褪黑素在降低植物体内镉积累中的应用

摘要

本发明公开了一种褪黑素在降低植物体内镉积累中的应用。所述应用包括如下步骤：(1)将褪黑素与附加剂混合后制成水剂；(2)将所述水剂喷施于镉胁迫的植物叶面或投加于植物生长的营养液或土壤中。本发明褪黑素制剂可快速、高效的降低植物叶片中镉含量，改变镉离子在植物细胞中的分布，缓解镉对细胞的损害，而且制备工艺简单，使用方便，不会产生产品和环境污染，不易产生药害，具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及褪黑素的应用技术领域，具体涉及将褪黑素应用于降低植 物体内的镉积累。

背景技术

镉(cadmium，Cd)是毒性最强的重金属之一，在土壤中不能被微生 物降解，只能因不同条件影响而发生赋存形态之间的转化，镉从土壤向植 物迁移的能力比其他非必需元素更强，易被植物吸收并积累，超过一定限 度严重影响作物的产量和品质，并通过食物链富集，危害人体健康。镉对 植物的毒性，在形态上主要表现为叶片失绿、卷曲，根、茎生长迟缓；生 理方面多表现为光合作用受到抑制，引起氧化胁迫和膜的损伤。

对于已污染土壤的治理，最传统的也是最直接的方法是换土法和隔离 法。前者把受污染的土壤换成未受污染的土壤；后者则是向土壤中添加固 化剂，使得土壤中的镉离子固定，防止其迁移。

这些方法工程量大，消耗人力物力大，只适合小面积污染地区使用。 现在多采用化学法、农艺调控法和生物修复法。化学法是在土壤中加入化 学试剂如硅肥等改变土壤的性质，使土壤中的重金属元素被吸附或者共沉 淀，降低其生物有效性和迁移性，但是重金属并没有清除，仍旧存在二次 活化的风险，并且化学法还可能导致微量元素的损失，造成土壤的复合污 染。农艺调控主要通过调节土壤pH、改变耕作方式等手段来改变土壤重 金属活性，减少从土壤向作物的转移。此类方法仅改变Cd的赋存状态且 容易再度活化，不是长久之策。

利用超富集植物进行生物修复降低土壤重金属含量是目前比较受欢 迎的解决办法，例如，公开号为CN103521508A的中国发明专利申请公开 了一种镉污染土壤的植物修复方法，包括以下步骤：在镉污染的土壤中种 植黑麦草，在收获前添加有机酸；所述有机酸选自乙二胺四乙酸、草酸、 冰乙酸、丙二酸、酒石酸或苹果酸中的一种。本发明的方法是基于黑麦草 作为生物质原料的前提下，在用黑麦草修复镉污染土壤时，通过有机酸的 活化诱导作用，提高重金属镉的生物有效性，促进了植株对镉的吸收富集， 从而加速了重金属污染土壤植物修复速率。植物修复方法与其它方法相 比，成本低廉、对土壤损害小、不会产生二次污染，但是治理周期长、效 果缓慢，不适合大面积推广，比较适合作为辅助手段。

对于大面积中、轻度污染农田，筛选耐镉且食用器官低积累作物品种 和改进化学调控技术如外源喷施激素类缓解镉毒、减少作物镉吸收与积 累，是目前比较有效的解决方法。后者相对而言操作容易、成本低、见效 快、更加受欢迎。

发明内容

本发明提供一种以褪黑素为有效成分的制剂及用改制剂降低植物体 内镉积累的方法，有效降低植物体内镉含量、安全无污染。

本发明提供一种褪黑素在降低植物体内镉积累中的应用。

所述应用包括如下步骤：

(1)将褪黑素与附加剂混合后制成褪黑素水剂；

(2)将所述褪黑素水剂喷施于镉胁迫的植物叶面或投加于植物生长 的营养液或土壤中。

所述附加剂为常规附加剂，例如，乙醇和水。

褪黑素(melatonin，MT)，又名美拉酮宁、抑黑素、松果腺素，分子 式为C₁₃N₂H₁₆O₂，分子量232.27，熔点116℃～118℃，化学名称为N-乙酰 基-5-甲氧基色胺(N-acetyl-5-methoxytryptamine)(结构如图1所示)，不 溶于水，溶于丙酮、乙醇、乙醚等有机溶剂，对光线敏感，受热易破坏， 主要是由哺乳动物和人类的松果体产生的一种胺类激素，目前发现褪黑素 同样广泛存在于各类高等植物中，但含量极少。

褪黑素可以保护植物抵抗化学物质和重金属离子的伤害，而且褪黑素 本身为内源代谢物，能够被生物降解，对人体无毒性安全无残留，非常适 合大田及设施农业的生产，因此有必要筛选能够有效降低植物体内镉含量 的适宜浓度和处理方式。

为了使该制剂在水溶液中均匀分布并均匀喷洒于番茄叶面上，优选 地，所述水剂中还加有表面活性剂。各种常用的表面活性剂均适用，例如 吐温、厨房用清洁剂、脂肪酸甘油酯和农用有机硅中的至少一种。农用有 机硅的表面活性剂效果较好，实际使用时农用有机硅是优选的表面活性 剂，加入量为万分之二。

优选地，所述植物为番茄、黄瓜和生菜。进一步优选地，所述植物为 番茄。

当番茄长至4叶1心时，对番茄根部进行镉胁迫处理(在营养液中加 入CdCl₂使浓度达到100μM)，之后每3～5天喷施一次水剂，喷施时间为 傍晚。

每次喷施量以所有叶片湿润为准，喷施总次数为3～5次。每株喷施量 随植株大小而异，约为15～50mL。

优选地，所述水剂中褪黑素的浓度为25～500μM。进一步优选地，所 述水剂中褪黑素浓度为50～250μM，最优选为100μM。

本发明中进一步优选地，当番茄长至4叶1心时，对番茄根部进行镉 胁迫处理，同时喷施一次褪黑素水剂，之后每5天喷施一次褪黑素水剂， 喷施时间为傍晚；每次喷施量以所有叶片湿润为准，喷施总次数为3次； 所述水剂中褪黑素的浓度为50～250μM。

最优选地，当番茄长至4叶1心时，对番茄根部进行镉胁迫处理，同 时喷施一次褪黑素水剂，之后每5天喷施一次褪黑素水剂，喷施时间为傍 晚；每次喷施量以所有叶片湿润为准，喷施总次数为3次；所述水剂中褪 黑素的浓度为100μM。

与现有方法相比，本发明具有如下有益效果：

褪黑素制剂可通过将褪黑素与常规的附加剂混合后制成水剂得到，以 适当浓度通过叶面喷施或者直接投加应用于营养液中或土壤中，可安全有 效降低植物体内镉含量。

本发明褪黑素制剂可快速、高效的降低植物叶片中镉含量，改变镉离 子在植物细胞中的分布，缓解镉对细胞的损害，而且制备工艺简单，使用 方便，不会产生产品和环境污染，不易产生药害，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为褪黑素分子结构。

图2-1是番茄根部和叶片中镉的含量图。

图2-2是番茄根部和叶片细胞中镉的亚细胞分布图。

图3-1是光系统Ⅱ最大光化学效率(Fv/Fm)图。

图3-2是净光合速率图。

图3-3是番茄根和叶片中微量营养元素含量图。

具体实施方式

实施例1

(1)植物材料

番茄(Solanum lycopersicum L.cv.Ailsa Craig)种子65℃温水浸种催 芽后播种于包含草炭和蛭石(3:1，V:V)混合基质育苗钵或者珍珠岩中， 出土后按照基质水分情况浇水保持基质湿润。第一片真叶出现后，移入水 培箱(40cm×25cm×15cm)中，每个水培箱中6棵番茄苗，海绵固定。营 养液采用霍格兰配方，每周更换一次营养液。

(2)褪黑素制剂制备

设置5个浓度梯度(25μM、50μM、100μM、250μM、500μM)的 褪黑素制剂。组成如下：98％褪黑素(阿拉丁，上海晶纯生化科技股份有 限公司)、乙醇、水。该褪黑素制剂按照如下步骤制备而得：先将118.5mg 的褪黑素与1mL的乙醇混匀，再加入1L水混匀，得到500μM的制剂， 其它浓度依次用水稀释得到。为了使该制剂在水溶液中均匀分布并均匀喷 洒于番茄叶面上，在该制剂中加入表面活性剂。各种常用的表面活性剂均 适用于该方法，如吐温、厨房用清洁剂、脂肪酸甘油酯和农用有机硅中的 一种。农用有机硅的表面活性剂效果较好，实际使用时农用有机硅是优选 的表面活性剂，加入量为万分之二。所有操作尽量避光进行，配置好的制 剂避光4℃保存。

(3)胁迫处理

实验共设1个对照，6个处理(番茄长至4叶1心时，对根部进行镉 胁迫(100μM)处理)，分别为对照(0μM Cd)、Cd(100μM)、Cd+MT(25μM)、 Cd+MT(50μM)、Cd+MT(100μM)、Cd+MT(250μM)、Cd+MT(500μM)。褪 黑素每5天喷施一次，每个处理对应一个水培箱共6棵苗。喷施时间为傍 晚，每株喷施量随植株大小而异，喷施至所有叶片湿润为止，约为15～50 mL，共喷施3次。

(4)镉含量测定

取叶片或根，110℃杀青15min，然后75～80℃烘干2d，称取0.3g 干样，过筛后加5mL硝酸，180℃消煮至液体澄清，漏斗过滤，加去离子 水定容到50mL。使用原子吸收仪(岛津AA6300)测定。

测试结果如图2所示，图2-1是番茄根部和叶片中镉的含量图，图2-2 是番茄根部和叶片细胞中镉的亚细胞分布图，由图可知，Cd胁迫处理后， 番茄根和叶片中的Cd含量分别为74.98μg和11.10μg(g DW)^-1，外源施 加褪黑素后，根中Cd含量没有差异，而叶片中Cd含量明显降低，其中 以100μM的效果最好，降低53.5％(图2-1)。另外，Cd在亚细胞分布方 面也存在差异(图2-2)。当番茄遭受镉胁迫后，根部和叶片细胞中，镉在 细胞壁、液泡、细胞器以及胞质中所分布的比例分别为10.6/11.3％、 15.3/13.1％、42.1/40.2％以及32.0/35.4％。而100μM的褪黑素处理后，镉 的亚细胞分布发生改变。细胞壁和液泡中镉的分布明显增多，分别由 25.9/24.3％增长至42.1/44.1％(根/叶)，而细胞器和胞质中所占比例减少， 由74.1/75.6％降低到57.8/55.9％，极大程度上减缓了镉对植物细胞的毒害 作用。

(5)褪黑素制剂对镉胁迫引起的生长抑制缓解效果

镉胁迫处理14d后，测定植株根部、叶片中的微量元素以及测定光合 相关参数。结果如图3所示，其中图3-1是光系统Ⅱ最大光化学效率 (Fv/Fm)图，图3-2是净光合速率图，图3-3是番茄根和叶片中微量营 养元素含量图，结果表明，褪黑素处理后，镉胁迫引起的光抑制得到缓解， 其中以100μM的褪黑素效果最好，与对照相比，光系统Ⅱ最大光化学效 率(Fv/Fm)(图3-1)和净光合速率(Pn)(图3-2)分别提高了13.5％和 90.4％。另外，镉胁迫处理严重抑制了植物根和叶片对微量营养元素的吸 收，而褪黑素处理后能明显缓解，与对照相比叶片和根中铁、锰、锌、铜 的含量分别上升了40.1/54.5％,54.8/81.8％,50.3/68.5和28.7/42.4％(图 3-3)。

实施例2

步骤(1)～(2)同实施例1，步骤(3)中每隔3天喷施一次，共喷 施5次，按照实施例步骤(4)进行镉含量测定，结果显示能够达到实施 例1的处理效果。

实施例3

步骤同实施例1，将番茄替换为生菜，按照实施例步骤(4)进行镉 含量测定，结果显示能够基本达到实施例1的处理效果。

实施例4

步骤同实施例1，将番茄替换为黄瓜，按照实施例步骤(4)进行镉 含量测定，结果显示能够基本达到实施例1的处理效果。