MnSO4浸種對小麥芽苗菜生長和生理活性物質(zhì)的影響

馬 茹，薛建福，張慧芋，祁澤偉，劉凱凱，徐 偉，劉昌斌，趙文欣，高志強(qiáng)

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，作物生態(tài)與旱作栽培生理山西省重點實驗室，山西 太谷 030801)

“隱性饑餓”嚴(yán)重威脅人體健康[1]。據(jù)統(tǒng)計，全球目前有將近20億人口處于隱性饑餓狀態(tài)，其體內(nèi)缺乏一種或多種微量元素[2]。錳(Mn)是人體內(nèi)多種酶的組成元素，在能量代謝、蛋白質(zhì)代謝、延緩衰老和提高免疫力等方面具有重要作用[3]。人體缺Mn會導(dǎo)致發(fā)育不良、食欲不振和機(jī)體衰老等各種疾病[4]。但攝入過量Mn則會引起Mn中毒[5]。據(jù)中國營養(yǎng)學(xué)會推薦[6]，成年人每人每日Mn的適宜攝入量為4.5～11 mg，由于日常攝入的食物中Mn含量較少[7]，無法滿足人體對Mn元素的需求，因此通過營養(yǎng)強(qiáng)化手段提高食物中Mn含量對保證人體每日必要的Mn攝入量，解決“隱性饑餓”有重要意義。

Mn也是植物生長所必需的微量元素之一[8]。適量Mn可以提高植物抗氧化酶活性，降低丙二醛(MDA)含量[9]。但缺Mn會導(dǎo)致植物生物量降低[10]，Mn濃度過高則會對細(xì)胞產(chǎn)生氧化脅迫，抑制植物生長，破壞葉綠素合成[11-12]。侯典云等[13]研究表明，適宜濃度的MnCl2溶液可以促進(jìn)小麥種子萌發(fā)和幼苗生長，提高其葉綠素含量。

芽苗菜培養(yǎng)過程中不添加化肥農(nóng)藥，具有較高的營養(yǎng)成分[17]，因而作為一種綠色保健食品開始逐漸被人們所接受[14]。其富含葉綠素、維生素C等生物活性物質(zhì)，具有良好的抗氧化和保健功能[15]，并可以清除體內(nèi)毒素，提高人體免疫力。

目前，市面上多為豆類芽苗菜，小麥芽苗菜較為少見[16]，且研究大多集中于錳肥對小麥植株生長及生理活性[13]的影響，對小麥芽苗菜方面研究較少。本試驗旨在通過研究不同濃度的MnSO4溶液浸種處理對小麥芽苗菜生長狀況、生物活性物質(zhì)以及Mn元素積累量的影響，明確最佳的MnSO4溶液浸種濃度，為促進(jìn)小麥芽苗菜生長，提高其生理活性及實現(xiàn)功能性生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2019年4月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)(山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院)進(jìn)行。供試小麥品種為運(yùn)旱618，采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，設(shè)置不同MnSO4溶液濃度分別為0(CMn 0)、0.1 g·L-1(CMn 0.1)、0.2 g·L-1(CMn 0.2)、0.4 g·L-1(CMn 0.4)、0.8 g·L-1(CMn 0.8)和1.6g·L-1(CMn 1.6)共6個處理，重復(fù)3次。浸種24 h后，選取50粒均勻飽滿、無破損及病蟲害的小麥籽粒，于清水中浸泡24 h后取出，將種子表面水分吸干，用鑷子整齊地擺放在墊有托盤和紗布的塑料培養(yǎng)盒中(14 cm×8 cm×7 cm)在室溫下培養(yǎng)，并于每日18：00時噴施蒸餾水，保持濕潤環(huán)境，培養(yǎng)10 d后收獲小麥芽苗菜。

1.2 測定項目及方法

1.2.1種子發(fā)芽特性的測定[18]

從開始培育小麥芽苗菜起，每天記錄發(fā)芽種子數(shù)，用于計算發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)，結(jié)合芽苗菜鮮重計算活力指數(shù)。

GF=(G3/G)×100%；

GR=(G7/G)×100%；

GI=∑(Gt/Dt)；

VI=S×∑(Gt/Dt)；

式中，GF為發(fā)芽勢，G3為在第3天內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)，G為供試種子總數(shù)。GR為發(fā)芽率，G7為在第7天內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)。GI為發(fā)芽指數(shù)，Gt為在t日內(nèi)的發(fā)芽種子數(shù)，Dt為發(fā)芽日數(shù)。VI為活力指數(shù)，S為一定時期內(nèi)幼苗生長勢，用萌發(fā)結(jié)束時每株苗的平均鮮重表示。

1.2.2苗長及根長的測定

發(fā)芽第10天，各處理選取15株長勢一致的小麥發(fā)芽植株，利用刻度尺測定其苗長和根長。

1.2.3鮮重和干重的測定

發(fā)芽第10天，各處理選取長勢均勻的15株小麥發(fā)芽植株，測量鮮重后于105 ℃殺青15 min，80 ℃烘干至恒重，稱量干重。

1.2.4生理活性物質(zhì)和Mn元素積累量的測定

分光光度法測定小麥芽苗菜維生素C含量，采用丙酮-分光光度計法提取葉綠素，硫代巴比妥酸-分光光度計法測定MDA含量和可溶性糖含量，愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性[19]。采用火焰原子吸收分光光度法測定Mn元素含量[20]，并根據(jù)Mn含量和芽苗菜干鮮重計算干重Mn元素積累量及鮮重Mn元素積累量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2011軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)常規(guī)處理，SAS 9.3軟件進(jìn)行顯著性分析(LSD方法，α=0.05)，Microsoft Excel 2011軟件和R 4.0.3軟件制作相關(guān)性氣泡圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度MnSO4溶液浸種對小麥芽苗菜生長的影響

小麥芽苗菜的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)均隨MnSO4溶液濃度的增加呈先增大后減小的趨勢(圖1)，小麥芽苗菜發(fā)芽勢介于84.0%～99.3%之間。與CMn 0處理相比，CMn 0.2和CMn 0.8處理下小麥芽苗菜發(fā)芽勢分別顯著提高了16.7%和18.3%(p<0.05)，其他處理與之差異不顯著。此外，CMn 0.2和CMn 0.8處理下小麥芽苗菜發(fā)芽勢較CMn 1.6處理分別顯著提高了14.0%和15.5%(p<0.05)。各處理下小麥芽苗菜發(fā)芽率為92.7%～100.0%。與CMn 0處理相比，CMn 0.2和CMn 0.8處理下小麥芽苗菜發(fā)芽率分別顯著提高了5.7%和6.4%(p<0.05)。CMn 0.1、CMn 0.2、CMn 0.4、CMn 0.8處理較CMn 1.6處理顯著提高了小麥芽苗菜發(fā)芽勢，且4個處理間差異不顯著。與CMn 0處理相比，濃度為CMn 0.1、CMn 0.2、CMn 0.4處理顯著提高了小麥芽苗菜的發(fā)芽指數(shù)，為7.0%～13.9%(p<0.05)，CMn 1.6處理下發(fā)芽指數(shù)顯著降低了9.1%(p<0.05)。CMn 0.1和CMn 0.2處理下小麥芽苗菜發(fā)芽指數(shù)顯著高于其他處理。與CMn 0處理相比，CMn 0.1、CMn 0.2、CMn 0.4處理下小麥芽苗菜活力指數(shù)顯著提高了21.5%～44.7%，CMn 1.6處理較之顯著降低了25.7%(p<0.05)。CMn 0.2和CMn 0.4處理較其他處理顯著提高了小麥芽苗菜活力指數(shù)。

注：不同小寫字母表示各處理在0.05水平上差異顯著。下同。A、B、C和D分別代表不同濃度MnSO4溶液下小麥芽苗菜發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。圖1 不同濃度MnSO4溶液處理下小麥芽苗菜的發(fā)芽特性Fig.1 Comparison of germination characteristics of wheat sprouts under different concentrations of MnSO4 solution

隨著MnSO4溶液濃度的升高，小麥芽苗菜苗長和根長均呈先升高后降低的變化趨勢(圖2)，與CMn 0處理相比，CMn 0.4處理下小麥芽苗菜的苗長及根長分別顯著提高了14.0%和57.3%，而CMn 1.6處理下苗長則顯著降低了9.8%(p<0.05)。CMn 0.1、CMn 0.2、CMn 0.4、CMn 0.8處理下苗長和根長均較CMn 1.6處理下顯著提高，CMn 0.4較CMn 0.8處理下苗長顯著增加了9.8%。此外，CMn 0.1和CMn 0.2處理與CMn 0.4、CMn 0.8處理下小麥芽苗菜的苗長和根長差異均不顯著。

注：不同小寫字母表示各處理在0.05水平上的統(tǒng)計差異。圖2 不同濃度MnSO4溶液處理下小麥芽苗菜的苗長和根長Fig.2 Comparison of seedling length and root length of wheat sprouts under different concentrations of MnSO4 solution

小麥芽苗菜單株的鮮重和干重均隨MnSO4溶液濃度的升高呈先增加后減少的趨勢(圖3)，與CMn 0處理相比，CMn 0.1和CMn 0.2處理下小麥芽苗菜鮮重分別顯著增加了11.0%和27.1%，干重則分別顯著增加9.0%和25.4%；而CMn 1.6處理下鮮重和干重則分別顯著降低了18.3%和17.3%。CMn 0.2處理下小麥芽苗菜干重和鮮重顯著高于CMn 0、CMn 0.1、CMn 0.8、CMn 1.6處理，與CMn 0.4差異不顯著；且CMn 0.4處理下干重和鮮重顯著高于CMn 0、CMn 0.8、CMn 1.6處理。

注：A和B分別代表不同濃度MnSO4溶液下小麥芽苗菜的鮮重和干重。圖3 不同濃度MnSO4溶液處理下小麥芽苗菜單株的鮮重和干重Fig.3 Comparison of fresh weight and dry weight of wheat sprouts under different concentrations of MnSO4 solution

2.2 不同濃度MnSO4溶液浸種對小麥芽苗菜生理活性物質(zhì)的影響

隨著MnSO4溶液濃度的升高，小麥芽苗菜葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量、葉綠素a/b(表1)、POD含量(圖4 A)和維生素C含量(圖5)均呈先升高后降低的趨勢。而MDA含量和可溶性糖含量則表現(xiàn)為先降低后升高的變化趨勢(圖4 B、圖4 C)。

注：A、B和C分別代表不同濃度MnSO4溶液處理下小麥芽苗菜POD活性、MDA含量和可溶性糖含量。圖4 不同濃度MnSO4溶液下小麥芽苗菜的抗氧化活性物質(zhì)的影響Fig.4 Effects of different concentrations of MnSO4 solution on antioxidant activity of wheat sprouts

與CMn 0處理相比，CMn 1.6處理下小麥芽苗菜的葉綠素a含量、葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量及葉綠素a/b分別降低了34.9%、31.7%、34.2%和4.6%，差異達(dá)顯著水平，其他處理間沒有顯著差異(表1)；與CMn 0.8和CMn 1.6處理相比，CMn 0.2處理下葉綠素a含量、葉綠素b含量、總?cè)~綠素含量及葉綠素a/b顯著增加，增幅分別為31.3%～74.8%、27.7%～65.8%、30.5%～72.8%和2.8%～5.4%，但是與其他處理間差異不顯著，且CMn 0、CMn 0.1、CMn 0.2和CMn 0.4各處理間差異均不顯著。

表1 不同濃度MnSO4溶液處理下小麥芽苗菜的葉綠素含量Table 1 Comparison of chlorophyll content in wheat sprouts under different concentrations of MnSO4 solution

小麥芽苗菜POD活性于CMn 0.2處理下達(dá)最大值，364.3 U·(g·min)-1(圖4 A)，與其他處理相比顯著提高了24.7%～56.7%。與CMn 0處理相比，CMn 0.2和CMn 0.4處理下POD活性分別顯著提高了58.5%和19.4%，而CMn 1.6處理較之顯著降低了31.4%。

小麥芽苗菜MDA和可溶性糖含量分別為2.2～3.6 μmol·g-1和10.7～13.9 mg·g-1(圖4 B、圖4 C)。對于MDA含量，與CMn 0處理相比，CMn 0.2處理顯著降低了25.7%，而CMn 1.6處理則顯著提高了22.3%，其他處理與之差異不顯著。MDA含量于CMn 0.2處理下達(dá)最小值，且較CMn 0、CMn 0.8和CMn 1.6處理顯著降低了25.7%～39.3%。CMn 1.6處理下MDA含量最高，且較CMn 0、CMn 0.1、CMn 0.2和CMn 0.4處理顯著增加了22.2%～64.7%。對于小麥芽苗菜的可溶性糖含量，CMn 0處理與其他各處理間差異均不顯著，CMn 0.2處理下可溶性糖含量較CMn 0.8處理顯著降低了23.4%，較其他處理差異不顯著。

在不同濃度MnSO4溶液處理下，小麥芽苗菜的維生素C含量為0.3～0.5 mg·g-1(圖5)。與CMn 0處理相比，CMn 0.1、CMn 0.2和CMn 0.4處理下維生素C含量顯著提高了21.7%～41.5%，而CMn 1.6處理則顯著降低了21.5%。CMn 0.2處理下維生素C含量達(dá)到最大值，與CMn 0.1處理差異不顯著，較其他處理顯著提高了14.0%～44.5%。

圖5 不同濃度MnSO4溶液處理下小麥芽苗菜維生素C含量Fig.5 Effects of different concentrations of MnSO4 solution on vitamin C content in wheat sprouts

2.3 不同濃度MnSO4溶液浸種對小麥芽苗菜Mn元素積累量的影響

小麥芽苗菜鮮重Mn元素積累量和干重Mn元素積累量均隨Mn濃度的增加而增加(圖6)。與CMn 0處理相比，CMn 0.1、CMn 0.2、CMn 0.4、CMn 0.8和CMn 1.6處理下小麥芽苗菜鮮重的Mn元素積累量分別顯著增加了7.5、10.9、13.8、20.6、29.3倍，干重的Mn元素積累量分別顯著增加了7.3、10.7、13.4、20.0、29.7倍。

注：A和B分別代表不同濃度MnSO4溶液下小麥芽苗菜鮮重Mn元素積累量和干重Mn元素積累量圖6 不同濃度MnSO4溶液處理下小麥芽苗菜的Mn元素積累量Fig.6 Effects of Different concentrations of MnSO4 solution on Mn accumulation in wheat sprouts

小麥芽苗菜生長狀況、生理活性物質(zhì)和Mn元素積累量的相關(guān)分析表明(圖7)，小麥芽苗菜發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)與發(fā)芽率呈顯著正相關(guān)(p<0.05)。發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、葉綠素含量和POD活性之間均呈顯著正相關(guān)，且均與維生素C含量呈顯著正相關(guān)，而與MDA含量呈顯著負(fù)相關(guān)。MDA含量與維生素C含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與可溶性糖含量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)。鮮重Mn元素積累量和干重Mn元素積累量與其他指標(biāo)間無顯著相關(guān)。

注：圖中×代表在0.05水平上不顯著。圖7 不同濃度MnSO4溶液下小麥芽苗菜生長狀況、生理活性物質(zhì)和Mn元素積累量的關(guān)系Fig.7 Relationship between growth status, physiological active substances and Mn accumulation of wheat sprouts under different concentrations of MnSO4 solution

3 討 論

3.1 不同濃度MnSO4溶液浸種對小麥芽苗菜生長的影響

種子活力常用來衡量植物對環(huán)境因子的適應(yīng)程度，據(jù)報道，采用MnSO4浸種可提高種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢，從而提高種子活力[21-22]。本研究結(jié)果表明，不同濃度MnSO4溶液浸種下小麥發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)不同，整體上表現(xiàn)為較低濃度(0.2～0.8 g·L-1)促進(jìn)，較高濃度(0.8～1.6 g·L-1)抑制，這種變化規(guī)律與侯典云等[13]的研究結(jié)果類似，原因可能是錳脅迫環(huán)境下種子內(nèi)部儲存物質(zhì)的分解及轉(zhuǎn)化受到抑制，進(jìn)而影響種子萌發(fā)[23]。有研究表明，小麥芽苗菜苗長、根長、鮮重和干重均表現(xiàn)為“低促高抑”[23]。較高濃度Mn溶液浸種會對小麥植株根系生長造成顯著的抑制作用[24]，本研究結(jié)果與之基本一致。本試驗條件下，與對照相比MnSO4溶液浸種濃度在0.1～0.8 g·L-1之間時，小麥芽苗菜的4個發(fā)芽指標(biāo)和根系長度有促進(jìn)作用，在濃度為1.6 g·L-1時則表現(xiàn)為抑制作用。而小麥芽苗菜的鮮重則在MnSO4溶液浸種濃度為0.1～0.4 g·L-1和0.8～1.6 g·L-1時分別表現(xiàn)為升高和降低趨勢。

3.2 不同濃度MnSO4溶液浸種對小麥芽苗菜生理活性物質(zhì)的影響

Mn是葉綠體的結(jié)構(gòu)成分，是維持葉綠體結(jié)構(gòu)所必需的元素。有研究表明，隨著Mn溶液濃度升高，小麥幼苗葉綠素含量呈先升高后降低的趨勢，在濃度為0.06 g·L-1時光合特性最佳[25]；而MnSO4過量(≥200 mol·L-1)則會顯著降低柱花草葉綠素含量[26]，本研究結(jié)果與之一致，即MnSO4溶液濃度為0.8～1.6 g·L-1時降低了小麥芽苗菜的葉綠素含量，MnSO4溶液濃度較低時(0.1～0.4 g·L-1)增加了葉綠素含量。俞慧娜等[27]研究表明，隨著Mn濃度的增加，POD活性先增加后減小，MDA含量先降低后升高，可溶性糖含量先升高后降低再升高。還有研究表明，隨著Mn濃度增加，野大豆幼苗POD活性先增加后減小，MDA含量先降低后升高，可溶性糖含量增加[28]，本研究結(jié)果與之有所不同。本研究結(jié)果表明，隨著MnSO4溶液濃度升高，小麥芽苗菜POD活性先升高后降低，MDA含量和可溶性糖含量先降低后升高。這可能是由于不同品種小麥和不同類型的作物對MnSO4溶液耐受性不同，低濃度激發(fā)了小麥芽苗菜自身防御性反應(yīng)，未對其產(chǎn)生毒害作用；同時低濃度MnSO4溶液還有利于清除葉片產(chǎn)生的活性氧，減少膜脂過氧化損傷。與ck相比，本試驗條件下較低濃度MnSO4溶液(0.1～0.4 g·L-1)提高了小麥芽苗菜POD活性，降低了MDA含量；較高濃度MnSO4溶液表現(xiàn)則相反。本研究結(jié)果中的MnSO4溶液浸種最適濃度可能與作物類型和供試的生長條件有關(guān)，本試驗為水培培養(yǎng)，因此有待進(jìn)一步研究。

3.3 不同濃度MnSO4溶液浸種對小麥芽苗菜Mn積累的影響

Mn是植物和動物生長發(fā)育必需的微量元素之一，無論植物還是動物，體內(nèi)Mn含量缺乏或者過高都會對個體健康造成威脅。本研究結(jié)果表明，隨著Mn濃度的增加，小麥籽粒Mn積累量上升，與曾建國等[29]研究類似。小麥芽苗菜的Mn積累量為33.9～58.5 μg·g-1，《中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量》(2013)[6]推薦成人每天的Mn攝入量為4.5～11.0 mg。為滿足人體的需求又不至于食用超標(biāo)，按照飲食習(xí)慣，如果每日攝入100 g鮮食小麥芽苗菜，則本試驗條件下濃度為0.1 g·L-1及0.2 g·L-1的MnSO4溶液對小麥籽粒進(jìn)行浸種，可實現(xiàn)小麥芽苗菜Mn含量的最佳富集以供食用。

4 結(jié) 論

本試驗研究條件下，較低濃度(0.1～0.8 g·L-1)MnSO4溶液浸種對小麥的發(fā)芽指標(biāo)、根長和苗長均有促進(jìn)作用；且低濃度(0.1～0.4 g·L-1)對小麥芽苗菜的干鮮重、POD活性和維生素C含量等有顯著的促進(jìn)作用，而對MDA含量和可溶性糖含量有一定抑制作用。高濃度(1.6 g·L-1)MnSO4溶液浸種會抑制小麥芽苗菜生長和生理活性。在MnSO4溶液濃度為0.1 g·L-1和0.2 g·L-1時培育出的小麥芽苗菜既可以滿足人體的需求又不至于食用超標(biāo)。綜上，本研究中MnSO4溶液濃度為0.2 g·L-1時有利于小麥芽苗菜生長及促進(jìn)Mn元素的積累，為小麥芽苗菜栽培最佳浸種濃度。