白光LED辐射促进辣木幼苗生长及植物化学物积累：一种有前景的功能性微型蔬菜

《Foods》：White LED Light Radiation Promotes Growth and Phytochemical Accumulation in Moringa Seedlings as Promising Functional Microgreen

　　

本研究探讨了白光发光二极管（LED）辐射对辣木幼苗生长及植物化学物积累的影响。具体而言，研究人员确定了辣木幼苗生长、鲜重积累及生理表现的最适光辐射条件（光强与光周期）。研究人员进一步阐明了光辐射下辣木幼苗功能特性的变化及植物化学物积累的潜在机制。结果表明，在最适光辐射条件下（5 μmol/m²·s、8 h/d），辣木幼苗的鲜重、下胚轴长度和呼吸强度显著增加，而电解质渗漏显著降低。光辐射显著提高了总酚、总黄酮及特定植物化学物（槲皮素3-O-(6-O-丙二酰-β-D-葡萄糖苷)、根皮素、1-O-香草酰-β-D-葡萄糖、4-香豆酸和3-香豆酸）的含量；增强了与生物活性相关的功能特性，包括1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）自由基清除活性、超氧阴离子自由基吸收能力（SORAC）；并增强了辣木幼苗生长过程中α-葡萄糖苷酶、胰脂肪酶和血管紧张素转化酶（ACE）的抑制活性。参与苯丙烷代谢途径的基因（Mo4CL、MoF3H、MoLAR）表达及酶（PAL、C4H、4CL）活性也显著上调。总体而言，白光LED辐射（5 μmol/m²·s、8 h/d）可作为促进辣木幼苗生长及植物化学物积累的有效方法，支持其作为功能性微型蔬菜的潜力。

研究背景方面，辣木（Moringa oleifera Lam.）属于辣木科，原产于印度，因其兼具食用、药用、水净化混凝、生物刺激素和生物燃料等多种用途，在热带和亚热带地区广泛栽培。辣木几乎各部位均可食用且有悠久消费历史，富含膳食纤维、多不饱和脂肪酸、必需氨基酸、维生素、矿物质等营养物质以及生物碱、皂苷、单宁、多酚、黄酮、花青素和硫代葡萄糖苷等生物活性化合物，具有抗氧化、抗炎、心脏保护、抗糖尿病、抗菌、神经保护、抗癌及调节肠道菌群等多种有益作用。微型蔬菜是子叶充分发育且未衰老、真叶刚出现或正在发育的嫩苗，因其营养含量高、生产周期短（7至21天）、可在植物工厂全年无农药生产且不占用耕地、富含促进健康的植物化学物等优势而日益受到现代饮食青睐。更重要的是，种子萌发过程中内源酶被激活，活性显著提高，将贮藏的大量营养物质（多糖、脂肪和蛋白质）分解为可消化、可生物利用的化合物（可溶性糖、脂肪酸和氨基酸），同时降低抗营养因子；分解产生的小分子简单物质（葡萄糖和游离氨基酸）作为前体，通过氧化磷酸戊糖途径、糖酵解、莽草酸途径及三羧酸循环促进酚类和黄酮类等次生代谢物的积累。光辐射（波长、强度和光周期）几乎影响植物生命的所有方面，包括发育、生理和生存；已有研究将光辐射应用于微型蔬菜栽培，发现其可增强奇亚、芝麻菜、甘蓝、罗勒、胡萝卜和萝卜等微型蔬菜的生长、生物量积累及营养和植物化学物含量。然而，尽管辣木幼苗有悠久膳食消费历史并受消费者青睐，但关于其生长、生理和植物化学物积累调控的研究仍有限。目前仅有少数研究考察了辣木芽苗萌发条件优化或分析了辣木芽苗/幼苗的营养成分、生物活性化合物和抗氧化活性，且多数研究在栽培中未考虑光照条件，营养和生物活性化合物分析一般局限于基本营养物质和生物活性化合物（总多酚和黄酮）的宽泛类别，功能分析主要集中于抗氧化活性（DPPH自由基清除活性和铁还原抗氧化能力FRAP测定）。因此，光辐射对辣木微型蔬菜栽培过程中生长和生理变化的影响仍不清楚，需进一步研究以阐明特定植物化学物及抗氧化活性之外功能特性的变化。基于上述研究空白，本研究目的为：探究光强和光周期对辣木幼苗栽培中生长和生理参数的影响；分析栽培过程中植物化学物和功能特性的变化，构建功能特性与植物化学物之间的关联网络以鉴定与这些特性相关的关键植物化学物；最后通过考察相关生物合成途径中的酶活性和基因表达，阐明关键植物化学物积累的机制。理论上，研究结果拓宽了对辣木幼苗栽培中植物化学物积累机制及光辐射调控微型蔬菜生长和植物化学物积累生物学作用的理解；实践上，为辣木幼苗作为有前景的功能性微型蔬菜的大规模工业化生产提供指导。

研究人员开展了以下研究：以2023年10月收获的PKM-1品种辣木种子（由云南省热带作物科学研究所提供，?18 °C保存）为材料，用白光LED灯模拟可见光。选取大小均匀、无病虫害和机械损伤的种子，经5%（v/v）次氯酸钠表面消毒10 min、去离子水冲洗三次后，于（30 ± 1）°C去离子水中浸泡24 h，再于（25 ± 1）°C、（55 ± 5）%相对湿度（RH）下预发芽5天；选取胚根长1–2 cm的均匀发芽种子于生长箱中（25 ± 1）°C、（55 ± 5）% RH培养。实验分三部分：第一，幼苗生长期间在8 h/d光周期下暴露于不同LED光强（0、5、15、30、60、120和360 μmol/m²·s）；第二，在固定光强5 μmol/m²·s下暴露于不同光周期（0、2、4、8、12和24 h/d）；第三，在光强5 μmol/m²·s、8 h/d光周期下生长。所有实验中以黑暗培养的幼苗为对照，每组含360株均匀预发芽的辣木芽苗，分为三个亚组（每亚组120株）作为重复。收集原始种子（RSs）、浸泡24 h后种子（SSs）及生长第6、10、15和20天的辣木幼苗，液氮冷冻后?80 °C保存待分析。研究结果表明，最适白光LED条件（光强和光周期）可通过上调呼吸强度和降低电解质渗漏促进鲜重积累和下胚轴伸长；幼苗生长期间总酚、总黄酮及其他植物化学物积累、功能特性增强，同时苯丙烷途径基因（Mo4CL、MoF3H、MoLAR）表达和酶（PAL、C4H、4CL）活性被光辐射上调。因此，光强5 μmol/m²·s、光周期8 h/d的白光LED处理可作为促进辣木幼苗生长和植物化学物积累的有效方法，支持其作为功能性微型蔬菜的潜在应用。本研究的重要意义在于，理论上拓宽了对辣木幼苗栽培中植物化学物积累机制及光辐射调控微型蔬菜生长和植物化学物积累生物学作用的理解，实践上为辣木幼苗作为有前景的功能性微型蔬菜的大规模工业化生产提供了指导。

关键技术方法方面（不超过250字）：研究人员以辣木品种PKM-1种子（云南省热带作物科学研究所提供）为材料，在生长箱中进行光强和光周期梯度处理实验；采用电子天平和游标卡尺测定鲜重和下胚轴长度，按文献方法测定呼吸强度和电解质渗漏；采用比色法测定总酚、总黄酮、DPPH自由基清除活性和SORAC，用试剂盒测定α-葡萄糖苷酶抑制活性，并按文献方法测定胰脂肪酶和ACE抑制活性；采用超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）结合Compound Discoverer软件及MS/MS谱库鉴定植物化学物；测定苯丙烷途径酶（PAL、C4H、4CL）活性及基因（Mo4CL、MoCHS、MoCHI、MoF3H、MoDFR、MoLAR）表达；采用OPLS-DA筛选差异代谢物，并以SparCC算法和Cytoscape构建相关性网络。

研究结果方面：3.1 辣木幼苗生长和生理参数的变化——通过不同光强和光周期处理测定生长与生理参数，得出5 μmol/m²·s光强和8 h/d光周期下第20天鲜重最高（2.01 g）、下胚轴最长（20.92 cm）、电解质渗漏最低（35.18%），而360 μmol/m²·s和24 h/d处理表现最差，表明适度光辐射促进生长并维持膜稳定性。3.2 辣木幼苗生长过程中抗氧化物质和功能特性上调——通过比色和抑制实验测定，得出总酚在第15天最高（黑暗对照11.49、白光处理12.04 mg GAE/g DW），第10–15天白光处理总酚显著高于对照，第10–20天总黄酮、DPPH清除能力、SORAC、α-葡萄糖苷酶抑制和胰脂肪酶抑制在光照组明显高于对照，第20天光照组DPPH清除能力、SORAC和α-葡萄糖苷酶抑制分别达127.32 mmol Trolox/g DW、15.63 U/L FW和91.12%，ACE抑制在第10和20天光照组显著高于对照（第20天对照62.09%、光照组67.97%）。3.3 辣木幼苗生长过程中植物化学物积累上调——通过UHPLC-MS/MS鉴定出4059种植物化学物，PCA前两个主成分解释93.64%的总变异，差异代谢物KEGG富集显示D-氨基酸代谢途径富集因子最高、次生代谢物生物合成途径差异代谢物数量最多；热图显示生长20天后生物碱（rosmarinine）、黄酮（astragalin、baicalin、phloretin、quercetin 3-O-(6-O-malonyl-beta-D-glucoside)等）、苯丙烷类和聚酮类（caffeic acid、4-coumaric acid、1-O-vanilloyl-beta-D-glucose、3-coumaric acid等）及萜类（asiatic acid、harpagoside、glaucarubinone）丰度显著高于原始种子，且第20天光照组明显高于对照。3.4 相关性分析揭示与功能特性相关的植物化学物——通过MEN分析和Spearman相关分析构建网络，得出黑暗组枢纽节点为α-葡萄糖苷酶抑制（节点度34），光照组枢纽节点为DPPH清除能力（节点度39）；黑暗组胰脂肪酶抑制、α-葡萄糖苷酶抑制、DPPH清除能力、SORAC和ACE抑制分别与4-香豆酸（r² = 0.97 ***）、根皮素（r² = 0.98 ***）、槲皮素3-O-(6-O-丙二酰-β-D-葡萄糖苷)（r² = 0.97 ***）、根皮苷（r² = 0.99 ***）和根皮素（r² = 0.93 ***）显著正相关；光照组则分别与4-香豆酸（r² = 0.94 ***）、3-香豆酸（r² = 0.99 ***）、根皮苷（r² = 0.96 ***）、根皮素（r² = 0.98 ***）和1-O-香草酰-β-D-葡萄糖（r² = 0.99 ***）强正相关。3.5 辣木幼苗生长过程中苯丙烷生物合成途径酶活性和基因表达增加——通过酶活测定和qRT-PCR分析，得出PAL、C4H和4CL活性随生长呈上升趋势并于第15天最高（对照分别为346.02、20.66和23.15 U/mg protein，光照组分别为370.33、23.10和25.79 U/mg protein），第15–20天光照组显著高于对照；所有检测基因表达在第6天达峰值后急剧下降，第15天光照组Mo4CL、MoF3H和MoLAR表达明显高于对照。

讨论部分总结：在不同光强下，5 μmol/m²·s处理生长参数和呼吸强度最高、电解质渗漏最低，光强超过该水平后生长参数和呼吸强度逐渐下降而电解质渗漏增加；不同光周期下生长参数和呼吸强度呈倒V形变化，8 h/d时最高，超过8 h/d后显著下降，电解质渗漏呈V形变化、8 h/d最低。植物光合效率与光强和光周期密切相关，光照从最低水平增至最适水平时呼吸强度增加可能源于光合作用葡萄糖供应增加及生长需求增大，促进葡萄糖氧化产生ATP供细胞分裂和扩展；低于最适光强和光周期时电解质渗漏较高，可能因光子捕获不足限制净碳增益和生产性呼吸，限制细胞膜修复所需ATP和抗氧化剂供应；超过最适水平时发生光抑制和光氧化，过量激发能促进ROS（尤其单线态氧¹O₂）产生，导致脂质过氧化和细胞膜损伤。DPPH清除能力在对照组与槲皮素3-O-(6-O-丙二酰-β-D-葡萄糖苷)、光照组与根皮素显著正相关，SORAC在对照组与根皮苷、光照组与1-O-香草酰-β-D-葡萄糖相关性最强；胰脂肪酶抑制在两组均与4-香豆酸正相关，α-葡萄糖苷酶抑制在对照组与根皮素、光照组与3-香豆酸正相关，ACE抑制在对照组与根皮素、光照组与根皮苷正相关。总酚、总黄酮及功能相关植物化学物在幼苗生长中积累，苯丙烷途径酶活性第15天最高而基因表达第6天达峰，差异可能归因于基因转录与酶活性积累之间的时间滞后；浸泡至第6天期间PAL和4CL活性增幅最大，表明植物化学物积累与苯丙烷生物合成相关基因和酶调控有关。光照组总酚、总黄酮及功能相关植物化学物显著高于对照，第15–20天PAL、C4H和4CL活性及第15天Mo4CL、MoF3H和MoLAR表达明显高于对照；光激活光受体（光敏色素、隐花色素和UVR8）可抑制COP1/SPA复合体和DET1活性，促进HY5稳定，HY5作为转录因子激活MYBs及苯丙烷途径结构基因（PAL、CHS、F3H、DFR、LDOX），本研究广谱白光（尤其蓝光和红光）可能激活隐花色素和光敏色素依赖信号，抑制COP1/SPA介导的阻遏，稳定HY5并激活MYB/HY5调控的苯丙烷基因，增强PAL、C4H和4CL活性，促进代谢流流向p-香豆酸、黄酮等保护性酚类化合物。研究还指出，除光强和光周期外，光谱组成也是影响食用微型蔬菜生长和植物化学物积累的重要因素，未来应研究单色光和不同波长组合以更精准调控辣木幼苗生长和品质。

研究结论部分翻译：总体而言，研究确定了辣木幼苗栽培的最适白光LED光照条件（光强和光周期），其通过上调呼吸强度和降低电解质渗漏促进鲜重积累和下胚轴伸长。幼苗生长期间，由于光辐射上调了苯丙烷途径基因（Mo4CL、MoF3H、MoLAR）表达和酶（PAL、C4H、4CL）活性，总酚、总黄酮及其他植物化学物积累、功能特性增强。因此，光强5 μmol/m²·s、光周期8 h/d的白光LED处理可作为促进辣木幼苗生长和植物化学物积累的有效方法，支持其作为功能性微型蔬菜的潜在应用。