采后不同光照预处理对雾培马铃薯原原种中SGAs含量、绿变程度及发芽率的影响

张敏敏,裴怀弟,朱天地, 陈 琛,李守强

(1.甘肃省农业科学院 生物技术研究所,兰州 730070;2.甘肃省农业科学院 农产品贮藏加工研究所,兰州 730070)

马铃薯(SolanumtuberosumL.)是茄科1 a生草本植物,具有营养丰富、适应性强、高产稳产等特点,是全世界重要的粮食作物之一[1-3]。近年来,随着中国新型粮食战略和农业供给侧结构性改革的实施及马铃薯主粮化战略的持续推进,中国马铃薯的种植面积和产量均大幅增加[4-5],并成为中国重要的粮、菜、饲、药兼用作物,在保障粮食安全和社会经济发展中发挥着重要的作用[6]。

雾培马铃薯原原种是通过雾培法生产的高质量马铃薯脱毒原原种,雾培法生产马铃薯原原种,具有生产自动化程度高、成本低、效率高的特点,近年来被广泛应用于马铃薯原原种的生产[7],但该方法所生产的种薯由于长期生长在封闭保水的空间内,致使块茎含水量高,表面皮孔较大,在采后贮藏期间极易失水、染病,影响种薯品质[8]。因此,提高雾培马铃薯原原种的贮藏品质对确保种薯质量及马铃薯产业的发展具有重要意义。

糖苷生物碱(Steroidal glycoalkaloids,SGAs) 作为一类重要的植物次生代谢产物,主要存在于茄科(Solanaceae)和百合科(Liliaceae)植物中[9-12]。马铃薯中的SGAs也叫龙葵素,主要由α-茄碱(α-solanine)和α-卡茄碱(α-chaconine)组成,占SGAs总量的95%以上[13-16],是一种有苦味的毒性淄类生物碱。Molner等[17]和Barceloux[18]的研究表明,若按体质量口服一定含量的SGAs会引起严重中毒反应甚至死亡。但正常情况下,马铃薯中SGAs含量非常低,不会导致人中毒,只有在马铃薯生长、贮存过程中发生创伤、发芽、虫蛀、腐烂、干旱等胁迫或在其幼嫩组织中,SGAs会急剧增加[14,19-21]。因此,相关研究表明植物产生SGAs是为了抵抗外界环境中病虫害等的侵袭,其含量与植株的抗逆性有显著相关性[11,22]。如1980年,Sinden等[23]发现马铃薯糖苷生物碱具有抵御昆虫侵袭的作用;Dinkins等[24]、Smith等[25]证明,其不仅对蝗虫和马铃薯象甲具毒性,对软体动物蜗牛的取食也具有驱拒作用;Allen等[26]、Fewell等[27]发现马铃薯糖苷生物碱具有抵御真菌侵染的作用,Andrivon等[28]进一步证明,其含量与其晚疫病和软腐病发病率呈显著负相关;Bejarano等[14]对处在干旱胁迫条件下不灌溉处理的马铃薯块茎糖苷生物碱含量进行测量,发现其显著高于灌溉对照;Koffi等[20]对转绿、发芽、腐烂的马铃薯糖苷生物碱含量进行测定,糖苷生物碱含量均显著增高;Nahar等[21]的研究表明,机械损伤也能显著提高马铃薯块茎糖苷生物碱含量。因此,SGAs对提高马铃薯的抗逆性具有重要意义。

目前,关于马铃薯SGAs的研究主要集中在致毒机理、病虫害防治、医药开发等方面[4,11,16],而其对种薯萌发的影响研究较少,有研究表明马铃薯发芽后其幼芽和芽眼部分的SGAs含量激增[29],也有研究表明马铃薯SGAs合成PGA1、PGA2与16DOX基因的低表达在降低龙葵素表达同时阻碍了马铃薯块茎萌芽[30-31],但SGAs含量的增加对马铃薯萌芽的影响效果,却鲜有报道。根据Haddadin等[32]的研究,光照时间、光照度均会影响块茎中SGAs的含量,因此本试验设置不同光照条件对雾培马铃薯原原种进行贮藏前预处理,研究光照对雾培马铃薯原原种SGAs含量及发芽率的影响,探究SGAs含量与薯皮绿变程度的关系,以期通过控制贮藏前预处理条件,改善种薯抗逆性品质,提高发芽率,为雾培马铃薯原原种的采后预处理提供科学依据,并探索通过判断原原种的薯皮绿变程度达到快速判断种薯光照预贮处理完成情况的可行性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选择由定西马铃薯研究所采用雾培法生产的‘大西洋’马铃薯原原种为试验材料,尽量保持一致的生长条件和收获期,选择大小一致、无破损和无腐烂的种薯。

1.2 试验处理

根据前期研究筛选出原原种适宜的预贮温度为20 ℃,在该温度条件下,保持相对湿度为75%±5%。参照Yamaguchi等[33]光照度的设置并作适当调整,设定3个光照度:1 000 lx、6 000 lx、 12 000 lx,光源为功率为60 W的LED灯,同时设置黑暗预贮和室温散射光预贮,将供试验原原种放入上述条件的环境中,依次在第0天、第3天、第6天、第9天、第12天、第15天、第18天,分别取样测定叶绿素(叶绿素a和叶绿素b)、SGAs糖苷生物碱(α-茄碱和α-卡茄碱)、薯皮色度(a*值)、失重率,然后将不同光照处理种薯放入3～5 ℃冷库中贮藏,待休眠期结束后在室温条件下进行发芽率和芽长测定(表1)。

表1 不同处理温光设置

1.3 测定指标与方法

1.3.1 失重率 每个处理(D、S、L1、L6、L12)各随机取30粒种薯,分别称量记录原始质量,并依次与处理后第3天、第6天、第9天、第12天、第15天、第18天再称量,计算失重率。

1.3.2 表皮叶绿素含量 参照赵世杰等[34]的方法,略有改动。准确称取2 g样品,加入15 mL 95%的乙醇,静置浸提12 h,过滤到25 mL的棕色容量瓶中,使用95%乙醇洗涤滤纸及滤渣直至无绿色,滤液全部洗入容量瓶中,最后用95%乙醇定容摇匀。分别测定提取液在665 nm和649 nm下的吸光度,计算叶绿素含量。

1.3.3 表皮颜色 马铃薯表皮颜色测定采用CR-400色差计进行测定。每个处理随机选取10个马铃薯,在每个马铃薯上均匀找出3个点测定表皮的L*(亮度)、a*(红和绿)与b*(黄与蓝)的值,每3天测定一次,a*值表示从绿(-a)到红(+a),a*值越小,表示马铃薯表皮绿变程度越高[35]。

1.3.4 SGAs含量 用5%的乙醇作为提取剂,HPLC法进行测定,色谱条件参照肖文军等[36]的方法。样品提取:称取马铃薯薯皮样本约0.5 g,加入1 mL 5%的乙酸水溶液,研磨仪研磨成浆,超声提取1 h,离心取上清,加入0.5 mL 5%乙酸水溶液复提1次,合并两次上清液,用NaOH溶液调节pH至碱性,正丁醇萃取3次,合并正丁醇相,氮吹吹干,甲醇定容至0.2 mL,针头式过滤器过滤后待测。

1.3.5 发芽率和芽长 经不同光照预贮前处理的雾培马铃薯原原种贮存于种薯正常环境下度过休眠期后,分别于第0天、第3天、第6天、第9天、第12天、第15天、第18天测定马铃薯发芽率(以块茎第1个芽长达2 mm为发芽标准)和芽长,芽长用游标卡尺测量。

1.4 数据处理

采用DPS7.05、SPASS25.0和Datagraph4.6软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同光照处理对雾培马铃薯原原种预贮期失重率的影响

如图1所示,随着预贮处理时间的增加,不同光照处理下的雾培马铃薯原原种的失重率均逐渐增加;黑暗处理下(D)的种薯失重率最低,散射光(S)处理下次之,均低于其他光照组(L1、L6和L12)处理;光照处理组L1、L6和L12随着光照增强的增加,失重率在整个处理阶段基本保持L12>L6>L1的趋势;且同一处理时期,光照组S、L1、L6、L12与黑暗组D相比均存在显著差异 (P<0.05),而光照组之间无显著差异。

同一时间下不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同

黑暗处理的种薯由于预贮在纸箱中,薯块周围的空气流速降低,其蒸腾速率下降,能较好地保持种薯的水分,因此黑暗贮藏的种薯(D)失重率最低。光照处理中,散射光(S)失重率最低,说明相较于散射光,直射光更易促进马铃薯种薯失水,且光线越强失重率越高。这可能是光照增强了马铃薯的呼吸作用,促进了物质的转化。

2.2 不同光照处理对雾培马铃薯原原种预贮期间叶绿素含量的影响

如图2所示,随着预贮处理时间的延长,不同光照处理下(S、L1、L6、L12)种薯块茎表皮的叶绿素含量均呈现上升趋势,黑暗条件下(D)预贮的种薯表皮叶绿素含量整体趋势变化不大,薯皮没有发生绿化现象,这可能是因为黑暗条件下无法进行光合作用而产生叶绿素,黑暗处理的叶绿素含量比初始含量略有降低,可能是因为取样具有随机性的影响。

图2 不同光照处理的雾培马铃薯叶绿素含量

从光照第3天开始,同一处理时期叶绿素含量均呈现出光照组S、L1、L6、L12大于黑暗组D的趋势,差异显著(P<0.05),且随着光照度的增强叶绿素含量呈增高趋势(D

2.3 不同光照处理对雾培马铃薯原原种预贮期间薯皮色度的影响

由图3可知,随着光照度的增大和处理时间的延长,光照处理组(L12、L6、L1)及散射光S处理组的a*值均呈下降趋势(a*值越低绿变程度越高),薯皮绿变程度加大。预贮处理前6天,L12、L6、L1、S组的a*值均大幅度下降,与D组相比差异显著(P<0.05);L6与L12下降幅度接近,差异性不显著。第6天后,L6的a*值下降速度则低于L12,下降趋于平缓,但差异性仍不显著。从整体处理过程看, L12的a*值下降幅度最大,从7.39降低至0.30,L6、L1、S组依次低于L12;黑暗处理(D)的a*值变化不明显,预贮处理第18天,a*值始终在7.31与8.03之间浮动,但无明显变化趋势,这可能是因为测定a*值时种薯选择的随机性而导致的差异。基于Lab表色系统对雾培马铃薯薯皮色度变化进行了动态模拟,如图4所示。可较为直观地看到光照度及光照时间对雾培马铃薯薯皮色度变化的影响,便于对生产应用中的种薯薯皮色变给予更直观的指导和判断。

图3 不同光照处理的雾培马铃薯薯皮色度a*值

图4 不同光照处理的雾培马铃薯薯皮色度

2.4 不同光照处理对雾培马铃薯原原种预贮期间SGAs含量的影响

由图5可知,随着预贮光照时间的延长,所有处理组SGAs含量均为整体上升趋势,同一处理时期,L12、L6组较其他处理组含量增加明显,差异显著(P<0.05);处理第6天,L12、L6组SGAs含量分别比其初期值增加了78.7%、57.8%,其他处理组SGAs增量均在35.1%以下;处理第12天,L12、L6组SGAs含量均比初始值增加约100%左右,L12组增加量略大于L6组; L1组SGAs含量在处理至第15天时,比初始值增加了108.2%;其他2个处理组S、D随着处理时间的推进,SGAs含量均大于初期含量,且S组总体含量大于D组,但两组直至处理结束时,SGAs含量比初始值的增加量均低于100%。

由此可见,光照度会影响种薯块茎中SGAs的生成,且直射光的影响大于散射光,光照度越大,预贮时间越长,种薯块茎中SGAs含量增加越多;黑暗预贮的SGAs含量增幅均低于光照处理组,但总体仍呈上升趋势,也就是说马铃薯块茎在黑暗条件下贮藏后,其SGAs含量相比贮藏前也会有所增加,这与Machado等[37]的研究结果一致。试验期间,有些处理组种薯中的SGAs含量整体呈现出上升趋势,但在有些取样点会出现忽高忽低的波动现象,可能是由于种薯块茎个体差异和取样不均匀所导致的。

2.5 不同光照处理对雾培马铃薯原原种发芽率和芽长的影响

由图6和图7可知,经不同光照度处理的雾培马铃薯原原种度过休眠期后,所有处理组的发芽率和芽长均随着时间的增加而呈上升趋势;同一观测时间下,随着光照度的增加,发芽率和芽长均呈现先升高再降低的趋势。与其他处理组相比,L6处理组在所有处理中的发芽率和芽长均稳居最高,且在发芽初期发芽率优势明显,与其他处理组差异显著(P<0.05);第9天时发芽率优势逐渐缩小,各处理组之间没有明显差异;至第9天时,L6组的发芽率达90.67%,比D组 (74.67%)、S组(78.67%)、L1组(84.67%)和L12组(75.33%)处理的发芽率分别提高 21.43%、 15.25%、7.09%和20.36%;第18天时L6组发芽率达99.33%,仍然优于其他处理组。且同一观测时间下,L6组的芽长均大于其他处理组,发芽第9～12天时差异性显著(P<0.05)。说明L6组处理有利于提高雾培马铃薯原原种的发芽率。

图7 不同光照处理的雾培马铃薯芽长

2.6 相关性分析

根据光照处理对雾培马铃薯种薯发芽率及芽长的影响,发现经过不同光照预贮处理下的种薯,在同一观测时间 L6处理组的发芽率及芽长均具有较为明显的优势,处理第9天,发芽率达到 90.67%,处理第18天,发芽率接近100%,显著高于其他处理。因此在实际生产中可利用L6组(6 000 lx)光照对雾培马铃薯原原种进行预处理,以提高种薯发芽率及发芽整齐度。

为了进一步探究各指标对原原种发芽率的影响,表2对经L6光照预处理组的雾培马铃薯各指标进行两两变量间的相关分析,发现发芽率和叶绿素含量呈极显著相关性,相关系数0.968 (P<0.01), 发芽率和SGAs含量呈显著相关,相关系数0.845(P<0.05),叶绿素和SGAs含量呈极显著相关,相关系数0.929(P<0.01)。这说明,经过L6条件预贮处理的雾培马铃薯,随着叶绿素和SGAs含量的变化,可显著影响其发芽率的变化,并呈现正相关趋势。为了进一步探究SGAs含量与叶绿素含量对发芽率的影响,表3对经黑暗预贮处理的D组进行了相关性分析,发现发芽率与叶绿素含量并无显著相关,但与SGAs含量呈极显著正相关,相关系数0.894 (P<0.01)。由此可说明,SGAs含量是影响马铃薯发芽率的因素之一,其与发芽率、芽长呈正相关,这与霍权恭等[29]的试验结论一致。而L6组表现出叶绿素含量与发芽率的正相关,可能是光照在促进SGAs含量积累的过程中,也加速了叶绿素的合成。

表2 各指标间相关性分析(L6处理组)

表3 各指标间相关性分析(D处理组)

3 结 论

雾培法作为一种高效生产马铃薯脱毒微型薯的新方法,采用其方法生产的种薯品质对全国马铃薯种薯产业的健康发展具有非常重要的作用。本试验结果表明:①通过对各预贮处理组发芽率、芽长的观测,发现各处理组雾培马铃薯原原种度过休眠期后,发芽率和芽长均随着时间的增加而呈上升趋势,但经L6(6 000 lx)光照预贮过的雾培马铃薯原原种相较于其他处理组,发芽率和芽长均具有明显优势,因此该条件可作为提高雾培马铃薯种薯发芽率、增强雾培马铃著种薯品质的预贮处理条件。②对L6处理组(表2)、D处理组(表3)各指标进行相关性分析发现,SGAs含量与雾培马铃薯原原种的发芽率、芽长呈显著正相关,提高SGAs含量可促进种薯发芽率和芽长的增长,由于是初步的试验结果,今后还需做进一步的试验验证。同时,对比不同处理组SGAs含量和发芽率的关系,发现D 、S、 L1 、L6、L12处理组中的SGAs总含量依次呈现由低到高的趋势,同时D 、S、 L1 、L6处理组的发芽率也对应呈现出依次升高的趋势,但L12组发芽率却明显低于L6和L1处理组,这可能是L12组预贮处理后失重率高,影响了种薯发芽率,通过表2、表3相关性分析也可发现发芽率与失重率呈现极显著负相关,这与上述推断相符合。同时,根据王宇[38]研究不同浓度SGAs含量对种薯发芽的影响,结果表明高浓度的SGAs含量反而抑制了种薯的发芽,这也与本试验结果相吻合。③通过设置不同光照条件对雾培马铃薯原原种SGAs含量和叶绿素含量的分析发现,各处理组随着预贮时间的延长,SGAs和叶绿素含量均呈现上升趋势,但黑暗处理组的SGAs和叶绿素含量明显低于光照处理组(S、L1、L6、L12),且直射光处理组(L1、L6、L12)的影响作用明显强于散射光处理组(S),而直射光处理组(L1、L6、L12)也呈现出随着光照度的增加,其SGAs和叶绿素含量增加趋势越明显。因此,在实际生产中可通过设置不同光照条件对种薯进行预贮处理,增加SGAs含量,以提高种薯发芽率。④根据图4中不同光照预贮处理下薯皮色度的变化动态图,可以直观看出随着光照时间、光照度的改变,薯皮色度绿变明显,这与图2、图3中所测得的叶绿素含量及a*值的变化趋势一致,且通过表2相关性分析,SGAs含量与叶绿素含量呈极显著正相关,相关系数0.929(P<0.01),与a*值呈显著负相关,相关系数-0.766(P< 0.05),即随着SGAs含量的增加,种薯叶绿素含量也呈现出增加趋势,绿变加强。因此,在对雾培马铃薯原原种进行光照预贮的实际应用中,可以参照图4中薯皮色度绿变情况,判断光处理效果,以达到通过薯皮绿变程度判断SGAs含量,快速评估种薯光照预贮处理完成情况的目的。