溶性糖含量及净光合速率最高,且 SOD 活性相对较高 。

对红豆芽苗菜使用红 绿蓝光质组合有利于其干物质积累,加绿光对 红豆芽苗菜的干物质积累有促进作用,以红绿 蓝光配比为6:2:1 处理增长最明显;红蓝光配 比为8:1 处理下红豆芽苗菜下胚轴伸长效果最 好,红蓝光配比为6:3 处理下红豆芽下胚轴伸 长抑制作用明显但可溶性蛋白含量最高 。 对丝瓜幼苗使用红蓝光配比为8:1 的光照时, 丝瓜幼苗处理的壮苗指数最大、可溶性糖的含 量最高,使用红蓝光配比为6:3 的光质时,丝 瓜幼苗的叶绿素a 含量、叶绿素a/b 比值、可 溶性蛋白含量最高 [57]。对芹菜使用红蓝光配 比为3:1 的光质时能够有效的促进芹菜株高、 叶柄长、叶片数、干物质量、VC 含量、可溶 性蛋白含量及可溶性糖含量的提高 [58];在番 茄栽培中,增大LED蓝光比例促进番茄红素、 游离氨基酸和类黄酮的形成,增大红光比例促 进可滴定酸的形成 [59];对莴苣叶片使用红蓝 光配比为8:1 的光照时,有利于其类胡萝卜素 的积累,并有效降低其硝酸盐的含量并增加 VC 含量 [60]。

 光照强度  植株生长在弱光下比在强光下 更容易受到光抑制 [61]。番茄幼苗的净光合速率 随着光照强度[50、150、200、300、450、 550 μmol/(m2·s)]的增加,呈现先增后降的趋势, 并于300 μmol/(m2·s) 时达到最大 [62];生菜的株 高、叶面积、含水量和VC含量在150 μmol/(m2·s) 光强处理下显著增加,在200 μmol/(m2·s) 光强处理下,生菜地上部鲜重、总重及游离氛基酸含 量均显著提高,而在300 μmol/(m2·s) 光强处理下, 生菜叶面积、含水量、叶绿素a、叶绿素a+b 和 类胡萝卜素均降低 [63];与黑暗相比,随着LED 补光光强[3、9、15 μmol/(m2·s)] 的增加,黑豆 芽苗菜的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b 含量 显著增加,光强为3 μmol/(m2·s) 时 VC含量最高, 9 μmol/(m2·s) 时可溶性蛋白、可溶性糖及蔗 糖含量最高 [64];相同温度条件下,随光照强度 [(2~2.5)lx×103 lx、(4~4.5)lx×103 lx、 (6~6.5)lx×103 lx] 的增加,辣椒幼苗的成苗 时间缩短,可溶性糖含量增加,但叶绿素 a 和类 胡萝卜素含量逐渐降低 。

光照时间  适当延长光照时间,可在一定程 度上缓解因光照强度不足造成的弱光胁迫,有 助于园艺作物光合产物的积累,达到增加产量、 提升品质的效果 。芽苗菜VC 含量随光照时 间(0、4、8、12、16、20 h/ 天)的延长呈现 逐渐提高的趋势,而游离氨基酸含量、SOD 和 CAT 活性均呈现降低趋势[67];随着光照时间 (12、15、18 h)的延长,菜心植株的鲜重增 加趋势明显;菜心叶片、薹茎VC 含量分别以 15、12 h 最高;菜心叶片的可溶性蛋白含量逐 渐下降,但薹茎以15 h 处理最高;菜心叶片的 可溶性糖含量逐渐升高,而薹茎以12 h最高 [68]。 在红蓝光配比为1:2 的情况下,与12 h 光照时 间相比,20 h 光照处理降低了绿叶生菜的总酚 和类黄酮相对含量,但在红蓝光配比为 2:1 的情 况下,20 h 光照处理显著提高了绿叶生菜的总 酚和类黄酮相对含量 。

由上述可知,不同光配方对不同作物种 类的光合作用、光形态建成和体内的碳氮代 谢等影响效果不同,如何获得最佳光照配方、 光源配置与制定智能控制策略需要以植物种 类为切入点,并应根据园艺作物商品需求、 生产目标、生产要素条件等进行适当的调整, 实现节能条件下光环境智能控制和园艺作物 优质高产的目标。

存在的问题与前景展望
led植物生长灯的显著优势是能根据不同植物的光合特性、形态建成、品质及产量的需求光谱进 行智能组合调整。不同种类作物、同一作物的不 同生长期皆对光质、光强及光周期的要求不同,这 要求光配方研究进一步发展和完善,形成庞大的 光配方数据库,再结合专业灯具的研发,才能实现 led植物生长灯在农业应用上的最大价值,从而更好 地节省能耗、提升生产效率及经济效益。LED 补 光灯在设施园艺的应用已经显示出旺盛的活力,但是 led植物生长灯价格较高,一次性投入较大,各种 作物在不同环境条件下的补光要求不明确、补光光 谱、强度和补光时间不太合理造成补光灯应用时难 免会有各种问题产生。不过随着技术的进步和完善、 led植物生长灯的生产成本降低,LED 补光在设施园 艺上将得到更广泛的应用。同时LED 补光技术体 系的发展进步与新能源结合将使工厂化农业、家庭 农业、城市农业以及太空农业得到快速发展,以满 足特殊环境下人们对园艺作物的需求。

请看本文前一部分内容: led植物生长补光灯在设施园艺中的应用

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 本文作者:*  李雅旻,张继业,张轶婷,刘厚诚 (华南农业大学园艺学院,广州  510642)