调查薄荷的LED灯的品质(各种x、l .)培养专注于工厂质量和消费者安全方面
珍妮曼Tabbert
Hartwig舒尔茨
安德里亚Krahmer- 1朱利叶斯·库恩Institute-Federal栽培植物研究中心,生态化学研究所植物分析和存储产品保护,柏林,德国
- 2学院制药、柏林自由大学,柏林,德国
- 3咨询和项目管理为药用和芳香植物,Stahnsdorf,德国
了解薄荷响应不同的LED灯的品质在营养期早期,薄荷糖,都与三个不同的LED灯照明条件(RB =红/蓝,RGB =红/绿/蓝,阳光=人工阳光很像陆地阳光光谱之间的380和780海里)在一个自动垂直种植系统。RB导致紧凑的增长,而green-containing照明条件诱导过度干细胞和侧枝伸长和重大叶扩张。尽管薄荷植物实现市场表象无论照明条件,精油(EO)成分高度升高pulegone和menthofuran没有满足消费者的安全需求。人工太阳和RB光谱显示低浓度的pulegone EO在41和43%,分别比RGB下检测到超过49%。讨论原因不良EO组成的照明条件应用和早期收获时间,导致一个不完整的减少期间pulegone薄荷酮的生物合成。基于这些发现,芳香薄荷栽培下LED可以得到改善,以满足监管要求,强调了需要分析质量控制对消费者安全评估的适用性LED照明对新鲜草药产品。
1介绍
现代农业是挑战自己的负面环境影响和气候变化,室内垂直农场越来越被视为一种食品生产系统,主要是使增加供应高质量的食品区域全年量表(奥尔西尼et al ., 2020)。一旦优化照明策略(以及高效的水、养分和气候控制系统)可用,全面整合,垂直农场将成为一个可行的和可持续的粮食生产系统广泛的作物(Kozai 2019)。
在过去的十年中,发光二极管(led)被证明是高度通用的和积极有效的照明系统,以及他们的技术比传统光源光谱的优势植物栽培已经描述(Eichhorn-Bilodeau et al ., 2019)。
红色(R)和蓝色(B)波段最大限度地吸收的植物的聚光叶绿素(McCree 1972),多数领导的研究仍集中在不同的RB比率优化植物生长,形态和生理反应(例如,彭尼斯et al ., 2019)。然而,添加其他波长进一步显示了潜在的利益提高植物特征。例如,增加红光对于波长(FR > 700海里)可以增加净光合作用(公园和Runkle 2017;Kalaitzoglou et al ., 2019)和紫外辐射(UV, < 400海里)可以促进某些次生代谢产物的积累(贝恩et al ., 2010;Rechner et al ., 2017)。绿色(G)光(400 - 500 nm)据报道,增加叶绿素含量(Saengtharatip et al ., 2020)和碳同化(遗体et al .,分别2009),后者似乎因此G灯的功能更深入探索树冠比R和B波长(遗体et al .,分别2009)。因此,科学家推测,除了G光可以提高植物产量在人工照明系统(太阳et al ., 1998;Folta 2004;史密斯et al ., 2017)。然而到目前为止,这个理论G光可能只有被证明罗勒和番茄Kaiser et al ., 2019;Schenkels et al ., 2020)。在这两个研究中,部分替代R和B G波长导致增加生物量中,茎长度和叶区域。
此外,最近领导研究使用广泛的光光谱覆盖整个范围的辐射相关的植物发展(300 - 800 nm)建议进一步提高植物产量和光合速率相比色光谱(Kozai 2019)。
薄荷(各种x、l .)药用和芳香植物唇形科家庭,不仅展示大量的治疗活动,诱导抗氧化剂,抗痉挛,杀菌、抗菌、抗病毒、抗癌的,抗癌,抗过敏药,抗炎,抗真菌,抗诱变剂的和antinauseant属性。它还被广泛用于茶输液,烹饪药草和香料,在糖果,作为芳香芳香剂,以及化妆品、个人卫生和香味的香水产业属性(Malekmohammad et al ., 2019)。
尽管薄荷是最重要的一个至关重要的含油草本植物在世界范围内(马亨德兰和拉赫曼2020),只有有限的知识适当补充照明为其培养计划。尽管基于实验不同的照明技术,光强度从113年到1200年μmol m−2年代−1提出了不同的薄荷发展阶段(贝恩et al ., 2010;Sabzalian et al ., 2014;Alvarenga et al ., 2018),14 - 16 h已报告的光周期增加的精油(EO)内容和质量各种x、l . (Burbott Loomis 1967;克拉克和Menary 1980)。此外,紫外线添加到白色背景光照明(W)以及单色R的出现提升了EO含量薄荷(贝恩et al ., 2010;Sabzalian et al ., 2014)。然而,单色B光以及B添加到W EO含量下降各种x、l . (马费伊和Scannerini 1999;Sabzalian et al ., 2014)。最好的结果而言,植物生长和EO含量达到RB相比单色R和B光由发光二极管(Sabzalian et al ., 2014);然而,这项研究不包括信息成分,因此,EO的质量,主要是由monoterpenoid成分的数量和成分。薄荷醇的30 - 55%,14 - 32%的前体薄荷酮和低水平的pulegone (< 4%), menthofuran(1 - 9%)和乙酸甲酯(2.8 -10%)被认为是高质量的薄荷EOs (Schmiedel 2008)。
有关上述薄荷栽培条件和植物发育的改进,我们进行了一次led光源垂直种植实验系统应用三种不同的光品质等于光子通量密度。本研究的目的是调查部分是否更换R和B G光(RGB)或广泛的白光光谱包括紫外线和FR(太阳)导致最近提出的改进的生物量积累和形态特征各种x、l .相比通常应用两色RB频谱。尽管众所周知,栽培条件薄荷EO质量的强烈影响,目前市面上的任何数据的影响,用LED光源光谱成分(萨利希et al ., 2018)。因此,我们研究了薄荷糖的EO组成特别强调有害代谢物pulegone和menthofuran早期发展中合成薄荷叶子生长在光线不足强度(Croteau et al ., 2005;Rios-Estepa et al ., 2008)。
2材料和方法
2.1实验设计
调查形态、生物量产量和EO薄荷组成样本在三个不同的光谱照明条件下,1)!试验采用随机区组设计和三个空间独立复制/光治疗(N= 270;n= 30薄荷植物/复制)是在三个垂直进行三级培养系统在同一时间。
2.2植物材料和生长条件
股票的植物各种x、var.、简历。Multimentha种植在朱利叶斯Kuhn-Institute (JKI),在园艺作物育种研究所(51.8°N, 11.1°E)在野外条件下。在JKI、生态化学研究所、植物分析和存储产品保护,匍匐枝段(5厘米)从一个建立股票植物(确保基因相同的植物)在传播算子托盘装满盆栽基质栽培(Fruhstorfer Einheitserde P型HAWITA, Vechta,德国)在温室(∼22°C)下一个自然日平均光积分(DLI) 12.6摩尔的m2(根据天气从WetterKontor录音(Kontor 2021)2019年4月10日开始。发芽后,统一的节段与三个同样发达叶对被转移到128 -细胞插入托盘(Ø4厘米)充满了同样的盆栽基质,并覆盖着塑料罩(透光率≥90%,数据未显示),促进生根于2019年5月6日(26天的培养(DOC))在温室(∼22°C)在自然光条件下。10天之后,2019年5月16日(36 DOC), 270代表植株被移植到锅(Ø12厘米)包含0.69 L高营养成分的基质(Fruhstorfer Einheitserde类型T, HAWITA, Vechta,德国)和均匀放置在每个九、栽培架(内衬water-permeable排水羊毛,以避免堵塞的灌溉系统)在LED照明灯具,导致30植物栽培架子上。9中栽培架三个光治疗设置三次(30薄荷植物栽培架总量达90薄荷植物光治疗),导致三个独立实验复制/光治疗(补充图S1)。诱导分支,最年轻的(不发达)叶对每个薄荷的2019年5月29日(49 DOC)。每天,薄荷糖,都自动灌溉通过浸盆植物从9点到上午9点15分。电导率(EC)、氧含量(O2)、pH值和温度(°C)的水进行了分析与多参数测量装置WTW Multi3430 (Weilheim、德国)一天两次在第一个连续四天的实验(n= 8):EC = 553.5±28.4μS厘米−1阿,2L = 8.0±2.0毫克−1,pH = 7.6±0.2, 22.2±4.1°C =。邻桌的水箱后在2019年6月12日,水测量两次使用相同的设备(EC = 735±3.55μS厘米−1阿,2L = 5.9±0.7毫克−1,pH = 7.5±0.1°C = 25.6±0.5)。同一天,薄荷糖,都与氮磷钾施肥(15-5-15)营养液(Phytogrow)提供的接地方案GmbH(德国柏林)稀释75 g的肥料。受精水重用日报的自动灌溉系统,薄荷糖,都受精日报到实验(2019年6月18日)。盐度测量进行了直接在潮湿壶底物活动测量仪PNT 3000(一步系统GmbH,纽伦堡,德国)一旦受精前(0.23±0.02 g L−1)和四次(每隔一天)受精后(0.31±0.02,0.30±0.04,0.32±0.03,0.35±0.03 g L−1;测量发生在两个罐子/光治疗和复制(n= 18),以确保最佳的施肥状况。消除蚜虫检测到2019年5月27日,Chrysoperla carnea幼虫(n∼1000)和Aphidius matricariae(n∼1000;推荐2502)由Katzbiotech (Baruth、德国)应用于2019年5月29日,2019年6月11日之前和消除导致蚜虫。气候条件在树冠层次通过不断监测数据记录器(Hirschau EL-USB-2印度水手,康拉德,德国)。平均气温(C°±标准差)在RB, RGB和太阳分别为25.6±2.9,25.5±2.8,25.5±2.8,测量精度为±1°C。平均湿度(% RH±SD)在RB, RGB和太阳分别为64.0±7.0,67.1±6.8,65.3±6.9的测量精度为2.25% RH。所有的气候条件之间的不同的治疗方法。为控制,基因相同的匍匐枝段各种x、l . var.、简历。Multimentha种植场条件下(表S1)。
2.3培养系统
三种领导培养系统是1.85米高,由三个货架(124×55×60厘米)。自动化ebb-and-flow-watering(和营养供应),相互关联的垂直领导的栽培系统被连接到一个水箱容量为300 l .之前水进入回水箱重用,紫外线空气净化消毒submersive后回流水的灌溉。
2.4照明系统和照明条件
两个补充LED照明系统从增GmbH德国柏林(阿波罗R1和Lumitronics空气)被用来设置三个光谱照明条件(RB =红/蓝,RGB =红/绿/蓝,阳光=人工阳光)在平等的光子通量密度(PFD)。在开始,所有植物都披上了PFD150年μmol米−2年代−1(在花盆的水平)。排除自然日光下,植物在生长受到LED照明房间每天6点到10:00光周期16 h在实验。
2.5辐照度测量
使用光谱辐照度测量被PAR计(德国亚琛PG200N、UPRtek)。光谱组成,光强度和光子分布测量和记录在花盆的水平在试验条件下试验前(图1;表1)。光谱仪的软件包(uSpectrum电脑实验室软件)自动计算电磁参数包括光子通量密度(PFD在μmol米−2年代−1)在380年和780海里,光合光量子通量密度(PPFD在μmol米−2年代−1)在400年和700纳米之间,大量的紫外线(380 - 400 nm),蓝色(400 - 500 nm),绿色(500 - 600 nm),红(600 - 700 nm)和红光对于(700 - 780 nm)辐射(μmol m−2年代−1)和blue-to-green和red-to-far-red光的比率。此外,红色到蓝色光比率计算。
图1。三个光光谱辐照度测量在盆栽级别之间的380和780海里。RB =红/蓝,RGB =红/绿/蓝,阳光=人工阳光光谱。(一)相对光谱成分∗。(B)光强度∗∗。(C)光子分布∗∗∗。∗描述的相对光强度(%)/ (nm) 380至780纳米波长的RB, RGB,日光光谱实验期间使用。∗∗介绍了光子通量密度(PFD)[µmol米−2年代−1每100厘米)测量2在每个货架下面RB培养,RGB和日光光谱(n= 60 /光光谱)。小提琴情节代表值(虚线)和质量(虚线)。普通单向方差分析没有发现显著差异意味着光治疗(p> 0.99)。∗∗∗可视化是光分布模式测量每100厘米2在每个货架下面RB培养,RGB和日光光谱(n= 60 /光光谱)。每个热点图描述了光子通量密度(PFD)[µmol米−2年代−1]。
表1。光谱组成三个LED灯的光谱和太阳光谱在380到780纳米之间。
2.6测量作物和收获
光实验开始后,株高(从土壤的顶端的芽)和叶数对(≥1厘米)评估每周7天的间隔在41岁的48岁、55、62和69天的文化(DOC)。一边拍摄长度也评估每周7天的间隔在55岁,62年至69年期间,医生通过连续测量的长度第一充分发展分支。进行数据分析,这两个侧枝测量平均每薄荷植物。在收获之前69年医生,四个薄荷叶子从10随机选择植物/复制(N= 90,n= 30 /光治疗)进行扫描(CanoScan利德400)测量叶片的宽度和长度通过ImageJ软件(版本1.52)。因此,第一,第三,第五和第七薄荷叶子从顶点删除。此外,所有270个实验薄荷植物收获分别在每个治疗和复制分析治疗对生物量的影响产量。因此,新鲜的气生植物部分是单独记录在收获和总干物质干燥后测定样品在30°C循环干燥箱≤7天直到稳定的质量达到(最佳干燥方法选择和标准化的高度影响的薄荷糖,EO收益率(Beigi et al ., 2018)。后芽,叶片干物质(LDM)确定为所有植物。干叶样本真空包装(V.300®,Landig +熔岩GmbH & Co . KG,坏Saulgau,德国)和存储在黑暗中在4°C,直到进一步的处理。
2.6精油隔离
5克的风干薄荷叶子(结合LDM三到四个工厂的样品相同的空间复制)地面和hydrodistilled使用clevenger-type设备60分钟。卷(ml)的孤立光电记录和储存在封闭的玻璃瓶后−70°C进行进一步处理。EO卷是根据欧洲药典density-corrected因素0.908 (Schmiedel 2008)。EO含量和产量,表达了在干重的基础上,计算根据以下方程:EO含量(%)=(蒸馏EO (g) / 5 g) x 100;EO收益率(mg g叶片干物质−1(左DM))=意味着EO产量(mg g LDM−1)(n每个空间复制= 8)x LDM(g),确定可能影响临时蚜虫虫害的单萜化学成分,提取挥发物中描述的过程Tabbert et al ., 2021。
2.7 GC-FID和gc - ms分析
1µl EOs是稀释的异辛烷(1:1,000)(包含1:40,000 (v / v)香荆芥酚作为内部标准)和转移到GC-vials。3µl每个样本被GC-FID使用安捷伦气相色谱仪分析了6890 n装有一个HP-Innowax列(30 m×250μm×0.5μm)在分割模式(分割比例10:1)。探测器和喷油器温度设置为250°C。以下使用烤箱温度程序:50°C 2分钟,加热的速度从50到210°C 3°C分钟−1。最终温度6分钟举行。氢气作为载气一个恒定的流速为1.2毫升分钟−1。GC - ms进行了使用安捷伦5973网络质谱仪,HP-Innowax列(见GC),操作在70 eV电离能,使用相同的温度程序如上所述。氦与一个常数作为载气流量1.2毫升的分钟−1。保留指数的计算是通过使用C的保留时间7- c40饱和烷烃(默克公司,达姆施塔特,德国)在相同的色谱条件下,注入。
2.8识别和量化的精油成分
所有EOs的主要化合物被确定通过比较它们的质量谱与国家标准与技术研究所(NIST)质谱库和证实通过比较他们的保留指数。此外,识别1-octen-3-ol, 1 8-cineole 3-octanol,α蒎烯,α松油醇,β石竹烯,β金合欢烯,β月桂烯,β蒎烯,γ萜品烯、石竹烯氧化物、柠檬烯,germacrene D, iso-menthone,芳樟醇,menthofuran,薄荷醇、薄荷酮、薄荷基乙酸,neo-menthol, ocimene, piperitenone, piperitone, pulegone、桧烯,terpinen-4-ol viridiflorol肯定是真实的参考资料(RMs)的纯度至少95%。化合物不验证了RMs (独联体-isopulegone,反式-isopulegone,δ松油醇,反式马鞭草烯醇),内部参考图书馆识别精度≥78%。EO化合物基于已知浓度的内部标准的量化(香芹酚)。
2.9统计分析
统计分析使用GraphPad棱镜8.4.3.686(美国圣地亚哥)。传递正常光谱光分布数据通过达&皮尔森综合正常测试,因此通过分析普通单向方差分析(p> 0.99,不重要)。收集的数据集的株高、侧枝长度、总植物新鲜和干重、叶和射干重(N= 270,n分别为每个复制= 30薄荷植物)以及叶片长度和叶面积(N= 90,n分别为= 30薄荷植物/复制)和数据集的EO化合物以及EO内容(N= 72,n分别为= 8 EOs /复制)和数据集的EO收益率(N= 9,n= 3 /光每个空间复制(治疗)n= 3)和光治疗(n= 3)检测正常通过达&皮尔逊混合常态和Shapiro-Wilk测试。如果正常测试失败,离群值被确定通过溃败(问≤10%)和删除方法建立正常的数据集。株高、侧枝长度,长度和宽度的新鲜叶子,EO化合物和内容:嵌套单向方差分析是用来检测不同光疗法(嵌套的因素:空间复制/治疗(n当有重大(= 3)。p≤0.05),图基在95%置信区间的多个比较测试应用。相同方差的数据集是由图形视觉检查方差齐性的情节。新鲜的事,干物质和叶片干物质产量:由于空间复制之间的显著差异(p≤0.05),每个空间复制和光线治疗(N= 9,n= 3 /光治疗)被用来进行普通单向方差分析。叶对数量:每个空间复制/光治疗手段(n= 3)通过克鲁斯卡尔-沃利斯非参数检验进行了分析。(另外,大量的主要挥发物(薄荷酮、pulegone menthofuran) uninfested和暂时aphid-infested薄荷植物(N= 58)通过未配对比较t以及和没有差别(p≥0.8),排除影响蚜虫的EO组成)。
3的结果
3.1株高
2周后,薄荷生长在阳光和RGB超过植物高度达到RB (p= 0.03),平均19.4±1.0,22.2±0.6,23.5±1.6厘米在RB,分别RGB和太阳。植物平均高度为33.0±0.7,34.5±1.3厘米,薄荷糖,生长在RGB和太阳明显比薄荷糖,高生长在RB(27.2±1.2厘米)后3周的培养(p= 0.01)。株高的差异进一步增加上述光光谱实验后4周(p≤0.01)。而薄荷糖,生长在RGB和太阳达到了平均植物高度分别为44.2±1.0,47.0±0.3厘米,薄荷糖,下RB仍明显更短的平均高度为35.1±1.2厘米(图2一个)。
图2。的形态特征各种x、var.、简历。随着时间的推移Multimentha影响光光谱。RB =红/蓝,RGB =红/绿/蓝,阳光=人工阳光光谱。(一)株高∗,(B)侧枝长度∗,(C)叶数对∗∗。∗提出意味着植物高度和侧枝长度的三个独立空间复制(n= 3)±标准差(SD)25 - 30评估每个空间复制和薄荷植物光治疗(N株高= 267;N侧枝长度= 253)。光治疗之间的显著差异决定根据嵌套单向方差分析(∗:p≤0.05,∗∗:p≤0.01,∗∗∗:p≤0.001,ns:不重要)其次是图基的多重比较检验在95%置信水平。∗∗提出了数字意味着叶对三个独立空间复制(n= 3)±SD30评估每个空间复制和薄荷植物光治疗(N= 270)。非参数克鲁斯卡尔-沃利斯测试(p≥0.9)被用来测试光治疗之间的显著差异(ns在每个时间点:不重要)。
3.2。分支长度
三周后开始实验,一边枝子被拉长在RGB和太阳相比分支生长在RB (p= 0.01)。分支长度在RGB、太阳和RB平均23.7±0.8,22.3±0.9,18.4±1.0厘米。4周后,分支伸长差异进一步增加(p≤0.01)RB -和RGB-illuminated RB -以及正在凋零的植物,和平均30.5±0.9,38.1±1.1,36.8±1.4厘米在RB, RGB和太阳分别(图2 b)。
3.3。叶数对
数量的充分发展沿着茎叶对薄荷糖,没有差异与RB照亮,RGB或日光光谱(p≥0.44)。在所有植物平均六个发育完全的叶对实验的开始,沿着主街薄荷糖,平均八叶对剩下的学习时间(图2 c)。
3.4。的长度和宽度
顶部的叶子薄荷树冠受到光线的影响治疗(图3)。前叶子在RB短(6.8±0.1厘米)和窄(4.4±0.2厘米)比在RGB(长度= 7.4±0.1厘米,宽度= 5.1±0.1厘米)(p≤0.001,p分别≤0.01)。同样,长度和宽度的叶子RB依然矮小狭窄比在阳光下(长度= 7.3±0.2厘米,宽度= 4.9±0.1厘米)(p分别为≤0.01)。显然,没有薄荷叶片的长度和宽度差异前叶子在RGB和日光光谱检测(p≥0.72)。叶深处林冠光治疗后依然冷漠的大小(p≥0.13)。
图3。长度和宽度的新鲜的叶子各种x、var.、简历。Multimentha影响不同的光的光谱。RB =红/蓝,RGB =红/绿/蓝,阳光=人工阳光光谱,第一,第三,第五和第七叶x相互重合的代表测量叶顶部(第一个)叶底部沿着拍摄(第七)。(一)薄荷叶子的长度是影响光治疗(N= 74 - 89n= 5 - 10每空间复制和叶子光处理)∗。(B)薄荷叶子的宽度影响光治疗(N= 74 - 89n= 5 - 10每空间复制和叶子光处理)∗。∗(1 - 4),每片叶子位置光治疗之间的显著差异决定根据嵌套单向方差分析测试(ns:不重要)。显著差异决定时,图基的多个对比测试后(光治疗之间不同的字母表示显著差异在95%置信水平)。
3.5。生物质产量
总新鲜和干物质产量的薄荷糖,种植在RB, RGB和日光光谱没有不同的实验(p= 0.76,p分别为= 0.87)。平均而言,薄荷糖,RB, RGB和太阳积累鲜重为31.7±7.0,32.7±6.2,30.1±6.5 g /工厂,分别是(图4一)。干重/植物在相同光光谱(RB、RGB、太阳)平均为3.5±0.9,3.5±0.7,3.4±0.9 g /植物(图4 b)。没有每观察植物叶片干物质总量的差异(p= 0.20),平均2.0±0.4,1.9±0.4,1.7±0.4 g /植物RB - RGB -而SUN-treated薄荷糖(图4 c)。
图4。生物质能的产量各种x、var.、简历。Multimentha影响不同的光的光谱。RB =红/蓝,RGB =红/绿/蓝,阳光=人工阳光光谱。(一)新鲜的物质产量克工厂−1每个光光谱和空间复制(N= 269)∗。(B)干物质产量克工厂−1每个光光谱和空间复制(N= 270)∗。(C)在克植物叶片干物质−1每个光光谱和空间复制(N= 266)∗。∗提出了最低,第25百分位,平均75和最高产量以及异常值(黑点)的所有评估薄荷植物光治疗和空间复制(n每复制= 29 - 30日植物)。普通单向方差分析与每个空间复制的方法被用来测试光治疗之间的显著差异(ns:不重要)。
3.6。精油的组成、含量和产量
薄荷油的分析识别了24 EO化合物(表2)。虽然EO收益率仍未受影响,EO光治疗应用之间的成分显著不同。而所需的百分比薄荷酮和iso-menthone以及piperitone piperitenone明显更大的在阳光下和RB光治疗,不受欢迎的化合物的百分比pulegone menthofuran明显更大的薄荷糖,生长在RGB光治疗。此外,所有LED照明灯对植物的特点是一个非典型EO组成各种x、var.、简历。Multimentha相比,其常见的EO成分检测场条件下(S1 Supplemnatry表;舒尔茨et al ., 1999;舒尔茨和克鲁格1999年;Das Bundessortenamt 2002;Pank et al ., 2013)。pulegone和menthofuran为主导的EO组件(只有少量的薄荷酮和薄荷醇)发现在所有三个LED灯的情况下,他们的EO成分显著差异通常薄荷酮和薄荷醇纯度EOs的这个品种在田间条件下。
表2。效应的三个光品质24确认精油化学成分的化合物,精油含量和产量各种x、l . var.、简历。Multimentha后69天的培养。
4讨论
从最近的研究在G波长的影响诱导茎伸长和罗勒和番茄叶扩张(Kaiser et al ., 2019;Schenkels et al ., 2020),RB导致一个紧凑的薄荷增长,而两个G-containing光照条件诱导干细胞和侧枝伸长以及显著扩张的叶子各种x、。与我们的预期相反,这些深刻的形态差异,不是伴随着生物量和EO增产丰收的时候。然而,广泛的太阳光谱以及RB谱显著影响EOs的成分,比如加速减少pulegone薄荷酮(iso-menthone),代表一个重要quality-determining转换步骤在薄荷醇的生物合成。
株高
能够很好的证明,B光抑制下胚轴生长和茎伸长(Sellaro et al ., 2010;Pedmale et al ., 2016),独立不同的R光比例(埃尔南德斯和日本久保田公司2016;Spalholz et al ., 2020)。这些观察结果与我们的研究结果的薄荷糖,开发出一种更紧凑的表现型RB RGB和太阳相比之下。相反,低B / G比率以及低R / FR比率都是独立在各种各样的植物,茎伸长代表一个典型植物适应称为荫蔽躲避症状以增加光捕获(富兰克林2008年;Zhang et al ., 2011;史密斯et al ., 2017)。例如,G诱导极端茎和分支伸长下B / G比率较低拟南芥、罗勒、番茄和生菜品种(Sellaro et al ., 2010;Zhang et al ., 2011;Kaiser et al ., 2019;Schenkels et al ., 2020;Spalholz et al ., 2020)。同时,较低的R / FR比率已报告诱导茎伸长如拟南芥、罗勒和南瓜(杨et al ., 2012;卡瓦略et al ., 2016;Pedmale et al ., 2016)。然而,在我们的研究过多的茎和侧枝伸长下发现RGB和太阳相比,RB可能由于高G影响率强烈刺激的薄荷糖,都暴露于(可能提出的促进下胚轴生长基因的表达Pedmale et al ., 2016)。提供的FR光在太阳没有额外的干细胞——或branch-elongating影响薄荷糖,RGB相比缺乏FR可以归因于特定的R / FR 2.2的比例在我们的研究中使用。基于phytochrome-mediated模型,SUN-treated薄荷糖吸收比FR光子R。因此,涉及phytochrome-photoreceptor(、)仍在活跃R-absorbing形式,限制伸长(通过抑制phytochrome-interacting因素(论坛)活动所需的生物合成elongation-promoting植物激素生长素(•弗兰克浩瑟和Batschauer 2016))。
叶增长和扩张
薄荷的叶子上罩水平(第一到第三片叶子对从顶部)长度达到5.7至7.5厘米在所有光治疗,代表上面的尺寸范围描述薄荷。综述了的马亨德兰和拉赫曼(2020)的叶子各种x、l .通常是2至7厘米长。这表明叶扩张反应由于光线疗法应用,并代表另一个典型的荫蔽躲避反应年轻人的薄荷糖,(富兰克林2008年;Zhang et al ., 2011;史密斯et al ., 2017)。
此外,重大差异观察治疗完全展开叶,薄荷糖的叶子在RGB和太阳明显更长和更广泛的比顶部的叶子RB。这一结果是在协议与多个研究报告增加叶面积在RB光谱部分替换为G光或广泛的白色照明条件相比,各种植物(Zhang et al ., 2011;林et al ., 2013;卡瓦略et al ., 2016;Kaiser et al ., 2019;Schenkels et al ., 2020;Spalholz et al ., 2020)。因此,大叶扩展检测在RGB和太阳相比,扩展检测在RB可以归因于低B / G比率由RGB和太阳。
调查,如果叶扩张也发生更深的树冠内的薄荷糖,我们另外测量的长度和宽度第三,第五和第七叶下面。与我们的期望相反,增加叶片大小下G-containing光治疗深处树冠(G可穿透得更深比R和B(叶子和树冠史密斯et al ., 2017;Saengtharatip et al ., 2020;Schenkels et al ., 2020)没有观察到。
生物量积累
G有可能更有效地驱动光合作用比R和B通过增加碳固定在PPFDs大于200μmol m−2年代−1在菠菜叶(遗体et al .,分别2009)。因此,科学家们越来越多地推荐的调查和实施G光为了增加生物量积累和产量在led照明系统(Folta 2004;史密斯et al ., 2017)。然而,研究描述收益率增加由于合并G光稀缺和只集中在少数植物物种(Novičkovas et al ., 2012;林et al ., 2013;Schenkels et al ., 2020)。其他植物生物量增加,并未观察到(Spalholz et al ., 2020),支持我们的研究结果。无论是薄荷糖,“过度干伸长和部分叶扩张上罩在我们的研究中观察到导致显著增加新鲜或干燥质量积累在薄荷糖的早期营养阶段自动垂直种植系统。
最有可能的是,接收到的光强度以及早期收获时间约束检测可能的生物质产量的差异。然而,也有可能根据分布模式的高可变性在每个培养架(如中描述图1 b, C)方差的增加生物量中/植物,因此,阻碍了统计的检测效果。
精油
薄荷糖的EO含量迅速增加叶片发育和叶子是完全展开时达到最大。因此,EO薄荷的形成明显的内生控制(Gershenzon et al ., 2000;麦克恩et al ., 2000)。薄荷糖的叶片发育以及生物量中保持光品质之间的冷漠,这是不足为奇的EO总收益率仍不受影响下应用光治疗。
然而,光疗法显著影响了EOs的构成。quality-determining光电组成薄荷醇的生物合成途径的特点是一系列很好的描述转换反应(Croteau et al ., 2005)。百分比的41 - 50%和20 - 29%,pulegone和薄荷酮是两个主要的EO成分检测在早期营养阶段各种x、l在我们的研究中,并代表最后两个中央在薄荷醇生物合成中间体。代谢物pulegone变成由pulegone薄荷酮还原酶。在一个较小的程度上,同样的酶减少pulegone iso-menthone。然后,薄荷酮和薄荷醇,iso-menthol iso-menthone终于减少了薄荷酮还原酶(Croteau et al ., 2005)。pulegone下降的百分比和百分比的薄荷酮和iso-menthone RB和太阳下显著增加,我们的结果表明加速转换pulegone薄荷酮和iso-menthone RGB相比。
R光已经被证明可以促进EO含量各种x、(Sabzalian et al ., 2014),加速转换检测在RB可能解释为高架R的影响率相比,试验期间由RGB提供治疗。然而,随着大量的R、B、G光RGB和太阳之间几乎是相同的,侧翼地区包括紫外线a和/或FR光必须导致增强的转换从pulegone薄荷酮(iso-menthone)下太阳。FR光实际上抑制了萜烯生产(田中et al ., 1989;Yamaura et al ., 1991),部分减少挥发排放低R / FR比率(下Kegge et al ., 2013),看来FR光分数在阳光下治疗(R / FR比率高的)并没有参与观察到成熟的过程。因此,太阳的紫外线a的比例必须加快转换我们的实验条件下,由研究结果进一步支持贝恩et al。贝恩et al ., 2010),报告一个加速单萜转换在开花的各种x、暴露于低太阳辐射包括uv - b(相比低太阳辐射不含uv - b)。
menthofuran 15 - 18%的比例,是第三个最丰富的光电组件发现在所有提供光品质。作为menthofuran合成代表一个偏离预期的薄荷醇生物合成途径在分支点代谢物pulegone (Croteau et al ., 2005光),所有三个治疗严重降低了薄荷醇生产潜力。
根据欧洲药典(Schmiedel 2008),检测到的百分比pulegone(41 - 50%)和menthofuran(15 - 18%)高度超过4和9%的法律限制,既化合物显示肝毒素的(Malekmohammad et al ., 2019)。menthofuran和pulegone作品已被证明是支持下持续低光照强度和短的长度(Burbott Loomis 1967;克拉克和Menary 1980;Voirin et al ., 1990;Croteau et al ., 2005),低光强度的底部货架由薄荷糖,(∼200μmol接收−2年代−1)太低了获得一个EO质量所需的成分。所示图5领导的光强度降低极大增加距离LED光源(如光源的光强度5厘米:∼1150μmol m−2年代−1;从光源光强10厘米:∼650μmol m−2年代−1)。因此,大部分的植物种植在低光强度≥150μmol m−2年代−1。作为我们的研究结果表明,这些光强度导致的分歧和不完全的薄荷醇生物合成,因此,从消费者安全视角非盈利性的薄荷植物。大大增加光强(1200∼μmol m−2年代−1),减少工厂距离LED光源在垂直种植系统不能改变生物合成途径的方向在试用期。这些陡峭的光强度梯度的影响导致系统需要得到更多的关注在未来plant-dependent光的研究,包括更加重视EO组成。到目前为止,大多数已发表的研究解决LED照明装置性能的影响主要集中在形态特征和EO内容,然而,如图所示在这项研究中,领导的复杂的相互作用的光谱和强度也会影响EOs-a成分的研究问题,已经收到了太少的注意。
图5。光子通量密度取决于距离光源。提出了平均光子通量密度(PFD)[µmol米−2年代−1]±SD380至780海里记录在5厘米间隔从花盆的水平从光源950厘米)从9代表职位在栽培架/光治疗(N在每个距离= 27)。
结论
尽管大量的光强度增加而减少距离led灯源在垂直种植系统(1200∼μmol m−2年代−1),G-containing治疗RGB和太阳等低B / G比率诱导过度干和分支伸长,薄荷栽培依然限制营养阶段。相比之下,RB的B积分通量率高诱导紧凑的增长(薄荷种植适合长时间空间限制)。G的影响对薄荷糖的茎和分支伸长首次在这项研究中已被证明,因此,支持图G伸长透露最近在其他植物物种。此外,我们的研究支持的潜力G光诱导叶扩张最近其他作者所示。然而,预期的叶片展开更深层次的树冠中没有观察到年轻的薄荷植物收获的时候。在未来,进一步的试验与更成熟的薄荷叶子更成熟的植物,从而更深层次的树冠内应该进行,为了评估G光叶扩张潜力树冠内的更深。极端的伸长和部分叶扩张并没有导致预期的生物量和EO产量增加,又可能是由于短试用期由于薄荷糖,“过度干伸长在垂直种植系统。
此外,明显的垂直光强度损失在垂直种植系统导致光合作用条件不足,至关重要的是确定单萜的方向转换反应薄荷。低光强度导致不必要的高pulegone内容和引发的不良合成menthofuran在所有光品质。因此,光强度被薄荷植物不适合获得薄荷油的质量按照欧洲药典。然而,R以及紫外线a代表有前途的光谱光地区加快薄荷糖,薄荷酮的EO成熟过程减少pulegone出现显著增强。
后来的研究与光强度的光饱和点附近薄荷应该进行,特别强调高比例的R、B和a。进一步的基础研究,包括特定的G窄波段的影响,在不同PPFDs G光和不同的B / G和R / G比率是必要的改善园艺G光的适用性。此外,统一的LED灯分布模式仍是一个焦点技术的改进,以确保统一的植物生长在垂直种植系统。
数据可用性声明
最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料,进一步的调查可以直接到相应的作者。
作者的贡献
JT概念化、项目管理、形式分析、验证,调查,数据管理,原创作品草稿准备。正义与发展党:概念化,Writing-Review &编辑。海关:概念化、项目管理方法论、资金收购,资源,监督。
资金
这项工作是支持和资助的欧洲创新的伙伴关系提高农业生产力和可持续性(批准号204016000016/80168353)通过欧洲农业农村发展基金。
的利益冲突
HS博士是该公司的老板咨询&项目管理药用和芳香植物。
其余作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
确认
我们感谢罗兰Buchhorn和克劳迪娅Konecke栽培援助,Konradin Feierabend协助数据管理和雷内·格分析援助。我们感谢Torsten Meiners Christoph Bottcher数据验证。我们进一步感谢马提亚Melzig从柏林自由大学对他的支持。
补充材料
本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/frfst.2022.852155/full补充材料
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关键词:发光二极管、薄荷(、L。)、精油、植物形态特征、生物量
引用:H和Krahmer Tabbert JM,舒尔茨(2022)调查的LED灯的品质薄荷(各种x、l .)培养专注于工厂质量和消费者安全方面。前面。食物。科学。抛光工艺。2:852155。doi: 10.3389 / frfst.2022.852155
收到:2022年1月10日;接受:2022年6月17日;
发表:2022年7月19日。
编辑:
费尔南多·佩雷斯·罗德里格斯西班牙科尔多瓦大学版权©2022 Tabbert,舒尔茨和Krahmer。这是一个开放分布式根据文章知识共享归属许可(CC)。使用、分发或复制在其他论坛是允许的,提供了原始作者(年代)和著作权人(s)认为,最初发表在这个期刊引用,按照公认的学术实践。没有使用、分发或复制是不符合这些条件的允许。
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