想象一下，你在超市里挑选番茄，是会被那些颜色鲜红、色泽均匀的果实吸引，还是对那些颜色暗淡、泛着青色的番茄多看两眼？答案显而易见。果实的颜色，是番茄最重要的外观品质指标，它不仅直接关系到消费者的购买意愿，更是判断其成熟度、口感和内在营养价值的关键信号。番茄诱人的红色，主要归功于一类名为类胡萝卜素（carotenoids）的色素家族，其中的明星成员——番茄红素（lycopene），不仅赋予了番茄鲜艳的色泽，更是公认的强效抗氧化剂，对人体健康益处多多。随着设施农业和植物工厂的快速发展，人们已经能够像导演操控灯光一样，精确调控作物生长环境中的“光配方”。其中，红光和蓝光是植物光合作用与形态建成的核心光谱。已知红光能有效促进番茄红素积累，让果实“变红”；蓝光则在调控植株形态和部分代谢中扮演重要角色。然而，在实际生产中，是持续照射单一红光好，还是红蓝光混合照射更优？如果混合照射，怎样的“红蓝配比”和“照射节奏”才能最大程度地激发番茄的着色潜能，同时避免光信号之间的“内耗”？目前，关于不连续（间歇性）蓝光干预对红光背景下番茄果实着色过程的精准调控模式及其内在机制，尚不明确。
为了回答这些问题，来自北京市农林科学院智能装备技术研究中心的陈晓丽、刘一涵等研究人员在《Scientia Horticulturae》上发表了一项研究。他们以“Micro Tom”番茄为材料，在人工光植物工厂中，于开花后10天开始，设置了五种总光周期（16小时）相同但蓝光干预模式不同的处理：连续纯红光（R）、先6小时纯红光后2小时红蓝混合光（R6h /RB2h ，此模式在16小时内重复两次）、先4小时后4小时（R4h /RB4h ）、先2小时后6小时（R2h /RB6h ）以及连续红蓝混合光（RB）。研究人员在果实发育的绿熟期（36 DAA）、转色期（47 DAA）和完熟期（58 DAA）系统测定了果实的表型颜色参数、多种类胡萝卜素含量、关键合成酶活性、相关基因表达水平以及矿物质元素含量，旨在揭示不连续蓝光干预调控番茄果实着色的最优模式与潜在机制。
为开展本研究，作者主要运用了以下几项关键技术方法：首先，利用自主研制的LED植物光配方控制系统，在人工气候室内精确实现五种不同的不连续光照射模式。其次，通过分光测色计测量果实颜色参数（如L， a , b*， 色调角Hue等），并计算光化学反射指数(PRI)、红绿比(Red/Green)等光谱指数来间接评估色素比例。再者，采用高效液相色谱法(HPLC)定量分析番茄红素、α-胡萝卜素、β-胡萝卜素、叶黄素、玉米黄质和堇菜黄质等多种类胡萝卜素的含量。同时，通过酶活测定试剂盒检测了八氢番茄红素合成酶(PSY)、八氢番茄红素脱氢酶(PDS)、ζ-胡萝卜素脱氢酶(ZDS)、番茄红素β-环化酶(LCY-B)和番茄红素ε-环化酶(LCY-E)的活性。此外，利用实时荧光定量PCR技术分析了GGPS、PSY、PDS、ZDS、LCY-B、LCY-E等类胡萝卜素合成关键基因的表达水平。最后，采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定了果实中钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)等多种矿物质元素的含量，并进行了相关性分析。
研究结果
3.1. 不连续蓝光干预模式下番茄果实的表观颜色参数
在转色期（47 DAA），与连续红光处理相比，短时不连续蓝光处理（R6h /RB2h ）显著降低了果实的亮度L值和色调角Hue，但提高了红绿色度a 值和红绿比(Red/Green)。这表明在该处理下，番茄果实看起来更红。同时，修正的叶绿素吸收反射指数(MCARI)大幅降低，暗示叶绿素降解更充分。模拟颜色图也直观显示，R6h /RB2h 和R处理的果实颜色最红，而连续红蓝混合光(RB)处理的果实则偏绿。
3.2. 不连续蓝光干预模式下番茄果实的番茄红素含量
在转色期，R6h /RB2h 处理的番茄果实中番茄红素含量比连续红光处理显著提高了3.1%。相反，蓝光干预时间更长的处理（R4h /RB4h 和R2h /RB6h ）则降低了番茄红素含量。与连续混合光RB相比，R6h /RB2h 在转色期和完熟期分别将番茄红素含量提高了25.1%和33.6%。这表明短时不连续蓝光干预能有效促进番茄红素积累，而长时间或连续的蓝光干预可能产生抑制作用。
3.3. 不连续蓝光干预模式下番茄果实的α-胡萝卜素和β-胡萝卜素含量
在转色期和完熟期，R6h /RB2h 处理提高了α-胡萝卜素和β-胡萝卜素的含量，而R2h /RB6h 和RB处理则降低了其含量。短时不连续蓝光干预（R6h /RB2h ）在所有处理中保持了最高的α-胡萝卜素和β-胡萝卜素含量，有助于形成橙红色的果实外观。
3.4. 不连续蓝光干预模式下番茄果实的叶黄素、玉米黄质和堇菜黄质含量
在转色期，R6h /RB2h 处理使叶黄素和堇菜黄质含量分别比连续红光处理提高了3.9%和8.8%。与连续混合光RB相比，所有不连续蓝光处理都不同程度地提高了这三种色素的含量，且提升效果随蓝光干预时间缩短而增强，R6h /RB2h 处理的效果最佳。
3.5. 不连续蓝光干预模式下番茄果实中番茄红素合成相关酶活性
在转色期，与连续红光相比，R6h /RB2h 处理将PSY、PDS和ZDS的活性分别提高了6.2%、9.8%和18.5%。而蓝光干预时间更长的处理则普遍降低了这些酶的活性。这表明短时不连续蓝光干预能有效激活番茄红素合成途径的限速步骤。
3.6. 不连续蓝光干预模式下番茄果实中α-胡萝卜素和β-胡萝卜素合成相关酶活性
同样在转色期，R6h /RB2h 处理轻微提高了LCY-B和LCY-E的活性，而其他蓝光干预处理则降低了它们的活性。这解释了为何该处理能促进番茄红素向α-胡萝卜素和β-胡萝卜素的转化。
3.7. 不连续蓝光干预模式下番茄果实色素代谢相关基因的表达水平
基因表达分析显示，在转色期，类胡萝卜素合成通路上的关键基因（GGPS、PSY、PDS、ZDS、LCY-B、LCY-E）在R和R6h /RB2h 处理中表达水平最高。这从分子层面证实了短时不连续蓝光干预能够上调合成通路基因的表达，从而驱动色素的积累。
3.8. 番茄果实色素、基因与矿物质元素的相关性分析
相关性分析发现，镁(Mg)和钙(Ca)的含量与PSY、GGPS、PDS、ZDS等基因的表达以及番茄红素含量呈显著正相关。这暗示不连续蓝光干预可能通过影响番茄对矿物质元素（尤其是Mg和Ca）的吸收与积累，间接调控了类胡萝卜素的合成代谢。
结论与讨论
本研究系统阐明了不连续蓝光干预对红光下培养的番茄果实着色的影响，并找到了优化模式。主要结论是：在相同光周期下，短时不连续蓝光干预处理（R6h /RB2h ）能最大化单一红光和红蓝混合光对番茄果实着色的积极效应，是最佳的干预策略。具体而言，该处理在果实转色期能显著增强果实的红色度，促进番茄红素、α-胡萝卜素、叶黄素和堇菜黄质等多种类胡萝卜素的积累。其内在机制在于，该处理上调了类胡萝卜素合成关键基因（GGPS、PSY、PDS、ZDS、LCY-B、LCY-E）的表达，并提高了相应酶（PSY、PDS、ZDS、LCY-B、LCY-E）的活性，从而驱动了整个合成通路的流通。此外，研究还发现矿物质元素Mg和Ca与色素合成正相关，提示光质可能通过调控矿质元素吸收来间接影响着色。
这项研究的重要意义在于，它打破了传统连续光照或固定光质配比的思维，从“光节奏”调控的新角度，为植物工厂环境下番茄果实的色泽管理提供了精准、节能且高效的光照策略。该策略不仅能促进果实提前转色、缩短生产周期，还能通过提升番茄红素等有益色素含量来改善果实的营养品质与商品价值。研究揭示的“光质-矿质元素-色素代谢”之间的潜在关联，也为深入理解光环境调控作物品质的复杂网络提供了新线索。总之，这项工作将基础研究与产业应用紧密结合，为推动设施农业的精细化、智能化发展贡献了有价值的理论和实践方案。
打赏
