CN109122707A - 一种植物高温干旱抗逆剂及其应用 - Google Patents

一种植物高温干旱抗逆剂及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种植物高温干旱抗逆剂及其应用，属于作物种植领域。为了克服现有技术中单纯使用甘氨酸甜菜减抗逆效果欠佳，而市面上缺少相应的替代产品的技术不足，本发明提供一种植物高温干旱抗逆剂，其由甜菜碱、尿素和吐温组成，将其用于一年生幼苗或者1‑3年生植物时，均可以有效缓解了逆境下叶绿素含量的下降，提高了叶片的光合能力；降低了叶片超氧自由基(O2·‑)的积累，降低了叶片的相对电导率和膜脂过氧化水平，提高了植物的抗干旱等胁迫能力，适合在农业上推广应用。

Description

一种植物高温干旱抗逆剂及其应用
技术领域
本发明涉及一种植物高温干旱抗逆剂及其应用，属于作物种植领域。
背景技术
在作物生长过程中，经常受到复杂多变的逆境胁迫，如干旱、热害、冻害、高光辐射等，严重影响作物生长。低温冷害、高温热害、干旱、盐碱、涝害、药害等现象频发，是影响农业生产持续稳定发展的重要灾害，由此严重影响了农民的经济效益。其中高温干旱是最常见影响作物生长和作物产量的恶劣环境。
针对日趋严重的高温干旱自然灾害，市面上缺乏专门提高植物抗逆能力的产品，因此常用植物生长调节剂来缓解，而外源生长调节剂刺激植物产生的新细胞组织抵抗逆境的能力更弱，并且乱用激素导致作物早衰，空果等更严重的后果，并不能从根本上解决问题。所以，农业生产上急需能主动提高植物抗逆能力的产品。
甜菜碱(Betaine)是一类季胺类化合物，其化学名称为N-甲基代氨酸。最早被发现和研究最多的是甘氨酸甜菜碱(Glycine-beyaine),简称甜菜碱。许多高等植物受到胁迫时积累大量的甘氨酸甜菜碱，它们主要富集于细胞质中，作为一种无毒害的渗透调节剂维持细胞渗透压，稳定生物大分子和细胞膜结构，维持正常的生理功能，解除高浓度盐对酶活性的影响和保护呼吸酶并参与能量代谢过程。《甘氨酸甜菜碱与植物耐盐》公开了甘氨酸甜菜碱与植物耐盐关系密切。《外源甜菜碱对葡萄幼苗抗高温胁迫能力的影响》的结果表明：在高温胁迫下,叶面喷施不同浓度的甘氨酸甜菜碱均能显著降低葡萄幼苗叶片脯氨酸的含量和丙二醛(MDA)含量,维持降低的膜透性,提高葡萄幼苗叶片可溶性蛋白和抗坏血酸(AsA)含量,从而提高了葡萄幼苗的抗高温胁迫能力。
以上证据证明甘氨酸甜菜碱对减轻高温胁迫引起的伤害,提高葡萄幼苗的抗热能力具有积极的作用。但随着研究的深入，科学家发现单纯使用甘氨酸甜菜碱，其抗高温和干旱效果欠佳，并且并非所有的植物在面对胁迫时都具有产生和积累甘氨酸甜菜碱的能力，人们已经进行了广泛的研究,运用各种方法把一些渗透保护剂注入植物体内，例如将基因工程作用于植物,通过转基因来促进植物产生甘氨酸甜菜碱，但目前这些还大多处于实验室阶段，未在农业上广泛运用。开发一种高温干旱的抗逆剂对于作物栽培仍然具有重要的现实意义和经济意义。
中国专利申请02115606.9公开了一种复合型植物抗逆诱导剂，其由1，3－二硫戊环－2－叉丙二酸二异丙酯，3－羟基－5－甲基异恶唑和辅助成分配制而成。本发明以具有诱导提高植物免疫功能的化合物为主，并与杀菌剂合理组合，从水稻生理、生化和分子生物学的理论出发，能显著的诱导水稻抗低温、盐碱和立枯病等抗逆能力的作用，并对棉花、大豆、烟草、果树、蔬菜、花卉、草坪等作物多种病害进行控制。中国专利申请200810010789.3采用壳寡糖诱导作物抗旱、抗涝、抗寒和抗冻的方法，壳寡糖喷施作物叶片或根灌诱导作物抗逆性(抗旱、抗冻抗寒和抗涝)。通过诱导作物叶片不同程度提高抗性酶含量，明显提高脯氨酸含量，气孔开度明显下降，明显提高叶绿素含量等提高了作物的抗逆性。外施壳寡糖能提高作物抗逆性，而且无毒不引起环境污染，使用方法简单。
发明内容
为了克服现有技术中单纯使用甘氨酸甜菜减抗逆效果欠佳，而市面上缺少相应的替代产品的技术不足，本发明提供一种植物高温干旱抗逆剂，其由甜菜碱、尿素和吐温组成，将其用于一年生幼苗或者1-3年生植物时，均可以有效缓解了逆境下叶绿素含量的下降，提高了叶片的光合能力；降低了叶片超氧自由基(O2·-)的积累，降低了叶片的相对电导率和膜脂过氧化水平，提高了植物的抗干旱等胁迫能力，适合在农业上推广应用。
本发明通过下述技术方案实现上述技术效果：
一种植物高温干旱抗逆剂，其有效活性成分由甜菜碱、尿素和吐温组成。
优选地，植物为一年生幼苗时，所述的植物高温干旱抗逆剂的有效活性成分由0.06-0.24％甜菜碱，0.08％尿素和0.1％吐温20组成。更优选地，所述的植物高温干旱抗逆剂中甜菜碱的浓度为0.12％。
优选地，植物为1-3年生时，所述的植物高温干旱抗逆剂的有效活性成分由0.58-0.93％甜菜碱，0.1％尿素和0.1％吐温20组成。更优选地，所述的植物高温干旱抗逆剂中甜菜碱的浓度为0.70％。
作为本发明所优选的一种实施方式，所述的抗逆剂中还包括对乙酰水杨酸，其中对乙酰水杨酸与甜菜碱的重量比为1:6-1:2，更优选为1:3。
本发明还提供一种上述植物高温干旱抗逆剂的使用方法，其具体包括如下步骤：
(1)按照配比配制植物高温干旱抗逆剂水溶液：向1L水中添加甘氨酸甜菜碱0.6-2.4g，尿素0.8g，吐温20为1ml配制得到1年生幼苗用植物高温干旱抗逆剂水溶液；向1升水中添加甘氨酸甜菜碱5.8-9.3g，尿素1g，吐温20为1ml配制得到1-3年幼树用植物高温干旱抗逆剂水溶液；
(2)使用叶面喷洒装置向出现干旱胁迫和/或高温胁迫的植物叶面背面喷洒植物高温干旱抗逆剂水溶液，喷洒频率为每月连续喷洒3天，每天早晚各喷1次。
实验例本发明高温干旱抗逆剂对一年生植物高温和/或干旱胁迫的抗逆效果
以平邑甜茶砂培-水培幼苗为试材，研究干旱高温单独胁迫及干旱高温综合胁迫下，抗逆剂对平邑甜茶的改善作用
实验过程：选择优良的平邑甜茶种子，先吸水3h，然后于低温(4℃)下层积约20天，取发芽一致的种子播种在盛有石英砂的塑料盆(高8cm、直径10cm)中，进行水培，每盆4株。温室大棚中(25℃)自然光生长，先用蒸馏水培养至三叶一心期换用Hoaland营养液培养(先用1/2营养液培养，1周后换用全营养液培养)。于六叶一心期，取生长一致的幼苗分成3组，一组用含有10.0mmol/L甜菜碱的溶液(含1‰Tween-20，用去离子水配制)叶面喷施(+GB)；一组用含有甜菜碱和尿素的溶液(含1‰Tween-20，用去离子水配制)叶面喷施；一组用去离子水(含1‰Tween-20)叶面喷施作为对照(-GB)。每天于6:00和18:00喷施溶液1次，连续喷施3天。
预处理后进行不同的胁迫处理，所有处理重复平行进行。干旱胁迫用30％(w/v)PEG-6000(渗透势大约为-1.88MPa)诱导干旱胁迫，直到它们的叶片相对含水量(RWC)为80％-87％(一般4天)；高温胁迫处理在光照培养箱中进行，温度42℃，处理时间为3个小时；干旱高温共胁迫是将是通过对处于干旱胁迫状态的幼苗进行高温胁迫处理。这样，所有的处理包括干旱胁迫(DS)，高温胁迫(HS)，干旱和高温共胁迫(DS+HS)，以及正常浇水正常温度的对照(WW)。取第5、6片完全展开叶用于实验测定叶绿素含量、气体交换参数等指标。
图1为抗逆剂缓解干旱胁迫下叶绿素含量的下降，尿素浓度均为：0.08％，吐温20浓度均为0.1％。结果显示当抗逆剂中甜菜碱含量为0.6-2.4gL-1时，一年生植物的叶绿素下降较慢。其中当甜菜碱含量为1.2gL-1时，一年生植物的叶绿素下降最慢。
图2显示抗逆剂缓解干旱胁迫下叶片超氧自由基(O2·-)的积累效果，结果显示当抗逆剂中甜菜碱含量为0.6-2.4gL-1时，一年生植物的超氧自由基的产生速率较低。其中当甜菜碱含量为1.2gL-1时，一年生植物的超氧自由基的产生速率最低。
图3显示抗逆剂降低干旱胁迫下叶片的相对电导率，结果显示当抗逆剂中甜菜碱含量为0.6-2.4gL-1时，一年生植物的叶片的相对电导率较低。其中当甜菜碱含量为1.2gL-1时，一年生植物的叶片的相对电导率最低。这表明本发明抗逆剂可以显著减轻干旱胁迫下叶片内电解质外渗。
图4显示抗逆剂缓解干旱胁迫下对叶片膜脂MDA含量的影响，结果显示当抗逆剂中甜菜碱含量为0.6-2.4gL-1时，一年生植物的MDA含量较低。其中当甜菜碱含量为1.2gL-1时，一年生植物的MDA含量最低。这表明本发明抗逆剂可以显著降低叶片膜脂过氧化水平，MDA含量显著降低。
图5显示抗逆剂缓解干旱胁迫下对叶片抗氧化酶活性的影响，结果显示当抗逆剂中甜菜碱含量为0.6-2.4gL-1时，一年生植物的叶片内抗氧化酶活性显著提高。其中当甜菜碱含量为1.2gL-1时，一年生植物的叶片内的抗氧化酶活性最高。
图6和图7显示抗逆剂对干旱胁迫下叶片内叶绿素和胡萝卜素含量的影响，在干旱胁迫或者干旱高温双重胁迫下未喷施抗逆剂的叶片内叶绿素和胡萝卜素含量显著下降，但喷施甜菜碱含量为1.2gL-1的抗逆剂，一年生植物的叶片内叶绿素和胡萝卜素含量未出现显著下降。
综合上述结果实验结果显示：叶面喷施抗逆剂有效缓解了逆境下叶绿素含量的下降，提高了叶片的光合能力；降低了叶片超氧自由基(O2·-)的积累，降低了叶片的相对电导率和膜脂过氧化水平，提高了平邑甜茶的抗干旱等胁迫能力。基于此，本发明还请求保护所述的植物高温干旱抗逆剂在植物抵抗高温和/或干旱胁迫中的应用。
本发明具体实施例中还比较了本发明抗逆剂与其他抗逆剂在降低MDA含量方面的差异，实验结果表明：
1)实施例1-实施例5中，实施例2降低叶片膜脂过氧化水平较佳，这表明在本发明抗逆剂中较佳的实施例为甘氨酸甜菜碱1.2g,尿素0.8g,吐温20 1mL的比例配制1年生幼苗抗逆剂溶液。这同时表明，甘氨酸甜菜碱、尿素、邻苯二酚在所述比例范围内在降低叶片膜脂过氧化水平具有显著的协同作用。
2)实施例6-实施例9与实施例2相比在于加入了不同比例的乙酰水杨酸，其中实施例6未表现出比实施例2更佳的抗逆效果，但实施例7、实施例8以及实施例9在降低叶片膜脂过氧化水平均优于实施例2，这表明在上述三种成分基础上加入乙酰水杨酸可以使得其在降低叶片膜脂过氧化水平具有显著的协同作用，其中实施例8的效果最佳。
3)对比实施例1-对比实施例4中均使用了不同的溶剂去替代吐温20，但结果显示其在降低膜脂过氧化水平均不及本发明所述的抗逆剂，这也反应了甘氨酸甜菜碱、尿素、邻苯二酚在所述比例范围内在降低叶片膜脂过氧化水平具有显著的协同作用，选用特定比例的吐温20作为组分与其他溶剂相比具有显著的技术优势。
本发明与现有技术具有如下技术优势：
1)叶面喷施抗逆剂有效缓解了逆境下叶绿素含量的下降，提高了叶片的光合能力；降低了叶片超氧自由基(O2·-)的积累，降低了叶片的相对电导率和膜脂过氧化水平，提高了平邑甜茶的抗干旱等胁迫能力。
2)甘氨酸甜菜碱、尿素、邻苯二酚在所述比例范围内在降低叶片膜脂过氧化水平具有显著的协同作用。在此基础上联合使用对乙酰水杨酸，当乙酰水杨酸与甜菜碱重量比在1:6-1:2之间时，四种成分具有显著的协同降低叶片膜脂过氧化水平的效果。
附图说明
图1为本发明抗逆剂对干旱胁迫下一年生植物叶绿素含量的影响。
图2为本发明抗逆剂对干旱胁迫下对叶片超氧自由基积累的影响。
图3为本发明抗逆剂对干旱胁迫下叶片的相对电导率的影响。
图4为本发明抗逆剂对干旱胁迫下叶片内MDA含量的影响。
图5为本发明抗逆剂对干旱胁迫下叶片抗氧化酶活性的影响。
图6为本发明抗逆剂在不同逆境胁迫下与未喷施组的叶绿素含量对比。其中ww：常规管理，DS：干旱胁迫，HS：高温胁迫，DS+HS:干旱和高温双重胁迫。
图7为本发明抗逆剂在不同逆境胁迫下与未喷施组的类胡萝卜素含量对比。其中ww：常规管理，DS：干旱胁迫，HS：高温胁迫，DS+HS:干旱和高温双重胁迫。
具体实施方式
以下通过具体实施例进一步描述本发明，但所述实施例并不以任何方式限定本发明专利保护的范围。
抗旱更持久,效果更加
实施例1本发明所述植物高温抗逆剂
按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱0.6g,尿素0.8g,吐温20 1mL的比例配制1年生幼苗用植物高温干旱抗逆剂水溶液,按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱5.8g,尿素1g,吐温201mL的比例配制1-3年幼树用植物高温干旱抗逆剂水溶液。
实施例2
按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱1.2g,尿素0.8g,吐温20 1mL的比例配制1年生幼苗用植物高温干旱抗逆剂水溶液,按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱7.0g,尿素1g,吐温201mL的比例配制1-3年幼树用植物高温干旱抗逆剂水溶液。
实施例3
按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱2.4g,尿素0.8g,吐温20 1mL的比例配制1年生幼苗用植物高温干旱抗逆剂水溶液,按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱7.0g,尿素1g,吐温201mL的比例配制1-3年幼树用植物高温干旱抗逆剂水溶液。
实施例4
按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱1.8g,尿素0.8g,吐温20 1mL的比例配制1年生幼苗用植物高温干旱抗逆剂水溶液,按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱8.5g,尿素1g,吐温201mL的比例配制1-3年幼树用植物高温干旱抗逆剂水溶液。
实施例5
按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱1.5g,尿素0.8g,吐温20 1mL的比例配制1年生幼苗用植物高温干旱抗逆剂水溶液,按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱6.5g,尿素1g,吐温201mL的比例配制1-3年幼树用植物高温干旱抗逆剂水溶液。
实施例6
按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱1.2g,尿素0.8g,对乙酰水杨酸0.1g，吐温20 1mL的比例配制1年生幼苗用植物高温干旱抗逆剂水溶液,按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱7.0g,尿素1g,对乙酰水杨酸0.6g，吐温20 1mL的比例配制1-3年幼树用植物高温干旱抗逆剂水溶液。
实施例7
按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱1.2g,尿素0.8g,对乙酰水杨酸0.2g，吐温20 1mL的比例配制1年生幼苗用植物高温干旱抗逆剂水溶液,按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱7.0g,尿素1g,对乙酰水杨酸1.16g，吐温20 1mL的比例配制1-3年幼树用植物高温干旱抗逆剂水溶液。
实施例8
按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱1.2g,尿素0.8g,对乙酰水杨酸0.4g，吐温20 1mL的比例配制1年生幼苗用植物高温干旱抗逆剂水溶液,按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱7.0g,尿素1g,对乙酰水杨酸2.32g，吐温20 1mL的比例配制1-3年幼树用植物高温干旱抗逆剂水溶液。
实施例9
按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱1.2g,尿素0.8g,对乙酰水杨酸0.6g，吐温20 1mL的比例配制1年生幼苗用植物高温干旱抗逆剂水溶液,按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱7.0g,尿素1g,对乙酰水杨酸3.5g，吐温20 1mL的比例配制1-3年幼树用植物高温干旱抗逆剂水溶液。
对比实施例1
按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱1.2g,尿素0.8g,邻苯二酚1mL的比例配制1年生幼苗用植物高温干旱抗逆剂水溶液,按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱7.0g,尿素1g,邻苯二酚1mL的比例配制1-3年幼树用植物高温干旱抗逆剂水溶液。
对比实施例2
按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱1.2g,尿素0.8g,聚乙二醇1mL的比例配制1年生幼苗用植物高温干旱抗逆剂水溶液,按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱7.0g,尿素1g,邻苯二酚1mL的比例配制1-3年幼树用植物高温干旱抗逆剂水溶液。
对比实施例3
按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱1.2g,尿素0.8g的比例配制1年生幼苗用植物高温干旱抗逆剂水溶液,按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱7.0g,尿素1g的比例配制1-3年幼树用植物高温干旱抗逆剂水溶液。
对比实施例4
按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱1.2g,尿素0.8g,吐温20 2mL的比例配制1年生幼苗用植物高温干旱抗逆剂水溶液,按照每升水中含有甘氨酸甜菜碱7.0g,尿素1g,邻苯二酚2mL的比例配制1-3年幼树用植物高温干旱抗逆剂水溶液。
按照试验例所述的方法测定胁迫下的MDA含量，其实验结果如下所示：
表1本发明抗逆剂在逆境胁迫下对叶片MDA含量(μmolg-1DW)的影响
组别 干旱胁迫 高温胁迫 干旱高温胁迫
对照例 0.058±0.009 0.035±0.009 0.075±0.009
实施例1 0.017±0.002 0.017±0.001 0.019±0.003
实施例2 0.011±0.003 0.012±0.001 0.011±0.001
实施例3 0.016±0.002 0.015±0.002 0.019±0.002
实施例4 0.014±0.001 0.012±0.004 0.016±0.004
实施例5 0.014±0.003 0.017±0.002 0.018±0.002
实施例6 0.016±0.002 0.018±0.004 0.016±0.003
实施例7 0.011±0.004 0.009±0.002 0.008±0.002
实施例8 0.006±0.002 0.004±0.002 0.006±0.001
实施例9 0.010±0.003 0.009±0.002 0.008±0.002
对比实施例1 0.024±0.005 0.022±0.001 0.026±0.004
对比实施例2 0.028±0.005 0.029±0.001 0.024±0.004
对比实施例3 0.035±0.005 0.032±0.001 0.036±0.004
对比实施例4 0.022±0.005 0.024±0.001 0.028±0.004
由上述结果可以看出，本发明所述的抗逆剂具有显著降低叶片膜脂过氧化水平，MDA含量显著降低。具体地：
1)实施例1-实施例5中，实施例2降低叶片膜脂过氧化水平较佳，这表明在本发明抗逆剂中较佳的实施例为甘氨酸甜菜碱1.2g,尿素0.8g,吐温20 1mL的比例配制1年生幼苗抗逆剂溶液。这同时表明，甘氨酸甜菜碱、尿素、邻苯二酚在所述比例范围内在降低叶片膜脂过氧化水平具有显著的协同作用。
2)实施例6-实施例9与实施例2相比在于加入了不同比例的乙酰水杨酸，其中实施例6未表现出比实施例2更佳的抗逆效果，但实施例7、实施例8以及实施例9在降低叶片膜脂过氧化水平均优于实施例2，这表明在上述三种成分基础上加入乙酰水杨酸可以使得其在降低叶片膜脂过氧化水平具有显著的协同作用，其中实施例8的效果最佳。
3)对比实施例1-对比实施例4中均使用了不同的溶剂去替代吐温20，但结果显示其在降低膜脂过氧化水平均不及本发明所述的抗逆剂，这也反应了甘氨酸甜菜碱、尿素、邻苯二酚在所述比例范围内在降低叶片膜脂过氧化水平具有显著的协同作用，选用特定比例的吐温20作为组分与其他溶剂相比具有显著的技术优势。
实验证实，叶面喷施本发明所述的植物高温干旱抗逆剂有效缓解了逆境下叶绿素含量的下降，提高了叶片的光合能力；降低了叶片超氧自由基(O2·-)的积累，降低了叶片的相对电导率和膜脂过氧化水平，提高了植物的抗干旱等胁迫能力。

Claims (9)

1.一种植物高温干旱抗逆剂，其有效活性成分由甜菜碱、尿素和吐温组成。
2.根据权利要求1所述的植物高温干旱抗逆剂,其特征在于,所述的植物为一年生幼苗，植物高温干旱抗逆剂的有效活性成分由0.06-0.24％甜菜碱，0.08％尿素和0.1％吐温20组成。
3.根据权利要求2所述的植物高温干旱抗逆剂,其特征在于,植物高温干旱抗逆剂中甜菜碱的浓度为0.12％。
4.根据权利要求1所述的植物高温干旱抗逆剂,其特征在于,所述植物为1-3年生，植物高温干旱抗逆剂的有效活性成分由0.58-0.93％甜菜碱，0.1％尿素和0.1％吐温20组成。
5.根据权利要求1所述的植物高温干旱抗逆剂,其特征在于,所述的植物高温干旱抗逆剂中甜菜碱的浓度为0.70％。
6.根据权利要求1-5任一所述的植物高温干旱抗逆剂,其特征在于,所述的抗逆剂中还包括对乙酰水杨酸，其中对乙酰水杨酸与甜菜碱的重量比为1:6-1:2。
7.根据权利要求6所述的植物高温干旱抗逆剂,其特征在于,所述的抗逆剂中对乙酰水杨酸与甜菜碱的重量比为1:3。
8.一种权利要求1-5任一所述的植物高温干旱抗逆剂的使用方法，其包括如下步骤：
(1)按照配比配制植物高温干旱抗逆剂水溶液：向1L水中添加甘氨酸甜菜碱0.6-2.4g，尿素0.8g，吐温20为1ml配制得到1年生幼苗用植物高温干旱抗逆剂水溶液；向1升水中添加甘氨酸甜菜碱5.8-9.3g，尿素1g，吐温20为1ml配制得到1-3年幼树用植物高温干旱抗逆剂水溶液；
(2)使用叶面喷洒装置向出现干旱胁迫和/或高温胁迫的植物叶面背面喷洒植物高温干旱抗逆剂水溶液，喷洒频率为每月连续喷洒3天，每天早晚各喷1次。
9.权利要求1-7所述的植物高温干旱抗逆剂在植物抵抗高温和/或干旱胁迫中的应用。
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