富氢水处理对番茄生长发育和产量的影响

赵懿颖 徐靖敏 李芳 白云旭 宋雯佩 李彩琴

(仲恺农业工程学院园艺园林学院，广东 广州 510225)

氢气(H2，hydrogen)在常温常压下是一种极易燃烧的气体，具有还原性，性质稳定，过去大部分生物学家一直认为氢气是一种生理性惰性气体。直到2007年，Ohsawa等提出氢气具有选择性抗氧化的作用[1]。近年来，学者对氢气在植物学上的作用的研究逐渐增多，发现氢气可协助植物对抗氧化应激[2]，具有调节植物生长发育[3,4]、改善土壤环境[5]、增强植物抗逆境能力[6-8]、提高植物品质[9,10]等作用。

富氢水(HRW，hydrogen-rich water)是目前利用氢气的一种较为理想的方法，关于HRW的植物学效应的研究陆续展开，HRW与传统化学药剂相比安全无污染、成本低，在农业应用上有广阔的前景，但若要HRW在农业上有切实广泛的应用，还需进一步揭示HRW在植物中的作用机理。研究表明，HRW预处理能显著促进种子萌发但具有浓度依赖效应，低浓度的HRW对水稻种子的萌发率无显著作用，而经过50%HRW预处理后水稻种子的萌发率明显提高[11]。HRW对种子萌发的促进作用与种子α/β淀粉酶的活性的激活，加速还原糖和可溶性糖生成密切相关[12,13]。此外，研究还表明HRW对植物生长发育、抗逆境胁迫、保鲜贮藏等起着一定的积极作用。田婧芸等发现，HRW处理能显著增加玉米幼苗的根长、表面积、体积及根系平均直径，以缓解盐胁迫对玉米幼苗根系结构的破坏[14]。半饱和浓度的HRW对黄瓜幼苗的株高、茎粗、鲜重、叶面积、可溶性糖和可溶性蛋白的含量均有显著提高作用[15]。宋韵琼等发现，不同浓度HRW浸泡种球和浇灌植株均可显著增加小苍兰叶片长度和叶片宽度，缩短开花用时，并且一定程度上增加了花茎长度、花朵直径和小花数量[16]。丁芳芳等研究表明，HRW浇灌对中药材当归生长发育具有一定的促进调节作用，能显著增加当归叶片长度、宽度，增大叶面积，增强光合作物积累，从而提高当归产量[17]。紫外光(UV-A)的照射有利于植物花青苷含量的提高，HRW可通过重建植物体内活性氧(ROS)的稳态、提高花青苷合成相关基因的表达，诱导UV-A下积累更多花青苷[18]。HRW具有延缓植物衰老的作用，80% HRW处理可以通过调节抗氧化系统降低猕猴桃呼吸强度及果实腐烂率[19]；50% HRW处理可以发挥三华李果实的最佳保鲜效果，好果率、单果重、果实硬度和果实品质均得到了最大程度保持，延缓了果实在贮藏过程中的成熟和衰老，延长货架期[20]；HRW可通过保持水分平衡和膜稳定性提高了鲜切花的瓶插寿命[21,22]。以水稻、番茄、黄瓜等为试验材料，通过不同浓度的HRW处理，证明可以在一定程度上增强植物抗非生物胁迫(高温、干旱、重金属)和抗病菌(灰霉病)侵染的能力[2,6,7,23]。

HRW是一种新型药剂，相比于其他的生长调节剂和保鲜剂，具有清洁环保，对环境造成的污染较小等优点，在农业上的应用前景广阔。本研究以“Micro-Tom”番茄为材料，通过不同浓度HRW灌溉植株，分析HRW对番茄种子萌发、坐果率、果实纵横经、单果鲜重及单株产量的影响，旨在丰富富氢水的植物学功能，为提出有效、安全、绿色环保的调控植物生长发育的新策略和技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验所用的番茄品种为“Mirco-Tom”，此番茄品种属于矮生番茄，生长周期短，2～3个月即可开花结果，生长习性确定，果实个体小，产量大，易于实验操作。

1.2 试验方法

1.2.1 HRW溶液制备与含量测定

试验共分6组：清水处理为对照，5个HRW浓度(15%、25%、50%、75%和100%)为处理组。参照李彩琴等的方法，将100粒水素球置于去离子水中12h以上制得饱和HRW作为100% HRW，然后将饱和HRW立即用去离子水稀释，制得相对体积15%、25%、50%和75%的HRW溶液。采用CT-8023富氢测试笔(深圳市柯迪达电子有限公司)测定新制备的饱和HRW中氢气浓度约为0.7mmol·L-1。

1.2.2 番茄种子萌发及植株生长试验

挑选大小一致且健康饱满的番茄种子，55℃温水消毒15min，之后分别用清水(对照)、15%、25%、50%、75%、100% HRW浸泡20h，每24粒种子为一次重复，共3次重复。将处理好的种子分别播种于以泥炭土∶蛭石=2∶1为基质的穴盘中，置25℃恒温培养室(16/8h光暗交替)中培养，每粒/穴，每隔2～3d添加不同浓度HRW保持湿润。从种子放入培养室开始计算天数，每天同一时间观察种子的萌发情况，以观察到种子破土为发芽标准。

在番茄幼苗长至3叶1心时，选取长势整齐一致的植株移栽至装有基质的小花盆中继续培养，基质材料为泥炭土∶蛭石=2∶1，之后每隔3～5d浇灌营养液(由不同浓度HRW配制而成)，每处理3个重复，每重复12株苗。3个月后测量番茄植株的茎秆粗度、果实纵横经、单果重，统计开花数量和坐果数量等。

1.2.3 种子萌发及生长发育指标测定方法

发芽率：

式中，Gt为第t天的正常发芽的粒数；N为供试种子数。

发芽势：

式中，n7为种子发芽置床培养7d时的正常发芽粒数；N为供试种子数。

发芽指数：

式中，Gt为第t天的正常发芽的粒数；Dt为置床之日算起的日数。

用游标卡尺测量植株茎杆粗度、果实横纵径；用电子天平称量果实鲜果单重量。

式中，m3为培养3个月后正常坐果数量；N为植株开花数量。

1.3 数据分析处理

用Excel 2010进行数据整理，SigmaPlot 10.0软件进行制图，SPSS 13.0软件对数据采用LSD法和Duncan法进行一维方差多重比较分析，显著性水平为P<0.05。

2 结果分析

2.1 HRW处理对番茄种子萌发的影响

如表1所示，不同浓度HRW处理对番茄种子的萌发有不同程度的影响。与对照(0% HRW)相比，15%HRW、25%HRW、50%HRW、75%HRW和100%HRW处理后番茄种子最终发芽率呈下降趋势，分别降低了4.91%、18.04%、14.75%、1.64%和11.47%，但降低效果并不显著。75%HRW处理后番茄种子的发芽势和发芽指数有轻微提升，但与相比对照提升效果并不明显；25%HRW处理后番茄种子的发芽势明显降低，与对照相比下降了76.21%。100%HRW处理后番茄幼苗根长增长幅度明显，与对照相比长度增加了31.89%；25%和50% HRW处理后番茄幼苗根长生长较为缓慢，与对照相比根系长度缩短了11.35%和23.78%。

2.2 HRW处理对番茄植株茎秆粗度的影响

从图1可知，不同浓度HRW处理后番茄植株茎杆粗度均有不同程度的增长。与对照相比，100%HRW处理对茎杆粗度的影响差异不显著；15%HRW、25%HRW、50%HRW和75%HRW处理均显著增加了番茄植株的茎杆粗度，与对照相比分别增加了4.57%、13.05%、6.76%和3.48%，其中25%HRW处理的增加作用最显著。

表1 不同浓度HRW对番茄种子萌发的影响

图1 不同浓度HRW对番茄植株茎粗的影响

2.3 HRW处理对番茄坐果的影响

从图2可知，不同浓度HRW处理后番茄坐果率均有不同程度的提高。与对照相比，75%HRW处理对坐果率的影响差异不显著；15%HRW、25%HRW、50%HRW和100%HRW处理均显著提高了番茄植株的坐果能力，与对照相比提高了分别提高了18.01%、11.81%、18.32%和53.49%，其中100%HRW处理的提升效果最为显著。

图2 不同浓度HRW对番茄植株坐果率的影响

2.4 HRW处理对番茄果实横径、纵径、单果重和产量的影响

由表2可知，与对照相比，25%HRW、50%HRW和75%HRW处理后，番茄果实横径和纵径均显著增加，增加幅度在2.34%～6.14%，15%HRW和100% HRW处理后果实横径和纵径变化效果不显著。番茄果实单果鲜重在25%HRW和50%HRW处理后显著提高，与对照相比分别增加了13.37%和17.16%；100%HRW处理后单果鲜重最低，与对照相比减少了12.13%；15%HRW和75%HRW处理后果实单果鲜重变化不显著。番茄单株产量在15%HRW、25%HRW、50%HRW和100%HRW处理后显著提高，与对照相比分别增加了56.37%、53.48%、99.65%和41.98%，其中50% HRW处理的增产效果最为显著；75% HRW处理后果实单株产量变化不显著。

表2 不同浓度HRW对番茄果实横径、纵径、单果重和产量的影响

3 讨论

有研究显示，通过不同浓度富氢水处理能够促进种子萌发，如丁芳芳等认为,使用10%HRW浸泡当归种子后，其发芽率、发芽势及发芽指数均能提高[13]；汪艳平等认为，15%HRW和50%HRW处理对扦插猪笼草的发芽率、生根率、根长均有增加，且在不同品种之间不同浓度的HRW效果不同[24]。在本试验中发现，大多数浓度HRW对番茄种子的发芽率及发芽指数影响效果均不明显，25% HRW处理后的番茄种子发芽势有明显下降。本试验所用HRW处理起不到促进番茄种子萌发的作用，反而有轻微抑制效果，这与前人研究有明显不同，可能与不同物种种子自身的特性有关，或者所用富氢水的制备方法不同所致。已有研究表明，α-淀粉酶活性和过氧化物酶(POD)活性会随着种子的萌芽力增强而提高[13,25]，因此可通过种子内的酶活性变化进一步分析HRW对种子萌发的作用。本研究也发现100% HRW处理可显著促进番茄幼苗根的生长，这与前人的研究是一致的[26]，但不同的浓度起到的效果不一样。

本试验还通过测定不同浓度HRW处理后番茄植株坐果率、果实单果鲜重和单株产量发现，100%HRW处理能提高坐果率，25%HRW和50%HRW处理均能提高番茄果实单果鲜重和单株产量，且50%HRW处理增产效果最大，表明富氢水处理能够促进植物生长发育，提高植物生物量的积累和产量[3,4,26]。

4 结论

本试验通过生长发育各项指标测定，对不同浓度富氢水处理的效果进行了比较，试验结果表明，HRW虽对番茄种子的萌发无明显作用，但HRW对番茄植株的生长发育具有很好的促进效果，其中100%HRW可显著提高番茄坐果率；50%HRW对番茄果实单果鲜重和单株产量的影响较为显著。本研究使用的富氢水处理操作简便、使用成本低、绿色环保，可为开展氢气对农作物生长发育及产量的研究或推广应用提供参考。