葉面噴施氧化型谷胱甘肽對(duì)設(shè)施草莓光合作用、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

吳長(zhǎng)春，雷偉偉，范珊珊，陳 娟，鄒春琴*，陳新平，曲明山，趙永志

（1．中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/教育部土壤-植物相互作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境與糧食安全中心，北京 100193；2．北京市土壤肥料工作站，北京 100029；3．西南大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，重慶 400716）

設(shè)施草莓采果期周期長(zhǎng)，從每年元旦前上市能夠持續(xù)到五一，滿足冬季鮮果市場(chǎng)的需求，成為市民的理想選擇［1］。近年來(lái)北京市設(shè)施草莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2016年北京市設(shè)施草莓種植面積700 hm2，平均每公頃產(chǎn)值達(dá)120萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀［2］。草莓在冬季較長(zhǎng)的生長(zhǎng)過(guò)程中，受環(huán)境影響較大，光照是影響草莓產(chǎn)量和品質(zhì)的重要環(huán)境因子［3］。北京地區(qū)霧霾嚴(yán)重，尤其冬春霧霾寡照常影響草莓的光合作用、花粉發(fā)育、授粉受精等，導(dǎo)致坐果率低、果實(shí)畸形，影響其經(jīng)濟(jì)效益［4-6］，因此，霧霾寡照成為影響京郊草莓設(shè)施栽培的主要環(huán)境因子［7］。趙義平等［8］在遼寧省研究發(fā)現(xiàn)，因霧霾造成的寡照導(dǎo)致設(shè)施蔬菜徒長(zhǎng)、植物長(zhǎng)勢(shì)弱，大棚濕度增加，灰霉病發(fā)生嚴(yán)重，嚴(yán)重降低了蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)。如何緩解惡劣的環(huán)境條件對(duì)草莓生產(chǎn)造成的不良影響，是近年來(lái)大家關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。通過(guò)人工光補(bǔ)充技術(shù)可在一定程度上改善寡照狀況，但對(duì)光源的選擇和應(yīng)用有一定的局限性［9］。李芳賢等［10］研究表明，玉米噴施生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，能夠有效延長(zhǎng)葉片光合作用時(shí)間，增加了光合產(chǎn)物的形成和積累。

谷胱甘肽（glutathione，GSH）是生物體中普遍存在的一種多肽，是細(xì)胞中存在的最豐富的小分子硫醇類化合物，有氧化型（GSSG）和還原型（GSH）兩大類，人們通常提到的谷胱甘肽是指還原型谷胱甘肽［11-12］，氧化型谷胱甘肽需還原后才能發(fā)揮其重要的生理功能［13］。金春英等［14］研究發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)GSH和GSSG通過(guò)氧化還原反應(yīng)可以相互轉(zhuǎn)化，通常兩者處于穩(wěn)恒性動(dòng)態(tài)平衡。研究表明，植株能夠通過(guò)提高 GSH合成與代謝相關(guān)酶類的活性，從而增加自身對(duì)環(huán)境脅迫的抵抗能力［15-16］。植物受到低溫或高溫脅迫時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞中GSH/GSSG降低脅迫對(duì)自身危害，但植物僅靠?jī)?nèi)源GSH不足以保護(hù)細(xì)胞免受自由基侵害，外源GSH處理可提高植物對(duì)低溫、高溫、重金屬和鹽脅迫的抵抗能力［17］。劉會(huì)芳［18］研究表明在NaCl脅迫下，通過(guò)噴施GSH和GSSG 減輕了NaCl 脅迫對(duì)光合暗反應(yīng)的抑制，有效緩解了鹽脅迫對(duì)番茄生長(zhǎng)的危害。但目前外源GSSG對(duì)作物抵御弱光脅迫的研究較少，尤其對(duì)冬春季生長(zhǎng)的設(shè)施草莓的影響研究未見報(bào)道。

本文通過(guò)研究葉面噴施不同濃度GSSG對(duì)設(shè)施草莓生長(zhǎng)、光合速率、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，豐富GSSG提高農(nóng)作物抗逆性的理論基礎(chǔ)，同時(shí)針對(duì)北京地區(qū)設(shè)施草莓生產(chǎn)中冬季霧霾寡照情況，提出合理有效的GSSG施用濃度和施用技術(shù)，為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)草莓的生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試作物為‘紅顏’草莓，由北京鑫城緣果品專業(yè)合作社提供。氧化型谷胱甘肽為日本生產(chǎn)的天然植物制劑（有效成分GSSG含量為15%）。試驗(yàn)在2015～2017年間種植兩茬，即2015年10月～2016年5月和2016年10月～2017年5月，兩個(gè)完整的生長(zhǎng)周期。草莓定植時(shí)間分別是2015年10月9日和2016年10月22日，定植于北京市鑫城緣果品專業(yè)合作社日光溫室，試驗(yàn)采用架式基質(zhì)栽培的方式。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)置6個(gè)處理（即6個(gè)濃度梯度），每個(gè)處理3次重復(fù)，6個(gè)處理分別為：0（清水）、75、150、300、600和1 200 mg/L，分別在草莓苗期、初花期、一茬果膨果期、二茬果膨果期和三茬果膨果期噴施，同一處理不同時(shí)期噴施的濃度不變，全生育期共噴施5次，噴施時(shí)添加吐溫作為表面吸附劑，以葉面完全濕潤(rùn)為宜。所有處理的施肥水平和管理措施完全一致，各個(gè)時(shí)期施肥情況如表1所示。

1.2 草莓生長(zhǎng)期天氣狀況

兩個(gè)草莓生長(zhǎng)周期當(dāng)?shù)氐撵F霾天數(shù)如表2所示。

表1 草莓生育期施肥管理

表2 草莓生育期各月份累計(jì)霧霾天數(shù)

1.3 測(cè)定指標(biāo)

葉面積的測(cè)定：在苗期噴施后7 d對(duì)各處理選取長(zhǎng)勢(shì)一致的植株取樣測(cè)定，具體測(cè)定方法參照陳秀娟等［19］的方法。

葉片光合速率：在2015～2016種植季，2015年12月8日噴施，12月20日測(cè)定；2016～2017種植季，2016年12月4日噴施，12月11日測(cè)定。采用便攜式光合儀（IC-pro SD 6400Li）在霧霾天氣下測(cè)定，測(cè)定時(shí)每個(gè)重復(fù)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的3株草莓測(cè)定數(shù)據(jù)，10∶00～13∶00測(cè)定全新展開功能葉片（第2～3片葉）的光合速率。

產(chǎn)量：各重復(fù)選取有代表性的6株草莓掛牌連續(xù)跟蹤記錄產(chǎn)量，測(cè)產(chǎn)時(shí)每隔3 d測(cè)一次，記錄每株草莓個(gè)數(shù)和單果重，每次采收時(shí)測(cè)定各株產(chǎn)量，最終計(jì)算平均單株產(chǎn)量［20］。

果實(shí)品質(zhì)測(cè)定：各重復(fù)選取5個(gè)成熟度一致的草莓榨汁過(guò)濾混勻，用TD-45數(shù)顯糖度計(jì)測(cè)定混合液的可溶性糖含量，用GMK-835F水果酸度計(jì)測(cè)定混合液的酸度，并計(jì)算糖酸比［21］。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel 2010進(jìn)行處理，SAS 8.0軟件（美國(guó)）的線性-平臺(tái)模型進(jìn)行不同變量的擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面噴施GSSG對(duì)草莓產(chǎn)量的影響

噴施不同濃度的GSSG對(duì)草莓各茬果產(chǎn)量的影響符合線性-平臺(tái)的關(guān)系（圖1），頭茬果達(dá)到最高產(chǎn)量的臨界GSSG濃度在2015～2016和2016～2017年分別為198和252 mg/L，此時(shí)單株最高產(chǎn)量分別為59和71 g；二茬果達(dá)到最高產(chǎn)量的臨界GSSG濃度在2015～2016和2016～2017年分別為213和300 mg/L，此時(shí)單株最高產(chǎn)量分別為59和51 g。噴施GSSG對(duì)三茬果的影響相對(duì)較小，2015～2016年隨GSSG濃度的增加，三茬果產(chǎn)量基本沒(méi)有明顯的變化，2016～2017年GSSG的臨界濃度為205 mg/L時(shí)單株產(chǎn)量達(dá)到最高，為31 g。GSSG濃度在2015～2016和2016～2017年 分 別 為182和274 mg/L時(shí)，總產(chǎn)量達(dá)到最高，分別為153和145 g。 綜合兩年的結(jié)果，GSSG濃度在180～300 mg/L時(shí)草莓總產(chǎn)達(dá)到最高，GSSG濃度繼續(xù)增加，產(chǎn)量不再顯著增加。

圖1 葉面噴施不同濃度GSSG對(duì)草莓頭茬果、二茬果、三茬果及總產(chǎn)量的影響

2.2 噴施GSSG對(duì)草莓葉面積的影響

噴施GSSG對(duì)草莓葉面積有顯著促進(jìn)作用（圖2），當(dāng)GSSG濃度為150 mg/L時(shí)，葉面積顯著增加。與噴施清水處理相比，2015～2016年噴施不同濃度GSSG使草莓葉面積顯著增加6.1%～36.7%。與清水處理相比，GSSG濃度為75 mg/L時(shí)，葉面積顯著增加，當(dāng)GSSG濃度為1 200 mg/L時(shí)，葉面積達(dá)到最大值。2016～2017年噴施GSSG濃度為150 mg/L時(shí)，草莓葉面積顯著增加，在GSSG濃度從300 mg/L增加到1 200 mg/L時(shí)，葉面積有增加趨勢(shì)，但差異不顯著。說(shuō)明GSSG對(duì)草莓葉片生長(zhǎng)的促進(jìn)作用與噴施濃度有關(guān)。

圖2 葉面噴施不同GSSG濃度對(duì)草莓葉面積的影響

2.3 葉面噴施GSSG對(duì)草莓光合速率的影響

如圖3所示，在霧霾天噴施GSSG濃度與葉片光合速率呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P≤0.05），隨著GSSG濃度的增加，光合速率呈線性增加，當(dāng)GSSG濃度達(dá)到1 200 mg/L時(shí)，光合速率達(dá)到最大，此時(shí)光合速率分別為 9.19 和 9.80 μ mol/（m2·s）。

圖3 葉面噴施不同GSSG濃度對(duì)草莓光合速率的影響（霧霾天）

2.4 草莓產(chǎn)量與葉面積和光合速率的關(guān)系

草莓產(chǎn)量與葉面積和光合速率均呈線性正相關(guān)關(guān)系，2015～2016和2016～2017年結(jié)果表明，隨著葉面積和光合速率的增加，草莓產(chǎn)量顯著增加（P≤0.01）（圖 4）。

圖4 草莓產(chǎn)量與葉面積和光合速率的關(guān)系

2.5 葉面噴施GSSG對(duì)草莓產(chǎn)量構(gòu)成和品質(zhì)的影響

噴施GSSG對(duì)草莓各茬果的果數(shù)有顯著提高，且隨著GSSG濃度的增加，各茬果的果數(shù)增加（表3），說(shuō)明噴施GSSG能夠提高草莓結(jié)果數(shù)，但各茬果的平均單果重影響較小。與噴施清水處理相比，GSSG濃度為150 mg/L時(shí)，頭茬果和二茬果的果數(shù)分別顯著增加了27.3%和50.0%。GSSG濃度增加到300 mg/L時(shí)，前兩茬果的果數(shù)平均分別增加了0.9和1.2個(gè)，三茬果的果數(shù)無(wú)顯著差異，隨著GSSG濃度的繼續(xù)增加對(duì)草莓各茬果的果數(shù)影響較小。

草莓各茬果的糖酸比均在11以上，噴施GSSG對(duì)草莓各茬果的糖度有提高作用，隨著草莓糖度的增加，酸度也逐漸增大，二、三茬果的糖酸比顯著提高（表4）。與噴施清水處理相比，GSSG濃度達(dá)到300 mg/L時(shí)，二茬果的糖度有顯著提升，糖酸比無(wú)顯著影響，GSSG濃度增加到600 mg/L時(shí)，頭茬果、二茬果和三茬果糖度顯著提高，對(duì)二茬果的糖酸比有顯著提高，對(duì)頭茬果和三茬果糖酸比無(wú)顯著提高。

表3 葉面噴施不同濃度GSSG對(duì)草莓產(chǎn)量構(gòu)成的影響

表4 葉面噴施GSSG對(duì)草莓果實(shí)品質(zhì)的影響

3 討論

光照是植物生長(zhǎng)最重要環(huán)境因素之一，隨著光強(qiáng)的降低，植物的生長(zhǎng)能力減弱［22-23］。北京地區(qū)設(shè)施草莓生長(zhǎng)的前期一般在每年9～12月份（表2），霧霾寡照時(shí)常發(fā)生，造成草莓生長(zhǎng)勢(shì)弱，成為限制草莓正常生長(zhǎng)的主要因素［24］。本研究表明葉面噴施GSSG可顯著提高草莓的產(chǎn)量，且GSSG的濃度與前兩茬果和總產(chǎn)量均符合線性-平臺(tái)模型，隨著GSSG濃度的增加，草莓產(chǎn)量呈先增加后趨于穩(wěn)定，當(dāng)GSSG濃度為180～300 mg/L時(shí)，草莓總產(chǎn)量達(dá)到最大。這為草莓生產(chǎn)中推薦合適的GSSG濃度提供了重要指導(dǎo)。噴施GSSG對(duì)三茬果產(chǎn)量的影響較小，可能由于在結(jié)果后期，產(chǎn)量顯著下降，且天氣狀況改良， 霧霾天減少（表2）。

光合作用是植株生物量累積的最終來(lái)源，Beadle等［25］和Long等［26］指出提高光合作用和有效的葉面積指數(shù)對(duì)于提高光能的截獲速率具有重要貢獻(xiàn)，并進(jìn)一步提高植株生物量。霧霾寡照脅迫下會(huì)使光合作用中的酶促反應(yīng)減慢，影響作物的生長(zhǎng)和光合速率［27-28］。通過(guò)對(duì)噴施GSSG對(duì)植株葉面積和光合速率的分析，GSSG濃度在150 mg/L時(shí)能夠顯著增加草莓葉面積，葉片光合速率與GSSG濃度呈正相關(guān)關(guān)系（圖2，3），說(shuō)明噴施GSSG能夠緩解寡照弱光對(duì)草莓生長(zhǎng)的影響，在適宜濃度下，可顯著促進(jìn)植株的生長(zhǎng)，這與劉會(huì)芳［18］研究結(jié)果類似。研究表明，植物體內(nèi)谷胱甘肽水平的高低與周圍環(huán)境脅迫的容忍密切相關(guān)，弱光低溫環(huán)境能引起植物細(xì)胞中GSSG還原轉(zhuǎn)化為GSH，使植物細(xì)胞中GSH/GSSG增加，減輕植物細(xì)胞的脂質(zhì)過(guò)氧化作用，減緩弱光低溫對(duì)草莓生長(zhǎng)的抑制作用，從而增強(qiáng)植物對(duì)環(huán)境脅迫的抵抗［29］，因此，氧化型谷胱甘肽可以減緩弱光對(duì)植物光合作用的脅迫，促進(jìn)植株的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，增加生物量積累，進(jìn)而提高草莓的產(chǎn)量。本研究中光合速率與GSSG濃度線性相關(guān)但斜率較小，可能由于在霧霾弱光脅迫條件下，在一定光合速率的基礎(chǔ)上，通過(guò)噴施GSSG對(duì)光合速率有顯著提升，但提升的幅度相對(duì)較?。还庹諒?qiáng)度較弱時(shí)，達(dá)不到葉片的光飽和點(diǎn)，光合速率會(huì)隨著濃度呈線性增加［30］。

果類作物的產(chǎn)量高低主要由單株坐果數(shù)和單果重決定。從產(chǎn)量構(gòu)成因素分析，噴施GSSG對(duì)各茬果產(chǎn)量的影響主要是通過(guò)增加各茬果的結(jié)果數(shù)，而對(duì)單果重的影響較小。與噴施清水處理相比，GSSG濃度為150～300 mg/L時(shí)，對(duì)頭茬果、二茬果的果數(shù)均有顯著增加，但隨著濃度的繼續(xù)增加，草莓各茬果的果數(shù)無(wú)顯著增加，結(jié)合圖1的結(jié)果，當(dāng)GSSG濃度高于300 mg/L時(shí)，各茬果的產(chǎn)量均達(dá)到產(chǎn)量平臺(tái)。通過(guò)對(duì)葉面積與產(chǎn)量和光合速率與產(chǎn)量的模擬，結(jié)果表明，葉面積和光合速率均與產(chǎn)量呈顯著的線性相關(guān)（P≤0.01）（圖4），草莓生長(zhǎng)過(guò)程中，噴施GSSG通過(guò)增加植株葉面積和光合速率，進(jìn)而提高其產(chǎn)量。葉面積和光合速率的增加，使葉片截獲更多的光能，有助于草莓生育期生物量和光合產(chǎn)物的積累，有利于草莓獲得較高的結(jié)果數(shù)和產(chǎn)量，這與陳銀華等［31］研究結(jié)果一致。

光合作用把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)存在淀粉和蔗糖中，霧霾寡照下嚴(yán)重影響草莓的光合作用，造成草莓果實(shí)不變紅，變紅的果實(shí)口感不甜，品質(zhì)下降［32］。噴施GSSG對(duì)各茬果糖度有顯著的提升作用，噴施適宜濃度的GSSG能夠通過(guò)增加光合速率，加快碳水化合物的合成，提高果實(shí)糖度和口感。

4 結(jié)論

葉面噴施GSSG對(duì)草莓生長(zhǎng)和產(chǎn)量、品質(zhì)有顯著影響，綜合兩年的結(jié)果，當(dāng)GSSG濃度為180～300 mg/L時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到最高，繼續(xù)增加GSSG濃度產(chǎn)量不再進(jìn)一步增加。產(chǎn)量的增加主要是由于草莓前兩茬果的果數(shù)顯著增加，噴施GSSG通過(guò)提高草莓葉面積和葉片光合速率進(jìn)而提高單株果數(shù)。同時(shí)，噴施GSSG對(duì)草莓的糖度也有一定提升。綜上所述，葉面噴施GSSG能緩解秋冬季霧霾寡照天氣對(duì)草莓生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成的不利影響，這種效果與GSSG的噴施濃度有關(guān)，在北京地區(qū)設(shè)施草莓生產(chǎn)中，噴施GSSG濃度180～300 mg/L較為適宜。