一种应用外源铁盐缓解镉对番茄毒害作用的水培方法及外源铁盐的应用

摘要

本发明提供了一种应用外源铁盐缓解镉对番茄毒害作用的水培方法及外源铁盐的应用，其包括如下步骤：将番茄种子用次氯酸钠溶液消毒后，均匀放置于装有蛭石的托盘中，待其长至两叶一心时期，在水培溶液中加入浓度为200‑300μmol·L

说明书

技术领域

本发明属于蔬菜种植技术领域，具体涉及一种应用外源铁盐缓解镉对番茄毒害作用的水培方法及外源铁盐的应用。

背景技术

镉(Cd)是环境中普遍存在的重金属和有毒污染物。由于污水废水灌溉，化肥施用和快速工业化，镉污染农区面积增加以及土壤镉浓度越来越明显。

镉对大多数生物体具有毒性，致突变性和致癌性。它在土壤中的积累可以造成对植物、动物和微生物毒害作用，并通过食物链影响人类健康。镉会显著抑制土壤磷酸酶、脱氢酶及脲酶的活性，影响土壤微生物尤其是细菌的区系。致使土壤肥力下降。进入植物体的镉会破坏植物细胞膜透性，抑制植物光合作用、呼吸作用、核酸代谢及酶活性，降低植物的产量和品质。

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。

Cd从土壤中被植物吸收后，首先在根部大量富集，然后一部分Cd通过体内转运途径迁移至地上部，一般来说，Cd在植物体内的分布趋势为根＞茎＞叶＞籽实，根对Cd的累积占总量的70％～80％，籽实只占1％～10％，但是烟草及某些蔬菜如胡萝卜叶片Cd含量高于根部。

通过木质部转运达叶片的Cd能够对叶片中叶绿素含量及光合系统产生毒害，表现为叶绿素含量随Cd浓度增加而下降，伴随明显的褪绿、黄化等症状。许多研究表明，重金属胁迫对植物的光合作用具有明显抑制作用，且抑制效应与处理时间和浓度成正相关。

Cd主要通过饮食进入人体，通过血液传输至全身各器官组织，主要累积于肝脏和肾中，在甲状腺、脾和胰等器官也有不同程度积累。大量Cd进入人体后引起急性中毒症状，强烈刺激胃粘膜，可引起呕吐、恶心、腹泻、腹痛。大量吸入氧化镉烟雾后，刺激喉部，出现咳嗽、胸闷、憋气，甚至表现为呼吸困难，轻者可引起肺水肿、肺炎，重者可患肺心病致死。低剂量长期暴露如长期饮用Cd

污染水和食用含较高浓度Cd的稻米，会致使Cd在人体内蓄集而诱发著名的“痛痛病”。另外，Cd被证实具有致癌，致畸和致突变的三致作用。

番茄是世界范围内广泛种植的蔬菜作物，对重金属胁迫相对敏感。镉胁迫严重影响番茄植株的品质和产量。茹淑华等研究发现，番茄能够耐受较高浓度重金属，而富集能力较小。相同重金属污染程度下，重金属番茄地上部以及果实中积累较少。Zhao等研究发现，低浓度的Cd对番茄幼苗生长具有促进作用，番茄幼苗过氧化物酶(POD)酶活性升高，然而高浓度Cd胁迫下，番茄幼苗生长受到抑制，其POD酶活性降低。

金属离子(Fe(II))是一种众所周知的与Cd相互作用的营养素。研究表明，Fe(II)的外源供应增加会导致植物如拟南芥和水稻对Cd的吸收量减少。外源施用Fe缓解Cd诱导的拟南芥叶片失绿症，生长抑制和氧化损伤，同时也通过Fe和Cd的吸收竞争降低拟南芥中的Cd含量。

已有大量的报道通过施用石灰调控土壤pH和调控土壤氧化还原状态等途径控制植物Cd积累，这些途径的本质在于降低土壤有效态镉含量。然而通过这些途径控制镉积累的同时也产生了大量不可避免的副作用，比如施用石灰提高土壤pH，在降低土壤有效态镉含量的同时也降低了多种矿质微量营养元素如铁、锰、铜、锌等的有效态含量，不利植物生长。且大多处于理论推测阶段，未能很好的解决实际问题。

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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的不足，提供一种应用外源铁盐缓解镉对番茄毒害作用的水培方法及外源铁盐的应用，本发明有效的减少在Cd胁迫下番茄中Cd的积累量46％-62.1％，提高番茄的品质。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种应用外源铁盐缓解镉对番茄毒害作用的水培方法，包括如下步骤：

将番茄种子用次氯酸钠溶液消毒后，均匀放置于装有蛭石的托盘中，待其长至两叶一心时期，在水培溶液中加入浓度为200-300μmol·L^-1的Fe溶液进行为期三周的水培处理。

所述Fe溶液是有由FeSO₄和EDTA-Na₂按1：1(v/v)配制而成，FeSO₄浓度为0.0278g/L，EDTA-Na₂浓度为0.0372g/L。

优选地，Fe溶液为250μmol·L^-1。

优选地，次氯酸钠溶液的质量浓度为3％。

优选地，水培条件为16小时光照，8小时黑暗，40％-60％相对湿度，白天26±2℃、夜间20±2℃。

一种外源铁盐在促进镉胁迫下番茄生长中的应用。

优选地，采用浓度为200-300μmol·L^-1的Fe溶液对番茄幼苗进行为期三周的水培处理。

优选地，采用Fe溶液对番茄幼苗进行水培处理是在其长至两叶一心时期后。

所述Fe溶液是有由FeSO₄和EDTA-Na₂按1：1(v/v)配制而成。FeSO₄浓度为0.0278g/L，EDTA-Na₂浓度为0.0372g/L。

所用番茄为Liger(耐镉)和Tabd(镉敏感)。

本发明的有益效果：

本发明在番茄种子长至两叶一心时期，在水培溶液中加入浓度为200-300μmol·L^-1的Fe溶液进行为期三周的水培处理，该方法降低了番茄SOD、POD活性和MDA含量，缓解Cd诱导的氧化胁迫。本发明提高了Cd胁迫下光合色素含量和光合速率。有效的减少在Cd胁迫下番茄中Cd的积累量46％-62.1％，提高番茄的品质；缓解了镉胁迫对番茄生长的抑制，可提高生物量11.1％-56.5％。

外源铁盐应用在促进镉胁迫下番茄生长中，显著缓解镉对番茄毒害作用。降低了番茄SOD、POD活性和MDA含量，缓解Cd诱导的氧化胁迫，提高了Cd胁迫下光合色素含量和光合速率。

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3％次氯酸钠溶液消毒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，分为3组，将1、2组番茄幼苗转移到含有1/2Hoagland营养液的水培盆中，将3组番茄幼苗转移到加入含有250μmol·L^-1Fe溶液的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16h，黑暗8h，相对湿度40％-60％，温度为26±2℃(昼)/20±2℃(夜)。培养3周后，挑选长势一致的壮苗进行移栽，第1组移栽至不添加Cd的全营养液中栽培，作为对照(CK)，第二组移栽至添加Cd的全营养液中栽培(Cd)，Cd浓度为5mg·L^-1(以CdSO₄加入)，第三组移栽至添加Cd的全营养液中栽培(Fe)，Cd浓度为5mg·L^-1(以CdSO₄加入)，每组设6个重复。

番茄成熟期采样，分根、茎和叶部收样，待测植物样品分别粉碎、称重后置于消解管中，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。

生物量：

用自来水将植物样品整株洗净后，再用去离子水反复冲洗，拭干。将番茄分为根、茎和叶部，用电子天平称取鲜重。随后将其分装，用烘箱杀青烘干至恒重，称取干重。

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(包括叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素)：

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Fe对Cd胁迫下番茄中镉积累量的影响

从表1、2可以看出，Cd胁迫下，两种基因型番茄的Cd累积量显著提高，Cd与CK比较，耐镉型番茄Liger根茎叶的Cd积累量分别增加了185％，217％，809％，镉敏感型番茄Tabd根茎叶的Cd积累量分别增加了191％，153％，743％，可以看出，番茄地下部的积累较地上部更多。经Fe盐预处理(Fe)后与未经处理(Cd)的相比，番茄的根茎叶部的Cd含量显著降低，耐镉型番茄Liger根茎叶的Cd积累量分别下降了62.0％，62.1％，53.7％，镉敏感型番茄Tabd根茎叶的Cd积累量分别下降了61.2％，46.0％，61.3％，可以看出，Cd胁迫下，应用外源Fe盐进行预处理后，可以显著降低番茄Cd的累积量。

表1外源Fe对耐镉型番茄(Liger)Cd含量的影响

表2外源Fe对镉敏感型番茄(Tabd)Cd含量的影响

外源Fe对Cd胁迫下两种基因型番茄中镉的影响

从表3、4可以看出，Cd胁迫下，两种基因型番茄的生物量显著降低，Cd与CK比较，耐镉型番茄Liger根茎叶的Cd积累量分别降低了219％，162％，125％，镉敏感型番茄Tabd的生物量分别降低了282％，286％，163％。经Fe盐预处理(Fe)后与未经处理(Cd)的相比，耐镉型番茄Liger的根部和叶部的生物量显著增加，分别增加了11.4％，11.1％，镉敏感型番茄Tabd根茎叶部的生物量显著增加，分别增加了56.5％，28.5％，37.7％，可以看出，Cd胁迫下，应用外源Fe盐进行预处理后，可以显著增加番茄的生物量，两种基因型番茄相比较，镉敏感型番茄Tabd的生物量增加更加显著。

表3外源Fe对耐镉型番茄(Liger)生物量的影响

表4外源Fe对镉敏感型番茄(Tabd)生物量的影响

外源Fe对Cd胁迫下番茄中抗氧化酶活性的影响

从表5、6可以看出，Cd胁迫下，Cd与CK比较，耐镉型番茄Liger的MDA，CAT，POD显著增加，分别增加了172％，175％，189％，镉敏感型番茄Tabd的SOD，MDA，GR，CAT，POD显著增加，分别增加了145％，87％，89％，155％，100％。表明植物的防御反应被诱导产生。经Fe盐预处理(Fe)后与未经处理(Cd)的相比，耐镉型番茄Liger的抗氧化酶活性无明显变化，镉敏感型番茄Tabd的SOD，GR，CAT，POD显著降低，分别降低了61.3％，82.4％，74.0％，70.0％，可以看出，Cd胁迫下，应用外源Fe盐可以缓解Cd对镉敏感型番茄Tabd的毒害。

表5外源Fe对耐镉型番茄(Liger)抗氧化酶活性的影响

表6外源Fe对镉敏感型番茄(Tabd)抗氧化酶活性的影响

从表7、8可以看出，Cd胁迫下，Cd与CK比较，耐镉型番茄Liger的叶绿素a，叶绿素b，类胡萝卜素含量显著降低，分别降低了67％，76％，27％，但镉敏感型番茄Tabd的叶绿素含量并无明显变化，表明Cd胁迫对其叶绿素含量影响较小。经Fe盐预处理(Fe)后与未经处理(Cd)的相比，耐镉型番茄Liger的叶绿素a，类胡萝卜素显著升高，分别升高了60.9％，40.7％，镉敏感型番茄Tabd的叶绿素b显著升高，升高了27.7％，可以看出，Cd胁迫下，应用外源Fe盐可以缓解Cd对耐镉型番茄Liger的光合作用抑制。

表7外源Fe对耐镉型番茄(Liger)光合色素的影响

表8外源Fe对镉敏感型番茄(Tabd)抗氧化酶活性的影响

从表9、10可以看出，Cd胁迫下，耐镉型番茄Liger的净光合速率，气孔导度，蒸腾速率和水分利用效率显著降低，分别降低了450％，600％，336％，19％，镉敏感型番茄Tabd的净光合速率和水分利用效率分别降低了46％，85％。表明在Cd胁迫下，番茄的光合作用受损。经Fe盐预处理(Fe)后与未经处理(Cd)的相比，耐镉型番茄Liger的净光合速率和水分利用效率分别增加了171％，300％，表明外源Fe盐的应用可以减轻光合作用的抑制，镉敏感型番茄Tabd除水分利用效率增加了88.2％，其他参数都较低。

表9外源Fe对耐镉型番茄(Liger)光合作用的影响

表10外源Fe对镉敏感型番茄(Tabd)光合作用的影响

本实验研究结果表明，在Cd胁迫下导致番茄幼苗生长受到限制，生物量减小，影响光合作用等。外源施用Fe可以改善镉耐性和镉敏感番茄基因型的镉毒性，增加番茄的生物量，增加光合色素含量，缓解光合作用性能，减少镉的积累以及提高番茄的抗氧化防御能力。

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3％次氯酸钠溶液消毒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，分为3组，将1、2组番茄幼苗转移到含有1/2Hoagland营养液的水培盆中，将3组番茄幼苗转移到加入含有220μmol·L^-1Fe溶液的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16h，黑暗8h，相对湿度40％-60％，温度为26±2℃(昼)/20±2℃(夜)。培养3周后，挑选长势一致的壮苗进行移栽，第1组移栽至不添加Cd的全营养液中栽培，作为对照(CK)，第二组移栽至添加Cd的全营养液中栽培(Cd)，Cd浓度为5mg·L^-1(以CdSO₄加入)，第三组移栽至添加Cd的全营养液中栽培(Fe)，Cd浓度为5mg·L^-1(以CdSO₄加入)，每组设6个重复。

番茄成熟期采样，分根、茎和叶部收样，待测植物样品分别粉碎、称重后置于消解管中，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。

经检测发现，在Cd胁迫下，外源施用Fe能够显著降低番茄的Cd积累量，增加番茄的生物量，提高番茄的品质。

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3％次氯酸钠溶液消毒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，分为3组，将1、2组番茄幼苗转移到含有1/2Hoagland营养液的水培盆中，将3组番茄幼苗转移到加入含有280μmol·L^-1Fe溶液的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16h，黑暗8h，相对湿度40％-60％，温度为26±2℃(昼)/20±2℃(夜)。培养3周后，挑选长势一致的壮苗进行移栽，第1组移栽至不添加Cd的全营养液中栽培，作为对照(CK)，第二组移栽至添加Cd的全营养液中栽培(Cd)，Cd浓度为5mg·L^-1(以CdSO₄加入)，第三组移栽至添加Cd的全营养液中栽培(Fe)，Cd浓度为5mg·L^-1(以CdSO₄加入)，每组设6个重复。

番茄成熟期采样，分根、茎和叶部收样，待测植物样品分别粉碎、称重后置于消解管中，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。

经检测发现，在Cd胁迫下，外源施用Fe能够显著降低番茄的Cd积累量，增加番茄的生物量，提高番茄的品质，缓解光合作用性能以及Cd诱导的氧化胁迫。

实施例4

除了将Fe溶液浓度变为300μmol·L^-1，其余与实施例1一致。

经检测发现，在Cd胁迫下，外源施用Fe能够显著降低番茄的Cd积累量，增加番茄的生物量，缓解光合作用性能，提高番茄的品质。

实施例5

除了将Fe溶液浓度变为200μmol·L^-1，其余与实施例1一致。

经检测发现，在Cd胁迫下，外源施用Fe能够显著降低番茄的Cd积累量，提高番茄的生物量，增加光合色素含量，缓解光合作用性能以及Cd诱导的氧化胁迫。

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。