光質和CO2濃度對紫背天葵生長及其抗氧化成分合成的影響.pdf

1、航天員在長期載人航天飛行任務和月球或火星等地外星球定居與開發(fā)中面臨的最嚴重問題之一是空間宇宙輻射，而食用抗氧化劑能夠對其形成有效防御。因此，在未來的月球/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保證順利完成

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

3、度UV-B輻射等逆境環(huán)境時其的耐受性，最終為其在CELSS中的應用提供理論依據(jù)。本工作形成的主要研究結果如下：
　　1.光質和CO2濃度對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，藍光比例在15～20％時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。綠光加入到紅藍光

4、質系統(tǒng)中顯著降低了植物生物量的積累，且與紅藍光質系統(tǒng)不同的是，紅藍綠光質條件下，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，在紅藍與紅藍綠光質系統(tǒng)中，CO2濃度對植株生物量積累的影響具有明顯差異性。
　　2.藍光和高CO2濃度均是酚類物質積累的有效促進因子。在對照和較高CO2濃度下，20～30%的藍光比例有利于紫背天葵葉片中酚類的積累，而當藍光比例達到40%左右時，酚類的積累不再增加甚至呈現(xiàn)

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

6、較高CO2下黃酮類和花色苷的平均產量仍然高于對照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，這與紅藍光質系統(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）和平均產量（g·m-2）均明顯低于未加入綠光的紅藍光質系統(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積累的有效促進因子。不論在紅藍光質還是紅藍綠光質系統(tǒng)中，CO2濃度升高均顯

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

8、對照和較高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下植株的衰老進程。
　　6. UV-B輻射對植株生長和抗氧化系統(tǒng)影響顯著。在不同輻射條件下（高UV-B輻射強度為1.29 W·m-2，輻射劑量為2.322 KJ·m-2·day-1；或輻射強度為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），植物生長均受到明顯抑制，且隨著輻射時間的增加，植株的光合速率、蒸騰速率、水分利用率、葉綠素及內源抗氧化劑（ASC和GSH）含量顯著下降，而黃酮及酚酸類物質含量顯著上升，花色苷含量變化不顯著；高強度UV-B輻射處理后植物細胞膜發(fā)生褶皺，葉綠體與細胞壁分離；而在去掉UV-B輻射后，新生的植物葉片可以恢復到輻射前的生長狀態(tài)，說明植株具有良好的抗UV-

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