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光是植物生长发育的基本因素之一,它对植物的光合作用、生长发育、形态建成、物质代谢以及基因表达均有调控作用。为了探究和系统揭示植物不同生长时期和生长阶段的最适光照条件*,本文以全年耐抽薹的‘意大利’叶用莴苣品种(Lactuca satival L.Italy)作为供试材料,开展了LED不同光照模式植物光温控制系统及适于叶用莴苣光环境下生长的水培装置的研制;并在此系统上通过研究叶用莴苣种子萌发及幼苗生长对光质的响应机制确定了最适光质配比;通过结合不同光照时间间隔对叶用莴苣影响的研究结论,确定了用于正交实验设计的不同光照模式实验因素与水平,并采用了模糊综合评判法对叶用莴苣苗期的生长指标和生理指标进行综合分析;通过灰色关联分析法进一步解析出了叶用莴苣生长期和采收期的最适光照模式组合;并通过实验验证了所得到的最适光照模式,通过对比分析出叶用莴苣不同生长阶段的最适光照模式。主要研究内容及成果如下:1 LED不同光照模式植物培养系统的研制为深入研究植物实际生长周期所需要的光照总量及其对光谱的响应,设计了一种基于LED不同光照模式的植物培养系统,该系统主要包括LED灯具设计及光温检测控制系统和植物水培生长装置。通过测试系统内部的三维均光特性表明,所研制的LED不同光照模式植物培养系统不仅光照分布均匀,且光环境因子和温度参数简易可控。既可对植物生长所需光环境因子和温度进行灵活设置,又能为探索植物在不同生长时期的最适光照模式的设定方式及调控策略提供依据。2不同红蓝配比对叶用莴苣种子及幼苗生长的影响为探明叶用莴苣种子萌发及幼苗生长对光质的响应机制,同时为深入分析叶用莴苣不同生长阶段最适光照模式的研究提供理论依据,研究了 5种不同红蓝配比的LED光质(9R:1B,7R:3B,5R:5B,3R:7B,1R:9B)对叶用莴苣种子萌发及幼苗生长的影响。结果表明,与对照CK(荧光灯)相比,7R:3B处理更有利于叶用莴苣种子的萌发和幼苗的生长。3R:7B处理有利于叶用莴苣叶片光合色素含量的增加,9R:1B和7R:3B处理的叶用莴苣幼苗根系生长较优。7R:3B、5R:5B和3R:7B处理对叶用莴苣叶片叶绿素荧光促进效果显著。1R:9B处理的叶用莴苣色素和叶绿素荧光较差,种子的活力指数和根系活力较低。通过分析比较,可将7R:3B、5R:5B和3R:7B作为后期研究不同光照模式对叶用莴苣生长影响的最适光源。3叶用莴苣苗期生长最适光照模式的模糊综合评判为探讨不同光照模式对叶用莴苣苗期生长和品质的影响,以荧光灯为对照(CK),采用发光二极管(LED)调控光谱能量分布,设计LED红蓝配比(7:3,5:5和3:7)、光周期(12L/12D、16L/8D、20L/4D)及光照强度(100 μmol·m-2·s-1、150μmol·m-2·s-1、200 μmol·m-2·s-1)3因素3水平的正交实验,共10个实验处理组。测定叶用莴苣苗期生长和品质相关的指标,采用层次分析法(AHP)确定各生长和生理指标的权数,通过模糊数学原理对叶用莴苣苗期生长进行综合评价分析。结果表明:株高、茎粗、下胚轴长、整株鲜重、叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白质和硝酸盐的权重,依次为0.1018、0.0466、0.0780、0.2736、0.1487、0.0548、0.0548和0.2418。综合评价结果为红蓝配比为5:5,光周期为20L/4D,光强为100μmol·m-2·s-1的光照模式栽培效果最好,其次是红蓝配比为7:3,光周期为20L/4D,光强为200μmol·m-2·s-1的光照模式。层次分析法对叶用莴苣不同光照模式的栽培效果的综合评价有较好的适应性,有助于获得南方设施工厂化叶用莴苣育苗最适的光照模式。4灰色关联分析法对叶用莴苣生长期光环境的优化为保证设施叶用莴苣周年生产的供给,研究了人工气候条件下不同光照模式对叶用莴苣生长期生长特性的影响,以确定叶用莴苣生长的最适光环境。利用灰色关联分析法研究了不同光照模式对生长期叶用莴苣植株生长、光合色素含量及营养品质的影响。结果表明,不同处理对叶用莴苣生长期生长及品质的影响不同。相比于其它光环境条件,T9处理(红蓝配比3:7,光周期20L/4D,光强150μmol·m-2·s-1)更有利于光合色素的积累。红蓝配比3:7的光照模式较其它处理更有利于蛋白质合成;T3处理(红蓝配比7:3,光周期20L/4D,光强200 μmol·m-2·s-1)有利于降低生长期叶用莴苣叶片硝态氮含量,促进可溶性糖的积累。综合分析得出三个光照因子对水培叶用莴苣生长及品质影响的重要程度依次为:光强、光质配比、光周期,最适光照模式组合为:红蓝配比7:3、光强200 μmol·m-2·s-1、光周期20L/4D。该研究结果可以为叶用莴苣生长的最适光环境提供参考,同时为LED灯具在植物照明领域的设计提供一定的技术支持。5灰色关联分析法对叶用莴苣采收期光环境的优化对采收期等进行适当的光环境调节不仅有利于节约能耗,还可以有效促进植物的产量和品质。采用灰色关联分析法对采收期叶用莴苣的生长及营养品质的光环境进行系统的分析比较。结果表明,不同光生物学指标对光环境响应表现出不一致性(如SPAD值和叶绿素(a+b)含量)或不同步性(如可溶性糖),并非所有指标都表现出同向变化,而是呈现出离散式分布。外在生长指标以红蓝配比为7:3下的组合处理较优;光合色素的积累在T9处理(红蓝配比3:7,光周期20L/4D,光强150 μmol·m-2·s-1)下最高。蛋白质含量以红蓝配比为5:5和3:7的光因子组合下最佳;T3处理(红蓝配比为7:3,光周期为20L/4D,光强为200 μmol·m-2·s-1)下的硝态氮含量最低;处理T3、T6(红蓝配比5:5,光周期20L/4D,光强100μmol·m-2·s-1)、T9有利于叶用莴苣植株可溶性糖的含量的积累。综合灰色关联分析法和正交实验优化选择,分析得出三个光照因子对采收期叶用莴苣生长及品质影响的重要程度依次为:光周期、光照强度、光质,采收期的最适光照模式组合为:红蓝配比5:5,光强200μmol·m-2·s-1,光照时长20h。6叶用莴苣生长期最适光照模式的验证为最终确定叶用莴苣每个生长时期的最适光照模式,在所得到的最适模式的基础上探讨并验证了生长期叶用莴苣最适光照模式中不同因素水平的变化对叶用莴苣生长、营养品质及其基因表达的影响。结果表明,相同红蓝配比中,增加红光的日光积分能够提高叶用莴苣生长和生物量,但降低叶用莴苣的抗氧化酶活性和营养品质;红蓝配比中增加蓝光比例有利于降低硝酸盐的含量,促进类黄酮的合成;增大光强或者延长光周期能够对生长期叶用莴苣的形态建成产生正向影响,但抑制色素的合成和CAT、SOD酶的表达,且硝酸盐积累增多,不利于叶用莴苣叶片色素含量、可溶性糖和可溶性蛋白质的积累。此外,光强和光周期分别相同时,红蓝配比中较大的红光比例能够提高叶用莴苣植株CAT的活性,促进可溶性糖和可溶性蛋白质的积累,但降低SOD活性和MDA的含量:红蓝配比7:3对类黄酮促进效果更为显著。qRT-PCR的结果显示,NR和NIR基因在Y6(红蓝配比7:3,光周期20L/4D,光强200 μmol·m-2·s-1)下表达量最高,与该处理下硝酸盐含量最低的表征吻合,一定量的蓝光可以提高类黄酮合成相关功能基因的表达水平,促进类黄酮的合成。综合光源耗电功率和耗电量的结果,表明Y6处理下叶用莴苣生长的耗电功率和耗电量最低,可降低实际生产中的运行成本,在降低能耗和提高营养品质方面表现出了高效节能的优势。7叶用莴苣不同生长阶段最适光照模式的分析为获得叶用莴苣生长各阶段的最适“光配方”,通过对不同时期的实验结果进行分阶段的分析比较,以确定叶用莴苣不同生长阶段的最适光照模式。结果表明,从移栽到苗期阶段,叶用莴苣的最适光照模式为红蓝配比为5:5,光周期16L/8D,光强为200 μmol·m-2·s-1;从苗期到生长期阶段的最适光照模式为红蓝配比7:3,光周期20L/4D,光强为150 μmol·m-2·s-1;从生长期到采收期阶段的最适光照模式为红蓝配比5:5,光周期16L/8D,光强为200 μmol·m-2·s-1;与前几章所获得的不同生长时期最适光照模式的分析比较发现,不同生长时期和不同生长阶段叶用莴苣的最适光质配比相同,但不同时期和不同阶段的光周期和光强略有不同。此外,不同生长时期叶用莴苣最适光照模式的总日光积分维持在14.40 mol·m-2·d-1,而不同生长阶段叶用莴苣最适光照模式的总日光积分相近,最高仅为11.52mol·m-2·d-1。综合表明,研究叶用莴苣不同生长阶段的最适光照模式较不同生长时期而言,更有利于降低能耗,且针对性更强。