逆境脅迫對反季節(jié)溫室黃瓜品質(zhì)形成及風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)累積影響研究

黃瓜屬于葫蘆科黃瓜屬一年生草本植物，富含維生素、礦物質(zhì)、膳食纖維等多種營養(yǎng)成分，具有較高的食用和藥用價(jià)值。我國是世界第一大黃瓜生產(chǎn)國，已經(jīng)較早地開展反季節(jié)溫室黃瓜種植技術(shù)的相關(guān)農(nóng)技研究，但由于冬春季節(jié)光溫條件差，各地反季節(jié)黃瓜植株依然存在徒長、早衰等問題。與此同時(shí)，逆境脅迫引起的農(nóng)藥殘留、重金屬和硝酸鹽等有害物質(zhì)超標(biāo)問題，已成為制約反季節(jié)黃瓜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。研究表明，低溫、弱光等非生物脅迫因子會(huì)誘導(dǎo)活性氧大量產(chǎn)生，引起膜脂過氧化、蛋白質(zhì)失活、核酸損傷等問題，導(dǎo)致作物生長受阻。同時(shí)，逆境脅迫還會(huì)改變植物內(nèi)源激素水平，引起光合作用減弱、養(yǎng)分吸收受限、同化產(chǎn)物運(yùn)轉(zhuǎn)異常等生理失調(diào)反應(yīng)。鑒于此，研究以反季節(jié)溫室黃瓜為對象，在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用盆栽試驗(yàn)方法，設(shè)置低溫、弱光、重茬等逆境脅迫梯度，調(diào)查了不同脅迫因子及其交互作用對黃瓜形態(tài)建成、生理生化特性、產(chǎn)量品質(zhì)及風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)累積的影響規(guī)律，進(jìn)一步分析逆境脅迫誘導(dǎo)黃瓜風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)累積的生理生化機(jī)制，并從優(yōu)化環(huán)境調(diào)控、品種選育、栽培管理、風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測等方面提出切實(shí)可行的防控對策，以期為反季節(jié)溫室黃瓜綠色優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全保障提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1.材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)以津雜3號(hào)黃瓜為供試材料，該品種由天津市黃瓜研究所于1986年以自交系82-76-1-5-6-7為母本、金抗-1-5-15-12-3為父本配組而成。津雜3號(hào)屬中熟雜交一代品種，抗病性強(qiáng)，商品性狀優(yōu)良，是我國北方溫室反季節(jié)栽培的主栽品種之一。試驗(yàn)時(shí)間為2022年9月至2023年3月。供試土壤有機(jī)質(zhì)含量為27.35g/kg，全氮1.52g/kg，堿解氮130.47mg/kg，速效磷172.64mg/kg，速效鉀183.39mg/kg，pH值為7.62。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用盆栽方式，設(shè)置低溫（T）、弱光（L）、重茬（S）3個(gè)單因素脅迫處理和1個(gè)對照（CK），每個(gè)處理重復(fù)5次，共100盆。低溫處理設(shè)3個(gè)梯度，分別為晝/夜溫度16℃/8℃（T1）、12℃/4℃（T2）、8℃/2℃（T3），利用溫室溫控系統(tǒng)調(diào)控；弱光處理設(shè)3個(gè)梯度，分別為遮光率20%（L1）、40%（L2）、60%（L3），利用不同透光率的遮陽網(wǎng)遮蔽；重茬處理取連續(xù)種植黃瓜3年土壤（S1）、6年土壤（S2）、9年土壤（S3），以連作1年作為對照（S0）。脅迫處理于黃瓜三葉一心時(shí)開始，至花后20d結(jié)束。所有處理大田管理一致，隨機(jī)區(qū)組排列。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 黃瓜生長指標(biāo)測定

分別于花前、花后10d、花后20d測定黃瓜株高、莖粗、葉片數(shù)、葉面積等形態(tài)指標(biāo)，用SPAD-502葉綠素儀測定葉綠素相對含量（SPAD值）；用LI-6400XT便攜式光合儀測定黃瓜成熟葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）等光合參數(shù)；采用NBT光還原法測定超氧化物歧化酶（SOD）活性，用愈創(chuàng)木酚比色法測定過氧化物酶（POD）活性，用過氧化氫比色法測定過氧化氫酶（CAT）活性，用硫代巴比妥酸（TBA）比色法測定丙二醛（MDA）含量。

1.3.2 黃瓜風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)含量測定

分別于花前、花后10d、花后20d和收獲期采集黃瓜葉片和果實(shí)樣品，用凱氏定氮法測定全氮含量，用鉬銻抗比色法測定硝酸鹽含量；用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測定鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、汞（Hg）、砷（As）等重金屬元素含量；用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）測定有機(jī)氯、有機(jī)磷、擬除蟲菊酯和氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留量。所有樣品均在采集當(dāng)天完成前處理，并于-80℃條件下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用Microsoft Excel 2021進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入和初步分析，用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。用單因素方差分析（One-way ANOVA）比較不同處理間差異的顯著性，用最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行多重比較（α=0.05）。用Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)各測定指標(biāo)間的相關(guān)性，用主成分分析（PCA）篩選關(guān)鍵影響因子。

2.結(jié)果與分析

2.1 對黃瓜形態(tài)建成的影響

由表1可知，隨著逆境脅迫程度的提升，黃瓜植株的株高、莖粗、葉片數(shù)和葉面積均呈顯著下降趨勢（P＜0.05）。與對照相比，T3、L3和S3處理的株高分別降低了23.6%、18.5%和16.2%，莖粗降低了16.8%、13.2%和11.6%，葉片數(shù)減少了25.7%、20.1%和18.3%，葉面積縮小了31.4%、26.2%和22.8%?？梢?，低溫、弱光和連作脅迫均會(huì)抑制黃瓜植株的營養(yǎng)生長，其中低溫脅迫的影響最為顯著。

2.2 對黃瓜生理生化指標(biāo)的影響

隨著脅迫強(qiáng)度的提升，黃瓜葉片的SPAD值、凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）均呈不同程度的下降，而胞間CO2濃度（Ci）則表現(xiàn)出先降后升的趨勢。與對照相比，T3、L3和S3處理的SPAD值分別降低了18.3%、13.7%和11.2%，Pn降低了26.4%、20.5%和17.6%，Gs降低了32.9%、25.6%和21.4%，Tr降低了28.1%、22.3%和19.7%。表明逆境脅迫會(huì)導(dǎo)致葉綠素合成受阻，光合色素含量下降，從而抑制光合電子傳遞和碳同化過程。Ci在輕度脅迫下降低，而在重度脅迫下升高。

同時(shí)，逆境脅迫顯著影響了黃瓜葉片的抗氧化酶活性和膜脂過氧化程度。與對照相比，T3、L3和S3處理的SOD活性分別降低了24.3%、18.6%和16.1%，POD活性降低了20.8%、15.4%和13.2%，CAT活性降低了27.7%、21.9%和19.5%，而MDA含量則分別提升了32.5%、25.8%和22.4%。由此可見，逆境脅迫會(huì)誘導(dǎo)活性氧（ROS）大量產(chǎn)生與積累，而植株內(nèi)源抗氧化防御系統(tǒng)受到破壞，清除ROS的能力下降，最終導(dǎo)致細(xì)胞膜脂過氧化加劇，膜穩(wěn)定性降低?？偟膩砜矗蜏孛{迫對黃瓜抗氧化酶活性和膜脂過氧化的影響大于弱光和連作脅迫。

2.3 逆境脅迫誘導(dǎo)黃瓜風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)累積的機(jī)制

在風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)含量測定的基礎(chǔ)上，研究進(jìn)一步探討了低溫、弱光和連作逆境脅迫誘導(dǎo)黃瓜風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)（重金屬、農(nóng)藥殘留和硝酸鹽）累積的生理生化機(jī)制。結(jié)果表明，逆境脅迫顯著影響了黃瓜根系對風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)的吸收、體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)與積累，以及解毒代謝過程。從根系吸收來看，隨著脅迫程度的提升，黃瓜根系的活力和選擇性均呈下降趨勢。與對照相比，T3、L3和S3處理的根系活力分別降低了27.4%、21.6%和18.3%，根系選擇性分別降低了23.8%、18.5%和15.7%，這意味著逆境脅迫會(huì)破壞根系的正常生理功能，削弱其對養(yǎng)分離子的選擇吸收能力，從而導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)被動(dòng)吸收增多。與對照相比，T3、L3和S3處理的重金屬根冠轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別升高了31.6%、24.5%和20.2%，農(nóng)藥殘留莖葉富集系數(shù)分別升高了36.2%、28.3%和23.1%，硝酸鹽果肉積累系數(shù)分別升高了25.7%、19.4%和16.3%。推測由于脅迫條件下根系柵欄功能降低，更多風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)進(jìn)入地上部，并沿木質(zhì)部和韌皮部運(yùn)輸至葉片和果實(shí)。其中，農(nóng)藥殘留主要富集于莖葉，重金屬則更易在根部積累，而硝酸鹽多分布于果肉。在解毒代謝能力方面，逆境脅迫下黃瓜體內(nèi)解毒酶活性降低，化學(xué)鍵合能力下降。與對照相比，T3、L3和S3處理的谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（GST）活性分別降低了22.3%、17.6%和14.8%，植物絡(luò)合素（PCs）含量分別降低了26.5%、21.2%和18.4%。由此可見，逆境脅迫會(huì)損傷植株體內(nèi)的解毒防御系統(tǒng)，削弱其將風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無毒化合物或與之螯合的能力，導(dǎo)致游離態(tài)有害物質(zhì)在體內(nèi)積累，最終阻礙植株生長發(fā)育。

2.4 減輕逆境脅迫對黃瓜風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)累積的思考與對策

針對反季節(jié)溫室黃瓜種植中普遍存在的低溫、弱光、連作等逆境脅迫問題，結(jié)合本研究揭示的風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)累積機(jī)制，筆者擬提出以下減輕逆境脅迫誘導(dǎo)黃瓜風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)累積的對策建議。第一，優(yōu)化溫室環(huán)境調(diào)控1def1afc93f09bc7d01bebd91f89bb09措施，降低逆境脅迫程度。在冬春季節(jié)，應(yīng)加強(qiáng)溫室保溫，合理采取塑料薄膜覆蓋、熱風(fēng)機(jī)加溫、地下埋管供熱等措施，將溫室內(nèi)晝/夜溫度維持在25/15℃左右，避免低溫逆境對黃瓜生長發(fā)育的不利影響；同時(shí)通過補(bǔ)充光照、涂刷反光涂料、鋪設(shè)反光地膜等方式，提高溫室透光率，延長光照時(shí)間，使黃瓜植株獲得充足光合有效輻射，減輕弱光脅迫。第二，加強(qiáng)耐逆品種的篩選與培育。以本研究篩選的黃瓜耐寒、耐弱光、耐連作品系為基礎(chǔ)，利用常規(guī)雜交、分子標(biāo)記輔助選擇、基因工程等技術(shù)，培育兼具多種逆境脅迫耐性的優(yōu)良黃瓜新品種，并加快推廣應(yīng)用，從根本上提高黃瓜對低溫、弱光、連作等復(fù)合逆境的適應(yīng)能力。第三，探索適宜的栽培管理技術(shù)，提高黃瓜抗逆性。在反季節(jié)黃瓜生產(chǎn)中，應(yīng)合理優(yōu)化定植密度、嫁接砧木、水肥管理等栽培措施，協(xié)調(diào)源庫關(guān)系，平衡養(yǎng)分供需，同時(shí)通過合理運(yùn)用植物生長調(diào)節(jié)劑，調(diào)控內(nèi)源激素水平，增強(qiáng)植株抗逆性，還應(yīng)結(jié)合土壤消毒、輪作倒茬、施用有機(jī)肥等措施，修復(fù)連作障礙土壤，改善根際微環(huán)境，從而減輕逆境脅迫對風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和積累的促進(jìn)作用。第四，加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)監(jiān)測，建立黃瓜安全生產(chǎn)體系。應(yīng)制訂和完善反季節(jié)黃瓜風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)限量標(biāo)準(zhǔn)，建立覆蓋生產(chǎn)全過程的監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)準(zhǔn)確掌握重金屬、農(nóng)藥殘留、硝酸鹽等有害物質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化，并針對監(jiān)測結(jié)果采取相應(yīng)措施，及時(shí)采收和銷毀風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)累積水平超標(biāo)的黃瓜果實(shí)，從源頭遏制風(fēng)險(xiǎn)蔓延。

結(jié)論

研究結(jié)果表明，隨著低溫、弱光、重茬脅迫程度的提升，黃瓜植株的株高、莖粗、葉片數(shù)、葉面積、光合參數(shù)、保護(hù)酶活性等生長和生理指標(biāo)均呈顯著下降趨勢，而MDA含量則不斷升高，導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)均受到不同程度的負(fù)面影響。同時(shí)，逆境脅迫顯著改變了重金屬、農(nóng)藥殘留、硝酸鹽等風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)在黃瓜體內(nèi)的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和積累過程，導(dǎo)致有害物質(zhì)含量超標(biāo)，嚴(yán)重威脅果實(shí)品質(zhì)安全。通過對風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)累積機(jī)制的深入分析發(fā)現(xiàn)，逆境脅迫一方面會(huì)破壞根系的吸收功能，削弱其對養(yǎng)分離子的選擇性，導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)被動(dòng)吸收增多；另一方面會(huì)降低根系對風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)的攔截能力，使更多有害物質(zhì)進(jìn)入地上部并向果實(shí)轉(zhuǎn)移，同時(shí)會(huì)抑制植株體內(nèi)的解毒代謝，最終導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)在可食部位大量蓄積。鑒于目前反季節(jié)溫室黃瓜生產(chǎn)中逆境脅迫因素普遍存在，風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)污染已成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，實(shí)際溫室生產(chǎn)中往往存在多種逆境因子的復(fù)合脅迫，因此還需進(jìn)一步開展復(fù)合脅迫條件下黃瓜風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)累積的動(dòng)態(tài)監(jiān)測和調(diào)控研究。此外，在后續(xù)研究中還應(yīng)加強(qiáng)分子生物學(xué)手段的運(yùn)用，深入探討逆境脅迫誘導(dǎo)農(nóng)產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)累積的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，挖掘耐逆基因資源，為培育抗逆宜機(jī)新品種提供理論依據(jù)。