不同浓度褐藻寡糖对黄瓜生长、产量、品质与抗氧化酶及其基因表达的影响

孙冰 张金梅 刘朋宇 张颖 苏红玲 王郡霞

摘要：探讨不同浓度的褐藻寡糖对黄瓜生长、产量、品质及抗氧化酶与其基因表达的影响，以期为黄瓜产量与品质的提高以及提高植株的抗逆能力提供试验和理论依据。选取黄瓜品种亮剑308为试验材料，待黄瓜幼苗长至36 d后，将0.00%、0.05%、0.10%、0.20%、0.30%和0.50%的褐藻寡糖分别喷施于黄瓜幼苗叶片的正反面，研究黄瓜幼苗的生长、产量、品质及抗氧化酶活性及抗氧化酶相关基因的影响。结果表明，外源褐藻寡糖的喷施对黄瓜幼苗的生长有促进作用，不同浓度的褐藻寡糖处理后，黄瓜幼苗的株高、茎粗和叶片数量均较对照组显著增加。且褐藻寡糖可提高黄瓜产量，增加果实中有机酸、维生素C、可溶性糖、可溶性蛋白和可溶性固形物的含量，以此使果实的品质提高。黄瓜叶片过氧化氢酶（CAT）活性在喷施褐藻寡糖后显著提高（P<0.05），其中，0.2%处理较对照组（CK）提高56.52%；褐藻寡糖对叶片中过氧化物酶（POD）活性有一定的促进作用，0.2%处理组较对照组（CK）提高13.12%；0.2%褐藻寡糖处理下叶片抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性达最大值；喷施不同浓度的褐藻寡糖对叶片中过氧化物歧化酶（SOD）活性无显著提高；不同浓度的褐藻寡糖对谷胱甘肽还原酶（GR）活性的作用效果不同。果实中SOD POD、CAT、APX及GR活性在褐藻寡糖处理后均有所增高，其中，0.2%处理较CK增长幅度最大。黄瓜果实抗氧化酶 G-POD4 基因和SOD1基因表达水平与黄瓜果实中的酶活性一致，植物的抗逆能力增强。然而，不同浓度的褐藻寡糖对黄瓜的影响是不同的。经综合评价后得出，不同浓度的褐藻寡糖处理下黄瓜的生长、产量、品质及抗氧化系统状况均表现为一定程度促进作用，其中喷施0.2%的褐藻寡糖对促进效果最好。

关键词：黄瓜；褐藻寡糖；幼苗生长；果实品质；抗氧化酶

中图分类号：S642.201  文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）13-0175-07

黄瓜（Cucumis sativus L.）是世界普遍种植的蔬菜作物之一，同样也是我国种植范围最广、栽培面积最大的蔬菜作物之一［1］。近年来，随着种植年限的增加及农药和化肥的过量施用，使环境问题愈发严重，植株面临各种生物及非生物因素影响，导致作物的产量与品质下降［2］。近年来，通过使用安全无污染的外源物质来提高作物的产量和品质已成为重要的途径之一。

褐藻寡糖是褐藻胶经化学或酶法降解而得到的产物，通过糖苷键将2～10个单糖聚合而成的一种多糖，具有溶解性强、稳定性好等特点［3］。经多年研究发现，褐藻寡糖在绿色农业、医疗保健、养殖业等方面均具有十分重要的研究意义及应用价值，尤其在绿色农业方面，褐藻寡糖可显著促进植物生长及缓解植物非生物胁迫［4］。有研究发现，褐藻寡糖可提高大麦发芽率及麦芽质量［5］，还可促进大豆田间出苗、提高大豆株高、茎粗及产量［6］，并通过提高植物体内渗透调节物质的含量，使翅碱蓬的抗盐胁迫能力得到提高［7］。因此，褐藻寡糖具有开发成为一种安全绿色高效的新型植物生长调节剂的潜力。本研究在黄瓜幼苗生长过程中外源喷施不同浓度的褐藻寡糖，研究其对黄瓜生长量、果实产量、品质和抗氧化系统的影响，以期为黄瓜产量与品质的提高及提高植株的抗逆能力提供试验和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验于2019年3—7月在沈阳师范大学生命科学学院日光温室中进行，供试黄瓜品种为“亮剑308”。褐藻寡糖由沈阳师范大学微生物研究室提供，以蒸馏水为溶剂分别稀释至0.05%、0.10%、0.20%、0.30%和0.50%。

1.2 试验设计

挑选籽粒饱满，大小均匀的“亮剑308”黄瓜种子，放入50 ℃温水中浸种5 h，培养箱30 ℃催芽 24 h。随后取露白一致的种子播种于50孔穴盘中。幼苗生长至3叶1心期，将黄瓜幼苗定植于大棚。待黄瓜幼苗长至36 d后，采用手持小型喷雾器将0.00%、0.05%、0.10%、0.20%、0.30%和0.50%的褐藻寡糖分别喷施于黄瓜幼苗叶片的正反面（生长点除外），喷施量以湿润不流滴为宜。本试验共设6个处理，具体见表1，每个处理3次重复，每处理每重复有8株幼苗。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 黄瓜幼苗生长指标的测定

黄瓜幼苗长至36 d后，从各浓度处理中选取3株长势相同的幼苗测量其株高、茎粗、叶片数，每隔7 d测量1次。株高测量：将黄瓜幼苗伸直，采用卷尺测定黄瓜幼苗最下端叶柄下1 cm至顶端生长点的长度，为黄瓜幼苗的株高。莖粗测量：测定黄瓜幼苗最下端叶柄以下1 cm的粗度，电子游标卡尺测定。叶片数测量：从黄瓜幼苗基部到生长点的叶片数量。

1.3.2 黄瓜产量的测定

在黄瓜成熟期采收果实，并用电子秤称质量。

1.3.3 黄瓜品质的测定

采用指示剂滴定法［8］测定黄瓜有机酸含量。使用2，6-二氯靛酚滴定法［9］定量测定维生素C含量；采用水杨酸-硫酸比色法［10］测定黄瓜中硝酸盐的含量；黄瓜可溶性糖的含量运用蒽酮法［1］测定。可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝染料结合法［11］测定，可溶性固形物用TD-45手持糖度计［12］测定。

1.3.4 抗氧化酶系统指标测定

参照NBT光化还原法测定超氧化物歧化酶（SOD）活性；通过愈创木酚在470 nm下的氧化速率来测定过氧化物酶（POD）活性；采用紫外吸收法测定过氧化氢酶（CAT）的活性；抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性采用紫外比色法来测定；基于NADPH氧化后在 340 nm 处吸光度的减少来测定谷胱甘肽还原酶（GR）的活性［13-14］。

1.3.5 RNA的提取与qRT-PCR分析

选取约 12 cm 长的黄瓜，提取黄瓜总RNA使用华越洋基因有限公司的试剂盒。再按照TaKaRa反转录试剂盒的说明，将提取的黄瓜总RNA反转录为cDNA。再将cDNA稀释为相同浓度，以Actin作为看家基因，进行荧光定量qRT-PCR。

1.4 数据处理

数据记录整理使用Excel软件，采用SPSS 22.0的Duncan s多重比对法对数据进行分析，应用Origin 9.4软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同浓度褐藻寡糖对黄瓜生物量的影响

由表2可知，不同浓度褐藻寡糖处理后，与对照组（CK）相比，幼苗的株高、茎粗及叶片数均受到影响。株高增长量在T3处理下6月6日到6月13日达最大值48.33 cm，相比对照组（CK）显著提高36.14%；喷施外源褐藻寡糖后，除T4处理茎粗增长量较CK稍有下降外（且未达显著水平），其余处理较CK均有不同程度的提高，第1周T5处理显著提高107.32%，第2周T2处理也显著提高83.61%；在5月30日至6月6日时，T1和T3处理增加的叶片数最多达3.5张，较对照组（CK）显著提高了180%。可见，适当浓度褐藻寡糖处理使黄瓜幼苗的株高、茎粗和叶片数得到提高，综合以上数据T3处理的效果最好，即0.2%褐藻寡糖对黄瓜生长量的促进效果最好，使黄瓜植株生长健壮。

2.2 不同浓度褐藻寡糖对黄瓜产量的影响

由表3可知，经褐藻寡糖处理的黄瓜植株的产量与对照组（CK）相比显著增高。T1、T2、T3、T4和T5处理组的黄瓜单株总产量较CK组分别提高了67.20%、64.81%、84.43%、61.62%和116.83%。平均单果质量分别较CK组提高了0.48%、3.21%、10.59%、12.41%和12.35%。由此可知，外源褐藻寡糖的添加可明显增加黄瓜的产量，且高浓度的褐藻寡糖具有更明显的增产效果。

2.3 不同浓度褐藻寡糖对黄瓜品质的影响

由图1-A可知，喷施外源褐藻寡糖的黄瓜有机酸含量有显著变化。与对照组（CK）相比，经0.3%褐藻寡糖（T4）处理后，有机酸的含量显著降低，较对照组（CK）减少了26.28%。与对照组（CK）相比，经0.1%褐藻寡糖（T2）处理后，黄瓜有机酸含量明显升高，达最大值17.83%，是对照组（CK）的1.05倍。褐藻寡糖对有机酸的含量有一定影响，而有机酸不仅可以影响黄瓜的口感风味，还能保护维生素C，选择适当浓度的褐藻寡糖可提高黄瓜有机酸含量，提高黄瓜品质。由图1-B可知，喷施外源褐藻寡糖对黄瓜的硝酸盐含量并无显著影响。对照组（CK）与不同浓度褐藻寡糖处理（T1～T5）间黄瓜的硝酸盐含量相差很小，无显著差异。说明了褐藻寡糖具有绿色、健康、安全的特点。由图1-C可知，喷施外源褐藻寡糖可提高黄瓜维生素C的含量。在不同浓度褐藻寡糖处理中，T2处理使黄瓜果实中维生素C含量达最大值，与对照组（CK）相比显著提高33.77%。结果说明了褐藻寡糖促进黄瓜维生素C合成，提高黄瓜的维生素C含量，从而提高其品质。由图1-D可知，经不同浓度褐藻寡糖处理后，除T1处理下可溶性糖含量显著降低外，其他浓度的处理均使黄瓜的可溶性糖含量显著提升。其中，T4处理后果实中的可溶性糖含量与对照组（CK）相比显著提高39.48%，达最大值。说明褐藻寡糖的使用，会使黄瓜的果实含糖量更高，口感更好，其风味更佳。由图1-E可知，喷施外源褐藻寡糖可提高黄瓜的可溶性蛋白含量。在不同浓度褐藻寡糖处理中，黄瓜的可溶性蛋白含量与对照组（CK）相比均显著提高，其中T5处理下的果实中其含量达最大值，与对照组（CK）相比显著提高56.21%。选择适当浓度的褐藻寡糖可提高黄瓜可溶性蛋白的含量，可提高黄瓜的口感与品质。由图1-F可知，喷施褐藻寡糖后黄瓜可溶性固形物含量有所提高。T1处理可溶性固形物含量最高，与对照组（CK）相比显著提高15.17%，T2、T3、T4、T5处理组无显著差异，可溶性固形物含量增加较少。以上结果说明，低浓度的褐藻寡糖对提高黄瓜可溶性固形物的效果最好。综上，外源褐藻寡糖通过提高黄瓜中有机酸、维生素C、可溶性糖、可溶性蛋白和可溶性固形物的含量，来实现黄瓜品质的提升。此外，硝酸盐含量的测定证明褐藻寡糖的可利用性。

2.4 不同浓度褐藻寡糖对黄瓜叶片抗氧化酶活性的影响

由图2可知，与对照组（CK）相比，不同浓度的褐藻寡糖处理使黄瓜叶片中抗氧化酶的活性发生变化。由图2-A可知，不同浓度褐藻寡糖处理后黄瓜叶片中SOD活性与对照组相比都有不同程度的降低，其中，除T3處理时降低的幅度最大，其他均未达显著水平。由图2-B可知，黄瓜幼苗经不同浓度褐藻寡糖处理后，T2处理下黄瓜叶片CAT活性较对照组（CK）显著提高56.52%（P<0.05），达最大值。由图2-C可知，褐藻寡糖对POD活性具有一定的促进作用，T2处理较对照组（CK）提高13.12%，T5处理较对照组（CK）提高13.57%。由图2-D可知，在不同浓度褐藻寡糖处理中，T2处理下黄瓜叶片APX活性达最大值，与对照组（CK）相比，APX活性提高25.25%，但未达到显著水平。由图2-E可知，喷施不同浓度的褐藻寡糖对叶片中GR活性的作用效果不同，与对照组（CK）相比，T1、T2、T3和T4处理GR活性下降，与对照组（CK）相比分别降低11.06%、16.60%、41.32%和42.50%；T5处理与对照组（CK）相比并无显著差异。可见，褐藻寡糖提高了黄瓜叶片中抗氧化酶活性，激活黄瓜的抗氧化系统。

2.5 不同浓度褐藻寡糖对黄瓜果实抗氧化酶活性的影响

由图3可知，与对照组（CK）相比，褐藻寡糖处理使黄瓜果实中的SOD、CAT、APX、POD及GR的活性发生变化。由图3-A可知，与对照组（CK）相比，随着褐藻寡糖处理浓度的不断加大，SOD酶活性先升高后降低，其中T3处理使SOD酶活性与对照组（CK）相比提高了19.97%，达最大值。由图 3-B 可知，与对照组（CK）相比，不同浓度的褐藻寡糖处理使CAT酶的活性均显著提高（P<0.05），其中T3处理使CAT酶活性达最大值，较CK组提高402.28%。由图3-C可知，不同浓度褐藻寡糖处理对黄瓜果实中POD酶活性的影响不同，与对照组（CK）相比，T1、T2和T5处理POD酶活性无明显差异，T3和T4处理酶活性显著增加（P<0.05），其中T3处理使POD酶活性达到最大值，较CK组提高115.50%。由图3-D可知，与对照组（CK）相比，随着褐藻寡糖浓度的不断加大，APX酶活性先升高后降低。与对照组（CK）相比，T1和T2处理酶活性降低，但未达到差异显著水平，T3、T4和T5处理中APX酶活性较对照组均显著提高，其中T3处理使APX酶活性达最大值，较CK组提高69.96%。由图3-E可知，褐藻寡糖处理后，仅有T3处理GR的活性较对照组（CK）升高，提高10.13%，T1、T2、T4和T5 处理均较对照组（CK）降低，但T2、T5处理与对照组的差异不显著，T1、T4处理与对照组相比差异显著。综上，黄瓜果实中抗氧化酶的活性随着褐藻寡糖处理浓度的升高，其总体呈现出先升高后降低的趋势，其中T3处理效果最好，即0.2%褐藻寡糖是最适浓度。

2.6 不同浓度褐藻寡糖对黄瓜果实抗氧化酶活性相关基因的影响

G-POD4、SOD1分别是抗氧化酶POD和SOD的关键调控基因。由图4-A可知，喷施褐藻寡糖后黄瓜果实中抗氧化酶G-POD4 基因表达水平发生变化，与对照组（CK）相比，除T2处理升高外，其他4组处理均使G-POD4 基因表达水平降低。由图4-B可知，不同浓度褐藻寡糖处理的黄瓜果实中SOD1基因表达水平较对照组（CK）呈现上升的趋势，其中，T3和T4组较对照组（CK）SOD1基因表达水平增长幅度最大，分别增加了406.30%和410.21%。综上，适当浓度的褐藻寡糖可有效提高抗氧化酶基因表达量，并且抗氧化酶基因表达水平与黄瓜果实中的抗氧化酶活性一致，说明外源喷施适当浓度的褐藻寡糖可使黄瓜的抗逆性增强。

3 讨论

褐藻寡糖可影响植物生长发育，调节种子萌发和根系发育，及植物光合作用等，从而促进植物的生长发育，提高植物的产量及品质，增强植物的抗逆性［15-21］。

褐藻寡糖能够促进植物的生长。马纯艳等研究证明，褐藻胶寡糖对高粱种子萌发和幼苗生长有促进作用［22］。本试验结果表明，外源喷施合适浓度的褐藻寡糖可促进黄瓜幼苗生长，增加黄瓜幼苗株高、茎粗及叶片数，这与李佳琪等的试验结果一致［17］。不同浓度的褐藻寡糖对黄瓜幼苗生长的影响有一定差异，其中，0.2%褐藻寡糖对黄瓜幼苗的作用效果最好。然而，褐藻寡糖调控植物生长发育的生理及分子机制尚不清楚。

褐藻寡糖可以改善果实的品质。刘同梅等表明，褐藻寡糖能有效降低果实失质量率，减缓果实硬度的下降，使果实贮藏时其可溶性固形物的变化减弱，保持果实可滴定酸、可溶性糖含量及维生素C含量的稳定［23］。本研究结果表明，喷施褐藻寡糖后黄瓜果实中有机酸、硝酸盐、维生素C、可溶性糖、可溶性糖蛋白和可溶性固形物含量均有所提高，较对照组差异显著，在0.2%～0.3%褐藻寡糖对黄瓜品质的作用效果最好。

当植物在水分胁迫、盐胁迫和重金属胁迫等逆境条件下时，植物细胞会受到氧化损伤。植株体内ROS产生与消除的动态平衡被打破，导致ROS过度累积，一些生物分子（如DNA、RNA、蛋白质和脂质）被氧化，使酶失活，从而降低蛋白质的合成速率。一般而言，植物细胞可通过防御机制清除多余的ROS。抗氧化酶系统就是其中最重要的机制之一，抗氧化酶SOD、CAT、POD、APX和GR可用来衡量植物细胞抗氧化能力［24］。本研究结果表明，喷施褐藻寡糖的黄瓜叶片与果实中的抗氧化酶SOD、CAT、POD、APX和GR活性较对照组（CK）增加，果实抗氧化酶G-POD4、SOD1基因表达上调，其表达量变化与对应的抗氧化酶活性变化呈现一致的趋势，说明喷施褐藻寡糖后，黄瓜植株通过调控抗氧化酶基因表达水平来提高体内抗氧化酶活性。褐藻寡糖使植物体内抗氧化酶的活性提高，清除植物体内多余的ROS，增强植物抗逆性，本试验结果与刘瑞志对番茄的研究［25］类似。但G-POD4、SOD1基因表达上调并不显著，甚至有部分处理基因下调，可能是由于果实成熟期间其体内活性氧增加，且活性氧产生速率远远高于抗氧化酶的增长速率，抗氧化酶基因受到一定程度抑制［26］。喷施褐藻寡糖可调节黄瓜幼苗叶片和果实的抗氧化酶系统，使抗氧化酶的活性提高，有效清除细胞中O-2·及H2O2，提高黄瓜抗逆性。

4 结论

本研究以黄瓜为试验材料，褐藻寡糖促进黄瓜植株生长、增加黄瓜果实产量、提升果实营养品质，同时提高黄瓜叶片及果实中的抗氧化酶含量，果实中抗氧化酶基因表达上调，使植物潜在的抗逆能力增强。其中T3处理，即0.2%褐藻寡糖处理的效果最佳。

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