低剂量UVB提升植物工厂育苗壮苗生产的方法

低剂量uvb提升植物工厂育苗壮苗生产的方法
技术领域
1.本发明是关于一种低剂量uvb提升植物工厂育苗壮苗生产的方法，涉及植物工厂技术领域。


背景技术：

2.工厂化育苗是在人工创造的舒适条件下进行批量生产种苗的繁育方式。当前，我国工厂化育苗年产量超过600亿株。因此，工厂化育苗已是现代设施园艺产业的重要组成部分。然而，在此育苗环境下幼苗通常缺乏逆境锻炼，导致其移栽后适应能力不佳。由于未经逆境锻炼的幼苗抗逆性较差，当其移植于露地或简易设施条件下栽培时需很长时间适应新环境，植物正常生长必然受到抑制，从而影响幼苗活力及后续产量形成。当前，全球约50%的园艺产品依靠露地栽培供应，虽然我国设施园艺产业规模巨大，但绝大部分设施简陋，受外界环境影响较大。因此，工厂化育苗壮苗生产技术需求迫切。植物工厂是公认的农业发展最高级阶段，被认为是未来解决人口、资源和环境问题的一个有效技术手段。植物工厂育苗是植物工厂产业的重要组成部分，也是设施工厂化育苗的未来发展趋势。当前，在温室等保护地育苗情况下，通常采取放风、降温、适当控水等措施对幼苗进行强行锻炼，使其定植后能够迅速适应露地的逆境条件，缩短缓苗时间、增强其抵抗能力。但是，上述壮苗生产措施在全人工光植物工厂条件下难以操作且能耗较高。目前，在人工光型植物工厂中，电能消耗约占运行成本的52%，其中用以植物生长的人工光源能耗约占电能总消耗的60%。因此，提高能量利用效率是降低植物工厂生产成本、提高经济效益的重要途径，也是环境友好型可持续发展的必要保障。
3.光合作用为植物正常生长提供赖以生存的物质基础。在自然界中，光环境变化无常，植物光合作用不仅需要对光强的瞬间变化做出快速响应，而且需要及时地耗散掉过剩的光能，以避免对光合机构造成损伤。因此，当在植物工厂舒适的光环境下培育的幼苗移植于露地或温室条件下栽培时，必然要应对及适应变化无常的光环境与强光胁迫；与此同时，幼苗还需应对诸如高、低温，干旱等逆境。研究证实，健全的光破坏防御能力及较高的水分利用效率是植物适应逆境的必要保障。因此，在植物工厂育苗过程中通过环境调控手段来提升幼苗光合能力、诱导其光破坏防御能力形成、提高其水分利用效率等，从而提升幼苗移植后对自然界逆境的适应能力，是植物工厂育苗壮苗生产应考虑的重要方面。目前，植物工厂育苗光环境均为稳态的弱光环境，通常育苗用光合作用光量子通量密度(ppfd)不低于150
ꢀµ
mol m-2 s-1，为了提升种苗光合能力，ppfd会提升至200
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mol m-2 s-1以上，光周期延长至16h。尽管如此，与太阳光强相比（正午太阳光ppfd 》1500
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mol m-2 s-1），植物工厂仍为弱光环境，远达不到炼苗的目的。
4.当前在全人工光植物工厂中的人工光源主要以红（600-700nm）、蓝(400-500nm)光led为主，因为光合作用在该波段的量子转化效率最高。植物在自然进化过程中形成了一系列光受体用于感知光信号进而影响其生命过程。因此，除了直接为植物光合作用提供能量的红蓝光外，植物正常的生长也需要通过光受体感知其他波段的光信号来影响其生命过
程。随着uvb（280-315nm）光受体uvr8的发现，越来越多的专家学者开始关注uvb光谱，但大都聚焦于uvb光信号转导等理论基础层面。长期以来，人们习惯认为uvb是一种逆境胁迫因子，不利于植物生长，且对人体危害较大。
5.当前，也有部分研究认为uvb照射或补光作用对育苗产生有益影响。如cn110463523a中提及使用led白光、复合光源或uv光培养方法均可以培养出木酚素含量较高的亚麻芽苗菜；cn108605718a中指出通过在生菜两叶一心期开始采用人工uvb辐射进行照射，能够提高叶片的厚度，改善并提高单位叶面积为基础的光合速度，促进生菜的生长和发育，并且能够提高生菜的品质；cn105850679a指出从烟苗大十字期开始直至成苗期，每天上午9：00至10：00之间进行10min/d的uv-b照射，uv-b强度约为100μw/cm2，可适度控制烟苗形态、提高烟苗植株内某些重要抗逆性物质的含量。
6.又如明村豪（利用补光调控黄瓜幼苗徒长及黄瓜壮苗指标模拟模型研究，南京农业大学）认为低强度uv-b辐射可有效控制幼苗徒长而不对其产生伤害，弱光条件下持续补充14d 0.15w
·
m-2 uv-b照射，可显著降低黄瓜幼苗的株高，增加茎粗、干重、根冠比和壮苗指数，有利于叶绿素形成，提高根系活力、叶片可溶性蛋白和脯氨酸含量，降低叶片mda含量和质膜透性，提高pal活性和紫外吸收物质、类黄酮含量。表明适当增加uv-b辐射可以有效控制黄瓜幼苗徒长,有利于培育壮苗。
7.而张娟（uv-b辐照对豌豆芽苗菜生长形态和品质的影响，河南师范大学）认为uv-b辐照处理6min
·
d-1
，会显著降低麻豌豆苗和白玉豌豆的株高,增加茎粗,使植株更加矮状;电镜结果显示辐照后茎表皮细胞明显缩短,表皮气孔没有显著变化,叶表皮气孔明显增多,且视野内大多气孔呈闭合状态，有利于其干鲜重等生物量的积累。
8.齐学会（uv-b促进大豆芽苗菜酚类物质合成机理研究，南京农业大学）则认为uv-b 8 h
·
d-1
的处理对于大豆芽苗菜下胚轴中总酚类物质积累和dpph自由基清除能力的提高最有利，uv-b显著提高了大豆芽苗菜下胚轴中酚类物质含量。uv-b影响了 uvr8信号途径,而且h
202
可能以信号分子形式参与信号传导,影响下游酚类物质合成。
9.虽然uvb壮苗育苗方面有一定研究进展，但本实验室进一步基于现有植物光生物学理论基础，结合植物工厂试验研究，以黄瓜幼苗为对象，通过优化幼苗生长光谱、uvb应用剂量及应用时间，提出一种低剂量uvb提升植物工厂育苗壮苗生产的方法。


技术实现要素：

10.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明提供一种低剂量uvb提升植物工厂育苗壮苗生产的方法。
11.具体的是，在低光强类太阳光谱led光源的基础上添加低剂量uvb辐射。
12.优选的，其中低光强类太阳光谱led光源为光合有效辐射强度为80-120 μmol m-2
s-1
，低剂量uvb辐射为波峰280-315nm、光量子通量密度3.5-7.5μmol m-2
s-1
的窄波uvb光源。优选的波峰310nm；优选的，光量子通量密度4-7μmol m-2
s-1
、4-6.5μmol m-2
s-1
、4-6μmol m-2
s-1
或5μmol m-2
s-1
；优选的，低光强类太阳光谱led光源为光合有效辐射强度为90-110 μmol m-2
s-1
，更优选为100μmol m-2
s-1
。
13.本发明中，添加低剂量uvb辐射为在光期用类太阳光谱led光源和uvb光源同时照射。或添加低剂量uvb辐射为在暗期用uvb光源单独照射。
14.另一方面，本发明中所述光期和暗期，光期为20：00-7：00，12h；相应地，暗期为8：00-19：00，也为12h。
15.另一方面，本发明中低剂量uvb照射幼苗7-15天，优选为8-14天，更优选为9-13、10-12或为12天。
16.另一方面，本发明中所述幼苗为黄瓜幼苗。
17.另一方面，本发明提供上述低剂量uvb提升植物工厂黄瓜育苗壮苗生产的方法在黄瓜育苗中的应用。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明首次系统的比较在全人工光植物工厂弱光（100μmol m-2 s-1
，日累积光合有效辐射为4.32 mol m-2
）环境下添加低剂量uvb照射对黄瓜幼苗壮苗生产的影响。
19.2、在全人工光植物工厂弱光环境下明确添加低剂量uvb照射不仅不会灼伤黄瓜幼苗叶片，反而会提高黄瓜幼苗光合速率及光破坏防御能力，尤其是在暗期添加uvb照射不仅可以消除uvb对操作人员造成危害，还能大幅提升幼苗光合能力和水分利用效率。
20.3、证明高强度动态光照胁迫实验中，有uvb照射条件下培育的幼苗具有更强的光破坏防御能力，即种苗抗逆能力提升，说明uvb照射诱导了黄瓜幼苗壮苗生产特性。
21.4、另外，本发明将植物生长光期调整为夜间，而暗期调整为白天，合理利用峰谷电，进一步降低生产成本。
附图说明
22.图1 uvb处理相对光量子光谱分布图。
23.图2 不同uvb处理实验设置。
24.图3 人工模拟高强度动态光分布图。
25.图4 不同uvb处理12天后黄瓜幼苗形态图。
26.图5 不同uvb处理黄瓜幼苗叶片光系统ii最大光合量子效率（fv/fm）柱状图。
27.图6 不同uvb处理黄瓜幼苗叶片净光合速率光强响应曲线图。
28.图7 不同uvb处理黄瓜幼苗叶片净光合速率co2响应曲线图。
29.图8 不同uvb处理黄瓜幼苗叶片净光合速率及非光化学淬灭（npq）对强（1000μmol m-2 s-1
）弱（50μmol m-2 s-1
）光持续波动的响应图。
30.图9 不同uvb处理黄瓜幼苗叶片在光合诱导过程中的水分利用效率图。
31.图10 不同uvb处理12天后将黄瓜幼苗转移至人工模拟高强度动态光环境胁迫处理4天后的幼苗形态图及叶片光系统ii最大光合量子效率叶绿素荧光成像图。
32.图11 8μmol m-2 s-1
uvb处理12天后黄瓜幼苗叶片光系统ii最大光合量子效率叶绿素荧光成像图。
33.图12 3μmol m-2 s-1
uvb处理12天后黄瓜幼苗叶片净光合速率光强响应曲线图。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实
施例，都属于本发明保护的范围。
35.本发明中各参数测定方法类似参考文献（acclimating cucumber plants to blue supplemental light promotes growth in full sunlight. chenqiang kang et al.《frontiers in plant science》. 12: 782465）中的测量方法及参数。
36.实施例1 实验材料及分组试验材料：黄瓜幼苗（cucumis sativus cv. xiamei no. 2）环境条件：温度21-23℃，湿度60-70%，co2浓度为400ppm，霍格兰营养液栽培(ph=5.8, ec=2.0 dsm-1
)，在全人工光育苗工厂里进行育苗，栽培架分为上下三层，每天浇灌营养液，每层有双向风扇通风。为避免处理之间相互影响，用反光板将不同处理隔开。
37.实验共设置三个处理，各处理光环境参数设置见表1，相对光量子光谱分布见图1。光周期处理如图2所示。对照组为无uvb处理，实验组一（uvb-光期）为在对照组基础上光期添加5μmol m-2 s-1
uvb；实验组二（uvb-暗期）为在对照组基础上暗期添加5μmol m-2 s-1
uvb。
38.表1光子通量密度设置生长时间：黄瓜播种至岩棉块上，育苗至第一片真叶出现后（约12天）转移至栽培架开始光处理，12天后进行植物叶片光合性能测量评估。
39.将上述各处理组中培养12天的黄瓜种苗转移至全人工光模拟自然光动态光照系统，该系统可人为创造高强度动态光环境，以模拟自然界逆境条件，该动态光照系统光强动态变化分布见图3，日累积光合有效辐射光量子数为20.62 mol m-2
。黄瓜种苗在该系统培养4天后对黄瓜幼苗叶片光系统ii最大光量子效率进行叶绿素荧光成像分析。
40.实施例2 不同处理组对幼苗形态影响将待试植物放在暗室里暗适应30分钟后，将目标叶片剪下后立即通过叶绿素荧光成像系统（maxi-pam, heinz walz gmbh, effeltrich, germany）对光系统ii最大光合量子效率进行成像分析。(详细参数设定参考acclimating cucumber plants to blue supplemental light promotes growth in full sunlight. chenqiang kang et al.《frontiers in plant science》. 12: 782465)如图4所示，经12天处理后，对照组的黄瓜幼苗冠幅明显大于两个uvb处理组，且叶色较uvb处理组浅淡，表现出明显的弱光徒长现象；而经uvb处理的幼苗株型紧凑，叶色深绿，具有典型的阳生植物形态，说明在弱光环境下通过添加微剂量uvb光谱可诱导黄瓜种苗形成阳生植物形态。光期uvb和暗期uvb处理间无明显差异。
41.光系统ii最大光合量子效率（fv/fm）通常用来反应植物叶片受胁迫程度。如图5所示，经12天处理后，对照组和uvb处理组黄瓜幼苗叶片具有相似的光系统ii最大光合量子效率值，说明低剂量uvb处理并未对黄瓜幼苗造成逆境胁迫。
42.实施例3黄瓜幼苗叶片净光合速率变化如图6所示，经12天处理后，各处理黄瓜幼苗叶片净光合速率随着光强升高而逐步升高，最终趋于饱和；其中，暗期照射uvb处理的黄瓜幼苗具有最高的净光合速率，尤其在高光强条件下（》600μmolm-2
s-1
）最为明显，其次为光期照射uvb处理，对照组叶片表现出最低的净光合速率。
43.实施例4黄瓜幼苗叶片净光合速率co2响应变化利用licor-6800便携式光合作用测定系统将待测植物叶片夹在叶室中，将叶片在光强为1000μmolm
−
2s-1，co2浓度为400μbarco2条件下进行适应，直到净光合速率和气孔导度稳定，随后逐步设定co2浓度为300，200，150，100，50，400，600，800，1000，1200，1500μbar.在每个co2浓度下，当净光合速率达到稳定状态时进行测量记录。每个处理选取5株植物进行重复测量。
44.如图7所示，各处理黄瓜幼苗叶片净光合速率随着co2浓度升高而逐步升高，最终趋于饱和，暗期照射uvb处理的黄瓜幼苗具有最高的co2饱和点，其次为光期照射uvb处理，对照组叶片表现出最低的净光合速率co2饱和点。
45.实施例5黄瓜幼苗叶片净光合速率及非光化学淬灭能力变化如图8所示，通过在li-6800光合作用测定系统叶室内设定连续强弱光转换条件并监测黄瓜叶片净光合速率和非光化学淬灭能力动态变化，显而易见，两个uvb处理组的黄瓜幼苗叶片净光合速率和非光化学淬灭能力在动态光环境下均显著高于对照组，说明uvb处理提升了黄瓜幼苗叶片在动态光环境下的光合能力和光破坏防御能力，其中暗期照射uvb处理的幼苗表现最佳。
46.实施例6黄瓜幼苗叶片在光合诱导过程中的水分利用效率如图9所示，各处理中的黄瓜幼苗叶片在光合诱导过程中（即光强由50μmolm-2
s-1
上升到1000μmolm-2
s-1
）水分利用效率差异明显，其中，暗期照射uvb处理的幼苗具有最高的水分利用效率，而光期照射uvb处理和对照组的水分利用效率无显著差异。
47.实施例7黄瓜幼苗形态图及最大光合量子效率叶绿素荧光成像如图10所示，将uvb处理12天的黄瓜幼苗转移至高强度动态光环境下进行胁迫处理4天后，对照组黄瓜叶片出严重现失绿症状，uvb-光期处理植物也表现出轻微失绿症状，而uvb-暗期处理植株叶色正常；光系统ii最大光合量子效率（fv/fm）叶绿素荧光成像分析表明，uvb-暗期处理的叶片具有正常的fv/fm值（0.82），uvb-光期处理fv/fm值略低（0.77），说明该处理植物已受到轻微胁迫，而对照组植物叶片fv/fm值仅为0.67，说明该处理植物已受到重度胁迫。
48.综上所述，低剂量uvb处理并未对黄瓜幼苗造成胁迫，反而大幅提升了叶片净光合速率和光破坏防御能力，其中，暗期照射uvb效果最佳，表现为最高的光合速率和逆境胁迫耐受能力，以及在高光强下具有最高的水分利用效率，保障逆境条件下种苗正常生长。因此，选择暗期照射5μmolm-2
s-1
作为实施例的优化uvb应用方法。
49.对比例18μmolm-2
s-1
uvb处理12天后黄瓜幼苗叶片最大光合量子效率如图11所示，经12天8μmolm-2
s-1
uvb处理后，两个uvb处理的黄瓜幼苗叶片光系统ii最大光合量子效率值均显著低于对照组（0.822），其中暗期照射uvb处理最低（0.681），说明8μmolm-2
s-1
uvb已造成植物叶片光合机构受损，植物处于胁迫状态。
50.当uvb剂量超过8μmolm-2
s-1
时就会造成严重的胁迫现象，表现为光合效率下降，fv/fm数值低于0.8，而正常植物的fv/fm数值在0.82以上。因此，在本实施例背景光环境下（100μmolm-2
s-1
）通过uvb壮苗锻炼的光强不宜高于8μmolm-2
s-1
。
51.对比例23μmolm-2
s-1
uvb处理12天后黄瓜幼苗叶片净光合速率光强响应如图12所示，经12天3μmolm-2
s-1
uvb处理后，暗期照射uvb处理的黄瓜幼苗具有最高的净光合速率，其次为光期照射uvb处理，对照组叶片表现出最低的净光合速率。但uvb照射提升叶片净光合速率的幅度小于5μmolm-2
s-1
uvb处理（实施例3，图6），说明5μmolm-2
s-1
uvb处理提升净光合速率的作用优于3μmolm-2
s-1
uvb处理。
52.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

技术特征：
1.一种低剂量uvb提升植物工厂黄瓜育苗壮苗生产的方法，其特征在于，在低光强类太阳光谱led光源的基础上添加低剂量uvb辐射。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低光强类太阳光谱led光源为光合有效辐射强度为80-120μmol m-2 s-1
，低剂量uvb辐射为波峰310nm、光量子通量密度3.5-7.5μmol m-2 s-1
的窄波uvb光源。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，低光强类太阳光谱led光源为光合有效辐射强度为90-110μmol m-2 s-1
。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，低剂量uvb辐射为波峰310nm、光量子通量密度4-7μmol m-2 s-1
的窄波uvb光源。5.如权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，添加低剂量uvb辐射为在光期用类太阳光谱led光源和uvb光源同时照射。6.如权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，所述添加低剂量uvb辐射为在暗期用uvb光源单独照射。7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述光期和暗期，光期为20：00-7：00，12h；相应地，暗期为8：00-19：00，也为12h。8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述光期和暗期，光期为20：00-7：00，12h；相应地，暗期为8：00-19：00，也为12h。9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，低剂量uvb照射幼苗12天。10.如权利要求1-9任一所述低剂量uvb提升植物工厂黄瓜育苗壮苗生产的方法在黄瓜育苗中的应用。

技术总结
本发明提供一种低剂量UVB提升植物工厂黄瓜育苗壮苗生产的方法。植物工厂育苗栽培过程中采用常规LED光源，主要包含红蓝光波段，本发明的方法为在低光强全光谱Sunlike LED光源的基础上添加低剂量UVB辐射。通过低剂量UVB辐射，不仅不会造成黄瓜幼苗胁迫症状，反而会促进黄瓜幼苗在弱光环境下表现出阳生植物生长特性，具体表现为更加紧凑的株型、更高的叶片净光合能力和水分利用效率，以及应对高强度动态光胁迫的能力，即提升光破坏防御能力，通过本发明的方法添加低剂量UVB辐射能大幅度提高植物工厂黄瓜育苗壮苗生产品质。植物工厂黄瓜育苗壮苗生产品质。植物工厂黄瓜育苗壮苗生产品质。


技术研发人员：李涛 张玉琪 程瑞锋 李琨
受保护的技术使用者：中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所
技术研发日：2022.02.10
技术公布日：2022/3/8