李 鵬，姜 丹，龔意輝，陳致印，戴思慧

（1 湖南農(nóng)業(yè)大學園藝學院，湖南長沙 410128；2 湘潭市農(nóng)業(yè)科學研究所，湖南湘潭 411134；3 湖南人文科技學院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學院，湖南婁底 417000）

辣椒（Capsicum anmuumL）原產(chǎn)于拉丁美洲，于唐代末年經(jīng)絲綢之路進入我國，在我國云南、四川、湖南等地進行大面積種植。辣椒作為典型的調(diào)味作物，富含豐富的辣椒素與維生素，其獨特的刺激性味感，使得其成為全世界最受歡迎的調(diào)味料之一，被稱為“紅色藥材”[1]。據(jù)世界作物和經(jīng)濟組織統(tǒng)計，現(xiàn)如今辣椒種植遍布世界各地，年產(chǎn)量可達3700 萬t，帶來了巨大經(jīng)濟效益（約800 億元）[2]。辣椒作為日常蔬菜，果實富含Vc、辣椒素等多種營養(yǎng)物質(zhì)。經(jīng)常食用鮮辣椒可以有效降低冠心病及癌癥的發(fā)病率，并且起到抗氧化衰老的作用[3]。此外，辣椒果實富含豐富的β-胡蘿卜素、鐵、鈣等物質(zhì)，可以有效減少患壞血病、骨質(zhì)疏松等慢性病的風險[4]。

溫度是影響辣椒果實品質(zhì)的重要因素之一，適宜的溫度可以增加植物體內(nèi)物質(zhì)擴散，促進新陳代謝。辣椒性喜溫暖，對溫度反應敏感，≤15℃生長發(fā)育受阻，10℃時光合作用停止，≤10℃會發(fā)生冷害[5]。低溫脅迫下辣椒株高和莖粗增長緩慢，根系的總長度和體積也會減少，干物質(zhì)積累減少，果實的糖積累及其相關(guān)代謝酶活性下降，果實品質(zhì)降低[6]。隨著市場需求的逐漸增加，辣椒反季節(jié)種植開始占據(jù)一席之地，但由于氣候因素帶來的低溫環(huán)境，使得反季節(jié)辣椒在果實品質(zhì)上存在一定的缺陷。因此，選取合適的材料應用于反季節(jié)辣椒栽培領(lǐng)域具有重大意義。近些年，石墨烯憑借優(yōu)秀的傳熱與控溫能力，逐漸從納米材料中脫穎而出，進入人們的視野，石墨烯在蔬菜方面的應用較少。因此，深入研究石墨烯對辣椒生長的影響及其作用機理，對拓展石墨烯應用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2020 年8 月3 日至2020 年12 月10 日，在湘潭市農(nóng)業(yè)科學研究所進行，試驗設(shè)置2 個大棚，大棚規(guī)格為44m×8m，一個大棚內(nèi)3 次重復。設(shè)計了2組處理，懸掛石墨烯和空白對照。辣椒果實生長發(fā)育期共采摘4 次，每個小區(qū)隨機選取生長良好的辣椒進行測定。小區(qū)產(chǎn)量和單株產(chǎn)量均在收獲時進行測定。單果重由分析天平測量。測定辣椒果實Vc、可溶性蛋白、可溶性糖等品質(zhì)指標。

1.2 試驗材料

試驗在湘潭市農(nóng)業(yè)科學研究所蔬菜種苗中心進行，供試作物為辣椒，品種為“豐抗21”，該種子由湖南湘研種業(yè)有限公司培育。該品種具有抗病性強的特點，適合在大棚栽培。懸掛的石墨烯由湖南烯源新材料科技有限公司提供。地膜覆蓋材料由山東億德塑業(yè)有限公司提供，基質(zhì)由山東魯青基質(zhì)提供，漂浮育苗盤由湖南湘暉農(nóng)業(yè)技術(shù)開發(fā)有限公司提供，規(guī)格為120 孔。

1.3 試驗方法

1.3.1 Vc 含量測定。采用鉬藍比色法[7]。將辣椒果實洗凈后置于-80℃液氮保存6h 后，取3g 置于液氮罐中保存，提前將研缽冰浴，將果實樣本置于研缽中研碎，得到的粉末用草酸溶液反復沖洗定容至50mL，此時得到的為Vc 提取液。將提取液靜置20 min 取上清液10mL 1500g 4℃離心10min，得到純凈上清液后，先加入乙酸0.5mL，待其反應30s 后加入濃硫酸1mL，充分震蕩均勻，最后加入鉬酸銨，30℃水浴20min，將紫外分光光度計調(diào)至760nm 處記錄OD 值。

1.3.2 硝酸鹽含量測定。采用分光光度法[8]。稱取液氮冷凍后的辣椒果實樣本2g，置于冰浴研缽充分研磨后，置于20mL 的玻璃試管中，加入10 mL 去離子水，隨后置于水浴鍋中80℃加熱30min，加熱過程中每隔3 min 攪拌1 次。加熱完畢后，置于通風處冷卻至室溫，取上清液10mL，加入5mL 亞鐵氰化鉀和5mL 乙酸鋅溶液，待蛋白質(zhì)與乙酸反應后過濾殘渣，剩余的為硝酸鹽提取液。吸取200μL 提取液于石英比色皿中，加入30μL 氨基苯磺酸顯色，于538nm 處測量其吸光值。

稱取制成勻漿的辣椒樣品5g，加入12.5 mL 飽和硼酸溶液，在沸水浴中提取出硝酸鹽，提取液中加入5mL 亞鐵氰化鉀和5mL 乙酸鋅溶液，待其混勻后靜置一段時間，去除沉淀蛋白及脂肪，過濾后取上清液，在弱酸性條件下硝酸鹽與氨基苯磺酸和鹽酸萘乙二胺顯色，于波長538nm 處分光光度法測得硝酸鹽含量。

1.3.3 可溶性蛋白含量測定。采用考馬斯亮藍G-250染色法[9]。取液氮冷凍的辣椒果實3g，加入生理鹽水冰浴研磨，冰浴研磨過程加入液氮以防止蛋白質(zhì)變性，隨后置于冷凍離心機20min，即可得到提取液。取200 μL 上清液于石英比色皿中，加入500μL 考馬斯亮藍G-250，反應30s 后，置于紫外分光光度計595nm 下記錄ΔA1，待反應3min 后，記錄ΔA2，A2-A1 的值帶入標準曲線即可計算可溶性蛋白含量。

1.3.4 可溶性糖含量測定。采用蒽酮法[10]。將辣椒果實洗凈后置于-80℃液氮保存6h 后，取5g 置于液氮罐中保存提前將研缽冰浴，將果實樣本置于研缽中研碎，導入2mL 離心管中，加入1.5mL 去離子水，充分混勻，1500g 離心10min 后，置于沸水中水浴30min，待水浴完成，轉(zhuǎn)移至25mL 容量瓶，清洗燒杯至全部提取液轉(zhuǎn)移。靜置一段時間后，取上清液0.5mL，加入1.5mL 去離子水，震蕩均勻后加入0.5mL 5%蒽酮，待反應顯色后加入5mL 5%硫酸，紫外分光光度計下630nm 處檢測吸光值。

1.3.5 果實產(chǎn)量及品質(zhì)測定。待辣椒果實生長發(fā)育成熟時，全部收獲，記錄懸掛石墨烯和空白對照處理的辣椒的單株果實數(shù)量和單株產(chǎn)量。每個處理重復3 次。用直尺測量縱徑（果實長度），用游標卡尺測量橫徑（果實寬度）。用日本島津分析天平秤測定辣椒果實的單果重。通過橫徑和縱徑計算果形指數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019 進行實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計以及整理，利用Origin 19 進行繪圖處理，利用SPSS 17.0 進行單因素方差分析確定差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 石墨烯對辣椒果實表形的影響

由圖1 可知，石墨烯對辣椒果實在不同時期的果實表形影響的照片，可以清楚地看出，經(jīng)石墨烯處理后，辣椒果實體積及長度均大于對照組，尤其在紅熟期可以明顯看出，經(jīng)石墨烯處理的辣椒果實色澤更加紅潤透亮，形態(tài)筆直。因此，懸掛石墨烯材料可以提高辣椒果實的表形品質(zhì)，贏得更廣泛的市場需求。

圖1 石墨烯對辣椒果實表形的影響

2.2 石墨烯對辣椒果實產(chǎn)量及果形的影響

由表1 可知，比較不同處理下的辣椒單株果實數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，石墨烯處理下辣椒果實產(chǎn)量與對照組差異性不顯著（P＞0.05），分別為2.43 與2.45。單果重石墨烯處理組高于對照組3.08g；單株產(chǎn)量石墨烯處理組高于對照組10.15%，總產(chǎn)量相差不大。從果形指數(shù)上來看，石墨烯處理后的為6.00，略低于對照組處理，但石墨烯處理增加辣椒果實橫徑和縱徑的長度?？傮w來看，石墨烯處理對辣椒果實產(chǎn)量及果形指數(shù)影響不大。

表1 石墨烯對辣椒果實產(chǎn)量及果形指數(shù)的影響

2.3 石墨烯對辣椒果實Vc 含量的影響

由圖2 可知，在果實生長發(fā)育過程中，辣椒果實中Vc 的含量先呈上升趨勢，在破色期后呈下降趨勢，這是由于果實逐漸成熟后，體內(nèi)的相應生理活動消耗了部分Vc。石墨烯處理增加了辣椒果實的Vc 含量，但在果實處于幼果期至綠熟期時，石墨烯處理辣椒的果實Vc 含量與CK 處理間差異并不顯著。直至破色期，石墨烯處理下辣椒果實的Vc 含量達到最高值，為159.65 mg/100g，較CK 處理增加了11.66%。之后開始出現(xiàn)下降趨勢，紅熟期辣椒果實Vc 含量為122.35 mg/100g，但依然高于對照組含量。因此，石墨烯處理顯著提高了辣椒果實Vc 含量（P＜0.05）。

圖2 石墨烯對辣椒果實Vc 含量的影響

2.4 石墨烯對辣椒果實可溶性糖含量的影響

由圖3 可知，在果實發(fā)育期，辣椒果實可溶性糖含量呈上升趨勢。石墨烯處理在整個果實坐果周期內(nèi)可溶性糖含量都呈穩(wěn)定的上升趨勢，直至紅熟期果實完全成熟，達到22.51 mg/g。對照組增長趨勢與處理組相同，也是由最初的8.52mg/g 增長至21.17mg/g，其可溶性糖含量在成熟初期低于石墨烯處理，成熟后期與處理組相近，這可能是辣椒果實自身的可溶性糖含量達到了飽和值的緣故，具體的機理還需要進一步研究。因此，石墨烯處理可以增加辣椒果實在成熟期的可溶性糖含量，但在成熟后期效果不明顯。

圖3 石墨烯對辣椒果實可溶性糖含量的影響

2.5 石墨烯對辣椒果實可溶性蛋白含量的影響

由圖4 可知，不同處理下辣椒果實的可溶性蛋白含量均隨處理時間的延長呈現(xiàn)不同程度的先升高后降低的趨勢。在幼果期至綠熟期內(nèi)，處理組與對照組果實可溶性蛋白含量相差不大，直至破色期，石墨烯處理組可溶性蛋白含量出現(xiàn)大幅增長，由17.54mg/100g提高至62.19mg/100g，而此時的對照組含量僅為34.51mg/100g，其含量接近對照組的2 倍，隨后二者都開始出現(xiàn)下降趨勢?？傮w來看，石墨烯處理辣椒果實中可溶性蛋白質(zhì)含量在4 個時期均高于對照，在成熟期成為明顯。因此，石墨烯處理可以顯著提高辣椒果實可溶性蛋白的含量（P＜0.05），增加植物體內(nèi)新陳代謝速率，提高果實品質(zhì)。

圖4 石墨烯對辣椒果實可溶性蛋白含量的影響

2.6 石墨烯對辣椒果實硝酸鹽含量的影響

由圖5 可知，各處理辣椒果實的硝酸鹽含量隨著果實的生長發(fā)育和脅迫方式的不同呈現(xiàn)不同的趨勢。整體來看，硝酸鹽在辣椒果實內(nèi)呈現(xiàn)較高的水平，基本維持在120mg/kg 以上，石墨烯處理組在整個果實發(fā)育期間與對照組硝酸鹽含量差距不大，在綠熟期至破色期低于對照組，且整個發(fā)育周期內(nèi)果實硝酸鹽含量變化不大，是因外源處理方式無法接觸辣椒果實導致的。因此，可以看出石墨烯處理抑制了辣椒果實體內(nèi)硝酸鹽的含量增長，但效果不顯著。

圖5 石墨烯對辣椒果實硝酸鹽含量的影響

3 討論

目前，國內(nèi)外對石墨烯應用于辣椒栽培領(lǐng)域的研究較少。研究結(jié)果表明，懸掛石墨烯設(shè)備增加了辣椒果實內(nèi)可溶性糖、可溶性蛋白、Vc 等含量，提高了辣椒的體積與產(chǎn)量，這與以往的研究結(jié)果一致。姚東偉[11]研究發(fā)現(xiàn)，番茄成熟期施加氧化石墨烯，能夠有效提高果實Vc 含量，降低硝酸鹽濃度，延長果實保鮮周期。同樣，石墨烯噴施蘋果后可以顯著增加單果體積及重量，增產(chǎn)率可達18%，同時石墨烯促進了蘋果果實內(nèi)花色苷的合成，著色系數(shù)顯著增加[12]。常海偉等[13]提到，低濃度的石墨烯可作為一種細胞生長因子發(fā)揮作用，能夠觸發(fā)細胞分裂和增殖，從而提高果實硬度。Dev A 等[14]用石墨烯納米溶液處理番茄葉片，觀察到了線粒體細胞器的數(shù)量增加，以及充分膨脹淀粉粒在葉綠體中的積累，這可以解釋為光合作用速率的增加，導致碳水化合物以巨大淀粉粒的形式在葉綠體中積累，因此，在植物果實成熟期可以積累大量的碳水化合物。果實細胞中石墨烯能夠促進碳固定碳源，從而誘導糖代謝，使處理的植物果實中的果糖、蔗糖和淀粉逐漸增加。胡曉飛等[15]在樹莓苗期加入外源石墨烯后發(fā)現(xiàn)，石墨烯不僅增加了樹莓的株高，同時也提高了開花坐果率，產(chǎn)量是對照組的1.46 倍。石墨烯不僅能夠促進植株生長，其良好的控溫作用也會增加大棚室溫，為作物生長提供適宜環(huán)境。

4 結(jié)語

針對目前反季節(jié)辣椒低溫脅迫問題，課題組結(jié)合國內(nèi)外研究案例，利用懸掛石墨烯，將石墨烯用于辣椒生長的培養(yǎng)過程。研究記錄了懸掛石墨烯對果實的影響及機理，所得結(jié)論如下：在石墨烯處理條件下，辣椒果實可溶性糖、可溶性蛋白、Vc 含量增加，硝酸鹽含量降低，產(chǎn)量及果形指數(shù)無明顯變化，果實顏色明顯加深，體態(tài)增大。表明懸掛石墨烯有利于提高反季節(jié)辣椒種植的產(chǎn)量及果實品質(zhì)，同時還可以減少生產(chǎn)成本，可為石墨烯薄膜在植物溫室種植領(lǐng)域?qū)嵺`提供一定的技術(shù)理論支撐。