硒、镧及其复合处理对草莓果实品质的影响

2021-09-26晋莹莹汤菊香张妍妍高尚单长卷

河南科技学院学报(自然科学版) 2021年5期

晋莹莹,汤菊香,张妍妍,高尚,单长卷

（河南科技学院生命科技学院,河南新乡 453003）

草莓,蔷薇科多年生草本植物,其果实营养价值高,口感好,是当今广受消费者欢迎的小浆果之一,具有较好的经济价值和市场前景.硒(Se)是人体必需的微量元素,镧(La)是一种稀土元素,有证据显示适量的Se 和La 均能够对植物的生长发育及其果实品质起到积极的促进作用,将Se 和La 等元素应用于农业生产中以提升作物产量及果实品质已成为近年来的研究热点.秦玉燕等[1]的研究表明,叶面喷施Na2SeO3处理能够显著提升芒果果实中Vc、总糖及可溶性固形物含量;王清华等[2]研究表明,Se 处理能够提升冬枣的产量及其果实中总黄酮的含量,并显著提升果实糖酸比.赵依杰等[3]的研究表明通过外源硝酸镧处理,甜瓜植株的抗氧化能力、果实的营养物质含量和产量均有所提升.此外,我们前期的研究也表明,Se 能够显著提升草莓植株的光合能力进而提升果实糖度及有机物质积累[4],而La 能够从转录层面调控草莓果实Vc 代谢关键酶的活性进而提升成熟草莓果实中Vc 的含量[5].

截至目前,研究者们对La 和Se 两种元素调控植物果实品质方面的研究已取得一定进展,但关于La、Se 两种元素共同作用对果实品质影响的相关研究仍鲜有报道,运用La、Se 复合处理的方法调控草莓果实品质的研究尚属空白.因此,研究该两种元素共同作用对草莓果实品质的影响,对生产中提升果实品质及提升从业者经济效益等方面具有较大意义.

该研究以我国主栽草莓品种‘甜查理’为研究材料,通过盆栽试验并以叶面喷施不同质量浓度配比的Na2SeO3及La(NO3)3混合溶液为手段,对草莓果实的主要营养及外观品质指标进行测定,并运用统计学方法,尝试揭示Se、La 两种元素对草莓果实提升的深层次机理,最终筛选合适的喷适质量浓度及配比,旨在为Se、La 两种元素应用于草莓生产中,以提升果实品质提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018 年10-12 月进行,试验地点位于河南科技学院植物生理生化实验室.试验所用材料为‘甜查理’草莓幼苗.将幼苗定植于塑料盆中,盆容积约2 L,规格为14*15 cm,每盆装培养土1.5 kg,土壤主要理化性质见表1.每盆浇水500 mL,置于室内进行缓苗处理.

1.2 试验设计

定植3 d 后,选取生长状况良好且相对一致的草莓苗置于人工物候箱中培养,其昼夜温度设置为25/15 ℃,日间/夜间光强设置为600/0 μmol/(m2·s),光周期设置为10 h,相对湿度60%.待现蕾期开始,使用不同质量浓度配比的Na2SeO3及La(NO3)3混合溶液进行叶面喷施,每8 d 处理1 次,每盆每次喷施20 mL溶液,直至果实成熟,共处理三次.参照前期预试验所得结果,本次研究共设置15 个质量浓度处理,各处理镧、硒质量浓度配比见表2,对照组仅采用等量清水处理,每个处理3 个重复,共48 盆.

表2 不同处理Na2SeO3 和La(NO3)3 混合溶液质量浓度配比Tab.2 Concentration ratios of Na2SeO3 and La(NO3)3 mixed solutions under different treatments

1.3 测定方法

待果实成熟,选取周身着色达90%以上,无畸形、病虫害及机械损伤的鲜果进行整体取样.果实横纵径以电子游标卡尺测量,并计算果形指数.

果实硬度以GY-1 型手持硬度计进行测量,可溶性固形物含量以WYZ 型手持折光仪进行测定,果实色泽指数(CI)以CHN Spec Colorimeter CS-10 便携式色差仪进行测定,所得L,a,b 值参照程大伟等[6]的红色果实色度模型进行计算,计算式如下

式（3）中：CI＜2 为黄绿色,2＜CI＜4 为粉红色,4＜CI＜5 为红色,5＜CI＜6 为深红色.

果实可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法进行测定[7],有机酸含量采用标准滴定法测定[8].果实Vc 含量参照李雁飞等[9]的方法测定、可溶性糖含量参照黄艳等[10]的方法测定.

上述每个指标测定3 次.所得数据以Visio 2016 进行制图处理,以SPSS statistics 25 进行差异显著性、相关性及主成分分析.

2 结果与分析

2.1 硒、镧及其复合处理对草莓果实营养物质含量的影响

硒、镧及其复合处理对草莓果实营养物质含量的影响如图1 所示.

由图1 可知,相比对照组,经Se 和La 处理及其复合处理草莓果实中的可溶性固形物、可溶性糖、Vc含量以及果实糖酸比均得到一定程度的提升.各处理草莓果实中可溶性固形物含量以T13 处理最为显著(图1-a),其值高于对照组31.5%,高于同等质量浓度Se 溶液单独处理(T10)14.5%.此外,各处理草莓果实中Vc 含量以T2 处理最为显著(图1-b),其值高于对照组56.1%,高于同等质量浓度La 溶液单独处理(T13)30.5%,高于同等质量浓度Se 溶液单独处理(T11)16.8%.各处理草莓果实中可溶性蛋白量及果实糖酸比亦以T2 处理最为显著(图1-c,f),其值分别高于对照组26.4%、53.7%,分别高于同等质量浓度La溶液单独处理(T13)14.5%、24.8%,分别高于同等质量浓度Se 溶液单独处理(T11)8.5%、13.5%.

此外,各处理草莓果实中可溶性糖含量(图1-d)除T9 处理外均显著高于对照组,其中以T11 处理提升最为显著,其值高于对照组28.9%,高于同等质量浓度La 溶液单独处理(T14)17.3%.各处理草莓果实中有机酸含量变化不一(图1-e),以T2 处理降低最为显著,其值低于对照组12.1%,低于同等质量浓度La溶液单独处理(T13)0.5%,低于同等质量浓度Se 溶液单独处理(T11)3.9%.说明硒镧复合处理能够显著提升草莓果实的营养物质含量及果实糖酸比,总体上以质量浓度为10 mg/L La(NO3)3质量浓度为30 mg/L Na2SeO3配比最为显著,而在可溶性固形物方面,以质量浓度10 mg/L La(NO3)3处理提升最为显著,在果实可溶性糖含量方面以质量浓度30 mg/L Na2SeO3处理提升最为显著.

图1 硒、镧及其复合处理对草莓果实营养物质含量的影响Fig.1 Effects of Se,La and their composite treatment on nutrient content of strawberry fruits

2.2 硒、镧及其复合处理对草莓果实外观品质的影响

硒、镧及其复合处理对草莓果实外观品质的影响如图2 所示.

图2 硒、镧及其复合处理对草莓果实外观品质的影响Fig.2 Effects of Se,La and their composite treatment on appearance quality of strawberry fruits

由图2 可知,相比对照组,经过Se 和La 处理及其复合处理的草莓果实硬度、纵径、横径、果形指数以及CI 值均得到一定程度提升.各处理草莓果实中硬度以T13 处理最为显著(图2-a),其值高于对照组20.0%,高于同等质量浓度Se 溶液单独处理(T10)5.0%.各处理草莓果实中纵径及果形指数以T2 处理最为显著(图2-b,d),其值分别高于对照组40.2%、27.1%,分别高于同等质量浓度La 溶液单独处理(T13)19.6%、1.5%,分别高于同等质量浓度Se 溶液单独处理(T11)5.6%、8.4%.各处理草莓果实中的横径以T7处理最为显著(图2-c),其值高于对照组16.8%,高于同等质量浓度La 溶液单独处理(T15)8.4%,高于同等质量浓度Se 溶液单独处理(T10)5.4%.

硒、镧及其复合处理对草莓果实色泽指数的影响如图3 所示.

图3 硒、镧及其复合处理对草莓果实色泽指数的影响Fig.3 Effects of Se,La and their composite treatment on the color index of strawberry fruits

由图3 可知,各处理草莓果实中CI 值以T9 处理最高,对照前文1.3 部分所述草莓果实色泽指数CI值的区间范围,该处理果实的色泽为深红色.而T8、T15 处理果实的色泽指数CI 值在5.0～5.5 之间,色泽略低于T9,T2、T5、T6、T7、T12 和T14 处理的CI 值均位于4.5～5.0 之间,果实的色泽为红色,T1、T3、T4、T10、T11 和T13 处理的CI 值均处于4.0～4.5 之间,果实色泽呈微红色,较对照偏红.

上述结果表明硒镧复合处理能够显著提升草莓果实的果型指数,以质量浓度为10 mg/L La(NO3)3和质量浓度为30 mg/LNa2SeO3浓度处理最为显著,而果实色泽整体上呈现随Se 和La 质量浓度的提升而逐渐加深的趋势,而在果实硬度方面则以质量浓度为10 mg/L La(NO3)3处理提升最为显著.

2.3 硒、镧及其复合处理对草莓果实La 含量和Se 含量的影响

硒、镧及其复合处理对草莓果实的La 含量和Se 含量的影响如图4 所示.

图4 硒、镧及其复合处理对草莓果实的La 含量和Se 含量的影响Fig.4 Effects of Se,La and their composite treatment on La and Se contents in strawberry fruits

由图4 可知,相比对照组,各处理草莓果实中镧和硒的含量均随外源La(NO3)3和Na2SeO3质量浓度的增加而呈现显著上升趋势.其中,La 含量以T15 处理提升最为显著,Se 含量以T12 处理提升最为显著,其含量分别达到26.1 和32.5 μg/kg.根据我国卫生部门对果蔬中微量元素及稀土元素含量的要求(果蔬中Se 含量应低于0.1 mg/kg,La 含量应低于0.7 mg/kg),本研究中所有处理草莓果实中La 和Se 的含量均符合要求,不存在食品安全风险[11-12].

2.4 镧、硒溶液质量浓度与果实品质指标间的相关性分析

为进一步探究La、Se 两种元素对草莓果实品质的影响途径,本研究结合零阶皮尔森相关性分析(表3)和一阶偏相关(表4)两种方法,对Se 和La 调控草莓果实品质的指标进行数学统计分析,以期为今后的研究提供参考.

表3 外源Na2SeO3 和La(NO3)3 质量浓度与果实品质指标间的皮尔森相关性分析Tab.3 Pearson correlation analysis between exogenous Na2SeO3,La(NO3)3 concentration and fruit quality index

表4 镧和硒溶液为控制变量的一阶偏相关分析Tab.4 First order partial correlation analysis with lanthanum and selenium concentrations as control variables

结果表明,无论一阶还是零阶相关,La 溶液质量浓度均未与草莓品质指标间呈现显著的相关性,即P＜0.05,而对Se 而言,在零阶相关和一阶相关中,其喷施质量浓度与草莓果实Vc 含量、可溶性糖含量、糖酸比、果实纵径和果形指数间均呈现较为显著的相关性.结合上文中观测到的数据,可以判定Se 和La溶液均能对草莓果实各品质指标起到提升作用.上述结果说明,La、Se 复合处理下草莓果实各品质的提升途径不尽相同.在控制La 添加量的情况下,Se 的质量浓度与果实Vc 含量、糖酸比、果形指数间的相关性较零阶相关系数均有所下降,说明造成上述几个果实品质指标的提升原因是以Se 为主导因素,La 则起到了一定的辅助作用,两种元素协同作用促进品质指标提升;而Se 的质量浓度与果实可溶性糖含量的一阶相关系数较零阶相关系数有所下降,说明Se 和La 两种元素均能够起到提升草莓可溶性糖的作用,且两种元素的作用相对独立,其中Se 的提升作用较La 更大.此外,对于在两次分析中均未显示出相关性的可溶性固形物含量、蛋白含量等指标的提升,则是由于Se 和La 两种元素各自作用导致的,且两种元素的贡献均大.

2.5 基于主成分分析法构建草莓果实评价体系

由于本研究中不同处理下的草莓果实品质指标较为复杂,最优选择不完全一致,难以直接判断草莓果实品质的优劣,故利用主成分分析法对草莓果实品质指标数据进行优化,以确定最优喷施质量浓度及配比.

考虑到本研究中各草莓品质指标数据单位及数量级等因素的不一致性,为避免最终结果产生偏差,故预先对各处理果实测定所得的品质数据进行标准化处理(见表5).随后依据标准化数据对品质指标进行主成分分析,得到草莓果实品质主成分方差贡献率(见表6),由于软件默认提取前两个主成分(即方差特征值大于1),但考虑到前两个主成分累计贡献率仅为76.226%,故本研究采取前三个主成分进行计算(累计贡献率达86.636%),得到主成分载荷矩阵(见表7).

表5 品质指标标准化处理数据Tab.5 Standardization processing data of quality indicators

表6 品质指标主成分方差贡献率Tab.6 Quality index principal component variance contribution rate

依据上述所得数据对草莓果实品质进行评价,得到主成分特征向量系数,并分别构建主成分1、2、3的函数表达式(见表8).依照函数式(1)计算果实品质得分并进行降序排列,所得结果见表9.经过计算,最终T2 处理品质得分最高,相比其他处理具有明显优势.

表9 主成分因子得分Tab.9 Principal component factor score

式（1）中：y 为果实品质综合得分,t 为对应主成分特征值.

3 讨论

大量证据表明,通过外源施加La 和Se 元素能够对植物植株的生长状况及其果实品质起到促进作用,本研究表明,外源Se 和La 会显著提升甜查理草莓果实的品质指标,这与前人的研究结果基本一致.然而,关于Se、La 两种元素复合处理对植物果实品质的影响至今仍知之甚少,本研究发现,相比单独的Se和La 溶液处理,Se、La 两种元素复合处理能够为草莓果实品质带来进一步显著地提升.

郭坤元等[13]和庞春花等[14]的研究表明,亚硒酸盐和La(NO3)3处理能够分别提升葛根和藜麦中可溶性蛋白含量.本研究表明,Se 和La 溶液及其复合溶液处理下的草莓果实中可溶性蛋白含量显著提升,这与前人的研究结果基本一致.此外,本研究还发现,质量浓度为30 mg/L Se 溶液处理过的草莓果实中的可溶性蛋白含量高于同等质量浓度La 溶液及Se、La 复合处理下草莓果实的溶性蛋白含量.谭景莹[15]研究发现,Se 在生物体内的主要形式为硒半胱氨酸,该形式的硒会从翻译层面对生物体内多肽链的合成起到促进作用,这很可能是本研究中果实可溶性蛋白含量增加的主要原因.

印宁等[16]和王玮等[17]的研究表明,外源Se 能够提升葡萄和西瓜等植物果实中的可溶性糖含量,同时,任艳军等[18]的研究表明,外源La 溶液处理能够显著提升油菜中可溶性糖含量.本研究表明,单独施加外源Se 或La 处理以及Se、La 复合处理下的草莓果实中可溶性糖含量得到显著提升,这与前人的研究结果基本一致,同时也是本研究中果实糖酸比提升的重要因素.此外,本研究发现质量浓度为10 mg/L La 溶液配合质量浓度为30 mg/L Se 溶液处理能够较大限度提升果实可溶性糖含量及糖酸比.童玲[19]的研究表明,La 能够提升茶杆竹叶片的光合生理指标,进而提升植株干物质积累,Se 能够提升草莓植株叶片光合生理参数、叶绿素荧光参数以及叶绿素含量.光合作用是植物有机物质合成的主要能量来源,提供了植物体内绝大部分碳源[3].可溶性糖含量的提升很可能与草莓叶片光合能力提升有关.李岳丽等[20]和金小琬等[21]的研究表明,La 和Se 均能够起到促进植物对Mn、Mg、K 等光合作用所需关键元素的吸收.此外,田仲鹤等[22]的研究表明,适量La 元素能够起到改善叶绿体超微结构的功能.这些因素都能够促进草莓叶片光合能力的提升,进而改善果实营养品质.

Shan 等[5]的研究表明,外源La(NO3)3能够调控各发育时期草莓果实抗坏血酸相关酶如L-半乳糖1,4内脂脱氢酶、抗坏血酸还原酶及脱氢抗坏血酸还原酶等编码基因的表达,并调控代谢酶的活性从而增加草莓果实的Vc 含量.高尚等[23]的研究表明,通过外源Na2SeO3处理,转色期草莓果实的Vc 代谢关键酶活性及Vc 含量得到了显著提升.本研究表明,外源La(NO3)3和Na2SeO3处理均能够显著提升成熟期草莓果实中的Vc 含量,这与前人的研究结果基本一致.此外,本研究发现质量浓度为10 mg/L La(NO3)3配合质量浓度为30 mg/L Na2SeO3复合处理下草莓果实中的Vc 含量显著高于单独的La 和Se 处理.作为光合作用的次生代谢产物,果实中Vc 含量的提升很可能与La 和Se 对叶片光合作用的提升作用有关.此外,Se 对植物抗氧化能力的提升也会一定程度上促进果实Vc 的积累.

施志鹏等[24]的研究表明,La 和Se 复合处理对植物的影响具有互补性,且二者对植物代谢的影响机理有较大差异,他认为适量质量浓度的La(NO3)3能够提升植物对Se 的耐受能力,进而提升Se 在植物体内的作用.上述观点与本研究中通过相关性对比所得的结论基本一致,但有关于La 和Se 两种元素对植物代谢的具体影响研究较少,其对植物的影响机制还有待进一步探究.