现代种植技术研究：重力压力处理对绿豆芽生长发育的影响

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由于豆芽的生长和营养质量对外部因素的敏感性，许多研究调查了用非生物诱导剂进行外源性处理对营养和生物活性化合物积累的影响。

早在中国南宋时期，通过在豆芽上放置石板对豆芽进行压力处理的做法就已有记载。与其他压力处理不同，这种方法施加的低垂直方向重力诱导压力会影响绿豆芽的某些品质，而不会显着影响其生长，导致产量略有下降。

作为一种用户友好的物理处理技术，这种GIP处理现在更广泛地用于豆芽的工厂生产，以改善其表型外观。

然而，关于压力对豆芽生长和营养质量影响的研究很少。因此，我们认为研究GIP对绿豆芽的影响及其作用机制具有重要意义，为优化绿豆芽工业化生产提供有价值的启示。

在此，我们假设不同的GIP处理可能导致绿豆芽的生长和营养特性的差异。因此，本研究旨在探讨不同GIP处理后绿豆芽生长营养指标、酚类抗氧化能力、激素含量和抗氧化酶活性的变化。

通过整合代谢组学和转录组学，我们将GIP诱导的生长发育变化与绿豆芽的特定代谢和转录组学特征联系起来。本研究有望为GIP调控植物生长的研究和应用提供理论参考。

1. 材料与方法

1.1. 材料和处理

绿豆种子由中国河南省新农庄蔬菜食品有限公司供应。使用的绿豆于2020年5月初在中国辽宁西部地区种植。土壤类型为草甸黑钙土，5-9月有效积温约2600 °C，无霜期长达129 d，年降水量417.20 mm。

播种前，对土壤进行准备和施肥。在种植阶段没有发生额外的施肥、灌溉或施用杀虫剂。

将绿豆仔细挑选并称重，总质量为45克，然后在80°C的蒸馏水中烫上2分钟以打破休眠。随后，将种子在25°C温度下蒸馏水中浸泡8 h，洗涤两次，均匀播种于圆底发芽罐中。

将这些罐子放置在人工气候培养箱内，保持在约25±0.5°C的恒定温度下，每天浇水4次，每次使用500毫升水。最后，在遮蔽培养下，绿豆芽在3 d后收获。

使用不含GIP的绿豆芽作为对照样品，并用坚硬的圆形亚克力板覆盖。为了应用GIP，将不同重量的小石头均匀地分布在亚克力板上，形成50、100、150、200、250、300和350 Pa的梯度。

研究中使用的压力完全由亚克力板和石头的重力产生。压力计算为板和石头的重量除以板的面积。所有实验均在正常大气压条件下进行。

处理时间3天后，收获新鲜样品，冷冻干燥，研磨并通过80目筛选。将得到的粉末装入铝箔袋中，并储存在-80°C下，以便随后测定相关指标。使用的干粉最多储存 4 周。

1.2. 生长指标的确定

测量的绿豆芽生长指标包括下胚轴长度、下胚轴厚度、根长和鲜重。下胚轴长度和根长采用直尺测量，下胚轴厚度采用游标卡尺测量下胚轴厚度。

使用精确到万分之一单位的精密天平确定鲜重。每次测量都在20株植物上进行，并重复了三次。

1.3. 代谢物的提取、测定和分析

将100mg粉末样品溶于1.2mL的70%乙醇溶液中，涡旋6个循环，每个循环之间间隔30分钟，并置于4°C的冰箱中过夜。提取后，将上清液离心10分钟，并使用微孔膜进行后续分析。

2. 统计分析

所有实验至少一式三份进行，结果表示为平均值±标准差。采用单因素方差分析评估总体显著性差异，然后进行p<0.05的事后Duncan多范围检验。使用SPSS 26.0进行统计分析。这些图表是使用 GraphPad Prism 9.0生成的。

3. 结果

3.1. 绿豆芽的生长指标

生长指标是评价绿豆芽的重要指标，其表型在不同GIP下各不相同。随着GIP的增加，下胚轴长度呈增加趋势，随后呈下降趋势，表明较低的GIP可以增加下胚轴长度。

最长的下胚轴长度出现在100 Pa GIP下，与CK相比增加了20.7%。下胚轴厚度随着GIP的升高而增加，在350 Pa处理中达到0.26±0.02 cm的最大值，表明CK的厚度值增加了10%。

GIP后根长变化无显著趋势，但100 Pa GIP后根长变化最长。正如预期的那样，绿豆芽经100 Pa GIP处理后的鲜重最高，与CK相比显著增加6.3%。

3.2. 营养成分

GIP处理后，绿豆芽的营养成分也发生了不同的变化。绿豆芽可溶性糖含量随压力的增加而明显下降，在350 Pa GIP下降至0.81±0.02 mg/g，与CK相比下降了23.2%。

相反，不同GIP处理后绿豆芽可溶性蛋白含量无显著差异，说明这些处理对可溶性蛋白含量没有影响。绿豆芽含有高水平的AsA，是AsA的优质来源。本研究可显著提高绿豆芽的AsA含量。

具体而言，350 Pa GIP下的AsA含量为50.16±6.02 mg/100g，约为CK的1.5倍。但各处理间总酚类和总类黄酮含量差异无统计学意义，总酚类和总类黄酮含量均值分别为0.77 mg GAE/g和0.056 mg RUT/g。

3.3. 绿豆芽多酚的抗氧化能力

绿豆芽多酚的DPPH自由基清除能力和FRAP能力与CK相比，分别为GIP后，与观察到的总酚类和总类黄酮含量的变化一致。有趣的是，随着GIP从50 Pa增加到350 Pa，绿豆芽多酚的ABTS自由基清除能力显着提高。

3.4. 抗氧化酶活性

抗氧化酶是重要的酶，可以清除活性氧以减轻它们对植物的损害。不同GIP下绿豆芽抗氧化酶活性均有显著变化。

随着GIP的增加，CAT和POD活性呈显著上升趋势，在350 Pa GIP下，CAT和POD活性分别提高到674.42 ± 32.91 U/g和11199.77 ± 190.05 U/g，分别比CK升高100.36 %和55.00 %。

3.5. 代谢组学分析

为了进一步了解不同GIP条件下绿豆芽代谢物的变化，在UPLC\u2012MS平台上，通过广泛的靶向代谢组学技术鉴定了CK和350 Pa处理组样品中的初级和次级代谢物。

共检出代谢物1590种，按物质I类可分为13类，黄酮类化合物含量最高，有350种。PCA的结果清楚地表明，CK和350 Pa处理组之间存在显着分离，表明GIP诱导了绿豆芽代谢产物的改变。

3.6. 转录组学分析

我们对来自 CK 和 350 Pa 压力处理组的 6 个样品的 cDNA 文库进行了测序。每个样品的高质量读数均超过6.00 Gb，GC含量大于43%，碱基评分Q30>92%，表明检测结果准确度高。测序结果共鉴定出79801个N50长度为2434 bp，平均长度为1448 bp的单基因。

3.7. 类黄酮的生物合成

由于DAM和DGEs都富集在类黄酮合成途径中，我们进行了整合分析，以进一步了解它们之间的关系。我们根据 KEGG 通路图 ko00941、ko00943 和 ko00944 概述了与 DAM 和 DEGs 相关的类黄酮合成通路。

该途径共鉴定出8个DEGs和10个DAM，其中2个与异黄酮合成相关的基因和4个代谢产物在压力处理后表现出上调，而与黄酮醇合成相关的1个基因和3个代谢产物表现出下调。

4. 讨论

绿豆芽作为具有高抗氧化活性的生物活性物质的优良来源，越来越多的研究集中在利用物理和化学方法提高绿豆芽的产量和品质上，从而在该领域取得了显着进展。

虽然GIP通常被大型豆芽生产商使用，但由于在实验过程中确保整个表面的压力均匀分布的挑战，因此缺乏相应的研究。然而，我们精心安排了种子和石头，以确保均匀性，同时也扩大了我们的样本量，以提高数据的可靠性。因此，我们认为我们的研究具有重要的意义和实用价值。

在这项研究中，350 Pa GIP在不改变下胚轴长度的情况下增加了下胚轴厚度，这在绿豆表型中得到了改善。相反，100 Pa GIP显著增加下胚轴长度，提高绿豆芽产量。这些发现强调了在实际应用中使用GIP的良好前景。

化合物抗坏血酸，也称为维生素C，在生物体的生物过程中作为抗氧化剂和辅酶因子起着至关重要的作用。凭借其卓越的抗氧化特性，AsA可以有效增强人体免疫力，并防止癌症，衰老，心血管疾病和坏血病，这使其成为维持重要生命活动的必需有机物质。

在多个样品中检测抗氧化能力通常涉及使用DPPH自由基清除活性，ABTS自由基清除能力和FRAP测定;然而，ABTS和DPPH自由基清除测定中使用的反应机制是直接猝灭和还原自由基，而FRAP测定是通过金属络合反应实现的。

果表明，不同的化合物对ABTS清除率、DPPH清除率和FRAP测定表现出明显的特异性。在这项研究中，多酚化合物组成的改变可能仅解释了观察到的ABTS清除率的增强。

5. 结论

综上所述，虽然GIP后全酚和总黄酮含量保持不变，但不同黄酮类化合物的合成存在显著差异，这可能是ABTS自由基清除率增加的原因;ABA含量和通路显著上调，表明ABA信号通路参与绿豆芽GIP反应;AAO和APX基因表达和活性的降低可能是AsA含量增加的原因。

350 Pa GIP的处理被推荐用于绿豆芽的生产，因为它有可能改善表观形态，提高AsA含量和抗氧化能力。这些发现将有助于为未来GIP植物的应用和研究提供理论支持。

虽然我们的研究涉及GIP后绿豆芽的表型、营养成分、抗氧化能力和激素的多种变化，但本研究仅使用一种绿豆，GIP是否对其他品种产生相同的效果有待进一步研究。因此，我们预计未来将进行更多相关研究，以进一步阐明绿豆芽的GIP响应机制。