CN108401872A - 一种利用水杨酸缓解镉对番茄毒害作用的水培方法及水杨酸的应用 - Google Patents

一种利用水杨酸缓解镉对番茄毒害作用的水培方法及水杨酸的应用 Download PDF

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郭军康
王小红
魏婷
贾红磊
任倩
吕欣
李艳萍
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    • A01G7/06—Treatment of growing trees or plants, e.g. for preventing decay of wood, for tingeing flowers or wood, for prolonging the life of plants

Abstract

本发明提供了一种利用水杨酸缓解镉对番茄毒害作用的水培方法及水杨酸的应用，其包括如下步骤：当番茄幼苗在两叶一心期时，移入水培箱水培3周后，用浓度为20～200μmol·L‑1的水杨酸水溶液进行叶面喷施，喷施量以叶面滴水为度，每天喷施1次，共喷施3天，然后再对番茄进行5mg·L‑1Cd(CdSO4)处理。本发明不仅能降低番茄中镉积累量，还能缓解镉胁迫对番茄细胞的氧化损伤和光合抑制，增加光合色素含量和光合作用性能，而且显著提高了番茄生物量。

Description

一种利用水杨酸缓解镉对番茄毒害作用的水培方法及水杨酸 的应用
技术领域
本发明属于蔬菜安全种植技术领域，具体涉及一种利用水杨酸缓解镉对番茄毒害作用的水培方法及水杨酸的应用。
背景技术
据我国地质调查局发布的《中国耕地地球化学调查报告》显示，我国有232万hm2重金属中重度污染或超标耕地，占总耕地的16.1％。2014年4月17日环境保护部和国土资源部联合公布了全国土壤污染调查公报，指出我国土壤环境状况令人堪忧，Cd等重金属污染问题相对比较突出，从污染分布情况看，南方土壤污染较重，北方土壤污染相对较轻，西南、中南地区土壤重金属超标范围较大。
Cd含量分布呈现出从东北到西南、从西北到东南方向逐渐升高的态势，Cd点位超标率为7.0％，在污染土壤中占比最大，其中，轻微污染、轻度污染、中度污染、重度污染的比例分别为5.2％，0.8％，0.5％，0.5％。污染土壤的Cd含量为2.5～23.0mg/kg，重污染区表层土壤的Cd含量高出底层土壤几十倍甚至更高。
根据农业部环境监测系统检测数据显示，与国家标准相比，蔬菜中Cd含量超标率高达23.5％。通过对成都地区的9种蔬菜152个样品的可食部分中重金属元素分析，发现Cd是成都地区蔬菜中的主要污染元素之一，在检测样品中，Cd的超标率为29.4％，最高超标5.6倍。
由此可见，目前我国Cd污染现状不容乐观，己威胁到食品安全和人体健康，须引起高度重视。
不同植物对不同重金属的吸收有一定规律，一般而言，蔬菜可食部分吸收重金属的比率大于粮食作物，同种蔬菜对重金属Cd的富集大于其他重金属元素。但蔬菜对Cd的吸收因蔬菜种类、品种以及器官不同而不同。
植物对矿质营养的吸收具有基因型差，同样蔬菜对的吸收、累积也具有基因型差异，这种差异是引起不同蔬菜含量差异的重要原因之一。
李博文等研究发现茄子、丝瓜、番茄、辣椒等为低积累型蔬菜白萝卜、菜花、葛芭、大葱等为中度积累型芹菜、茵香、香菜、蓬篙为重度积累型白菜、油菜属极重度积累型。马往校等研究几种蔬菜中的污染状况，结果表明，不同的蔬菜中的积累规律为芹菜>韭菜>葛笋>小白菜>花菜>西葫芦、黄瓜、青椒，芹菜和葛笋对具有较强的吸收能力，超标最严重。
同种蔬菜的不同品种对重金属的吸收也存在较大差异。以胡萝卜为例，Nairobi对Cd的吸收量为1.215mg/kg，而Amsterdam的Cd吸收量则为2.521mg/kg，其它种蔬菜的不同品种对福离子也存在差异性吸收。王松良等研究发现种不同基因型的小白菜茎叶中Cd含量差别很大。相同Cd浓度下，不同小白菜品种间Cd含量相差最高达4.3倍，且外界浓度越高，品种间差异越大。
目前，对于重金属胁迫下的植物生长的研究，主要是通过研究植物内调节其生长的物质来进行。目前已知的植物生长调节因子是人们在提高植物抗逆性时考虑的主要因素。不过，现有已知植物生长调节因子在调节植物抗逆性时，专一性较差，难以形成对于多种胁迫情况统一的处理办法，甚至不同胁迫情况的处理办法还会大相径庭。对于重金属胁迫而言，由于该胁迫区别于高温、高盐等一般胁迫，在处理重金属胁迫时，不仅要提高蔬菜的抗氧化活性和植物生长性能，更为重要的是需要降低重金属在蔬菜中的积累，才能达到蔬菜种植的目的。
目前，对于解决番茄的重金属胁迫(特别是镉胁迫)的研究还相对较少，原因在于目前对于重金属对于番茄的影响的机理尚未研究透彻，相应的处理办法仍在摸索当中。
《外源铁对不同品种番茄光合特性、品质及镉积累的影响》通过对不同品种番茄施用外源铁显著降低了镉对番茄的毒害效应，同时减少了番茄各部位镉含量。
《水杨酸对镉胁迫下莴苣幼苗生长和氧化胁迫的缓解效应》研究了对于茎用莴苣施用水杨酸对于镉胁迫的缓解效应。不过该报道在对于镉积累方面的探究中，提到水杨酸对于从根系向上部的运输具有促进作用。在其研究基础上，施用外源水杨酸有可能对降低镉含量是无益的。另外，该报道对于如何提高镉胁迫下番茄品质方面，没有进行研究。
因此，如何降低在镉胁迫下番茄中的镉含量，对于番茄种植技术领域而言，是函待研究的技术问题。
发明内容
针对现有技术面临的技术难题，本发明的目的在于提供一种利用水杨酸缓解镉对番茄毒害作用的水培方法及水杨酸的应用，本发明促进了镉胁迫下番茄的生长，生物量增加了0.21～0.94倍。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种利用水杨酸缓解镉对番茄毒害作用的水培方法，包括如下步骤：
当番茄幼苗处于两叶一心期时，将其移入水培箱水培，后用浓度为20～200μmol·L-1的水杨酸水溶液进行叶面喷施，喷施量以叶面滴水为度，每天喷施1次，共喷施3天。
所述水杨酸水溶液的浓度为50～150μmol·L-1。
所述水杨酸水溶液的浓度为100μmol·L-1。
优选地，在利用水杨酸水溶液进行叶面喷施时，是在黑暗条件下。
优选地，第1次喷施水杨酸水溶液的时间为番茄幼苗水培3周后。
番茄水培条件为：光照15～17h，黑暗7～9h，相对湿度55％～65％，温度为昼温24℃～28℃、夜温18℃～22℃。
一种水杨酸在促进镉胁迫下番茄生长中的应用。
优选地，采用浓度为20～200μmol·L-1的水杨酸水溶液对番茄幼苗叶面进行喷施。
优选地，在利用水杨酸水溶液进行叶面喷施时，是在黑暗条件下。
优选地，第1次喷施水杨酸水溶液的时间为番茄幼苗水培3周后。
所用番茄种子由中国农业科学院提供。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发的水培方法采用水杨酸水溶液进行叶面喷施，促进了镉胁迫下番茄的生长，生物量增加了0.21～0.94倍。不仅能降低番茄中镉积累量，还能缓解镉胁迫对番茄细胞的氧化损伤和光合抑制，增加光合色素含量和光合作用性能，而且显著提高了番茄生物量。缓解了镉胁迫对番茄光合速率的抑制，叶绿素a增加了0.13～0.80倍，叶绿素b增加了1.33～1.46倍，类胡萝卜素增加了0.18～1.7倍。缓解了镉诱导的氧化胁迫对细胞膜的伤害，番茄中MDA降低了0.64倍。降低了镉胁迫下番茄中的镉积累量，降低了1.28～4.25倍。
水杨酸在促进镉胁迫下番茄生长中，显著缓解镉对番茄毒害作用。不仅能降低番茄中镉积累量，还能缓解镉胁迫对番茄细胞的氧化损伤和光合抑制，增加光合色素含量和光合作用性能，而且显著提高了番茄生物量。
附图说明
图1为SA对Cd胁迫下Liger中Cd含量的影响柱状图。
图2为SA对Cd胁迫下Tabd中Cd含量的影响柱状图。
图3为SA对Cd胁迫下Liger生物量的影响柱状图。
图4为SA对Cd胁迫下Tabd生物量的影响柱状图。
图5为SA对Cd胁迫下Liger中光合色素含量的影响柱状图。
图6为SA对Cd胁迫下Tabd中光合色素含量的影响柱状图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
选择大小一致，籽粒饱满的番茄种子(购买自中国农业科学院，品种为Liger(镉耐受型)和Tabd(镉敏感型))，用30％H2O2溶液消毒15min，随后用蒸馏冲水冲洗5次，均匀放置于装有蛭石的托盘中，保持充足水分，于20℃人工培养箱中发芽。到两叶一心时期，将番茄幼苗转移到含有1/2Hoagland营养液的水培盆中，并放置于自动控制生长室中培养(光照15～17h，黑暗7～9h，相对湿度55％～65％，温度为24℃～28℃(昼)/18℃～22℃(夜))。水培三周后，选择长势均匀植株将其移植到水培盆(容量1000ml，15×17cm)中用于实验。用浓度为100μmol·L-1的水杨酸水溶液进行叶面喷施，喷施量以叶面滴水为度，每天喷施1次，共喷施3天，然后再对番茄进行5mg·L-1Cd(CdSO4)处理。以喷施清水不进行镉处理的番茄植株为对照(CK)，以喷施清水再进行镉处理的番茄植株为对照1(CK1)每个处理重复6次。
将番茄植株样品(每个0.25g)磨碎后置于消解管中，用10ml HNO3浸泡12小时，然后置于消解炉中在80℃下消解1.5h，120℃下消解1.5h，150℃下消解3小时，后在175℃下加酸溶解。将液体转移到50ml容量瓶中，然后用1％HNO3稀释至刻度线，用0.45μm滤膜过滤液体，滤液备用，用ICP-MS测定Cd含量。每个处理重复6次。
抗氧化酶活性：
超氧化物歧化酶(SOD)，谷胱甘肽还原酶(GR)，过氧化氢酶(CAT)采用Arora的方法测定；过氧化物酶(POD)，脯氨酸(Pro)采用的方法测定；丙二醛(MDA)采用Banerjee的方法测定。
光合参数：
光合速率(Pn)，气孔导度(Gs)，蒸腾速率(Tr)用LI-COR 6400红外气体分析仪(LI-COR 6400；LI-COR Inc，Lincoln，NE，USA)测定；水利用效率(WUE)通过Pn除以Tr来计算。测量在上午9:30和下午4:30(北京时间)进行。
光合色素含量：
从三周龄的番茄植株中采集鲜叶样品，取0.2g样品在5ml 80％丙酮溶液中研磨，匀浆通过Whatman滤纸No.2过滤。然后使用UV/Vis分光光度计(Model UV-2102C，UNICO，USA)在470nm，646nm和663nm处测量滤液的吸光度。以80％丙酮作为对照。
数据处理：
所有数据采用Origin软件进行整理，统计分析采用单因素方差分析(SPSS Inc，Chicago，IL，USA)，各处理之间的显著性差异小于5％。
外源SA对Cd胁迫下两种基因型番茄中镉积累量的影响
Cd胁迫下，两种基因型番茄中镉积累量显著增加。与CK1对比，喷施SA显著降低了两种基因型番茄中的Cd含量。镉胁迫下，Liger品种根、茎、叶中Cd积累量与CK相比分别提高了1.85，2.17，8.09倍。Tabd品种根、茎、叶中Cd积累量与CK相比分别提高了1.91，1.53，7.43倍。表明耐受型番茄地上部能积累更多的Cd。水杨酸处理后，在Liger品种根、茎、叶中Cd积累量与CK1相比分别减少了1.28，3.78，1.86倍，在Tabd品种根、茎、叶中Cd积累量与CK1相比分别减少了2.73，4.25，1.84倍，表明水杨酸处理效果在Tabd中比起在Liger中更优。
表1为SA对Cd胁迫下Liger中Cd含量的影响
注：表中数据为分析结果的平均值±标准差，同列不同小写字母表示显著差异(P≤0.5)，下同。
表2为SA对Cd胁迫下Tabd中Cd含量的影响
外源SA对Cd胁迫下两种基因型番茄生物量的影响
Cd处理显著降低了两种基因型番茄的生物量，水杨酸处理导致Liger和Tabd中所有器官的生物量显著增加。Cd胁迫下，Liger品种根、茎、叶的生物量与CK相比分别减少了2.19，1.62，1.25倍。Tabd品种根、茎、叶的生物量与CK相比分别减少了2.82，2.86，1.63倍。与Liger相比。Tabd的生物量减少的更多，表明Tabd受Cd毒害更大。水杨酸处理后，Liger品种根、茎、叶的生物量与CK1相比分别增加了0.54，0.21，0.25倍。Tabd品种根、茎、叶的生物量与CK1相比分别增加了0.94，0.76，0.63倍。表明外施水杨酸对Tabd受Cd毒害的缓解作用更大。
表3为SA对Cd胁迫下Liger生物量的影响
表4为SA对Cd胁迫下Tabd生物量的影响
外源SA对Cd胁迫下两种基因型番茄中抗氧化酶活性的影响
Cd胁迫下，Liger中MDA，CAT，POD显著增加，与CK相比分别增加了1.72，1.75，1.89倍，而PRO降低了0.68倍。Tabd中SOD，MDA，GR，CAT，POD分别增加了1.45，0.87，0.89，1.55，1.0倍。水杨酸处理后，与CK1对比，喷施SA显著降低了Tabd中的抗氧化酶活性，分别降低了0.94，0.64，1.36，1.67，4.02倍。而在Liger中，与CK1对比，喷施SA对抗氧化酶活性的影响不大。这表明SA对Tabd受Cd毒害有显著的缓解作用。
表5为SA对Cd胁迫下Liger中抗氧化酶活性的影响
表6为SA对Cd胁迫下Tabd中抗氧化酶活性的影响
外源SA对Cd胁迫下两种基因型番茄中光合色素含量的影响
SA处理处理导致Liger和Tabd中光合色素含量都增加。在Cd胁迫下，Liger叶片中叶绿素叶绿素a(Chla)，叶绿素b(Chlb)，类胡萝卜素(Car)分别下降了0.67，0.76，0.27倍，SA处理后，与CK1相比，这三种色素分别增加了0.80，1.33，1.70倍。Tabd叶片中光合色素含量受镉胁迫的影响不大，SA处理后，三种色素含量与CK1相比分别增加了0.13，1.46，0.18倍。这些结果表明SA对于Liger叶片中光合色素的提高具有显著作用，尤其是对Car。而在Tabd中，SA只对Chlb的提升具有显著作用，并高于在Liger中。
表7为SA对Cd胁迫下Liger中光合色素含量的影响
表8为SA对Cd胁迫下Tabd中光合色素含量的影响
外源SA对Cd胁迫下两种基因型番茄光合作用的影响
Cd胁迫下，Liger的光合作用参数Pn，Cond，Tr，WUE都减小，与CK相比，分别减小了4.50，6，3.36，0.19倍，SA处理后，与CK1相比，Pn，Cond，WUE分别增加了3.28，1.0，2.99)，Tr减小了0.26倍。在Tabd中，与CK对比，Cd处理后Pn，WUE减小了0.46，0.85倍，Cond和Tr增加了0.75和0.88倍，SA处理后，对Pn的影响不大，Cond和Tr显著减小，分别减小了6.0和4.8倍，而WUE增加了3.49倍。这些结果表明外源SA对Liger的光合作用具有显著的增强效果。
表9为SA对Cd胁迫下Liger光合作用的影响
表10为SA对Cd胁迫下Tabd光合作用的影响
综上所述，可以得出外源施用SA可以显著改善镉耐性和镉敏感两种基因型番茄的镉毒性。缓解效应包括增加植株生物量，增加叶片光合色素含量，提高光合作用能力，减少植株内Cd积累量以及提高抗氧化防御能力。可以得出结论，外源施用SA可以对受镉胁迫的番茄植株起到保护作用，这可能为缓解番茄Cd胁迫提供了一种新的的方法。
对比实施例1
除了将水杨酸水溶液浓度换为50μmol·L-1之外，其余与实施例1一致。
经检测发现，在上述浓度处理下，两种基因型番茄根、茎、叶中Cd积累量与CK1相比都显著减少。叶片光合色素含量与CK1对比增加，光合作用能力提高，并且提高了抗氧化防御能力。
实施例2
选择大小一致，籽粒饱满的番茄种子(购买自中国农业科学院，品种为Liger(镉耐受型)和Tabd(镉敏感型))，用30％H2O2溶液消毒15min，随后用蒸馏冲水冲洗5次，均匀放置于装有蛭石的托盘中，保持充足水分，于20℃人工培养箱中发芽。到两叶一心时期，将番茄幼苗转移到含有1/2Hoagland营养液的水培盆中，并放置于自动控制生长室中培养(光照15～17h，黑暗7～9h，相对湿度55％～65％，温度为24℃～28℃(昼)/18℃～22℃(夜))。水培三周后，选择长势均匀植株将其移植到水培盆(容量1000ml，15×17cm)中用于实验。用浓度为150μmol·L-1的水杨酸水溶液进行叶面喷施，喷施量以叶面滴水为度，每天喷施1次，共喷施3天，然后再对番茄进行5mg·L-1Cd(CdSO4)处理。以喷施清水不进行镉处理的番茄植株为对照(CK)，以喷施清水再进行镉处理的番茄植株为对照1(CK1)每个处理重复6次。
将番茄植株样品(每个0.25g)磨碎后置于消解管中，用10ml HNO3浸泡12小时，然后置于消解炉中在80℃下消解1.5h，120℃下消解1.5h，150℃下消解3小时，后在175℃下加酸溶解。将液体转移到50ml容量瓶中，然后用1％HNO3稀释至刻度线，用0.45μm滤膜过滤液体，滤液备用，用ICP-MS测定Cd含量。每个处理重复6次。
经检测发现，在上述浓度处理下，两种基因型番茄根、茎、叶中Cd积累量与CK1相比同样都有减少。在水杨酸处理后，生物量也都增加，叶片光合色素含量增加，光合作用能力提高，抗氧化酶的活性升高。
实施例3
选择大小一致，籽粒饱满的番茄种子(购买自中国农业科学院，品种为Liger(镉耐受型)和Tabd(镉敏感型))，用30％H2O2溶液消毒15min，随后用蒸馏冲水冲洗5次，均匀放置于装有蛭石的托盘中，保持充足水分，于20℃人工培养箱中发芽。到两叶一心时期，将番茄幼苗转移到含有1/2Hoagland营养液的水培盆中，并放置于自动控制生长室中培养(光照15～17h，黑暗7～9h，相对湿度55％～65％，温度为24℃～28℃(昼)/18℃～22℃(夜))。水培三周后，选择长势均匀植株将其移植到水培盆(容量1000ml，15×17cm)中用于实验。用浓度为50μmol·L-1的水杨酸水溶液进行叶面喷施，喷施量以叶面滴水为度，每天喷施1次，共喷施3天，然后再对番茄进行5mg·L-1Cd(CdSO4)处理。以喷施清水不进行镉处理的番茄植株为对照(CK)，以喷施清水再进行镉处理的番茄植株为对照1(CK1)每个处理重复6次。
将番茄植株样品(每个0.25g)磨碎后置于消解管中，用10ml HNO3浸泡12小时，然后置于消解炉中在80℃下消解1.5h，120℃下消解1.5h，150℃下消解3小时，后在175℃下加酸溶解。将液体转移到50ml容量瓶中，然后用1％HNO3稀释至刻度线，用0.45μm滤膜过滤液体，滤液备用，用ICP-MS测定Cd含量。每个处理重复6次。
经检测发现，在上述浓度处理下，两种基因型番茄根、茎、叶中Cd积累量与CK1相比同样都有减少。在水杨酸处理后，生物量也都增加，叶片光合色素含量增加，光合作用能力提高，抗氧化酶的活性升高。
本发明的内容不限于具体实施例所列举，本领域技术人员通过阅读本说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种利用水杨酸缓解镉对番茄毒害作用的水培方法，其特征在于，包括如下步骤：
当番茄幼苗处于两叶一心期时，将其移入水培箱水培，后用浓度为20～200μmol·L-1的水杨酸水溶液进行叶面喷施，喷施量以叶面滴水为度，每天喷施1次，共喷施3天。
2.根据权利要求1所述的利用水杨酸缓解镉对番茄毒害作用的水培方法，其特征在于，所述水杨酸水溶液的浓度为50～150μmol·L-1。
3.根据权利要求1所述的利用水杨酸缓解镉对番茄毒害作用的水培方法，其特征在于，所述水杨酸水溶液的浓度为100μmol·L-1。
4.根据权利要求1所述的利用水杨酸缓解镉对番茄毒害作用的水培方法，，其特征在于，在利用水杨酸水溶液进行叶面喷施时，是在黑暗条件下。
5.根据权利要求1所述的利用水杨酸缓解镉对番茄毒害作用的水培方法，其特征在于，第1次喷施水杨酸水溶液的时间为番茄幼苗水培3周后。
6.根据权利要求1所述的利用水杨酸缓解镉对番茄毒害作用的水培方法，其特征在于，番茄水培条件为：光照15～17h，黑暗7～9h，相对湿度55％～65％，温度为昼温24℃～28℃、夜温18℃～22℃。
7.一种水杨酸在促进镉胁迫下番茄生长中的应用。
8.根据权利要求7所述的水杨酸在促进镉胁迫下番茄生长的中的应用，其特征在于，采用浓度为20～200μmol·L-1的水杨酸水溶液对番茄幼苗叶面进行喷施。
9.根据权利要求8所述的水杨酸在促进镉胁迫下番茄生长的中的应用，其特征在于，在利用水杨酸水溶液进行叶面喷施时，是在黑暗条件下。
10.根据权利要求8所述的水杨酸在促进镉胁迫下番茄生长的中的应用，其特征在于，第1次喷施水杨酸水溶液的时间为番茄幼苗水培3周后。
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