短日照对北方温室茎瘤芥生长及瘤茎膨大的影响

王乙丁 蒋欣梅 佟雪姣 刘在民 李沛歆 孙 颖 于锡宏* 程 瑶*

（1 东北农业大学园艺园林学院，黑龙江哈尔滨 150030；2 农业农村部东北地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室，黑龙江哈尔滨 150030）

茎瘤芥（Brassica junceavar.tumidaTsen et Lee）俗称榨菜，是十字花科芸薹属芥菜种的一个茎用变种，起源于以涪陵为中心的重庆长江沿岸，是我国特色蔬菜作物之一（刘义华 等，2019；王洁 等，2022）。其以膨大的瘤状茎作为产品器官，既可鲜食，又可加工腌菜和泡菜，且含有丰富的硫代葡萄糖苷（张燕和李瑶，2017），降解产物异硫氰酸酯能够发挥化学抗癌、抗菌杀虫、改善风味等多种作用（许婷 等，2016），具有较高的营养价值。北方露地栽培茎瘤芥受气候条件的限制，存在抽薹早、侧芽抽生、难以获得瘤茎等问题（王发胜 等，2005；李丹，2016），在黑龙江省少有种植成功的先例。而目前对茎瘤芥的研究主要集中在南方茎瘤芥上，关于北方茎瘤芥栽培生理方面的研究较少。

光周期是植物变态根茎发育的动态信号（Navarro et al.，2011；孙玉燕和李锡香，2015），如在诱导马铃薯块茎发生的过程中起重要作用，短日照有利于结薯，长日照抑制或延迟块茎形成（Abelenda et al.，2014）。茭白肉质茎膨大受温度和光周期共同调控，膨大率依次为：长日照高温＜长日照低温＜短日照高温=短日照低温，短日照和低温均有诱导茭白肉质茎膨大的作用，其中短日照的作用更为关键（刘彦承，2022）。而大蒜和洋葱鳞茎的形成则需要长日照和低温的刺激（Mann &Minges，1958）。史会（2012）研究表明，光周期和温度会影响茎瘤芥茎中外髓区细胞的功能，使其具有分裂能力，从而导致瘤状茎的膨大生长。APY（胞外核苷酸水解酶基因）是茎瘤芥瘤状茎膨大的关键基因，该基因的表达受光周期调控，表达量表现为短日照＞中日照＞长日照（刘斌，2013）。光周期影响变态茎发生，而茎的产量则受积温和累计日照时数的调控，一般积温越多，累计日照时数越长，产量越高。累计日照时数主要影响同化产物的积累，进而影响产品贮藏器官的产量。如累计日照时数越长，马铃薯块茎产量越高（宋玉芝 等，2011）。

本试验拟探究短日照处理对北方温室茎瘤芥生长、瘤茎形成及产量品质的影响，明确茎瘤发生的日均光照时数，以期为北方地区茎瘤芥引种栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021 年9 月至2022 年2 月在东北农业大学园艺工程中心日光温室内进行。供试茎瘤芥品种为永安传奇，原产地涪陵，购自重庆弘真种子销售公司，中熟，生育期130～150 d。采用定时开关棚布的方法人工控制日均光照时数，使用高1.5 m的小拱架进行支撑，用不透光布（一侧银色一侧黑色）进行覆盖。

1.2 试验设计

2021 年9 月11 日，将茎瘤芥种子播于50 孔穴盘，待幼苗长至2 片真叶时分苗至8 cm × 8 cm营养钵中，10 月26 日、日历苗龄45 d 时定植于PC 板日光温室中，温室白天平均温度为9～24 ℃，夜间平均温度为3～16 ℃，昼夜温差1～11 ℃。采用高畦栽培，畦宽80 cm，高25 cm，覆黑色地膜，膜下滴灌；畦上双行定植，株距30 cm，行距60 cm，定植7 d 后开始进行遮光处理。采用双因素试验设计，设置光照时长和处理时间两个因素，其中每天的光照时长设置2 个水平：6 h（7：00 掀开，13：00 关闭）、8 h（7：00 掀开，15：00 关 闭）；处理时间设置3 个水平：10、20、30 d。以自然光照为对照（CK），每处理3 次重复，每重复18 株。

从进行遮光处理开始（11 月2 日），每隔5 d统计1 次茎瘤发生率，以茎基部出现明显的突起与间沟为准，同时测定瘤茎横径；每隔10 d 测定1次株高和开展度，每处理选择5 株生长势一致的植株，采用卷尺测量茎基部到茎尖生长点的长度即为株高，采用十字交叉法测定自然状态下最大外叶间的距离即为开展度。2022 年2 月25 日采收成熟瘤茎，每处理选择5 株生长势一致的植株，测定瘤茎的纵径、横径、单株质量，计算茎形指数（茎形指数=纵径/横径）；取瘤茎边缘和中心共5 个点混样，采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量（王学奎和黄见良，2015），采用考马斯亮蓝G-250 法测定可溶性蛋白含量（王学奎和黄见良，2015），然后将样品烘干，参照黄萍等（2011）的方法（略有改动）测定粗纤维含量，参照孙亚男（2007）的方法测定硫代葡萄糖苷含量。

9 月11 日（播种）至12 月22 日，采用太阳辐射仪测定每天的日照时数，累积日照时数为自播种起每天的日照时数之和，日均日照时数=累积日照时数/播种后天数（董伟欣 等，2016）。

1.3 数据处理

利用IBM SPSS Statistics 21 软件分析试验数据，采用Duncan’s 多重比较法进行多重比较，采用新复极差法进行差异显著性分析，采用线性回归拟合分析获得回归方程。

2 结果与分析

2.1 短日照处理对茎瘤芥生长的影响

由图1 可知，短日照处理后10 d（11 月12日），每天6 h 光照处理的茎瘤芥株高均显著高于对照，而每天8 h 光照处理与对照差异不显著；11月22 日后，每天8 h 光照处理的株高均显著低于对照；处理结束后（12 月12—22 日），所有短日照处理的株高均显著低于对照，而且各短日照处理间的株高差异总体呈逐渐缩小的趋势，到12 月22日各短日照处理间均无显著差异。所有短日照处理的植株开展度均显著低于对照；且11 月22 日后，同一光照时长下随着处理时间的延长植株开展度呈降低趋势。

图1 不同短日照处理对茎瘤芥株高和开展度的影响

2.2 短日照处理对茎瘤芥茎瘤发生的影响

由图2 可知，短日照处理使茎瘤芥茎瘤发生提前，11 月7 日、处理后5 d，所有短日照处理均有茎瘤形成，而对照无茎瘤，且每天6 h 光照处理的茎瘤发生率显著高于每天8 h 光照处理；11 月12日，对照开始出现茎瘤，但茎瘤发生率显著低于各短日照处理；11 月17 日，6 h/10 d 和6 h/20 d 处理的茎瘤发生率达到100%，显著高于8 h/20 d、8 h/30 d 处理及对照，且各短日照处理及对照的茎瘤发生率均在80%以上；11 月22 日，各短日照处理及对照的茎瘤发生率均为100%。综上，缩短光照时长能够促进茎瘤芥茎瘤的发生，且光照时长越短茎瘤发生越早。

图2 不同短日照处理对茎瘤芥茎瘤发生率的影响

2.3 短日照处理对茎瘤芥瘤茎膨大的影响

由图3 可知，短日照处理的茎瘤芥瘤茎在11月7 日开始膨大，而对照则在11 月12 日才开始膨大；短日照处理的瘤茎从11 月17 日开始进入快速膨大期，而对照则在11 月22 日进入快速膨大期。结合茎瘤芥生长期间的日均日照时数（表1）可知，自然光照条件下，永安传奇瘤茎膨大的临界日均日照时数为11.17 h·d-1，进入快速膨大期的临界日均日照时数为10.93 h·d-1；而短日照各处理在11 月7 日的日均日照时数已低于11.17 h·d-1，在11 月17 日进入快速膨大期的日均日照时数也低于10.93 h·d-1，所以各短日照处理均较对照瘤茎膨大期提前。

表1 茎瘤芥生长期间的日均日照时数

图3 不同短日照处理的茎瘤芥瘤茎生长曲线

2.4 短日照处理对茎瘤芥采收期瘤茎性状的影响

从表2 可以看出，短日照处理对茎瘤芥单株瘤茎质量有明显影响，除6 h/10 d 和8 h/10 d 处理与对照无显著差异外，其他各处理单株瘤茎质量均显著低于对照。自然光照条件下，永安传奇的瘤茎茎形指数约为1，瘤茎近似圆形；6 h/10 d 处理的瘤茎茎形指数与对照差异很小，外观形态较好；随短日照处理时间的延长，瘤茎茎形指数逐渐增加，瘤茎由圆形变为纺锤形（图4）。短日照处理对瘤茎纵径的影响不大，仅6 h/20 d 处理显著低于对照；而短日照各处理的瘤茎横径均显著低于对照。

表2 不同短日照处理对茎瘤芥采收期瘤茎性状的影响

图4 不同短日照处理的茎瘤芥瘤茎采收后形态

2.5 短日照处理对茎瘤芥瘤茎品质的影响

从表3 可以看出，不同短日照处理对茎瘤芥瘤茎品质指标的影响存在显著差异。6 h/10 d 处理的粗纤维含量最低，但与对照差异不显著；8 h/30 d处理的粗纤维含量最高，显著高于6 h/10 d、8 h/10 d 处理及对照。各短日照处理的硫代葡萄糖苷含量均高于对照，除8 h/10 d 处理外均与对照差异显著。除6 h/10 d、8 h/10 d 处理的可溶性糖含量与对照差异不显著外，其他处理均显著低于对照。各短日照处理的可溶性蛋白含量均显著低于对照。

表3 不同短日照处理对茎瘤芥瘤茎品质的影响

2.6 日照时数与瘤茎横径的相关性关系

根据太阳辐射仪测定的每天日照时数计算累积日照时数和日均日照时数，与各处理的茎瘤芥瘤茎横径进行线性回归分析，得到瘤茎横径（Y）和累积日照时数（X1）的线性回归方程为：Y=0.008X1-4.873（r=0.962*），瘤茎横径（Y）与日均日照时数（X2）的线性回归方程为：Y=-2.626X2+29.399（r=-0.794*）。线性回归分析结果表明（图5），茎瘤芥瘤茎膨大与累积日照时数和日均日照时数密切相关，其中累积日照时数与瘤茎横径呈正相关关系，日均日照时数与瘤茎横径呈负相关关系。由此可见，累积日照时数越大，茎瘤芥的瘤茎横径越大；而日均日照时数越短，茎瘤芥的瘤茎横径越大。

图5 日照时数与瘤茎横径的线性回归关系

3 讨论与结论

植物的生长发育受光周期调控（马永珍 等，2020）。研究表明，延长光周期可以使西葫芦幼苗的株高、茎粗和总叶面积增加（康恩祥 等，2006）；使黄瓜幼苗的生长速率、茎粗与根冠比增加（李海云 等，2009）。本试验中，短日照处理使茎瘤芥植株开展度显著降低，株型较对照而言更加紧凑，可以适当增加种植密度以提高单位面积产量；短日照处理一定时间能够使茎瘤芥茎瘤发生提前，瘤茎膨大始期和快速膨大期亦提前。最早的研究认为，低温是茎瘤芥瘤状茎形成的必要条件，如不具备8～15 ℃的低温条件，即使植株营养生长很旺盛瘤状茎也不会膨大（刘佩瑛，1996）。之后的研究发现，茎瘤芥瘤状茎膨大受光周期和温度共同调控，如在短日照条件下瘤状茎膨大的临界温度可以稍有升高（史会，2012）。本试验中，永安传奇在北方温室自然光照条件下瘤状茎膨大的临界日均日照时数为11.17 h·d-1，进入快速膨大期的临界日均日照时数为10.93 h·d-1，而经过短日照处理的茎瘤芥瘤状茎膨大所经历的日均日照时数均低于11.17 h·d-1，进入快速膨大期所经历的日均日照时数均低于10.93 h·d-1，因此才能使各短日照处理瘤茎开始膨大及进入快速膨大期早于对照。

本试验中，短日照处理使茎瘤芥的单株瘤茎质量降低，茎形指数升高，且处理时间越长影响越明显，这可能是由于缩短光照时间不利于光合产物的形成和碳水化合物的积累所导致。6 h/10 d 处理的瘤茎粗纤维含量低于对照，说明一定程度的短日照处理能够降低茎瘤芥瘤茎的粗纤维含量；但处理时间越长，瘤茎粗纤维含量越高，可溶性糖和可溶性蛋白含量呈降低趋势，这可能是因为光照时长缩短导致茎瘤芥瘤茎膨大不充分或尚未完全膨大。各短日照处理的茎瘤芥瘤茎硫代葡萄糖苷含量均高于对照，硫代葡萄糖苷及其水解产物异硫氰酸酯等是茎瘤芥产生特殊风味和生物活性的化合物，但在作为腌制食品时会在芥子苷酶的作用下水解，导致腌制茎瘤芥的风味下降，而芥子苷酶的最适反应温度为40～50 ℃（高倩妮 等，2018），因此在加工时降低温度能够使硫代葡萄糖苷在腌菜中有效保存。

综上所述，短日照处理可以有效地使茎瘤芥茎瘤发生提前，但会降低单株瘤茎质量和部分品质指标，且处理时间越长影响越大。因此，生产上可以通过缩短日照时长使茎瘤芥瘤茎膨大期提前，但处理时间不宜过长。本试验条件下，每天6 h 光照处理10 d 后茎瘤发生提前，瘤茎膨大始期和快速膨大期亦提前，且瘤茎粗纤维含量低于对照，硫代葡萄糖苷含量显著高于对照，单株瘤茎质量和可溶性糖含量与对照差异不显著。今后将利用转录组和蛋白组学的技术手段深入探究短日照调控茎瘤芥瘤茎发生的分子机制，为茎瘤芥的遗传改良提供技术支撑。