CN109601356B - 一种含镉土壤中烟草的栽培方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于作物重金属安全领域,具体涉及一种含镉土壤中烟草的栽培方法,包括如下步骤:(1)烟草幼苗的培养:烟草种子萌发成烟苗,烟苗在营养液中培育至6~8叶;(2)降镉胁迫印迹的诱导:将步骤(1)中的烟苗移至诱导营养液中培养5~10天,转移至改良浓度霍格兰营养液中培养2~5天,其中所述诱导营养液为包括含预定量的NaCl或PEG的改良霍格兰营养液;(3)烟苗移栽:将经步骤(2)处理后的烟苗移栽至含镉土壤中,移栽后,浇透定根水,预定时间后施苗肥,然后按照正常烟叶生产技术流程进行栽培管理。本发明提供一种烟草降Cd栽培技术,经试验验证,能够在不影响烟草生产流程和产量品质的前提下,降低烟草地上部Cd含量20%以上。

Description

一种含镉土壤中烟草的栽培方法
技术领域
本发明属于作物重金属安全领域,具体涉及一种含镉土壤中烟草的栽培方法。
背景技术
目前的作物降Cd技术仍存在一些弊端,例如:土壤重金属钝化剂的持续使用容易引发二次污染;敲除Nramp5、HMA4等具有Cd吸收/转运能力的关键基因则会影响作物对其他营养元素的吸收(如:Fe、Mn、Zn等);喷洒叶面重金属阻抗剂则具有抑制蒸腾速率、影响光合作用的潜在风险。烟草(Nicotiana tobacum L.)作为世界重要经济作物,具有Cd专一富集特性,可作为作物降Cd新技术研发与机理研究的模式作物。
相关研究表明,植物在受到一定程度的生物或非生物胁迫后,会对再次出现的逆境展现出更快、更强的应对能力,这种生理现象被称作“胁迫印迹”或“胁迫诱导态”。同时还有研究发现,某些胁迫锻炼会使植物获得一些对其他类型胁迫的抗性,这种现象在小麦和烟草上均有发现,而这种胁迫印迹的诱导和激发可能与表观遗传学有关。
综上所述,亟需提供一种可安全、环保、高效的降低烟草镉吸收效率的含镉土壤中烟草的栽培方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种可安全、环保、高效的降低烟草镉吸收效率的烟含镉土壤中烟草的栽培方法。
上述目的是通过如下技术方案实现:一种含镉土壤中烟草的栽培方法,包括如下步骤:
(1)烟草幼苗的培养:烟草种子萌发成烟苗,烟苗在营养液中培育至6~8叶;
(2)降镉胁迫印迹的诱导:将步骤(1)中的烟苗移至诱导营养液中培养5~10天,转移至改良浓度霍格兰营养液中培养2~5天,其中所述诱导营养液为包括含预定量的NaCl或PEG的改良霍格兰营养液;
(3)烟苗移栽:将经步骤(2)处理后的烟苗移栽至含镉土壤中,移栽后,浇透定根水,预定时间后施苗肥,然后按照正常烟叶生产技术流程进行栽培管理。
本发明通过对烟草在苗期进行外源刺激,诱导和激发烟苗本身的抗Cd潜力,更加安全、环保、高效的降低烟草Cd吸收效率,该方法不会改变烟草的遗传信息,不存在转基因风险,同时,该方法不会向土壤中引入任何外源物质,因此也不存在土壤二次污染风险,本发明提供一种烟草降Cd栽培技术,经试验验证,能够在不影响烟草生产流程和产量品质的前提下,降低烟草地上部Cd含量20%以上。
进一步的技术方案是,所述步骤(3)中移栽土壤细碎,土壤养分状况良好,土壤中镉含量达到1.0mg/kg以上。
进一步的技术方案是,所述步骤(1)中烟苗生长至5~7叶,选取健壮烟苗移至0.5倍浓度的改良霍格兰营养液中继续培养2~5天,然后将营养液更换为0.75倍浓度的改良霍格兰营养液,继续培养2~5天,再将营养液更换为正常浓度的改良霍格兰营养液,继续培养2~5天。
进一步的技术方案是,所述步骤(1)中烟苗生长至5~7叶,选取健壮烟苗移至0.5倍浓度的改良霍格兰营养液中继续培养3天,然后将营养液更换为0.75倍浓度的改良霍格兰营养液,继续培养3天,再将营养液更换为正常浓度的改良霍格兰营养液,继续培养3天。
进一步的技术方案是,所述步骤(1)中烟草种子于纯净石英砂中萌发。
进一步的技术方案是,烟草种子萌发后每3天补充水分,并喷洒预定量的0.5倍浓度的改良霍格兰营养液以补充养分至烟苗生长至5~7叶。
进一步的技术方案是,所述诱导营养液中NaCl的浓度为8.77~23.38mg/L,或所述诱导营养液中PEG的浓度为15~25g/。
进一步的技术方案是,所述诱导营养液中NaCl的浓度为16mg/L,或所述诱导营养液中PEG的浓度分别为20g/L。试验结果表明,200μM NaCl处理能够显著降低烟草在10μMCdAc2处理30天后的地上部Cd含量,同时地上部生物量未发生显著变化,是较为稳妥的降Cd胁迫印迹激发方法;2.5%PEG-6000处理同样能够显著降低地上部Cd含量,但与之相伴的是地上部生物量也发生了显著性变化,作为烟草降镉胁迫印迹的激发条件应慎重考虑。
进一步的技术方案是,所述改良霍格兰营养液包括如下组分174.26mg/L K2SO4、39.00mg/L NaH2PO4·2H2O、442.78mg/L Ca(NO3)2·4H2O、61.62mg/L MgSO4·7H2O、5.56mg/LFeSO4·7H2O、3.72mg/L Na2-EDTA·2H2O、1.78mg/L MnCl2·4H2O、2.85mg/L H3BO3、0.23mg/LZnSO4·7H2O、0.075mg/L CuSO4·5H2O、0.086mg/L(NH4)6Mo7O24·4H2O。
进一步的技术方案是,所述步骤(1)烟苗在诱导营养液中培养7天,所述步骤(1)烟苗在改良浓度霍格兰营养液中培养3天。
本发明开发研究了一种含镉土壤中烟草的栽培方法,烟草全生育期能够有效抑制(Cd)的吸收,实验结果表明,此方法可有效抑制烟草的Cd吸收效率,成熟期烟株地上部Cd含量降幅可达到20%以上,且未对地上部生物量、功能叶的光合性能,以及NPK的吸收造成显著性影响。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1不同外源刺激7d,烟草在含Cd(10μM CdAc2)营养液中培养30天后的烟株地上部和根系表型变化;其中:T1,CdAc2(100μM);T2,Cd(NO3)2(100μM);T3,CdCl2(100μM);T4,NaCl(200μM);T5,KHCO3(500μM);T6,PEG-6000(2.5%);T7,BABA(200μM);T8,GSH(50μM);T9,IAA(10μM);CK,对照,下同;
图2不同外源刺激7d,烟草在含Cd(10μM CdAc2)营养液中培养30天前、后的烟株地上部和根系生物量变化,注:*和**分别表示在P=0.05和P=0.01水平上存在显著性差异,n=4;
图3不同浓度的NaCl和PEG-6000处理7d,对烟草30d后地上部Cd含量和生物量的影响;注:*和**分别表示在P=0.05和P=0.01水平上存在显著性差异,n=4;
图4NaCl和PEG-6000处理7d,烟草在Cd污染土壤中生长至成熟期时的地上部各部位Cd含量(A)和累积量(B)的变化,注:*表示在P=0.05水平上存在显著性差异,n=4;
图5NaCl和PEG-6000处理7d,烟草在Cd污染土壤中生长至各生育时期时的地上部生物量(A)、净光合速率(Pn,B)、蒸腾速率(Tr,C)和SPAD值(D)的变化,注:不同小写字母表示在P=0.05水平上存在显著性差异,n=4;
图6NaCl和PEG-6000处理7d,烟草在Cd污染土壤中生长至成熟期时的地上部各部位氮含量(A)、磷含量(B)、钾含量(C)、氮累积量(D)、磷累积量(E)、和钾累积量(F)的变化。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述,本部分的描述仅是示范性和解释性,不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外,本领域技术人员根据本文件的描述,可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
1、烟草幼苗的培养
S1烟草种子于纯净石英砂中萌发,每3天补充水分,如叶片发黄可适当喷洒0.5×浓度的改良霍格兰营养液(表1)以补充养分。
表1改良霍格兰营养液配方
Figure GDA0003283074100000041
S2待烟苗生长至5~7叶,从苗盘中选取长势一致的健壮烟苗,移至0.5×浓度的改良霍格兰营养液中进行继续培养。烟苗用打孔漂浮板固定,培养持续3天。
S3将营养液更换为0.75×浓度的改良霍格兰营养液,继续培养3天。
S4将营养液更换为正常浓度的改良霍格兰营养液,继续培养3天,此时烟苗为6~8叶左右,此后可以开始为期5~10天的降镉胁迫印迹的诱导处理(图1)。
2、降镉胁迫印迹的诱导方法
S1将烟苗连同漂浮板移至诱导营养液中,其中诱导营养液为含150~400μM NaCl/L(8.77~23.38mg/L)和1.5~2.5%PEG-6000(w/v,15~25g/L)的改良霍格兰营养液,培养持续5~10天,优选7天。
S2将烟苗连同漂浮板移至正常的改良浓度霍格兰营养液中,培养2~5天,优选3天,完成诱导处理(图1)。
3、诱导后烟苗移栽方法
将诱导后的烟苗移栽至含Cd土壤中,其中土壤Cd含量需达到国家三级污染标准(GB 15618-1995),即达到1.0mg/kg以上。要求移栽土壤细碎,土壤养分状况良好。移栽后,浇透定根水,7天后施苗肥,随后按照正常烟叶生产技术流程进行栽培管理。
4、镉含量鉴定方法
S1于烟株打顶后的第30天取烟株地上部,将叶片从茎上取下,叶片按照下、中、上部和新叶进行分类。
S2将植株样品放于鼓风干燥箱中,105℃杀青30min,随后转至80℃烘干至恒重(一般持续24h),记录各样品干重。
S3利用粉碎机将烘干后的植株样品粉碎,将粉碎后的样品置于高温、高压消解罐中,并利用HNO3-H2O2(5:2)高温高压消解法获得消解液,记录各样品粉末的参试重量和定容体积。
S4利用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS,X Series 2,Thermo FisherScientific,USA)测定各消解液中的Cd元素含量。
S5利用公式计算出各植株样品中的Cd含量,参考生物量可计算出Cd累积量,以正常土壤处理烟株和Cd污染土壤处理烟株为对照,计算降Cd胁迫印迹的降Cd效率。
下面结合图表对本发明进行详细描述,本部分的描述仅是示范性和解释性,不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外,本领域技术人员根据本文件的描述,可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
1、烟草降镉胁迫印迹激发条件的筛选
以主栽烤烟品种K326为材料,在烟苗60天时施加不同外源刺激,处理持续7天。本研究通过查阅大量相关文献,初步筛选出了9种可能会影响植物Cd吸收,或改变植物根系结构的外源刺激方法。随后将外源刺激后的烟苗移至改良霍格兰营养液中恢复3天,再移至含10μM CdAc2的改良霍格兰营养液中培养30天,30天后的烟株地上部和根系表型变化如图1所示,T1、T2和T3处理后的烟苗长势明显弱于其他处理。
分析各处理烟株于30天Cd处理前后的生物量变化发现,T1、T2和T3处理后的烟株在30天内已基本停止生长,T7、T8和T9处理显著抑制了烟苗生物量的增长(图1)。可见,以上这些外源刺激处理可能会对烟苗的后期生长和发育造成显著负面影响,作为降镉胁迫印迹的候选激发条件应慎重考虑,而T4、T5和T6则可作为激发烟草降镉胁迫印迹的备选方案。
对烟苗进行Cd含量测定后发现,60天的烟苗在受到持续7天的T4或T6外源刺激后,可以有效地降低其随后30d内的Cd吸收能力(表2)。叶同茎比较,茎的Cd含量下降更为明显,下降幅度最高达27.9%(表2)。
表2不同外源刺激7d,烟草在含Cd(10μM CdAc2)营养液中培养30天后的地上部、叶和茎中的Cd含量较对照降幅(%)
Figure GDA0003283074100000061
注:正值表示增幅;负值表示降幅,n=4。
2、烟草降镉胁迫印迹激发条件的优化
为了优化降镉胁迫印迹的激发条件,分别针对NaCl(T4)和PEG-6000(T6)设置了处理强度梯度试验(图3),试验流程同上。试验结果表明,200μM NaCl处理能够显著降低烟草在10μM CdAc2处理30天后的地上部Cd含量,同时地上部生物量未发生显著变化,是较为稳妥的降Cd胁迫印迹激发方法;2.5%PEG-6000处理同样能够显著降低地上部Cd含量,但与之相伴的是地上部生物量也发生了显著性变化,作为烟草降镉胁迫印迹的激发条件应慎重考虑。
3、降镉胁迫印迹的盆栽验证
将200μM NaCl或2.5%PEG-6000处理7天后的烟苗移栽至三级Cd污染土壤中(GB15618-1995,土壤实测值为1.17±0.04mg/kg),开展全生育期降Cd效果土培试验。于全部处理烟株现蕾后的第30天取烟株地上部,分部位测定Cd含量(图4,A),并计算Cd累积量(图4,B)。分析结果表明,两种降Cd胁迫印迹激发方式均能够明显降低成熟期烟草的地上部Cd含量,其中NaCl处理后的地上部Cd含量较对照下降26.4%,达到显著水平(P=0.05)。对比不同叶位Cd含量可以发现,下部烟叶的Cd含量降幅最大,达到28.8%,同样达到显著水平(P=0.05)。烟株Cd累积量具有相似的变化趋势。
为了评估降镉胁迫印迹是否会对烟草的生长发育造成不利影响,本研究不仅比较了成熟期不同处理的地上部生物量(图5,A),同时测定了烟草在关键生育时期(移栽期、团棵期、现蕾期、成熟期)的净光合速率(图5,B)、蒸腾速率(图5,C)和SPAD值(图5,D)变化。分析结果表明,土壤Cd胁迫会通过降低叶绿素含量来影响烟草的光合性能,而NaCl处理则可以在一定程度上提高叶绿素含量,进而缓解Cd对光合的抑制。
此外,本研究还评估了降镉胁迫印迹是否会对烟草的养分吸收造成不利影响,测定了成熟期的地上部各部位N、P、K含量(图6,A,B,C)和N、P、K累积量(图6,D,E,F)。分析结果表明,在本试验条件下,Cd胁迫并未对地上部的N、P、K吸收造成显著负面影响,甚至部分部位的养分吸收还有增加趋势,其中叶的N和K累积量的增加尤为明显(图6,D和F),而NaCl处理则进一步扩大了这一增幅,其中对茎中的N、P、K累积量的增加尤为显著。相较而言,PEG处理则在一定程度上降低了地上部的P累积量,可能会对烟株的营养状况造成一定程度的影响。
本发明的大致作用原理为:1、诱导根尖凯氏带早生,加快内皮层的木质化,加之绝大多数植物不具备Cd特异性吸收蛋白,因此该技术可有效抑制根系对非必须元素Cd的吸收效率;2、提高叶绿素含量,这可以在一定程度上抵消Cd胁迫对植物光合作用的抑制,恢复植物对养分的吸收利用,保持健康状态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种含镉土壤中烟草的栽培方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)烟草幼苗的培养:烟草种子萌发成烟苗,烟苗在营养液中培育至6~8叶;
(2)降镉胁迫印迹的诱导:将步骤(1)中的烟苗移至诱导营养液中培养5~10天,转移至改良浓度霍格兰营养液中培养2~5天,其中所述诱导营养液为包括含预定量的NaCl或PEG的改良霍格兰营养液,所述诱导营养液中NaCl的浓度为8.77~23.38mg/L,或所述诱导营养液中PEG的浓度为15~25g/L;
(3)烟苗移栽:将经步骤(2)处理后的烟苗移栽至含镉土壤中,移栽后,浇透定根水,预定时间后施苗肥,然后按照正常烟叶生产技术流程进行栽培管理。
2.根据权利要求1所述的含镉土壤中烟草的栽培方法,其特征在于,所述步骤(3)中移栽土壤细碎,土壤养分状况良好,土壤中镉含量达到1.0mg/kg以上。
3.根据权利要求1所述的含镉土壤中烟草的栽培方法,其特征在于,所述步骤(1)中烟苗生长至5~7叶,选取健壮烟苗移至0.5倍浓度的改良霍格兰营养液中继续培养2~5天,然后将营养液更换为0.75倍浓度的改良霍格兰营养液,继续培养2~5天,再将营养液更换为正常浓度的改良霍格兰营养液,继续培养2~5天。
4.根据权利要求3所述的含镉土壤中烟草的栽培方法,其特征在于,所述步骤(1)中烟苗生长至5~7叶,选取健壮烟苗移至0.5倍浓度的改良霍格兰营养液中继续培养3天,然后将营养液更换为0.75倍浓度的改良霍格兰营养液,继续培养3天,再将营养液更换为正常浓度的改良霍格兰营养液,继续培养3天。
5.根据权利要求4所述的含镉土壤中烟草的栽培方法,其特征在于,所述步骤(1)中烟草种子于纯净石英砂中萌发。
6.根据权利要求5所述的含镉土壤中烟草的栽培方法,其特征在于,烟草种子萌发后每3天补充水分,并喷洒预定量的0.5倍浓度的改良霍格兰营养液以补充养分至烟苗生长至5~7叶。
7.根据权利要求1所述的含镉土壤中烟草的栽培方法,其特征在于,所述诱导营养液中NaCl的浓度为16mg/L,或所述诱导营养液中PEG的浓度分别为20g/L。
8.根据权利要求1所述的含镉土壤中烟草的栽培方法,其特征在于,所述改良霍格兰营养液包括如下组分174.26mg/L K2SO4、39.00mg/L NaH2PO4·2H2O、442.78mg/L Ca(NO3)2·4H2O、61.62mg/L MgSO4·7H2O、5.56mg/L FeSO4·7H2O、3.72mg/L Na2-EDTA·2H2O、1.78mg/L MnCl2·4H2O、2.85mg/L H3BO3、0.23mg/L ZnSO4·7H2O、0.075mg/L CuSO4·5H2O、0.086mg/L (NH4)6Mo7O24·4H2O。
9.根据权利要求8所述的含镉土壤中烟草的栽培方法,其特征在于,所述步骤(1)烟苗在诱导营养液中培养7天,所述步骤(1)烟苗在改良浓度霍格兰营养液中培养3天。
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