不同LED 組合光質對萵苣灰霉病防御酶活性的影響

劉勇鵬王彬楊哲任旭妍朱新紅馬肖靜孫凱樂孫治強樸鳳植張濤姚秋菊

(1. 漯河市農業科學院，河南漯河 462000；2. 河南省農業科學院園藝研究所，河南鄭州 450002；3. 河南農業大學園藝學院，河南鄭州 450002；4. 河南省駐馬店農業學校，河南駐馬店 463000)

葉用萵苣(Lactuca sativaL.)，又名生菜，營養豐富、栽培管理簡單，是當前植物工廠及設施溫室栽培中重要的主栽蔬菜之一[1]。 光是植物重要的調控信號，也是植物生長發育的重要能量來源[2-3]，植物會因光環境的不同而產生不同的生理生化反應[4]。 當前，半導體技術的不斷成熟和迅猛發展，使高效、環保、穩定的LED 燈在設施農業生產中得到廣泛應用，也讓人工光環境控制技術取得很大進步和發展[5-6]。 其中萵苣生產中，有研究發現LED 紅藍黃復合光質可促進萵苣生長；LED 紅藍光下通過添加一定量的綠光和黃光，對生菜的光合性能和產量有很好的提升作用[7-8]。 也有研究發現，光質對植物的抗病性也有一定的影響，它參與多種作物對病原菌的多種防御生理反應，能增強植物的多種防御酶活性，提高植物抗病、抗逆能力[9-10]:Wang 等[11]研究指出，光照質量對黃瓜白粉病有較大影響；Islam 等[12]研究發現，紅光照射下番茄植株中的防御酶抗性提高，能有效防治番茄根結線蟲病侵染；付雁南[13]研究不同光質LED 處理對接種在培養基上的灰霉病菌落的抑制作用時發現，紫光處理的抑制率要高于藍光。 灰霉病作為一種全球高危病害，尤其是在設施蔬菜生產中，一旦發病，可減產20%～50%，嚴重者甚至絕收[14-15]。

目前針對LED 單色光以及紅藍光對作物抗病性及致病性機理的研究相對較多，而關于其它組合光諸如黃光、綠光及紫光的多種組合研究相對較少[16]。 因此本試驗在前人研究基礎上，于萵苣生長后期，以紅藍組合光(紅光∶藍光＝4∶1)為基礎及對照，通過添加一定比例紫光、黃光和綠光組成紅藍紫、紅藍黃、紅藍綠3 種不同組合光質處理，并在光照第3 d 時進行灰霉病菌接種處理，調查研究萵苣在不同組合光質下灰霉病的發病狀況及接種前后其對植株體內POD、PPO、PAL、CHT、GLU 主要防御酶活性的影響，以期篩選出能抑制萵苣灰霉病菌的最佳組合光質。

1 材料與方法

1.1 供試材料與設備

供試葉用萵苣品種:‘美國大速生’，由河南豫藝種業公司提供。 供試LED:由河南智圣普電子有限公司提供。 供試灰霉病病菌孢子:河南農業大學植保學院實驗室內培養。

1.2 試驗設計

本試驗共設置4個處理，分別為紅藍組合光(RB，紅光∶藍光＝4∶1)、紅藍紫組合光(RBP，紅光∶藍光∶紫光＝4∶1∶1)、紅藍黃組合光(RBY，紅光∶藍光∶黃光＝4 ∶1 ∶1)、紅藍綠組合光(RBG，紅光∶藍光∶綠光＝4∶1∶1)。 光合有效輻射通量密度為(200±5) μmol·m-2·s-1。 各處理LED 組合光相對光譜值見圖1。

圖1 不同LED 組合光相對光譜圖

1.3 試驗條件與處理方法

本試驗于2018年在河南農業大學毛莊科教園區植物工廠內采用水培方式進行。 其白天溫度控制在23～25 ℃，夜間控制在15 ～18 ℃，濕度為65%～75%，CO2濃度為350 ～400 μmol·mol-1，晝夜周期為12 h/12 h。 水培種植設備是立體栽培架，規格為:1 850 mm(L)×700 mm(W)×2 500 mm(H)，層高500 mm。 其上面是四層栽培槽，栽培槽規格為1 800 mm(L)×650 mm(W)×100 mm(H)。 栽培槽由栽培床和種植托板組成，栽培床放營養液，種植托板用來固定葉用萵苣。 栽培架最底部是營養液灌溉設備。 LED 組合光源布局和布置方法為:每層栽培槽設置一種光源處理，四周拉上遮光布。 營養液采用山崎葉類蔬菜專用配方(大量營養元素配方為:四水硝酸鈣236 mg·L-1、硝酸鉀404 mg·L-1、磷酸二氫銨57 mg·L-1和七水硫酸鎂123 mg·L-1。 微量元素配方為:乙二胺四乙酸二鈉鐵20～40 mg·L-1、硼酸2.86 mg·L-1、四水硫酸錳2.13 mg·L-1、七水硫酸鋅0.22 mg·L-1、五水硫酸銅0.08 mg·L-1、四水鉬酸銨0.02 mg·L-1和硫酸亞鐵13.9 mg·L-1)，每7 d 更換1 次營養液。 萵苣生長前期采用紅藍(4∶1)光照處理；生長至28 d 時，在紅藍光基礎上再分別添加黃光、紫光、綠光進行紅藍紫、紅藍黃、紅藍綠組合光處理；組合光照處理后3 d 對萵苣上部第3 片葉進行針刺灰霉病菌接種處理，接種的孢子懸浮液為106cfu·mL-1，接種后共計8個處理。 隨機區組設計，重復3 次。 為避免交叉感染，未接菌和接菌處理間有適當距離隔離，接菌后植物工廠溫度調至30 ℃，濕度調至80%，使其快速感病。

1.4 測定指標及方法

紅藍紫、紅藍黃、紅藍綠組合光處理后1 d 和3 d 進行采樣，測定GLU(β-1，3-葡聚糖酶)、PAL(苯丙氨酸解氨酶)、POD(過氧化物酶)、CHT(幾丁質酶)及PPO(多酚氧化酶)主要防御酶活性。組合光處理5 d 時調查灰霉病發病情況，同時在處理后5 d 和7 d 時分開采樣，測其酶活性。

POD 活性測定根據Huo 等[17]的方法；PAL 活性測定采用反式肉桂酸顯色法，PPO 活性測定采用鄰苯二酚法，均參照《植物生理生化實驗原理和技術》[18]進行；GLU 及CHT 活性測定參照田菲菲[19]的方法。 隨機取樣，所有指標測定均重復3 次。

參照楊哲[20]的葉類蔬菜灰霉病分級標準，計算病情指數。

1.5 數據處理與分析

采用WPS 軟件進行數據統計并作圖，SPSS 20.0 軟件進行數據方差分析(Duncan’s，P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同LED 組合光質對萵苣灰霉病發病的影響

由表1 可知，不同LED 組合光質處理葉用萵苣灰霉病的病情指數相比CK(紅藍光)均顯著降低。 接種灰霉病菌后2 d，各處理萵苣完全發病，其中CK(RB)病情指數最高，為53.33，其次為紅藍綠(RBG)和紅藍黃(RBY)組合光質處理，紅藍紫(RBP)處理病情指數最低，僅為10.00。 說明在紅藍光條件下適當添加一定量的紫光、綠光和黃光對灰霉病的發生均有一定的抑制作用，整體以添加紫光處理抑制能力最強。

表1 不同LED 組合光質下萵苣灰霉病的發病情況

2.2 不同LED 組合光質對萵苣灰霉病防御酶POD 活性的影響

由圖2 可知，不同LED 組合光質對葉用萵苣灰霉病防御酶POD 活性有著不同影響。 光照1 d時，各處理間POD 活性無顯著差異。 光照3 d時，各處理間POD 活性存在顯著差異，以RBP(紅藍紫)處理POD 活性最高，比CK(RB)增高27%(P＜0.05)，RB 酶活性最低。 光照5 d 接種病菌2 d 時，RBP+F 處理POD 活性最高，其次是RBG(紅藍綠)+F，兩處理間無顯著差異，但與其它處理均差異顯著，RBY(紅藍黃)+F 與RB(紅藍)+F 處理間差異也不顯著；未接種病菌處理中，RBP 處理酶活性最高，比RB 高33%且差異顯著。光照7 d 接種病菌4 d 時，各個接種病菌處理都比未接種病菌處理高，整體以RBP+F 和RBY+F 處理的POD 活性最高；未接種病菌處理中，各LED組合光質處理的POD 活性比RB 都顯著增高。

圖2 不同LED 組合光質對萵苣灰霉病防御酶POD 活性的影響

綜上可知，在紅藍組合光條件下適當添加紫光、綠光和黃光可以提高萵苣體內POD 活性，整體上看以紅藍紫和紅藍黃LED 組合光質最有利于提高感染灰霉病萵苣體內的POD 活性。

2.3 不同LED 組合光質對萵苣灰霉病防御酶PPO 活性的影響

由圖3 可知，不同LED 組合光質對接種灰霉病菌萵苣的PPO 活性有著不同影響。 光照1 d時，各處理萵苣PPO 活性均顯著高于CK(RB)，以RBP(紅藍紫)處理PPO 活性最高，比RB 高14.06%；其次是RBY(紅藍黃)處理，比RB 高8.45%。光照3 d 未接菌時，以RBY(紅藍黃)處理的PPO 活性最高，顯著高于其它處理，比RB 高36%；其次是RBG(紅藍綠) 處理，比RB 高26.11%；RBP 處理與RB 相比無顯著差異，僅高7%。 光照5 d 接種病菌2 d 時，添加紫光和黃光的接菌和未接菌處理的PPO 活性與各自CK 相比均差異顯著，以RBY(紅藍黃)+F 處理的PPO活性最高，其次是RBP+F 處理。 光照7 d 接種灰霉病菌4 d 時，未接菌處理中，以RBY(紅藍黃)和RBG(紅藍綠)處理的PPO 活性最高；接菌處理中，RBP(紅藍紫)+F 處理的PPO 活性最高，其次為RBY(紅藍黃)+F 和RBG(紅藍綠)+F 處理。

圖3 不同LED 組合光質對萵苣灰霉病防御酶PPO 活性的影響

綜上可知，在紅藍組合光基礎上添加一定比例的紫光、黃光、綠光組成組合光質，可以提高萵苣PPO 活性，接種灰霉病菌后，整體上以RBP+F 處理最有利于提高萵苣PPO 活性，控制灰霉病菌侵染。

2.4 不同LED 組合光質對萵苣灰霉病防御酶PAL 活性的影響

由圖4 可以看出，光照1 d 時，各處理萵苣PAL 活性無顯著差異。 光照3 d 時，與紅藍組合光相比，添加紫光、黃光和綠光對萵苣PAL 活性均有一定的提升作用，其中RBY(紅藍黃)和RBG(紅藍綠)處理的PAL 活性顯著高于CK(RB)，分別增高5%和10%。 光照5 d 接種病菌2 d 時，各接菌處理比對應的未接菌處理PAL 活性都高；各接菌處理中，RBG+F 處理PAL 活性最高，但與RB+F 無顯著差異，僅高5%；RBY+F 處理酶活性與RB+F 相比降低4.4%。 光照7 d 接種病菌4 d 時，RBY+F 處理的PAL 活性最高，其次是RBP(紅藍紫)+F 處理，與未接菌的RBY、RBP 處理均差異顯著；RBG+F 處理最低，與RBG 處理差異不顯著。

圖4 不同LED 組合光質對萵苣灰霉病防御酶PAL 活性的影響

綜上可知，在紅藍組合光基礎上添加一定比例的紫光、黃光、綠光組合光質對葉用萵苣PAL活性均有一定的提升作用，接種灰霉病菌后，整體上以添加黃光最有利于提高PAL 活性，其次是添加紫光。

2.5 不同LED 組合光質對萵苣灰霉病防御酶CHT 活性的影響

由圖5 可知，不同組合光質對葉用萵苣CHT活性均有一定影響。 光照1 d 時，各處理萵苣CHT 活性均顯著高于CK(RB)，其大小順序為RBY＞RBG＞RBP ＞RB，比RB 分別增高23.33%、24.38%和23.21%。 光照3 d 時，RBY(紅藍黃)和RBG(紅藍綠)組合光質處理的CHT 活性相比RB差異顯著，分別增高27.10%和19.17%，而RBP(紅藍紫)處理與RB 差異不顯著。 光照5 d 接種病菌2 d 時，未接菌處理中，RBP 處理的CHT 活性最高，顯著高于其它處理，比RB(紅藍光)高68.58%；接菌處理中，CHT 活性也以RBP(添加紫光)+F 處理最高；各接菌處理的CHT 活性均顯著高于對應的未接菌處理。 光照7 d 接種病菌4 d時，以添加綠光的RBG+F 處理CHT 活性最高，其次是RBY+F 和RBP 處理。

綜上可知，在紅藍光基礎上添加一定比例紫光、黃光、綠光的組合光質對葉用萵苣的CHT 活性均有一定的提升作用，且隨著光照時間的延長和接種灰霉菌的影響，整體上以添加綠光和黃光提升作用最為明顯。

2.6 不同LED 組合光質對萵苣灰霉病防御酶GLU 活性的影響

由圖6 可知，不同LED 組合光質對葉用萵苣GLU 活性均有一定的影響。 光照1 d 時，各處理GLU 活性除RBY(添加黃光)顯著高于CK(RB)外，其它處理與RB 均無顯著差異。 光照3 d 時，3個LED 組合光質處理的GLU 活性均顯著高于CK(RB)，RBY 處理仍最高，比CK 增22.39%；其次是RBG(添加綠光)和RBP(添加紫光)處理，比CK 分別高14.42%和11.21%。 光照5 d 接種病菌2 d 時，RBP(紅藍紫)+F 處理GLU 活性最高，其次是未接菌的RBP(紅藍紫)處理，兩處理間無顯著差異，前者顯著高于其它未摘菌處理。光照7 d 接種病菌4 d 時，未接菌的RBY(紅藍黃)和RBG(紅藍綠)處理GLU 活性分別比RB 高65.07%和69.0%，RBP 比RB 高33.54%，均達顯著水平；接菌處理中，3個組合光質處理間無顯著差異，但顯著高于RB+F，RBG(紅藍綠)+F 處理酶活性最高，RBY+F(紅藍黃)位次，分別比RB+F增加25.77%和25.50%，均達顯著水平。

圖6 不同LED 組合光質對萵苣灰霉病防御酶GLU 活性的影響

由上可知，接種灰霉病菌后，LED 紅藍組合光基礎上添加一定比例的紫光、黃光、綠光均能有利于提高葉用萵苣GLU 活性，整體上以紅藍黃、紅藍紫處理較佳。

3 討論與結論

光環境作為植物離不開的環境因子，不僅提供植物所需的輻射能量，還能傳遞光能量信號，調控其植物發育[21]。 當前，隨著科技的進步與發展，特別是半導體產業發展帶來的高精度環境控制技術，使周年生產的植物工廠在我國得到很大發展，尤其是在LED 光環境控制技術上，通過調節形成不同LED 組合光質來控制作物的生長發育，以提高作物的抗蟲、抗病以及抗脅迫能力，這已成為當前的研究熱點[2]。

有研究表明，園藝作物生長及其產量主要取決于光合效率，其中波長400 ～700 nm 范圍內的光質是植物進行光合作用的主要光頻率，而植物對紅藍光的吸收率約為90%[22-23]。 基于紅光和藍光的多種組合光質對萵苣生長影響的研究有較多報道:王曉晶等[24]研究表明，添加綠光能降低生菜的地上部生物量，抑制其正常生長發育進程；陳田甜[25]研究指出，在紅藍光基礎上補充黃光可以提高番茄地上部生物量；石圓圓[7]研究表明，補充紫光處理下的萵苣株高降低，葉片衰老延緩。本試驗表明，在紅藍光條件下適當添加紫光的RBY(紅藍紫)處理最能降低灰霉病的發病程度。這與付雁南[13]的研究結果一致，即LED 紫光處理能抑制灰霉菌菌絲生長。

研究發現，植物受到病原菌侵害后會產生多種防御反應，而光作為植物生長發育的重要環境因子，不僅能調控植物的生長發育，也參與植物對病原菌抗性機制的建立，提高植物體內多種防御酶活性[26]。 其中抗氧化代謝對植物的抗病性有關鍵作用，POD 活性增強能很好地減輕由病原菌引起活性氧增多造成的傷害[27]。 本研究發現，在紅藍組合光條件下適當添加紫光、綠光、黃光可以提高萵苣體內過氧化物酶活性，在未接種灰霉病菌前以添加紫光處理酶活性最高，接種病菌后以添加紫光和黃光處理最有利于提高POD 活性。這與韓吉思等[28]的研究結果(紅心杉在不同配比紅藍光基礎上增加紫光POD 活性會增加)、石圓圓[7]的研究結果(補充LED 紫光處理能明顯提高萵苣的POD 活性)一致。 PAL 是植物次生代謝最重要的酶，與植物的抗病能力直接相關[29]。 本研究發現，在LED 紅藍光基礎上添加紫光、黃光、綠光的不同組合光質處理對葉用萵苣PAL 活性有很好的提升作用，接種病菌后以添加黃光、紫光處理的PAL 活性相對較高。 這與崔琳琳等[30]的研究結果(苦蕎在紫光下PAL 活性和黃酮類累積量都較高)一致。 PPO 是一種含銅的氧化酶，當植物細胞受到病原菌侵染或入侵破壞時，PPO 會發生生理反應，產生酚類物質，防止植物侵染，甚至殺死病原菌[31]。 本試驗中，在紅藍組合光基礎上添加一定比例的紫光、黃光、綠光處理對萵苣體內PPO 活性均有一定的提升作用，以添加紫光最有利于提高接種灰霉菌萵苣體內的PPO 活性。這與王虹[26]的研究結果(紫光處理能顯著提高白粉病黃瓜植株體內的PAL 和PPO 活性)一致。另外有研究發現，GLU 和CHT 在抵御植物病原菌傷害的防御反應中發揮著細胞壁水解酶的作用，往往在植物受病原菌或其它逆境傷害時被誘導和積累，能夠控制真菌孢子的發育和菌絲生長。 本研究發現，在LED 紅藍光質基礎上添加紫光、黃光、綠光的不同組合光質處理對葉用萵苣CHT、GLU 活性均很好的增強作用，且隨著光照時間的延長和接種灰霉菌的影響，整體上看CHT 活性以添加綠光和黃光處理相對較高，GLU 活性則以添加黃光、紫光處理較高。

綜上可知，葉用萵苣生長后期接種灰霉病菌后，不同LED 組合光質處理中以添加紫光處理最有利于降低灰霉病的發生程度；在紅藍光基礎上添加紫光和黃光處理的POD、PAL、PPO、GLU 活性較高，添加綠光和黃光處理的CHT 活性增強最為明顯。 整體上看，在LED 紅藍光基礎上添加一定比例的紫光或黃光，對葉用萵苣灰霉病能產生較好的防御能力。

當前，隨著人們食品安全意識的增強，一些高毒農藥、抗生素等有機污染物在蔬菜生產中的應用逐漸受到限制[32]。 而隨著LED 光照技術在設施蔬菜上的應用，明確不同組合光質配比對提高植物抗病性的作用機理[33]、開展綠色高效的不同組合光質病害防治，也將成為未來LED 應用的重要研究方向。