不同光周期下叶面喷施纳米硒对生菜生长和品质的影响*

梁 祎,郝文琴,石 玉,王训军,韩瑞锋,成永三,张 毅**

(1.山西农业大学园艺学院 太谷 030801; 2.四维生态科技(杭州)有限公司 杭州 310052)

硒(Se)是植物生长发育重要的微量元素,我国虽然幅员辽阔,但大部分地区均为缺硒地带,而纳米硒可以改善土壤和农产品的缺硒状况。近年来,由于纳米硒具有独特的物理性质和化学性质,在工业、农业、医学等领域得到了发展。但硒是一种两性营养元素,其对植物的最适浓度范围很窄,过量的硒会对植物产生毒害作用。袁伟玲等的研究结果表明,适宜的硒浓度能促进生菜(L.)生长和地上部可溶性总糖、总酚含量增加。孙崇庆等的研究结果表明,不同硒肥对生菜生长和品质产量的影响不同。胡万行等的研究结果表明,纳米硒处理不仅能增加马铃薯(L.)的生物量,还能够显著提高马铃薯叶片、根系和块茎中硒元素的含量,且各器官硒含量整体表现为: 根系＞叶片＞块茎。此外,由于纳米硒在诱导癌细胞凋亡、预防癌症发生等方面具有重要作用,而人类饮食中缺乏硒是一个世界性的问题,摄入富含硒的蔬菜是对抗人体硒缺乏的一种安全的方法。因此,通过增加植物中硒的含量来提升人体硒摄入量显得尤为重要。

光不仅是植物光合作用的能量来源,也是一种信号物质,对其生长发育及自身形态建成起关键性作用。通过人工补光可以有效地增强光照,从而促进植物的光合作用。Song等的研究结果表明,随着光周期的延长,生菜地上部和地下部干鲜重呈逐渐上升的趋势,光合色素含量均呈先升高后降低的趋势,而各种元素含量变化趋势不一致。此外,还有一系列的研究表明,同一光强下,生菜地上部和根系干鲜重及干鲜比随着光周期的延长而增大,且延长光周期对叶绿素和类胡萝卜素含量有促进作用,同时能显著提高可溶性糖的合成,并降低硝酸盐含量。因此,适当延长光周期对生菜的生长和品质的提升具有非常重要的影响。

叶用莴苣,菊科(Asteraceae)莴苣属,又名生菜。因其生长周期短、产量高,且具有很高的营养价值,现已成为设施栽培的一种重要绿叶菜。纳米硒和光周期作为两种不同处理模式,对改善生菜营养品质和产量具有重要意义。虽然国内外关于外源硒和光周期对生菜生长及品质影响的研究有很多,但关于两者结合的试验鲜有报道。因此,本试验通过叶面喷施纳米硒及不同光周期处理,探究两者对生菜生长和品质提升的交互作用,以期筛选出适宜生菜生长的光周期和纳米硒浓度组合的最适处理,为植物工厂在光环境下施加纳米硒提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验选用‘意大利耐抽薹’生菜品种,在山西农业大学人工气候室和园艺站进行。首先将生菜种子播种在无土栽培专用育苗海绵中,待幼苗为3叶一心时选取长势一致的幼苗定植于40 cm×30 cm×15 cm的水培槽中,营养液选用日本山崎生菜专用营养液配方,每槽定植8株,各处理均定植2槽,每6 d更换一次营养液。

试验以LED灯为光源,设置12 h/12 h、16 h/8 h、20 h/4 h等3个光周期(光/暗),定植第2 d开始进行光周期处理,分别表示为P1、P2和P3。试验所用硒肥为纳米硒,由北京百沃汇通科技责任有限公司提供,处理方式为硒肥叶面喷施,每隔3 d进行一次。纳米硒溶液浓度分别为0 μmol·L、24 μmol·L、48 μmol·L,分别表示为N1、N2、N3,两者完全随机组合,共9个处理,具体处理名称如表1。样品在定植后30 d采收,用于各项指标测定。

表1 试验处理名称及措施Table 1 Names and measures of different experiment treatments

1.2 测定项目与方法

1.2.1 生长指标

株高采用直尺量取; 地上/下部干鲜重: 洗净植株,吸干表面水分称鲜重,然后在烘箱中105 ℃杀青10 min,70 ℃烘至恒重后测其干重; 根系活力采用TTC法测定; 叶绿素含量采用95%乙醇浸提法测定。每个处理3次重复。

1.2.2 生理指标

还原糖测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定; 可溶性糖含量采用苯酚硫酸法测定; 可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定; 硝酸盐测定采用水杨酸-硫酸比色法; 氨基酸组分及含量测定采用氨基酸分析仪(L-8800,HITACHI)测定。每个处理3次重复。

立足当前、放眼长远。天脊集团发出了“再领风骚30年”的动员令，这是天脊集团谋略所在、站位所在、实力所在。

1.2.3 矿质元素含量测定

采用HSO-HO消化法消煮,火焰原子吸收分光光度计(AA-6200,日本SHIMADZU)测定K、Na、Ca、Mg、Fe、Zn和Mn含量,原子荧光光谱法(iCAP Q 电感耦合等离子体质谱仪,Thermo,上海)测定Se含量 。

1.3 数据分析

试验数据采用SPSS 21.0统计软件进行Duncan’s法单因素方差分析(＜0.05)和主成分分析,用Microsoft Excel 2019对数据作图,图表中数据为“平均值±标准误”。

2 结果与分析

2.1 不同光周期下叶面喷施纳米硒对生菜生长的影响

由图1和表2可知,P2N1处理下生菜的株高最高,P2N3处理下生菜的地上部鲜重最大,P3N3处理下生菜的地下部鲜重最大。生菜株高和地上部鲜重随光照时间的延长呈先升高后降低的趋势。叶面喷施24 μmol·L纳米硒处理中,地下部鲜重随光照时间延长呈逐渐下降的趋势; 在叶面喷施48 μmol·L纳米硒时,地下部鲜重随光照时间延长呈逐渐上升的趋势。叶面喷施24 μmol·L纳米硒时,P2N2处理生菜的株高分别较P1N2和P3N2处理显著增加了13.16%和21.74% (＜0.05); 叶面喷施48 μmol·L纳米硒时,P2N3处理生菜的地上部鲜重分别较P1N3和P3N3处理增加了56.13% (＜0.05)和15.14% 。因此,16 h/8 h光周期处理对生菜株高和地上、下部鲜重的促进效果最佳。

图1 不同光周期下叶面喷施纳米硒对生菜生长的影响Fig.1 Effects of foliar spraying nano-Se on growth of lettuce under different photoperiods

表2 不同光周期下叶面喷施纳米硒对生菜株高和生物量的影响Table 2 Effects of foliar spraying nano-Se on plant height and biomass of lettuce under different photoperiods

2.2 不同光周期下叶面喷施纳米硒对生菜根系活力的影响

由图2可知,与12 h/12 h光周期相比,延长光照生菜根系活力先升高后降低。16 h/8 h光周期下生菜根系活力随叶面喷施纳米硒浓度的增加呈升高趋势,P2N1、P2N2、P2N3处理下生菜的根系活力较P1N1分别显著增加了1.62倍、2.53倍、3.11倍(＜0.05)。20 h/4 h光周期下生菜根系活力随叶面喷施纳米硒浓度的增加呈降低趋势。因此,16 h/8 h光周期下叶面喷施纳米硒对生菜根系活力的增加有显著的促进作用(＜0.05)。

图2 不同光周期下叶面喷施纳米硒对生菜根系活力的影响Fig.2 Effects of foliar spraying nano-Se on root activity of lettuce under different photoperiods

2.3 不同光周期下叶面喷施纳米硒对生菜光合色素含量的影响

由表3可知,12 h/12 h光周期下,叶面喷施纳米硒使生菜叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素含量均显著降低(＜0.05),且随着硒浓度的增加呈降低趋势; 16 h/8 h和20 h/4 h光周期下,叶面喷施纳米硒使生菜叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均增加,且在20 h/4 h光周期下生菜叶绿素含量与硒浓度基本呈正相关。因此,延长光照时间会增加生菜叶绿素含量,且在P3N3处理下叶绿素a和叶绿素b含量均达到最高,P3N2处理下类胡萝卜素含量最高。

表3 不同光周期下叶面喷施纳米硒对生菜光合色素含量的影响Table 3 Effects of foliar spraying nano-Se on photosynthetic pigment content of lettuce under different photoperiods μg·g—1(FW)

2.4 不同光周期下叶面喷施纳米硒对生菜还原糖、可溶性糖和可溶性蛋白质含量的影响

由图3A可知,生菜中还原糖含量整体表现为P3＞P2＞P1,其中,12 h/12 h光周期下,生菜中还原糖含量随纳米硒浓度的增加呈先降低后升高的趋势;16 h/8 h和20 h/4 h光周期下,生菜中还原糖含量随纳米硒浓度的增加呈逐渐降低趋势,P3N1处理下生菜还原糖含量较P2N1和P1N1显著增加了1.02倍和1.40倍(＜0.05)。因此,延长光照时间会增加生菜还原糖含量,而叶面喷施纳米硒会降低生菜还原糖含量。

图3 不同光周期下叶面喷施纳米硒对生菜还原糖（A）、可溶性糖（B）和可溶性蛋白质（C）含量的影响Fig.3 Effects of foliar spraying nano-Se on contents of reducing sugar (A),soluble sugar (B) and soluble protein(C) of lettuce under different photoperiods

由图3C可知,20 h/4 h光周期下,P3N3处理生菜可溶性蛋白含量最高,较P3N2增加5.38%,较P3N1显著增加19.14% (＜0.05)。相同硒浓度下,P3N2处理下生菜可溶性蛋白含量较P2N2和P1N2处理分别显著增加27.87%和64.26% (＜0.05); P3N3处理下生菜可溶性蛋白含量较P2N3和P1N3处理分别显著增加了35.86%和99.04% (＜0.05)。因此,生菜中可溶性蛋白含量随光照时间的延长而显著增加,且叶面喷施纳米硒后会进一步增加,以P3N3处理对生菜可溶性蛋白含量的提质效果最佳。

2.5 不同光周期下叶面喷施纳米硒对生菜硝酸盐含量的影响

由图4可知,16 h/8 h光周期会显著降低生菜中硝酸盐含量,且随纳米硒浓度的增加呈逐渐降低的趋势; 12 h/12 h和20 h/4 h光周期下,生菜中硝酸盐含量随纳米硒浓度的增加呈先升高后降低的趋势。相同硒浓度处理下,P2N2处理下生菜硝酸盐含量较P1N2和P3N2处理分别显著降低了71.17%和74.37%(＜0.05)。因此,16 h/8 h光周期处理可显著降低生菜中硝酸盐含量,并以P2N3处理效果最佳。

图4 不同光周期下叶面喷施纳米硒对生菜硝酸盐含量的影响Fig.4 Effects of foliar spraying nano-Se on nitrate content of lettuce under different photoperiods

2.6 不同光周期下叶面喷施纳米硒对生菜氨基酸组分和含量的影响

由表4可知,在本试验生菜中共鉴定出13种氨基酸,其中包括人体必需氨基酸8种,分别为苏氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、组氨酸和精氨酸; 人体非必需氨基酸5种,分别为天冬氨酸、丝氨酸、谷氨酸、甘氨酸和丙氨酸。12 h/12 h光周期下,生菜中天冬氨酸含量随纳米硒浓度增加呈逐渐降低的趋势,苏氨酸、丝氨酸、谷氨酸、丙氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、组氨酸含量呈先升高后降低的趋势,甘氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸含量呈逐渐增加的趋势,赖氨酸和精氨酸含量呈先降低后升高的趋势; 16 h/8 h光周期下,叶面喷施48 μmol·L纳米硒使生菜中各氨基酸含量均增加; 20 h/4 h光周期下,叶面喷施纳米硒使生菜中各氨基酸含量均增加,且随着纳米硒浓度的增加呈先升高后降低的趋势。

表4 不同光周期下叶面喷施纳米硒对生菜氨基酸含量的影响Table 4 Effects of foliar spraying nano-Se on amino acid composition and contents of lettuce under different photoperiods μg·g—1(DW)

2.7 不同光周期下叶面喷施纳米硒对生菜矿质元素含量的影响

由表5可知,12 h/12 h 光周期下,生菜中K、Na含量随纳米硒浓度的增加呈先升高后降低的趋势,Ca、Fe、Zn含量呈先降低后升高的趋势,而Mg和Mn含量呈逐渐下降的趋势; 16 h/8 h光周期下,生菜中Mg含量呈先升高后降低的趋势,K、Mn含量呈先降低后升高的趋势,Na、Ca、Fe含量呈逐渐增加的趋势,而Zn含量呈逐渐降低趋势; 20 h/8 h光周期下,生菜中K、Na、Ca、Mg、Fe和Mn含量均呈先升高后降低的趋势,而Zn含量呈先降低后升高的趋势。不同光周期下,生菜中Se元素含量均随叶面喷施纳米硒浓度的升高呈增加的趋势,其中P2N3处理下,生菜中Se元素含量最高。

表5 不同光周期下叶面喷施纳米硒对生菜矿质元素含量的影响Table 5 Effects of foliar spraying nano-Se on contents of mineral elements in lettuce under different photoperiods

2.8 生菜生长和品质主成分分析

表6为生菜生长和品质主成分分析的3个主成分与其12个指标之间的相关系数(载荷矩阵),参照林海明等的方法,以特征向量为权重,根据主成分的计算公式构建主成分函数表达式,分别可得:

表6 生菜生长和品质主成分分析的各因子载荷矩阵Table 6 Principal component analysis of lettuce growth and quality of each factor load matrix

由表7可知,通过对各处理综合因子得分及排序,表明P2N3处理对生菜生长和品质的综合影响效果最好。

表7 各处理综合因子得分（Y值）及排序Table 7 Comprehensive factor score (Y value) and ranking of each treatment

3 讨论与结论

光环境和营养是植物工厂生产中的两大关键因素,在很大程度上对蔬菜特别是叶菜类的生长和品质具有决定性作用。光对植物的生长发育、光合作用和形态建成均有调控作用。光照是否充足关乎植物能否产生充足的营养物质以供各器官的生长。延长光照时间会显著增加生菜地上部和地下部鲜重、叶绿素含量。本试验研究结果表明,延长光照时间会增加生菜株高、地上部鲜重和根系活力,但随光照时间延长呈先升高后降低的趋势,说明适当延长生菜接受光照的时间,能产生更多的碳水化合物,而连续长时间光照会使生菜的光合色素含量降低,进而影响光合作用,使光合产物积累降低; 同时根系活力的增强有利于根系吸收更多的营养物质,并运输到地上部,使地上部生长更好,从而实现增产。此外,本试验研究结果还表明,16 h/8 h和20 h/4 h光周期下,叶面喷施纳米硒使生菜叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均增加,说明纳米硒可以改善一些涉及光合系统的关键基因和蛋白质,对植物叶绿素的合成具有促进作用。

可溶性糖和可溶性蛋白是生菜的重要营养指标,可溶性糖可为植物生命活动提供能量; 此外,硝酸盐含量的降低对提高水培类蔬菜品质有着重要意义,其含量可能与氨基酸的合成有关。有研究结果表明,适当延长光照时间使植株可溶性蛋白和可溶性糖含量增加,外源硒对降低生菜中硝酸盐含量具有积极作用。本试验研究结果表明,生菜中还原糖和可溶性蛋白含量随光照时间的延长而增加,而可溶性糖含量随光照时间的延长基本呈先升高后降低的趋势,硝酸盐含量随光周期的延长基本呈先降低后升高的趋势,这与周晚来等的短期连续光照条件下,随着光照时间的延长,生菜中硝酸盐含量一直持续降低,而可溶性糖的含量快速提高的研究结果不一致,可能是长时间连续光照使植株产生光抑制。此外,本试验中叶面喷施纳米硒会使生菜中还原糖、可溶性糖的含量普遍降低,这与袁伟玲等得出的叶面喷施外源硒会增加生菜地上部可溶性总糖含量的研究结果不一致,可能是光周期和纳米硒之间存在交互效应,具体机理还有待进一步研究。

氨基酸作为蛋白质基本组成单元和人体必需营养成分,其正常的代谢、转化和运输是植物体完成生命周期活动的必要保证。本研究中,16 h/8 h光周期下,叶面喷施48 μmol·L纳米硒使生菜中各氨基酸含量均增加; 20 h/4 h光周期下,叶面喷施纳米硒使生菜中各氨基酸含量均增加,且随着纳米硒浓度的增加呈先升高后降低的趋势,这与崔剑波等得出的外源Se会引起小麦(L.)籽实中的氨基酸组成发生变化,进而增加了部分氨基酸的含量结论基本一致。充足的氨基酸供应对植物生长发育、产量和品质都具有非常重要的促进作用,此外,部分氨基酸对植物养分吸收也具有促进作用,从而增加植物中的养分含量。通过对生菜生长指标和部分品质指标进行主成分分析及综合排序,表明P2N3处理对生菜生长和品质的综合影响效果最好。

矿质营养对植物碳水化合物含量和光合作用有重要影响,且元素的吸收与产量密切相关,其中Ca、Fe、Zn、K等元素作为重要的营养物质,是衡量叶菜品质的重要指标。查凌雁等研究结果表明,连续光照下生菜养分积累量的增加主要是因为植株干重的提高,且光照会影响植物矿质元素含量和生物量，从而影响矿质元素积累。本研究中,延长光周期,生菜中各元素的变化趋势不一,说明光周期能够改变植物生长调节物的含量,而这些植物调节物能够影响植物根系对营养的吸收。不同光周期下,生菜中Se元素含量均随叶面喷施纳米硒浓度的升高呈增加的趋势,其中P2N3处理下,生菜中Se元素含量最高。说明纳米硒在不同程度上可调控K、Ca、Mg、Fe、Se等元素在植株体内的分配。

综上所述,适当延长光照时间和增加外源硒浓度,均有利于生菜产量和品质的提高。在16 h/8 h光周期下生菜地上部鲜重最高。与12 h/12 h相比,16 h/8 h和20 h/4 h光周期下均有利于生菜品质的提升,而且喷纳米硒后进一步提升了生菜品质。从光周期与硒互作效果看,光周期对生菜生长和品质的影响起主导作用,外源纳米硒起调节作用。与20 h/4 h光周期相比,16 h/8 h光周期下生菜产量明显增加且用电量更少,因此,从生长、品质、生产成本考虑,宜选用16 h/8 h光周期下叶面喷施48 μmol·L纳米硒处理。