富氫水處理對番茄生長發育和產量的影響

趙懿穎 徐靖敏 李芳 白云旭 宋雯佩 李彩琴

(仲愷農業工程學院園藝園林學院，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，性質穩定，過去大部分生物學家一直認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，學者對氫氣在植物學上的作用的研究逐漸增多，發現氫氣可協助植物對抗氧化應激[2]，具有調節植物生長發育[3,4]、改善土壤環境[5]、增強植物抗逆境能力[6-8]、提高植物品質[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，關于HRW的植物學效應的研究陸續展開，HRW與傳統化學藥劑相比安全無污染、成本低，在農業應用上有廣闊的前景，但若要HRW在農業上有切實廣泛的應用，還需進一步揭示HRW在植物中的作用機理。研究表明，HRW預處理能顯著促進種子萌發但具有濃度依賴效應，低濃度的HRW對水稻種子的萌發率無顯著作用，而經過50%HRW預處理后水稻種子的萌發率明顯提高[11]。HRW對種子萌發的促進作用與種子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[12,13]。此外，研究還表明HRW對植物生長發育、抗逆境脅迫、保鮮貯藏等起著一定的積極作用。田婧蕓等發現，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，以緩解鹽脅迫對玉米幼苗根系結構的破壞[14]。半飽和濃度的HRW對黃瓜幼苗的株高、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]。宋韻瓊等發現，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，并且一定程度上增加了花莖長度、花朵直徑和小花數量[16]。丁芳芳等研究表明，HRW澆灌對中藥材當歸生長發育具有一定的促進調節作用，能顯著增加當歸葉片長度、寬度，增大葉面積，增強光合作物積累，從而提高當歸產量[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活性氧(ROS)的穩態、提高花青苷合成相關基因的表達，誘導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處理可以通過調節抗氧化系統降低獼猴桃呼吸強度及果實腐爛率[19]；50% HRW處理可以發揮三華李果實的最佳保鮮效果，好果率、單果重、果實硬度和果實品質均得到了最大程度保持，延緩了果實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、黃瓜等為試驗材料，通過不同濃度的HRW處理，證明可以在一定程度上增強植物抗非生物脅迫(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節劑和保鮮劑，具有清潔環保，對環境造成的污染較小等優點，在農業上的應用前景廣闊。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對番茄種子萌發、坐果率、果實縱橫經、單果鮮重及單株產量的影響，旨在豐富富氫水的植物學功能，為提出有效、安全、綠色環保的調控植物生長發育的新策略和技術提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用的番茄品種為“Mirco-Tom”，此番茄品種屬于矮生番茄，生長周期短，2～3個月即可開花結果，生長習性確定，果實個體小，產量大，易于實驗操作。

1.2 試驗方法

1.2.1 HRW溶液制備與含量測定

試驗共分6組：清水處理為對照，5個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 番茄種子萌發及植株生長試驗

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(對照)、15%、25%、50%、75%、100% HRW浸泡20h，每24粒種子為一次重復，共3次重復。將處理好的種子分別播種于以泥炭土∶蛭石=2∶1為基質的穴盤中，置25℃恒溫培養室(16/8h光暗交替)中培養，每粒/穴，每隔2～3d添加不同濃度HRW保持濕潤。從種子放入培養室開始計算天數，每天同一時間觀察種子的萌發情況，以觀察到種子破土為發芽標準。

在番茄幼苗長至3葉1心時，選取長勢整齊一致的植株移栽至裝有基質的小花盆中繼續培養，基質材料為泥炭土∶蛭石=2∶1，之后每隔3～5d澆灌營養液(由不同濃度HRW配制而成)，每處理3個重復，每重復12株苗。3個月后測量番茄植株的莖稈粗度、果實縱橫經、單果重，統計開花數量和坐果數量等。

1.2.3 種子萌發及生長發育指標測定方法

發芽率：

式中，Gt為第t天的正常發芽的粒數；N為供試種子數。

發芽勢：

式中，n7為種子發芽置床培養7d時的正常發芽粒數；N為供試種子數。

發芽指數：

式中，Gt為第t天的正常發芽的粒數；Dt為置床之日算起的日數。

用游標卡尺測量植株莖桿粗度、果實橫縱徑；用電子天平稱量果實鮮果單重量。

式中，m3為培養3個月后正常坐果數量；N為植株開花數量。

1.3 數據分析處理

用Excel 2010進行數據整理，SigmaPlot 10.0軟件進行制圖，SPSS 13.0軟件對數據采用LSD法和Duncan法進行一維方差多重比較分析，顯著性水平為P<0.05。

2 結果分析

2.1 HRW處理對番茄種子萌發的影響

如表1所示，不同濃度HRW處理對番茄種子的萌發有不同程度的影響。與對照(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芽勢和發芽指數有輕微提升，但與相比對照提升效果并不明顯；25%HRW處理后番茄種子的發芽勢明顯降低，與對照相比下降了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，與對照相比根系長度縮短了11.35%和23.78%。

2.2 HRW處理對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。與對照相比，100%HRW處理對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對番茄種子萌發的影響

圖1 不同濃度HRW對番茄植株莖粗的影響

2.3 HRW處理對番茄坐果的影響

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。與對照相比，75%HRW處理對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對番茄植株坐果率的影響

2.4 HRW處理對番茄果實橫徑、縱徑、單果重和產量的影響

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

表2 不同濃度HRW對番茄果實橫徑、縱徑、單果重和產量的影響

3 討論

有研究顯示，通過不同濃度富氫水處理能夠促進種子萌發，如丁芳芳等認為,使用10%HRW浸泡當歸種子后，其發芽率、發芽勢及發芽指數均能提高[13]；汪艷平等認為，15%HRW和50%HRW處理對扦插豬籠草的發芽率、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]。在本試驗中發現，大多數濃度HRW對番茄種子的發芽率及發芽指數影響效果均不明顯，25% HRW處理后的番茄種子發芽勢有明顯下降。本試驗所用HRW處理起不到促進番茄種子萌發的作用，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，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)活性會隨著種子的萌芽力增強而提高[13,25]，因此可通過種子內的酶活性變化進一步分析HRW對種子萌發的作用。本研究也發現100% HRW處理可顯著促進番茄幼苗根的生長，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。

本試驗還通過測定不同濃度HRW處理后番茄植株坐果率、果實單果鮮重和單株產量發現，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單果鮮重和單株產量，且50%HRW處理增產效果最大，表明富氫水處理能夠促進植物生長發育，提高植物生物量的積累和產量[3,4,26]。

4 結論

本試驗通過生長發育各項指標測定，對不同濃度富氫水處理的效果進行了比較，試驗結果表明，HRW雖對番茄種子的萌發無明顯作用，但HRW對番茄植株的生長發育具有很好的促進效果，其中100%HRW可顯著提高番茄坐果率；50%HRW對番茄果實單果鮮重和單株產量的影響較為顯著。本研究使用的富氫水處理操作簡便、使用成本低、綠色環保，可為開展氫氣對農作物生長發育及產量的研究或推廣應用提供參考。