蓝光耦合UV-A对红甜菜营养品质的影响

黄 靖，段发民，郑胤建，杨其长，郭晓强

(1.成都大学药学与生物工程学院，四川 成都 610106；2.中国农业科学院都市农业研究所，四川 成都 610213；3.国家成都农业科技中心，四川 成都 610213)

引言

光照在植物的生长发育、形态建成和光合作用等生理活动中具有重要作用[1]。LED光源与金卤灯、荧光灯和高压钠灯等光源相比因体积小、能耗低、寿命长、半波峰窄等优势，在植物照明领域中应用广泛[2]。蓝光作为驱动植物光合作用的主要光谱之一，对植物株型调控[3]、蛋白质代谢[4]、植物细胞的氧化应激效应[5]等生理生化反应效果显著。植株受紫外光照射能够产生较多的自由基，进而刺激植物启动应急保护机制产生清除自由基的防御化合物，如：类胡萝卜素、维生素和酚类化合物等[6]。有研究结果表明：蓝光能够增加植物类黄酮含量和酚类化合物含量，如豌豆芽苗菜[7]、苜蓿芽苗菜[8]、小白菜[9]等。UV-A光照能够显著增加花色苷、类胡萝卜素和黄酮醇等抗氧化活性物质含量，如生菜[10]、蚕豆[11]、辣椒[12]等。

植株可以通过隐花色素(CRY)感知蓝光和UV-A的光信号，随后隐花色素将光信号传导给下游的蛋白因子，如：COP1、HY5等[13]。COP1是一种泛素化E3连接酶，是光形态建成的负调节因子，它可以被细胞核的其他蛋白因子(SPAs)激活介导HY5的降解[14]。而HY5是苯丙烷代谢途径的重要转录因子，与类黄酮生物合成基因的启动子结合并调控转录[11]。苯丙烷代谢途径是植物合成黄酮类化合物的主要途径。蓝光对类黄酮代谢途径中的关键酶和相关基因具有调控作用，蓝光可以激活CRY1/CRY2-COP1相互作用导致HY5与MYB同下游的花青素合成基因CHS和DFR的结合，如早酥梨[15]、茄子[16]等。此外，UV-A辐照对类黄酮的合成也有重要作用，UV-A通过上调光受体基因(CRY、UVR8)、花青苷合成基因(PAL、CHS、ANS和UFGT)和调控基因(MYB75)的表达，诱导了花青苷的积累，如大豆芽苗菜[17]、芜菁[18]等。UV-B通过UVR8和COP1的相互作用进而积累了HY5，从而上调下游黄酮类基因的表达，如：拟南芥[19]、杭白菊[20]等。

目前大部分报道都集中在单一蓝光或紫外光对植物次级代谢产物含量的研究上。而蓝光耦合UV-A的协同作用对蔬菜营养品质调控方面的研究鲜有报道。红甜菜(Beta vulgaris L.var.cicla L.)是藜科甜菜属的一个变种，含有丰富的甜菜素、维生素、酚类化合物和花色苷等抗氧化活性物质[21]，对人体预防癌症、降血脂、抗疲劳和增强免疫力等方面具有重要作用[22]。红甜菜因对水分的要求比较高，是喜肥深根作物[23,24]。因此，除了选择富含抗氧化活性成分的品种之外，优化生长环境以提高蔬菜次生代谢物质含量也可作为其调控手段。本试验利用蓝光和UV-A两种光源，在可控环境内研究蓝光和UV-A的不同强度比对红甜菜营养品质的作用规律，为蔬菜功能品质提升的光谱选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验在成都市农林科学院可控环境实验室内进行，将红甜菜种子播于海绵块(2 cm×2 cm×2 cm)中，黑暗处理24 h后自然光培养，待两叶一心时，选取长势一致健壮的幼苗于水培槽(80 cm×80 cm×80 cm)中定植待处理。处理为不同紫外光(UV-A)与蓝光(B)光强(μmol·m-2·s-1)为0∶50(T0)、5∶45(T5)、10∶40(T10)、15∶35(T15)、20∶30(T20)，光周期为12 h/d，环境温度为25 ℃，湿度为70%～80%，每个处理设3次重复于1/2 Hoagland’s营养液中栽培，待采样。

1.2 指标测定

将采收后红甜菜随机选取5株，千分之一天平测定地上部、地下部鲜重，烘干至恒重时，万分之一天平测定地上部、地下部干重，选取植株叶片于液氮中研磨并转存至-80 ℃冰箱，存样待测。

测定方法：参照李合生[25]的测定方法：无水乙醇浸提法测定光合色素，利用蒽酮比色法、考马斯亮蓝G-250染色法、2,6-二氯酚靓酚比色法、硝基水杨酸比色法和水合茚三酮法测定可溶性糖、可溶性蛋白、维生素C(Vc)、硝酸盐和游离氨基酸；参照Pirie等[26]方法略加修改：1%盐酸-甲醇提取法测定总酚、类黄酮和花色苷相对含量。各指标重复测定三次。

1.3 数据统计与分析

全部试验数据采用SPSS 25.0进行统计与分析，使用LSD多重比较法进行单因素方差分析(P≤0.05)，作图采用Origin 2018和Excel 2010。

2 结果与分析

2.1 蓝光耦合UV-A对红甜菜形态及生物量的影响

由图1可知，蓝光耦合UV-A处理对红甜菜的形态影响显著。T20处理下的红甜菜株型较其他处理更紧凑，T15的叶张角最大；红甜菜的叶片随UV-A强度增大而逐渐变窄，T20时处理下叶片最窄；各处理的叶片颜色差异不显著。蓝光耦合UV-A对红甜菜的生物量无显著性差异(图2)。

图1 蓝光耦合UV-A对红甜菜的形态学影响Fig.1 Morphological effects of blue light coupling UV-A on red sugar beet

表1 蓝光耦合UV-A对红甜菜鲜重和干重的影响Table 1 Effects of blue light coupling UV-A on fresh and dry weight of red sugar beet

2.2 蓝光耦合UV-A对红甜菜光合色素含量的影响

由表2可知，蓝光耦合UV-A处理对红甜菜的光合色素作用结果差异较明显，红甜菜的叶绿素a、b和类胡萝卜素含量随UV-A强度的增加呈现先升高后降低的趋势，均在T15处理达到最高，比之T0分别增加了35.21%、31.82%和33.33%，红甜菜的类胡萝卜素含量在T0时最高，但随UV-A的强度增加而减少，在T15和T20达到最低，较T0降低了69.23%。

表2 蓝光耦合V-A对红甜菜光合色素的影响Table 2 Effects of blue light coupling UV-A on photosynthetic pigments of red sugar beet

2.3 蓝光耦合UV-A对红甜菜可溶性糖、可溶性蛋白、硝酸盐和Vc含量的影响

由图2可知，蓝光耦合UV-A对红甜菜的可溶性糖[图2(a)]、硝酸盐[图2(c)]和Vc[图2(d)]含量均无显著性变化，对红甜菜的可溶性蛋白[图2(b)]含量有显著影响，红甜菜的可溶性蛋白含量在T0处理下最高，可溶性蛋白的含量随UV-A强度的增加而减小，在T20时达到最低，比T0降低了32.66%。

图2 蓝光耦合UV-A对红甜菜可溶性糖、可溶性蛋白、硝酸盐和维生素C的影响Fig.2 Effects of blue light coupling UV-A on soluble sugar,soluble protein,nitrate and Vitamin C of red sugar beet

2.4 蓝光耦合UV-A对红甜菜游离氨基酸和抗氧化活性成分的影响

如图3(a)所示，蓝光耦合UV-A对红甜菜的游离氨基酸含量影响显著，随UV-A强度的增加呈现先升高后降低的趋势，在T10处理下，红甜菜的游离氨基酸含量最高，与T0比较，增加了58.19%。由图3(b)可知，与T0相比，其他处理对红甜菜的总酚含量影响显著降低，分别降低了12.01%～60.06%，随UV-A强度的增加呈降低趋势。图3(c)可得，蓝光耦合UV-A处理对红甜菜的类黄酮含量影响显著，红甜菜的类黄酮随UV-A强度的增加呈先增加后减少的趋势，在T5时，红甜菜的类黄酮含量最高，较对照T0增加了14.99%。

图3 蓝光耦合UV-A对红甜菜游离氨基酸、总酚、类黄酮和花色苷的影响Fig.3 Effects of blue light coupling UV-A on free amino acids,total phenolics,total flavonoids,and anthocyanins of red sugar beet

3 讨论

光照是植物生长发育的重要决定因素，蓝光和紫外光对植物形态学的影响通常取决于物种类别、波长范围和光照强度[27]。有研究发现较高强度的蓝光可以使大豆和生菜植株株型更为紧凑[28]，本研究发现随着蓝光强度的降低，植株的叶张角逐渐增大，在T15达到最大(图1)。而随着UV-A强度的增加，在T20时红甜菜株型较其他处理更紧凑，Qian等[29]报道了补充UV-A的黄瓜幼苗株型更紧凑。这可能是当UV-A达到一定强度时，植株通过调整株型来减轻接受的UV-A辐照。红甜菜的叶片随着UV-A强度的增强逐渐变窄(图1)，这可能与株型紧凑的原因相同。

叶绿素是植物进行光合作用的重要基础物质[30]。在生菜[31]、小白菜[32]等作物中，添加蓝光可以增加叶绿素含量。这是因为隐花色素和向光素可以介导蓝光诱导叶绿素合酶基因的表达，促进叶绿素的积累[30]。而本试验结果表明随UV-A强度的增强，叶绿素的含量升高了。这可能是UV-A对红甜菜产生的胁迫效应，为减轻紫外辐射带来的细胞损伤，促进叶绿素含量的积累以利于光能捕获，进而促进苯丙烷的代谢途径。植物的类胡萝卜素对降低细胞内活性氧、吸收过量的光能具有着重要作用[33]。本试验发现类胡萝卜素在蓝光下的含量最大，而蓝光耦合UV-A处理的类胡萝卜素含量逐渐降低(表2)。Hoffmann等[12]报道了低强度蓝光处理的甜椒在紫外线胁迫下的类胡萝卜素含量较低，而较高强度的蓝光可以缓解紫外线的胁迫作用，这与本研究结果相同。低强度的蓝光在与UV-A的相互作用下，导致了红甜菜类胡萝卜素积累的减少，而具体的影响机制有待进一步研究。

试验结果表明红甜菜的可溶性蛋白在蓝光耦合UV-A的处理下差异显著[图2(b)]。蓝光可以激活硝酸还原酶(NR)，为蛋白质的合成提供氮源，促进蛋白质的积累[4]。在研究不同光质对苜蓿芽苗菜品质的影响中，发现蓝光处理的可溶性蛋白含量比UV-A高[8]，本试验可溶性蛋白含量随蓝光强度的降低和UV-A强度的增加逐渐降低。导致降低的可能原因一是蓝光强度降低导致可溶性蛋白含量的降低，二是UV-A辐照影响了蛋白质的合成。

游离氨基酸是评价蔬菜风味的重要指标之一，是蛋白质等含氮化合物合成与分解的基本组成单位。杨晓建[34]报道在不同光质处理处理下的青蒜苗中，蓝光处理下的游离氨基酸含量最高，徐文栋等[31]报道的蓝光量对莴苣生长和品质的影响，发现无蓝光处理下的游离氨基酸含量最低。这是因为蓝光可以促进线粒体的暗呼吸，为氨基酸的合成提供碳架。本试验发现在蓝光耦合UV-A处理下的游离氨基酸含量均高于蓝光(图3a)，这表明UV-A可能也参与调控游离氨基酸的合成，促进了游离氨基酸的积累。

酚类化合物和类黄酮是植物响应非生物胁迫产生的清除自由基的防御化合物，这些化合物可以吸收紫外光使植物可以适应紫外线环境[11]。蓝光和紫外光均可以通过光受体上调黄酮上游基因的表达，从而促进类黄酮的积累。Zheng等[9]和Li等[35]报道了补充蓝光可以显著增加小白菜和芥蓝的酚类化合物和类黄酮。据报道[36]，UV-A可以促进红叶生菜中总花色苷、类黄酮和酚类化合物含量的升高，本研究结果发现蓝光耦合UV-A处理的酚类化合物随UV-A的强度增强而降低(图3b)，与上述结果不一致。导致这一结果差异可能与作物种类、基因型和试验环境等条件有关。Yan等[11]报道了蓝光和短时间UV辐照可以提高蚕豆的类黄酮含量，这与本试验的研究结果一致。

花色苷是一种天然的水溶性色素，它的颜色会随PH而变化，使植物可以呈现出不同的颜色，在预防癌症和心脑血管等方面的疾病起重要的保健作用[37]。大量的研究证实了蓝光促进了小白菜[9]、芥蓝[35]和红早酥梨[15]花色苷的合成，以及UV-A促进了甘蓝幼苗[38]和紫叶生菜花色苷[39]的积累。本研究发现蓝光耦合UV-A处理下花色苷含量相比于蓝光显著增加，随着蓝光强度的降低和UV-A强度的增加，花色苷含量呈增长趋势[图3(d)]。Jiang等[16]认为在蓝光照射下，活跃形式的隐花色素与COP1相互作用，使HY5与MYB1得以积累，而HY5与MYB1可以直接结合在花色苷结构基因(CHS与DFR)的启动子上进而调控花色苷的积累。戚楠楠等[17]研究发现UV-A显著上调了光受体基因(CRY1、CRY2)，且显著高于蓝光处理。苯丙氨酸解氨酶(PAL)是苯丙烷类代谢途径的第一个酶，它的活性变化受UV-A的调控。查尔酮异构酶(CHI)是花色苷合成途径中的关键酶。唐丽等[8]报道了UV-A通过提升PAL、CHI酶活性促进了花色苷的合成。由此可见，蓝光和UV-A均可以促进花色苷的合成，但是UV-A作用效应大于蓝光，这也解释了本试验蓝光耦合UV-A处理的花色苷含量高于蓝光处理。

4 结论

综上，蓝光耦合UV-A对红甜菜的生物量、可溶性糖、硝酸盐和Vc没有显著性影响，不利于类胡萝卜素、可溶性蛋白和酚类化合物的积累。本试验在T5处理的红甜菜类黄酮含量最高；蓝光耦合UV-A处理利于红甜菜游离氨基酸的积累，T10达到最高；在T15处理时，有利于促进红甜菜叶绿素和花色苷的合成，其含量最高。因此，红甜菜在T15处理(35 μmol·m-2·s-1蓝光、15 μmol·m-2·s-1UV-A)时可以作为提高色素的光照方案。