不同盐渍化土壤栽培的黑果枸杞品质评价
2020-03-13冯雷李雪徐万里唐光木孙宁川顾美英
冯雷, 李雪, 徐万里, 唐光木, 孙宁川, 顾美英
(1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所, 乌鲁木齐 830092; 2.西北农林科技大学资源环境学院, 陕西 杨凌 712100; 3.新疆农业大学食品科学与药学学院, 乌鲁木齐 830052;4.新疆农业科学院微生物应用研究所, 乌鲁木齐 830091)
随着气候变化以及人口数量的日益增长，农业生产系统势必将扩大到中低产田(盐碱地、沙地等)，且由于水资源的限制，今后也将加大咸水灌溉的利用。因此，评价盐胁迫条件下农作物的果实品质具有重要意义[1]。古丽江等[2]研究发现，蓝靛果忍冬(LoniceraedulisTurcz.)在0.6%NaCl胁迫条件下果实可溶性多糖含量低于0.4%NaCl处理，并均显著高于清水处理。可见，适宜浓度的盐胁迫增加果实的糖类成分积累。另有研究发现，在75～100 mmol·L-1NaCl溶液处理下SpondiastuberosaArr. ex Coster茎中的氨基酸含量增加110%[3]。Savvas等[4]认为,嫁接技术促进K+从地下组织向地上组织的转运，减轻盐渍化土壤胁迫对作物产生的负面影响。可见根茎和果实之间营养吸收或生理代谢平衡是对盐渍化胁迫的应答。Dias等[5]证明，在NaCl胁迫下植株的代谢差异涉及碳代谢、TCA循环以及氨基酸代谢，这种变化可能是植物对盐胁迫的保守响应。综上所述，适度的盐碱胁迫条件可促进植物营养成分的积累，并提升易受胁迫植物对生长环境的适应性。
黑果枸杞 (LyciumruthenicumMurr. ) 是我国西北地区特有的药用经济型植物，被广泛应用于药品、食品加工和生态环境治理等领域，并能够改良土壤，具有一定的经济效益。目前，新疆自治区黑果枸杞资源丰富，全疆总种植面积在100万hm2以上[6]，但由于并未做到完全的适地适树，导致黑果枸杞产率较低，大幅度地降低了其经济利润空间。新疆地区土壤盐渍化已严重影响到绿洲及农业的可持续发展，耕地更是经历多次灌溉洗盐和蒸发积盐的过程，土壤环境愈发恶化[7]。黑果枸杞可将土壤盐分运移至根际和冠幅以内的土壤，明显降低冠幅以外的土壤盐分浓度，一定程度改良了土壤[8]。杨涓等[9]研究发现,0.3% NaCl处理枸杞果实中的蔗糖磷酸合成酶活性升高，0.6% NaCl处理使蔗糖合成酶的活性先降后升，进而促进果实中蔗糖的合成；杨涓[10]也证明0.6% NaCl处理使果实可溶性多糖增加。李惠霞等[11]研究发现,给次生盐渍化土壤施用不同配比的氮磷钾肥，枸杞果实的可溶性多糖含量与施氮量成正比。李新虎[12]研究证明,土壤盐分抑制枸杞多糖生成，而促进粗蛋白形成。可见，土壤盐渍化强烈干扰黑果枸杞的糖代谢，但土壤因子影响黑果枸杞果实营养成分累积的规律未完全探明[13-15]，其累积效果是否与盐渍化土壤各组分间的补偿效应相关也未阐明。基于此，本研究设置不同盐渍化梯度对栽培型和野生型枸杞进行处理，通过评价盐渍化土壤对黑果枸杞果实品质的影响，来解析土壤盐基离子对黑果枸杞营养成分累积的贡献规律，为黑果枸杞种质资源的充分利用提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料和处理
黑果枸杞果实于2018年8月26日采摘，各选取15株，每个处理选择长势相近的植株，按照每株上、中、下3层果实采收比例 2∶3∶1 进行采收，3次平行取样，将供试果实在25 ℃自然风干20 d，预处理后混合均匀，贮于4 ℃冰箱备用。试验前，将供试果实磨粉过80目筛，备用。
1.2 试剂与仪器
16种氨基酸混合标准溶液购自德国赛卡姆公司，所用试剂均为分析纯。仪器有BSA223S电子天平(赛多利斯公司)、MARS X型微波消解仪(美国CEM公司)、S-433D型氨基酸全自动分析仪(德国Sykam公司)、722N型分光光度计(上海仪电分析仪器有限公司)和电感耦合等离子体发射光谱仪(美国PE公司)。
1.3 测定指标与方法
黑果枸杞果实中的天然活性物质采用石油醚脱脂后用微波消解仪 (美国CEM公司) 提取，苯酚-浓硫酸法[16]测定；果实和土壤的矿物元素 (Fe、Mn、Zn) 含量测定，采用电感耦合等离子体发射光谱法[17]；蛋白质经盐酸水解为游离氨基酸，经氨基酸分析仪 (德国Sykam公司) 的离子交换柱分离后，与茚三酮溶液产生颜色反应，再通过分光光度计 (上海仪电分析仪器有限公司)测定氨基酸含量[18]。
通过土壤因子各指标计算中度盐渍化条件下栽培型与野生型黑果枸杞氨基酸变异系数，用以解释栽培型与野生型黑果枸杞的变异。变异系数的计算公式[20]如下。
变异系数(CV)=X/S
式中,X为氨基酸含量的平均值，S为氨基酸含量的标准差。
1.4 统计分析方法
1.4.2灰色多维综合隶属度评估法 经专家打分并采用微量元素方差贡献法[21]获得果实微量元素Fe、Zn、Mn的权重分别为 0.04、0.06、0.05；氨基酸Asp、Glu、Ala、Gly、Tyr、Pro、Cys、Ser、His、Arg、Ile、Leu、Thr、Lys、Phe、Val、TAA的权重分别为0.03、0.01、0.06、0.08、0.04、0.19、0.09、0.12、0.15、0.25、0.31、0.15、0.17、0.3、0.22。
以F表示某品种、某性状、某等级的隶属函数值，x表示其相应的实测值，a表示其对应的界限值。当等级为优良时，F=x/a；当等级为较好、 一般时，x
1.5 数据统计与分析
用Canoco 4.5软件对数据进行统计分析并绘图。
2 结果与分析
2.1 不同盐渍化梯度土壤性质比较
不同盐渍化处理的土壤性质检测结果(图1)显示，T3处理的土壤总盐含量最高，显著高于其他处理，T2和T4间没有显著差异，均显著高于T1处理。土壤 pH 和有机质含量在4个处理间没有显著性差异，土壤 pH 介于8.5～9.0，有机质含量均介于8.78～10.06 g·kg-1。微量元素中， Fe含量T2处理最高，为27.90 mg·kg-1，显著高于T4处理，而T1、T3、T4处理间没有显著性差异；锌和锰含量在4个处理间没有显著性差异。
注：不同小写字母表示同一指标不同处理间差异在 P<0.05 水平具有统计学意义。Note：Different small letters of the same index indicate significant difference between different treatments at P<0.05 level.图1 不同盐渍化土壤的性质Fig.1 Soil characteristics of different salinized soils
2.2 不同土壤盐渍化土壤黑果枸杞果实的天然活性物质含量
转化糖和还原糖是黑果枸杞果实天然活性物质的主要组分[16]。表1显示，不同处理中，T2处理的黑果枸杞果实转化糖含量最高，为317.8 g·kg-1，是T4处理野生型黑果枸杞的3.48倍，但与T1处理无显著性差异。T2处理的果实还原糖含量最高，为309.5 g·kg-1，与T3、T4存在显著差异，与T1处理无显著差异。
表1 黑果枸杞果实的转化糖和还原糖含量Table 1 Invert sugar and reducing sugar contents in fruits of L. ruthenicum (g·kg-1)
2.3 不同土壤盐渍化梯度黑果枸杞果实的微量元素含量
Fe、Mn和Zn是新疆土壤相对匮乏的微量元素，强烈影响经济作物品质[23]。表2显示， T4处理的黑果枸杞果实Fe元素含量最高，为(180.00±34.67) mg·kg-1，显著高于栽培型黑果枸杞处理 (T1、T2、T3)，栽培型处理间无显著差异。盐渍化条件下栽培型黑果枸杞果实中Mn含量均高于野生型黑果枸杞处理，其中T1处理含量最高，为(9.55±2.79)mg·kg-1。Zn元素含量与Mn含量规律相似，栽培型黑果枸杞Zn元素含量大于野生型，但T3处理果实锌含量显著降低。
表2 黑果枸杞果实的微量元素含量Table 2 Trace element contents in fruits of L. ruthenicum (mg·kg-1)
2.4 不同土壤盐渍化梯度黑果枸杞果实的氨基酸含量
不同处理的氨基酸含量结果 (表3) 显示， T1处理的总氨基酸总量最高，为9.61 mg·kg-1，与T3处理没有显著性差异；T4处理野生型黑果枸杞含量最低，为4.04 mg·kg-1。栽培型果实氨基酸含量大于野生型果实，且在轻度盐渍化条件下 (T1) 氨基酸含量最高，均表现为T2果实氨基酸含量低于T1和T3，而T1、T3之间无显著性差异。
表3 样品中氨基酸的含量Table 3 Amino acid contents of fruits in different saline soils (mg·kg -1)
T1处理的必需氨基酸总量 (essential amino acids, EAA)最高，为2.88 mg·kg-1，T4处理最低，为1.61 mg·kg-1。T4处理的黑果枸杞果实的EAA/TAA值最高，为39.85%，高于其他3个处理。
2.5 黑果枸杞营养成分分析评价
注：红色指标指土壤因子，黑色指标指氨基酸指标。轴1、2表示降维后第1(品质)、2(环境因子)轴特征值。红色箭头线条与坐标轴及各指标夹角表示二者相关性，角度越小表示相关性越大，角度越大相关性越小。距中心点距离表示与样本的相关性，线条越长相关性越小，线条越短相关性越大。Note：Red means soil indexes and black means amino acids index of fruit. Axis 1 and 2 represent eigenvalues of the first and second axis after dimensionality reduction. Angle between red arrow line and coordinate axis or each index indicates correlation between them. The correlation decreases with the increasing of angle. Distance from index to center point indicates the correlation of index with the sample. The longer the line is, the smaller the correlation is.图2 土壤因子与栽培型黑果枸杞果实氨基酸RDA分析Fig.2 RDA analysis of soil indexes and amino acids in fruit of L. ruthenicum
综合隶属函数分析结果(表4)显示，T1、T2、T3、T4处理黑果枸杞的综合隶属度 (F值)平均值分别为0.98、1.37、1.09和1.03。由此可见，T2处理黑果枸杞的F值显著高于其他3个处理，T1、T3和T4处理之间无显著差异。综上所述，T2条件下栽培型黑果枸杞果实质量最优。
表4 不同盐分梯度下的综合隶属函数值Table 4 Comprehensive membership values of different salination gradients treatments
3 讨论
黑果枸杞是中国西北干旱及半干旱生态脆弱区广泛分布的典型药食两用经济型盐生植物，兼有特种用途林的属性[24-25]，也是盐碱地修复的重要植物资源。本研究发现黑果枸杞果实还原糖与转化糖含量均在中度盐渍化土壤中最高，且随着盐渍化梯度增加果实转化糖、还原糖含量明显减少，表明适度的盐胁迫可提高果实转化糖、还原糖含量，且可能与微量元素存在协同作用，这与冯雷等[26]的研究结果一致。问雪丛[27]通过研究盐碱胁迫下鹿尾草 (Salsolarichteri)的糖代谢规律，推测中性和酸性转化酶活性上升可能是还原糖增加的重要原因。杨涓[10]研究指出，重度盐胁迫会降低植物组织中醛缩酶活性，影响1,6-二磷酸果糖转化，导致还原糖含量降低。因此适度盐胁迫可以提高中性和酸性转化酶活性，而重度盐胁迫将抑制醛缩酶活性，这可能是盐胁迫改变黑果枸杞果实转化糖和还原糖含量的原因。
铁和锌是植物生长及生理活动所必需的营养元素[23]，也是人体必需的微量元素。相关研究[20]显示，黑果枸杞微量元素及其他营养成分的差异可能与生境的差异性有很大关系。本研究发现环境因子相似的T2和T4处理的的黑果枸杞果实微量元素Mn含量均最低，但不同处理的栽培型黑果枸杞果实Zn含量均显著高于野生型，氨基酸也具有相似规律，因而推测微量元素可能是盐调控果实品质的重要原因[28]。有研究指出，盐胁迫促进西瓜果实微量元素Zn和Cu的积累，并提高了其品质[29]。但Gasto等[30]曾报道，苹果树接种丛枝菌根后，果实中Mn含量明显下降，苹果品质也有一定程度改善，认为丛枝菌根促进了植物细胞壁更高效的富集Mn元素，同时将活化的锰再次钝化束缚于土壤中。本研究显示，土壤盐渍化程度的加剧与果实Zn元素积累呈显著负相关，而对Fe、Mn元素无显著影响。原因可能是盐基离子抑制植物根系分泌较多活性物质，植物难以利用Zn[31]；而对于Fe和Mn来说，黑果枸杞受到胁迫时可能启动了与两者高效转运和利用的相关基因[32]。
氨基酸是构成生物体内蛋白质分子的基本单位，与生物的生命活动有着密切的关系。本研究表明，栽培型黑果枸杞果实中的氨基酸含量与Mn元素含量呈极显著正相关，且均显著高于野生型黑果枸杞。谢鸿根等[33]研究发现，盐碱环境栽植的火龙果果肉较其他生态条件种植的总氨基酸含量高。这种现象在多种物种中被证实，Hepperly等[34]报道土壤中添加适量微量元素可影响玉米籽粒必需氨基酸的合成与代谢；Antoniadisa等[35]认为某些不溶性元素，如Fe和Mn等，更容易在非氧化条件下被植物吸收，有利于植物金属酶类合成，提高氨基酸累积量；因而添加微量元素，植物氨基酸含量显著增加。本研究中，栽培型黑果枸杞的总氨基酸含量为7.98～9.61 mg·kg-1，比野生型增加了1.98～2.38倍，可能也是微量元素水平差异造成的。但是，盐渍化土壤中微量元素促进果实氨基酸合成及代谢的机理，还有待进一步深入研究。
