趙懿穎 徐靖敏 李芳 白云旭 宋雯佩 李彩琴

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院園藝園林學(xué)院，廣東 廣州 510225)

氫氣(H2，hydrogen)在常溫常壓下是一種極易燃燒的氣體，具有還原性，性質(zhì)穩(wěn)定，過去大部分生物學(xué)家一直認(rèn)為氫氣是一種生理性惰性氣體。直到2007年，Ohsawa等提出氫氣具有選擇性抗氧化的作用[1]。近年來，學(xué)者對(duì)氫氣在植物學(xué)上的作用的研究逐漸增多，發(fā)現(xiàn)氫氣可協(xié)助植物對(duì)抗氧化應(yīng)激[2]，具有調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育[3,4]、改善土壤環(huán)境[5]、增強(qiáng)植物抗逆境能力[6-8]、提高植物品質(zhì)[9,10]等作用。

富氫水(HRW，hydrogen-rich water)是目前利用氫氣的一種較為理想的方法，關(guān)于HRW的植物學(xué)效應(yīng)的研究陸續(xù)展開，HRW與傳統(tǒng)化學(xué)藥劑相比安全無污染、成本低，在農(nóng)業(yè)應(yīng)用上有廣闊的前景，但若要HRW在農(nóng)業(yè)上有切實(shí)廣泛的應(yīng)用，還需進(jìn)一步揭示HRW在植物中的作用機(jī)理。研究表明，HRW預(yù)處理能顯著促進(jìn)種子萌發(fā)但具有濃度依賴效應(yīng)，低濃度的HRW對(duì)水稻種子的萌發(fā)率無顯著作用，而經(jīng)過50%HRW預(yù)處理后水稻種子的萌發(fā)率明顯提高[11]。HRW對(duì)種子萌發(fā)的促進(jìn)作用與種子α/β淀粉酶的活性的激活，加速還原糖和可溶性糖生成密切相關(guān)[12,13]。此外，研究還表明HRW對(duì)植物生長發(fā)育、抗逆境脅迫、保鮮貯藏等起著一定的積極作用。田婧蕓等發(fā)現(xiàn)，HRW處理能顯著增加玉米幼苗的根長、表面積、體積及根系平均直徑，以緩解鹽脅迫對(duì)玉米幼苗根系結(jié)構(gòu)的破壞[14]。半飽和濃度的HRW對(duì)黃瓜幼苗的株高、莖粗、鮮重、葉面積、可溶性糖和可溶性蛋白的含量均有顯著提高作用[15]。宋韻瓊等發(fā)現(xiàn)，不同濃度HRW浸泡種球和澆灌植株均可顯著增加小蒼蘭葉片長度和葉片寬度，縮短開花用時(shí)，并且一定程度上增加了花莖長度、花朵直徑和小花數(shù)量[16]。丁芳芳等研究表明，HRW澆灌對(duì)中藥材當(dāng)歸生長發(fā)育具有一定的促進(jìn)調(diào)節(jié)作用，能顯著增加當(dāng)歸葉片長度、寬度，增大葉面積，增強(qiáng)光合作物積累，從而提高當(dāng)歸產(chǎn)量[17]。紫外光(UV-A)的照射有利于植物花青苷含量的提高，HRW可通過重建植物體內(nèi)活性氧(ROS)的穩(wěn)態(tài)、提高花青苷合成相關(guān)基因的表達(dá)，誘導(dǎo)UV-A下積累更多花青苷[18]。HRW具有延緩植物衰老的作用，80% HRW處理可以通過調(diào)節(jié)抗氧化系統(tǒng)降低獼猴桃呼吸強(qiáng)度及果實(shí)腐爛率[19]；50% HRW處理可以發(fā)揮三華李果實(shí)的最佳保鮮效果，好果率、單果重、果實(shí)硬度和果實(shí)品質(zhì)均得到了最大程度保持，延緩了果實(shí)在貯藏過程中的成熟和衰老，延長貨架期[20]；HRW可通過保持水分平衡和膜穩(wěn)定性提高了鮮切花的瓶插壽命[21,22]。以水稻、番茄、黃瓜等為試驗(yàn)材料，通過不同濃度的HRW處理，證明可以在一定程度上增強(qiáng)植物抗非生物脅迫(高溫、干旱、重金屬)和抗病菌(灰霉病)侵染的能力[2,6,7,23]。

HRW是一種新型藥劑，相比于其他的生長調(diào)節(jié)劑和保鮮劑，具有清潔環(huán)保，對(duì)環(huán)境造成的污染較小等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用前景廣闊。本研究以“Micro-Tom”番茄為材料，通過不同濃度HRW灌溉植株，分析HRW對(duì)番茄種子萌發(fā)、坐果率、果實(shí)縱橫經(jīng)、單果鮮重及單株產(chǎn)量的影響，旨在豐富富氫水的植物學(xué)功能，為提出有效、安全、綠色環(huán)保的調(diào)控植物生長發(fā)育的新策略和技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用的番茄品種為“Mirco-Tom”，此番茄品種屬于矮生番茄，生長周期短，2～3個(gè)月即可開花結(jié)果，生長習(xí)性確定，果實(shí)個(gè)體小，產(chǎn)量大，易于實(shí)驗(yàn)操作。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 HRW溶液制備與含量測定

試驗(yàn)共分6組：清水處理為對(duì)照，5個(gè)HRW濃度(15%、25%、50%、75%和100%)為處理組。參照李彩琴等的方法，將100粒水素球置于去離子水中12h以上制得飽和HRW作為100% HRW，然后將飽和HRW立即用去離子水稀釋，制得相對(duì)體積15%、25%、50%和75%的HRW溶液。采用CT-8023富氫測試筆(深圳市柯迪達(dá)電子有限公司)測定新制備的飽和HRW中氫氣濃度約為0.7mmol·L-1。

1.2.2 番茄種子萌發(fā)及植株生長試驗(yàn)

挑選大小一致且健康飽滿的番茄種子，55℃溫水消毒15min，之后分別用清水(對(duì)照)、15%、25%、50%、75%、100% HRW浸泡20h，每24粒種子為一次重復(fù)，共3次重復(fù)。將處理好的種子分別播種于以泥炭土∶蛭石=2∶1為基質(zhì)的穴盤中，置25℃恒溫培養(yǎng)室(16/8h光暗交替)中培養(yǎng)，每粒/穴，每隔2～3d添加不同濃度HRW保持濕潤。從種子放入培養(yǎng)室開始計(jì)算天數(shù)，每天同一時(shí)間觀察種子的萌發(fā)情況，以觀察到種子破土為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)。

在番茄幼苗長至3葉1心時(shí)，選取長勢整齊一致的植株移栽至裝有基質(zhì)的小花盆中繼續(xù)培養(yǎng)，基質(zhì)材料為泥炭土∶蛭石=2∶1，之后每隔3～5d澆灌營養(yǎng)液(由不同濃度HRW配制而成)，每處理3個(gè)重復(fù)，每重復(fù)12株苗。3個(gè)月后測量番茄植株的莖稈粗度、果實(shí)縱橫經(jīng)、單果重，統(tǒng)計(jì)開花數(shù)量和坐果數(shù)量等。

1.2.3 種子萌發(fā)及生長發(fā)育指標(biāo)測定方法

發(fā)芽率：

式中，Gt為第t天的正常發(fā)芽的粒數(shù)；N為供試種子數(shù)。

發(fā)芽勢：

式中，n7為種子發(fā)芽置床培養(yǎng)7d時(shí)的正常發(fā)芽粒數(shù)；N為供試種子數(shù)。

發(fā)芽指數(shù)：

式中，Gt為第t天的正常發(fā)芽的粒數(shù)；Dt為置床之日算起的日數(shù)。

用游標(biāo)卡尺測量植株莖桿粗度、果實(shí)橫縱徑；用電子天平稱量果實(shí)鮮果單重量。

式中，m3為培養(yǎng)3個(gè)月后正常坐果數(shù)量；N為植株開花數(shù)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析處理

用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SigmaPlot 10.0軟件進(jìn)行制圖，SPSS 13.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)采用LSD法和Duncan法進(jìn)行一維方差多重比較分析，顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果分析

2.1 HRW處理對(duì)番茄種子萌發(fā)的影響

如表1所示，不同濃度HRW處理對(duì)番茄種子的萌發(fā)有不同程度的影響。與對(duì)照(0% HRW)相比，15%HRW、25%HRW、50%HRW、75%HRW和100%HRW處理后番茄種子最終發(fā)芽率呈下降趨勢，分別降低了4.91%、18.04%、14.75%、1.64%和11.47%，但降低效果并不顯著。75%HRW處理后番茄種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)有輕微提升，但與相比對(duì)照提升效果并不明顯；25%HRW處理后番茄種子的發(fā)芽勢明顯降低，與對(duì)照相比下降了76.21%。100%HRW處理后番茄幼苗根長增長幅度明顯，與對(duì)照相比長度增加了31.89%；25%和50% HRW處理后番茄幼苗根長生長較為緩慢，與對(duì)照相比根系長度縮短了11.35%和23.78%。

2.2 HRW處理對(duì)番茄植株莖稈粗度的影響

從圖1可知，不同濃度HRW處理后番茄植株莖桿粗度均有不同程度的增長。與對(duì)照相比，100%HRW處理對(duì)莖桿粗度的影響差異不顯著；15%HRW、25%HRW、50%HRW和75%HRW處理均顯著增加了番茄植株的莖桿粗度，與對(duì)照相比分別增加了4.57%、13.05%、6.76%和3.48%，其中25%HRW處理的增加作用最顯著。

表1 不同濃度HRW對(duì)番茄種子萌發(fā)的影響

圖1 不同濃度HRW對(duì)番茄植株莖粗的影響

2.3 HRW處理對(duì)番茄坐果的影響

從圖2可知，不同濃度HRW處理后番茄坐果率均有不同程度的提高。與對(duì)照相比，75%HRW處理對(duì)坐果率的影響差異不顯著；15%HRW、25%HRW、50%HRW和100%HRW處理均顯著提高了番茄植株的坐果能力，與對(duì)照相比提高了分別提高了18.01%、11.81%、18.32%和53.49%，其中100%HRW處理的提升效果最為顯著。

圖2 不同濃度HRW對(duì)番茄植株坐果率的影響

2.4 HRW處理對(duì)番茄果實(shí)橫徑、縱徑、單果重和產(chǎn)量的影響

由表2可知，與對(duì)照相比，25%HRW、50%HRW和75%HRW處理后，番茄果實(shí)橫徑和縱徑均顯著增加，增加幅度在2.34%～6.14%，15%HRW和100% HRW處理后果實(shí)橫徑和縱徑變化效果不顯著。番茄果實(shí)單果鮮重在25%HRW和50%HRW處理后顯著提高，與對(duì)照相比分別增加了13.37%和17.16%；100%HRW處理后單果鮮重最低，與對(duì)照相比減少了12.13%；15%HRW和75%HRW處理后果實(shí)單果鮮重變化不顯著。番茄單株產(chǎn)量在15%HRW、25%HRW、50%HRW和100%HRW處理后顯著提高，與對(duì)照相比分別增加了56.37%、53.48%、99.65%和41.98%，其中50% HRW處理的增產(chǎn)效果最為顯著；75% HRW處理后果實(shí)單株產(chǎn)量變化不顯著。

表2 不同濃度HRW對(duì)番茄果實(shí)橫徑、縱徑、單果重和產(chǎn)量的影響

3 討論

有研究顯示，通過不同濃度富氫水處理能夠促進(jìn)種子萌發(fā)，如丁芳芳等認(rèn)為,使用10%HRW浸泡當(dāng)歸種子后，其發(fā)芽率、發(fā)芽勢及發(fā)芽指數(shù)均能提高[13]；汪艷平等認(rèn)為，15%HRW和50%HRW處理對(duì)扦插豬籠草的發(fā)芽率、生根率、根長均有增加，且在不同品種之間不同濃度的HRW效果不同[24]。在本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)濃度HRW對(duì)番茄種子的發(fā)芽率及發(fā)芽指數(shù)影響效果均不明顯，25% HRW處理后的番茄種子發(fā)芽勢有明顯下降。本試驗(yàn)所用HRW處理起不到促進(jìn)番茄種子萌發(fā)的作用，反而有輕微抑制效果，這與前人研究有明顯不同，可能與不同物種種子自身的特性有關(guān)，或者所用富氫水的制備方法不同所致。已有研究表明，α-淀粉酶活性和過氧化物酶(POD)活性會(huì)隨著種子的萌芽力增強(qiáng)而提高[13,25]，因此可通過種子內(nèi)的酶活性變化進(jìn)一步分析HRW對(duì)種子萌發(fā)的作用。本研究也發(fā)現(xiàn)100% HRW處理可顯著促進(jìn)番茄幼苗根的生長，這與前人的研究是一致的[26]，但不同的濃度起到的效果不一樣。

本試驗(yàn)還通過測定不同濃度HRW處理后番茄植株坐果率、果實(shí)單果鮮重和單株產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)，100%HRW處理能提高坐果率，25%HRW和50%HRW處理均能提高番茄果實(shí)單果鮮重和單株產(chǎn)量，且50%HRW處理增產(chǎn)效果最大，表明富氫水處理能夠促進(jìn)植物生長發(fā)育，提高植物生物量的積累和產(chǎn)量[3,4,26]。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)通過生長發(fā)育各項(xiàng)指標(biāo)測定，對(duì)不同濃度富氫水處理的效果進(jìn)行了比較，試驗(yàn)結(jié)果表明，HRW雖對(duì)番茄種子的萌發(fā)無明顯作用，但HRW對(duì)番茄植株的生長發(fā)育具有很好的促進(jìn)效果，其中100%HRW可顯著提高番茄坐果率；50%HRW對(duì)番茄果實(shí)單果鮮重和單株產(chǎn)量的影響較為顯著。本研究使用的富氫水處理操作簡便、使用成本低、綠色環(huán)保，可為開展氫氣對(duì)農(nóng)作物生長發(fā)育及產(chǎn)量的研究或推廣應(yīng)用提供參考。