微酸性电解水对番茄幼苗抗旱性的影响

艾楷棋，赵艳艳，曹凯，3，丁娟娟，叶章颖，邹志荣，3

（1.西北农林科技大学 园艺学院农业部西北设施园艺工程重点实验室，陕西 杨凌712100；2.青海大学 农牧学院，甘肃 青海810016；3.江苏省农业科学院 农业设施与装备研究所 长江中下游设施农业工程重点实验室，江苏 南京210014；4.浙江大学生物系统工程与食品科学学院，浙江 杭州310058）

电解水又名电生功能水或电解离子水，是将稀释盐溶液或稀盐酸溶液在电解装置中进行电解，使水的pH 值、氧化还原电位（oxidation reduction potential，ORP）和有效氯浓度（available chlorine concentration，ACC）等理化指标发生变化而产生具有杀菌特性的功能水。电解水按其电解方式和pH 值可分为强酸性电解水和微酸性电解水。微酸性电解水（slightly acidic electrolyzed water，SAEW）经无隔膜电解槽里通过直流电压（2V）电解稀盐酸（2%～6%）生成，阳极产生的氯气和水反应生成酸性电解水杀菌的基础HClO，其存在比例因pH 值的不同而变化，阳极的另一个产物H＋使SAEW 的pH 值为5.0～6.5，接近中性的pH 值让杀菌能力极强的HClO 在SAEW 有效氯中的占比达到97%，使有效氯浓度低的微酸性电解水杀菌广谱快速高效，同时不会对人体造成伤害也对其它物体几乎无腐蚀性［1～5］。

在园艺领域，除了其杀菌特性被用于种子消毒和病害防治外，微酸性电解水对园艺作物的其它功能性也得到了研究者们的关注。利用微酸性电解水浇灌植物表现出明显的促长效应，一方面，由于电解水是一种带微电流的水，施于土壤后给土壤创造一个微电流环境，可以抑制许多厌氧菌的生长，抑制了土传病害的发生；另一方面，由于电解水使土壤中许多矿质元素得到活化，从而促进了植株的生长发育与代谢。此外，经电场电解后的水，其水分子的存在状态发生了变化，它的水分子团被裂解成小的分子团或单分子，活性更强，渗透吸收力提高，达到了促长之目的，它的促长效应是多方面的［6，7］。王利春等［8］研究表明，随着水培空心菜的营养液中有效氯浓度增大，空心菜的干鲜重等产量指标，可溶性糖含量和维生素C 含量均呈现先增多后减少的趋势。相立等［9］发现在连作土壤中浇灌微酸性电解水能使平邑甜茶的生物量显著提高。

据测算，干旱作为最常见的自然灾害每年给全球造成的经济损失最高达80 亿美元，造成的影响远远超过了其它气象灾害。在我国农业自然灾害的损失中干旱所造成的损失占50%以上，是我国农业面临的最为严重的自然灾害，而且近年来呈现逐步加剧的趋势［10］。大量研究表明，施用外源物质可以促进植物的生长发育、维持正常的生理活动、增强植物对干旱胁迫的耐受性、缓解干旱胁迫对植物的伤害［11］。Zhou 等［12］发现使用微酸性电解水浇灌生菜可以减轻干旱胁迫的影响，并且不会破坏生菜的品质。目前，微酸性电解水对番茄幼苗干旱胁迫下抗氧化能力的影响鲜有报道，因此，试验将研究自然干旱条件下，经微酸性电解水处理的番茄幼苗质膜稳定性、活性氧含量和抗氧化酶活性的变化情况，以探究微酸性电解水影响番茄幼苗抗旱性的机理。

1 材料和方法

1.1 试验地点及材料培养

试验于2019 年3 月至2020 年1 月在陕西省杨凌区西北农林科技大学南校区农学院负一层人工气候室N30-1 中进行。供试番茄种子品种为’金棚8 号’，由西安金鹏种苗有限公司提供。栽培基质由杨凌裕丰种业有限公司提供。微酸性电解水使用旺旺水神HD-240L 次氯酸生成器制备（由上海旺普贸易有限公司提供），通过调节电流大小和水流流速可控制有效氯浓度（ACC），制备好的微酸性电解水及时使用或避光密闭贮存。经前期有效氯浓度20、40、60、80 mg·L-1梯度试验，发现80 mg·L-1的微酸性电解水会对番茄幼苗的生长有一定的促长效应，因此采用有效氯浓度为80 mg·L-1的微酸性电解水作为处理用水，试验所用浇灌用水均由1/2 倍山崎番茄营养液母液配制，理化特性如下表1 所示。种子催芽后选发芽一致的幼苗播种在装有基质（草炭∶珍珠岩∶蛭石=3∶1∶1）的72孔穴盘中，置于气候室内培养，昼温26～28 ℃，夜温18～20 ℃，湿度为70%±5%，每层培养架光照强度约为（260±10）μmol·m-2·s-1，常规管理。待幼苗二叶一心期时每盘浇灌1 次1/2 倍山崎番茄营养液500 mL。当幼苗长至三叶一心时，挑选长势一致的移栽至装有草炭的5 cm×5 cm 营养钵中，共移栽200 株，缓苗3 d 后进行试验处理。

表1 试验所用SAEW 和自来水理化特性Table 1 The physicochemical parameters of the treatment solutions

1.2 试验处理

试验处理期间的环境条件与育苗期保持一致。选取长势良好的幼苗，每个处理40 株，每20株置于1 个铁托盘内，每层培养架可放置2 个铁托盘。设置3 个处理：CK，自来水营养液培养9 d 后继续正常浇灌3 d；D，自来水营养液培养9 d 后自然干旱3 d；D80，微酸性电解水营养液培养9 d 后自然干旱3 d。浇灌于每天上午9：00 进行1 次，每20 株浇灌量为1 L，自然干旱的土壤水分含量分别在 光 照 开 始 前（7：00～8：00）和 光 照 结 束 后（20：00～21：00）采用称重法测量，自然干旱1、2、3d 土壤水分含量分别约为50%～65%，25%～50%，10%～25%，可分别代表轻度干旱，中度干旱和重度干旱。每天13：00～15：00 随机取样用于各项指标测定，每个处理重复5 次。

1.3 指标测定及方法

相对电解质渗透率测定采用电导率法，丙二醛含量测定采用硫代巴比妥酸（TBA）法［13］。O2¯·含量测定采用羟胺法，H2O2含量测定参照石玉［13］的方法。SOD 活性测定采用硝基蓝四氮唑（NBT）法［14］，POD 活性测定用愈创木酚法，CAT 活性测定采用紫外吸收法［15］。

1.4 数据处理与分析

数据处理采用SPSS 数据处理软件（version 20.0，IBM Inc.，USA）对数据进行方差分析，利用Duncan’s 法进行单因素方差分析及显著性测试，显著水平P＜0.05。采用Office Excel 2016 和GraphPad Prism 6.01（GraphPad Softwae Inc.，La Jolla，CA，USA）进行数据处理及图表制作。结果均以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 SAEW 浇灌对干旱胁迫下番茄幼苗质膜稳定性的影响

2.1.1 SAEW 浇灌对干旱胁迫下番茄幼苗相对电解质渗透率的影响

随着自然干旱时间的增长，干旱胁迫程度越高，D 处理的番茄幼苗叶片和根系的相对电解质渗透率不断增大，说明膜透性增大，细胞膜的完整性遭到破坏。干旱处理2 d，D80 与D 相比，叶片和根系中的相对电解质渗透率分别降低17.78% 和19.93%（图1），差异均有显著性（P＜0.05），说明微酸性电解水在中度干旱胁迫时一定程度上能降低相对电解质渗透率，保持一定的膜完整性。

2.1.2 SAEW 浇灌对干旱胁迫下番茄幼苗丙二醛含量的影响

由图2 可知，D 处理的番茄幼苗叶片和根系中的MDA 含量随自然干旱时间增加而不断积累。自然干旱2 d，D80 较D 叶片中MDA 积累量减少21.83%，差异显著（P＜0.05），与CK 相比积累量略有升高但无显著性差异（图2A）；D80 则较D 根系中MDA 含量降低17.98%，但差异不显著（图2B）。自然干旱3 d，D80 与D 相比，叶片和根系中的MDA 积累量分别减少17.98%和17.61%，但差异不显著（图2）。结果表明，微酸性电解水处理后的番茄幼苗叶片在中度干旱胁迫时MDA 含量积累更少，质膜稳定性相对更高。

图1 微酸性电解水对干旱胁迫下番茄幼苗相对电解质渗透率的影响Fig.1 Effect of SAEW on content of relative electrolyte leakage of tomato seedlings under drought stress

图2 微酸性电解水对干旱胁迫下番茄幼苗丙二醛含量的影响Fig.2 Effect of SAEW on content of MDA of tomato seedlings under drought stress

2.2 SAEW 浇灌对干旱胁迫下番茄幼苗O2¯·和H2O2含量的影响

2.2.1 SAEW 浇灌对干旱胁迫下番茄幼苗O2¯·含量的影响

D 和D80 的番茄幼苗叶片和根系中的O2¯·含量随着干旱胁迫程度增大而增加。自然干旱2 d和3 d，D80 较D 叶片中O2¯·含量分别降低17.91%和11.70%，无显著性差异（图3A）；根系中O2¯·含量则分别减少18.95%和15.20%，差异不显著（图3B）。结果表明，经微酸性电解水处理后的番茄幼苗在干旱胁迫时对O2¯·的清除具有一定作用，但效果不明显。

图3 微酸性电解水对干旱胁迫下番茄幼苗超氧阴离子含量的影响Fig.3 Effect of SAEW on content of superoxide anion radical（O2¯·）of tomato seedlings under drought stress

2.2.2 SAEW 浇灌对干旱胁迫下番茄幼苗H2O2含量的影响

D 的番茄幼苗叶片和根系中的H2O2含量随干旱程度加深而不断累积，而D80 中叶片和根系H2O2含量则在重度干旱时显著增高。自然干旱1 d，D 与CK 和D80 相比，叶片中H2O2含量分别增加31.17%和32.81%，差异显著（P＜0.05）（图4A）。自然干旱2 d，D80 与D 相比，叶片和根系中H2O2含量分别减少22.77%和29.89%，差异具有显著性（P＜0.05）；自然干旱3 d，D80 较D 叶片中H2O2含量分别减少13.23%和10.89%，差异不显著（图4）。结果表明，经微酸性电解水处理过的番茄幼苗能够在轻度和中度干旱胁迫时及时清除过量的H2O2，但在重度干旱时作用效果不明显。

图4 微酸性电解水对干旱胁迫下番茄幼苗过氧化氢含量的影响Fig.4 Effect of SAEW on content of hydrogen peroxide（H2O2）of tomato seedlings under drought stress

2.3 SAEW 浇灌对干旱胁迫下番茄幼苗抗氧化酶活性的影响

2.3.1 SAEW 浇灌对干旱胁迫下番茄幼苗超氧化物歧化酶活性的影响

番茄幼苗叶片和根系的SOD 活性随干旱程度增加呈先升高后降低的趋势（图5）。自然干旱2 d，D 和D80 分 别 比CK 叶 片SOD 活 性 高15.26%和18.51%，根系中则分别提高13.71% 和15.55%，差异均具有显著性（P＜0.05），但D 和D80 之间，叶片及根系中SOD 活性差异不显著。自然干旱3 d，D 和D80 叶片和根系SOD 活性较CK 均显著下降，但D 与D80 相比，叶片和根系SOD 活性分别高10.30% 和14.31%，差异显著（P＜0.05）。结果表明，经微酸性电解水处理的番茄幼苗进入重度干旱时，叶片和根系中SOD 活性下降更缓慢，有助于活性氧的清除，缓解干旱胁迫对植株造成的伤害。

2.3.2 SAEW 浇灌对干旱胁迫下番茄幼苗过氧化物酶活性的影响

番茄幼苗叶片和根系的POD 活性随干旱程度增加而增大（图6）。自然干旱2 d 和3 d，D80 较D叶片中POD 活性分别增加6.70%和7.74%，但差异均不显著（图6A）；根系中POD 活性则分别增加0.98%和0.74%，均无显著性差异（图6B）。结果表明，微酸性电解水对番茄幼苗叶片和根系中POD 活性略有促进作用，但影响不明显。

图5 微酸性电解水对干旱胁迫下番茄幼苗超氧化物歧化酶活性的影响Fig.5 Effect of SAEW on superoxide dismutase（SOD）activities of tomato seedlings under drought stress

图6 微酸性电解水对干旱胁迫下番茄幼苗过氧化物酶活性的影响Fig.6 Effect of SAEW on peroxidase（POD）activities of tomato seedlings under drought stress

2.3.3 SAEW 浇灌对干旱胁迫下番茄幼苗过氧化氢酶活性的影响

番茄幼苗叶片和根系的CAT 活性随干旱程度增加呈先升高后降低的趋势（图7）。由图7A 可知，自然干旱2 d，D 和D80 叶片CAT 活性分别较CK 高2.22%和2.93%，差异显著（P＜0.05），但两者之间差异不显著，自然干旱3 d，D80 较D 高2.46%，具有显著性差异（P＜0.05）；从图7B 可以看出，自然干旱2 d，D80 较D 根系中CAT 活性高2.34%，差异不显著，自然干旱3 d，D80 较D 根系中CAT 活性增加8.18%，差异显著（P＜0.05）。结果表明，微酸性电解水减缓了番茄幼苗叶片和根系在重度干旱时CAT 活性降低程度，从而协助活性氧的清除，缓解干旱胁迫带来的影响。

图7 微酸性电解水对干旱胁迫下番茄幼苗过氧化氢酶活性的影响Fig.7 Effect of SAEW on catalase（CAT）activities of tomato seedlings under drought stress

3 讨论与结论

在干旱条件下，植物为了抵御胁迫，质膜通透性提高，抗氧化系统各项指标（MDA、H2O2、O2¯·、SOD、POD 和CAT）含量均明显提高，这在多篇文献中有所报道［16～18］，与本研究结果相一致。

干旱胁迫下作为植物根系，需要减少体内水损失并寻找更多的水分。植物质膜上存在非活化的质子泵（H+-ATP 酶），当植物缺水时，O2¯·和H2O2积累引起植物脱落酸ABA 含量增加，刺激下游生长素活化了质子泵，大量的H+进入细胞壁，引起细胞壁酸化，这时质膜的通透性提高，更多的水分子会进入到细胞内［19］。本研究发现通过在干旱胁迫下外源添加了SAEW，一方面是SAEW 浇灌后番茄幼苗叶片和根系中的相对电解质渗透率和MDA 含量也持续减少（图1，图2），这与冯玉龙等［20］外源添加微酸性电解质后，番茄幼苗相对电解质渗透率和MDA 含量均下降。其原因可能在于外源电解质的增加，增大了根系外细胞浓度，而植物为了保持吸水的能力，需要阻止更多的电解质进入细胞内。另一方面植物O2¯·和H2O2积累（图3，图4）明显降低，这与孙德智等［21］使用弱酸性Ca（NO3）2对番茄幼苗进行浇灌后，O2¯·和H2O2含量降低结果是一致的，其主要原因可能在于微酸性的环境会释放H+离子，这可直接酸化细胞壁，负反馈减少了ABA 含量。降低细胞渗透压阻止电解质进入，外源对细胞壁和周围环境酸化使根系增长，都有助于细胞保持体内水分和吸收更多的水分，这是植物对干旱胁迫的应对策略，已在多篇文献中被报道［22，23］。

干旱胁迫下作为植物叶片，需要减少更多的水分散失防止叶片衰老。在干旱胁迫下，植物气孔关闭，净光合、蒸腾速率、气孔导度均明显下降［24］，这会引起细胞整体的代谢速率的下降，当细胞内的营养物质不足以植物应对胁迫，那么大量的叶片就会发生衰老，为了应对这种损伤细胞启动抗氧化防御机制。我们的研究结果发现当外源添加SAEW 后，植物体内的SOD、POD 和CAT 含量均提高（图5～图7），这与徐宁等［25］通过在植物中添加弱酸性褪黑素可以显著提高植物抗氧化性酶活性结果一致。这主要是为了消除ROS 对植物叶片的损伤，其中，刘瑞［26］研究发现使用微酸性电解水可以减少番茄幼苗ROS 的积累，曹逼力等［27］和石玉［13］均发现干旱胁迫下，硅能降能低番茄幼苗的ROS 自由基含量。因此SAEW 浇灌可能通过直接刺激根系启动抗氧化系统来减少ROS 自由基，或通过促进根系对硅的吸收来提高对ROS 自由基的清除能力，用来缓解干旱胁迫对植物叶片造成的损伤，这在相关研究中有所提及［28，29］。

对于弱酸性电解水对植物抗旱性的作用机制，我们发现随干旱时间和程度的增加SOD 和CAT 活性呈现先升高后降低的趋势，而POD 活性呈现先增加后升高的趋势（图5，图6），可能是由于POD 防御系统在SOD 防御体系之后，当干旱胁迫不断加重体内ROS 积累过多，SOD 不足以应对胁迫因此会启动POD 对H2O2进行清除，这与肖伟等［30］的研究结果一致。中度胁迫下各个抗氧化酶活性均发生提高，而在重度干旱胁迫下，SAEW 能有效缓解SOD 和CAT 活性的下降，并提高POD活性（图5～图7），这与王宁［31］的研究结果是一致的。SAEW 能够促进的番茄适应水分胁迫，与HOCl 密切相关，HOCl 可以通过被动扩散穿透质膜脂质双分子层，它会作为一种常见的信号分子积极的参与植物体内一系列的代谢过程。而HOCl 的作用机制与H2O2一致，使用少量的H2O2对叶片喷施、根系和种子浸泡处理，均可以提高成年植株对多种胁迫的抗性，这在多篇文章中有所报道［32，33］。而HOCl 是 否如同H2O2不仅在细胞外对细胞器和活性氧起反应，还可能在细胞内对细胞器和活性氧起反应，从而影响细胞的生命活动和反应。然而，在这里没有直接的证据来支持这一假设，这需要进一步的研究来找出机制。

本研究发现微酸性电解水可以通过减少电解质 渗 透 率、MDA 含 量，O2¯·和H2O2，增 加SOD、POD 和CAT 酶活性来减少植物体内水分损失和代谢，提高抗氧化胁迫能力，这可以缓解干旱胁迫对番茄幼苗带来的损伤，一定程度上维持细胞质膜稳定性，从而提高其抗旱能力，而其中的原因可能是多种因素综合影响，有待进一步研究验证。