壳寡糖和油菜素甾醇处理对番茄产量和品质的影响

陈 浩 李煜博 邵志勇 郑积荣 胡松申 王同林 刘丽红 汪俏梅，*

（1浙江大学园艺系/农业农村部园艺植物生长发育与品质控制重点开放实验室，浙江杭州 310058；2杭州市农业科学研究院，浙江杭州 310024）

番茄（Solanum lycopersicumL.）是世界上最重要的蔬菜作物之一，具有适应性广、产量高、易栽培、营养价值高等特点，近年来在我国设施蔬菜生产中占有重要的地位［1］。据统计，我国是世界上最大的番茄生产国，年产量达到5 500万吨，约占全球总产量的30%［2］。随着国民消费水平的提高，消费者对番茄的需求已从单一的产量需求上升到品质需求。番茄的品质主要分为感观品质、营养品质和风味品质［3］。其中，感观品质主要包括果实色泽、果实硬度；营养品质主要由类胡萝卜素、维生素C等营养物质含量决定；风味品质则主要由可溶性糖和有机酸含量决定［4-6］。

目前，设施栽培逐渐成为我国番茄的主要种植模式，但随着设施栽培面积的不断扩大，因冬季低温弱光、夏季高温强光、连作障碍、环境污染等问题，番茄栽培管理难度也在不断增大。为达到提质增产的目的，除培育高产优质的番茄品种之外，通过改进设施栽培技术以提高番茄产量与品质成为了关键。生物刺激素壳寡糖和新型植物激素油菜素甾醇在促进植物生长发育、提高作物产量以及改善果实品质等方面的作用逐渐引起科研人员和农业生产者的重视。

壳寡糖（chitosan oligosaccharide，COS），又名寡聚氨基葡糖，广泛存在于节肢动物，如昆虫、虾、蟹等的外壳及低等植物、菌、藻类的细胞壁中［7］，是壳聚糖经过化学、生物酶和辐射降解得到的一类寡糖产品［8］。壳聚糖由于聚合度高、分子量大，只能溶解于酸性溶液中，且具有较高粘性，应用范围有限。与之相对，壳寡糖具有水溶性好、安全无毒、易吸收且可生物降解等特点，在医药、食品、环保、农业等领域具有广泛应用［9-10］。研究表明，COS处理对于植物生长、产量提升和品质改善具有促进作用。如Islam等［11］研究指出，叶面喷施COS能促进番茄产量的提升；Dzung等［12］发现，施用COS可促进辣椒植株生长以及叶片中叶绿素的积累；金国强等［13］用1 g·L-1COS喷施柑橘，有效增加了果实中可溶性固形物的含量。油菜素甾醇（brassinosteroid，BR）是一种新型的植物内源激素，广泛存在于自然界，是国际上公认的广谱、高效的植物生长激素。近年来，关于BR在果实品质形成中发挥作用的研究日益增多。如Liu等［14］研究发现，BR外源处理可以促进番茄中类胡萝卜素的积累；Hu等［15］研究也指出，过表达BR合成基因SlCYP90B3可促进番茄果实软化以及类胡萝卜素、可溶性糖和挥发性风味物质的积累；王爱玲等［16］研究发现，BR处理的葡萄果实中，果粒质量、果粒纵径相比对照均有所提升，且可溶性固形物、维生素C和花青素的含量显著提高。以上研究结果为设施栽培上应用COS和BR以达到提质增产的目的奠定了理论基础，但目前关于COS和BR对番茄产量和品质影响的研究大多集中于单一因子的作用，关于两者复合作用所产生的生物学效应鲜有报道。因此，本研究以番茄为材料，探究COS与BR复合处理在提升番茄产量和改善果实品质等方面的作用，旨在为改善番茄设施栽培技术，实现提质增产提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验所用壳寡糖（农业级）由金壳药业有限公司（浙江）生产，所用油菜素甾醇（28-高芸苔素内酯，28-Homobrassinolide）由江西威敌生物科技有限公司提供。供试番茄为中果型番茄品种ZM1（Solanum lycopersicumL.cv.ZM1），由浙江省杭州市农业科学研究院提供。

1.2 试验设计

试验于2020年11月至2021年6月在浙江省杭州市农业科学研究院蔬菜所（30°N，120°E）的实验大棚中进行，番茄于2020年11月18日播种育苗，2021年2月25日定植。试验采用随机区组设计，共设置4个处理：对照组（CK）、壳寡糖处理组（0.5 g·L-1COS）、油菜素甾醇处理组（0.5 g·L-1BR）、复合处理组（0.5 g·L-1COS+0.5 g·L-1BR），每个处理4次重复，小区面积10 m2，小区间种植3～4株黄瓜隔离。采用叶面喷施的方式，在番茄始花期（定植后30 d），第1穗果实膨大期（定植后43 d），第2穗果实膨大期（定植后56 d），第3穗果实膨大期（定植后76 d）和第3穗果实破色期（定植后90 d）分别处理1次。第3穗番茄果实到达红熟期（定植后105 d）时开始取样，选择各处理中时期一致、果型均匀、无机械损伤的番茄果实20个，其中6个用于果实硬度测定，其余果实液氮冷冻，研磨成粉后-80℃保存，用于营养品质和风味品质指标测定。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 番茄产量的测定参照刘杰等［17］的方法，于第3穗番茄果实到达红熟期时，在各处理组中随机选取10株番茄，测定坐果数、单果重、单株产量，并折算667 m2种植面积的总产量。其中，坐果数为前3穗番茄果实的平均坐果数，单果重为第3穗番茄果实的平均重量，单株产量为坐果数与单果重的乘积，667 m2种植面积的番茄植株约为2 500株。结果取3次重复的平均值。

1.3.2 番茄果实硬度的测定参照Liu等［3］的方法。选取大小均一、时期一致、无机械损伤的6个番茄果实，使用配备直径7.5 mm黑色塑胶探头的TA-XT2i质地分析仪（Stable Micro Systems公司，英国）在室温条件下测定硬度。在每个果实赤道部分选取2个测定点，探头穿刺速度为1 mm·s-1，穿刺深度为15 mm。硬度单位为N。

1.3.3 类胡萝卜素含量的测定参照Liu等［18］的方法，并加以改进。称取0.5 g果实粉末，加入30 mL提取液（正己烷∶丙酮∶乙醇=1∶1∶1，v/v/v），混合均匀后200 r·min-1震荡30 min。加入10 mL双蒸水，涡旋混匀，4℃、1 500 r·min-1离心10 min。取1 mL上清液用0.22µm有机相滤膜过滤，使用SCIENTZ-10LS离心浓缩仪（杭州利正科学仪器有限公司）浓缩10 min。加入溶解液（四氢呋喃∶乙腈∶甲醇=15∶30∶55，v/v/v），每次0.5 mL，分3次洗脱，共1.5 mL，合并3次洗脱液，即可得到类胡萝卜素提取液，采用高效液相色谱法（high performance liquid chromatography，HPLC）对提取液进行检测分析。

使用岛津HPLC系统（日本Shimadzu公司）进行测定，包括SPD-M20A二极阵列检测器和C18色谱柱（5µm粒径，4.6 mm×250 mm i.d.，大连依利特分析仪器有限公司）。HPLC条件：流动相由甲醇、乙腈和0.05%三甲胺组成（甲醇∶乙腈=90∶10，v/v），进样量20µL，柱温30℃，总流速1.2 mL·min-1，检测波长475 nm。采用外标法计算类胡萝卜素的含量，单位为µg·g-1FW（鲜重，fresh weight）。

1.3.4 维生素C含量的测定参照陈珊珊等［19］的方法，并加以改进。称取0.5 g果实粉末，加入3 mL 1%草酸溶液，混合均匀后4℃、7 000 r·min-1离心10 min。取1 mL上清液用0.45µm水相滤膜过滤后，即可得到维生素C提取液，采用HPLC法对提取液进行检测分析。HPLC条件：C18色谱柱，进样量20µL，柱温30℃，流动相为0.1%草酸溶液（提前抽滤脱气），总流速为1 mL·min-1，检测波长为243 nm。采用外标法计算维生素C的含量，单位为mg·100 g-1FW。

1.3.5 可溶性糖和有机酸含量的测定参照Lisec等［20］的方法。准确称取0.1 g果实粉末，加入1.4 mL预冷的甲醇，70℃、950 r·min-1恒温振荡15 min，然后11 000 r·min-1离心10 min。上清液加入1.5 mL双蒸水和750µL氯仿，2 200 r·min-1离心10 min。取1 mL上清液，加入10µL核糖醇作为内标，使用SCIENTZ-10LS离心浓缩仪浓缩3 h。用60µL的甲氧胺盐酸盐（20 g·L-1，溶剂为吡啶）溶解浓缩残留物，37℃、950 r·min-1恒温振荡1.5 h，加入40µL N，O-双［三甲基硅基］三氟乙酰胺［N，O-bis（trimethylsilyl）trifluoroacetamide，BSTFA］，37℃、950 r·min-1恒温振荡30 min，然后转移到样品瓶中进行气相色谱（gas chromatography，GC）分析。使用配有HP-5色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25µm）的Ailgent 6890N气相色谱仪（美国Ailgent公司）分析可溶性糖和有机酸。GC检测条件如下：

进样器：进样量1µL，N2总流量为13 mL·min-1，隔垫吹扫流量3 mL·min-1，分流比10∶1，温度设置为250℃。

柱箱温度：100℃保持60 s，然后以2.5℃·min-1上升至185℃，以0.35℃·min-1上升至190℃，再以8℃·min-1上升至250℃，保持5 min，最后以5℃·min-1上升至280℃，保持3 min。

检 测 器：H2流 量 为40 mL·min-1，空 气 流 量 为400 mL·min-1，N2流 量 为40 mL·min-1，温 度 设 置 为280℃。

使用标准样品（苹果酸、柠檬酸、果糖、葡萄糖和蔗糖）计算可溶性糖和有机酸的含量，单位为mg·g-1FW。

1.4 数据分析

使用Excel 2019软件进行数据处理，采用SPSS 26.0软件进行数据分析，不同处理间的显著性分析采用单因素方差分析（one-way analysis of variance，ANOVA）中的Tukey’s HSD法，显著性水平P<0.05。采用Origin Pro 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 COS和BR处理对番茄产量的影响

番茄产量主要由坐果数、单果重和单株产量决定。由表1可知，COS+BR复合处理的番茄总产量最高，产量达到3.64 kg·m-2，较CK显著增加了44.61%；COS处理与BR处理的番茄总产量无显著差异，但均显著高于CK，较CK分别提高25.10%和18.17%。从坐果数来看，3种处理方式与CK均无显著差异；从单果重来看，COS+BR复合处理的单果重最大，为108.75 g，COS处理与BR处理次之，CK最小；单株产量表现规律与单果重一致。综上可知，COS处理与BR处理可通过增加番茄单果重促进番茄产量提升，且COS+BR复合处理的增产增重优势更显著。

表1 COS与BR处理对番茄产量的影响Table 1 Effects of COS and BR treatments on production of tomato fruits.

2.2 COS和BR处理对番茄感观品质的影响

果实色泽与硬度是番茄感官品质的重要指标，同时也是判断果实成熟的主要依据。由图1-A可知，定植105 d后，CK、COS处理、BR处理和COS+BR复合处理的番茄呈鲜亮的红色，说明番茄均已达到红熟期，但COS处理和COS+BR复合处理的番茄色泽更红。由图1-B可知，COS处理、BR处理和COS+BR复合处理的番茄果实硬度相比CK显著降低，说明3种处理方式均可促进果实软化。

图1 COS和BR处理对番茄果实外观（A）和果实硬度（B）的影响Fig.1 Effects of COS and BR treatments on the appearance（A）and firmness（B）of tomato fruits

2.3 COS和BR处理对番茄营养品质的影响

番茄作为我国最主要的蔬菜作物之一，富含番茄红素、β-胡萝卜素、叶黄素等类胡萝卜素以及维生素C等多种有益于人体健康的营养物质，这些营养物质的含量是评价番茄营养品质的重要指标。由图2可知，COS处理、BR处理和COS+BR复合处理可以显著增加番茄中番茄红素、β-胡萝卜素和总类胡萝卜素的积累。其中，COS处理的番茄中番茄红素、β-胡萝卜素和总类胡萝卜素含量相比CK分别提升35.6%、24.8%和32.6%；BR处理的番茄中番茄红素、β-胡萝卜素和总类胡萝卜素含量相比CK分别提升32.1%、20.4%和29.2%；而COS+BR复合处理的番茄中番茄红素、β-胡萝卜素和总类胡萝卜素含量相比CK分别提升88.3%、40.1%和76.3%。3种处理方式下番茄中叶黄素的含量均无显著差异。

图2 COS和BR复合处理对番茄果实类胡萝卜素组分和含量的影响Fig.2 Effects of COS and BR treatments on carotenoids composition and content of tomato fruits.

由图3可知，番茄中维生素C含量的变化规律与总类胡萝卜素基本一致，COS处理、BR处理和COS+BR复合处理番茄中维生素C含量相比CK分别提升7.8%、11.0%和28.6%。综上，COS+BR复合处理具有协同改善番茄营养品质的作用。

图3 COS和BR复合处理对番茄果实类维生素C含量的影响Fig.3 Effects of COS and BR treatments on Vitamin C content of tomato fruits

2.4 COS和BR处理对番茄风味品质的影响

在番茄中，通过气相色谱共检测到5种可溶性糖和2种有机酸（图4）。其中，可溶性糖包括D-果糖、L-果糖、D-葡萄糖、L-葡萄糖和蔗糖；有机酸包括苹果酸和柠檬酸。

图4 番茄果实中可溶性糖和有机酸的气相色谱图Fig.4 Gas chromatogram of soluble sugars and organic acids in tomato fruit

从果糖来看，COS处理和COS+BR复合处理可以显著促进番茄中果糖的合成，而BR处理对果糖的合成无显著效果（图5-A）；从葡萄糖来看，COS+BR复合处理可显著促进番茄中葡萄糖的合成，相比CK提高了35.8%，且与BR处理的葡萄糖积累量差异显著（图5-B）；3种处理方式下番茄中的蔗糖含量相比CK均无显著差异（图5-C）。从有机酸来看，BR处理和COS+BR复合处理的番茄中柠檬酸含量相比CK显著下降，且3种处理方式均可显著降低番茄中苹果酸的水平（图5-D、E）。糖酸比是番茄风味品质的重要影响因子，由图5-F可知，COS处理、BR处理和COS+BR复合处理均可显著提高番茄糖酸比，且COS+BR复合处理对糖酸比的提升效果更显著。

图5 COS和BR复合处理对番茄果实可溶性糖和有机酸含量的影响Fig.5 Effects of COS and BR treatments on soluble sugars and organic acids content of tomato fruits

3 讨论

作为我国设施栽培中最主要的蔬菜作物之一，番茄的商业价值巨大且营养丰富。本研究以番茄为材料，采用生物刺激素壳寡糖和新型植物激素油菜素甾醇进行外源复合处理，既经济又安全。前人研究结果表明，COS或BR外源处理在番茄农业生产上具有良好的调节作用。如Islam等［11］研究发现，叶面喷施COS能提高番茄开花率、增加果重并提升产量；张惟等［21］研究也指出，0.001 6%芸苔素内酯处理番茄可显著提高番茄产量，相比对照增产12.2%。本研究发现，COS和BR处理均可通过增加番茄果实单果重以提高番茄产量，且COS+BR复合处理的番茄产量最高，这与Islam等［11］和张惟等［21］的研究结果一致。传统的生长调节剂如乙烯利，在促进番茄提前成熟的同时，往往会导致果实品质下降［22］。本研究发现，COS+BR复合处理不仅能促进番茄提前成熟，对果实营养品质和风味品质的改善也具有促进作用。因此，COS+BR复合处理在番茄设施栽培上更具优越性和潜在应用价值。

两种或两种以上影响因子共同作用所产生的效应在相同条件下优于单一影响因子产生的效应之和，则说明影响因子之间存在协同作用［23］。前人研究表明，COS可通过影响植物光合作用［24］以及碳氮代谢［25］促进植物生长和次生代谢物质的积累。BR作为植物内源激素，在植物生长和果实品质形成过程中发挥着重要作用［26-27］。本研究发现，BR处理可显著提升番茄中番茄红素、总类胡萝卜素和维生素C等营养物质的含量，这与姚棋等［28］用2，4-表油菜素内酯外源喷施番茄植株，提高了番茄中番茄红素和维生素C含量的试验结果相一致。值得一提的是，COS+BR复合处理，对上述物质积累的促进作用得到了进一步增强，说明COS和BR在改善番茄营养品质方面具有较好的协同作用，但具体作用机制还有待进一步研究。

番茄风味主要是由可溶性糖、有机酸含量以及合适的糖酸比决定。本研究发现，COS处理可以促进番茄中果糖和葡萄糖的积累，这与雷菲等［29］用0.45 g·L-1COS叶面喷施樱桃番茄，提高番茄中可溶性糖含量的试验结果相一致；本试验所用番茄材料中，蔗糖含量较低，BR处理仅使番茄中蔗糖含量略有提升，与CK相比无显著差异。COS处理主要通过增加果糖、葡萄糖含量来提升番茄糖酸比，而BR处理则通过提升葡萄糖含量和降低柠檬酸水平来提升糖酸比。以上结果说明番茄中果糖的合成对COS的响应更敏感，柠檬酸的代谢对BR的响应更敏感。当COS与BR复合处理时，既能显著促进番茄中果糖和葡萄糖的积累，又能显著降低柠檬酸和苹果酸的水平，相比单独处理能更好地改善番茄风味品质。

4 结论

本研究结果表明，0.5 g·L-1COS与0.5 g·L-1BR复合处理能通过增加番茄单果重促进番茄产量的提升，同时加快番茄成熟进程，促进果实着色与软化。在改善番茄营养品质方面，二者具有较好的协同作用，能有效增加番茄中番茄红素、β-胡萝卜素和维生素C等营养物质的含量。此外，COS+BR复合处理可以增加番茄中果糖和葡萄糖的积累，降低柠檬酸和苹果酸的水平，从而显著提高番茄糖酸比，对番茄风味品质的改善起到促进作用。COS与BR处理作为一种经济、高效的处理方式，二者复合处理更能实现番茄提质增产的目的，在番茄设施栽培上具有潜在的应用价值。