光周期和外源鐵對(duì)番茄光合特性、果實(shí)品質(zhì)及礦質(zhì)元素含量的影響

張 毅，梁 祎，韓 靜，郭樹勛，石 玉，侯雷平

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院/山西省設(shè)施蔬菜提質(zhì)增效協(xié)同創(chuàng)新中心，山西 太谷 030801)

作物的生長(zhǎng)發(fā)育受光照、溫度、水分、氣體和肥料等諸多因素的影響，其中光照是影響作物生長(zhǎng)的重要因素[1]。光可以影響植物體內(nèi)光敏色素的合成，植物主要通過體內(nèi)生物鐘和光信號(hào)途徑來感知外界光環(huán)境的變化，作為光受體的隱花色素則是生物鐘通路的重要成分[2]。人工光環(huán)境調(diào)控是一種精準(zhǔn)有效、環(huán)保無害、科學(xué)智能的調(diào)控方式，設(shè)施環(huán)境中常以LED植物生長(zhǎng)燈對(duì)作物進(jìn)行補(bǔ)光，促進(jìn)作物光合產(chǎn)物的合成及源庫(kù)運(yùn)輸。Hye-Ji等[3]研究表明，LED燈補(bǔ)光可提高番茄果實(shí)產(chǎn)量和生物量。此外，光周期是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要因素之一，其影響光合色素、礦質(zhì)元素含量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的形成，開花前延長(zhǎng)光周期可以使作物提早開花，開花后延長(zhǎng)光周期可以起到增產(chǎn)的作用[4-6]。毛金柱等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在生菜碳氮代謝過程中，硝酸鹽還原酶活性受光照影響較大，適當(dāng)延長(zhǎng)光照時(shí)間會(huì)提升硝酸鹽的同化率。劉杰等[8]研究發(fā)現(xiàn)，延長(zhǎng)光周期可增加水培生菜中的葉綠素含量；延長(zhǎng)日照時(shí)間可促進(jìn)胭脂花植株的生長(zhǎng)[9]。由此可知，適當(dāng)延長(zhǎng)光周期能使作物光合作用時(shí)間延長(zhǎng)，對(duì)調(diào)節(jié)其生長(zhǎng)發(fā)育具有重要意義。

鐵(Fe)是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需微量元素，參與并維持植物的多項(xiàng)生理及代謝活動(dòng)，如光合作用、呼吸作用、電子傳遞、固氮及硝酸鹽還原等，缺鐵會(huì)降低植物產(chǎn)量和品質(zhì)[10-12]。含F(xiàn)e的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)液處理會(huì)改善番茄的口感，提高番茄果實(shí)可溶性蛋白、番茄紅素和可溶性總糖的含量[13]。有研究表明，葉面噴施鐵素可顯著提高甜菜植株的葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度，且顯著降低胞間CO2濃度[14]。隨著Fe肥用量的增加，番茄果實(shí)硝酸鹽、可溶性蛋白和可滴定酸含量均不同程度增加[15]。李凱等[16]研究表明，葉面噴施Fe、Mn、Zn微量元素不僅可以促進(jìn)馬鈴薯植株生長(zhǎng)，而且提高了馬鈴薯品質(zhì)和產(chǎn)量。蘇蔚等[17]研究發(fā)現(xiàn)，隨著營(yíng)養(yǎng)液中鐵濃度的增加，水培芥藍(lán)的根系活力、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及內(nèi)源鐵含量均有所提高。此外，還有大量研究發(fā)現(xiàn)，施用微量元素鐵肥可有效改善園藝作物鐵營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)其光合作用，提高其品質(zhì)及抗性[18-19]。

番茄(SolanumlycopersicumL.)營(yíng)養(yǎng)豐富，是茄果類蔬菜品質(zhì)遺傳改良的重要模式作物，且其作為喜光作物，最適光照時(shí)間并未被完全界定。本試驗(yàn)以草莓柿子番茄為材料，以人工LED補(bǔ)光模擬不同光周期環(huán)境，探究外源鐵對(duì)不同光周期下番茄生長(zhǎng)發(fā)育和品質(zhì)的影響，為基于光周期-鐵營(yíng)養(yǎng)協(xié)同增強(qiáng)設(shè)施番茄營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的改善提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試番茄品種為草莓柿子，購(gòu)自秦皇島盛裕農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司。LED補(bǔ)光燈(WIN-TD)，廣東偉照業(yè)光電節(jié)能有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝站進(jìn)行。番茄種子經(jīng)催芽后播于穴盤，待幼苗長(zhǎng)至3葉1心時(shí)定植于20 cm×20 cm×30 cm營(yíng)養(yǎng)缽中，使用椰糠栽培和不含F(xiàn)e元素營(yíng)養(yǎng)液(日本山崎番茄營(yíng)養(yǎng)液[20])定時(shí)滴灌，營(yíng)養(yǎng)液和蒸餾水間隔1 d滴灌1次，設(shè)定每天上午09:00進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液或蒸餾水滴灌，每次滴灌5 min，約200 mL/(盆·d)。

試驗(yàn)設(shè)光周期和Fe(EDTA-Fe)濃度2個(gè)因素，其中光周期設(shè)置12 h/12 h(自然光照，時(shí)間為07:00-19:00)和16 h/8 h (自然光照12 h基礎(chǔ)上使用LED燈繼續(xù)補(bǔ)光4 h，即番茄頂部安裝LED補(bǔ)光燈，LED燈與植株頂端距離隨植株生長(zhǎng)高度進(jìn)行調(diào)整，時(shí)間為07:00-23:00)2個(gè)水平，F(xiàn)e濃度設(shè)置0(CK)，100，150，200 μmol/L 4個(gè)水平。2個(gè)因素進(jìn)行完全組合設(shè)計(jì)，共計(jì)8個(gè)處理：12 h/12 h+0 μmol/L Fe、12 h/12 h+100 μmol/L Fe、12 h/12 h+150 μmol/L Fe、12 h/12 h+200 μmol/L Fe、16 h/8 h+0 μmol/L Fe、16 h/8 h+100 μmol/L Fe、16 h/8 h+150 μmol/L Fe、16 h/8 h+200 μmol/L Fe，分別簡(jiǎn)寫為12 h-CK、12 h-100Fe、12 h-150Fe、12 h-200Fe、16 h-CK、16 h-100Fe、16 h-150Fe、16 h-200Fe。待番茄進(jìn)入開花期后進(jìn)行噴施不同濃度Fe肥處理，葉片正反面均勻噴施，以葉面布滿水珠不滴落為宜，1周噴施1次。每處理20株番茄。當(dāng)?shù)?穗番茄果實(shí)80%轉(zhuǎn)紅后，停止對(duì)所有番茄的EDTA-Fe噴施處理。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 番茄葉片葉綠素含量和光合特性 番茄第2穗果處于轉(zhuǎn)色初期(噴施EDTA-Fe處理30 d)時(shí)，取果實(shí)附近葉片，采用體積分?jǐn)?shù)80%丙酮浸提法測(cè)定葉綠素含量；同時(shí)在上午09:00-11:00使用Li-6800光合儀測(cè)定葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)。每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.3.2 番茄果實(shí)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì) 噴施EDTA-Fe處理第70天取成熟度一致的第2、3穗果，測(cè)定果實(shí)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。可溶性糖含量采用苯酚比色法[21]測(cè)定，可滴定酸含量采用酸堿滴定法[21]測(cè)定，糖酸比=可溶性糖含量/可滴定酸含量?？扇苄缘鞍缀坎捎每捡R斯亮藍(lán)G-250法[21]測(cè)定。維生素C(VC)含量采用鉬藍(lán)比色法[21]測(cè)定。游離氨基酸含量采用茚三酮顯色法[22]測(cè)定。番茄紅素含量采用石油醚浸提法測(cè)定，參考張連富等[23]的方法并修改：稱取1.0 g番茄果肉，充分研磨，使用20 mL無水乙醇分4次過濾，再用30 mL甲醇分6次過濾，直至濾出的液體為透明無色，棄掉濾液，保留濾渣；用石油醚(體積分?jǐn)?shù)98%石油醚+體積分?jǐn)?shù)2%二氯甲烷)少量多次過濾濾渣，使之與濾渣充分混合反應(yīng)，直至濾渣變成白色即可；將濾液定容至50 mL，于紫外分光光度計(jì)502 nm下比色，讀取吸光值，計(jì)算番茄紅素含量。番茄紅素含量=(吸光值×提取液總體積)/(0.307 8×試驗(yàn)用番茄質(zhì)量)。每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.3.3 番茄果實(shí)礦質(zhì)元素含量 噴施EDTA-Fe處理第70 天取成熟度一致的第2、3穗果，測(cè)定果實(shí)礦質(zhì)元素含量。將果實(shí)洗凈擦干后置于烘箱內(nèi)105 ℃殺青15 min，80 ℃烘干48 h制備干樣。稱取2.0 g果實(shí)烘干樣品，通過H2SO4-H2O2消煮法制備上機(jī)樣品，采用火焰原子吸收分光光度計(jì)(AA-6200，日本SHIMADZU)測(cè)定果實(shí)K、Ca、Mg、Zn、Fe、Mn元素含量。每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用SPSS 21.0進(jìn)行方差分析，利用Excel 2019進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 光周期和外源鐵對(duì)番茄葉片葉綠素含量和光合特性的影響

2.1.1 葉片葉綠素含量 由表1可知，2種光周期下，隨著外源Fe濃度的增加，番茄葉片葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)、類胡蘿卜素(Caro)及葉綠素總含量(Chl a+b)均呈先升高后降低的變化趨勢(shì)。在12 h/12 h光周期下，150 μmol/L Fe處理番茄葉片的Chl a、Chl b、Caro、Chl a+b含量均最高，較CK分別增加了29.39%，27.95%，21.69%和28.97%。與12 h/12 h光周期下同一處理相比，16 h/8 h光周期下番茄葉片葉綠素及類胡蘿卜素含量均有不同程度增加，并且當(dāng)Fe濃度為150 μmol/L時(shí)Chl a、Chl b、Caro、Chl a+b含量均最高。

表1 光周期和外源鐵對(duì)番茄葉片葉綠素含量的影響Table 1 Effects of photoperiod and exogenous iron on chlorophyll content in tomato leaves mg/g

2.1.2 葉片光合特性 如圖1所示，2種光周期下，隨著外源Fe濃度的增加，番茄葉片凈光合速率(Pn)均呈先升高后降低的變化趨勢(shì)；與12 h/12 h光周期相比，16 h/8 h光周期下番茄葉片Pn有所升高，并且以上2種光周期均以150 μmol/L Fe處理葉片Pn最高，其中12 h-150Fe葉片Pn較12 h-CK處理顯著增加47.89%,16 h-150Fe葉片Pn較16 h-CK處理顯著增加36.42%。在12 h/12 h光周期下，與CK相比，各處理番茄葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)均顯著升高；與12 h-100Fe和12 h-200Fe處理相比，12 h-150Fe處理葉片Gs、Ci、Tr均顯著下降；在16 h/8 h光周期下，隨著外源Fe濃度的增加，葉片Gs呈先升高后降低趨勢(shì)，Tr呈增加趨勢(shì)，而Ci則呈降低趨勢(shì)。

圖柱上標(biāo)不同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。下圖同 Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05).The same below圖1 光周期和外源鐵對(duì)番茄葉片光合特性的影響Fig.1 Effects of photoperiod and exogenous iron on photosynthetic parameters of tomato leaves

2.2 光周期和外源鐵對(duì)番茄果實(shí)品質(zhì)的影響

2.2.1 果實(shí)可溶性糖和可滴定酸含量 如圖2所示，2種光周期下，隨著外源Fe濃度的增加，番茄果實(shí)可溶性糖含量均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì)，可滴定酸含量均表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢(shì)。與12 h-CK相比，12 h-100Fe、12 h-150Fe、16 h-100Fe、16 h-150Fe和16 h-200Fe處理番茄果實(shí)可溶性糖含量分別顯著增加了14.94%，22.69%，53.22%，52.87%和20.08%；12 h-100Fe、12 h-150Fe、12 h-200Fe處理可滴定酸含量較12 h-CK分別顯著下降了28.64%，30.07%，24.34%?？梢姡?6 h/8 h光周期下葉面噴施100，150 μmol/L Fe對(duì)番茄果實(shí)可溶性糖含量的提質(zhì)效果最為顯著，而12 h/12 h光周期下葉面噴施150 μmol/L Fe處理番茄果實(shí)可滴定酸含量最低。

圖2 光周期和外源鐵對(duì)番茄果實(shí)可溶性糖和可滴定酸含量的影響Fig.2 Effects of photoperiod and exogenous iron on contents of soluble sugar and titratable acid in tomato fruit

2.2.2 果實(shí)糖酸比 如圖3所示，2種光周期下，隨著外源Fe濃度的增加，番茄果實(shí)糖酸比均表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢(shì)，與12 h-CK相比，12 h-100Fe、12 h-150Fe、12 h-200Fe、16 h-100Fe、16 h-150Fe、16 h-200Fe處理分別顯著增加了62.72%，75.24%，45.70%，78.40%，73.41%，68.68%。可見，16 h/8 h光周期下葉面噴施100 μmol/L Fe肥對(duì)番茄果實(shí)糖酸比的提質(zhì)效果最為顯著。

2.2.3 果實(shí)維生素C(VC)含量 如圖4所示，2種光周期下，隨著外源Fe濃度的增加，番茄果實(shí)VC含量均表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢(shì)，與12 h-CK相比，12 h-100Fe、12 h-150Fe、12 h-200Fe、16 h-150Fe處理分別顯著增加了16.56%，22.76%，7.87%，16.65%，其余處理無顯著變化?？梢姡?2 h/12 h光周期下葉面噴施150 μmol/L Fe肥對(duì)番茄果實(shí)VC含量的提質(zhì)效果最為顯著。

2.2.4 果實(shí)游離氨基酸含量 如圖5所示，2種光周期下，隨著外源Fe濃度的增加，番茄果實(shí)游離氨基酸含量均呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，與12 h-CK相比，16 h-100Fe和16 h-150Fe處理分別顯著增加了69.69%和81.75%，其余處理無顯著變化。可見，16 h/8 h光周期下葉面噴施150 μmol/L Fe 肥對(duì)番茄果實(shí)游離氨基酸含量的提質(zhì)效果最為顯著。

2.2.5 果實(shí)可溶性蛋白含量 如圖6所示，2種光周期下，隨著外源Fe濃度的增加，番茄果實(shí)可溶性蛋白含量均表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢(shì)，與12 h-CK相比，12 h-100Fe、12 h-150Fe、16 h-100Fe、16 h-150Fe、16 h-200Fe處理分別顯著增加了15.22%，18.79%，33.50%，24.75%，16.58%?？梢姡?6 h/8 h光周期下葉面噴施100 μmol/L Fe肥對(duì)番茄果實(shí)可溶性蛋白含量的提質(zhì)效果最為顯著。

2.2.6 果實(shí)番茄紅素含量 如圖7所示，2種光周期下，隨著外源Fe濃度的增加，番茄果實(shí)番茄紅素含量呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，與12 h-CK相比，16 h-150Fe處理顯著增加了40.15%，其余處理無顯著變化。可見，16 h/8 h光周期下葉面噴施150 μmol/L Fe 肥對(duì)番茄果實(shí)番茄紅素含量的提質(zhì)效果最為顯著。

圖7 光周期和外源鐵對(duì)番茄果實(shí)番茄紅素含量的影響Fig.7 Effect of photoperiod and exogenous iron on lycopene content in tomato fruits

2.3 光周期和外源鐵對(duì)番茄果實(shí)礦質(zhì)元素含量的影響

由表2可知，番茄成熟期果實(shí)各礦質(zhì)元素含量對(duì)光周期及葉面噴施Fe肥響應(yīng)有明顯差異。12 h/12 h光周期下，番茄果實(shí)K含量總體呈降低趨勢(shì)；番茄果實(shí)Ca、Mg、Zn含量變化較為一致，隨外源Fe濃度增加均先降低后升高，且當(dāng)Fe濃度為100 μmol/L時(shí)均最低，但差異均未達(dá)顯著水平；番茄果實(shí)Fe含量隨外源Fe濃度增加明顯增加；番茄果實(shí)Mn含量隨外源Fe濃度增加而降低。16 h/8 h 光周期下，隨著Fe濃度增加，番茄果實(shí)K含量均有不同程度降低，但差異均未達(dá)到顯著水平；番茄果實(shí)Ca和Mg含量先降低后升高；番茄果實(shí)Zn含量無明顯變化規(guī)律；番茄果實(shí)Fe含量明顯增加；番茄果實(shí)Mn含量降低。

表2 光周期和外源鐵對(duì)番茄果實(shí)礦質(zhì)元素含量的影響Table 2 Effect of photoperiod and exogenous iron on contents of mineral elements in tomato fruits

3 討 論

Fe作為植物葉綠素前體合成的必需元素，參與驅(qū)動(dòng)PSⅡ電子傳遞[24]。本試驗(yàn)中，2種光周期下，葉面噴施Fe肥提高了番茄葉片的葉綠素總含量和Pn，并且以16 h/8 h光周期下葉面噴施150 μmol/L Fe肥效果最為顯著，這表明長(zhǎng)光周期下葉面噴施適宜濃度Fe肥更有利于葉片葉綠素積累、捕獲光能并進(jìn)行電子傳遞，從而顯著增強(qiáng)番茄葉片的光合作用。本試驗(yàn)結(jié)果還表明，2種光周期下隨著外源Fe濃度的增加，番茄葉片Pn均呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，這與楊蕓等[25]的研究結(jié)果基本一致。

光照條件下，植物通過光反應(yīng)將CO2和H2O合成ATP和NADPH，為碳同化過程提供能量和還原的動(dòng)力，固定CO2并將其轉(zhuǎn)化為糖類、淀粉等有機(jī)物以維持植株的生長(zhǎng)與發(fā)育?？扇苄缘鞍?、番茄紅素和VC是表征園藝作物品質(zhì)的重要指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，葉面噴施Fe肥可有效改善生菜[26]、草莓[27]、葡萄[28]等作物的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。本試驗(yàn)中，與12 h/12 h光周期下的同一處理相比，16 h/8 h光周期下番茄可溶性糖、可溶性蛋白、番茄紅素含量均有不同程度的提高，糖酸比總體也上升，且均以噴施100，150 μmol/L Fe肥的提質(zhì)效果最為明顯，這與薛啟等[29]對(duì)藿香的研究結(jié)論基本一致。本試驗(yàn)中，外源Fe對(duì)不同光周期下番茄果實(shí)VC含量具有促進(jìn)作用，其中以12 h/12 h光周期下葉面噴施150 μmol/L Fe肥對(duì)番茄果實(shí)VC含量的提質(zhì)效果最為顯著，這與李凱等[16]的研究結(jié)果類似。

K、Ca作為植物必需的大量元素，參與調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透平衡、酶的活化及光合產(chǎn)物的源庫(kù)器官運(yùn)輸。Zn、Fe、Mg、Mn是參與植物光合作用和葉綠素合成的必需元素，也是多種光合作用酶的活化劑和電子傳遞載體。本試驗(yàn)中，2種光周期下，與CK相比，葉面噴施Fe肥降低了番茄果實(shí)K、Mg、Mn含量，這可能是由于隨著光合作用的增強(qiáng)，植株大量的K、Mg、Mn元素轉(zhuǎn)運(yùn)至葉片進(jìn)行葉綠素合成和相關(guān)酶活化，從而減少向果實(shí)的分配比例。本研究還發(fā)現(xiàn)，2種光周期下，與CK相比，葉面噴施100，150 μmol/L EDTA-Fe降低了番茄果實(shí)Ca含量；番茄果實(shí)Fe含量隨葉面Fe肥濃度增加而增加，表明外源Fe能促進(jìn)番茄內(nèi)源Fe元素向果實(shí)的分配。

綜上可知，2種光周期下，與12 h-CK相比，外源EDTA-Fe 肥對(duì)番茄葉片的光合特性和果實(shí)品質(zhì)總體上有促進(jìn)作用，且以16 h/8 h光周期下葉面噴施100～150 μmol/L Fe 肥的促進(jìn)效果較佳。