光質(zhì)和CO2濃度對(duì)紫背天葵生長(zhǎng)及其抗氧化成分合成的影響.pdf

1、航天員在長(zhǎng)期載人航天飛行任務(wù)和月球或火星等地外星球定居與開發(fā)中面臨的最嚴(yán)重問題之一是空間宇宙輻射，而食用抗氧化劑能夠?qū)ζ湫纬捎行Х烙?。因此，在未來的月?火星基地受控生態(tài)生保系統(tǒng)（Controlled Ecological Life Support System，CELSS）可以通過增加某些富含抗氧化劑的蔬菜和水果類作物的種植，從食品途徑提升航天員的抗氧化劑攝入量，有效提高其抗空間輻射的能力，從而確保航天員身體健康安全的同時(shí)保證順利完成

2、任務(wù)。
　　本文以富含抗氧化劑的藥膳兩用植物紫背天葵為研究對(duì)象，選用新型高亮度低能耗發(fā)光二極管（LED）作為光源，構(gòu)建不同組合不同比例的LED光質(zhì)模塊區(qū)，采用植物生理生化相關(guān)分析技術(shù)，首次在密閉環(huán)境中開展了LED光質(zhì)、CO2濃度和UV-B輻射等可控環(huán)境因素聯(lián)用對(duì)紫背天葵生長(zhǎng)特性及抗氧化成分的影響規(guī)律及作用機(jī)理研究，旨在探索受控環(huán)境中紫背天葵的最優(yōu)化生長(zhǎng)和抗氧化成分積累的綜合環(huán)境條件，并認(rèn)識(shí)其在面臨一些可能遇到的超高CO2濃度和高強(qiáng)

3、度UV-B輻射等逆境環(huán)境時(shí)其的耐受性，最終為其在CELSS中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。本工作形成的主要研究結(jié)果如下：
　　1.光質(zhì)和CO2濃度對(duì)植株生物量積累具有明顯交互作用。相同CO2濃度下，與白光相比，藍(lán)光比例在15～20％時(shí)植物生物量增加明顯。CO2濃度提升到較高水平（1200～1500μmol·mol-1）并未顯著增加植物生物量，但CO2濃度升高至超高水平（8000μmol·mol-1）植物生物量的積累顯著降低。綠光加入到紅藍(lán)光

4、質(zhì)系統(tǒng)中顯著降低了植物生物量的積累，且與紅藍(lán)光質(zhì)系統(tǒng)不同的是，紅藍(lán)綠光質(zhì)條件下，CO2濃度升高至較高水平（1500μmol·mol-1）植物生物量明顯增加，這表明，在紅藍(lán)與紅藍(lán)綠光質(zhì)系統(tǒng)中，CO2濃度對(duì)植株生物量積累的影響具有明顯差異性。
　　2.藍(lán)光和高CO2濃度均是酚類物質(zhì)積累的有效促進(jìn)因子。在對(duì)照和較高CO2濃度下，20～30%的藍(lán)光比例有利于紫背天葵葉片中酚類的積累，而當(dāng)藍(lán)光比例達(dá)到40%左右時(shí)，酚類的積累不再增加甚至呈現(xiàn)

5、減少的趨勢(shì)。相同光質(zhì)條件下，CO2濃度在1200～1500μmol·mol-1范圍內(nèi)紫背天葵葉片中酚類的積累量增加，當(dāng)CO2濃度升高至2000μmol·mol-1時(shí)酚類的積累不再增加，但是升高至8000μmol·mol-1時(shí)酚類含量又顯著升高。紅藍(lán)光質(zhì)系統(tǒng)中，在80%紅色LEDs+20%藍(lán)色LEDs及較高CO2水平下能夠獲得最大的酚類抗氧化物質(zhì)平均產(chǎn)量。
　　3.綠光的加入不利于酚類抗氧化成分的積累。首先，在紅藍(lán)綠光質(zhì)系統(tǒng)中，雖然

6、較高CO2下黃酮類和花色苷的平均產(chǎn)量仍然高于對(duì)照CO2條件，但CO2濃度升高并未增加黃酮類含量，且降低了花色苷的含量，這與紅藍(lán)光質(zhì)系統(tǒng)中的情況相反。其次，在較高CO2濃度條件下，綠光的加入使得植物的酚酸含量（mg·g-1DW）和平均產(chǎn)量（g·m-2）均明顯低于未加入綠光的紅藍(lán)光質(zhì)系統(tǒng)。
　　4. CO2濃度升高不利于萜烯類抗氧化成分的積累，而綠光是萜烯類物質(zhì)積累的有效促進(jìn)因子。不論在紅藍(lán)光質(zhì)還是紅藍(lán)綠光質(zhì)系統(tǒng)中，CO2濃度升高均顯

7、著降低了紫背天葵中萜烯類物質(zhì)的含量和平均產(chǎn)量；不論在對(duì)照還是較高CO2濃度下，綠光均顯著提高了紫背天葵萜烯類物質(zhì)的含量和平均產(chǎn)量。獲得最大萜烯類物質(zhì)產(chǎn)量的條件分別是：1）紅藍(lán)光質(zhì)系統(tǒng)為對(duì)照CO2濃度與80%紅色LEDs+20%藍(lán)色LEDs質(zhì)條件；2）紅藍(lán)綠光質(zhì)系統(tǒng)為對(duì)照CO2濃度與60%紅色LEDs+20%藍(lán)色LEDs+20%綠色LEDs，且這兩個(gè)最佳條件下的萜烯類物質(zhì)平均產(chǎn)量相當(dāng)。
　　5.紫背天葵具有較好的抗CO2脅迫能力，與

8、對(duì)照和較高CO2相比，超高CO2顯著升高了紫背天葵的抗氧化酶活性。此外，超高CO2濃度下，藍(lán)光比例升高由于增加了植物的葉綠素含量，減少了淀粉在植物細(xì)胞中的大量積累及提高了植物的氮同化能力，而在一定程度上能夠緩解超高CO2下植株的衰老進(jìn)程。
　　6. UV-B輻射對(duì)植株生長(zhǎng)和抗氧化系統(tǒng)影響顯著。在不同輻射條件下（高UV-B輻射強(qiáng)度為1.29 W·m-2，輻射劑量為2.322 KJ·m-2·day-1；或輻射強(qiáng)度為0.79 W·m-2

9、，輻射劑量分別為1.422 KJ·m-2·day-1和2.844 KJ·m-2·day-1），植物生長(zhǎng)均受到明顯抑制，且隨著輻射時(shí)間的增加，植株的光合速率、蒸騰速率、水分利用率、葉綠素及內(nèi)源抗氧化劑（ASC和GSH）含量顯著下降，而黃酮及酚酸類物質(zhì)含量顯著上升，花色苷含量變化不顯著；高強(qiáng)度UV-B輻射處理后植物細(xì)胞膜發(fā)生褶皺，葉綠體與細(xì)胞壁分離；而在去掉UV-B輻射后，新生的植物葉片可以恢復(fù)到輻射前的生長(zhǎng)狀態(tài)，說明植株具有良好的抗UV-

10、B輻射修復(fù)能力。
　　綜上所述得出以下結(jié)論：1）80%紅色LEDs+20%藍(lán)色LEDs是適合紫背天葵發(fā)揮高光效實(shí)現(xiàn)最大凈產(chǎn)出的最佳光質(zhì)條件，在此光質(zhì)條件下輔以1200～1500μmol mol-1CO2濃度可以獲得最大的酚類抗氧化成分產(chǎn)量，而輔以450μmol mol-1CO2濃度可以獲得最大的萜烯類成分產(chǎn)量。2）綠光是促進(jìn)萜烯類成分積累的有效因素，且綠光加入到紅藍(lán)光質(zhì)中顯著改變了植株生物量和酚類成分在對(duì)照和較高CO2水平下的積累