光周期和外源铁对番茄光合特性、果实品质及矿质元素含量的影响

张 毅，梁 祎，韩 静，郭树勋，石 玉，侯雷平

(山西农业大学 园艺学院/山西省设施蔬菜提质增效协同创新中心，山西 太谷 030801)

作物的生长发育受光照、温度、水分、气体和肥料等诸多因素的影响，其中光照是影响作物生长的重要因素[1]。光可以影响植物体内光敏色素的合成，植物主要通过体内生物钟和光信号途径来感知外界光环境的变化，作为光受体的隐花色素则是生物钟通路的重要成分[2]。人工光环境调控是一种精准有效、环保无害、科学智能的调控方式，设施环境中常以LED植物生长灯对作物进行补光，促进作物光合产物的合成及源库运输。Hye-Ji等[3]研究表明，LED灯补光可提高番茄果实产量和生物量。此外，光周期是影响植物生长发育的主要因素之一，其影响光合色素、矿质元素含量和营养品质的形成，开花前延长光周期可以使作物提早开花，开花后延长光周期可以起到增产的作用[4-6]。毛金柱等[7]研究发现，在生菜碳氮代谢过程中，硝酸盐还原酶活性受光照影响较大，适当延长光照时间会提升硝酸盐的同化率。刘杰等[8]研究发现，延长光周期可增加水培生菜中的叶绿素含量；延长日照时间可促进胭脂花植株的生长[9]。由此可知，适当延长光周期能使作物光合作用时间延长，对调节其生长发育具有重要意义。

铁(Fe)是植物生长发育的必需微量元素，参与并维持植物的多项生理及代谢活动，如光合作用、呼吸作用、电子传递、固氮及硝酸盐还原等，缺铁会降低植物产量和品质[10-12]。含Fe的有机营养液处理会改善番茄的口感，提高番茄果实可溶性蛋白、番茄红素和可溶性总糖的含量[13]。有研究表明，叶面喷施铁素可显著提高甜菜植株的叶绿素含量、净光合速率、气孔导度，且显著降低胞间CO2浓度[14]。随着Fe肥用量的增加，番茄果实硝酸盐、可溶性蛋白和可滴定酸含量均不同程度增加[15]。李凯等[16]研究表明，叶面喷施Fe、Mn、Zn微量元素不仅可以促进马铃薯植株生长，而且提高了马铃薯品质和产量。苏蔚等[17]研究发现，随着营养液中铁浓度的增加，水培芥蓝的根系活力、营养品质及内源铁含量均有所提高。此外，还有大量研究发现，施用微量元素铁肥可有效改善园艺作物铁营养，促进其光合作用，提高其品质及抗性[18-19]。

番茄(SolanumlycopersicumL.)营养丰富，是茄果类蔬菜品质遗传改良的重要模式作物，且其作为喜光作物，最适光照时间并未被完全界定。本试验以草莓柿子番茄为材料，以人工LED补光模拟不同光周期环境，探究外源铁对不同光周期下番茄生长发育和品质的影响，为基于光周期-铁营养协同增强设施番茄营养品质的改善提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试番茄品种为草莓柿子，购自秦皇岛盛裕农业科技发展有限公司。LED补光灯(WIN-TD)，广东伟照业光电节能有限公司生产。

1.2 试验设计

本试验于山西农业大学园艺站进行。番茄种子经催芽后播于穴盘，待幼苗长至3叶1心时定植于20 cm×20 cm×30 cm营养钵中，使用椰糠栽培和不含Fe元素营养液(日本山崎番茄营养液[20])定时滴灌，营养液和蒸馏水间隔1 d滴灌1次，设定每天上午09:00进行营养液或蒸馏水滴灌，每次滴灌5 min，约200 mL/(盆·d)。

试验设光周期和Fe(EDTA-Fe)浓度2个因素，其中光周期设置12 h/12 h(自然光照，时间为07:00-19:00)和16 h/8 h (自然光照12 h基础上使用LED灯继续补光4 h，即番茄顶部安装LED补光灯，LED灯与植株顶端距离随植株生长高度进行调整，时间为07:00-23:00)2个水平，Fe浓度设置0(CK)，100，150，200 μmol/L 4个水平。2个因素进行完全组合设计，共计8个处理：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，分别简写为12 h-CK、12 h-100Fe、12 h-150Fe、12 h-200Fe、16 h-CK、16 h-100Fe、16 h-150Fe、16 h-200Fe。待番茄进入开花期后进行喷施不同浓度Fe肥处理，叶片正反面均匀喷施，以叶面布满水珠不滴落为宜，1周喷施1次。每处理20株番茄。当第1穗番茄果实80%转红后，停止对所有番茄的EDTA-Fe喷施处理。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 番茄叶片叶绿素含量和光合特性 番茄第2穗果处于转色初期(喷施EDTA-Fe处理30 d)时，取果实附近叶片，采用体积分数80%丙酮浸提法测定叶绿素含量；同时在上午09:00-11:00使用Li-6800光合仪测定叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)。每个处理3次重复。

1.3.2 番茄果实营养品质 喷施EDTA-Fe处理第70天取成熟度一致的第2、3穗果，测定果实营养品质。可溶性糖含量采用苯酚比色法[21]测定，可滴定酸含量采用酸碱滴定法[21]测定，糖酸比=可溶性糖含量/可滴定酸含量。可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250法[21]测定。维生素C(VC)含量采用钼蓝比色法[21]测定。游离氨基酸含量采用茚三酮显色法[22]测定。番茄红素含量采用石油醚浸提法测定，参考张连富等[23]的方法并修改：称取1.0 g番茄果肉，充分研磨，使用20 mL无水乙醇分4次过滤，再用30 mL甲醇分6次过滤，直至滤出的液体为透明无色，弃掉滤液，保留滤渣；用石油醚(体积分数98%石油醚+体积分数2%二氯甲烷)少量多次过滤滤渣，使之与滤渣充分混合反应，直至滤渣变成白色即可；将滤液定容至50 mL，于紫外分光光度计502 nm下比色，读取吸光值，计算番茄红素含量。番茄红素含量=(吸光值×提取液总体积)/(0.307 8×试验用番茄质量)。每个处理3次重复。

1.3.3 番茄果实矿质元素含量 喷施EDTA-Fe处理第70 天取成熟度一致的第2、3穗果，测定果实矿质元素含量。将果实洗净擦干后置于烘箱内105 ℃杀青15 min，80 ℃烘干48 h制备干样。称取2.0 g果实烘干样品，通过H2SO4-H2O2消煮法制备上机样品，采用火焰原子吸收分光光度计(AA-6200，日本SHIMADZU)测定果实K、Ca、Mg、Zn、Fe、Mn元素含量。每个处理3次重复。

1.4 数据分析

试验数据均采用SPSS 21.0进行方差分析，利用Excel 2019进行绘图。

2 结果与分析

2.1 光周期和外源铁对番茄叶片叶绿素含量和光合特性的影响

2.1.1 叶片叶绿素含量 由表1可知，2种光周期下，随着外源Fe浓度的增加，番茄叶片叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)、类胡萝卜素(Caro)及叶绿素总含量(Chl a+b)均呈先升高后降低的变化趋势。在12 h/12 h光周期下，150 μmol/L Fe处理番茄叶片的Chl a、Chl b、Caro、Chl a+b含量均最高，较CK分别增加了29.39%，27.95%，21.69%和28.97%。与12 h/12 h光周期下同一处理相比，16 h/8 h光周期下番茄叶片叶绿素及类胡萝卜素含量均有不同程度增加，并且当Fe浓度为150 μmol/L时Chl a、Chl b、Caro、Chl a+b含量均最高。

表1 光周期和外源铁对番茄叶片叶绿素含量的影响Table 1 Effects of photoperiod and exogenous iron on chlorophyll content in tomato leaves mg/g

2.1.2 叶片光合特性 如图1所示，2种光周期下，随着外源Fe浓度的增加，番茄叶片净光合速率(Pn)均呈先升高后降低的变化趋势；与12 h/12 h光周期相比，16 h/8 h光周期下番茄叶片Pn有所升高，并且以上2种光周期均以150 μmol/L Fe处理叶片Pn最高，其中12 h-150Fe叶片Pn较12 h-CK处理显著增加47.89%,16 h-150Fe叶片Pn较16 h-CK处理显著增加36.42%。在12 h/12 h光周期下，与CK相比，各处理番茄叶片气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)均显著升高；与12 h-100Fe和12 h-200Fe处理相比，12 h-150Fe处理叶片Gs、Ci、Tr均显著下降；在16 h/8 h光周期下，随着外源Fe浓度的增加，叶片Gs呈先升高后降低趋势，Tr呈增加趋势，而Ci则呈降低趋势。

图柱上标不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。下图同 Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05).The same below图1 光周期和外源铁对番茄叶片光合特性的影响Fig.1 Effects of photoperiod and exogenous iron on photosynthetic parameters of tomato leaves

2.2 光周期和外源铁对番茄果实品质的影响

2.2.1 果实可溶性糖和可滴定酸含量 如图2所示，2种光周期下，随着外源Fe浓度的增加，番茄果实可溶性糖含量均表现为先升高后降低的趋势，可滴定酸含量均表现为先降低后升高的趋势。与12 h-CK相比，12 h-100Fe、12 h-150Fe、16 h-100Fe、16 h-150Fe和16 h-200Fe处理番茄果实可溶性糖含量分别显著增加了14.94%，22.69%，53.22%，52.87%和20.08%；12 h-100Fe、12 h-150Fe、12 h-200Fe处理可滴定酸含量较12 h-CK分别显著下降了28.64%，30.07%，24.34%。可见，16 h/8 h光周期下叶面喷施100，150 μmol/L Fe对番茄果实可溶性糖含量的提质效果最为显著，而12 h/12 h光周期下叶面喷施150 μmol/L Fe处理番茄果实可滴定酸含量最低。

图2 光周期和外源铁对番茄果实可溶性糖和可滴定酸含量的影响Fig.2 Effects of photoperiod and exogenous iron on contents of soluble sugar and titratable acid in tomato fruit

2.2.2 果实糖酸比 如图3所示，2种光周期下，随着外源Fe浓度的增加，番茄果实糖酸比均表现为先升高后降低的变化趋势，与12 h-CK相比，12 h-100Fe、12 h-150Fe、12 h-200Fe、16 h-100Fe、16 h-150Fe、16 h-200Fe处理分别显著增加了62.72%，75.24%，45.70%，78.40%，73.41%，68.68%。可见，16 h/8 h光周期下叶面喷施100 μmol/L Fe肥对番茄果实糖酸比的提质效果最为显著。

2.2.3 果实维生素C(VC)含量 如图4所示，2种光周期下，随着外源Fe浓度的增加，番茄果实VC含量均表现为先升高后降低的变化趋势，与12 h-CK相比，12 h-100Fe、12 h-150Fe、12 h-200Fe、16 h-150Fe处理分别显著增加了16.56%，22.76%，7.87%，16.65%，其余处理无显著变化。可见，12 h/12 h光周期下叶面喷施150 μmol/L Fe肥对番茄果实VC含量的提质效果最为显著。

2.2.4 果实游离氨基酸含量 如图5所示，2种光周期下，随着外源Fe浓度的增加，番茄果实游离氨基酸含量均呈先升高后降低的变化趋势，与12 h-CK相比，16 h-100Fe和16 h-150Fe处理分别显著增加了69.69%和81.75%，其余处理无显著变化。可见，16 h/8 h光周期下叶面喷施150 μmol/L Fe 肥对番茄果实游离氨基酸含量的提质效果最为显著。

2.2.5 果实可溶性蛋白含量 如图6所示，2种光周期下，随着外源Fe浓度的增加，番茄果实可溶性蛋白含量均表现为先升高后降低的变化趋势，与12 h-CK相比，12 h-100Fe、12 h-150Fe、16 h-100Fe、16 h-150Fe、16 h-200Fe处理分别显著增加了15.22%，18.79%，33.50%，24.75%，16.58%。可见，16 h/8 h光周期下叶面喷施100 μmol/L Fe肥对番茄果实可溶性蛋白含量的提质效果最为显著。

2.2.6 果实番茄红素含量 如图7所示，2种光周期下，随着外源Fe浓度的增加，番茄果实番茄红素含量呈先升高后降低的变化趋势，与12 h-CK相比，16 h-150Fe处理显著增加了40.15%，其余处理无显著变化。可见，16 h/8 h光周期下叶面喷施150 μmol/L Fe 肥对番茄果实番茄红素含量的提质效果最为显著。

图7 光周期和外源铁对番茄果实番茄红素含量的影响Fig.7 Effect of photoperiod and exogenous iron on lycopene content in tomato fruits

2.3 光周期和外源铁对番茄果实矿质元素含量的影响

由表2可知，番茄成熟期果实各矿质元素含量对光周期及叶面喷施Fe肥响应有明显差异。12 h/12 h光周期下，番茄果实K含量总体呈降低趋势；番茄果实Ca、Mg、Zn含量变化较为一致，随外源Fe浓度增加均先降低后升高，且当Fe浓度为100 μmol/L时均最低，但差异均未达显著水平；番茄果实Fe含量随外源Fe浓度增加明显增加；番茄果实Mn含量随外源Fe浓度增加而降低。16 h/8 h 光周期下，随着Fe浓度增加，番茄果实K含量均有不同程度降低，但差异均未达到显著水平；番茄果实Ca和Mg含量先降低后升高；番茄果实Zn含量无明显变化规律；番茄果实Fe含量明显增加；番茄果实Mn含量降低。

表2 光周期和外源铁对番茄果实矿质元素含量的影响Table 2 Effect of photoperiod and exogenous iron on contents of mineral elements in tomato fruits

3 讨 论

Fe作为植物叶绿素前体合成的必需元素，参与驱动PSⅡ电子传递[24]。本试验中，2种光周期下，叶面喷施Fe肥提高了番茄叶片的叶绿素总含量和Pn，并且以16 h/8 h光周期下叶面喷施150 μmol/L Fe肥效果最为显著，这表明长光周期下叶面喷施适宜浓度Fe肥更有利于叶片叶绿素积累、捕获光能并进行电子传递，从而显著增强番茄叶片的光合作用。本试验结果还表明，2种光周期下随着外源Fe浓度的增加，番茄叶片Pn均呈先升高后降低的变化趋势，这与杨芸等[25]的研究结果基本一致。

光照条件下，植物通过光反应将CO2和H2O合成ATP和NADPH，为碳同化过程提供能量和还原的动力，固定CO2并将其转化为糖类、淀粉等有机物以维持植株的生长与发育。可溶性蛋白、番茄红素和VC是表征园艺作物品质的重要指标。研究发现，叶面喷施Fe肥可有效改善生菜[26]、草莓[27]、葡萄[28]等作物的营养品质。本试验中，与12 h/12 h光周期下的同一处理相比，16 h/8 h光周期下番茄可溶性糖、可溶性蛋白、番茄红素含量均有不同程度的提高，糖酸比总体也上升，且均以喷施100，150 μmol/L Fe肥的提质效果最为明显，这与薛启等[29]对藿香的研究结论基本一致。本试验中，外源Fe对不同光周期下番茄果实VC含量具有促进作用，其中以12 h/12 h光周期下叶面喷施150 μmol/L Fe肥对番茄果实VC含量的提质效果最为显著，这与李凯等[16]的研究结果类似。

K、Ca作为植物必需的大量元素，参与调节细胞的渗透平衡、酶的活化及光合产物的源库器官运输。Zn、Fe、Mg、Mn是参与植物光合作用和叶绿素合成的必需元素，也是多种光合作用酶的活化剂和电子传递载体。本试验中，2种光周期下，与CK相比，叶面喷施Fe肥降低了番茄果实K、Mg、Mn含量，这可能是由于随着光合作用的增强，植株大量的K、Mg、Mn元素转运至叶片进行叶绿素合成和相关酶活化，从而减少向果实的分配比例。本研究还发现，2种光周期下，与CK相比，叶面喷施100，150 μmol/L EDTA-Fe降低了番茄果实Ca含量；番茄果实Fe含量随叶面Fe肥浓度增加而增加，表明外源Fe能促进番茄内源Fe元素向果实的分配。

综上可知，2种光周期下，与12 h-CK相比，外源EDTA-Fe 肥对番茄叶片的光合特性和果实品质总体上有促进作用，且以16 h/8 h光周期下叶面喷施100～150 μmol/L Fe 肥的促进效果较佳。