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LED对植物体内功能性化学物质积累的影响

发布时间:2017-11-11 浏览次数:74


  不同光强和光质的LED照明对植物体内功能性化学物质积累的影响表现在多个方面。近年来,国内外的科研人员主要研究了用不同光强和光质的LED照射植物对其体内功能性化学物质积累的影响,并通过实验观察不同条件下植物体内功能性化学物质的积累情况来研究LED对植物体内生理活性的影响。所观察和检测的功能性化学物质的种类很多,包括多酚类、各种类胡萝卜素、叶绿素、花青素、精油及各种其它酸苷等。下文将对这些方面的研究进展进行评述。

  1、多酚类

  酚类化合物被认为具有直接的抗氧化功能,或者具有促进人体内其它抗氧化性化合物产生的作用(Connoret al., 2005)。许多研究表明,植物多酚有助于人类健康,具有延缓机体衰老、预防心血管疾病和防癌等功效(黄海智等, 2011)。Johkan等(2010)用不同光谱成分的LED灯(主要包括蓝光、红光和蓝光与红光3种光组合)照射红叶生菜植株,经过不同光质与光强的配比处理后,在蓝色LED光照处理播种17天后,发现生菜的多酚含量和总抗氧化能力高于用荧光灯培养的植株。该实验表明在蓝光下培育幼苗对种植后的生菜植株多酚含量的积累具有促进作用。Jeong等(2012)将菊花放于补充的蓝光、绿光、红光和白光LED下,以研究LED对其叶多酚物质合成的影响。实验结果表明,菊花叶中的木犀草素-7-o-葡萄糖苷在绿光照射下浓度达到最大,柚(苷)配基-7-o-葡萄糖苷和芹菜苷配基-7-o-葡萄糖苷在红光下浓度最大,表明菊花中多酚物质的合成受光质的影响。

    2、类胡萝卜素

  植物中花和果实所呈现出的、用于吸引传粉者并进行种子传播的颜色(黄色、橙色和红色)由类胡萝卜素决定(Howitt and Pogson, 2006)。类胡萝卜素在植物的生理过程中起着重要作用,诸如辅助植物在光合作用过程中捕获光,在光氧化过程中起光保护作用及稳定脂膜等(Frank and Cogdell, 1996; Havaux, 1998;Ledford andNiyogi, 2005)。类胡萝卜素又是人体所必需的营养物质,是一种影响身体健康的微量营养元素(Mactierand Weaver, 2005)。研究表明,蔬菜水果中所富含的类胡萝卜素对于癌症、心血管病、黄斑变性、白内障等疾病以及由紫外线导致的皮肤损伤等都能起到很好的辅助治疗作用(Ziegler, 1991; Gazianoand Henneckens, 1993; Mayne, 1996;Giovan-nucci, 1999)。新鲜蔬果中类胡萝卜素含量的增加可以提高其营养价值(Keyhaninejad et al., 2012)。

  因此,如何增加植物中类胡萝卜素的含量就成了人们感兴趣的研究内容。Li和Kubota (2009)用紫外线A、蓝光、绿光、红光和远红光LED照明灯管来培育幼叶生菜,实验结果表明,与在白色光控制下的植物相比 ,经补充的蓝光处理后 ,类胡萝卜素增加了12%;经补充的红光作用后,酚类浓度增加了6%。实验表明,补充蓝光能增加类胡萝卜素的浓度,补充红光能增加酚类物质的浓度。受控光质在使用合适的蓝光或红光作为白光的补充光源后,可能会提高植物功能性化学物质的浓度并增加其干重。

  Tuan等(2013)研究了影响类胡萝卜素合成的最佳光 谱波段 ,他们将 苦荞芽 菜 (Fagopyrum tatari-cum)在白光、蓝光和红光LED的环境中培养,经过一段时间后,发现总类胡萝卜素积累最丰富的是白光照射下的芽菜实验组,这些芽菜所积累的总类胡萝卜素比在蓝光和红光中培养的实验组更多。另有实验表明,咖啡中的类胡萝卜素在蓝光照射下也会有所增加(Ra-malho et al., 2002)。

  此外,叶黄素和β-胡萝卜素是生菜中2种主要的类胡萝卜素(Hart and Scott,1995)。叶黄素可以防止因年龄引起的黄褐斑变性等问题(Goto, 2012)。Li等(2011)在不同光质条件下测试了4个菠菜品种,结果–2 –1运用蓝色LED灯可以显著提高菠菜干重及其鲜重中β-胡萝卜素和叶黄素的浓度。将豌豆(Pisumsativum)苗进行类似的培养后,发现在红色LED下培养的豌豆苗,其内部的β-胡萝卜素成分比在其它光质下培养的都高(Wu et al., 2007)。甘蓝(Brassica oleracea)中的叶黄素在波长为640 nm时达到最大, β-胡萝卜素在440 nm时浓度达到最大(Lefsrud et al., 2008)。

  3、叶绿素

  叶绿素能够捕捉光并能将其能量重新导向, 这一点对于光合生物是必不可少的 (Stenbaek and Jensen,2010),并且叶绿素合成一般只能通过依赖光的途径进行(季宏伟等,2001)。Kobayashi等(2013)研究了不同光源对水培生菜(Lactuca sativa)中叶绿素合成的影响。他们将这些生菜放在 3种不同的光质 (蓝光LED、红光LED和荧光灯)中培养, 结果发现生菜叶中叶绿素含量在蓝光和荧光灯照射下高于红光。Gal-diano等(2012)在培养基中放入不同浓度的活性炭并在2种不同光谱下培育卡特兰苗, 结果表明,叶绿素的总含量、叶绿素a和类胡萝卜素的浓度在白光处理下更高, 而红光可以极大地促进叶绿素b的合成。若用3种不同比重的蓝色LED来研究光对生长中的萝卜(Raphanus sativus) 、 大 豆 (Glycine max) 和小 麦(Triticum aestivum)的生物效应就会发现, 随着蓝光比重的增加, 每单位面积的叶绿素浓度也会随之增加(Cope and Bugbee, 2013)。

  4、花青素

  花青素苷是决定被子植物花、果实和种皮等颜色的重要色素之一(胡可等, 2010)。在具有抗氧化作用的物质中,总抗氧化能力越高,越有利于降低癌症的威胁(Pyo et al., 2004)。类黄酮和花青素是一组黄酮化合物,具有很好的抗氧化作用(Duan et al.,2007)。Ebi-sawa等(2008)和Kojima等(2010)均通过实验发现蓝光 可 以 诱 导 类 黄 酮 和花 青 素 的 积 累 。 Giliberto等(2005)也证实了蓝光可以增加番茄(Solanum lycoper-sicum)中花青素的浓度。在蔓越莓中,红光对其体内花青素的积累更为有效(Zhou and Singh, 2002)。相反,降低红光和远红光的比率,或者提高远红光对红光的比率,很多种类的植物均会降低其内部花青素的积累(Yanovsky et al., 1998; Ramalho et al., 2002;Alokam etal., 2002)。Goto等(2012)使用红色和蓝色LED光研究了二者在相同光合有效量子辐射下,对红叶生菜花青素的积累作用。实验结果表明,花青素的浓度随着蓝光比重的增加而增加,说明蓝光照射能够有效促进红叶生菜功能性化学物质的合成。此外,草莓(Fragariaananassa)中的花青素浓度在蓝光处理下也会显著增加,但红光对其影响相对较小(Kurata et al.,2000)。

  紫背天葵(Gynura bicolor)富含铁、锰、维生素A和类黄酮,具有很高的营养价值。研究表明,紫背天葵相比其它蔬菜具有更高的抗氧化性(Maeda, 2006),因此常被用于食疗和抗人类HL60白血病细胞并诱导其活性凋亡(Hayashi et al., 2002)。Ren等(2014)将紫背天葵放于不同浓度的二氧化碳和LED光质条件下,以研究其抗氧化剂在二氧化碳和光合成代谢反应中的变化。实验结果表明,在常态及更高浓度(约3倍于常态)的二氧化碳下,增强蓝光有利于花青素和总黄酮量的积累,同时提取物的总抗氧化能力也会随之增加。与维生素C和维生素E相比,绿原酸具有更高的抗氧化能力(Rice-Evanset al., 1997)。实验表明蓝光同样可以增加绿原酸的浓度(Awada et al., 2001)。Goto等(2012)的实验也表明将紫外线A增加到3.0 W,紫外线B增加到1.5 W后,黄麻属叶子中的绿原酸浓度也将会增加;而且,绿原酸浓度随着紫外线B增加的量比紫外线A多。5、精油

  薄荷油常被用作食物, 但因其具有镇痛、抗菌和冷却作用, 又被广泛运用于调料和医药领域(Hajlaoui etal., 2009)。Hikosaka等(2010)研究了紫外线对日本薄荷(Mentha arvensis var.piperascens)的影响。他们用白光、紫外线A和紫外线B荧光灯3种不同的混合光照射植物。与单纯在白光照射条件下培养的植株相比,日本薄荷在白光混合紫外线B以及白光混合紫外A、紫外B的条件下, l-薄荷醇和柠檬烯的浓度以及叶片的抗氧化能力均有显著提高。实验表明长时间用紫外线B照射日本薄荷, 可以提高单株的精油产量。Nishioka等(2008)测得相同光合有效量子辐射下彩色荧光灯对日本薄荷叶干重的影响, 结果表明其叶干重在红光照射下是蓝光照射的1.3倍, 是绿光照射的1.2倍。在红光处理下, l-薄荷醇含量比蓝光和绿光处理下高1.4倍。这一结果表明可以通过控制光环境来提高日本薄荷中精油的含量(Goto, 2012)。与白色、绿色和红色LED照射下相比, 甜罗勒(Ocimum basilicum)精油含量在蓝色LED照射下更高(Amaki et al., 2011)。甜罗勒的菊苣酸含量在连续荧光灯照射下也会增加, 并且会高于白光、蓝光以及红光照射下的含量(Shoji et al.,2011)。

  6、其它酸苷

  传统意义上的甘草甜素被广泛用作天然的甜味剂和调味添加剂。最近研究发现, 具有抗肿瘤活性的甘草酸在人体细胞中能够有效地抗击各种恶性肿瘤和癌细胞的蔓延(Fuet al., 2004), 能高活性地抑制HIV-1病毒(Reichling,1999)以及与SARS相关病毒的复制(Cinatl etal., 2003)。此外, 甘草甜素也具备其它一些药理作用,如祛痰、抗炎、抗溃疡、抗过敏、抗凝血和抗氧化等(Fujisawa and Tandon, 1994)。Afreen等(2005)研究了受控环境下不同光谱组合对甘草品种的影响, 结果表明, 无论是水培还是盆栽植株的根组织中, 甘草酸浓度在红光照射下都达到最高。同时, 增强或者减弱紫外线B的照射都可增加根部甘草酸的浓度。该实验表明, 与野外生存条件相比, 植物在受控条件下生长得更好。Shoji等(2010)研究了红光和蓝光对红叶生菜花青素积累及花色素苷合成基因表达的影响, 结果表明混合的蓝光和紫外线B照射都可促进花色素苷的合成。当蓝光的光强增加后, 花色素苷的积累也会有所提高。


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