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2021 , Vol. 42 >Issue 3: 720 - 725

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2021.03.016

Plant Cultivation, Physiology & Biochemistry

Effects of LED Lights with Different Proportions of Red and Blue Light Combination on the Biomass and Nutritional Composition of Clinacanthus nutans

  • CHEN Guode 1 ,
  • DU Shangjia 1 ,
  • ZENG Dongqin , 1, 2, * ,
  • WU Haixia 1 ,
  • FU Shengbo 1 ,
  • FU Rong 1
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  • 1. Forestry Research Institute, Hainan Province, Haikou, Hainan 571100, China
  • 2. Key Laboratory of Tropical Forestry Resources Monitoring and Application of Hainan Province, Haikou, Hainan 571100, China
*ZENG Dongqin,E-mail：

Received date: 2020-02-28

  Request revised date: 2020-04-21

  Online published: 2021-03-25

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Copyright reserved © 2021.
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Abstract

In order to study the effect of different red and blue light quality combination LED lights on the growth of Clinacanthus nutans, light emitting diodes (LEDs) were used to precisely modulate the light quality (red light, blue light and different ratios of red and blue light : red light:blue light=5:5, red light:blue light=6:4, red light:blue light=7:3, red light:blue light=8:2) as the treatment group, and white light ( ordinary fluorescent lamp) was used as the control group. The method of light exposure for 12 h/d, each experiment took 45 days as a cycle were used to study the effects of different ratios of red and blue light quality on the biomass and nutritional content of C. nutans. There were differences in the effects of different light quality combinations on plants, but the combination of different red and blue light LED lights had no effect on the weight of fresh leaves. The red light: blue light=5:5 group could significantly increase plant height, aboveground and underground biomass, and the red light: blue light=7:3 group could improve chlorophyll content in the leaves and was not conducive to the accumulation of ascorbic acid. Red light could effectively increase the content of flavones and total dietary fiber in the leaves, while reduce the content of crude protein. Different red and blue light LED lights used to compare Fe, Zn, Ca, Mg and ascorbic acid contents did not promote the effect. The results of the study would not only provide a theoretical basis for the study of the growth and development of C. nutans, but also provide a theoretical basis for in-depth research on improving the nutrition of C. nutans. In short, the combination of different red and blue light quality LED lights can not only have a significant impact on the growth and development of C. nutans, but also have a certain effect on improving nutritional content.

Key words： Clinacanthus nutans; red and blue light combination; biomass; nutrient

Cite this article

CHEN Guode , DU Shangjia , ZENG Dongqin , WU Haixia , FU Shengbo , FU Rong . Effects of LED Lights with Different Proportions of Red and Blue Light Combination on the Biomass and Nutritional Composition of Clinacanthus nutans[J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 2021 , 42(3) : 720 -725 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.03.016

鳄嘴花（Clinacanthus nutans）又称忧遁草,是爵床科（Acanthaceae）鳄嘴花属（Clinacan-thus）植物,其全株均可入药,具有较好的营养保健和药用价值[1]。鳄嘴花多生长于低海拔疏林中或灌丛内[2],广泛分布于我国华南热带地区、马来西亚、印度尼西亚和爪哇等地。光是植物生长发育所需的重要环境因子,是叶绿素合成的必要条件和光合作用的能量来源,可直接影响植物各种生理代谢[3]。此外,光也是调节植物形态、光周期及生物节律等的重要生命活动信号[4],对植物的生物量和营养品质具有较大影响。近年来,随着发光二极管（LED）用于植物栽培的光照技术的逐步成熟[5],光质对药用植物生长发育和次生代谢的影响研究已成为国内外研究热点。相关研究表明,光质对植物的形态建成、光合作用[6]、幼苗生长[7]、果实品质[8,9]和物质代谢[10]等均具有调控作用。同时,光质还参与糖信号和激素信号共同协调植物某些生长发育过程[11]。
目前国内外对光质的研究大多针对花卉、蔬菜、农作物以及植物组织培养,不同红蓝光质组合在番茄[12]、豌豆[13]和香椿[14]等方面的影响研究已有报道,而有关不同红蓝光质组合对黎药鳄嘴花生长和次生代谢的影响研究报道还比较少。为此,本研究以鳄嘴花为试验材料,探究不同比例红蓝LED灯对鳄嘴花生长的影响,旨在为提高鳄嘴花生物量和营养成分含量提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验在海南省林业科学研究所通什分所实验室进行,供试材料为鳄嘴花扦插成活植株（海南省林业科学研究所通什分所提供）;供试LED光源灯（购自深圳市泛科科技有限公司）;试验仪器：鼓风干燥箱（仪器型号：BPG-9070A,上海一恒科学仪器有限公司）、电子天平[仪器型号：AR224CN,奥豪斯仪器（常州）有限公司]。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 选取长度（15 cm）、粗度（3~4 mm）相似的鳄嘴花枝条进行扦插,待扦插枝条成活后,将长势一致的植株移入长6.5 cm、宽6.5 cm、高12 cm的塑料杯中并置于7种不同比例（灯的数量比）红蓝LED光源下进行培养,分别为白光（对照,CK）、红蓝组8∶2（8R2B）、7∶3（7R3B）、6∶4（6R4B）,5∶5（5R5B）,红光（457 nm,R）,蓝光（657 nm,B）;调节光源与植株的距离,使光强均为300 μmol/m2s[15],光强用数字式照度计进行光照时间测定（型号：VICTOR1010D,深圳市释生胜利科技有限公司）：12 h/d,温度：28 ℃/19 ℃（昼/夜）,相对湿度：（70±5）%,每个处理60株扦插苗,3个重复。
1.2.2 植株形态指标测定 处理后15、30、45 d测定植株形态指标,测量时间为8：00 am。植株的茎高取各萌发点至生长点距离的平均值,采用直尺测量;茎粗为各萌发点第1叶下1 cm处,采用游标卡尺进行测量。
1.2.3 植株干物质量测定 用枝剪采集扦插苗光照处理后新萌生的枝条、叶片和根系,使用电子天平称量扦插苗叶片的鲜重后,将采集的枝条、叶片和根系放入鼓风干燥箱,105 ℃中烘8 h,及时用电子天平称量地上（枝条、叶片）和地下（根系）部分的干重。
1.2.4 相对叶绿素测定 使用便携叶绿素测定仪（SPAD-502PLus）测定叶片叶绿素含量,选基部以上第3、4、5片叶进行测定,每次随机取样5株,每个处理3个重复。
1.2.5 营养成分测定 光照实验结束后,在每个处理组中随机选择15株扦插苗,人工采集扦插苗新萌生的全部叶片,用于鳄嘴花叶片营养成分的测定。测定方法分别为：总膳食纤维采用酶重量法测定[16];抗坏血酸（水溶性维生素C）采用LC-MS/MS法测定[17];总黄酮采用硝酸铝盐比色法测定[18];粗蛋白采用分光光度法测定[19]。

1.3 数据处理

采用SPSS 23.0软件进行统计分析,采用Excel 2018软件进行数据分析及作图。

2 结果与分析

2.1 不同红蓝光组合LED灯处理对鳄嘴花生长的影响

由表1可知,不同红蓝光组合LED灯处理下鳄嘴花叶片的鲜重无显著差异（P<0.05）,鳄嘴花株高、径粗、生物量和叶绿素含量均存在显著差异,其中各处理组株高大小表现为：5R5B>B> 7R3B>8R2B>6R4B>R>CK;径粗大小表现为：6R4B、8R2B、R和CK处理组显著大于5R5B、7R3B和B处理组;地上部分生物量大小表现为：5R5B处理组显著高于8R2B和B处理组,其他处理组处于中间水平,与三者均无显著差异;地下部分生物量表现为：5R5B处理组显著大于8R2B和CK处理组,其他处理组处于中间水平,与三者均无显著差异;叶绿素含量大小表现为：7R3B处理组显著大于CK,其他处理组处于中间水平,与二者均无显著差异。
表1 不同红蓝光组合LRD灯处理对鳄嘴花生长的影响

Tab. 1 Effect of different red and blue light combinations on growth

处理组Treatment group 叶鲜重
Leaf weight/g		 株高
Plant height/cm		 茎粗
Stem diameter/mm		 生物量Biomass/g 叶绿素含量Chlorophyll content
地上部分Aboveground 地下部分Underground
5R5B 3.06±0.86a 53.85±1.29a 1.34±0.13b 1.50±0.47a 0.27±0.04a 36.32±5.76ab
6R4B 2.06±0.62a 36.45±7.7c 2.17±0.17a 1.03±0.37ab 0.17±0.10ab 32.97±2.21ab
7R3B 2.71±0.97a 44.35±2.58abc 1.27±0.16b 1.18±0.40ab 0.22±0.05ab 38.84±2.13a
8R2B 2.08±0.38a 41.87±5.93bc 2.24±0.07a 0.87±0.17b 0.13±0.04b 32.05±2.83ab
R 2.20±0.61a 26.83±4.32d 2.25±0.13a 1.07±0.16ab 0.22±0.11ab 34.67±4.68ab
B 1.56±0.46a 47.7±5.98ab 1.25±0.06b 0.82±0.23b 0.20±0.04ab 32.23±1.87ab
CK 2.83±1.26a 25.25±6.13d 2.17±0.15a 0.96±0.35ab 0.10±0.05b 31.49±6.78b

注：同列数据后不同小写字母表示在0.05水平差异显著。

Note: Different lowercase letters after the same column of data in the table indicate significant difference at the 0.05 level.

2.2 不同红蓝光组合LED灯处理对鳄嘴花叶片总黄酮含量的影响

由图1可知,不同红蓝光组合LED灯处理下鳄嘴花叶片中总黄酮的含量存在显著差异,其中B处理组鳄嘴花叶片中总黄酮的含量最大（45.52 mg/g）,显著大于CK,而R处理组总黄酮的含量最低（14.97 mg/g）,显著小于CK。
图1 不同红蓝光组合处理对叶片总黄酮含量的影响

不同小写字母表示在0.05水平差异显著。

Fig. 1 Effect of different ratios of red and blue light combined treatment on flavones content in leaves

Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level.

2.3 不同红蓝光组合LED灯处理对鳄嘴花叶片总膳食纤维含量的影响

由图2可知,不同红蓝光组合LED灯处理下鳄嘴花叶片中总膳食纤维的含量存在显著性差异。B处理组鳄嘴花叶片中总膳食纤维最高（23.08%）,比CK组高9.11%,与CK组存在显著性差异,与7R3B和8R2B处理组无显著性差异;R和CK处理组鳄嘴花叶片中总膳食纤维含量相对较低,分别为14.43%和13.97%。
图2 不同红蓝光组合处理对叶片总膳食纤维含量的影响

不同小写字母表示在0.05水平差异显著。

Fig. 2 Effect of different ratios of red and blue light combined treatment on total dietary fiber content in leaves

Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level.

2.4 不同红蓝光组合LED灯处理对鳄嘴花叶片粗蛋白含量的影响

由图3可知,不同红蓝光组合LED灯处理下鳄嘴花叶片中粗蛋白的含量差异显著,表现为：CK处理组（14.25%）显著高于B处理组（11.62%）,其他处理组介于二者之间,与二者均无显著差异（P<0.05）。
图3 不同红蓝光组合处理对叶片粗蛋白含量的影响

不同小写字母表示在0.05水平差异显著。

Fig. 3 Effects of different ratios of red and blue light on the crude protein content of leaves

Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level.

2.5 不同红蓝光组合LED灯处理对鳄嘴花叶片矿物质元素含量的影响

由图4A可知,不同红蓝光组合LED灯处理下鳄嘴花叶片中Fe元素的含量存在显著差异,表现为：B和CK处理组鳄嘴花叶片中Fe元素的含量较高,分别为312.01和326.87 mg/kg,二者之间无差异,但与其他处理组间存在显著差异,5R5B处理组鳄嘴花叶片中Fe元素的含量最低,仅为167.53 mg/kg。
图4 不同红蓝光组合处理对叶片矿物质元素含量的影响

不同小写字母表示在0.05水平差异显著。

Fig. 4 Effect of different ratios of red and blue light combined treatment on leaf mineral elements content

Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level.

由图4B可知,不同红蓝光组合LED灯处理下鳄嘴花叶片中Zn元素的含量存在显著差异,表现为5R5B（57.41 mg/g）、B（56.78 mg/kg）、R（66.75 mg/kg）和CK（65.56 mg/kg）处理组高于其他3个处理组。
由图4C可知,不同红蓝光组合LED灯处理下鳄嘴花叶片中Ca元素的含量存在显著差异,表现为CK组显著高于其他处理组。
由图4D可知,不同红蓝光组合LED灯处理下鳄嘴花叶片中Mg元素的含量存在显著差异,表现为6R4B（13.16 mg/g）、8R2B（13.15 mg/g）和CK（13.96 mg/g）处理组间差异不显著,5R5B、7R3B、B和R处理组显著低于CK处理组,其中R处理组鳄嘴花叶片中Mg元素的含量最低,为9.62 mg/g。
由表2可知,鳄嘴花叶片中Fe元素含量与Mg元素含量呈显著正相关,相关系数为r= 0.564;鳄嘴花叶片中Zn元素含量与Ca元素含量呈显著正相关,相关系数为r=0.522;鳄嘴花叶片中Ca元素含量与Mg元素含量呈极显著正相关,相关系数为r=0.584。
表2 不同红蓝光组合LED灯处理鳄嘴花叶片矿物质元素含量的相关性

Tab. 2 Correlation between mineral element content in leaves of C. nutans treated by LED lamps with different proportions of red and blue light combinations

元素
Element		 Fe Zn Ca Mg
Fe 1.000
Zn 0.037 1.000
Ca 0.217 0.522* 1.000
Mg 0.564* 0.092 0.584** 1.000

注：*表示0.05水平上显著相关,**表示0.01水平上显著相关。

Note: * indicates significant correlation at the 0.05 level, and ** indicates extremely significant correlation at the 0.01 level.

2.6 不同红蓝光组合LED灯处理对鳄嘴花叶片抗坏血酸含量的影响

由图5可知,不同红蓝组合LED灯处理对鳄嘴花植株叶片抗坏血酸含量有显著性差异,表现为CK组与其他处理组之间差异显著,其中CK组中抗坏血酸含量最高（4.2967 mg/100 g）,而7R3B组中的抗坏血酸含量最低（3.406 mg/100 g）。
图5 不同红蓝光组合LED灯处理对鳄嘴花叶片抗坏血酸含量的影响

不同小写字母表示在0.05水平差异显著。

Fig. 5 Effect of LED light treatment with different proportions of red and blue light combination on ascorbic acid content in C. nutans leaves

Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level.

3 讨论

本研究不同红蓝光组合LED灯处理中,红蓝光5R5B、7R3B和B处理后,鳄嘴花茎粗与对照相比降低,同时在株高的增加、地下生物量的蓄积、叶绿素含量等方面各光照组合处理结果也存在差异,此结果与常涛涛等[12]的研究结果相吻合,也验证了光质可影响作物的生长发育的结论[20,21]。
鳄嘴花叶片中含有包括黄酮、膳食纤维和粗蛋白等[22]多种营养物质,有结果表明光源质量对于植物营养物质有显著影响[14, 23-28]。本研究结果也表明,蓝光处理能显著提高总黄酮含量,且能显著降低鳄嘴花叶片中粗蛋白的含量,红光抑制总黄酮的合成,不同比例光质对鳄嘴花叶片中抗坏血酸含量抑制程度不同,但在营养物质的具体影响趋势方面与部分研究存在一定差异,如在总纤维含量方面与刘晓英等[29]结论存在差异,对蛋白含量影响中与耿灵灵等[13]对豌豆,唐大为等[30]对黄瓜的研究结果不同,具体原因可能与供试的植物种类、环境条件有关,但相关结果均表明光质与植物营养物质合成方面具有一定的关联性。
在对植株矿物质影响中,本研究发现不同光源比例对植株的Fe、Zn、Ca和Mg等元素含量均造成影响,但在各种元素的具体含量影响波动方面与前人在桑树[31]、生菜[32]方面的结果有所出入,其原因可能是由于不同植物在进行元素的吸收过程中,对光源的需求存在差异导致。

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