微酸性電解水對(duì)番茄幼苗抗旱性的影響

艾楷棋，趙艷艷，曹凱，3，丁娟娟，葉章穎，鄒志榮，3

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100；2.青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院，甘肅 青海810016；3.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所 長(zhǎng)江中下游設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210014；4.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州310058）

電解水又名電生功能水或電解離子水，是將稀釋鹽溶液或稀鹽酸溶液在電解裝置中進(jìn)行電解，使水的pH 值、氧化還原電位（oxidation reduction potential，ORP）和有效氯濃度（available chlorine concentration，ACC）等理化指標(biāo)發(fā)生變化而產(chǎn)生具有殺菌特性的功能水。電解水按其電解方式和pH 值可分為強(qiáng)酸性電解水和微酸性電解水。微酸性電解水（slightly acidic electrolyzed water，SAEW）經(jīng)無(wú)隔膜電解槽里通過(guò)直流電壓（2V）電解稀鹽酸（2%～6%）生成，陽(yáng)極產(chǎn)生的氯氣和水反應(yīng)生成酸性電解水殺菌的基礎(chǔ)HClO，其存在比例因pH 值的不同而變化，陽(yáng)極的另一個(gè)產(chǎn)物H＋使SAEW 的pH 值為5.0～6.5，接近中性的pH 值讓殺菌能力極強(qiáng)的HClO 在SAEW 有效氯中的占比達(dá)到97%，使有效氯濃度低的微酸性電解水殺菌廣譜快速高效，同時(shí)不會(huì)對(duì)人體造成傷害也對(duì)其它物體幾乎無(wú)腐蝕性［1～5］。

在園藝領(lǐng)域，除了其殺菌特性被用于種子消毒和病害防治外，微酸性電解水對(duì)園藝作物的其它功能性也得到了研究者們的關(guān)注。利用微酸性電解水澆灌植物表現(xiàn)出明顯的促長(zhǎng)效應(yīng)，一方面，由于電解水是一種帶微電流的水，施于土壤后給土壤創(chuàng)造一個(gè)微電流環(huán)境，可以抑制許多厭氧菌的生長(zhǎng)，抑制了土傳病害的發(fā)生；另一方面，由于電解水使土壤中許多礦質(zhì)元素得到活化，從而促進(jìn)了植株的生長(zhǎng)發(fā)育與代謝。此外，經(jīng)電場(chǎng)電解后的水，其水分子的存在狀態(tài)發(fā)生了變化，它的水分子團(tuán)被裂解成小的分子團(tuán)或單分子，活性更強(qiáng)，滲透吸收力提高，達(dá)到了促長(zhǎng)之目的，它的促長(zhǎng)效應(yīng)是多方面的［6，7］。王利春等［8］研究表明，隨著水培空心菜的營(yíng)養(yǎng)液中有效氯濃度增大，空心菜的干鮮重等產(chǎn)量指標(biāo)，可溶性糖含量和維生素C 含量均呈現(xiàn)先增多后減少的趨勢(shì)。相立等［9］發(fā)現(xiàn)在連作土壤中澆灌微酸性電解水能使平邑甜茶的生物量顯著提高。

據(jù)測(cè)算，干旱作為最常見(jiàn)的自然災(zāi)害每年給全球造成的經(jīng)濟(jì)損失最高達(dá)80 億美元，造成的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其它氣象災(zāi)害。在我國(guó)農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害的損失中干旱所造成的損失占50%以上，是我國(guó)農(nóng)業(yè)面臨的最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害，而且近年來(lái)呈現(xiàn)逐步加劇的趨勢(shì)［10］。大量研究表明，施用外源物質(zhì)可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、維持正常的生理活動(dòng)、增強(qiáng)植物對(duì)干旱脅迫的耐受性、緩解干旱脅迫對(duì)植物的傷害［11］。Zhou 等［12］發(fā)現(xiàn)使用微酸性電解水澆灌生菜可以減輕干旱脅迫的影響，并且不會(huì)破壞生菜的品質(zhì)。目前，微酸性電解水對(duì)番茄幼苗干旱脅迫下抗氧化能力的影響鮮有報(bào)道，因此，試驗(yàn)將研究自然干旱條件下，經(jīng)微酸性電解水處理的番茄幼苗質(zhì)膜穩(wěn)定性、活性氧含量和抗氧化酶活性的變化情況，以探究微酸性電解水影響番茄幼苗抗旱性的機(jī)理。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及材料培養(yǎng)

試驗(yàn)于2019 年3 月至2020 年1 月在陜西省楊凌區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)南校區(qū)農(nóng)學(xué)院負(fù)一層人工氣候室N30-1 中進(jìn)行。供試番茄種子品種為’金棚8 號(hào)’，由西安金鵬種苗有限公司提供。栽培基質(zhì)由楊凌裕豐種業(yè)有限公司提供。微酸性電解水使用旺旺水神HD-240L 次氯酸生成器制備（由上海旺普貿(mào)易有限公司提供），通過(guò)調(diào)節(jié)電流大小和水流流速可控制有效氯濃度（ACC），制備好的微酸性電解水及時(shí)使用或避光密閉貯存。經(jīng)前期有效氯濃度20、40、60、80 mg·L-1梯度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)80 mg·L-1的微酸性電解水會(huì)對(duì)番茄幼苗的生長(zhǎng)有一定的促長(zhǎng)效應(yīng)，因此采用有效氯濃度為80 mg·L-1的微酸性電解水作為處理用水，試驗(yàn)所用澆灌用水均由1/2 倍山崎番茄營(yíng)養(yǎng)液母液配制，理化特性如下表1 所示。種子催芽后選發(fā)芽一致的幼苗播種在裝有基質(zhì)（草炭∶珍珠巖∶蛭石=3∶1∶1）的72孔穴盤(pán)中，置于氣候室內(nèi)培養(yǎng)，晝溫26～28 ℃，夜溫18～20 ℃，濕度為70%±5%，每層培養(yǎng)架光照強(qiáng)度約為（260±10）μmol·m-2·s-1，常規(guī)管理。待幼苗二葉一心期時(shí)每盤(pán)澆灌1 次1/2 倍山崎番茄營(yíng)養(yǎng)液500 mL。當(dāng)幼苗長(zhǎng)至三葉一心時(shí)，挑選長(zhǎng)勢(shì)一致的移栽至裝有草炭的5 cm×5 cm 營(yíng)養(yǎng)缽中，共移栽200 株，緩苗3 d 后進(jìn)行試驗(yàn)處理。

表1 試驗(yàn)所用SAEW 和自來(lái)水理化特性Table 1 The physicochemical parameters of the treatment solutions

1.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)處理期間的環(huán)境條件與育苗期保持一致。選取長(zhǎng)勢(shì)良好的幼苗，每個(gè)處理40 株，每20株置于1 個(gè)鐵托盤(pán)內(nèi)，每層培養(yǎng)架可放置2 個(gè)鐵托盤(pán)。設(shè)置3 個(gè)處理：CK，自來(lái)水營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)9 d 后繼續(xù)正常澆灌3 d；D，自來(lái)水營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)9 d 后自然干旱3 d；D80，微酸性電解水營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)9 d 后自然干旱3 d。澆灌于每天上午9：00 進(jìn)行1 次，每20 株澆灌量為1 L，自然干旱的土壤水分含量分別在 光 照 開(kāi) 始 前（7：00～8：00）和 光 照 結(jié) 束 后（20：00～21：00）采用稱重法測(cè)量，自然干旱1、2、3d 土壤水分含量分別約為50%～65%，25%～50%，10%～25%，可分別代表輕度干旱，中度干旱和重度干旱。每天13：00～15：00 隨機(jī)取樣用于各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定，每個(gè)處理重復(fù)5 次。

1.3 指標(biāo)測(cè)定及方法

相對(duì)電解質(zhì)滲透率測(cè)定采用電導(dǎo)率法，丙二醛含量測(cè)定采用硫代巴比妥酸（TBA）法［13］。O2ˉ·含量測(cè)定采用羥胺法，H2O2含量測(cè)定參照石玉［13］的方法。SOD 活性測(cè)定采用硝基藍(lán)四氮唑（NBT）法［14］，POD 活性測(cè)定用愈創(chuàng)木酚法，CAT 活性測(cè)定采用紫外吸收法［15］。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 數(shù)據(jù)處理軟件（version 20.0，IBM Inc.，USA）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，利用Duncan’s 法進(jìn)行單因素方差分析及顯著性測(cè)試，顯著水平P＜0.05。采用Office Excel 2016 和GraphPad Prism 6.01（GraphPad Softwae Inc.，La Jolla，CA，USA）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及圖表制作。結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 SAEW 澆灌對(duì)干旱脅迫下番茄幼苗質(zhì)膜穩(wěn)定性的影響

2.1.1 SAEW 澆灌對(duì)干旱脅迫下番茄幼苗相對(duì)電解質(zhì)滲透率的影響

隨著自然干旱時(shí)間的增長(zhǎng)，干旱脅迫程度越高，D 處理的番茄幼苗葉片和根系的相對(duì)電解質(zhì)滲透率不斷增大，說(shuō)明膜透性增大，細(xì)胞膜的完整性遭到破壞。干旱處理2 d，D80 與D 相比，葉片和根系中的相對(duì)電解質(zhì)滲透率分別降低17.78% 和19.93%（圖1），差異均有顯著性（P＜0.05），說(shuō)明微酸性電解水在中度干旱脅迫時(shí)一定程度上能降低相對(duì)電解質(zhì)滲透率，保持一定的膜完整性。

2.1.2 SAEW 澆灌對(duì)干旱脅迫下番茄幼苗丙二醛含量的影響

由圖2 可知，D 處理的番茄幼苗葉片和根系中的MDA 含量隨自然干旱時(shí)間增加而不斷積累。自然干旱2 d，D80 較D 葉片中MDA 積累量減少21.83%，差異顯著（P＜0.05），與CK 相比積累量略有升高但無(wú)顯著性差異（圖2A）；D80 則較D 根系中MDA 含量降低17.98%，但差異不顯著（圖2B）。自然干旱3 d，D80 與D 相比，葉片和根系中的MDA 積累量分別減少17.98%和17.61%，但差異不顯著（圖2）。結(jié)果表明，微酸性電解水處理后的番茄幼苗葉片在中度干旱脅迫時(shí)MDA 含量積累更少，質(zhì)膜穩(wěn)定性相對(duì)更高。

圖1 微酸性電解水對(duì)干旱脅迫下番茄幼苗相對(duì)電解質(zhì)滲透率的影響Fig.1 Effect of SAEW on content of relative electrolyte leakage of tomato seedlings under drought stress

圖2 微酸性電解水對(duì)干旱脅迫下番茄幼苗丙二醛含量的影響Fig.2 Effect of SAEW on content of MDA of tomato seedlings under drought stress

2.2 SAEW 澆灌對(duì)干旱脅迫下番茄幼苗O2ˉ·和H2O2含量的影響

2.2.1 SAEW 澆灌對(duì)干旱脅迫下番茄幼苗O2ˉ·含量的影響

D 和D80 的番茄幼苗葉片和根系中的O2ˉ·含量隨著干旱脅迫程度增大而增加。自然干旱2 d和3 d，D80 較D 葉片中O2ˉ·含量分別降低17.91%和11.70%，無(wú)顯著性差異（圖3A）；根系中O2ˉ·含量則分別減少18.95%和15.20%，差異不顯著（圖3B）。結(jié)果表明，經(jīng)微酸性電解水處理后的番茄幼苗在干旱脅迫時(shí)對(duì)O2ˉ·的清除具有一定作用，但效果不明顯。

圖3 微酸性電解水對(duì)干旱脅迫下番茄幼苗超氧陰離子含量的影響Fig.3 Effect of SAEW on content of superoxide anion radical（O2ˉ·）of tomato seedlings under drought stress

2.2.2 SAEW 澆灌對(duì)干旱脅迫下番茄幼苗H2O2含量的影響

D 的番茄幼苗葉片和根系中的H2O2含量隨干旱程度加深而不斷累積，而D80 中葉片和根系H2O2含量則在重度干旱時(shí)顯著增高。自然干旱1 d，D 與CK 和D80 相比，葉片中H2O2含量分別增加31.17%和32.81%，差異顯著（P＜0.05）（圖4A）。自然干旱2 d，D80 與D 相比，葉片和根系中H2O2含量分別減少22.77%和29.89%，差異具有顯著性（P＜0.05）；自然干旱3 d，D80 較D 葉片中H2O2含量分別減少13.23%和10.89%，差異不顯著（圖4）。結(jié)果表明，經(jīng)微酸性電解水處理過(guò)的番茄幼苗能夠在輕度和中度干旱脅迫時(shí)及時(shí)清除過(guò)量的H2O2，但在重度干旱時(shí)作用效果不明顯。

圖4 微酸性電解水對(duì)干旱脅迫下番茄幼苗過(guò)氧化氫含量的影響Fig.4 Effect of SAEW on content of hydrogen peroxide（H2O2）of tomato seedlings under drought stress

2.3 SAEW 澆灌對(duì)干旱脅迫下番茄幼苗抗氧化酶活性的影響

2.3.1 SAEW 澆灌對(duì)干旱脅迫下番茄幼苗超氧化物歧化酶活性的影響

番茄幼苗葉片和根系的SOD 活性隨干旱程度增加呈先升高后降低的趨勢(shì)（圖5）。自然干旱2 d，D 和D80 分 別 比CK 葉 片SOD 活 性 高15.26%和18.51%，根系中則分別提高13.71% 和15.55%，差異均具有顯著性（P＜0.05），但D 和D80 之間，葉片及根系中SOD 活性差異不顯著。自然干旱3 d，D 和D80 葉片和根系SOD 活性較CK 均顯著下降，但D 與D80 相比，葉片和根系SOD 活性分別高10.30% 和14.31%，差異顯著（P＜0.05）。結(jié)果表明，經(jīng)微酸性電解水處理的番茄幼苗進(jìn)入重度干旱時(shí)，葉片和根系中SOD 活性下降更緩慢，有助于活性氧的清除，緩解干旱脅迫對(duì)植株造成的傷害。

2.3.2 SAEW 澆灌對(duì)干旱脅迫下番茄幼苗過(guò)氧化物酶活性的影響

番茄幼苗葉片和根系的POD 活性隨干旱程度增加而增大（圖6）。自然干旱2 d 和3 d，D80 較D葉片中POD 活性分別增加6.70%和7.74%，但差異均不顯著（圖6A）；根系中POD 活性則分別增加0.98%和0.74%，均無(wú)顯著性差異（圖6B）。結(jié)果表明，微酸性電解水對(duì)番茄幼苗葉片和根系中POD 活性略有促進(jìn)作用，但影響不明顯。

圖5 微酸性電解水對(duì)干旱脅迫下番茄幼苗超氧化物歧化酶活性的影響Fig.5 Effect of SAEW on superoxide dismutase（SOD）activities of tomato seedlings under drought stress

圖6 微酸性電解水對(duì)干旱脅迫下番茄幼苗過(guò)氧化物酶活性的影響Fig.6 Effect of SAEW on peroxidase（POD）activities of tomato seedlings under drought stress

2.3.3 SAEW 澆灌對(duì)干旱脅迫下番茄幼苗過(guò)氧化氫酶活性的影響

番茄幼苗葉片和根系的CAT 活性隨干旱程度增加呈先升高后降低的趨勢(shì)（圖7）。由圖7A 可知，自然干旱2 d，D 和D80 葉片CAT 活性分別較CK 高2.22%和2.93%，差異顯著（P＜0.05），但兩者之間差異不顯著，自然干旱3 d，D80 較D 高2.46%，具有顯著性差異（P＜0.05）；從圖7B 可以看出，自然干旱2 d，D80 較D 根系中CAT 活性高2.34%，差異不顯著，自然干旱3 d，D80 較D 根系中CAT 活性增加8.18%，差異顯著（P＜0.05）。結(jié)果表明，微酸性電解水減緩了番茄幼苗葉片和根系在重度干旱時(shí)CAT 活性降低程度，從而協(xié)助活性氧的清除，緩解干旱脅迫帶來(lái)的影響。

圖7 微酸性電解水對(duì)干旱脅迫下番茄幼苗過(guò)氧化氫酶活性的影響Fig.7 Effect of SAEW on catalase（CAT）activities of tomato seedlings under drought stress

3 討論與結(jié)論

在干旱條件下，植物為了抵御脅迫，質(zhì)膜通透性提高，抗氧化系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)（MDA、H2O2、O2ˉ·、SOD、POD 和CAT）含量均明顯提高，這在多篇文獻(xiàn)中有所報(bào)道［16～18］，與本研究結(jié)果相一致。

干旱脅迫下作為植物根系，需要減少體內(nèi)水損失并尋找更多的水分。植物質(zhì)膜上存在非活化的質(zhì)子泵（H+-ATP 酶），當(dāng)植物缺水時(shí)，O2ˉ·和H2O2積累引起植物脫落酸ABA 含量增加，刺激下游生長(zhǎng)素活化了質(zhì)子泵，大量的H+進(jìn)入細(xì)胞壁，引起細(xì)胞壁酸化，這時(shí)質(zhì)膜的通透性提高，更多的水分子會(huì)進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)［19］。本研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)在干旱脅迫下外源添加了SAEW，一方面是SAEW 澆灌后番茄幼苗葉片和根系中的相對(duì)電解質(zhì)滲透率和MDA 含量也持續(xù)減少（圖1，圖2），這與馮玉龍等［20］外源添加微酸性電解質(zhì)后，番茄幼苗相對(duì)電解質(zhì)滲透率和MDA 含量均下降。其原因可能在于外源電解質(zhì)的增加，增大了根系外細(xì)胞濃度，而植物為了保持吸水的能力，需要阻止更多的電解質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。另一方面植物O2ˉ·和H2O2積累（圖3，圖4）明顯降低，這與孫德智等［21］使用弱酸性Ca（NO3）2對(duì)番茄幼苗進(jìn)行澆灌后，O2ˉ·和H2O2含量降低結(jié)果是一致的，其主要原因可能在于微酸性的環(huán)境會(huì)釋放H+離子，這可直接酸化細(xì)胞壁，負(fù)反饋減少了ABA 含量。降低細(xì)胞滲透壓阻止電解質(zhì)進(jìn)入，外源對(duì)細(xì)胞壁和周圍環(huán)境酸化使根系增長(zhǎng)，都有助于細(xì)胞保持體內(nèi)水分和吸收更多的水分，這是植物對(duì)干旱脅迫的應(yīng)對(duì)策略，已在多篇文獻(xiàn)中被報(bào)道［22，23］。

干旱脅迫下作為植物葉片，需要減少更多的水分散失防止葉片衰老。在干旱脅迫下，植物氣孔關(guān)閉，凈光合、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度均明顯下降［24］，這會(huì)引起細(xì)胞整體的代謝速率的下降，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不足以植物應(yīng)對(duì)脅迫，那么大量的葉片就會(huì)發(fā)生衰老，為了應(yīng)對(duì)這種損傷細(xì)胞啟動(dòng)抗氧化防御機(jī)制。我們的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)外源添加SAEW 后，植物體內(nèi)的SOD、POD 和CAT 含量均提高（圖5～圖7），這與徐寧等［25］通過(guò)在植物中添加弱酸性褪黑素可以顯著提高植物抗氧化性酶活性結(jié)果一致。這主要是為了消除ROS 對(duì)植物葉片的損傷，其中，劉瑞［26］研究發(fā)現(xiàn)使用微酸性電解水可以減少番茄幼苗ROS 的積累，曹逼力等［27］和石玉［13］均發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下，硅能降能低番茄幼苗的ROS 自由基含量。因此SAEW 澆灌可能通過(guò)直接刺激根系啟動(dòng)抗氧化系統(tǒng)來(lái)減少ROS 自由基，或通過(guò)促進(jìn)根系對(duì)硅的吸收來(lái)提高對(duì)ROS 自由基的清除能力，用來(lái)緩解干旱脅迫對(duì)植物葉片造成的損傷，這在相關(guān)研究中有所提及［28，29］。

對(duì)于弱酸性電解水對(duì)植物抗旱性的作用機(jī)制，我們發(fā)現(xiàn)隨干旱時(shí)間和程度的增加SOD 和CAT 活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，而POD 活性呈現(xiàn)先增加后升高的趨勢(shì)（圖5，圖6），可能是由于POD 防御系統(tǒng)在SOD 防御體系之后，當(dāng)干旱脅迫不斷加重體內(nèi)ROS 積累過(guò)多，SOD 不足以應(yīng)對(duì)脅迫因此會(huì)啟動(dòng)POD 對(duì)H2O2進(jìn)行清除，這與肖偉等［30］的研究結(jié)果一致。中度脅迫下各個(gè)抗氧化酶活性均發(fā)生提高，而在重度干旱脅迫下，SAEW 能有效緩解SOD 和CAT 活性的下降，并提高POD活性（圖5～圖7），這與王寧［31］的研究結(jié)果是一致的。SAEW 能夠促進(jìn)的番茄適應(yīng)水分脅迫，與HOCl 密切相關(guān)，HOCl 可以通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散穿透質(zhì)膜脂質(zhì)雙分子層，它會(huì)作為一種常見(jiàn)的信號(hào)分子積極的參與植物體內(nèi)一系列的代謝過(guò)程。而HOCl 的作用機(jī)制與H2O2一致，使用少量的H2O2對(duì)葉片噴施、根系和種子浸泡處理，均可以提高成年植株對(duì)多種脅迫的抗性，這在多篇文章中有所報(bào)道［32，33］。而HOCl 是 否如同H2O2不僅在細(xì)胞外對(duì)細(xì)胞器和活性氧起反應(yīng)，還可能在細(xì)胞內(nèi)對(duì)細(xì)胞器和活性氧起反應(yīng)，從而影響細(xì)胞的生命活動(dòng)和反應(yīng)。然而，在這里沒(méi)有直接的證據(jù)來(lái)支持這一假設(shè)，這需要進(jìn)一步的研究來(lái)找出機(jī)制。

本研究發(fā)現(xiàn)微酸性電解水可以通過(guò)減少電解質(zhì) 滲 透 率、MDA 含 量，O2ˉ·和H2O2，增 加SOD、POD 和CAT 酶活性來(lái)減少植物體內(nèi)水分損失和代謝，提高抗氧化脅迫能力，這可以緩解干旱脅迫對(duì)番茄幼苗帶來(lái)的損傷，一定程度上維持細(xì)胞質(zhì)膜穩(wěn)定性，從而提高其抗旱能力，而其中的原因可能是多種因素綜合影響，有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。