不同杀秧时间对马铃薯周皮形态及生理变化的影响

王 亮，陈 熙，白宇皓，杨志国，赵迎丽

（山西农业大学（山西省农业科学院）食品科学与工程学院（农产品贮藏保鲜研究所），山西 太原 030031）

2015 年以来，农业部等国家相关部门提出马铃薯主粮化、主食化的国家战略决策[1-2]，马铃薯产业得到了前所未有的政策、资金与科技的支持，产业呈现良好发展态势[3]。与其他主粮作物相比，由于马铃薯自身水分含量大，易腐、易发芽、容易发生病害，在采后环节的损失巨大，其中块茎机械损伤是造成损失最直接、最主要的原因[4]。Molema 等[5]对美国马铃薯产业调查认为，马铃薯块茎在收获和流通环节会发生不同程度的损伤，其中70%的块茎机械损伤是收获造成的。当前条件下收获的马铃薯约20%都有伤痕，每年运输和贮藏造成的损伤会使15%的马铃薯腐烂[6]。如何降低采后损伤是马铃薯研究领域的热点问题，其中采前适时杀秧技术就是解决这一问题的有效方法[7-8]。但实际生产中一些技术环节没有得到应有的重视，采前适时杀秧技术就是其中之一。杀秧作为一种收获前的管理措施，不仅可以加速块茎成熟、薯皮老化，增强耐性，而且还有利于控制种薯块茎大小，减少病害传播等。马铃薯采前杀秧是国外发达国家马铃薯种植业以及国内种薯企业在马铃薯收获前的重要操作环节[9]，但该技术在生产上的应用不足，造成产业链下游的贮运环节损失巨大。

目前，马铃薯杀秧技术领域的研究较多是围绕杀秧设备机械的研发和使用效果[10-11]，对产量、耐贮性和抗病性方面的研究也有报道[12-14]，但关于杀秧措施对块茎表皮发育状况，以及杀秧后贮藏期间块茎表皮的生理变化的研究较少。本文在研究了不同杀秧时间对马铃薯产量、收获品质和贮藏效果影响的同时，通过对采收时表皮损伤率、周皮微观结构，以及与周皮形成相关生理指标变化的探究，综合反映不同杀秧时间对采收时和贮藏期间块茎品质的短期与长期影响，从而确定最适杀秧时间，并提供可靠的技术参数，促进采前杀秧技术在生产中的广泛应用。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

山西省主栽优势马铃薯品种“青薯9 号”，试验基地在山西省临汾市蒲县昕源薯业有限公司种薯繁育场。试验样品于2020 年10 月26 日采收，选择植株健康，块茎无病虫害，大小适中，无畸形的一级种薯作为试材。

愈创木酚、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、三氯乙酸、硼酸、苯丙氨酸、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、巯基乙醇、乙醇、正己烷、溴乙酰、冰乙酸、氢氧化钠、盐酸羟胺，上述试剂均为分析纯。

1.1.2 仪器与设备

A 11 分析用研磨机，德国IKA 公司；HC-2518R型高速冷冻离心机，安徽中科中佳科学仪器有限公司；Ultrospec2000 型紫外可见分光光度计，英国Pharmacic-Biotech（Biochrom）公司；74-S 双面刀片，上海吉列有限公司；S8 APO 体视显微镜，德国徕卡公司。

1.2 方法

1.2.1 处理方法

本试验设置3 个处理（见表1），采用随机区组设计，以不杀秧薯块为对照。每个处理种植5 行，长40 m，行距0.75 m，株距0.30 m，3 次重复。试验马铃薯于5 月20 日播种，杀秧方式为机械杀秧，除杀秧环节不同外，其余管理同大田，分别在10 月12 日、10月19 日进行杀秧，10 月26 日收获，各处理使用机械采收，并统计产量、大中薯率，测定块茎表皮擦伤程度以及周皮微观结构。

表1 杀秧处理Table 1 Seedling killing treatment

收获当日运回试验冷库，置于（5±0.5）℃、相对湿度80%～90%条件下贮藏150 d。贮藏期间每30 d 测定1 次块茎的呼吸强度、失重率、腐烂率、块茎表皮苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性、过氧化物酶（PPO）活性、木质素含量等生理指标，重复3 次；并分别在贮藏0 d和150 d 对各处理的块茎表皮剖面组织进行微观结构拍照。

1.2.2 测定项目与方法

1.2.2.1 产量

收获后测定单株产量和大中薯率，块茎的级别划分标准为：单个薯块达150 g 以上的为大薯，75～150 g为中薯，75 g 以下为小薯。大中薯率（%）=（总产量-小薯产量）/总产量×100。

1.2.2.2 淀粉含量

采用水比重法[15]测定，每个材料重复测定3 次，结果取平均值。

1.2.2.3 表皮擦伤程度

参照张建华等[16]方法，统计损伤块茎表面擦伤点或区域数，用排水法计量块茎的体积，用损伤点数/块茎体积表示表皮擦伤程度。随机选择经过擦伤统计的50 个块茎取平均值。

1.2.2.4 块茎表皮剖面结构观察

参照梁伟等[17]的方法取样，将块茎采用双面刀片垂直伤口表面切出厚度0.2～0.3 mm 的薄片。将切片置于载玻片上，滴加蒸馏水并盖上盖玻片在体视显微镜下观察拍照。

1.2.2.5 表皮组织生化取样

参照Jiang 等[18]的方法并作适当修改。在块茎创面处取厚度为2 mm 带皮块茎组织，并用直径5 mm打孔器取带皮组织圆片作为样品，用液氮速冻并研磨成粉后装入50 mL 离心管，保存于-80 ℃超低温冰箱。

1.2.2.6 PAL 活性

参照Liu 等[19]的方法并作适当修改。以每小时内吸光度变化0.01 为1 个酶活性单位（U）。每个样品重复测定3 次，结果取平均值。

1.2.2.7 POD 活性

称取样本研磨粉1.0 g 加10 mL pH 7.8 的磷酸缓冲液充分摇匀，冷冻离心30 min（10 000 r/min），取上清液冷藏备用。采用愈创木酚法[20]测定POD 的活性，以470 nm 下每分钟增加0.1 为一个酶活单位（U），每个样品重复测定3 次，结果取平均值。

1.2.2.8 木质素含量测定参照Morrison 等[21]的方法并略作修改。木质素含量以OD280·g-1FW 为单位。

1.2.2.9 失重率与腐烂率

参考王洁等[22]的方法，计算公式如下：

1.2.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 不同杀秧时间对马铃薯产量、大中薯率、淀粉含量及表皮损伤程度的影响

由表2 可见，随着杀秧时期的提前，单位面积产量和大中薯率呈递减的趋势。与对照CK 相比，杀秧处理组的产量和大中薯率均有不同程度的降低，其中，T1、T2 处理较CK 产量分别下降了8.39%和4.31%，大中薯率分别下降了3.56 和1.27 个百分点，表明不同杀秧时间对马铃薯的产量和大中薯率影响较大。马铃薯块茎中的淀粉含量随着杀秧时间的提前也呈下降趋势，T1、T2 处理的淀粉含量低于对照，分别下降了1.18 和0.86 个百分点。表皮擦伤程度的数值越大表示表皮擦伤敏感性越高，损伤越严重[16]。表皮擦伤程度随杀秧时间的提前呈递减趋势，T1、T2 处理的块茎擦伤程度与CK 相比，分别下降了44.66%和10.68%，说明采前14 d 杀秧有利于薯皮老化，可有效降低采收机械对薯块的伤害。

表2 不同杀秧时间马铃薯产量、大中薯率、淀粉含量以及表皮擦伤程度的多重比较Table 2 Multiple comparisons of potato yield,percentage of large and medium potatoes,starch content and degree of epidermal abrasion with different seedling killing time

2.2 不同处理对马铃薯块茎呼吸强度的影响

马铃薯块茎的呼吸强度是反映马铃薯采后代谢速率的重要生理指标。如图1 所示，贮藏期间，马铃薯块茎的呼吸强度呈先下降后缓慢上升的趋势，并且随着采前杀秧时间的提前，贮藏初期块茎的呼吸强度随之降低，其中T1 处理组中块茎的呼吸强度始终低于CK、T2 处理。在贮藏120 d 后，各处理组间呼吸强度均呈明显上升趋势，并且处理间差异不显著。可见，不同杀秧时间造成贮藏初期马铃薯块茎呼吸强度差异较为显著，在块茎进入休眠期后的贮藏后期影响逐渐减弱。

图1 不同处理对马铃薯块茎呼吸强度的影响Fig.1 Effect of different treatments on respiratory intensity of potato tubers

2.3 不同处理对马铃薯表皮PAL 活性的影响

PAL 是木质素合成途径中的一种关键酶，是木质素合成的中早期酶，并且许多研究证实PAL 活性变化与植物抗病性密切相关，是植物抗病性的一个生理指标[23-24]。如图2 所示，因采前杀秧时间不同，各组在贮藏开始时PAL 活性呈显著差异（P＜0.05），贮藏30 d时，各组酶活性迅速上升，其中CK 组的酶活性最高，达53.32 U·mg-1，而T1、T2 处理组的PAL 活性分别为29.36 U·mg-1和44.86 U·mg-1；贮藏30 d 后，各处理PAL 活性呈下降趋势，CK 与T2 处理变化趋势接近，且始终高于T1 处理，在贮藏150 d 时，CK、T1 和T2 处理PAL 活性分别为29.91、24.41、27.89 U·mg-1，且各处理间呈显著差异（P＜0.05）。说明机械采收造成的表皮损伤促进了马铃薯表皮中PAL 活性的上升，并且随着杀秧时间的提前，不仅降低了采收时的PAL活性，也降低了贮藏期间酶活性峰值，这可能与提前杀秧促进了块茎表皮发育，进而降低了采收时的机械损伤有关。

图2 不同处理对马铃薯表皮PAL 活性的影响Fig.2 Effect of different treatments on PAL activity of potato epidermis

2.4 不同处理对马铃薯表皮POD 活性的影响

POD 是软木脂和木质素合成的关键酶，在H2O2参与下通过氧化交联参与了软木脂和木质素的聚合[25]。由图3 可知，贮藏期间马铃薯表皮POD 活性总体呈前期迅速上升，后期缓慢下降的趋势。贮藏初期，各处理间POD 活性存在一定差异，CK 组中POD 活性最高为223.44 U·mg-1。贮藏30 d 时，各组POD 活性迅速上升，CK、T1 和T2 分别为445.29、353.41、388.67U·mg-1，处理T1 和T2 此时达到最大值，CK 在贮藏60 d 时酶活性达到最高，为468.88 U·mg-1。此后各处理酶活性出现不同程度的下降，除CK 下降速率较快外，T1 和T2处理的酶活性变化幅度趋缓，基本维持在300 U·mg-1上下，直到贮藏结束各处理POD 活性逐渐接近。说明不同杀秧时间不仅影响采收时马铃薯表皮POD 活性，还会影响贮藏期间酶活性变化趋势，CK 组中POD 活性始终高于其他处理，可能是由于薯皮成熟度低，擦伤程度严重造成的。

图3 不同处理对马铃薯表皮POD 活性的影响Fig.3 Effect of different treatments on POD activity of potato epidermis

2.5 不同处理对马铃薯块茎表皮木质素含量的影响

木质素是构成植物细胞壁的成分之一，具有连接细胞的作用，一般认为木质素是与细胞壁机械强度密切相关的一类特殊化合物[26]。如图4 所示，贮藏期间，马铃薯块茎表皮木质素含量始终呈上升趋势，贮藏初期，CK、T1 和T2 马铃薯表皮木质素含量分别为0.427、1.231、0.835 OD280·g-1FW，说明不同杀秧时间造成不同处理间采收时块茎表皮木质素含量的显著差异，其含量随杀秧时间的提前而增加；贮藏期间T1 处理中块茎表皮木质素含量始终高于CK 和T2 处理，在贮藏150 d 时，CK、T1 和T2 组表皮木质素含量分别为1.840、2.203、2.027 OD280·g-1FW，分别是贮藏初期含量的4.31、1.79 和2.43 倍，说明贮藏期间木质素含量增加明显。此外，在贮藏0～60 d，对照CK、T2 处理中木质素含量增长速率更快，逐渐接近T1 处理，但在整个贮藏期间始终低于T1 处理。这可能与贮藏前期CK、T2 处理中薯皮的PAL、POD 活性高于T1 处理，加速了木质素的合成有关。

图4 不同处理对马铃薯块茎表皮木质素含量的影响Fig.4 Effect of different treatments on lignin content of potato tuber epidermis

2.6 不同处理对马铃薯失重率和腐烂率的影响

失重率和腐烂率均是反映马铃薯采后贮藏效果的重要指标。如图5A 所示，在整个贮藏过程中，马铃薯块茎失重率呈上升趋势，T1、T2 处理始终低于CK，在贮藏150 d 时各处理中马铃薯块茎失重率达到最大值，CK、T1 和T2 处理分别为7.93%、5.15%和5.95%，且处理间差异显著（P＜0.05）。由图5B 可知，在贮藏期间，马铃薯块茎的腐烂率也呈上升趋势，并且随杀秧时间的提前腐烂率呈显著降低趋势，贮藏150 d 时CK、T1 和T2 处理中马铃薯块茎的腐烂率分别为6.67%、13.33%、23.33%，各组间呈显著差异（P＜0.05）。可见，适时提前杀秧促进了马铃薯块茎周皮角质化程度的增加，形成很好的块茎保护屏障，在阻隔块茎内部水分流失的同时，也显著降低马铃薯块茎致病菌的侵染，降低腐烂损失。

图5 不同处理对马铃薯失重率（A）和腐烂率（B）的影响Fig.5 Effects of different treatments on weight loss rate(A)and decay rate(B)of potato

2.7 不同杀秧时间对块茎周皮微观形态的影响

马铃薯块茎最外层都被周皮所覆盖，其重要的功能就是保护块茎免受环境胁迫。从薯块周皮组织微观结构照片（图6A、图6B 和图6C）发现，采收时薯块周皮细胞水分含量大，并且细胞饱满，且各处理间表皮木栓层结构差异显著，其中CK 组中（图6A）马铃薯表皮幼嫩，尚未成熟的活跃初生周皮（软木形成层）的细胞壁薄且呈放射状，最外侧表皮木栓化不明显，几乎无角质层；而T2 处理（图6C）中表皮角质层厚度有所增加，约为20 μm，但木栓层厚度不均匀，说明薯皮发育尚不完全；T1 处理（图6B）中薯块表皮明显形成相对均匀厚实的木栓层，约为30 μm，这是采收时块茎表现出较低擦伤程度的主要原因。

贮藏150 d 时，如图6D、6F 所示，CK、T2 处理马铃薯表皮细胞中水分含量明显下降，贮藏期间表层细胞一定程度木栓化，形成木栓层，表皮木栓层厚度分别为15 μm 和35 μm；但T1 处理中马铃薯表皮木栓层厚度最大（图6E），平均厚度达到60 μm，约为CK、T2 处理表皮木栓层厚度的2～4 倍。表明采前提前杀秧明显促进了马铃薯表皮成熟，并对贮藏后期块茎表皮形成木栓层厚度增加具有显著积极意义。

图6 不同处理对马铃薯贮藏前、后（150 d）周皮组织微观结构的影响Fig.6 Effects of different treatments on the microstructure of potato epidermis tissue before and after storage(150 d)

3 讨论

研究发现，采前提前杀秧处理马铃薯块茎的产量均低于CK，T1、T2 处理较CK 产量分别下降了8.39%和4.31%，大中薯率分别下降了3.56 和1.27 个百分点，表明杀秧时期不同对马铃薯的产量和大中薯率有一定影响。这是由于杀秧切断了植株地上部的茎叶，越早切断这些马铃薯的同化器官，其同化作用时间越短，淀粉和干物质的积累就越少，这与现有报道一致[12,27]。

研究还发现不同杀秧时间直接影响马铃薯块茎周皮木栓层的形成。与对照组和采前7 d 杀秧处理组相比，采前14 d 杀秧处理的马铃薯块茎周皮细胞更为致密，显著提高了采收时马铃薯块茎周皮成熟度。由于马铃薯块茎的周皮成熟程度直接影响块茎的脱皮敏感性和抗病性[28-29]，在本研究中，不同处理间在机械收获过程中，薯块擦伤程度存在显著差异，采前14 d 杀秧处理中块茎擦伤程度也显著低于其他处理，这与Sabba 等[30]的研究结果一致。此外，适当提前杀秧可有效降低马铃薯块茎采收时的呼吸强度，并对抑制贮藏初始阶段马铃薯块茎中PAL 和POD 活性，提高采收时块茎表皮木质素含量具有积极意义。

已有研究证实，木栓层的形成与木质素积累有关，PAL 和POD 是木质素积累形成周皮木栓层的关键酶[31]。其中PAL 是连接初级代谢和次生代谢、催化苯丙烷类代谢第一步反应的酶,是苯丙烷途径的关键酶和限速酶，参与包括木质素、香豆酸酯类和类黄酮等多个次生代谢物质的合成[32]。此外，受伤部位的周围细胞PAL 活性会升高，合成大量的木质素，沉积在细胞壁中，使细胞壁增厚[33]。而POD 主要在催化木质素单体脱氢聚合最终形成木质素的过程中具有关键作用，其参与了愈伤结构的形成与伤口的修复[34]，POD 活性升高，还具有抑制发芽，增强马铃薯的抗病性的作用[35-37]。

在本研究中，通过对块茎周皮微观结构的比较发现：由于不同处理造成不同的马铃薯块茎周皮发育状况，进而在采收时表现出擦伤程度的显著差异，致使贮藏初期块茎表皮中PAL、POD 的活性以及木质素含量的显著差异，但在贮藏60 d 后各处理间PAL、POD 活性变化逐渐接近，在贮藏结束时处理间差异明显减小，表皮木质素含量也呈前期上升较快后期缓慢的趋势，说明贮藏前期是块茎表皮快速成熟的关键阶段。在各处理间失重率与腐烂率的比较过程中发现，适当提前杀秧不仅可有效促进马铃薯块茎周皮的成熟，降低采收时的机械损伤，也对长期贮藏时降低薯块失重率，减小致病菌侵染机率具有积极意义，此结论与李林等[13]的研究结果一致。可见，马铃薯提前杀秧对采后贮藏阶段减损具有积极意义，应将该技术予以示范推广。

4 结论

综合以上分析表明，马铃薯采前14 d 杀秧处理，虽然一定程度降低了马铃薯产量、大中薯率和淀粉含量，但可有效促进马铃薯块茎周皮木栓层形成，显著降低马铃薯表皮擦伤程度，同时抑制周皮中PAL 和POD 活性；此外，通过对贮藏前后块茎表皮微观组织结构比较可知，采前14 d 杀秧处理，在增加采收时马铃薯块茎周皮木栓层厚度的基础上，也提高了贮藏期间周皮木质素的积累，木栓层进一步增厚，形成很好的块茎保护屏障，阻隔块茎内部水分流失，降低了致病菌在机械伤口侵染而造成腐烂的机率，贮藏150 d时明显降低了马铃薯块茎的失重率和腐烂率。