喷施低浓度NaCl对日光温室高温期草莓叶片生理特性及果实品质的影响

范 辉,尹伟僮,王明姣,李青云,高志奎,薛占军

(河北农业大学园艺学院,河北保定,071001)

近年随着作为植物生长发育必需的微量元素氯(Cl)的有益效应引起广泛关注[1],有关含Cl肥料的调控作用也被重新认识[2-3]。但是,以往被认为能产生次生盐渍化的NaCl调节效应则更需要重新加以明确,因为前人大量研究关注的是高浓度(50～300 mmol·L-1)NaCl的Na+胁迫效应及耐盐机制[4-5],而忽视或掩盖了Cl对植物生命活动和代谢活性的调节效应。于是,有关低浓度(5～20 mmol·L-1)NaCl对植物生理代谢调节效应开始被重视,因为低浓度NaCl处理下的Na+不仅不会产生累积胁迫效应,而且还能作为植物液泡中重要的渗透调节物质,维持细胞正常生命活动所需的膨压;此外,Cl还能在植物特定组织器官中累积到与大量元素K相近的含量水平(15～50 mg·g-1DW),对叶片扩展、物质累积、细胞膨压、水裂解系统和氮代谢相关酶活等生理生化过程进行正向调节[1]。所以,进行低浓度NaCl的施用技术研究是充分发挥其有益调控效应的首要关键任务。

目前园艺作物生产仍以土壤栽培为主,若采用土壤根施低浓度NaCl的方式,一方面或多或少会带来土壤次生盐渍化隐患;另一方面还可能隐藏着根际多种离子间吸收相互促抑的问题。于是,本课题组提出低浓度NaCl叶部喷施技术,发现低浓度 NaCl 能显著提高日光温室中低温区黄瓜幼苗形态和光合生理指标,缓解由于温度降低对黄瓜幼苗生长发育的抑制效应,达到培育黄瓜壮苗的目的[6]。此外,喷施低浓度NaCl还能促进小白菜和樱桃萝卜的干物质累积和营养品质改善[7-8],在对西兰花的研究中也有相关验证[9],上述研究结果不仅直接拓宽了低浓度NaCl的施用技术,而且进一步明确了低浓度NaCl的有益调节效应,为在更多园艺作物中应用提供了重要的技术保障和数据支撑。

草莓Fragaria×ananassaDuch.作为世界各地均有广泛栽种的多年生草本植物[10-11],具有“果中皇后”的美誉,深受广大消费者喜爱。我国北方利用日光温室进行草莓促成栽培是提高其生产效益的一种主要方式[12],采收期可以从12月延续至翌年5月。但是进入翌年3月后,日光温室内的昼夜气温开始回升,逐步超越10～26 ℃的生长发育适温,时常遭受26～35 ℃甚至更高温度的影响,加速草莓叶片蛋白质分解[13]和光系统II反应中心失活[14],产生严重的光合光抑制[15],突出表现为草莓果个变小、产量降低和品质变差等问题[16]。随后,相关学者提出选种耐热型草莓品种[17]、适度遮阴[18]、叶面喷施或滴灌硅肥[19]等农艺和理化调控技术措施,缓解日光温室偶发或持续高温胁迫对草莓生长及品质的影响。但是,喷施低浓度NaCl能否调控日光温室高温期草莓生长及品质的研究还未见报道。

因此,本试验通过对日光温室高温期草莓喷施不同低浓度NaCl溶液,分析草莓叶片色素含量、光合作用参数、抗氧化酶活性和果实形态及营养品质相关指标,明确喷施低浓度NaCl对草莓生长及品质的有益效应,筛选促进草莓生长和改善草莓品质的适宜NaCl浓度,为提高日光温室高温期草莓耐热性、改善其品质和延长采收期提供技术参考和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验在保定市徐水区增贤农业科技有限公司日光温室中进行,选取在保定地区草莓设施栽培中常见的栽培品种“红颜”为试材,在2021年9月初采用高畦双行移栽定植,采用水肥一体化滴灌技术进行常规肥水管理。于翌年3月底,当日光温室内气温开始快速升高时,进行低浓度NaCl喷施处理。

1.2 试验设计

本试验共设置5个低浓度NaCl处理,即0(CK)、5 (T1)、10 (T2)、15 (T3)和20 mmol·L-1(T4),配制用的NaCl均为分析纯(摩尔质量为 58.44 g/mol,于保定万科药品有限公司购买),配制用水为公司基地的深层井水(Na+和Cl-的浓度分别为0.68 mmol·L-1和0.54 mmol·L-1),配好后装入15 L电动喷雾器中,再加入3 mL天然橙皮精油助剂(自保定农资市场购买),摇匀后备用。

试验采用随机区组设计,选取生长势一致的草莓健壮植株,将红熟期果实全部摘除,只保留刚刚着稳果、大小一致的绿熟期果实,将绿熟期果实挂牌标记,白熟期果实在试验处理期间成熟后摘除。每个小区面积为5.85 m2(9.0 m×0.65 m),每个处理3个小区重复。每天上午8:30—9:00喷施一次,每次喷施的溶液以在叶面上出现液滴微落为宜,喷施试验处理直至90%的挂牌标记草莓果实完全成熟时停止,喷施共23次。每个处理小区随机选取挂牌成熟度一致的草莓植株10株,总计每个处理30株,进行叶片生理活性及果实品质指标的测定。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 叶片光合色素 选择生长期一致的功能叶片,使用圆形打孔器把叶片打成大小、形状一致的小圆片,采用丙酮提取法[20]测定叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素的含量,并采用U-5100(日本日立公司生产)紫外-可见分光光度计在663、645、470 nm下进行比色,每个处理5次重复。

1.3.2 光合特征参数 在取样测定的当天上午9:00—11:00,采用美国LI-COR公司生产的Li-6800便携式光合仪测定草莓叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)等参数,测定时叶室内CO2浓度与外界相同光强为温室内自然光(650～700 μmol·m-2·s-1),叶片温度为27～31 ℃,选择由生长点向外的第3片叶测定。每个处理3次生物学重复测定。

1.3.3 叶片抗氧化酶活性 参照李合生等[20]的方法进行测定。超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用氮蓝四唑光还原法;过氧化物酶(POD)活性测定采用愈创木酚法;过氧化氢酶(CAT)活性测定采用紫外吸收法;丙二醛(MDA)含量测定采用硫代巴比妥酸法。每个处理5次重复。

1.3.4 果实外观形态 在每个处理小区选取成熟度一致的草莓10颗,使用电子天平测定单果质量,游标卡尺测量果实横径、纵径。采用MINOLTACR-400色差仪测定果实外观色度值(L*:亮度,表示黑白;a*:红绿色度;b*:黄蓝色度)。

1.3.5 果实营养品质 在每个处理小区选取成熟度一致的草莓10颗,均匀混样后进行营养品质测定。采用蒽酮试剂法[21]测定可溶性糖含量;氢氧化钠滴定法测定可滴定酸含量[21];采用2,6-二氯酚靛酚滴定法[21]测定维生素C含量;茚三酮比色法[21]测定游离氨基酸含量。每个处理5次重复。

1.4 数据处理与分析

采用 Excel 2010软件对数据进行处理与绘图,利用SPSS 23.0统计软件中的Duncan’s法进行方差分析,不同小写字母表示在p=0.05水平上存在差异显著。

2 结果与分析

2.1 喷施低浓度NaCl对草莓叶片光合色素的影响

由表1可以看出,喷施低浓度NaCl对草莓叶片光合色素产生了显著影响(p<0.05)。与喷施清水(CK)相比,喷施低浓度NaCl(5、10、15和20 mmol·L-1)均显著增加了草莓叶片的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总含量(p<0.05),叶绿素a含量增幅分别达11.41%、30.59%、31.52%和10.12%,叶绿素b含量增幅分别达8.98%、21.13%、25.52%和10.12%,叶绿素总含量增幅分别达10.19%、27.36%、29.21%和17.06%。10、15 mmol·L-1NaCl可显著促进类胡萝卜素含量的积累(p<0.05),分别较对照(CK)升高了15.15%和16.96%。光合色素含量均在15 mmol·L-1处理下促进效应最好,表明喷施适宜低浓度NaCl对草莓叶片光合色素含量的积累具有促进效应。

表1 喷施低浓度NaCl对草莓叶片光合色素的影响 mg·g-1 FW

2.2 喷施低浓度NaCl对草莓叶片光合特性的影响

由表2可以看出,喷施低浓度NaCl对草莓叶片光合特性产生了显著影响(p<0.05)。与喷施清水(CK)相比,喷施低浓度NaCl(10、15和20 mmol·L-1)显著增加了草莓叶片的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度。其中,叶片净光合速率(Pn)增幅分别达17.88%、10.51%和7.79%,叶片蒸腾速率增幅分别达31.56%、19.02%和22.25%,叶片气孔导度增幅分别达27.71%、16.72%和13.06%。喷施低浓度NaCl(5、10、15和20 mmol·L-1)显著降低了草莓叶片的胞间CO2浓度,降幅达6.22%、10.71%、10.57%和7.79%,其中以10 mmol·L-1处理对草莓叶片光合特性的影响效果最好。

表2 喷施低浓度NaCl对草莓叶片光合特性的影响

2.3 喷施低浓度NaCl对草莓叶片抗氧化酶活性的影响

由图1可以看出,喷施低浓度NaCl对草莓叶片抗氧化酶活性产生了显著影响(p<0.05)。与喷施清水(CK)相比,喷施低浓度NaCl(5、10和15 mmol·L-1)显著增加了草莓叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性,增幅达5.06%、12.86%和16.75%。喷施低浓度NaCl(10、15和20 mmol·L-1)显著增加了过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性,增幅分别达14.81%、25.18%、18.04%和11.90%、30.95%、23.81%。喷施低浓度NaCl(5、10、15和20 mmol·L-1)均能显著降低MDA含量,降幅达5.50%、10.72%、13.72%和8.11%。喷施低浓度NaCl对叶片抗氧化酶活性影响均为15 mmol·L-1效果最好。

图1 喷施低浓度NaCl对草莓叶片抗氧化酶活性的影响

2.4 喷施低浓度NaCl对草莓果实外观形态的影响

由表3可以看出,喷施低浓度NaCl对草莓形态指标产生了显著影响(p<0.05)。与喷施清水(CK)相比,喷施低浓度NaCl(5、10、15和20 mmol·L-1)显著增加了草莓的单果质量、横径、纵径。其中,草莓单果质量增幅分别达12.21%、28.08%、35.66%和17.52%;横径增幅分别达3.77%、11.30%、18.44%和8.22%;纵径增幅分别达10.5%、27.17%、26.48%和14.38%。对于单果质量、横径而言,15 mmol·L-1最好;对于纵径而言,10 mmol·L-1的促进效应最好;在果实亮度、红度方面,与喷施清水(CK)相比,喷施15 mmol·L-1NaCl显著增加了果实亮度,增加6.96%;喷施10和15 mmol·L-1NaCl显著增加了果实红度,增幅达17.02%和18.65%;亮度、红度均为15 mmol·L-1效果最好。

表3 喷施低浓度NaCl对草莓单果质量、纵径、横径、果皮色泽的影响

2.5 喷施低浓度NaCl对草莓营养品质的影响

由图2可以看出,喷施低浓度NaCl对草莓营养品质产生了显著影响(p<0.05)。与喷施清水(CK)相比,喷施低浓度NaCl(5、10和15 mmol·L-1)显著增加草莓的可溶性糖含量的同时还降低了草莓的可滴定酸含量。其中,可溶性糖含量增幅分别达7.45%、13.37%和15.45%;可滴定酸含量降幅达11.33%、18.67%和9.33%。喷施低浓度NaCl(10、15和20 mmol·L-1)显著增加了维生素C和游离氨基酸含量。其中,维生素C含量增幅分别达34.48%、35.34%和12.76%,游离氨基酸含量增幅分别达11.34%、15.05%和7.46%。对于可溶性糖、维生素C和游离氨基酸而言,均是15 mmol·L-1促进效果最好;对于可滴定酸而言,10 mmol·L-1的抑制效果最好。

图2 喷施低浓度NaCl对草莓营养品质的影响

3 讨论与结论

光合作用作为对外界环境变化极为敏感的一个重要生理过程,密切关联着作物产量的形成和品质的改善[22],其中负责光能吸收、传递和转化的叶绿体发挥了重要作用[23],而高温胁迫会破坏叶绿体类囊体膜,基粒上的叶绿素生物合成受阻,光能捕获效率降低,光合作用变弱,产量下降[24]。本试验发现,高温期喷施低浓度NaCl可以显著提升草莓叶片光合色素含量,这与周峰等[25]在菠菜研究和高慧等[26]在金盏菊研究中的结果相一致,而且适宜浓度NaCl还可以改变西兰花叶绿体的超微结构,使叶绿体变大,基粒数量增多,从而增强植株光合作用,促进植株的生长[27]。

已有研究表明,高温胁迫下草莓细胞膜系统的稳定性被打破、抗氧化物系统发生变化,放氧复合体OEC失活,甚至引发PSI的光抑制问题,最终严重影响到草莓光合作用与正常生长[15]。本试验发现,喷施低浓度NaCl降低了高温期草莓叶片丙二醛含量,提升了抗氧化酶活性,维持叶片细胞膜结构的完整性和稳定性,表明适宜低浓度NaCl喷施处理可以增强植株抗氧化酶活性,去除植株体内活性氧,提高植株对高温环境的应对能力;这与王宝增等[28]在小麦上的研究结果一致,抗氧化酶的增多,保证了小麦得以维持较高的光合速率,促进小麦生长。同时,相关研究也表明,NaCl可以使碱蓬中6个与光捕获相关的基因上调,从而增强植株的光捕获能力[29],这或许与本试验发现的10 mmol·L-1NaCl处理下草莓叶片光合速率显著增强有关。

多项研究表明,低浓度NaCl在植物生长发育中发挥着重要作用[1,29-30]。Cl-决定了植株的鲜质量增加和干物质的积累[1],Franco-Navarro等[31]发现,低浓度Cl-具有促进烟草干物质累积和叶面积增大的作用。本试验结果也发现,随着低浓度NaCl的连续喷施,Na+、Cl-也在叶片及果实中不断积累,在10、15 mmol·L-1NaCl处理下,草莓果实形态得到有效改善,10 mmol·L-1NaCl显著增加了草莓纵径,15 mmol·L-1NaCl显著增加了草莓单果质量与横径。田璐等[27]研究表明,适宜低浓度NaCl具有刺激植物内源激素ABA、CTK、IAA和GA增多的作用,这些内源激素使植株抗逆性增强的同时进一步促进植株生长,提高产量,但本试验发现的草莓在喷施适宜低浓度NaCl后果实形态的改善是否与植物内源激素有关,仍需进一步深入探究。

前人研究表明,在碳利用途径的47个差异表达基因中,NaCl处理可以使其中35个基因上调,进而促进植株碳水化合物的累积[29],有利于更多的碳骨架向同化库转运和转化,为植物产量形成和品质改善提供重要的物质基础。孙红等[32]研究结果表明,适宜低浓度NaCl处理利于葡萄果实的着色,提高糖酸积累。本试验发现,10、15 mmol·L-1NaCl可以有效提高草莓可溶性糖含量、维生素C含量及游离氨基酸的含量;但与前人研究结果不同的是,本试验中5、10和15 mmol·L-1NaCl明显抑制了可滴定酸的合成,原因之一可能是由于草莓在高温和Na+、Cl-二者的双重影响下促进渗透势的调节,使得可溶性糖、游离氨基酸等渗透调节物质不断累积,从而抑制了可滴定酸的形成。

综上所述,10、15 mmol·L-1NaCl喷施可以有效维持日光温室高温期草莓叶片的高生理活性,并通过增加单果质量、提高可溶性糖、维生素C、游离氨基酸含量和降低可滴定酸含量,改善草莓果实品质。