CN114586614A - 铁酸锰纳米材料在诱导番茄早花增产中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了铁酸锰纳米材料在诱导番茄早花增产中的应用，属于新型农药技术领域。本发明在番茄花朵顶端分生组织冒出前一周起(通常是在番茄开花前一周)，经叶面喷施铁酸锰纳米材料，可使番茄提早开花并提高产量。与施加普通当量肥相比，本发明的增产效果更明显；与普通农民施用量比，MnFe₂O₄NMs增产效果也有所提高，但铁锰原料的用量要比普通农民施用量低近100倍，极大减少了成本。

Description

铁酸锰纳米材料在诱导番茄早花增产中的应用

技术领域

本发明涉及铁酸锰纳米材料(MnFe₂O₄ NMs)在诱导番茄早花增产中的应用，属于新型农药技术领域。

背景技术

预计到2050年，全球人口将增长到97亿，农业生产需要将增加60％，这使得实现和维持全球粮食产量及安全成为人类面临的最重大挑战之一。越来越多的研究发现，人工纳米材料(Engineered NMs)比普通肥料利用率高20-30％，在增加作物产量、改善作物品质、提高作物抗性等方面均显现出巨大的潜力。

作物的生殖生长阶段是从性器官分化到种子或果实成熟的生长过程，是决定产量高低和品质好坏的关键时期。其中，花的形成是植物从营养生长到生殖发育的一个关键的转换过程，植物通过协调植物激素(例如赤霉素)等信号物质和碳水化合物(例如蔗糖)等内源性物质，以确定植物适宜的开花时间。农作物的开花时间直接控制着果实产量和品质。研究表明，早花造成较短的营养生长和传粉率的提高，可以最大限度地减少非生物胁迫(如气候变化和干旱等)的不利影响。因此，花期调控已被认为是“植物科学的100个重要问题”之一。

针对番茄，CN 113575313 A披露了纳米铜在提高番茄抗性和产量中的应用，通过减缓番茄叶部的老化、增强光合作用、促进根部生长及养分吸收，从而提高番茄产量。该专利是通过增强番茄抗性来提高产量，没有披露如何通过调控花期来更早地获得更高的产量。

发明内容

[技术问题]

本发明要解决的技术问题是现有技术没有披露如何通过调控花期来更早地实现高产。

[技术方案]

本发明提供了应用铁酸锰纳米材料来诱导番茄早花、增产，是在番茄花朵顶端分生组织冒出前一周起(通常是在番茄开花前一周)，经叶面喷施铁酸锰纳米材料。通常情况下，根据番茄的生长周期及培植经验，可以判断花朵顶端分生组织即将冒出的时间。所述早花是指，与未经人工干预开花时间的番茄相比，开出花朵的时间提前。所述增产是指，与未施加铁锰肥的番茄相比，番茄果实的总数量和/或总重量提高。

在本发明的某些实施方式中，铁酸锰纳米材料以悬浮液的形式喷施，可选用的溶剂包括：去离子水、矿泉水、自来水。铁酸锰纳米材料悬浮液的浓度可以是1-50mg/L，优选10-50mg/L，更优选10mg/L。

在本发明的某些实施方式中，铁酸锰纳米材料的喷施天数是1～7天，每天一次。

在本发明的某些实施方式中，每天喷施铁酸锰纳米材料的量为10mL。

在本发明的某些实施方式中，每天喷施一次，一次喷施10mL、10-50mg/L的MnFe₂O₄NMs悬浮液。

在本发明的某些实施方式中，每天喷施一次，一次喷施10mL、10-50mg/L的MnFe₂O₄NMs悬浮液，共喷施4天。

在本发明的某些实施方式中，每天喷施一次，一次喷施10mL、10mg/L的MnFe₂O₄ NMs悬浮液，共喷施4天。

在本发明的某些实施方式中，所述铁酸锰纳米材料的尺寸为20-60nm，水力直径为500nm，表面电荷为-28Mv，并且具有磁性。

在本发明的某些实施方式中，所述铁酸锰纳米材料的制备方法是一锅水热法，包括以下步骤：将MnCl₂·4H₂O和FeCl₃·6H₂O在乙二醇中完全溶解，加入氢氧化钠，直至pH为11.0；将混合物转移到不锈钢反应器中，在200℃下加热12h，使反应器回到室温后，将混合物离心，用去离子水和乙醇对所得到的沉淀物进行充分的过滤和漂洗，然后将固体产物于60℃的真空烘箱中，保温6h，制得MnFe₂O₄ NMs。

[有益效果]：

本发明以10mg/L的量连续4次经叶面喷施MnFe₂O₄ NMs，可使番茄提早开花13天，产量增加约50％。并且，与土壤施用肥料相比，叶面施用成本更低，能够使植物更快地吸收、运移，特别是那些在植物体内难移动的元素，并能在较短时间内实现生物强化，同时也可减少对土壤环境可能的风险。

与施加普通当量肥(非NMs形式的离子，含同等铁锰量)相比，本发明的增产效果更明显。

与普通农民施用量比，MnFe₂O₄ NMs增产效果也有所提高，但铁锰原料的用量要比普通农民施用量低近100倍，极大减少了成本。

附图说明

图1.实施例1合成的MnFe₂O₄ NMs的性质表征：XRD图(a)；水力直径和Zeta电位(b)；TEM尺寸分布图(c)；磁学性质(d)。

图2.叶面施用不同浓度下净光合速率(a)；早花时间(b)；果实重量(c)和果实糖含量(d)。

图3.叶面施用不同喷施次数净光合速率(a)；气孔导度(b)；叶片数量(c)；地上部鲜重(d)。

图4.叶面施用10mg/L MnFe₂O₄ NMs诱导早期开花图(a)；花粉萌发(b)；胚珠切片图(c)；地上部和根生物量表(d)。

图5.叶面施用10mg/L MnFe₂O₄ NMs、当量肥和果实产量图(a)；果实数量(b)；果实重量(c)。

具体实施方式

下述实施例所用的番茄种子是西安金鹏1号。

下述实施例中，净光合速率的检测方法是：使用便携式光合测定***(CIRAS-3)在上午9:30到11:00测定倒二叶的光合参数。光强设置为1000μmol/(m2·s)，叶温为28℃，相对湿度为50.5％。每个处理组选取5株植物进行测定，待读数稳定(约3-6min)，记录数据。

下述实施例中，气孔导度的检测方法是：使用便携式光合测定***(CIRAS-3)在上午9:30到11:00测定倒二叶的气孔导度。光强设置为1000μmol/(m2·s)，叶温为28℃，相对湿度为50.5％。每个处理组选取5株植物进行测定，待读数稳定(约3-6min)，记录数据。

下述实施例中，生物量的检测、计算方法是：采样后，植物地上部分和根系先在105℃下杀青0.5h，再在80℃条件下将植株烘至恒重，用精度为10^-4g的天平称重。

下述实施例中，蔗糖含量测定方法参考张志良等编写的植物生理学实验指导，具体实验步骤如下：

(1)实验仪器：恒温水浴锅、酶标仪。

(2)实验材料：番茄叶片。

(3)实验试剂：配制80％的乙醇、2mol/L的NaOH、30％盐酸、0.1％间苯二酚.其中2mol/L的NaOH的配制方法为8g的NaOH中加入100mL超纯水；0.1％间苯二酚为0.1g间苯二酚加入100mL的95％乙醇混合均匀后置于棕色瓶保存。

(4)实验步骤：

①制备样品提取液：将植物样品(番茄叶片)105℃杀青后，再在75℃烘至恒重，称取50mg样品，加入4mL的80％乙醇，80℃水浴搅拌40min，离心后收集上清液；其余残渣加2mL的80％乙醇重复提取2次，合并上清液；加入10mg活性炭，80℃脱色30min；80％乙醇定容至10mL；

②标准曲线的制作：蔗糖标准溶液：取100mg蔗糖用80％乙醇配制成100mL溶液，即1000μg/mL标准液，浓度设置为0、100、200、300、400、600、800、1000μg/mL；

样品及标准曲线分别取0.4mL溶液，加入200μl的2mol/L的NaOH，沸水浴5min，冷却后加入2.8mL的30％盐酸，0.8mL的0.1％间苯二酚，摇匀，80℃水浴反应10min，冷却后测定；

测定：480nm下测定OD值，绘制蔗糖-OD值曲线，并计算浓度。

下述实施例中，叶片数量的统计方法是：计数每株番茄上的所有叶片。

实施例1 MnFe₂O₄ NMs的制备与表征

采用一锅水热法合成MnFe₂O₄ NMs。具体地，将MnCl₂·4H₂O和FeCl₃·6H₂O以1:2的质量比例在乙二醇中完全溶解。在混合物中逐滴加入氢氧化钠，直至pH值降至11.0。将混合物转移到50mL不锈钢反应器中，在200℃下加热12h，使反应器回到室温后，将混合物以转速8000r/min离心10min。用去离子水和乙醇对所得到的沉淀物进行充分的过滤和漂洗。在此基础上，将固体产物放置在60℃的真空烘箱中，保温6h，制得MnFe₂O₄ NMs。

XRD图谱结果表明，合成的材料符合铁酸锰结构，TEM、尺寸、表面电荷和磁性分析表明，MnFe₂O₄ NMs的尺寸范围在20-60nm，水力直径为500nm，表面电荷为-28Mv，并且具有磁性(图1)。

实施例2将实施例1制备的MnFe₂O₄ NMs施用于番茄

(1)采用不同的施用浓度

将番茄幼苗放置于受控条件下的温室中，白天/夜晚的温度为25℃/20℃，光照/白天的光周期为16/8h，相对湿度为65±5％。待番茄幼苗生长约40天(即开花顶端分生组织冒出前1周，可根据不同番茄品种的开花时间适当调整)后，每天在每盆番茄叶片喷施10mLMnFe₂O₄ NMs悬浮液，每天一次，共喷施4天(次)。MnFe₂O₄ NMs悬浮液共设置四个浓度：0(对照组)，1mg/L，10mg/L和50mg/L MnFe₂O₄ NMs。不同浓度MnFe₂O₄ NMs悬浮液的配置方法是取相应质量的实施例1制备的MnFe₂O₄ NMs，放入10mL去离子水中。

结果表明，叶面喷施1、10、50mg/L均能显著促进番茄光合作用，10和50mg/L能够明显提前开花。其中，10mg/L具有最佳的促生效果，净光合速率比对照提升了55.8％；能有效诱导番茄比对照组早花约12天(将施用MnFe₂O₄ NMs悬浮液的番茄开花的时间作为第1天，对照组第13天才开花)；果实重量提升了108.9％；果实的含糖量显著提高，是对照组的2.0倍(图2)。

(2)采用不同的喷施次数

将番茄幼苗放置于受控条件下的温室中，白天/夜晚的温度为25℃/20℃，光照/白天的光周期为16/8h，相对湿度为65±5％。待番茄幼苗生长约40天(即开花顶端分生组织冒出前1周，可根据不同番茄品种的开花时间适当调整)后，每天在每盆番茄叶片喷施10mL10mg/L的MnFe₂O₄ NMs悬浮液，每天一次，共连续喷施1次、4次或7次，对照组不喷施。

结果表明，10mg/L MnFe₂O₄ NM喷施1次和4次的净光合速率显著提升，喷施7次后气孔导度明显下降(图3)。

最终选定了连续叶施4次10mg/L MnFe₂O₄ NMs作为最优喷施体系。最优体系喷施后，叶片数量增加了21.3％；地上部生物量增加了28.5％，有效扩大了番茄开花和结果的碳源，有利于番茄花朵的生长发育和果实的形成。

实施例3将实施例1制备的MnFe₂O₄ NMs施用于番茄

NMs组：将番茄幼苗放置于受控条件下的温室中，白天/夜晚的温度为25℃/20℃，光照/白天的光周期为16/8h，相对湿度为65±5％。待番茄幼苗生长约40天(即开花顶端分生组织冒出前1周，可根据不同番茄品种的开花时间适当调整)后，每天在每盆番茄叶片喷施10mL 10mg/L的MnFe₂O₄ NMs悬浮液，每天一次，共喷施4(天)。

当量肥组(ION)：与NMs组的区别是，每天喷施的是10mL含有同等量Fe+Mn的常规非纳米肥，即0.086mmol L^-1FeSO₄ 7H₂O+0.043mmol L^-1MnSO₄ H₂O水溶液。

常量肥组：与NMs组的区别是，每天喷施的是常规用量的商业Fe+Mn肥，即包含0.1％(3.60mmol L^-1)FeSO₄ 7H₂O+0.1％(5.92mmol L^-1)MnSO₄ H₂O。

空白对照组(CK)：与NMs组的区别是，每天喷施的是10mL去离子水。

结果表明：在MnFe₂O₄ NMs处理下，番茄的光合速率提高，植株生长增强，提早开花(图4)。根是植物必不可少的部分，主要吸收水分和养分，以促进植物的生长和发育。植物叶片是光合产物的主要来源，在库器官的生长发育中起着重要的作用，根和地上部分生长的增强能够为花朵的形成做好更充分的准备。同时，花粉萌发率显著提高，胚珠重量增加约40％(图4)。MnFe₂O₄ NMs诱导了番茄提早开花，并促进了花器官的建成，为番茄果实的形成奠定了良好的基础。

在最优喷施体系下，MnFe₂O₄ NMs显著增加了番茄产量。番茄果实数量比空白对照组显著增加50％，比当量肥组(含同等铁锰的常规非纳米肥)显著增加30％。除此之外，叶面喷施MnFe₂O₄ NMs明显增加了果实的重量。叶面喷施MnFe₂O₄ NMs后，果实鲜重相对于空白对照组显著增加了30.4％，比当量肥组显著增加20％。

值得关注的是，虽然仅仅比常量肥组(Fertilizer，常规农民使用施用量)增加7％(图5)，其铁锰含量仅仅只有常量肥的1％。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.应用铁酸锰纳米材料来诱导番茄早花增产的方法，其特征在于，是在番茄花朵顶端分生组织冒出前一周起，经叶面喷施铁酸锰纳米材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，铁酸锰纳米材料以悬浮液的形式喷施，浓度是1-50mg/L，优选10-50mg/L，更优选10mg/L。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，悬浮液的溶剂选自：去离子水、矿泉水、自来水的至少一种。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，铁酸锰纳米材料的喷施天数是1～7天，每天一次。

5.根据权利要求2或4所述的方法，其特征在于，每天喷施铁酸锰纳米材料的量为10mL。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，每天喷施一次，一次喷施10mL、10-50mg/L的MnFe₂O₄ NMs悬浮液。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，每天喷施一次，一次喷施10mL、10-50mg/L的MnFe₂O₄ NMs悬浮液，共喷施4天。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，每天喷施一次，一次喷施10mL、10mg/L的MnFe₂O₄ NMs悬浮液，共喷施4天。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述铁酸锰纳米材料的尺寸为20-60nm，水力直径为500nm，表面电荷为-28Mv，并且具有磁性。

10.铁酸锰纳米材料来诱导番茄早花增产或制备农用肥料中的应用。

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