CN115568384A - 氧化铈纳米材料在促进番茄产量和品质基础上增强采后保鲜的应用 - Google Patents
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- A—HUMAN NECESSITIES
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Abstract
本发明公开了氧化铈纳米材料在促进番茄产量和品质基础上增强采后保鲜的应用,属于新型农药领域。本发明所述的氧化铈纳米材料在促进番茄产量和品质基础上增强采后保鲜的应用是在番茄根部土壤施加氧化铈纳米材料;其中,所述的氧化铈纳米材料在土壤中的浓度为1‑50mg/kg;所述的氧化铈纳米材料的粒径为4‑14nm;所述的施加时期为番茄苗种植之前。本发明的方法可以诱导番茄早花10天,提升了番茄果实的储存和采后保鲜能力,强根际微生物多样性,土壤矿化速率提高、养分循环加快。
Description
技术领域
本发明涉及氧化铈纳米材料在促进番茄产量和品质基础上增强采后保鲜的应用,属于新型农药领域。
背景技术
纳米技术已被证明是实现可持续农业的一种有效工具。氧化铈纳米材料(CeO2NMs)由于其优异的物理和化学性质,在农业中显示出广阔的应用前景。研究表明,CeO2 NMs可以被作物吸收并运输到不同组织部位,直接提高作物产量和品质,同时最大限度的减少传统农业实践对环境的负面影响。
世界农产品优势国家都把农产品储藏、保鲜和加工放在农业生产的首位。高效科学地预防采后损失,延长农产品保鲜期,能够大幅提升产品附加值和市场竞争力,实现企业经营效益的巨大提高。番茄作为世界上第二重要的蔬菜作物,可以为全球饮食提供大量营养,包括维生素、矿物质和类黄酮。优化番茄植株的库源比是提高果实产量和品质的有效途径。番茄开花是从营养生长到生殖生长的关键时间点,提前开花可以调节植物内的养分分布,促进额外的养分向果实的运输。延长番茄的贮藏时间得到广泛关注,这是因为番茄果实中的高水分含量往往会导致其易腐烂、保质期缩短。
果实采后保鲜大部分集中在采收后环节,通过利用温度、气体、化学和生物保鲜等手段来实现果实新鲜度和储存时间的延长。然而,这些精细技术需要一定的人力、物力,很少有研究从作物生长阶段开始,通过提升植物自身代谢活性和免疫能力,来从根源上提升作物果实采后保鲜。
采摘后的番茄果实往往会由于失水萎蔫、果实软化、病原微生物侵染等造成其腐烂变质、失去商品价值。具体来说,角质层是与环境相互作用的最外层,它形成物理屏障,以保护果实免受致病菌、机械和化学损失,防止水分蒸发和污染物渗透。角质层还能通过激活防御反应在***获得性抵抗中发挥重要作用,如调节水杨酸在外壁的主动运输。作为一种内源性信号分子,水杨酸含量与果实硬度正相关,不仅可以抑制细胞壁和细胞膜的降解,而且可以直接抑制致病菌的生长。
目前,有关NMs对果实储存影响方面的研究已经有了些许报道,但是绝大部分还停留在表观现象层面,很少考虑其作用机制,特别是果实养分、形态和激素的影响。除此之外,关于氧化铈纳米材料对作物果实采后保鲜储存等影响还没有***的研究。
发明内容
[技术问题]
目前,还未有文献提及氧化铈纳米材料对番茄采后保鲜的影响。
[技术方案]
为了解决上述问题,本发明通过研究得到了氧化铈纳米材料诱导番茄产量的最优浓度以及促进番茄早花和果实储存的分子机制。
本发明的第一个目的是提供氧化铈纳米材料在促进番茄产量和品质基础上增强采后保鲜的应用,所述的应用是在番茄根部土壤施加氧化铈纳米材料。
在本发明的一种实施方式中,所述的氧化铈纳米材料在土壤中的浓度为1-50mg/kg。
在本发明的一种实施方式中,所述的氧化铈纳米材料的粒径为4-14nm。
在本发明的一种实施方式中,所述的氧化铈纳米材料是通过市售购买得到,里面存在混合价态,Ce3+和Ce4+。
在本发明的一种实施方式中,所述的施加是将根部土壤和氧化铈纳米材料混合均匀。
在本发明的一种实施方式中,所述的施加时期为番茄苗种植之前。
本发明的第二个目的是提供一种通过诱导番茄叶片中蔗糖磷酸合酶基因(SPS)、SUT1和SUT2(蔗糖转运蛋白基因)、SFT基因和PIF4基因的表达来提高番茄早花的方法,所述的方法是在番茄根部土壤施加氧化铈纳米材料;其中所述的氧化铈纳米材料在土壤中的浓度为1-50mg/kg;所述的氧化铈纳米材料的粒径为4-14nm;所述的施加时期为番茄苗种植之前。
本发明的第三个目的是提供一种通过提高番茄果实中的谷氨酸、苯丙氨酸和水杨酸含量来提高番茄果实储存能力的方法,所述的方法是在番茄根部土壤施加氧化铈纳米材料;其中所述的氧化铈纳米材料在土壤中的浓度为1-50mg/kg;所述的氧化铈纳米材料的粒径为4-14nm;所述的施加时期为番茄苗种植之前。
本发明的第四个目的是提供一种增加拟杆菌门和厚壁菌门的相对丰度来改善采后番茄土壤根际细菌的多样性的方法,所述的方法是在番茄根部土壤施加氧化铈纳米材料;其中所述的氧化铈纳米材料在土壤中的浓度为1-50mg/kg;所述的氧化铈纳米材料的粒径为4-14nm;所述的施加时期为番茄苗种植之前。
本发明的第五个目的是本发明所述的方法在农业领域的应用。
[有益效果]
本发明的方法可以诱导番茄早花10天,提升了番茄果实的储存和采后保鲜能力,强根际微生物多样性,土壤矿化速率提高、养分循环加快。
附图说明
图1为CeO2 NMs的表征,其中,(a)XRD图;(b)XPS图;(c)TEM图;(d)尺寸分布图。
图2为对比例1的CK和实施例1中施加CeO2 NMs对于开花期间叶片中SPS(a)、SUT(b)、SFT(c)和PIF4(d)的相对表达;以及花粉、胚珠和番茄果实的图片(e)。
图3为对比例1的CK和实施例1中施加CeO2 NMs得到的番茄果实的测试结果,其中,(a)是代谢途径;(b)是元素含量。
图4为对比例1的CK和实施例1中施加CeO2 NMs得到的番茄果实的采后保鲜:其中,(a)为采摘时、采摘后14天的番茄图片;(b)为果实鲜重;(c)为硬度和角质层;(d)为水杨酸合成途径。
图5为对比例1的CK和实施例1中施加CeO2 NMs得到的采摘后番茄根际细菌的变化:其中,(a)为分类群的数量;(b)为前20个门的相对丰度。
图6为实施例1、2和对比例1中土壤施用不同浓度的CeO2 NMs得到的番茄的净光合速率(a)、果实数量(b)、鲜重百分比(c)和果实鲜重(d)。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明,应当理解实施例是为了更好地解释本发明,不用于限制本发明。
测试方法:
1、XRD的测试:
采用X射线衍射(XRD,Bruker AXS,Germany)和Jade 5.0软件进行峰检测和匹配。
2、XPS的测试:
采用X射线光电子能谱(XPS,Thermo Scientific ESCALAB 250Xi,USA)对Ce进行价态变化分析。
3、TEM的测试:
CeO2 NMs悬液经过30min超声充分分散后,用移液枪吸取一滴溶液于200目铜网上,待自然风干后,用透射电子显微镜(TEM,JEM-2100,Japan)对材料的形态和粒径进行表征。
4、尺寸分布图的测试:
采用马尔文纳米粒度仪(Nano-ZS90,Nano-ZS90,Malvern Instruments,UK)检测CeO2NMs在去离子水中的水力直径、Zeta电位和尺寸分布。
5、净光合速率的测试:
光合参数的测定采用CIRAS-3便携式气体交换仪(CIRAS-3,PP-Systems,USA)。每片叶子随机选择3处测定相对叶绿素含量和光合参数,测量时尽量避开主要叶脉,测定的叶子选为第四片完全展开的真叶。
6、鲜重的测试:
将番茄地上部分剪下称重,为地上部分鲜重生物量;将根小心地从盆中取出,用自来水洗净表面泥土并用纸巾擦干称重,为地下部分鲜重生物量。
7、基因表达的测试:
用实时荧光定量聚合酶链式反应(qRT-PCR)测定水通道蛋白基因(PIP)、蔗糖合成和转运蛋白基因(SPS和SUT)、开花基因(SFT、PIF4)、水杨酸合成基因(PAL5、ICS)、蜡质层合成基因(CER6、SHN2、THM27、MIXTA2)的表达情况。
具体是:先取50-100mg植物组织用液氮迅速研磨成粉,总RNA的提取根据全能型植物RNA提取试剂盒(OmniPlant RNA kit DNase I,康为世纪,北京)提供的步骤进行。用超微量分光光度计(UltraM-QB200,骋克仪器,上海)对提取的RNA进行纯度和浓度的测定,若各峰的吸光值A260/A280在1.8-2.1,则说明提取的RNA纯度较高,没有蛋白质的污染。接着用逆转录试剂盒EasyQuick RT MasterMix(康为世纪,北京)将RNA反转录成cDNA,用荧光染料UltraSYBR Mixture(康为世纪,北京)和cDNA配成50μL混合反应体系,通过仪器(CFX96TMOptics Module,Bio-Rad,USA)对cDNA进行扩增,反应程序为:95℃预变性30s,持续40个循环95℃变性5s,最后60℃延伸30s。用2-ΔΔCT法计算基因的相对表达。
8、代谢途径的测试:
称取100mg左右番茄植株鲜样放入2mL离心管中,加入1.5mL内含0.2mg L-2-氯-苯丙氨酸作为内标的甲醇/水(80:20,v/v)进行提取。充分涡旋之后置于冰水中超声30min,之后4℃、12000rpm离心15min,上清液用于超高效液相色谱-质谱联用(UPLC-ESI-MS/MS)分析代谢物成分。
9、元素含量的测试:
将收获的番茄根和叶在105℃下杀青20min,然后在60℃下干燥至恒重。取25mg组织干样依次加入含有3mL超纯水和3mL硝酸的消解管中,放入消解仪(MARS 6,CEM,USA)中进行消解,消解程序设定为190℃、1400W。消解完毕后将消解液用0.22μm滤膜过滤,随后用于电感耦合等离子体质谱(ICP-MS,iCAP-TQ,Thermo Fisher,Germany)测定元素含量。
10、土壤细菌变化的测试:
收集番茄根际土迅速置于液氮中保存,随后送至上海派森诺生物科技有限公司(中国)进行高通量测序。采用DNeasy PowerSoil试剂盒(QIAGEN,Inc.,Holland)提取根际土的微生物总DNA,随后通过超微量分光光度计(NanoDrop ND-100,Thermo FisherScientific,USA)检测提取DNA的数量和质量。用正向引物F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3’)和反向引物R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)对细菌16S rRNA的V3-V4区进行PCR扩增,之后进行DNA纯化并利用Illumina平台对DNA片段进行双端测序。测序完成后采用DADA2方法进行去引物,质量过滤,去噪,拼接和去嵌合体等步骤。
实施例中采用的原料:
CeO2 NMs购自Sigma-Aldrich,具体表征如图1;
从图1可以看出:CeO2 NMs的XRD图谱与标准CeO2一致,XPS测量证实了CeO2 NMs中存在混合价态(Ce3+和Ce4+),TEM图像显示CeO2 NMs的尺寸分布为4-14nm;
土壤来自于江苏省泰兴市;
番茄种子(金鹏一号)购自西安蔬菜研究所。
实施例1
氧化铈纳米材料在促进番茄产量和品质基础上增强采后保鲜的应用,包括如下步骤:
将用CeO2 NMs与土壤剧烈搅拌均匀,并用塑料罐填充1.5kg土壤,使得CeO2 NMs在土壤中的浓度为10mg/kg;
将番茄种子(金鹏一号)在5%次氯酸钠(NaClO)溶液中进行表面灭菌10分钟,并用去离子水洗涤5次,在超纯水中浸泡4小时后,在黑暗条件下催芽两天,得到小苗;
挑选形态一致的小苗种植到土壤中;之后将这些盆放在受控条件下的温室中进行培育,培育40天后,进行番茄营养生长阶段采样;培育60天,番茄开花;继续培育100天,得到番茄果实;其中,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%。
对比例1(CK)
省略实施例1中CeO2 NMs的添加,其他和实施例1保持一致,进行培养。
图2为对比例1的CK和实施例1中施加CeO2 NMs对于开花期间叶片中SPS(a)、SUT(b)、SFT(c)和PIF4(d)的相对表达;以及花粉、胚珠和番茄果实的图片(e)。从图2可以看出:10mg/kg CeO2 NMs显著诱导了番茄花朵的形成,比对比例1的CK组提前了10天;CeO2 NMs显著诱导了番茄叶片中蔗糖磷酸合酶基因(SPS)的上调,是对比例1的CK组的2.1倍;CeO2 NMs暴露下叶片中SUT1和SUT2(蔗糖转运蛋白基因)的相对表达也显著上调,分别比对比例1的CK组高2.6和1.9倍。除此之外,CeO2 NMs土壤施用下番茄叶片中的SFT基因和PIF4基因的表达也显著上调,分别是对比例1的CK组的1.9和1.8倍。CeO2 NMs大大提高了番茄的花粉活性和胚珠大小,最终了促进了果实的形成。
图3为对比例1的CK和实施例1中施加CeO2 NMs得到的番茄果实的测试结果,其中,(a)是代谢途径;(b)是元素含量。从图3可以看出:土壤施用10mg/kg CeO2 NMs后番茄果实品质得到显著提升。其中,CeO2 NMs暴露后番茄中的果糖、苹果酸、抗坏血酸、丙氨酸、香豆酸和槲皮素均显著上调。除了代谢变化外,番茄果实中的元素含量也有所增加,Na、K、Fe、Cu和Zn的含量显著增加14.8-44.9%。
图4为对比例1的CK和实施例1中施加CeO2 NMs得到的番茄果实的采后保鲜:其中,(a)为采摘时、采摘后14天的番茄图片;(b)为果实鲜重;(c)为硬度和角质层;(d)为水杨酸合成途径。从图4可以看出:土壤施用10mg/kg CeO2 NMs显着优化了在室温下储存14天的番茄果实的特性。CeO2 NMs处理后番茄表面的菌斑显著减少,保水性增加了285.2%。蜡质层厚度和荧光强度在CeO2 NMs暴露下均显著增加,并且果实更耐压。代谢途径结果表明,施用CeO2 NMs显著提高了番茄果实中的谷氨酸、苯丙氨酸和水杨酸含量,分别提高了71.6%、153.8%和105.3%。
图5为对比例1的CK和实施例1中施加CeO2 NMs得到的采摘后番茄根际细菌的变化:其中,(a)为分类群的数量;(b)为前20个门的相对丰度。从图5可以看出:与对比例1的CK组的土壤相比,CeO2 NMs显著改变了采后番茄土壤根际细菌的多样性,其中,CeO2 NMs的存在显著增加了拟杆菌门和厚壁菌门的相对丰度,微生物群落丰度表现出较高的矿化速率和更快的土壤养分循环。
实施例2
调整实施例1中CeO2 NMs在土壤中的浓度为1mg/kg、50mg/kg,其他和实施例1保持一致,进行培养。
将实施例1、2和对比例1得到的开花期的番茄、果实、成熟期的番茄根进行测试,测试结果如图6;
从图6可以看出:在番茄开花期,CeO2 NMs对番茄叶片的净光合速率有积极影响,其中土壤施加10mg/kg CeO2 NMs比CK组显著增加了90.2%;CeO2 NMs处理下的果实数量也显著增加,在10mg/kg时达到最大值;10mg/kg CeO2 NMs的单果重和总重百分比最高,分别比CK组高70.6%和83.7%。因此,10mg/kg CeO2 NMs最能促进番茄果实中光合产物的分配,并被选作进一步研究。
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.氧化铈纳米材料在促进番茄产量和品质基础上增强采后保鲜的应用,其特征在于,所述的应用是在番茄根部土壤施加氧化铈纳米材料。
2.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述的氧化铈纳米材料在土壤中的浓度为1-50mg/kg。
3.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述的氧化铈纳米材料的粒径为4-14nm。
4.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述的施加时期为番茄苗种植之前。
5.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述的施加是将根部土壤和氧化铈纳米材料混合均匀。
6.一种通过诱导番茄叶片中蔗糖磷酸合酶基因(SPS)、SUT1和SUT2(蔗糖转运蛋白基因)、SFT基因和PIF4基因的表达来提高番茄早花的方法,其特征在于,所述的方法是在番茄根部土壤施加氧化铈纳米材料;其中所述的氧化铈纳米材料在土壤中的浓度为1-50mg/kg;所述的氧化铈纳米材料的粒径为4-14nm;所述的施加时期为番茄苗种植之前。
7.一种通过提高番茄果实中的谷氨酸、苯丙氨酸和水杨酸含量来提高番茄果实储存能力的方法,其特征在于,所述的方法是在番茄根部土壤施加氧化铈纳米材料;其中所述的氧化铈纳米材料在土壤中的浓度为1-50mg/kg;所述的氧化铈纳米材料的粒径为4-14nm;所述的施加时期为番茄苗种植之前。
8.一种增加拟杆菌门和厚壁菌门的相对丰度来改善采后番茄土壤根际细菌的多样性的方法,其特征在于,所述的方法是在番茄根部土壤施加氧化铈纳米材料;其中所述的氧化铈纳米材料在土壤中的浓度为1-50mg/kg;所述的氧化铈纳米材料的粒径为4-14nm;所述的施加时期为番茄苗种植之前。
9.权利要求1所述的方法在农业领域的应用。
10.权利要求6-8任一项所述的方法在农业领域的应用。
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