光质和CO2浓度对紫背天葵生长及其抗氧化成分合成的影响

摘要

航天员在长期载人航天飞行任务和月球或火星等地外星球定居与开发中面临的最严重问题之一是空间宇宙辐射，而食用抗氧化剂能够对其形成有效防御。因此，在未来的月球/火星基地受控生态生保系统（Controlled Ecological Life Support System，CELSS）可以通过增加某些富含抗氧化剂的蔬菜和水果类作物的种植，从食品途径提升航天员的抗氧化剂摄入量，有效提高其抗空间辐射的能力，从而确保航天员身体健康安全的同时保证顺利完成任务。
　　本文以富含抗氧化剂的药膳两用植物紫背天葵为研究对象，选用新型高亮度低能耗发光二极管（LED）作为光源，构建不同组合不同比例的LED光质模块区，采用植物生理生化相关分析技术，首次在密闭环境中开展了LED光质、CO2浓度和UV-B辐射等可控环境因素联用对紫背天葵生长特性及抗氧化成分的影响规律及作用机理研究，旨在探索受控环境中紫背天葵的最优化生长和抗氧化成分积累的综合环境条件，并认识其在面临一些可能遇到的超高CO2浓度和高强度UV-B辐射等逆境环境时其的耐受性，最终为其在CELSS中的应用提供理论依据。本工作形成的主要研究结果如下：
　　1.光质和CO2浓度对植株生物量积累具有明显交互作用。相同CO2浓度下，与白光相比，蓝光比例在15～20％时植物生物量增加明显。CO2浓度提升到较高水平（1200～1500μmol·mol-1）并未显著增加植物生物量，但CO2浓度升高至超高水平（8000μmol·mol-1）植物生物量的积累显著降低。绿光加入到红蓝光质系统中显著降低了植物生物量的积累，且与红蓝光质系统不同的是，红蓝绿光质条件下，CO2浓度升高至较高水平（1500μmol·mol-1）植物生物量明显增加，这表明，在红蓝与红蓝绿光质系统中，CO2浓度对植株生物量积累的影响具有明显差异性。
　　2.蓝光和高CO2浓度均是酚类物质积累的有效促进因子。在对照和较高CO2浓度下，20～30%的蓝光比例有利于紫背天葵叶片中酚类的积累，而当蓝光比例达到40%左右时，酚类的积累不再增加甚至呈现减少的趋势。相同光质条件下，CO2浓度在1200～1500μmol·mol-1范围内紫背天葵叶片中酚类的积累量增加，当CO2浓度升高至2000μmol·mol-1时酚类的积累不再增加，但是升高至8000μmol·mol-1时酚类含量又显著升高。红蓝光质系统中，在80%红色LEDs+20%蓝色LEDs及较高CO2水平下能够获得最大的酚类抗氧化物质平均产量。
　　3.绿光的加入不利于酚类抗氧化成分的积累。首先，在红蓝绿光质系统中，虽然较高CO2下黄酮类和花色苷的平均产量仍然高于对照CO2条件，但CO2浓度升高并未增加黄酮类含量，且降低了花色苷的含量，这与红蓝光质系统中的情况相反。其次，在较高CO2浓度条件下，绿光的加入使得植物的酚酸含量（mg·g-1DW）和平均产量（g·m-2）均明显低于未加入绿光的红蓝光质系统。
　　4. CO2浓度升高不利于萜烯类抗氧化成分的积累，而绿光是萜烯类物质积累的有效促进因子。不论在红蓝光质还是红蓝绿光质系统中，CO2浓度升高均显著降低了紫背天葵中萜烯类物质的含量和平均产量；不论在对照还是较高CO2浓度下，绿光均显著提高了紫背天葵萜烯类物质的含量和平均产量。获得最大萜烯类物质产量的条件分别是：1）红蓝光质系统为对照CO2浓度与80%红色LEDs+20%蓝色LEDs质条件；2）红蓝绿光质系统为对照CO2浓度与60%红色LEDs+20%蓝色LEDs+20%绿色LEDs，且这两个最佳条件下的萜烯类物质平均产量相当。
　　5.紫背天葵具有较好的抗CO2胁迫能力，与对照和较高CO2相比，超高CO2显著升高了紫背天葵的抗氧化酶活性。此外，超高CO2浓度下，蓝光比例升高由于增加了植物的叶绿素含量，减少了淀粉在植物细胞中的大量积累及提高了植物的氮同化能力，而在一定程度上能够缓解超高CO2下植株的衰老进程。
　　6. UV-B辐射对植株生长和抗氧化系统影响显著。在不同辐射条件下（高UV-B辐射强度为1.29 W·m-2，辐射剂量为2.322 KJ·m-2·day-1；或辐射强度为0.79 W·m-2，辐射剂量分别为1.422 KJ·m-2·day-1和2.844 KJ·m-2·day-1），植物生长均受到明显抑制，且随着辐射时间的增加，植株的光合速率、蒸腾速率、水分利用率、叶绿素及内源抗氧化剂（ASC和GSH）含量显著下降，而黄酮及酚酸类物质含量显著上升，花色苷含量变化不显著；高强度UV-B辐射处理后植物细胞膜发生褶皱，叶绿体与细胞壁分离；而在去掉UV-B辐射后，新生的植物叶片可以恢复到辐射前的生长状态，说明植株具有良好的抗UV-B辐射修复能力。
　　综上所述得出以下结论：1）80%红色LEDs+20%蓝色LEDs是适合紫背天葵发挥高光效实现最大净产出的最佳光质条件，在此光质条件下辅以1200～1500μmol mol-1CO2浓度可以获得最大的酚类抗氧化成分产量，而辅以450μmol mol-1CO2浓度可以获得最大的萜烯类成分产量。2）绿光是促进萜烯类成分积累的有效因素，且绿光加入到红蓝光质中显著改变了植株生物量和酚类成分在对照和较高CO2水平下的积累量。3）超高CO2浓度下提高蓝光的比例能够缓解植株的衰老进程，提高其抗CO2胁迫能力。4）紫背天葵虽然在辐射期间表现出明显的UV-B敏感性表型，但它能通过黄酮和酚酸类成分在叶片中大量积累以及改变生长形态使得植株具有较强的自恢复能力。

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1 绪论

1.1 光质对植物生长及植物抗氧化系统的影响

1.2 高CO2浓度对植物生长及抗氧化系统的影响

1.3 光质和高CO2对植物抗氧化系统的复合影响

1.4 研究背景、目的和意义

1.5 研究对象及内容

2 红蓝LED光质和CO2浓度复合应用对紫背天葵生长和抗氧化

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.3 结果与分析

2.4 讨论

2.5 小结

3 优化红蓝LED光质和CO2浓度调控紫背天葵的生长

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.3 结果与分析

3.4 讨论

3.5 小结

4 增加绿色LED光质对紫背天葵生长及次生代谢类抗氧化成分

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.3 结果与分析

4.4 讨论

4.5 小结

5 增加UV-B辐射对紫背天葵生长特性及抗氧化系统的影响

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.3 结果与讨论

6 总结、创新点及展望

6.1 总结

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

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