不同光质调控下万寿菊生长与类胡萝卜素代谢的优化策略及其在功能农业中的应用价值

《BMC Plant Biology》：Optimizing plant growth and pigment profiles of African marigold (Tagetes erecta L.) under different light spectra

本研究聚焦人工光栽培中光谱调控对药用植物活性成分合成的关键问题，通过LED光质（红、蓝、白、红蓝混合光）对万寿菊（Tagetes erecta L.）生长形态及类胡萝卜素（尤其是叶黄素）积累的系统性研究，发现红蓝混合光（3:1）可平衡营养生长与生殖生长，红光显著促进根系发育与叶黄素合成（2.722 mg/g FW），而白光延迟开花但提升花朵生物量。该研究为可控环境农业中光质精准调控提升高值代谢产物产量提供了理论依据与实践方案。

　　

在追求可持续农业与功能型作物生产的浪潮中，如何通过精准环境调控提升药用植物的活性成分含量成为研究热点。光照作为植物生长发育的核心环境因子，不仅驱动光合作用，更通过光受体信号网络调控次级代谢途径。传统农业生产中，自然光照的不稳定性与光谱成分不可控等问题，限制了药用植物标准化生产与活性成分的稳定积累。尤其对于万寿菊（Tagetes erecta L.）这类富含叶黄素（lutein）的高价值经济作物，叶黄素作为强效抗氧化剂，在预防年龄相关性黄斑变性等眼部疾病中展现出重要潜力，但其在植物体内的合成易受光质影响，亟需系统研究。

为解决上述问题，Keshavarz等人在《BMC Plant Biology》发表研究，通过分光式LED精准调控，系统分析红（峰值660 nm）、蓝（峰值465 nm）、白（全光谱）及红蓝混合光（3:1）对两个万寿菊栽培种（Antigua Orange与Antigua Yellow）生长性状、光合色素及类胡萝卜素代谢的影响，旨在揭示光质对植物生理与代谢的调控机制，为可控环境农业提供优化策略。

研究采用分光式LED系统，光强统一校准为120 μmol·m^–2·s^–1 PAR（光合有效辐射），通过光谱辐射计验证各处理光谱分布。实验以分瓣设计安排光处理与栽培种因素，于控温（25±6°C）、控湿（62±8%）环境中培育植株至盛花期，系统测定形态指标（如根体积、叶面积、花直径）、生物量、叶绿素荧光参数（Fv/Fm）及花瓣中类胡萝卜素、叶绿素a/b含量（丙酮提取法结合分光光度计检测）。数据通过R语言进行方差分析与多重比较（p≤0.05）。

形态性状结果

蓝光处理下万寿菊现蕾与开花时间显著提前，较白光缩短15.4–19.2%，表明蓝光通过光受体（如隐花色素）调控激素平衡，加速生殖转化。红光则显著促进根系发育，根长、根鲜重、根体积均达峰值（如根体积2.74 ml，较混合光提高27.4%），其机制与光敏色素（phytochrome）激活引起的生长素（auxin）重新分布相关。茎秆性状中，红蓝混合光下次级分枝数最多（3条），表明显著协同效应；而白光延迟开花却产生最大花直径（4.06 cm）与最高花生物量，反映全光谱对花器官发育的全面支持。

光合色素与类胡萝卜素积累

红光处理下花瓣类胡萝卜素含量最高（2.722 mg/g FW），叶绿素a（0.026 mg/g FW）与b（0.028 mg/g FW）同步提升，说明红光通过增强光合同化产物供应促进色素合成。蓝光虽提升叶绿素荧光指数（0.8416），但类胡萝卜素积累最低（1.629 mg/g FW），暗示其光合效率优化可能以牺牲次级代谢为代价。红蓝混合光则实现叶绿素总量与类胡萝卜素含量的平衡提升，凸显光谱组合对代谢途径的协同调控。

相关性分析与回归模型

性状相关性热图显示花干重与花直径、根干重与根长呈强正相关，而SPAD（叶绿素相对含量）与根系性状呈负相关。回归分析进一步验证叶片长度（系数0.169）与茎长（系数0.105）对类胡萝卜素积累的正向贡献（R²=0.606），SPAD指数（系数0.395）与叶片曲度（系数3.769）则显著延迟开花时间（R²=0.621），为表型筛选提供简易指标。

结论与意义

本研究明确光质对万寿菊生长与代谢的差异化调控：红光主导营养生长与叶黄素富集，蓝光优化光合效率但抑制生物量，红蓝混合光实现生长-代谢平衡，白光优先保障花器官品质。该成果不仅深化了光信号调控植物次级代谢的理论认知，更为可控环境农业（如垂直农场、智能温室）中光谱定制化设计提供实践指导——通过动态光 regime 精准调控作物生产方向（如营养生长导向或活性成分富集），从而提升资源利用效率与产品附加值，推动功能农业与可持续药物资源开发。