CN111201912B - 一种提高番茄果实中铁含量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高番茄果实中铁含量的方法，该方法为：对番茄植株在夜间进行红光LED光源照射补光，红光的强度为10‑50μmol m‑2s‑1。本发明方法使用发射红光的LED等在夜间对植物进行补光，从而诱导番茄铁吸收相关基因FER的表达，提高番茄根系中高铁还原酶(FCR)酶活性，因此提高了番茄对土壤中铁的吸收利用能力，得到具有更高含铁量的番茄果实。本发明方法采用适度的夜间补光，提高了番茄果实的营养品质，使人们能够从蔬菜中获得更多的膳食铁，具有较好地潜在应用价值，为提高土壤中铁元素的利用率及改善番茄果实品质提供了分子机理理论基础。
Description
技术领域
本发明属于番茄果实品质的研究领域，具体涉及一种提高番茄果实中铁含量的方法。
背景技术
番茄(Solanum lycopersicum L.)属于茄科作物，番茄属的一年生或多年生草本植物，原产南美洲，是世界上广泛栽培的蔬菜。番茄的果实营养丰富，具有特殊的风味。适宜日常生食、煮食或加工成番茄酱作为调味剂，餐桌需求量大。然而，与其他蔬菜相比，番茄虽然富含维生素，番茄红素等，但铁含量较低，难以满足人体对铁元素的需求。
适当的铁积累水平不仅对植物中许多生理过程有重要的作用，同时，对人体健康也至关重要。铁是人类膳食中必需的营养元素，当人体中没有足够的铁元素时会导致贫血。蔬菜为人们膳食铁的主要来源，富含铁的蔬菜能够有效地供给人体需要的铁元素。由于土壤中的铁大多以氧化态形式存在，特别是碱性土壤，石灰性和高重碳酸盐含量土壤严重降低了土壤中铁的有效性，导致植物对土壤中的铁利用率非常低。
提高植物对铁元素的吸收能力，是解决缺铁的有效途径。植物存在两种铁吸收机理，其中机理I为还原机理。在缺铁条件下，植物通过向根际土壤分泌氢离子及酚类化合物酸化土壤，增加其中的Fe3+的溶解性以及下一步植物根对Fe3+的还原能力。第二步植物通过根中的高铁还原酶FCR(Ferric Reduction Oxidase)将Fe3+还原为Fe2+。第三步通过根表面的二价铁转运蛋白IRT(Iron-regulated transporter)将二价铁转运至植物体内。番茄是一种典型的机理I植物。光对于植物不仅仅是提供光合作用所需的能量，同时还作为一种信号，参与植物生长发育的各个过程。然而，光信号对番茄铁吸收的作用及其调控机制均鲜见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单经济的提高番茄果实中铁含量的方法，从而改善现有番茄果实中铁含量低的问题，为人们提供更多的膳食铁，进一步迎合人体对铁元素的需求。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明实施例提供一种提高番茄果实中铁含量的方法，该方法为：对番茄植株在夜间进行红光LED光源照射补光，所述红光的强度为10-50μmol m-2s-1。
进一步地，所述的红光波长为660nm。
进一步地，所述的红光安装于番茄植株顶部，距离顶冠0.4-0.8米。
进一步地，所述的照射补光的照明时间为每晚4-6小时，所述的照射补光的照明时间可以从18点开始，其时间控制可用手动，也可用定时器控制照明时间。
进一步地，在番茄结果后持续补光，直至收获果实。
本发明采用LED光源，发光效率高，且具有稳定地工作特征，因此使用LED作为光源能进一步节省能量，提供稳定、可预期的光照。LED光源一般采用LED灯管或LED灯泡。
根据本发明的提高番茄果实中铁含量的方法，使用人造光源产生的红光照射植物，能够显著提高番茄果实中的铁含量，具有操作简单，无需额外使用肥料，且使用相对低的光强即可提高番茄果实的营养品质，经济环保。
本发明提供的利用LED光源对番茄植株进行红光补光，能够有效提高根系中高铁还原酶酶(FCR)活性，诱导铁吸收关键基因FER的表达，提高了番茄对土壤中铁的吸收利用能力，得到具有更高铁含量的番茄果实。
本发明的提高番茄果实中铁含量方法简单，利用红光LED光源对番茄叶面补充红光，利用系统性信号传导途径来提高番茄根系的铁利用效率，同传统遗传育种和转基因技术相比具有成本低、时间短，无副作用，效果好等特点。
本发明无需加施肥料即可提高番茄果实中的铁元素，这避免了增施肥料对土壤造成的污染，且操作简单，大量节省劳动力，是一种经济、有效、环保的手段，对提高番茄营养品质，经济效益，以及建立可持续农业皆具有十分重要的科学和现实意义。
利用补光增加番茄果实中的铁含量，可以为人们提供更多的膳食铁，进一步迎合人体对铁元素的需求，对人体健康也至关重要。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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。在附图中：
图1为本发明实施例1中番茄野生型(WT)和phyB突变体在补光或未补光条件下根系FER基因的相对表达量；
图2为本发明实施例1中番茄野生型(WT)和phyB突变体在补光(夜间补红光)或未补光(夜间黑暗)条件下根系高铁还原酶FCR活性相对变化量；
图3为本发明实施例1中番茄野生型(WT)和phyB突变体在补光(夜间补红光)或未补光(夜间黑暗)条件下根系高铁还原酶FCR活性；
图4为本发明实施例2中番茄野生型(WT)和phyB突变体在补光(夜间补红光)或未补光(夜间黑暗)条件下的果实铁含量；
图5为本发明实施例3中番茄野生型在未补光(夜间黑暗)或夜间补充不同强度的红光(10μmol·m-2·s-1、20μmol·m-2·s-1、30μmol·m-2·s-1、50μmol·m-2·s-1强度的红光)下，番茄果实铁含量。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征对于另一个实施例也可以与其他实施例一起使用。本发明旨在涵盖本发明公开的范围和精神内的其他更改和变型。
实施例1：夜间补红光对番茄植株铁吸收能力影响观察，具体包括以下步骤：
试验选用的番茄品种为野生型Moneymaker和红光受体突变体phyB，将种子播种于装有纯蛭石培养基的50孔穴盘中，每孔1粒种子。出苗后按照基质水分情况浇水保持基质湿润，待幼苗三叶一心时将幼苗移出，清洗干净后移入霍格兰营养液中。
1、正常条件下，野生型与phyB突变体生长环境为白天温度25℃，夜间为20℃，光照时间为8小时，光强300μmol m-2s-1。
2、补光的野生型与phyB突变体在8小时正常光照结束后补充660nm波长的红光，补光持续6小时，光强为20μmol m-2s-1。
3、养苗期间每隔3天更换一次营养液。
4、补光处理7天后取新鲜番茄根系检测高铁还原酶FCR酶活和FER基因表达量。
高铁还原酶FCR(Ferric chelate reductase)活性参考Grusak(1995)方法进行测定，操作步骤如下：在黑暗条件下，称取处理后的番茄根系0.1g，置于含有5mL反应液的试管中，在黑暗下振荡反应2小时。在562nm波长下测量反应液吸光度，以不加根样的反应液作为空白对照。最后根据Fe(II)-ferrozine浓度标准曲线计算根系FCR活性，最终数据以野生型夜间未补光的番茄根系FCR活性为100％。
根系高铁还原酶的定位分析：反应液组成0.5mM CaSO4，0.1mM MES，0.1mMferrozine和100μM FeEDTA，用1M NaOH将pH调至5.5。向反应液中加入0.7％的琼脂糖，加热溶解，倒入培养皿，冷却至45℃左右时，将番茄根系完全镶嵌进入反应液中，待琼脂糖凝固后，置于暗室内，于25℃条件下反应2h后，用数码相机拍摄图像。
基因表达分析：总RNA提取及逆转录：新鲜的根系样品收获后立即放入液氮中，然后保存于-80℃冰箱用于总RNA提取。将样品置于研钵加入液氮充分研磨，然后用植物RNA提取试剂盒(TIANGEN)并按照该试剂盒提供的说明书进行RNA提取。用PrimeScript RTreagent kit试剂盒(TaKaRa)并按照说明书进行cDNA合成，逆转录完成后样品保存在-20℃冰箱。实时定量PCR采用TAKARA公司的SYBR Premix Ex TaqTM(Perfect RealTime)Kit试剂盒并按照其反应体系进行。基因特异性引物见表1。
表1：实时定量PCR所用的引物
结果显示(图1-3)，在野生型番茄中，与未补光(夜间黑暗)处理相比，夜间补红光6小时后番茄植株根系中FCR酶活性增加，铁吸收关键基因FER表达量显著上调。而在红光受体突变体phyB中，未补光(夜间黑暗)条件下，其根系FCR酶活性、FER基因表达量均显著低于野生型，且夜间补红光后，根系FCR酶活性、FER基因表达量仍显著低于夜间补红光的野生型番茄。表明夜间补红光能显著提高番茄的铁吸收能力。
实施例2：对番茄植株进行夜间补红光处理，具体包括以下步骤：
试验选用的番茄品种为野生型Moneymaker和红光受体突变体phyB，将种子播种于装有纯蛭石培养基的50孔穴盘中，每孔1粒种子。出苗后按照基质水分情况浇水保持基质湿润，待幼苗三叶一心时将起移栽至营养钵中。
1、将营养钵中的番茄移栽到温室大棚中。
2、将具有660nm红光波长的LED灯设备装在番茄植株顶部，距离顶冠0.4-0.8米。
3、夜间补光6小时，光照强度为20μmol·m-2·s-1，持续到收获果实。
4、采摘花后50天左右的成熟番茄果实，105℃杀青30分钟。
5、将干样放置在65℃条件下3天彻底烘干。
6、称取干样0.1g，浓硝酸消解大约3小时至溶液澄清，通过电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES；FisonsARLAccuris，Ecublens，Switzerland)测定铁含量。
结果显示(图4)，在野生型番茄中，与未补光(夜间黑暗)处理相比，夜间补红光6小时后番茄果实中积累更多的铁元素。而在红光受体突变体phyB中，未补光(夜间黑暗)条件下，其铁含量显著低于野生型，且夜间补红光后，铁含量仍显著低于夜间补红光的野生型番茄。表明夜间补红光能显著提高番茄果实中铁含量。
实施例3：对番茄植株进行夜间补充不同强度红光，具体包括以下步骤：
试验选用的番茄品种为野生型Moneymaker，将种子播种于装有纯蛭石培养基的50孔穴盘中，每孔1粒种子。出苗后按照基质水分情况浇水保持基质湿润，待幼苗三叶一心时将起移栽至营养钵中。
1、将营养钵中的番茄移栽到温室大棚中。
2、将具有660nm红光波长的LED灯设备装在番茄植株顶部，距离顶冠0.4-0.8米。
3、夜间分别补充10μmol·m-2·s-1、20μmol·m-2·s-1、30μmol·m-2·s-1、50μmol·m-2·s-1强度的红光4-6小时，持续到收获果实。
4、采摘花后50天左右的成熟番茄果实，铁含量检测与实施例2完全相同。
结果显示(图5)，与未补光(夜间黑暗)的番茄果实相比，夜间补红光后番茄果实中的铁含量显著增加，且夜间补充10μmol·m-2·s-1、20μmol·m-2·s-1、30μmol·m-2·s-1、50μmol·m-2·s-1强度的红光时，番茄果实中铁含量没有随着补光强度的增强而增加，表明夜间补充低强度的红光足以激活红光信号进而提高番茄果实中铁含量。
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 (2)
1.一种提高番茄果实中铁含量的方法，其特征在于，该方法为：对番茄植株在夜间进行红光LED光源照射补光，所述红光的强度为10-50μmol m-2 s-1；所述的红光波长为660nm；所述的照射补光的照明时间为每晚4-6小时；在番茄结果后持续补光，直至收获果实。
2.根据权利要求1所述的一种提高番茄果实中铁含量的方法，其特征在于，所述的红光安装于番茄植株顶部，距离顶冠0.4-0.8米。
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