荧光粉掺杂光转换板对Micro-Tom番茄生长、光合特性及果实品质的调控效应

《Plant Physiology and Biochemistry》：Growth, Physiological Characteristics, and Fruit Quality of Micro-Tom Tomato Affected by Phosphor-Doped Light Conversion Plates

　　

掺入不同荧光粉的四种光转换板（light conversion plates）可优化植物生长的光环境。T3（Sr₄Al₁₄O₂₅: Eu, Mn, Ga, Mg, SAO）可促进植物生长并增强光合作用（photosynthesis）。T3（Sr₄Al₁₄O₂₅: Eu, Mn, Ga, Mg, SAO）提高果实重量并改善果实品质（fruit quality）。T4（Ca₂MgWO₆: Na⁺, Gd³⁺, Mn⁴⁺）可促进番茄果实早期着色。不同光转换板处理调控的光环境对番茄具有不同调控效应。光转换板可实现设施番茄的定向光谱调控（directional spectral regulation）。

研究背景与意义：番茄（Solanum lycopersicum L.）是重要设施蔬菜，光为物质代谢和能量代谢基础，影响光合产物积累与产量形成。设施栽培受地理位置、季节及棚体与冠层遮阴影响，冬春弱光常限制番茄生长、产量和品质。人工补光可精准调控但初始投入高、能耗大且存在光照不均等问题；光转换膜虽可改善光质，但传统光转换膜转化的红光会向棚外耗散，造成植物所需红光约50%损失，且长期连续光照下发光强度和透光率会下降。含荧光粉（phosphor）的光转换板具有抗老化、可移动、性能稳定和制备材料廉价等优点，因此研究人员以Micro-Tom番茄为材料，在玻璃温室设置CK、CK1及T1—T4处理，研究不同荧光粉光转换板对番茄光环境、生长、光合特性、果实发育、着色和品质的影响，得出T3在促进生长、光合和果实内在品质方面最佳，T4可加速果实转色，表明合理荧光粉配置是实现设施番茄定向光谱调控的关键，为设施光环境被动、低能耗调控提供新材料思路。

关键技术方法：以Ball Horticulture Company培育的Micro-Tom番茄为材料，光转换板由兰州大学材料与能源学院提供，试验在甘肃农业大学玻璃温室（36.09°N, 103.70°E）进行；光转换板按45°向南、25°向北放置。典型晴天用植物光照分析仪测定距板20 cm光谱；测定株高、茎粗、SPAD值及丙酮提取叶绿素含量；用Ciras-2便携式光合系统测定净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）和胞间CO₂浓度（Ci）；用Imaging-PAM叶绿素荧光仪测定叶绿素荧光参数；用色差仪和计数法测定果实着色；测定果实鲜重、干重、纵横径及可溶性固形物、可溶性糖、可溶性蛋白、Vc和硝酸盐含量；用实时荧光定量PCR（qRT-PCR）测定SlPHYA、SlPHYB1、SlPHYB2、SlPSY1和SlPSY2表达；采用模糊数学隶属函数、主成分分析（PCA）和相关分析综合评价。

研究结果：
3.1 光转换板对光谱光环境的影响：通过典型晴天测定距光转换板20 cm光谱，发现含荧光粉光转换板较CK1显著提高照度、红橙辐照度（ER）、黄绿辐照度（EY）、蓝紫辐照度（EB）、叶绿素A加权辐照度（Ech-A）和叶绿素B加权辐照度（Ech-B）；T3和T4照度及红橙辐照度较高。
3.2 光转换板对番茄株高和茎粗的影响：通过处理14 d和花后35 d测定株高、茎粗，发现含荧光粉板处理株高显著高于CK和CK1；花后35 d各含荧光粉板茎粗显著大于CK1，T4较CK1增18.16%。
3.3 光转换板对相对和绝对叶绿素含量的影响：通过SPAD仪和丙酮提取法测定，发现花后35 d T1、T3的SPAD值显著高于CK1；T1、T3叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素（a+b）显著高于其他处理，T1叶绿素a最高达2.78 mg·g^-1、总叶绿素最高达4.04 mg·g^-1；T2、T3类胡萝卜素含量显著低于CK1和T1。
3.4 光转换板对番茄叶片叶绿素荧光参数的影响：通过Imaging-PAM暗适应后测定，发现T1、T3、T4的Fv/Fm显著较高；T1、T3的Y(II)显著较高；T3的Y(NPQ)和qN最低，较CK分别降30.03%和19.51%；T1、T3的ETR显著较高；qP和1-qP处理间无显著差异。
3.5 光转换板对光合气体交换参数的影响：通过Ciras-2于9:00—11:00测定第4片完全展开叶，发现含荧光粉板提高Pn、Gs、Tr和Ci；T3的Pn最高（28.17 μmol·m^-2·s^-1），较CK和CK1分别增62.50%和61.26%，且Gs、Tr、Ci最高。
3.6 光转换板对番茄果实生长的影响：通过测定单果鲜重、干重及纵横径，发现T3鲜重和干重显著最高，较CK1分别增22.76%和29.98%；T1、T2、T3纵横径显著高于CK1，T3纵径和横径较CK1分别增14.64%和17.92%。
3.7 光转换板对番茄果实着色率和果皮颜色参数的影响：通过计数转色果、色差仪和类胡萝卜素测定，发现T1、T4、T2促进着色更明显，T1和T4提前3 d完成着色；第24天T4着色率达98%，CK和CK1分别为91%和94%；T4的L*最低（43.53）、a*最高（37.47）、h最小（45.83），T3的c*最高（54.72）；T1、T4果实类胡萝卜素较CK1分别增42.09%和40.65%。
3.8 光转换板对番茄果实光响应和成熟着色基因的影响：通过qRT-PCR测定破色期基因表达，发现SlPHYA和SlPHYB2变化较小（1.00—1.54）；T3上调SlPHYB1；SlPSY1在T1、T3、T4显著上调，较CK1分别增0.84、1.17和0.79倍。
3.9 光转换板对番茄果实品质的影响：通过成熟期品质指标测定，发现T3可溶性固形物最高（9.88%），较CK和CK1分别高2.28和2.16个百分点；T3可溶性蛋白最高（0.457 mg·g^-1）；T3可溶性糖最高（3.07%），较CK1高0.96个百分点；T3的Vc为1.44 mg·g^-1，较CK、CK1和T1分别增5.11%、2.15%和7.00%；T3硝酸盐显著低于CK、CK1、T2和T4。
3.10 模糊数学隶属函数、PCA和相关分析：通过隶属函数综合评价，番茄生长发育综合排序为T3＞T1＞T4＞T2＞CK1＞CK；PCA中PC1和PC2方差贡献率分别为67.4%和15.8%，累计解释83.2%，CK与CK1聚于PC1负轴、T1—T4位于正轴；相关分析显示生长、光合、品质和基因表达构成强正相关模块（相关系数＞0.8），R2红橙辐照度与核心指标向量方向密切重叠，为主导环境因子，R19和R23与该正相关模块显著负相关。

讨论部分总结：研究指出光转换板通过无机荧光粉光致发光改变设施内自然光谱，而非仅调节透光率；不同荧光粉形成不同光谱，T3和T4主发射峰约653 nm和688 nm，红橙辐照度较CK分别增64.39%和80.61%。适宜光谱有利于叶片光合性能，T3叶绿素、Pn及部分电子传递参数较优，但T4红橙辐照度更高却未进一步提高综合光合能力，提示不同波段组成和比例可能影响光合响应。T3较高光合性能与植株生长和果实发育基本一致，T3果实鲜重和干重较CK1分别增22.76%和29.98%，可溶性固形物、可溶性蛋白和Vc较优；但原文强调较高Pn不能直接说明同化物积累增加或向果实运输效率提高，仍缺糖、淀粉和源库运输直接证据。T4在果实着色上优势明显，可提前完成着色，a*最高，果实类胡萝卜素较CK1增40.65%，可能与其发射光谱更偏长波红区及红光/远红光比经光敏色素介导的光信号调控有关；SlPHYB1在T3响应明显，SlPSY1在T1、T3、T4上调，T3较CK1增1.17倍，但仅分析特定时期基因表达和最终表型，缺不同果实发育阶段和具体类胡萝卜素组分数据，不能确定光谱变化、PHY和PSY表达与类胡萝卜素积累的直接关系。生产上T3可能更适合促进光合性能、植株生长和果实生物量形成，T4在果实转色期具有一定应用潜力；但无法明确区分荧光粉类型、添加量和发射光谱的具体贡献，长期光谱稳定性、材料耐久性和经济效益仍需进一步评估。

研究结论翻译：综上，在四种光转换板中，光转换板3（PP+15%（Sr₄Al₁₄O₂₅: Eu, Mn, Ga, Mg, SAO））在促进植株生长、光合作用以及改善果实内在品质方面效果最佳，而光转换板4（PP+20%（Ca₂MgWO₆:Na⁺, Gd³⁺, Mn⁴⁺））可加速果实转色过程，表明合理的荧光粉配置是发挥光转换板光谱调控效应的关键。含荧光粉的光转换板可通过优化设施光环境实现对番茄生长和品质的协同调控。优化后的红橙光不仅作为光合能量增强碳同化能力，还通过光信号调控光合产物的分配与积累以改善果实品质。该研究为设施栽培光环境的被动、低能耗调控提供了新材料思路，也为改善设施植物光合特性、产量和品质提供了新策略，在设施果蔬栽培中具有一定应用潜力，但其应用形式仍需进一步探索。