LED紅藍光補光促進多肉植物馬庫斯葉片轉色

楊 瀾， 張朝君， 杜致輝， 王維澤， 唐玲涵， 陳之林

(1.貴州省農業(yè)科學院園藝研究所，貴州貴陽 550006； 2.貴州省農科院山茂園藝工程技術有限公司，貴州貴陽 550006)

光照是影響植物生長最重要的因素之一，主要通過光質和光照度影響生長發(fā)育。其中，光照度是影響植物光合作用最為重要的因子。LED光源因具有光質可調、發(fā)光效率高、發(fā)熱低的優(yōu)點，被廣泛應用于設施園藝中。采用LED光照處理可以改變多種植物葉片中色素的種類、含量以及分布，從而改變園藝植物顏色。高等植物葉片中的色素主要歸結為以下三大類：葉綠素類、類胡蘿卜素類和類黃酮類，類黃酮類主要以花青素苷元類為主。貴州省農業(yè)科學院園藝研究所花卉研究室前期的試驗發(fā)現(xiàn)，多肉植物的葉片中主要含有類黃酮類和葉綠素2類色素?；ㄇ嗨仡愂穷慄S酮類中對植物花和葉片的彩色產(chǎn)生影響的主要色素，在色譜圖上表型為由橙紅色到藍紫色。飛燕草素、矢車菊素、天竺葵素、矮牽牛素、芍藥花素和錦葵素是高等植物中的主要花青素。其中，前3種花青素在自然界中的含量最為豐富，飛燕草素表型為藍色，矢車菊素表型為紅色或粉紅色，天竺蔡素表型為洋紅色。

近年來，圍繞LED應用主要集中在紅光、藍光和紅藍光組合對植物生長發(fā)育、光合特性、碳氮積累等方面的影響，紅光和藍光是植物光合作用和光形態(tài)建成的主要光質。研究表明，高比率的紅藍光組合能有效提高果實中總花青素的含量，有利于改善品質。另外，對于提高蔬菜的光合特性、生物量以及改善品質方面也有重要貢獻。

多肉植物生長過程中需要充足的光照，才能植株飽滿，葉色鮮艷亮麗。而一些寡日照地區(qū)生長的多肉植物，商品株出現(xiàn)了轉色周期長、商品性較低等問題。在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，使用一定比例的LED紅藍光組合能有效促進多肉植物葉片轉色，然而，對于轉色原因研究鮮有報道。本試驗通過對多肉植物馬庫斯(Markus)進行 LED 紅藍光組合補光處理以及補光后白光光照處理，以白光照射為對照處理。采用分光色差計(NF555)測定葉片的顏色參數(shù)，利用花青素液質聯(lián)用技術(HPLC-MS/MS)測定葉片中花青素組成及含量，并通過相關性分析探討多肉植物馬庫斯葉片中花青素組成及含量與葉色表型的關系，了解 LED 紅藍光組合促進多肉植物葉片轉色的原因，本研究對 LED 光照調控多肉植物顏色轉變提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗及取材

2019年6月18日選用健康無病蟲害的馬庫斯4個月扦插苗(整株為綠色)為試驗材料，放置于貴州省園藝研究所人工氣候室內栽培。采用不同的LED光照處理后，選擇每個處理15株材料的第3層完整葉片作為分析材料，測定葉色表型參數(shù)后用液氮速凍，置于-80 ℃超低溫冰箱保存，用于色素及花青素種類和含量的測定。

1.2 試驗方法

1.2.1 LED光照處理馬庫斯 基于實驗室前期的研究數(shù)據(jù)，選擇紅藍光為 4 ∶1 的LED光照組合，以此為基礎，分別設置4種光照處理：處理1(Trt1)，低光照度600 lx 條件下光照 20 d；處理2(Trt2)，低光照度600 lx 條件下光照 30 d；處理3(Trt3)，高光照度 2 000 lx 條件下光照 20 d；處理4(Trt4)，高光照度 2 000 lx 條件下光照 30 d；處理5(Trt5)，將 Trt1～Trt4中的最優(yōu)光照處理材料放置于白光下30 d，觀察葉片顏色是否褪去。白光照射的扦插苗為對照(CK)，光照度為2 000 lx，光照時間30 d。所有處理光照時長為10 h/d，其余時間為黑暗培養(yǎng)；溫度 22 ℃，濕度75%，澆水頻率為每7 d澆水1次。每組處理10株，生物學重復3次。

1.2.2 測定葉片色度值 葉片色度的測定使用國際照明委員會(CIE)、、表色系統(tǒng)。采用NF555分光色差計對準葉片測定葉片的亮度、色相值與色相值，計算彩度值。值從0升至100時，表示明度由暗到明；值由負到正，表示綠色變淡，紅色變深。值由負到正，表示藍色變淡，黃色變深；彩度值代表顏色的鮮艷程度，值越大顏色越深。選擇每個處理15株材料的第3層完整葉片作為分析材料，選取葉片上表皮靠近葉尖1/3處測定葉色表型參數(shù)值。讀取、、，并根據(jù)=(+)計算彩度，每個樣品重復測定3次，求取平均值。

1.2.3 測定葉片總花青素和總葉綠素含量 取出-80 ℃保存的葉片，倒入液氮磨碎后加入5 mL體積分數(shù)為0.1%的鹽酸甲醇提取液，錫箔紙包裹后在 4 ℃ 冰箱中浸置24 h，定容至10 mL棕色容量瓶中。以0.1%鹽酸甲醇溶液為對照，通過紫外-可見分光光度計測定波長525 nm處樣品的吸光度，生物學重復3次。以矢車菊素3-蕓香糖苷作為標準品，繪制標準曲線。通過線性回歸方程計算樣品中相對于標準品的總花青素苷元含量，單位mg/g(鮮質量)，重復測定3次，求取平均值。

總葉綠素的提取，同樣地取出0.5 g左右的冷凍葉片放入研缽中，加入5 mL 80%丙酮和少量的石英砂進行研磨，勻漿后過濾至10 mL棕色容量瓶中定容，80%丙酮清洗研缽及殘渣，80%丙酮作為對照，紫外-可見分光光度計分別測定樣品在波長645、663 nm處的吸光度。生物學重復3次，根據(jù)公式計算總葉綠素濃度和總葉綠素含量。重復測定3次，求取平均值。

總葉綠素濃度(mg/L)=20.2+8.02；

總葉綠素含量(TCh，mg/g)=(色素濃度×提取液體積)/樣品鮮質量。

1.2.4 測定葉片中花青素種類和含量 以白光CK、最佳紅藍光組合處理Trt4、紅藍光組合轉白光處理Trt5 為材料，測定葉片中花青素種類和含量，生物學重復3次。以乙醇/鹽酸提取-濃鹽酸水解方法提取樣品中花青素，并以安捷倫 1290 高效液相色譜儀串聯(lián) Qtrap6500 質譜儀檢測。以甲醇(0.1%甲酸)為溶劑配制梯度為 0.5、1、2、5、10、20、 100 μg/mL 的矢車菊素(CC)、飛燕草素(DC)、天竺葵素(PelC)、芍藥花素(PeoC)標準溶液。

1.2.5 數(shù)據(jù)整理和分析 采用Excel 整理數(shù)據(jù)，計算“平均值±標準差”。用SPSS 20 軟件進行數(shù)據(jù)的差異顯著性分析、多元線性相關性分析以及逐步回歸分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理后植株葉色表型變化

用色差計測定不同處理下多肉植物馬庫斯葉片的、、值，計算值。從表1可以看出，不同光照處理間植株葉片亮度值沒有顯著變化，、、值差異極顯著。圖1顯示，值正向附近是紅色區(qū)域，逆時針旋轉經(jīng)過橙色到達值正向，其附近為黃色，值負向附近是綠色區(qū)域。圖1和圖2顯示，CK 葉片值分布在負向，葉片表型為綠色；經(jīng)過紅藍光組合Trt1～Trt5 處理的葉片值為正值，葉片顏色向紅色方向移動。其中，Trt4 光照處理葉片紅色表現(xiàn)也最明顯(圖2)。

從表1可以看出，Trt1～Trt5處理的值顯著高于 CK，Trt4 處理的葉片值最大(9.10)，其次是Trt5、Trt3、Trt2、Trt1，CK葉片值最小(-8.09)。Trt1～Trt5處理的黃藍參數(shù)值顯著低于 CK；其中，Trt4 處理值最低(12.38)，CK葉片的值最高(20.98)。CK葉片的彩度值(22.50)最高，其次是Trt2、Trt1、Trt4、Trt3處理，Trt5處理的值最低(14.50)。

表1 不同處理間葉片顏色參數(shù)的差異性

2.2 不同處理間葉片總花青素含量和總葉綠素含量差異

從表2可以看出，6 種光照處理的總花青素含量(TAC)和總葉綠素含量 (TCh) 差異極顯著。Trt1～Trt5 處理的葉片 TAC 均明顯高于 CK，TCh 明顯低于 CK。其中，Trt4 處理葉片 TAC 含量最高(0.057 mg/g)，TCh 含量最低(0.034 mg/g)，TAC/TCh最高(1.676)；CK的葉片 TAC/TCh最低(0.419)。說明Trt4 處理對多肉植物馬庫斯葉片轉色效果最明顯，為最佳光照處理組合 。Trt5 處理的葉片 TAC含量和 TAC/TCh略有下降，但明顯高于其他處理。

表2 不同光照處理下葉片總花青素含量和葉綠素含量的差異性

2.3 不同處理間葉片中的花青素苷元定量分析

以矢車菊素、飛燕草素、天竺葵素、芍藥花素為標準品，以白光CK、最佳紅藍光組合處理Trt4、紅藍光組合轉白光處理Trt5 為材料，采用 HPLC-MS/MS 檢測多肉植物馬庫斯葉片中主要花青素種類和含量。從表3可以看出，3種處理的植株葉片中均檢測出矢車菊素、飛燕草素、天竺葵素、芍藥花素 4種花青素；其中，飛燕草素含量最高，其次是芍藥花素、天竺葵素、矢車菊素；Trt4 紅藍光組合光照處理后葉片花青素積累最多，Trt5次之，CK最少。

表3 多肉植物馬庫斯葉片中主要花青素 HPLC-MS 分析

從表4可以看出，總花青素含量與色相表現(xiàn)為極顯著正相關關系，與、呈現(xiàn)極顯著負相關關系，即隨著總花青素含量的增加，值增大，表現(xiàn)為多肉植物馬庫斯葉片的顏色向紅色方向移動，總葉綠素含量與、呈現(xiàn)極顯著負相關關系，與值呈現(xiàn)極顯著正相關關系。葉片總葉綠素含量的減少，使得葉片的顏色參數(shù)、值增大，值減小，葉片顏色表現(xiàn)為亮度增大，紅色表型加深，黃色色調減弱。僅芍藥花素含量與亮度值顯著相關；矢車菊素含量與色相值極顯著負相關，與色相值極顯著正相關；天竺葵素含量、芍藥花素含量與值顯著正相關，與值顯著負相關；飛燕草素含量與葉色表型之間無顯著相關性。

表4 葉片顏色與色素含量間的偏相關系數(shù)

以描述葉色變量的()、()值作為因變量，以主要色素成分矢車菊素()、飛燕草素()、天竺葵素()、芍藥花素()的含量為自變量，通過逐步回歸的方法建立花青素含量與葉色之間的回歸方程：

=-064+043+023-7710，=095；

=036-021-012+5707，=0.96。

回歸方程系數(shù)的絕對值可直接判斷不同種類的花青素對花色的貢獻量。由方程可知，矢車菊素、天竺葵素、芍藥花素對多肉植物馬庫斯葉色表型均有貢獻，但性質不同。其中，天竺葵素、芍藥花素的積累可顯著增加葉片紅色表型。

3 討論與結論

花色或葉色組織中色素的組成、理化性質、液泡內pH值以及花瓣表皮細胞形狀與組織結構等多種因素有關，但其中最重要的影響因素是色素組成。光質配比、光照度和光照時間3因素是影響植物葉片或花瓣中色素的重要因素。紅藍光組合補光通過提高植物中總花青素含量可以在一定程度上改善花卉品質，在東方百合、芍藥、白芨、菊花、蝴蝶蘭和文心蘭上都有應用。光照度影響葉片中花色素苷的含量。具體的實際應用中發(fā)現(xiàn)，紫葉矮櫻等彩葉植物葉色在陽光充足時變得更深、更鮮亮。在本試驗中，4 ∶1紅藍光組合光照處理相對于CK白光處理，能有效提高葉片中總花青素含量及其與總葉綠素含量之間的比率，促使多肉植物馬庫斯葉片顏色向紅色方向移動(表2、圖1)。光質配比、光照度和光照時間3因素之間還存在一定的交互效應。4 ∶1紅藍光組合條件下，高水平的光照度處理更有利于總花青素的積累(Trt4>Trt3>Trt2>Trt1)，其總花青素含量與總葉綠素含量的比值也更高(Trt4>Trt3>Trt2>Trt1)(表2)。其中，Trt4處理葉片的色相值(9.10)最大，總花青素含量(0.057 mg/g)最高。這與李尊洋等研究的光照度對紅寶石多肉葉片呈色影響結果相同。另外，相同的光質配比和光照度下，光照時間越長，葉片中積累的花青素就越多，總花青素與總葉綠素含量比值也越大(Trt4>Trt3>Trt2>Trt1)。這與劉璐等對多肉植物紅色漿果呈色的研究結果類似。

經(jīng)紅藍光組合(Trt4)光照處理后的植株，葉片顏色從綠色變?yōu)槌燃t色，再將其放置于白光下處理30 d(Trt5)，發(fā)現(xiàn)葉片顏色表現(xiàn)為橙黃色，總花青素含量與總葉綠素含量比值仍保持在較高水平(表2)。說明試驗中的紅藍光組合處理對于多肉植物馬庫斯葉片轉為彩色后有一定的穩(wěn)定性。在實際生產(chǎn)中，還可以再設置更多水平處理，摸索更節(jié)能的光照轉色方案。

花青素苷是使花朵呈色的重要色素之一，被子植物中約有 80%科的花朵顏色由花青素苷決定。為進一步探究多肉植物馬庫斯葉片中花青素種類以及葉片顏色變化過程中不同花青素對葉色表型(、、)的貢獻，本試驗采用液質聯(lián)用技術(HPLC-MS/MS)測定樣品組花青素種類和含量，并通過相關性分析找到不同花青素與葉色表型數(shù)據(jù)之間的關系。在 CK、Trt4 和 Trt5 的材料中均檢測到4種花青素，即矢車菊素、飛燕草素、天竺葵素和芍藥花素。其中，飛燕草素在葉片中含量最高，其次是芍藥花素、天竺葵素、矢車菊素；Trt4 紅藍光組合處理后葉片花青素積累最多，Trt5次之，CK最少。對葉色參數(shù)、、值與4種花青素含量進行多元相關性分析，結果顯示，僅芍藥花素含量與葉片亮度值顯著相關；矢車菊素含量與色相值極顯著負相關，與色相值極顯著正相關；天竺葵素含量和芍藥花素含量與值顯著正相關，與值顯著負相關；飛燕草素含量與葉色表型之間無顯著相關性。由逐步回歸方程系數(shù)可知，矢車菊素、天竺葵素、芍藥花素對多肉植物葉色表型均有貢獻。其中，天竺葵素、芍藥花素含量的積累可顯著增加葉片紅色表型。

綜上所述，人工調控光照條件可以改變多肉植物葉片內色素比例，進而影響葉片顏色表型。LED光照參數(shù)中的光質、光照度是影響多肉植物馬庫斯葉片呈色的顯著因素。本試驗通過對光照條件的人工調控，使得多肉植物葉片顏色轉為彩色，并在一定時間內具有穩(wěn)定性。補光調節(jié)技術不僅縮短了多肉植物馬庫斯葉片轉色時間，還為實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)高質量的多肉成品苗提供了技術參考。