通过整合氧化锌纳米颗粒与糖蜜提升绯红无籽鲜食葡萄品种（葡萄Vitis vinifera L.）产量与果色

《BMC Plant Biology》：Enhancing the yield and berry color of crimson seedless table grape variety (Vitis vinifera L.) via zinc oxide nanoparticles integrated with molasses

　　

摘要 背景：绯红无籽是一种在全球范围内重要的鲜食葡萄品种，因其色泽、市场适销性和营养品质而备受重视。然而，提升浆果着色和生化品质仍然是一个主要挑战，尤其是在波动的环境条件下。在此背景下，纳米颗粒或糖蜜作为天然有机刺激剂的单独应用可能提供一种有效方案。本研究假设，与未处理的对照相比，叶面喷施氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）和糖蜜（单独或组合）能够提高产量、浆果着色和与抗氧化相关的生化参数。实验在连续两个季节（2023–2024年）采用随机完全区组设计（RCBD）进行，每处理包括五株葡萄，评估了单独或与1.5 cm3L?1糖蜜联合喷施的10、50和100 mg L?1ZnO NPs对生产力、果穗性状、花色苷积累和与抗氧化相关酶的影响。 结果：在生产力、果穗品质和浆果着色方面，ZnO NPs加糖蜜的处理，其次是单独施用ZnO NPs，均超过了未处理的葡萄。10 mg L?1ZnO NPs+糖蜜处理在大多数研究参数中表现最优。例如，与两个季节的对照相比，总产量增加了约8.9–11.4%，总可溶性固形物（TSS）含量增加了48.4–43.8%，果实硬度增加了8.1–12.0%，酸度降低了16.3–15.4%。此外，与两个季节的对照相比，同一处理导致花色苷含量（104.3–73.4%）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性（48.4–58.1%）的最大增幅。 结论：在转色期（veraison）施用一次10 mg L-1ZnO NPs + 1.5 cm3L-1糖蜜，增加了葡萄产量、颜色和生化品质。虽然单阶段应用有效，但进一步研究可以探索多阶段应用或替代时间以优化结果。

一、 研究背景、问题与研究意义

为促进农业可持续性，农业生产实践正致力于减少环境退化并确保长期的粮食生产。然而，化学肥料的过度使用导致了环境污染、温室气体排放和生态系统破坏。因此，迫切需要更可持续的策略来提高作物生产力，同时减少化学投入。在果树中，葡萄藤对环境变化特别敏感，这会影响其浆果色泽——这是决定品质的主要因素。绯红无籽葡萄是一种在全球广泛种植、商业上非常重要的晚熟红色无核品种，具有良好的水果品质属性，但浆果着色发育不充分是其面临的主要挑战，被认为是决定其市场适销性的关键因素。不规则的色泽归因于受气候和成熟期日温度变化影响的花色苷。提升浆果色泽的常规园艺措施（如去叶、打顶、疏果）往往效果有限。

近年来，纳米技术在农业中的应用显示出巨大潜力。纳米颗粒（NPs）因其体积小、比表面积大、反应活性高，可在调节生理生化过程、提高养分利用效率和抗逆性方面发挥重要作用。其中，氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）因其高生物活性和稳定性，在促进植物生长、作为酶促反应的辅助因子、调节抗氧化酶活性、增强光合作用等方面备受关注。同时，糖蜜作为制糖和发酵工业的副产品，富含易于获取的糖分、有机酸、氨基酸和微量元素，可作为生物刺激剂和碳源，改善土壤结构、促进有益微生物活动，并提高作物生产力。

虽然已有研究分别评估了ZnO NPs或有机添加剂（如糖蜜）对葡萄的影响，但将ZnO NPs与糖蜜结合的叶面喷施作为一种集成的纳米-有机策略，在绯红无籽葡萄的田间条件下尚未得到系统研究。因此，本研究旨在探究叶面喷施ZnO NPs与糖蜜（单独或联合）对绯红无籽葡萄产量、果穗品质、特别是浆果着色及相关生化参数的影响，以期提供一种减少对传统化学投入依赖的可持续葡萄栽培策略。本研究成果发表在《BMC Plant Biology》期刊。

二、 主要研究方法概要

本研究在埃及开罗亚历沙漠公路附近的一处私人葡萄园（Elgandour Farm）进行了连续两个季节（2023和2024年）的田间试验。供试材料为6年生、嫁接在Richter 110砧木上的绯红无籽葡萄。实验设计为随机完全区组设计（RCBD），每处理5株葡萄，设8个处理。使用的ZnO NPs购自US Research Nanomaterials, Inc.，通过扫描电子显微镜、动态光散射、X射线衍射和ζ电位分析对其形态、粒径、结晶相和电位进行了表征。使用的糖蜜为甜菜加工副产品，其化学组成（如总糖、总氮、有机物、钾、钙、镁、铁、锌含量）被列出。

处理包括：对照（自来水）、1.5 cm³L^-1糖蜜、三个浓度的ZnO NPs（10, 50, 100 mg L^?1），以及糖蜜与三个浓度ZnO NPs的组合。所有喷施液中均添加羧甲基纤维素（CMC）以确保悬浮均匀。处理在转色期（veraison）进行一次叶面喷施，直至叶片滴液。

研究人员评估了葡萄产量（单穗重、单株产量）、果实理化特性（总可溶性固形物-TSS、可滴定酸度-TA、TSS/酸比、果实硬度）、生化成分（浆果果皮总花色苷含量、苯丙氨酸解氨酶-PAL酶活性）以及浆果色泽。色泽分析通过高分辨率数码相机获取图像，并使用Python的scikit-image库转换为CIE-Lab色彩空间，计算L、a、b*值和红葡萄色泽指数（CIRG）。数据采用SPSS进行统计分析，并通过Duncan检验比较处理间差异，使用主成分分析和热图对结果进行可视化。

三、 研究结果

1. ZnO NPs表征

表征结果显示，ZnO NPs主要为球形，平均粒径为91.3 nm，XRD图谱证实其为结晶相，ζ电位为+23.8 mV，表明在悬浮液中具有良好的稳定性。

2. 葡萄产量

叶面喷施ZnO NPs和糖蜜显著影响了葡萄的产量相关参数。在连续两个季节中，10 mg L^?1ZnO NPs + 糖蜜处理获得了最高的单穗重（480.53和482.53 g）和单株产量（14.42和14.48 kg），相较于对照分别增加了8.9%和11.4%。单独施用ZnO NPs或糖蜜的处理效果介于组合处理与对照之间。

3. 果实理化特性

ZnO NPs（单独或与糖蜜组合）的喷施显著改善了果实的品质指标。10 mg L^?1ZnO NPs + 糖蜜处理在两个季节均表现出最高的TSS（16.42和16.26 °Brix）、TSS/酸比（25.57和25.10）和果实硬度（229.74和238.59 g/mm），同时酸度最低（0.648%）。组合处理的效果普遍优于单独处理。

4. 葡萄生化成分与PAL酶活性

总花色苷含量：与对照相比，所有处理均增加了浆果果皮中的总花色苷含量。其中，10 mg L^?1ZnO NPs + 糖蜜处理的效果最为显著，花色苷含量在两个季节分别达到56.6和57.4 mg/100 g FW，比对照增加了104.3%和73.4%。较低浓度的ZnO NPs在促进花色苷积累方面比高浓度更有效。

PAL酶活性：PAL是花色苷生物合成途径的限速酶。处理显著提高了PAL活性，最高值同样出现在10 mg L^?1ZnO NPs + 糖蜜处理组。相关性分析显示，PAL活性与花色苷含量呈强正相关（r = 0.834），表明PAL活性的增强与花色苷的积累密切相关。

5. 色度学评价

色泽分析表明，处理显著改变了浆果的色泽参数。10 mg L^?1ZnO NPs + 糖蜜处理导致了最低的L值（亮度，14.08）和最高的CIRG值（红葡萄色泽指数，8.47），表明浆果颜色更深、红色更浓。同时，该处理的b值（黄蓝色度）也较低，表明黄色色调减少。这些结果与收获时果穗的直观外观相符，显示组合处理的果穗呈现更均匀、更深的红色。

6. 主成分分析与热图

主成分分析显示，第一主成分解释了大部分变异，并与产量、品质和生化参数正相关。10 mg L^?1ZnO NPs + 糖蜜和50 mg L^?1ZnO NPs + 糖蜜处理与产量、单穗重和PAL活性等参数强相关，而中低剂量的ZnO NPs单独处理则与TSS、硬度和花色苷等品质性状相关。热图分析直观地证实，低浓度ZnO NPs，尤其是与糖蜜组合，在多个产量和品质性状上表现出更高的数值。

四、 讨论与结论

在讨论部分，研究人员指出，葡萄果穗的外部外观，特别是浆果色泽，是决定鲜食葡萄市场适销性和消费者偏好的基本因素。本研究中观察到的PAL活性、花色苷积累、CIRG值以及糖酸平衡的协同增加，为苯丙烷类和类黄酮生物合成途径的激活提供了生理学证据。ZnO NPs在低浓度下表现出最佳的促进作用，这可能符合毒物兴奋效应理论，即低剂量刺激增强生物性能，而高剂量可能引发代谢应激。Zn作为必需微量元素，在色氨酸和生长素合成、酶激活、膜稳定以及碳水化合物代谢中发挥关键作用。纳米尺寸的ZnO颗粒可能通过气孔或纳米级孔隙与叶面相互作用并渗透，作为代谢或信号调节剂，引发与其施用质量不成比例的生理反应。糖蜜则提供了易于获取的碳源和营养物质，可能增强了锌的吸收和利用效率，从而与ZnO NPs产生协同效应。

尽管ZnO NPs通常被认为是相对安全的材料，但其在农业应用中的安全性取决于浓度、暴露水平和环境条件。本研究使用的低浓度ZnO NPs与糖蜜组合，为提高葡萄品质提供了一种有前景的策略，但关于其环境行为和残留动态仍需进一步研究。

研究结论：在转色期施用一次10 mg L^-1ZnO NPs + 1.5 cm³L^-1糖蜜，增加了葡萄产量、颜色和生化品质。虽然单阶段应用有效，但进一步研究可以探索多阶段应用或替代时间以优化结果。