Exogenous Foliar and Root Applications of Abscisic Acid Increase the Influx of Calcium into Tomato Fruit Tissue and Decrease the Incidence of Blossom-end Rot

T. Casey Barickman1,3, Dean A. Kopsell2 and Carl E. Sams2,4

Plant Sciences Department, The University of Tennessee, Room 252 Ellington Plant Science Building, 2431 Joe Johnson Drive, Knoxville, TN 37996

Abstract Plants encounter various environmental stress factors that can potentially impact nutritional requirements and fruit quality. Adequate levels of calcium (Ca) in tomato (Solanum lycopersicum) fruit have positive effects on fruit quality, specifically firmness. One of the results of insufficient Ca uptake and movement in tomato is the physiological disorder blossom-end rot (BER), which is associated with a Ca deficiency in the distal fruit tissue. Previous research has demonstrated that foliar abscisic acid (ABA) applications decreased the incidence of BER and increased the uptake of Ca into fruit tissue. This study examined how root and foliar spray ABA applications, individually and in combination, affect the partitioning of Ca between the leaves and fruit of tomato plants, especially in the distal tissue, and how ABA affects the incidence of BER in the distal tissue of tomato fruit. lsquo;Mt. Fresh Plusrsquo; tomato were grown in the greenhouse at 25/20 °C (day/night) under a 16-hour photoperiod. Plants were treated with different Ca concentrations in the fertilizer solution. Plants were also treated with foliar spray ABA applications weekly. Calcium was applied through the irrigation lines at 60, 90, or 180 mg·Lminus;1. ABA treatments were applied as a combination of foliar sprays and root applications. Foliar ABA applications, treatments consisted of deionized (DI) water control (0.0 mg ABA/L) or 500 mg ABA/L. For ABA root applications, treatments consisted of a DI water control (0.0 mg ABA/L) or 50 mg ABA/L applied through the irrigation lines. ABA spray treatments were applied once weekly until dripping from the foliage (tops of pots were covered to prevent spray drip into the pot), whereas root applications were applied four times per day through the irrigation system. Fruit tissues were harvested 84 to 90 days after seeding. Fruit tissue was harvested at red ripe maturity and evaluated for yield, BER, and Ca concentrations. Leaves were harvested at the time of fruit and were analyzed for Ca concentrations. The results indicate that a combination of the spray and root applications of ABA resulted in the greatest decrease in BER. The foliar spray application of ABA combined with the Ca treatment of 180 mg·Lminus;1 decreased the incidence of BER. Results also demonstrate that ABA treatments are effective in increasing fruit Ca and preventing BER in the early stages of plant development but are less effective in preventing Ca deficiency in the later stages of growth.

Additional index words. proximal distal leaf partitioning distribution

Plants encounter various environmental stresses that can potentially impact nutritional requirements and fruit quality. Environmental stress factors frequently influence vegetative development by inhibiting plant growth. Studies have demonstrated that the plant hormone ABA helps plants acclimate to environmental stresses such as drought, extreme temperatures, and excess light (Hirayama and Shinozaki, 2007; Thompson et al., 2000). ABA affects gas exchange by closing stomatas, thereby decreasing photosynthesis, which has a negative effect on vegetative growth. However, ABA can have a positive effect on nutritional fluxes in the plant. For example, ABA can enhance potassium (K) absorption in cucumber (Cucumis sativus) under high-temperature conditions (Du and Tachibana, 1995), and it can promote Ca uptake in tomato (Solanum lycopersicum) fruit (Barickman et al., 2014a; de Freitas et al., 2011).

Studies have demonstrated that adequate levels of Ca in tomato fruit have positive effects on fruit quality, specifically firmness (Vaz and Richardson, 1984). Cell wall integrity is maintained through the roles Ca plays in interconnections of pectinacious material (Willats et al., 2001). Research on ABA and Ca has predominantly focused on examining ABA as an environmental stress signal and its impact on signal transduction on a cellular level (Batistic et al., 2012; Chen et al., 2012). These studies examined how endogenous ABA increases as a result of environment stress such as drought and affects Ca levels (Du et al., 2010). For example, Guo et al. (2002) indicated that ABA triggers an oscillation in the cytosolic Ca concentrations initiating a series of signaling cascades that control physiological processes, including adaptation to environmental stress. This study focused on how exogenous application of ABA could affect Ca transport and partitioning between the leaves and fruit of tomato in protected culture environments.

Calcium movement through the plant is regulated by source–sink relationships. Calcium moves to tissues that have the lowest water potential (Marschner, 1995). Calcium movement, which is passive and through the xylem, increases to tissues such as leaves because they are rapidly growing and have a lower water potential compared with root tissues. Other parts of the plants such as fruit tissue have higher water potentials and lower distribution of stomata than leaf tissue (Blanke, 1986). Therefore, movement of Ca into these tissues is considerably lower. Movement of Ca into fruit tissue is greatest when cells are actively dividing and expanding in the early stages of growth. After this stage of rapid growth, Ca movement is lessened because strength of the sink for Ca decreases (Ehret and Ho, 1986). Thus, fruit have a limited time for critical Ca uptake for rapidly expanding fruit tissue. There are only a few examples in the literature of studies demonstrating that foliar application of A

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对叶面和根系施用外源脱落酸能够促进番茄果实对钙的吸收从而降低花后腐烂的发生率

T.凯西·巴里克曼 ^1,3，A.科皮尔尔院长²，卡尔E·萨姆^2,4

田纳西大学植物科学系，埃林顿植物科学大楼252号，乔·约翰逊大道2431号，诺克斯维尔，田纳西州37996

摘要 植物会遇到各种可能影响营养需求和果实质量的环境胁迫因素。 番茄（Solanum lycopersicum）果实内具有充足的钙（Ca）对果实质量，尤其是硬度方面，具有积极影响。番茄对钙的摄取不足和传输不利将导致远端果实组织缺钙，这一生理障碍将引起果实的花后腐烂（BER，blossom-end rot）。以前的研究表明叶面脱落酸（ABA）的应用能够降低了BER的发生率，并提高果实组织对钙的吸收率。本次研究对向根系和叶面喷洒ABA，分别会如何影响番茄植物叶片和果实里的钙分配，同时也研究了其组合效应，其中尤其关注远端组织中钙的分配。同时，ABA如何影响番茄远端果实组织中BER的发生率也是一项重要研究目的。 本次试验选取“Mt. Fresh Plus”品种的番茄种植在温度白天25℃，晚上20℃的恒温温室中，每天施以16小时光照。 植株在肥料溶液中接受不同浓度的钙的处理。同时，植株每周都进行叶面喷雾ABA处理。在灌溉过程中分别施用60，90和180 mg·L^-1的钙处理。对植株的ABA处理是以叶面喷雾和根系灌溉的方式组合进行的。对叶面的ABA处理浓度为500mg ABA / L，以去离子水（0.0mg ABA / L）为对照。 对根系的ABA处理浓度为50mg ABA / L，同样以去离子水（0.0mg ABA / L）为对照。每周对植株施用一次ABA喷雾处理，直至喷雾粒子能够从叶子滴落为止（在罐顶部覆膜以防止喷雾滴入锅中），同时每天通过灌溉系统对根子进行四次ABA处理。在播种后84至90天收获果实。在红熟期时收获果实，并评估产量，BER状况和钙浓度。 在结实期时收取叶片，并分析其钙浓度。结果表明，ABA的喷雾和根系组合应用能够使BER情况有最大程度的减轻。对叶片进行的ABA喷雾和180 mg·L^-1的钙溶液的组合处理降低了BER的发生率。结果还表明，ABA处理在植物发育早期阶段能够有效增加果实钙含量并预防BER的发生，但在预防后期生长的缺钙方面的效果较差。

关键词 近端，远端，叶片，分配，分布

植物会遇到各种可能影响营养需求和果实质量的环境胁迫因素。环境胁迫因素通过抑制植物生长而频繁影响营养部位的发育。有研究表明，植物激素ABA有助于植物适应环境胁迫，如干旱、极端温度和过量光照（平山和筱崎，2007；汤普森等，2000）。ABA通过关闭气孔来影响气体交换过程，从而降低光合作用，这对营养生长是具有负面影响的，但这对植物的营养通量的累积是具有积极影响的。例如，ABA可以在高温条件下提高黄瓜（Cucumis sativus）对钾的吸收（Du和Tachibana,，1995），并且可促进番茄（Solanum lycopersicum）果实对钙的吸收（Barickman等，2014a；de Freitas等人，2011）。

研究表明，番茄（Solanum lycopersicum）果实内具有充足的钙对果实质量，尤其是硬度方面，具有积极影响。（Vaz 和Richardson，1984）。细胞壁的完整性由钙在与果胶物质的相互作用过程中来不断维持的（Willats等，2001）。现在，对ABA和钙的研究主要集中在研究ABA作为环境胁迫信号及其它在细胞水平上对信号转导的影响（Batistic等人，2012； Chen等人，2012）。这些研究发现了由于诸如干旱等环境胁迫引起的内源性ABA的增加机制和对钙含量水平的影响过程（Du等，2010）。例如，Guo等人（2002）指出，ABA引发细胞溶质Ca浓度的振荡，引发一系列信号级联来控制生理过程，其中就包括了对环境胁迫的适应过程。而本研究则侧重于外源ABA是如何影响在保护性培养环境生长的番茄叶片和果实的钙运输和分配。

钙的运输过程受到源-汇关系的限制，钙元素会自发移动到具有更低水势的组织中（Marschner，1995）。因为叶片和根系组织的具有较低的水势，所以钙会被动地经由木质部输送到这些组织当中。而植物的其他部分，如果实组织，则具有比叶组织更高的水势和更低的气孔分布（Blanke，1986）。因此，钙进入这些组织的运动强度就相当的弱。钙进入果实组织的运动强度在细胞生长的早期分裂扩大阶段时是最大的。在快速增长阶段之后，由于钙的“汇”强度下降而使得钙的运动强度也不断减弱（Ehret和Ho，1986）。因此，果实摄取对果实组织快速膨胀十分关键的钙元素的时间是十分有限的。在已有的文献中只有几个例子能够证明，叶面施用ABA可以增加番茄果实组织，尤其是远端组织（Barickman等，2014b），对钙的吸收（de Freitas等，2011）。

番茄对钙的摄取不足和传输不利将导致远端果实组织缺钙，这一生理障碍将引起果实的花后腐烂（Ho和White，2005）。对温室番茄产量的研究表明，当肥料溶液对植物的钙需求供应不足时很少导致BER。更常见的是，当在诸如低湿高光高温等环境下生长时，BER更易发生在具有足够钙供应的植物中，因为环境因素抑制了钙元素向快速生长的远端果实组织的运输过程（Saure，2001）。此外，在水果发育早期阶段，远端果实组织对钙需求的增加可能会引起BER（Ho等人，1993）。以前的研究表明叶面应用ABA能够降低了BER的发生率，并提高果实组织对钙的吸收率（de Freitas等，2011）。这是由于ABA的应用对气孔导度（gS）产生了负面影响，这阻止了钙流向营养组织，而使更多的钙能够进入果实组织。

外源ABA可以通过根系灌溉或叶面喷雾的形式施用于营养组织。当应用于根组织时，ABA被释放到通往到营养组织的木质部，通过关闭气孔和减少植物生长的方式来提高水的利用效率（Hartung等人，2005）。Hocking等人（1972）利用C₁₄标记技术证明了，ABA在施用于根系的24小时后便广泛分布在豌豆（Pisum sativum）植株内。其中在根结节中发现了约18％的ABA。 对外源ABA应用及其对钙摄取和分布的影响的研究主要检验了叶面上应用。然而，最近的研究表明，对根系应用也可能是有效的。 例如，Barickman等人 （2014a）已经证明，ABA应用于番茄植物的根组织可以增加“微”番茄叶和果实组织之间的钙分配。 因此，本次研究同时监测了对根系灌溉和叶面喷洒ABA，分别会如何影响番茄植物叶片和果实里的钙分配，同时也研究了其组合效应，其中尤其关注远端组织中钙的分配。此外，本研究还研究了根系灌溉和叶面喷洒ABA，对番茄果实远端组织BER发生率的单独和组合影响效应。

1 材料和方法

1.1 植株培育和收获

将“Mountain Fresh Plus”品种的番茄（约翰尼的选择种子，温斯洛，我）的种子播种到Pro-Mix BX进行无土栽培（高科技园艺园，魁北克，加拿大），并在在25/20℃（日/夜）的温室条件下进行发芽处理（诺克斯维尔，田纳西州；纬度35°N ）。在16小时的光照条件下，温室中番茄生产的自然光周期和强度用24只单独的1000-W高压钠灯进行补充。在整个光周期平均提供900mu;mol·m^-2·s^-1的光照。 在距离地面1.22米处拍摄光强读数。 播种后30d，将小植株转移到装满Sunshinereg;Pro土壤调理剂（Sungro Horticulture，Agawam，MA）的11L荷兰盆（Tek Supply，Dyersville，IA）中。番茄植物利用田纳西大学（诺克斯维尔，田纳西州）开发的番茄受精方案进行水培栽培。通过Dosatron（D25RE2型；克利尔沃特，佛罗里达州）注射器将营养液的储备溶液以1:100的比例稀释。番茄植株每天灌溉4次，每次灌溉10分钟。营养液的各元素浓度分别为（mg·L^-1）：氮（N）（180），磷（93.0），K（203.3），镁（48.6），硫（96.3），铁（1.0） 0.25），锰（0.25），锌（0.025），铜（0.01），钼（0.005）。 本次研究进行了两次相同的实验。第一个实验是在2012年秋季进行的，第二个在2011年春季进行。试验设计中，对一个由六个块组成的随机完整的块，进行三个四阶因子排列的处理，每个处理进行两次重复，每个处理代表一个实验单元。

通过灌溉流水线分别施用60、90和180 mg·L^-1钙处理。180 mg·L^-1被认为是温室番茄植物的最佳钙浓度。而60和90 mg·L^-1则被认为是缺钙浓度以模拟缺钙环境。将硝酸铵加入到浓度为60和90mg·L^-1钙处理的植物中以平衡植株对氮的需求。ABA处理有叶面喷雾，根系灌溉和叶面和根系组合施用三种。对叶面的ABA处理浓度为500mg ABA / L，以去离子水（0.0mg ABA / L）为对照。对根系灌溉的ABA处理浓度为50mg ABA / L，同样以去离子水（0.0mg ABA / L）为对照。组合处理由500mg·L^-1 ABA的叶面ABA喷雾和50mg·L^-1 ABA的根系灌溉组成。 ABA喷雾处理从开花到最终收获每周进行一次，以喷雾剂能从叶子滴落为准（盖子顶覆膜以防喷雾滴入锅中），而根系ABA则通过灌溉系统每天施用四次。番茄植物在整个实验的时间内没有经历水分胁迫条件。 在播种后84〜90d收获果实组织。随后，以USDA（USDA农业营销服务，1975年）番茄色标准将红熟收获的果实分为大、中、小型（USDA农业营销服务，2007年）。并对发生BER的番茄果别进行区别分类。以同样的方式分泪每个处理的果实，并称重其生物量。将来自每个实验单元的第二个组中的至少三个果实分成近端和远端部分，并进行冷冻处理待用，后期将进行元素营养分析。近端组织是番茄果实的三分之一，远端组织也是番茄果实的三分之一。在分析前，将收获的水果样品储存于-80℃条件下。从每个处理最终收获的果实中取出第二组上的第一片叶作为叶片样品用于分析。

1.2 营养元素测定

营养分析方法是根据Barickman（2013）等人的研究结果稍作修改而得的。简言之，利用新鲜果实组织的5.0g子样品进行样品分析，将其与10mL70％的HNO₃混合并在微波分解单元（Ethos; Milestone Inc.，Shelton，CT）中分解。收集叶子并用去离子水冲洗三次，并在65℃下在压力烘箱（大型；Fisher Scientific，Atlanta，GA）中干燥48小时。将干燥的样品用液氮研磨至均匀，称取0.5g子样品进行分析。使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS；Agilent Technologies，Inc.，Wilmington，DE）进行营养分析。ICP-MS系统配备了八极碰撞/反应池，Agilent 7500 ICP-MS化学工作站软件，Micromist雾化器（Agilent Technologies，Inc.），水冷石英喷雾室和CETAC（ASX-510; CETAC Inc.，Omaha，NE）自动进样器。该仪器每天都要对灵敏度[锂（Li），钇（Y），铊（Tl）]、氧化物[铈（Ce）]的水平和双电荷离子（Ce），使用包含Li，Y，Tl，Ce和钴的10mu;g·L^-1的调节溶液在2％HNO₃ / 0.5％HCl（v / v）基质中进行优化。组织营养浓度以干重（DW）为基础表示。

1.3 数据分析

两个独立实验的结果在统计学上来看是相似的。 因此，将数据汇集在一起进行不同处理数据的分析处理。试验中固定的影响因子包括三个钙处理浓度，是与ABA和非ABA（对照）处理相并列的分析因子，而分区的块则作为随机效应。利用SAS（版本9.3；SAS Institute，Cary，NC）进行数据的统计分析。使用PROC GLIMMIXED方差分析法进行数据分析，然后进行平均分离。方差分析用于评估ABA处理和钙处理效应。当F值对主效应因子显著时，使用Duncan的多范围测试（Ple;0.05）对ABA处理和钙处理进行分类。

2 分析结果

2.1 ABA对叶片组织中钙浓度的影响

结果的统计分析表明，ABA和钙处理对番茄叶组织没有相互作用。因此，分别列出了ABA和钙处理的结果效应。ABA作为叶面喷雾剂（500 mg·L-1），根系灌溉（50 mg·L-1）和叶面喷雾剂和根系灌溉的组合应用可显著降低番茄叶组织中的钙浓度（表1）。 在ABA叶面喷雾和根系灌溉的组合处理中，叶片中钙浓度从对照处理的25.94 mg·g^-1DW降低到21.99 mg·g^-1DW。与叶面ABA处理的对照相比，叶组织中的钙浓度降低了15.2％。

表1 对温室培育的“Mt. Fresh Plus”番茄(Solanum lycopersicum)进行外源ABA处理后的叶片、果实、近端组织和远端组织的钙含量