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UV-B 辐射对生菜产量和品质的影响

2021-10-05聂鑫赵长江李响聂海洋王岭杨升朱广石

黑龙江八一农垦大学学报 2021年4期
关键词:类黄酮株高生菜

聂鑫,赵长江,李响,聂海洋,王岭,杨升,朱广石

(黑龙江八一农垦大学农学院,大庆 163319)

植物是光合自养型有机体,因此必须不断适应环境条件的变化[1]。地表UV-B 辐射强度的加剧,使得UV-B 辐射作为胁迫因子将导致植物适应环境的机制发生改变。UV-B 辐射对植物的影响具有累积效应,辐射时间越长,对植物的影响也就越大。植物通过自身一系列生理代谢活动的变化,适应或抵抗环境中UV-B 辐射的变化[2]。通常情况下,UV-B 辐射对植物有强烈的负面效应,例如导致蛋白质损伤、膜脂变化和叶绿体损伤等。

植物在受到UV-B 辐射伤害后,在生长过程及营养品质和生理代谢反面也会产生极大的不同,并通过自身的应激性来适应UV-B 辐射[3]。大量的科学研究表明,植物通过紫外照射后,抗逆性明显增强,尹明安等[4]指出苹果经过UV-B 辐射后,果实的抗病能力明显提高。厉维江等[5]通过对葡萄进行低剂量紫外辐射的处理,发现储藏期明显增加且不易腐烂,从而达到延长果蔬保鲜期的目的。紫外线处理能提高果蔬的苯丙氨酸解氨酶、多酚氧化酶活性,增加总酚含量;提高超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性,降低活性氧含量,减少丙二醛积累,从而保护膜结构完整性,进而提高果蔬的抗病性[6]。因此通过UV-B 辐射提高生菜品质是可行并有实际意义的。

1 材料与方法

1.1 材料

供试生菜(lactucis)品种为美国大速生(American rapid growth)。该品种生长速度快,生育期45 d 左右,品质甜脆,无纤维,不易抽薹;耐寒性强,适合北方露地和保护地周年生产。

1.2 植物种植及处理

挑选大小一致、饱满、无破损生菜种子,直接播种到含有吸水饱和的育苗土壤基质的小花盆中,每盆均匀播种5 粒种子,于生人工气候室行培育。培养条件为,白天25 ℃,14 h,夜间18 ℃,10 h。当幼苗生长到两片真叶两片子叶时进行UV-B 辐照处理。

UV-B 辐照处理所用紫外线灯管为UV-B 313(美国)。处理装置参照实验室前期处理高粱幼苗的方法[7],即紫外灯管安装在可调高度的培养架上,并用醋酸纤维膜包裹灯管(滤除UV-C 波段辐射)。通过UV-B 辐射计测定,调节辐照剂量为40 μw·cm-2。将两片真叶两片子叶的生菜放置在灯管正下方进行照射处理,辐照处理时间分别为2、4、6、8 h,以未进行UV-B 照射的正常植株作为对照。辐照处理结束后,转移到人工气候室恢复生长,分别于恢复3、5、10、15 d 进行表型和光合指标的测定,同时取样用液氮速冻后冷冻,用于各项品质指标的测定。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生长相关指标测定

(1)鲜重(产量)测定

对4 个不同UV-B 处理时长且分别恢复3、5、10、15 d 的生菜,以及相应的对照,共20 个处理植物进行取样测定地上部鲜重,每个处理至少3 个重复。

(2)株高和根长测定

对4 个不同UV-B 剂量处理且分别恢复3、5、10、15 d 的生菜,以及相应的对照,共20 个处理植物进行取样,测定株高和根长,每个处理至少3 个重复。

(3)胞间CO2浓度测定

使用SPAD502 仪(日本柯尼卡美能达公司)和Li-6400XTR 光合仪(美国Li-COR 公司)对4 个不同UV-B 剂量处理且分别恢复3、5、10、15 d 的生菜,以及相应的对照,共20 个处理的植物,选择第二片全展叶进行相关指标的测定,每个处理至少重复10次。其中光合仪测定时叶室CO2浓度为400 μL·L-1,光强约为800 mmol·m-2·s-1,温度为25 ℃±2 ℃。

1.3.2 品质相关指标测定

(1)维生素C 含量的测定

将生菜样品放入研钵中,加入20 mL 1%盐酸迅速研磨成浆,用1%盐酸溶液冲洗转入100 mL 容量瓶定容,用力摇匀并放置5 min,然后过滤。取10 mL滤液,用微量滴定管以2,6-二氯酚标准液滴定至粉红色,保持1 min 不退色,记下2,6-二氯酚用量。提取样品的混合酸液及其还原物质还原能力的校正值;取1%盐酸和1%草酸各10 mL 混合,用同样的染料溶液滴定至粉红色为止,从试验溶液的滴定材料中,减去酸液滴定值即为所测材料的实际滴定值[8]。

(2)可溶性蛋白质含量的测定

称取叶片鲜样0.5 g,加2 mL 蒸馏水研磨成匀浆,转移到离心管中,再加6 mL 蒸馏水洗涤研体,洗涤液转入同一离心管,静置0.5~1 h,再4 000 r·min-1离心20 min,将上清液转入10 mL 容量瓶中,用蒸馏水定容至刻度,即为待测液。另取3 支10 mL 试管,吸取待测液0.1 mL,放入试管中,加5 mL 考马斯亮蓝,充分混合,放2 min 后于595 nm 下进行比色[9]。

(3)类黄酮含量的测定

称取新鲜叶片0.5 g,加10 mL 酸性甲醇溶液(甲醇、水、盐酸体积比为79∶20∶1),室温下研磨;于55 ℃水浴中提取30 min。3 000 r 离心10 min,定容至10 mL,用分光光度计在波长300 nm 处比色测定类黄酮含量[10]。

1.4 数据分析

采 用EXCEL2010 和DPS9.2、Multi Experiment Viewer 对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 UV-B 辐射对生菜产量的影响

如图1 所示,UV-B 辐射处理2、4、6 和8 h 等4个处理,在处理后UR3、UR5、UR10 和UR15 d 时生菜产量变化趋势基本一致,即随着处理时间的延长,生菜产量不断下降,但处理间差异的显著性不同。在UR3 d 和UR5 d 区间,4 个处理间生菜鲜重差异显著性相同,其中U4、U6 和U8 与对照U0 比较鲜重降低显著,U2 与U0、U4 与U2、U6 与U4 处理间差异不显著,表明该恢复期生菜鲜重的降低是由增强的UV-B辐射直接造成的;然而UR10 d 和UR15 d 区间4 个处理间生菜鲜重差异显著不尽相同,也与UR3 d 和UR5 d 期鲜重变化显著性不同。UR10 d 时,U2 与U4处理鲜重无显著差异,但是与U0、U6、U8 间差异显著;U4 在整个试验过程中呈现出明显的上升趋势,随着恢复时间的增加,U4 与U0 之间的差距逐渐缩小,这也印证了我们试验的初衷,在较少减产或不减产的前提下提高生菜的营养含量。UR15 d 时,U0 与U2、U4 间差异不显著,U0 与U6、U8 之间的差异显著,其中U4 和U6 间差异不显著,U6 和U8 间差异不显著。这个阶段生菜生长速度较快,各处理之间的差异逐渐变小,表明生菜进入辐射伤害的恢复期。

图1 不同UV-B 处理生菜鲜重变化Fig.1 Fresh weight of lettuce at different UV-B treatment

纵观4 个UV-B 处理在不同恢复期产量情况,研究结果表明增强的UV-B 辐射虽然会对生菜的产量在早期造成一定的影响,但是随着恢复时间的增加,如U2 和U4 处理恢复15 d,这种影响将会越来越小,或者说合适剂量UV-B 处理可以在不影响产量的前提下,提高抗病虫性的同时改善其营养保健品质。

2.2 UV-B 辐射对生菜株高的影响

株高从侧面可以反映出生菜的生长状态,株高是植物形态学调查工作中最基本的指标之一,其定义为从植株基部至主茎顶部即主茎生长点之间的距离。如图2 所示,UV-B 辐射处理2、4、6 和8 h 等4个处理,在处理后恢复UR3、UR5、UR10 和UR15 d时生菜株高变化趋势基本一致,与生菜鲜重变化趋势相似;随着处理时间的延长,生菜株高不断下降,4个辐射处理的4 个恢复时间差异的显著性不同。在经过UV-B 辐射处理恢复UR3 d 后,除U0 与U2、U2与U4、U6 与U8 的处理间差异不显著外,其余不同辐射处理间的生菜株高差异显著。恢复UR5 d 和UR10 d 情况下,不同处理间生菜株高差异更加明显,处理剂量分组情况更加清晰。所以,结合鲜重的结果,大致可以将供试UV-B 剂量分为两大类,U2 和U4 相近组,U6 和U8 相近组。表明生菜对U2 和U4剂量响应的机制可能相近。恢复UR15 d 的情况,不同处理间生菜株高的差异与恢复UR3 d 株高差异趋势基本一致,恢复前期和末期不同处理间生菜株高变化趋势一致,表明生菜对UV-B 响应的恢复基本稳定,U2、U4 和U6 处理能进行不同程度的恢复,U8伤害较重难以恢复。

图2 不同UV-B 处理生菜株高变化Fig.2 Height of lettuce at different UV-B treatment

纵观4 个UV-B 处理在不同恢复期株高情况,研究结果表明增强的UV-B 辐射虽然会对生菜的株高产生不同程度的抑制,但是随着恢复时间的增加,如U2 处理恢复15 d,这种影响将会越来越小。

2.3 UV-B 辐射对生菜根长的影响

如图3 所示,UV-B 辐射处理2、4、6 h 和8 h 等4 个处理,在处理后UR3 d、UR5 d、UR10 d 和UR15 d时生菜根长变化趋势基本一致,随着处理时间的延长,生菜根长不断下降,4 个辐射处理在4 个恢复时间差异的显著性不同。而且,生菜根长对UV-B 辐照处理响应变化趋势与其株高的变化趋势基本一致。在经过UV-B 辐射处理UR3 d 后,与未处理对照相比,U2、U4、U6、U8 等4 个处理间差异显著,表明供试不同剂量UV-B 辐照对生菜根长产生明显的影响。与UR3 d 比较,UR5 d 时U4 和U6、U6 和U8 处理间差异不显著;UR10 d 时U0、U2 与U4 间,U2、U4 和U6 间差异不显著;15d 时,U0、U2 与U4 间,U4 与U6,U6 与U8 间差异不显著,上述结果表明不同UVB 辐照处理在不同恢复时间得到不同程度的恢复,而且根长的恢复要比株高的恢复效果明显。另外在实验中我们发现,UV-B 辐射不仅影响着生菜的根长,还对生菜的须根数以及根的粗度有着很大的影响。

图3 不同UV-B 处理生菜根长变化Fig.3 Root length of lettuce at different UV-B treatment

2.4 UV-B 辐射对生菜胞间CO2 浓度的影响

如图4 所示,在整个实验过程中生菜经过UV-B辐射后,细胞间CO2浓度随着辐射时间的增加而不断增加,它与其他的光合数据正好相反,与UV-B 辐射呈正相关趋势。经过UV-B 辐射后UR3 d 的U0、U2、U4、U6、U8 的细胞间CO2浓度存在着明显差异,呈现出上升趋势且效果较为显著。UR5 d 的U0、U2、U4、U6、U8 间仍然存在着差异。UR10 d 的生菜中,趋势与UR5 相一致。UR15 d 的时候差异性进一步降低,其中U0、U2 之间基本无差异,U4 与U6 间差异不显著,U8 与其他各处里之间差异显著。

图4 不同UV-B 处理生菜胞间CO2 浓度变化Fig.4 Cell CO2 concentration of lettuce at different UV-B treatment

从图中可以看出,随着UV-B 辐射的增加,生菜的胞间CO2浓度明显呈上升趋势,这种趋势一直贯穿整个实验过程,但是不同的是,UR5 d 开始,一直到UR15 d,这种差异逐渐变小,这说明在经过UV-B 辐射经过一段时间的恢复后,生菜的胞间CO2浓度差异逐渐变小,植株的表象形态趋于相同,但是经过UV-B 辐射时间较长的U8 与其他处理间还存在这明显的差异。细胞间CO2浓度升高会导致光合速率的降低,这与我们上面的光合速率试验结果相吻合。

2.5 UV-B 辐射对生菜可溶性蛋白含量的影响

如图5 所示,随着辐射剂量(时间)的增加,生菜叶可溶性蛋白含量在4 个不同恢复期均呈先上升再下降的趋势,处理间差异显著。在UR15 d 时U6 和U8 处理下降幅度最大;在UR10 d 时U2 和U4 处理生菜可溶性蛋白含量增加幅度最大,而且此时期U6和U8 处理也与其他恢复期低于对照不同,显著高于对照。UR3 d 与UR5 d 各处理之间的差异性显著,在UR3 d 时U2 的可溶性蛋白含量最高,但是从UR5 d开始到UR15 d 结束,U4 的可溶性蛋白含量最高。

图5 不同UV-B 处理生菜可溶性蛋白变化Fig.5 Soluble protein of lettuce at different UV-B treatment

2.6 UV-B 辐射对生菜维生素C 含量的影响

维生素C(L-抗坏血酸)为酸性己糖衍生物,是高等动物与其他少数生物的必需营养素。如图6 所示,经过UV-B 辐照处理后,在4 个不同恢复期生菜样品叶片中维生素C 的含量呈现增加后下降的变化趋势;而且随着辐射时间(剂量)的增加,生菜维生素C 含量的变化效果越发显著。其中,U2 和U4 诱导生菜维生素C 含量在UR10 d 和UR15 d 时显著增加;除UR10 d 的U6 处理外,U6 和U8 处理致使供试4个恢复期内生菜维生素C 含量显著降低。表明在低于U4 剂量处理时,维生素C 可能作为抗氧化剂用来清除UV-B 辐照产生的活性氧,在高剂量情况下收到显著抑制。纵观整个试验过程,U4 的维生素C 含量在UR3 d、UR5 d、UR10 d 和UR15 d 时均为最高值,这与随着UV-B 辐射的增加类黄酮含量增加的趋势不同。在UR3 d、UR5 d、UR10 d 和UR15 d 的4个恢复期U2 和U4 处理生菜维生素C 含量较对照显著增加,U6 和U8 处理维生素C 含量显著降低,这表明U2 和U4 剂量UV-B 辐照有助于增加生菜的维生素C 含量,U6 和U8 降低了生菜的维生素C 含量。

图6 不同UV-B 处理生菜维生素C 变化Fig.6 Vitamin C of lettuce at different UV-B treatment

2.7 UV-B 辐射对生菜类黄酮含量的影响

类黄酮(Flavonoids)是植物重要的一类次生代谢产物,它以结合态(黄酮苷)或自由态(黄酮苷元)形式存在于水果、蔬菜、豆类和茶叶等许多食源性植物中。如图7 所示,随着辐射时间的增加,UR3 d、UR5 d、UR10 d、UR15 d 的生菜叶片中类黄酮含量呈上升的趋势,与对照相比,U4、U6 和U8 处理导致生菜类黄酮显著增加,U2 增量不显著。这也印证了试验设想,通过UV-B 辐射可以增加生菜的次生代谢物含量,从而增加了类黄酮的含量。而且U2 和U4、U6 和U8处理间不显著,表明供试剂量UV-B 辐照对于生菜类黄酮诱导可大致被划分为两种剂量组。U2 和U4与对照相比类黄酮含量提升较小,U6 和U8 与对照相比类黄酮含量提升较多,这表明UV-B 辐射与类黄酮含量呈正相关的趋势,但是一定也会存在临界点,当UV-B 辐射进一步提升时,类黄酮含量会因为生菜整体生长指标的降低而降低,这也是以后要进行探讨和研究方向。

图7 不同UV-B 处理生菜类黄酮变化Fig.7 Flavonoids of lettuce at different UV-B treatment

3 讨论

试验研究表明,随着UV-B 辐射量的升高,鲜重和表型指标都有不同程度的降低[11],从试验结果来看,各处理在恢复不同天数后的株高仍然存在很大的差异,这说明UV-B 辐射对于生菜表形指标的影响很大[12]。而且,UV-B 辐射量越大生菜受到伤害就越严重,这与安黎哲、侯扶江等[13-14]的研究结果基本一致。但是从试验中发现,在经过UV-B 辐射照射后,生菜通过一定时间的恢复,各项表形指标都有所恢复[15-20],但与未经过UV-B 辐射处理的生菜还是存在差距,但是这种差距随着恢复时间的增加而不断变小[21-23]。

由于生菜在经过UV-B 辐射后,各项生长指标受到严重影响,与烟草经过UV-B 辐射现象相似,叶片变的枯萎严重的甚至出现生长缓慢的现象,为将UV-B 辐射技术可以投入到正常的生产实践中去,对影响生菜产量的鲜重进行了仔细的数据分析,发现生菜在经过UV-B 辐射处理后,随着恢复时间的增加,与未经过UV-B 辐射处理生菜的鲜重差距逐渐减少,在恢复15 d 后,U0 与U2、U4 的鲜重差距极小,这也表明其产量受到的影响随着恢复时间的增加也会逐渐降低,所以,通过UV-B 辐射改善生菜营养品质的观点是完全可行的,通过UV-B 辐射不仅可以提高生菜的营养品质,也可以通过恢复最大限度的降低产量损失。

试验旨在通过UV-B 辐射处理诱导类黄酮和维生素C 等特殊营养,同时保证其他品质指标不受影响或最低限度的受到影响,由于照射时长为2、4、6、8 h,中间相差2 h,单从试验的数据结果来看,生菜在经受强度为40 μw·cm-2的UV-B 辐射4 h 的时候为最理想效果,可是由于中间间隔2 h,不知道在4 h 这个节点时是已经开始下降还是依然处于上升状态,找到这个“阀值”是日后继续探索的目的。总之UV-B辐射对生菜的影响还与光照、水分、温度、湿度等一些环境因素密切相关,因此,研究还需进一步深入。

4 结论

尝试解析不同时长UV-B 辐射对生长阶段的生菜所产生的影响得出如下结论:在经过UV-B 辐射照射2、6、4、8 h 后,生菜的鲜重、株高、根长均有不同程度的变化。随着UV-B 辐射剂量的增加,对生菜的损伤越大且各处理间的差异显著,生菜的生长受到了明显的影响。类黄酮则是经过UV-B 辐射照射的时间越长,其含量越高,虽然在经过3~15 d 的恢复后,各处理之间的差异不断缩小,但是仍然保持随着UV-B 辐射时间的增加而含量增加的趋势,这表明UV-B 辐射对类黄酮的诱导具有剂量的依赖性。维生素C 则与其他碳氮产物一样呈现出先上升再下降的趋势,在4 h 时维生素C 的含量最高。最后,从生菜的产量和营养品质兼顾的角度考虑,从实验数据得出40 μw·cm-2UV-B 辐射处理4 h 可以用于棚室绿色保健生菜栽培。

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