1. 引言
绿色植物在接受光照时，叶子上表面进行光合作用，光合作用是农作物产量和营养物质的形成基础，作物干物质的90%~95%来自于光合作用 [1] [2] 。叶子下表面主要进行光呼吸作用，光呼吸作用可以减弱光合作用，降低作物产量，光呼吸是植物生理过程中必不可少的代谢过程 [3] [4] 。本文研究针对叶背补光，增加光合利用率，提高作物光照干物质积累的探究。
类胡萝卜素类物质大多来源于植物食品，其中菠菜中β-胡萝卜素(图1)和叶黄素含量(图2)占有很大比例，β-胡萝卜素是维生素A的前体物质，它在人体肠道内可转化为维生素A，是目前最安全的补充维生素A的途径。据发现叶黄素在人体视网膜的黄斑处有极高浓度，是黄斑色素的重要组成，能够有效淬灭单线态氧，降低光损伤对视网膜的伤害，维持正常的视觉功能。因此提高菠菜的产量和增加菠菜中β-胡萝卜素和叶黄素含量，具有重要的影响 [5] 。
Figure 1. The molecular structure of β-carotene
图1. β-胡萝卜素的分子结构式
Figure 2. The molecular structure of lutein
图2. 叶黄素的分子结构式
本文通过在地面铺设镀铝膜等反光材料，将太阳或人工光源所发射的光线进行多度角反射用于增加植物叶片背面的受光面积 [6] [7] [8] 。其光照强度可增加10%~40% [9] 。探究叶背面受光照强度对菠菜可食用部分产量及类胡萝卜素积累的影响。
2. 材料与方法
2.1. 材料
菠菜种子：杂交一代全能型，中国农业科学院蔬菜花卉所；反光地膜：高真空镀铝膜正品一级PET，信源农业科技发展有限公司；丙酮：分析纯；正己烷：分析纯；碳酸钙：分析纯；乙腈：色谱纯；乙酸乙酯：色谱纯；叶黄素(No. 0133; HPLC 96%; Isolated; Cryst, 1 mg/pack)；β-胡萝卜素(No. 0003; HPLC 96%; Synth; Cryst, 1 mg/pack)；石英砂。
2.2. 仪器和设备
TP-114电子分析天平：Denver；ZKXF B-1电热真空干燥箱：上海树立仪器仪表有限公司；JB-500A多功能搅拌机：北美电器（珠海）有限公司；PU-2080高效液相色谱：Jascao；UV-2075：Jascao；N2000色谱工作站：浙大智达信息工程有限公司；DiamonsilC18(2)色谱柱(4.6 mm × 250 mm，5 μm)：迪马科技。
2.3. 试验方法
2.3.1. 菠菜种植分组与采收
宽垄浅沟，垄宽70 cm，长7.5 m，等行距种植2行菠菜；沟宽50 cm，深20 cm。灌溉采用沟内灌水。种子播种前需经催芽。种子浸泡后，放在4℃左右低温的冰箱中处理24小时，然后在20~25℃的条件下催芽，经3~5天出芽后播种。出苗后，其中一行菠菜苗在苗两侧沿地垄铺设银色反光地膜作为实验组；另外一行菠菜苗铺设透明地膜作为对照组。菠菜90天后进入采收期后，实验组与对照组按照上述条件各种6组地块，分别进行采收。采收时，先揭去地膜，再将菠菜连根拔起。植株去泥后称重，同时清点植株棵数。
2.3.2. 样品前处理与固形物含量测定
菠菜每组各位置植株保留可食用部分，切成2~3厘米的见方小段，按四分法取样取出400 ± 50 g，记录样品质量。将菠菜、水、碳酸钙按20:10:1 (W/W/W)用多功能搅拌机按比例混合捣碎成糊状物。
类胡萝卜素萃取：称取2 g糊状物至研钵，加入10 ml丙酮和0.1 g石英砂进行研磨，收集上清液。重复萃取研磨6次，直至菠菜叶片残渣为无色后，合并上清液，使用丙酮定容体积25 mL，3000转/分钟离心5分钟后，溶液过0.45 μm滤膜，用于HPLC待测。
固形物含量测定：称取糊状物5 g于平皿中，置于60℃烘箱内烘干至恒重，使用减重法，计算固形物含量。
色谱条件：色谱柱：DiamonsilC18(2) (4.6 mm × 250 mm，5 μm)；流动相：A：乙腈：水 = 9:1 (V/V)；B：乙酸乙酯；线性梯度洗脱：B在25 min内由0%增至100%，15~25分钟内保持100%；流速1.0 ml/min；检测波长450 nm；进样量20 μl。
2.3.3. 数据处理
使用二氯甲烷、无水乙醇分别配制β-胡萝卜素和叶黄素标准品溶液，定标后配成0.5，1.0，2.0，2.5，5.0 μg/mL的质量体积分数溶液，HPLC测定峰面积做标准曲线，要求回归方程的R2大于99.9%。
由标准品溶液确定菠菜样品中β-胡萝卜素、叶黄素的保留时间，并对其中的β胡萝卜素、叶黄素用外标法计算样品中的含量。
3. 结果与分析
3.1. 植株采收重量分析
根据表1计算，菠菜实验组地块植株平均收获14.83千克(平均株数：350棵)，对照组植株平均收获12.41千克(平均株数：349棵)；相比于对照组，实验组增产19.16%。
Table 1. Spinach harvest information
表1. 菠菜采收情况
3.2. 菠菜可食用部分的类胡萝卜素测定与固形物含量测定
3.2.1. 菠菜可食用部分的类胡萝卜素测定
叶黄素标准曲线为y = 39834x，R2为0.999；β-胡萝卜素标准曲线为y = 61299x，R2为0.999。
根据图谱数据可确定，图3中peak3为叶黄素，peak6为β-胡萝卜素。菠菜可食用部分的叶黄素和β-胡萝卜素含量见表3、表4。
Figure 3. HPLC of spinach extract
图3. 菠菜丙酮萃取液的HPLC图谱
3.2.2. 菠菜可食用部分的固形物含量百分比测定
由表2可见，相比于对照组，菠菜实验组的菠菜可食用部分的固形物含量平均增加了1.98%。
将菠菜可食用部分折合为干重后，再计算菠菜可食用部分的类胡萝卜素含量，结果见表3、表4。
Table 2. The content of the edible portion of spinach
表2. 菠菜可食用部分的固形物含量
Table 3. The content in edible portion of Lutein (dry weight)
表3. 菠菜可食用部分的叶黄素含量(干重计)
Table 4. The content of in edible portion of β-carotene (dry weight)
表4. 菠菜可食用部分的β-胡萝卜素含量(干重计)
4. 讨论
本试验结果表明，经过电子秤测量并计算，菠菜实验组地块植株平均收获14.83千克(平均株数：350棵)，对照组植株平均收获12.41千克(平均株数：349棵)；相比于对照组，实验组增产19.16%。以菠菜可食用部分干重计，相比于对照组，各地块菠菜实验组叶黄素含量平均减少了1.30%，β-胡萝卜素含量平均增加了0.63%。
综上所述，反光地膜对菠菜产量有明显提高，说明地覆反光膜叶背补光可以有效增加植物合成碳水化合物过程，提高光能利用，从而提高产量，具有十分重要的意义。
根据类胡萝卜素测定，叶黄素含量比对照组减少，β-胡萝卜素含量基本保持不变，主要因为叶黄素和β-胡萝卜素在光合作用中主要起到对植物光损伤防御机制，防止过量光能引起光合机构破坏，保障光合作用正常生长发育。铺设地覆反光膜增加了光照的同时也会导致植物接受过量光能，叶黄素和β-胡萝卜素含量没有明显增加，从而证明了叶黄素和β-胡萝卜素对于植物光损失有明显抑制作用。
NOTES
*通讯作者。