Hans Journal of Agricultural Sciences
Vol. 09  No. 11 ( 2019 ), Article ID: 32830 , 8 pages
10.12677/HJAS.2019.911139

Research Progress of 10 Elements Involved in Ginger Growth and Quality Formation

Chunyan Xiong, Yong Zou

College of Forestry and Life Sciences, Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing

Received: Oct. 15th, 2019; accepted: Oct. 30th, 2019; published: Nov. 6th, 2019

ABSTRACT

Ginger, as an important medicinal and edible vegetable, has been cultivated in China for a long time in terms of area, yield and export volume. Various elements have been proved to play an important role in the growth and quality of ginger. In this paper, the role of elements in ginger has been studied for many years, in order to provide some references for the research on the variety breeding, quality upgrading and molecular mechanism of element action of ginger.

Keywords:Elements, Ginger, Growth, Impact

10种元素参与生姜生长发育与品质形成的研究进展

熊春艳,邹勇

重庆文理学院园林与生命科学学院,重庆

收稿日期:2019年10月15日;录用日期:2019年10月30日;发布日期:2019年11月6日

摘 要

生姜作为一种重要的药食两用型蔬菜,在我国种植面积、产量、出口量长期以来一直保持在世界首位。多种元素已被证实对于植物的生长元素对于生姜的生长发育、品质形成具有极为重要的作用。本文通过对多年来,元素在生姜中的作用研究进行梳理,以期为生姜的品种繁育、品质提档升级、元素作用分子机理研究提供一些参考。

关键词 :元素,生姜,生长,影响

Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

生姜(Zingber officinale Rocs)别名黄姜、姜根、百辣云、勾装指、因地辛 [1],原产中国及东南亚热带地区,目前其种植面积分布于热带与亚热带区域 [2]。生姜喜温不耐寒,要求土壤的含水量大、需肥量大,且生长周期长,生长周期6~8个月,一般霜降前收获 [3]。它作为卫生部门第一批公布的药食两用植物资源,在国内种植面积广泛,在食品、医学、护肤品等多个行业应用被广泛运用 [4],给国内乃至世界都带来了巨大的经济效益。

2018年,中国的生姜种植面积达到448万公顷,比2017年增加16.97%;2018年10月,生姜产量846万吨,比2017年减少5.26%,质量差,优质产品比例较低 [5]。造成生姜产量下降的原因有多种,如气候、品种、病虫害等,而根据植物学原理,植物生长过程中若某种元素缺乏时,便会影响植物吸收利用其他元素,对植株有着不同程度的危害,从而限制产量以及品质的提升 [6]。为了提高生姜的产量和品质,从而拔高生姜的市场竞争力,本文将以往研究得出的营养元素对生姜生长状况的影响,为后续生姜的种植提供一些参考。

2. 促进叶片生长的元素

2.1. 硫(Sulfur)

硫参与植株生长中多项生理历程,是一些氨基酸、金属辅助因子、辅酶和次级代谢产物的组成元素 [7]。在缺硫情况下,植物诱导表达根中的硫酸盐转运系统,用于增加硫酸盐的汲取和根–茎转运途径 [8]。有研究表明在黑暗下,不同外源H2S供体在处理拟南芥时,对叶绿素和脱镁叶绿酸a的降解有较明显抑制作用,但是却显著提高SAG12、SAG20和SEN4衰老标志基因的表达,从而加速叶片的衰老进而加速叶片细胞死亡 [9]。硫肥对于农作物有一定的增产效果,如耿计彪在实验中发现硫肥可显著提高小油菜鲜重 [10],吴萍萍等人在生姜的生长探究中也得出了同样的结论,其研究还表明氮、硫的合理配有利于改善生姜品质,同一施氮量下,增施硫肥可明显提高还原糖、还原型Vc、姜辣素和姜精油含量,但施硫处理与不施硫处理各指标之间的差异大多未达P = 0.05显著水平。 [11]。在同年科研人员对于安丘生姜的研究中还发现生姜增施硫肥可以在一定程度上改善其生育性状、叶色茎秆、后期早衰等状况 [12]。

2.2. 铁元素(Iron)

铁元素是地球上发现最早的作为人体新陈代谢所必需的氧化还原辅助因子微量元素之一 [13],在生长增殖及转化转导等方面具备重要影响 [14],而在植物中,铁元素参与叶绿素的形成,一部分由铁螯合转运蛋白OsYSL9转运 [15],在植物体内以多种形式与蛋白质结合,作为催化剂或重要的电子传递体广泛参与生命活动进程。铁缺乏时的反应受转录因子介导的转录网络和泛素连接酶对关键因子的蛋白质水平修饰的调节 [16],如烟草(N. tabacum)分泌香豆素和黄素以应对缺铁,并且NtPDR3通过介导O-甲基化香豆素分泌至根际 [17]。陈新 [18] 测量出市售生姜中微量铁元素的含量为18.48 μg/g,相对于常见的调味料大蒜来说,含量更为丰富,人体可将其作为补充铁元素的食补资源 [19],而植株缺铁失绿可导致生长停滞,严重时可导致死亡。近年来有研究表明铁最佳施肥量为55.73 kg/667m2,合理的铁微量元素可以明显改善生姜的生物学性状,增加生姜的分枝数、株高,进而提高生姜的经济学和生物学产量 [20]。

2.3. 氮元素(Nitrogen)

氮是一种常量营养素,对最佳植物生长和种子产量至关重要 [21],尽管N在空气中以高浓度(78%)存在,但动物和大多数植物不容易获得,然而,植物能通过生物固氮作用从土壤中摄取硝酸盐(NO3−)和铵(NH4+)离子,并将它们转化为氨基酸和蛋白质,这是所有动物氮元素的极好来源 [22]。氮素是构成叶绿素和蛋白质的重要成分,因此必须要有足量的氮素来满足代谢的要求,叶片才能进行光合作用 [23]。在低氮胁迫下,小叶杨(Populus simonii Carr)的根产生响应,导致净光合速率,叶绿素含量和总干重降低 [24]。吴萍萍等研究人员指出,随施氮量的增加,不同生育期茎和叶的干物质量均随之增加 [25]。氮肥对生姜根茎产量及安全品质有明显的影响:合理施氮能显著提高其蛋白质、维生素C、糖分和姜精油占比,有效抑制亚硝酸盐及硝酸盐含量 [26] ;但氮肥配施过多,会导致养分向根茎的分配率减低,造成产量下降 [27]。

3. 促进茎秆生长的元素

3.1. 硅(Silicon)

硅可以赋予植物对非生物和生物胁迫的抗性 [28],例如在水稻ASA(有机砷酸阿萨酸)解毒中硅起关键作用 [29],通过调节抗氧化防御和乙二醛酶系统也证明了硅对镉(Cd)胁迫的油菜植物的保护作用 [30]。Zhang GQ等人研究了硅对莱芜大姜品种的影响中表明随着硅水平的增加,叶Mg2+-ATP-Pase和Ca2-ATP酶活性增加,光合效率(Pn)和水分利用率(WUE)随之增加,蒸腾速率(Tr)下降 [31]。硅元素对生姜植株的株高、茎粗、分枝数和叶片数的增加起很大作用,因而生姜对硅的需求量较大,有研究得出生姜增施硅肥,能显著提高生姜生长势,增加生姜产量。但过量增施硅肥后,会导致生姜减产,一般姜田的硅肥使用量以每80 kg/667m2上下为宜 [32]。而随后便有研究同样证实了硅肥对生姜的重要影响,施用硅肥提高了生姜的生长活力,促使植株吸收更多养分,为产品器官形成奠定了营养基础,从而为产量的增加创造了物质基础 [33]。

3.2. 钙(Calcium)

钙是参与各种细胞过程的通用第二信使,影响植物生长发育和非生物胁迫反应。植物中钙调蛋白(CaM)以及其他植物特异性Ca2+传感器(如钙调蛋白样蛋白(CML),Ca2+依赖性蛋白激酶(CDPK)和钙调神经磷酸酶B样蛋白(CBL))的出现表明植物拥有特定的工具和机器将Ca2+信号转换成适当的响应 [34]。钙信号传导对包括免疫反应在内的环境反应也至关重要 [35],据徐坤 [36] 1993年的研究得出钙在生姜生长过程中主要分配于枝叶及主枝,主要流向侧枝及侧枝叶内。据测算,每生产1000 kg鲜姜约吸收钙元素1.3 kg [36]。而在的研究中进一步表明了钙在其他作物中也有重要作用,党现什 [37] 赵亚飞 [38] 等人在对钙肥对花生的产量及生理特性的影响中指出施钙显著增加主茎高、侧枝长和总分枝数,为最终产量的提高打下基础。目前对于该元素在生姜中的作用机制及影响研究较少,今后可能会对相关的机理进行阐明。

4. 促进姜球膨大的元素

4.1. 磷(Phosphorus)

在低磷情况下,植物根系形态和植物根构型都会受到胁迫 [39]。通常,土壤和叶面磷补充剂不能提供统计学上显著的产量增加 [40]。添加磷肥可以增强蓖麻籽对Cu的抗性,提高植物对污染土壤的Cu提取效率 [41],王馨笙等人研究表明每生产1000 kg生姜根茎产品,吸收P2O5约1.90 kg,相对于N的吸收约4.67 kg、K2O的吸收约7.25 kg来说,需求量较小,但同样不可忽视其在生姜中的重要作用。 [42] 陈奇等人在紫色土条件下配施磷肥,探究其对生姜产量的影响,并运用数学模型进行统计分析得出在试验条件下有增产增收效果 [43]。虽然磷肥等营养物质可以促进作物生长,同时提高土壤肥力,但过量的养分投入会产生弥漫性污染 [44],进而可能降低地表水和地下水的质量 [45]。

4.2. 锌元素(Zinc)

锌是植物生长和发育的必需微量营养素 [46],作为Zn2+离子被植物吸收,可提高植物的抵抗性,增加籽粒含量。在Zn缺乏时,催化叶绿素生成的关键酶基因,包括镁–螯合酶亚基ChlH叶绿体,镁原卟啉IX甲基转移酶叶绿体,在转录组或蛋白质组水平上显示出下调趋势 [47],从而表现为叶片脉间失绿;而锌含量过高则会迫使植物老化,使植物体内正常的生理功能受到抑制 [48]。相对于施用土壤锌,叶面施锌对提高潜在缺锌型钙质土壤中小麦籽粒锌含量有较好的效果 [49],且叶面施用Zn介导植物对盐度的防御反应,归因于更好的抗氧化系统和甘氨酸甜菜碱,脯氨酸,总游离氨基酸和糖的增加 [50]。通过程虎虎等人对安丘市生姜的研究结果表明锌的最佳施肥量2.59 kg/667m2 [20],可达到最高亩产量为6034.5 kg/667m2,相比于没有施锌肥的对照组,有较为明显的增产效果。

4.3. 钾元素(Potassium)

钾是活细胞的必需常量营养素,是细胞质中最丰富的阳离子,然而土壤钾素的有效性非常低且可变 [51]。钾缺乏的典型症状为萎黄或枯萎坏死,伴随着光合作用下调和叶水运输受损而伴随发生 [52]。在植株生长过程中,钾的缺乏或过量还会制约对氮的吸收和利用,配施适当的钾可以促进其根系发育,提高硝酸还原酶的活性 [53]。池培养试验中研究了腐植酸钾对生姜根系生长和活性氧代谢的影响,结果表明施用腐植酸钾可显着提高根系鲜重和根系活力,促进根系生长,延缓姜根的衰老。且根中可溶性蛋白质含量、产量都比对照组呈显著增加 [54]。生姜食用植物部分含有基本上高含量的钾 [55],据李富兰 [56] 等对生姜中钾元素的提取中表明,实验样品中钾元素的含量为4.06 mg/g。而据穆洪海等研究结果看钾肥使用量对于生姜地上茎的影响甚微,但对于生姜的抗病能力和产量来说,足量的钾肥配施却能起着重要作用,其作用机制是能促进养分从地上茎秆部分向根部运转,而根据土壤的肥沃程度,适当调整钾肥的用量,能在一定程度上拔高生姜的抗逆性 [57]。

4.4. 硒(Selenium)

硒被认为是人类健康的必备微量元素 [58],而植物性硒是人体吸收的重要来源之一,目前富硒作物已十分常见如富硒精米 [59] 、富硒大蒜 [60] 等,这些高硒食物可能是硒的良好膳食来源 [61]。硒的生物利用度取决于其在土壤环境中的形态,其主要受土壤pH,氧化还原电位和土壤有机质含量的影响 [62]。而生姜作为日常生活中非常重要的药食兼用的植物,探究硒对生姜成长情况的影响尤为重要,在吕臣浩等人研究表明外源施硒可显著提高生姜各部位硒含量,对生姜的产量也有显著影响。无论是在三叉期还是膨大期,喷施亚硒酸盐或硒酸盐,生姜中硒的转化率均可抵达57%以上,且在喷硒处理下,生姜中还原性糖、维生素C和姜辣素占比均有进步,对生姜产品质量有一定程度改善作用 [63],进而拔高生姜的经济效益。

4.5. 硼元素(Boron)

微量营养素硼对于维持植物细胞壁的结构起重要作用,其作用机制是可以提高细胞壁结合的酚类和木质素含量 [64],是作物物种的高产量的先决条件。硼可以通过扩散或通过主动和便利的运输机制进入植物 [65],有研究表明OsNIP3;1作为硼酸通道且调节芽组织中的硼的正确分布起作用 [66]。硼元素能改善植物生殖器官的生长发育,在花粉萌生和花粉管生长中具有调理作用 [67],促成碳水化合物的合成及运输,抑制蛋白质及叶绿素的合成。植株停止生长是硼缺乏最明显的症状 [68],其次是叶硝酸盐含量的剧烈降低,在这种缺乏条件下,镁,钙,尤其是钾的叶含量也下降 [69]。因此,对于及时合理的对生姜进行补充硼元素尤为重要,对生姜施于微量硼肥的增产效果较没有施于硼肥之间呈极显著差异,且对生姜的株高、叶面积、分支数以及姜球膨大等都有明显促进作用 [70],而由近年有研究显示硼的最佳施肥量为1.98 kg/667m2,可有效增加生姜的亩产量 [20]。

5. 总结

通过多年来研究者们对于营养元素对生姜的影响可以得出氮肥对生姜根茎产量及品质有明显的影响;磷肥、锌肥、硅肥均对生姜有增产增收作用;钾延缓姜根衰老抗病能力和产量;硫肥对于生姜品质有改善,且促进生姜植株生长发育,提高根茎产量;合理的铁微量元素可以明显改善生姜的生物学性状;微量硼肥对于生姜有增产效果,且对株高、叶面积、分支数以及姜球膨大等都有明显促进作用;外源施硒对生姜品质和产量有一定改善作用。合理的运用营养元素可使其产量和品质有较大的提升效果,继而增加升生姜的市场竞争力。本文浅谈了常见的营养元素对于生姜生长过程中的影响,关于更多营养元素对于生姜的影响作用还有待进一步挖掘。

基金项目

国家自然科学基金项目(31701972);重庆市教委科技基金项目(KJ1711270)。

文章引用

熊春艳,邹 勇. 10种元素参与生姜生长发育与品质形成的研究进展
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