不同光质补光对设施内桃果实品质及叶片质量的影响

郑晓翠,刘凤之,王海波,王孝娣*

(1 中国农业科学院果树研究所,辽宁兴城 125100;2 农业部园艺作物种质资源利用重点实验室,辽宁兴城 125100)

目前,设施栽培桃发展迅猛,但受到光照、通气等多方面因素的影响,导致其果实风味变淡、可溶性固形物含量降低,综合品质低于露天栽培桃[1]。设施桃生产中最突出的问题就是光照强度低、生长时间短[2],严重影响桃产业的经济效益和可持续发展。研究表明设施栽培中由于光照强度与光照时间不足,采用人工补光的方法可以改善栽培环境[3-4],促进作物的生长,而目前生产中也采用补光来解决弱光问题。补光可以提高作物的光合速率、增加叶面积、提高产量和改善果实品质。而补光的效果则取决于补光强度和补光的光质[5]。红光能够促进幼苗生长、增大叶面积、提高壮苗指数以及增加叶片可溶性糖和淀粉含量[6-8]。蓝光调节植物的生长发育,促进花色素苷的积累和子叶扩张、调节开花时间和气孔开放[9]。目前,已有一些研究报道了不同光质补光对设施番茄、黄瓜、油菜等蔬菜的影响,研究的方向主要集中在光质、光强、补光时间及补光灯的位置等对植株树体生长及产量的影响等方面。桃设施栽培中由于光照强度、光质质量及光照时间等导致其果实品质变差[1,10],而不同光质补光对设施桃果实品质及叶片质量影响的研究较少,提高设施内光照质量是设施桃产业发展亟待解决的问题。

酚类物质是桃果实重要的内在品质性状,以往栽培措施调控果实中酚类物质含量的研究主要集中在套袋、铺设反光膜、不同留果量、水分管理和砧穗组合等几个方面[11],而对于不同光质补光对桃果实中酚类物质含量的影响研究较少。

由于桃在果树栽培中的地位十分重要,并且桃果实富含对人类健康有益的化学物质和色素[12],在有限的设施栽培环境中如何提高设施桃果实品质尤为重要。

因此,本研究选用适宜设施栽培的早熟毛桃品种‘春雪’和油桃品种‘中油4号’为试验材料,考察不同光质补光对桃果实外观品质、内在品质以及叶片质量的影响,以期为完善改进设施桃果实品质调控技术措施奠定基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试材为3年生‘春雪’(砧木为青州冬雪蜜桃)和‘中油4号’(砧木为青州冬雪蜜桃),行株距2.0 m×1.0 m,架式栽培主干形,每667 m2留果量2 500～3 000 kg,行内覆盖黑地膜,膜下滴灌,施肥管理采取水肥一体化,其他管理按常规进行,管理水平中等。试验光源为S-30型植物生长灯(上海合鸣照明电器有限公司),补光灯技术参数如表1所示。

表1 植物生长灯光谱信息技术参数Table 1 Technique parameters of plant growth light spectral information

1.2 试验处理

研究于2014年11月至2015年5月在中国农业科学院果树研究所高效节能型日光温室 (辽宁兴城,40.45°N,120.51°E) 内开展。温室为东西走向,长60 m、跨度7.5 m、脊高3.5 m、后坡投影长度1.5 m,骨架形状为两弧一切线曲直形结构,塑料薄膜为PO棚膜,外保温材料为保温被。待设施桃萌芽期时开始补光处理,至果实成熟采收后停止,处理光源分别为紫外光、蓝光、红蓝光,对照为设施内暗期光照处理,每个处理24株树,包含3个重复。在各处理行上方每行安置1盏植物生长灯,安装位置在温室中部离北墙4.5 m处,安装高度距离叶幕最顶部40 cm,各处理间隔4行作为保护行。日落后至次日日出前各补光4 h,每天连续补光时长为8 h, 设施内暗期的光照是完全黑暗。

1.3 测试指标与方法

1.3.1 果实品质‘春雪’和‘中油4号’果实在5月28日采收,每个处理采集树冠外围中部30个果实用于测定单果重、可溶性固形物含量、可溶性糖含量、可滴定酸含量、维生素C含量和酚类含量。

单果重采用电子天平(精度为0.01)测定,可溶性固形物含量采用日本产PAL-1型折光仪测定,可溶性糖含量按照国家标准GB/T12293-90测定,可滴定酸含量采用0.1 mol/L NaOH进行滴定,以酒石酸的量表示[13],维生素C含量按照国家标准GB/T6194-86测定。

酚类含量测定时,从果实四面分别取果皮混匀,冷冻研磨机研磨,-80 ℃冰箱保存,称取冷冻研磨样品5 g于50 mL棕色带塞离心管中,用20 mL 1%盐酸-甲醇溶液于4 ℃冰箱黑暗状态下浸提果皮样品至无色后定容到50 mL,10 000 r/min低温(4 ℃) 离心15 min,取上清液经微孔滤膜(0.22 μm) 过滤,滤液采用美国Waters公司生产高效液相色谱仪(ACQUITY UPLC H-CLASS)进行酚类物质定性定量分析。色谱柱选用 Wonda Sil C18柱(250 mm×4.6 mm),流动相 A为1.6%甲酸水溶液,B为1.6%甲酸甲醇溶液,柱温为 40 ℃,酚类物质含量用外标法计算,结果以 mg/kg 鲜样表示。

1.3.2 叶片质量‘春雪’和‘中油4号’在5月28日采收果实的同时,每个处理采集树冠外围中部新梢第6节叶片30片用于叶片质量指标的测定。其中,采用徒手切片法[10],在叶片统一位置用双刃刀片切取边长约2 cm的正方形,放入存有FAA固定液[配方为70%酒精90 mL+冰醋酸5 mL+福尔马林(37%～40%甲醛)5 mL]的小瓶中,浸泡7 d左右,然后进行切片,把切下的材料放入培养皿中,充分展开,选择薄而透明的切片,对其封片,再利用稀释50倍的红色墨水(主要成分包括墨水红、一品红和酸性大红G) 对样品染色,染色时间为1 min,用滤纸吸干多余液体,最后通过带有测微尺的显微镜观察并测定叶片栅栏组织厚度、海绵组织厚度和叶片总厚度。叶绿素采用丙酮法提取,采用分光光度计测定提取液吸光度值[14],利用Arnon公式计算叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素a /b 值、总叶绿素含量。叶面积采用Li-3000A型便携式叶面积仪测量,比叶重是在70 ℃条件下烘干叶片至恒重,用电子天平 (精度为 0.000 1)称重,然后计算干比叶重(叶片干重/叶面积)。

1.4 数据统计

采用Excel软件对数据进行处理与绘图,利用SAS 9.2软件做双因素方差分析,采用Duncan方法进行多重比较,不同字母表示各处理间差异显著(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 补光处理对设施栽培桃果实品质的影响

与对照相比,3种光质补光对‘春雪’和‘中油4号’桃果实的单果重、可溶性固形物、可溶性糖、维生素C含量均有显著促进效果,但促进程度也多存在显著差异;对其可滴定酸含量均有不同程度降低效果,且‘春雪’各处理的降幅均达到显著水平,而‘中油4号’各处理均无显著变化(表2)。

表2 补光处理下桃果实品质指标的变化Table 2 Changes of fruit quality of peach under supplementary light wavelengths

其中,‘春雪’和‘中油4号’果实的单果重、可溶性糖和维生素C含量均以蓝光最高,紫外光次之,红蓝光最低,且各补光处理间均差异显著;两品种各处理桃果实可溶性固形物含量的表现与以上3个指标相似,均为蓝光>紫外光>红蓝光,且‘春雪’果实各处理间也均差异显著,只是‘中油4号’果实仅在蓝光与红蓝光间差异显著。同时,‘春雪’果实可滴定酸含量表现为蓝光<紫外光<红蓝光,但仅蓝光与红蓝光处理之间差异显著,‘中油4号’果实可滴定酸含量在各处理之间差异均不显著。

另外,在相同光处理条件下,‘春雪’果实的单果重、可溶性固溶物、可滴定酸和维生素C含量均不同程度高于相应‘中油4号’桃,尤其是维生素C含量约是‘中油4号’的2倍左右,而其可溶性糖含量在对照条件下稍高于‘中油4号’,在各补光处理下均低于‘中油4号’。以上结果说明不同光质补光对设施桃果实品质的促进效果不同。

2.2 补光处理对设施栽培桃果实酚类物质含量的影响

不同光质补光条件下,‘春雪’和‘中油4号’桃果实中酚类物质种类及含量有所不同,通过高效液相色谱分析,检测出酚酸类、黄烷醇类、黄酮醇类、花色苷类4类共计13种酚类物质,其中‘中油4号’不含异鼠李类糖苷。

2.2.1 酚酸类物质含量‘春雪’和‘中油4号’桃果实均检测出2种酚酸类物质(矢车菊-3-葡萄糖苷和矢车菊-3-芸香糖苷),且‘春雪’桃中酚酸类物质含量远高于‘中油4号’桃;在补光处理后,‘春雪’和‘中油4号’桃果实酚酸类物质含量均不同程度高于对照,且增幅大多达到显著水平;补光处理间均以紫外光处理最高,并与其他处理差异显著,蓝光次之,红蓝光最低,而蓝光与红蓝光之间也多差异显著(图1),其中,在紫外光补光处理后,‘春雪’桃的矢车菊-3-葡萄糖苷含量(525.51 mg/kg)和矢车菊-3-芸香糖苷含量(30.92 mg/kg)分别是相应对照的2.32倍和1.92倍,‘中油4号’的矢车菊-3-葡萄糖苷含量(319.95 mg/kg)和矢车菊-3-芸香糖苷含量(24.27 mg/kg)则分别是相应对照的2.68倍和3.18倍。可见,补光处理均能提高桃果实中酚酸类物质含量,并以紫外光处理效果最佳,蓝光处理次之。

图中品种内不同字母表示处理间差异达0.05显著水平。下同。图1 补光处理下‘春雪’(A)和‘中油4号’(B)桃果实酚酸类物质含量的变化Different letters in the figure indicate significant difference between treatments at 5% level in the same cultivar. The same as below.Fig.1 The phenolic acid contents in fruit of ‘Chunxue’ (A) and ‘Zhongyou 4’ (B) peach under supplementary light wavelengths

2.2.2 黄烷醇类物质含量‘春雪’桃和‘中油4号’桃果实检测出的黄烷醇类物质为新绿原酸和绿原酸。由图2可知,‘春雪’桃和‘中油4号’桃果实新绿原酸和绿原酸含量在各补光处理下均显著高于对照,并均以紫外光处理最高且显著高于其他处理,蓝光处理次之,红蓝光处理的影响最小。

图2 补光处理下‘春雪’(A)和‘中油4号’(B)桃果实黄烷醇类物质含量的变化Fig.2 The flavanol contents in fruit of ‘Chunxue’ (A) and ‘Zhongyou 4’ (B) peach under supplementary light wavelengths

其中,在紫外光补光处理后,‘春雪’桃新绿原酸含量(6.04 mg/kg)和绿原酸含量(124.81 mg/kg)分别是对照的1.39倍和1.38倍,而‘中油4号’桃新绿原酸含量(21.24 mg/kg)和绿原酸含量(65.53 mg/kg)分别是对照的1.67倍和2.47倍。另外,在相同光照处理下,‘中油4号’桃新绿原酸含量显著高于‘春雪’桃,而其绿原酸含量则显著低于‘春雪’桃。

2.2.3 黄酮醇类物质含量‘春雪’桃和‘中油4号’桃中所含有的黄酮醇类物质包括原花色苷B1和表儿茶素。

在各补光处理后,‘春雪’和‘中油4号’果实的原花色苷B1和表儿茶素含量大多比对照显著增加,仅红蓝光处理的‘春雪’原花色苷B1含量稍低于对照,并均以紫外光处理的增幅最大含量最高,且与其余补光处理差异显著;蓝光处理的原花色苷B1显著高于相应红蓝光处理,而其表儿茶素含量稍高于红蓝光处理。

其中,在紫外光补光处理后,‘春雪’桃原花色苷B1含量(28.34 mg/kg)和表儿茶素含量(8.24 mg/kg)分别是对照的1.79倍和1.65倍,‘中油4号’桃原花色苷B1含量(62.93 mg/kg)和表儿茶素含量(5.33 mg/kg)分别是对照的2.6倍和2.1倍(图3)。另外,在相同光环境下,‘中油4号’桃原花色苷B1含量明显高于‘春雪’桃,而其表儿茶素含量则低于‘春雪’桃。

图3 补光处理下‘春雪’(A)和‘中油4号’(B)桃果实黄酮醇类物质含量的变化Fig.3 Xanthone alcohol content in fruit of ‘Chunxue’ (A) and ‘Zhongyou 4’ (B) peach under supplementary light wavelengths

2.2.4 花色苷类物质含量图4显示,‘春雪’桃果实中检测出的花色苷类物质包括芦丁、槲皮素-3-半乳糖苷、槲皮素-3-葡萄糖苷、山萘黄酮醇-芸香糖苷、异鼠李-芸香糖苷、异鼠李-半乳糖苷和异鼠李-葡萄糖苷等7种,这几种物质含量均以紫外光处理最高,并与其余补光处理和对照差异显著,蓝光处理次之,红蓝光处理最低,但是除山萘黄酮醇-芸香糖苷外大都显著高于对照。同时,‘中油4号’桃果实中检测出的花色苷类物质仅有以上7种中的4种,包括芦丁、槲皮素-3-半乳糖苷、槲皮素-3-葡萄糖苷和山萘黄酮醇-芸香糖苷,这几种物质含量在各补光处理后大多显著高于对照,并均以紫外光处理最高且除山萘黄酮醇-芸香糖苷外显著高于其他补光处理,蓝光处理次之,红蓝光处理最低(图4)。另外,‘春雪’和‘中油4号’桃果实中槲皮素-3-半乳糖苷、槲皮素-3-葡萄糖苷含量均明显高于其余成分含量;‘中油4号’桃果实中花色苷类物质含量明显高于相应的‘春雪’桃。

2.3 补光处理对设施栽培桃叶片质量的影响

2.3.1 叶绿素含量及比值由表3可知,在各补光处理后,‘春雪’和‘中油4号’桃叶片的叶绿素a、叶绿素b含量、叶绿素a/b值和总叶绿素量均显著高于对照。‘春雪’桃叶片叶绿素a含量和叶绿素a/b值均为蓝光处理最高,红蓝光次之,紫外光最低,且各处理之间均存在显著差异;而其叶绿素b含量表现出相反趋势,即红蓝光和紫外光处理较高并显著高于蓝光处理,但前两者间差异不显著;其总叶绿素含量在各补光处理之间均差异不显著。同时,‘中油4号’桃叶片叶绿素a含量和叶绿素a/b值在各补光处理下的表现与‘春雪’桃叶片相同,即蓝光>红蓝光>紫外光;而其叶绿素b含量以紫外光处理最高,并显著高于其他处理,蓝光和红蓝光次之;其总叶绿素含量在蓝光处理下最高,红蓝光和紫外光处理次之。

表3 补光处理下桃叶片叶绿素含量及叶绿素a/b 的变化Table 3 The chlorophyll contents and chlorophyll a/b ratio in leaves of peach under supplementary light wavelengths

2.3.2 叶面积、叶片厚度和干比叶重表4显示,在各补光处理后,‘春雪’桃和‘中油4号’桃叶片栅栏组织厚度、海绵组织、叶面积和叶片厚度都显著高于对照,‘春雪’桃叶片的干比叶重值也显著高于对照,而‘中油4号’桃叶片干比叶重值与对照无显著差异。2个桃品种叶片的栅栏组织厚度、叶面积和叶片厚度均以蓝光处理最高,红蓝光处理次之,紫外光处理最低,且各处理之间均差异显著;叶片海绵组织厚度在‘春雪’桃中以仍以蓝光最高,红蓝光次之,紫外光最低,且处理间差异显著,而在‘中油4号’桃中各补光处理之间无显著差异;‘春雪’和‘中油4号’桃干比叶重值在各补充处理间均差异不显著。

表4 补光处理下桃叶面积、叶片厚度及干比叶重的变化Table 4 The leaf area, leaf thickness and specific leaf weight of peach under supplementary light wavelengths

3 讨 论

光质对果树形态建成及果实品质的发育具有重要的调控作用[15]。由于设施栽培桃树是典型的弱光环境,使桃的发育受到光质和光强的限制。采用人工补光的方法对提高桃果实品质与叶片质量有显著的效果,而不同光质补光对果实品质有较大的调控作用。有研究发现,红光能提高番茄的糖酸含量,低剂量UV-B与红光复合处理可提高果实糖、酸、番茄红素含量[16];蓝光处理能显著提高番茄果实维生素 C 和可溶性蛋白含量[17];蓝光补光处理果实发育最快,成熟最早,果实单粒质量较高,糖含量最高[18]。本研究发现,在蓝光补光条件下,设施内‘春雪’和‘中油4号’桃的单果重较大,可溶性固形物含量和可溶性糖含量均较高。通过光质来调节果实的糖、酸代谢中,有关光质对可溶性糖的调控作用机理,可能是由于不同光质影响对碳水化合物的吸收从而改变了可溶性糖含量[19],也可能是光质的改变诱导了光敏色素对蔗糖代谢酶的调控,促进提高了蔗糖代谢相关酶活性,从而积累更多的光合作用产物[20-21]。

酚类物质与果实色泽、风味(涩、苦、香、甜)和保健功效密切相关,也是果实采后褐变的物质基础以及果汁和果酒颜色、风味、沉淀等理化特性的决定因素[22]。酚类物质与果蔬品质的许多方面都有密切关系,其中花色素类和黄酮类是果蔬色泽的重要决定因子之一。光照可影响桃果实酚类物质的积累[11],张克坤等[18]研究表明紫外光照射能够刺激葡萄叶片或果皮产生脱落酸(ABA),ABA 经运输提高了细胞壁转化酶(CWI)、可溶性酸性转化酶(SAI) 活性,增加了浆果中光合产物的卸载量。有研究报道,光质对花色素苷的合成有重要作用。紫外线增强可促进黄酮类物质的合成[23]。这与本研究中,‘春雪’和‘中油4号’桃补紫外光后,果实中酚类物质的含量显著增加的研究结论一致。植物酚类物质的生物合成对光质比较敏感,特别是波长较短的紫外光能够上调黄酮生物合成基因的表达,并促进黄酮类化合物在植物体内的积累[24]。

叶片是植物进行光合作用的重要器官,而叶绿素是植物吸收与利用光能的主要色素。叶绿素作为高等植物的光合色素,对植物的光合作用起着非常重要的作用[25]。王欣欣等[26]研究发现,蓝色、红蓝色补光条件下葡萄叶片的叶绿素含量、光合速率均有升高,而蓝光条件下叶绿素含量及光合速率最高,蓝光有利于叶绿素和干物质的积累与分配。蓝色补光条件下桃叶片的叶绿素含量、叶片数量及气孔数量高[27],光合作用旺盛,光合产物积累迅速、积累量大。这与本研究中设施内‘春雪’桃和‘中油4号’桃在补充蓝光处理后叶片叶绿素含量显著高于其他处理的研究结论一致。刘庆等[28]研究则认为补充蓝光处理降低了草莓叶片叶绿素的含量,这与本研究结论相反,其原因可能是不同物种或品种叶绿素含量对补充光质处理的反应存在较大差异,也可能与光质的实现条件不同有关。

另外,本研究采用人工补光的方法对于提高设施内‘春雪’桃和‘中油4号’桃叶片质量有显著的效果,并且能够增加叶片干物质的积累。有研究表明[29],补充蓝光提高了温室黄瓜叶片的叶面积(有助于叶片对光的吸收),并且补充蓝光使干物质产量升高,这一结论与本研究的结果一致。Andrew 等[30]认为蓝光能够增加叶片厚度,这恰好与本研究中补充蓝光处理的‘春雪’桃和‘中油4号’桃叶片厚度显著高于其他处理的结论一致。

综上所述,不同光质补光处理可以有效改善设施内桃果实的外在和内在品质、果实的酚类物质含量以及桃叶片的品质,且不同补光处理的效果存在明显差异。与对照相比,蓝光补光处理设施桃果实的单果重、可溶性糖含量和维生素C含量均最高,紫外光补光处理也明显提高了桃果实中酚酸类物质含量。从提升桃果实品质角度考虑,建议采用蓝光植物生长灯进行人工补光;从增加果实酚类物质含量的角度来看,建议采用紫外植物生长灯进行人工补光。