水培番茄側根對鹽脅迫的響應

程 貝 王衛華

（昆明理工大學農業與食品學院，云南昆明 650500）

番茄的營養價值和藥用價值極高，越來越受到人們的喜愛。我國土壤鹽漬化情況嚴重，淡水資源缺乏，海水資源豐富，且海水中離子主要組成為Na+、Cl-（Han & Lyu，2017），因此，研究番茄對鹽（NaCl）脅迫的響應顯得尤為重要。

植物根系的發育狀況是影響產量的主要因素，同種作物的產量隨著根量的增加而增加（Han & Lyu，2017）。根系礦質營養吸收量和細胞分裂素產生量與作物產量密切相關，根系的生長狀況直接影響葉片的功能和壽命，而鹽漬環境會抑制非鹽生植物根系的生長發育。Rossi 等（2015）研究發現NaCl 處理顯著抑制了橄欖樹扦插苗的根系長度，同時增加了葉片中Na+的含量。隨NaCl 濃度增加，小麥的根長、苗質量、根質量、根數等呈下降趨勢（王萍 等，2010）。但也有研究表明，低濃度NaCl 能夠顯著促進植物的生長，如低濃度NaCl 顯著提高了水培韭菜的產量和品質，降低了硝酸鹽的累積（季延海 等，2015）；櫟樹在低濃度鹽脅迫下，根系形態學參數明顯增加（王樹鳳 等，2014）。側根是植物根系的重要組成部分，具有吸收、運輸養分和水分，以及固定植株的作用，側根對鹽脅迫的響應與整個根系的生長密切相關（季延海 等，2015）。目前對于側根的研究大多集中在須根系植物，或采用剪掉主根的方式觀測，大多以擬南芥、棉花、玉米、小麥為材料。

本試驗用直觀易操作的分根水培裝置，在不破壞根系完整的情況下將同一株番茄的側根分離出來與主根分開培養，將與主根分在同側的側根剪掉，既避免了主根缺失可能引起的生理變化，又能單獨觀測側根的生長狀況，結合Logistic 生長模型對側根根系在鹽脅迫下的發育進行探討。旨在探討剪斷與主根同側的側根對另一邊側根生長的影響，為研究鹽脅迫下番茄主、側根的營養吸收情況提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2017 年6 月在昆明理工大學農業與食品學院溫室大棚內進行，晝夜溫度為25 ℃/20 ℃。供試番茄品種為抗病性較強的石頭，種子從云南昆明斗南花卉市場購得。將顆粒飽滿且無病斑的番茄種子播種于劃分好格子（每格3 粒）的泡沫漂浮板上，格內盛有營養基質腐殖質+珍珠巖，將漂浮板放置于清水中進行懸浮育苗。待幼苗長到兩葉一心時，挑選長勢一致的幼苗移栽至水培箱，加Hogland’s 營養液繼續培養。水培箱長、寬、高分別為20、20、30 cm，中間用隔板一分為二，兩側隔絕嚴密互不影響，每側容積5 L。幼苗用泡沫板固定在隔板頂部的凹槽內，移栽時將根系按根數平均分開，將帶有主根的部分置于左側，并將主根同一側的側根全部剪掉，側根置于右側，著重觀測其生長狀況并進行相關指標的測定（圖1）。每隔2 d在貼近主根的位置修剪主根發出的側根，對主根的切口不斷形成，從而與程貝等（2018）在主根完好狀態下右側側根的生長進行對比。當幼苗長到4 片真葉時，分別對主、側根添加等量的NaCl，開始鹽脅迫處理。

圖1 分根水培示意圖

本試驗在程貝等（2018）的研究基礎上，已知鹽濃度為0～0.4%時番茄植株可正常生長，故設4個鹽分梯度，分別記為CK（0，0）、T1（0.1%，0.1%）、T2（0.2%，0.2%）、T3（0.3%，0.3%）。程貝等（2018）的試驗設計中，設置了（0，0）、（0.2%，0.2%）、（0.3%，0.3%）3 個左右濃度相等的處理，因此在后文對比中，僅比較CK、T2 和T3 這3 個處理下的數據。將程貝等（2018）的試驗設計記為方案A，本試驗設計記為方案B。每處理15 株，6 次重復，測量時隨機抽取長勢一致的植株。每5 d 更換1 次營養液以保證鹽濃度一致，試驗從鹽脅迫開始到植株第1 花序現蕾結束，歷時30 d。

1.2 項目測定及方法

根系活力測定：采用TTC 法（苗海霞 等，2005）。鹽脅迫處理30 d 后，每處理隨機挑選3 株，取平均值。

根系干質量測定：采用烘干法。鹽脅迫處理30 d 后，將番茄根系從水培箱中完好取出，將表面雜物清理干凈，用濾紙吸干表面的水分。將側根于105 ℃殺青后，80 ℃烘干至恒重，用電子秤（精度0.001 g）稱其干質量。每處理隨機挑選3 株，取平均值。

根系形態指標測定：采用圖像分析法。鹽脅迫處理后，每隔10 d，各處理隨機抽取3 株進行測量。將待測番茄苗從水培箱中完整取出，清理干凈。將待測側根平鋪在玻璃盤內，盡量避免重疊。用HP掃描儀掃描根系，指定掃描顏色為黑白色，圖像保存格式為TIF，分辨率設置為300 dpi。采用根系圖像分析軟件DT-SCAN 對根系的總根長、根體積、根表面積、平均直徑和根尖數進行定量測定，取平均值。

耐鹽指標的篩選：鹽脅迫后30 d，選擇不同鹽脅迫處理下差異達顯著水平的根系形態指標，用DPS 軟件進行主成分分析，進行耐鹽指標的篩選。

1.3 Logistic 生長模型及參數估計

Logistic 函數或Logistic 曲線是一種常見的 “S”形函數，它是皮埃爾 · 弗朗索瓦 · 韋呂勒在1844 或1845 年研究它與人口增長的關系時命名的。Logistic 生長曲線方程模型為：

式中，Y 為各項指標生長量的模擬值（模擬根系總根長時單位為mm，模擬根表面積時單位為mm2，模擬根體積時單位為cm3）；t 為根系的發育時間（本試驗為根系受鹽脅迫以后的天數）；m、k為參數，e 為自然對數的底數。A 為根系生長的極限值，由四點法求得（Shang et al.，1997），公式為：

式中，t1、y1、t4、y4為實測值的起點和終點，t2、y2、t3、y3為實測數據中間2 個點。

在用SPSS 軟件對Logistic 曲線進行擬合時（董江水，2007），輸出參數值為b0、b1。所以，式①中k=ln（b1），m=b0×A。

將A、k、m 值代入公式①，即得Logistic 曲線方程。對①式求導，可得到根系生長速率V（當模擬總根長時單位為mm · d-1，當模擬根表面積時單位為mm2· d-1，當模擬根體積時單位為cm3· d-1）。

對①式求三階導，令其為0，可得：

ta、tb、tc分別為根系生長的始盛點、高峰點和盛末點。將根系快速生長的時間定義為從始盛點到盛末點的時間。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel 2016 軟件繪圖，DPS 軟件進行主成分分析，SPSS 19.0 軟件進行方差分析（P ＜0.05）和Logistic 生長曲線模擬。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫對番茄根系活力和根系干質量的影響

水培條件下，當主根受到傷害時，不同濃度NaCl 對番茄側根的根系活力和根系干質量的影響顯著（表1）。T1 處理的根系活力和根系干質量分別較對照提高了43.82%和9.97%，表明T1 處理下根系有較強的適應能力，可保持較高的活力；T2處理的根系活力較對照增加了27.92%，但根系干質量反而出現了小幅下降，說明T2 處理下根系的耐鹽機制已經減弱，需要消耗更多的能量來增強吸收、運輸等能力；T3 處理的根系活力和根系干質量均顯著低于對照，根系耐鹽機制遭到破壞，生長受到抑制。

表1 鹽脅迫對側根根系活力和根系干質量的影響

2.2 鹽脅迫對番茄根系生長指標的影響

從圖2 可以看出，不同鹽濃度處理下側根的總根長、根表面積、根體積均隨時間的推移不斷增大，其生長過程經歷了慢-快-慢3 個階段。0～6 d 生長較慢，各個處理間無明顯差異，為生長漸增期；6～18 d 時生長速率加快，幾乎呈線性增長，為生長陡增期；18 d 后各處理根系形態指標的增長又趨于緩慢，生長速率降低，為生長緩增期。根系增長大體上符合Logistic 曲線的“S”型生長模型。鹽脅迫30 d 后，T1 處理的根系總根長、根表面積和根體積分別比對照增加了10.16%、8.01%、10.14%；T2、T3 處理的各指標均低于對照。根平均直徑則隨鹽脅迫處理濃度的升高逐漸變小，鹽脅迫30 d 后，T3處理的根系直徑較對照下降了19.15%。說明在輕度鹽脅迫（0.1%）下，根系是通過直徑的減小和根長的伸長來適應漸增的鹽濃度環境。

2.3 兩種試驗方案的對比

在其他條件相同，僅主根處理不同時，比較方案A（完整根系）與方案B（切除主根一側，即左側的全部側根）右側根系的指標可知（圖3），鹽脅迫30 d 后，方案B 中CK、T2、T3 處理下根系的總根長分別較方案A 增加了1.24%、1.40%和2.64%，根系干質量分別較方案A 增加了9.64%、4.11%和9.45%。在兩個試驗中均測定了根系鹽離子含量等指標，結果均為方案B 較方案A 側根生長更好，因數據繁多不再贅述。說明當主根受到傷害時，相比主根 完好的情況，側根長勢旺盛，由于主根營養吸收受阻，側根進行補償生長，各項指標均有所增加。

圖3 不同方案對鹽脅迫下根系指標的影響

表2 不同鹽脅迫處理下的根系指標（鹽脅迫后30 d）

2.4 番茄根系耐鹽指標的篩選

如表2 所示，各鹽脅迫濃度處理下，除了根系平均直徑以外，其他各指標的差異均達到顯著水平。因此，選擇根系總根長、根表面積、根體積、根系干質量、根系活力和根尖數這幾個指標用DPS軟件進行主成分分析。

選擇主成分的依據主要是特征值和貢獻率，各特征值大小代表了各綜合指標對總方差貢獻的大小，特征向量表示各性狀對綜合指標貢獻的大小（劉祎 等，2017）。把與根系耐鹽性有關的6 個指標轉化為3 個主要成分，特征值以1 為標準，由表3 可知，第1 主成分的特征值為5.495 6，貢獻率達到91.593 9%，反映了根系 91.593 9%的信息。第2、3 主成分的特征值均小于1。因此，第1 主成分可作為側根耐鹽性評價的綜合指標。

表3 主成分的特征值和累計貢獻率

由表4 可知，第1 主成分的表達式為Prinl= 0.42X1+0.42X2+0.42X3+0.41X4+0.36X5+0.40X6， 其 中特征向量系數較大的為X1、X2、X3，對應的指標分別為總根長、根表面積、根體積。因此，這3 個指標是反映鹽分脅迫最重要的根系指標。

2.5 番茄側根的Logistic 生長模型及特征值

運用SPSS 軟件對3 個主要的耐鹽指標進行Logistic 生長曲線方程的模擬（表5），T1 處理側根根長的始盛點、高峰點、盛末點較對照分別延遲了2.00、1.52、1.03 d。根表面積和根體積的生長始盛點也較對照分別推遲了0.65、0.11 d；但進入陡增期后，T1 處理總根長的最大生長速率比對照增加了25.54%，雖進程推后，最大生長速率卻增加。T1 處理的根表面積和根體積的最大生長速率也分別比對照增加了10.97%和13.04%。說明濃度為0.1%的鹽溶液雖推遲了根系的生育進程，但是刺激了中后期側根根長的伸長，從而促進了根表面積和根體積的增加。T2、T3 處理下總根長的始盛點、高峰點和盛末點則均比對照提前，最大生長速率均低于對照，根系表面積、根體積的始盛點也相應推遲。說明根系隨著鹽脅迫程度的增加抑制逐漸加重，不能較好地適應，需將快速發育的進程提前以減輕水分 消耗。

表4 番茄根系指標的主成分分析結果

表5 不同鹽分處理下番茄根長的Logistic 生長模型及特征值

3 討論

根系活力是植物根系的吸收能力、合成能力、氧化能力和還原能力等的綜合反映，是一種能夠較客觀地反映植物根系生命活動和活力水平的重要生理指標（楊兵 等，2016）。本試驗結果表明，番茄側根的根系活力均隨鹽濃度的增加呈先增后減的趨勢，這與苗海霞等（2005）對苦楝的研究結果一致。因為低濃度的鹽脅迫促進了根系對營養元素的吸收，提高了對有機物質的合成。在鹽脅迫條件下植物根系活力增加是植物對逆境的適應過程中發生的反應，是一個極度耗能的過程，要消耗大量營養物質。因此，隨著鹽濃度增加，側根的根系活力雖然高于對照，但是根系干質量卻小幅下降。這與此時根系直徑的減小有關。大部分學者認為鹽脅迫會抑制根系的生長，也有少部分認為適度脅迫有利于鍛煉根系的耐鹽性。本試驗結果表明，鹽濃度為0.1%時，側根的總根長、根表面積和根體積均高于對照，根系直徑卻減小了。這表明根系在不利環境下可以調整自身的形態建成從而改善逆境環境，比如通過根長的伸長增加根表面積來提高根系的耐鹽性。這與弋良朋和王祖偉（2011）對3 種濱海鹽生植物的根系生長分布的研究結果一致，鹽脅迫下根系通過減小直徑、增加根系長度來擴大范圍以獲得更大的面積來吸收養分。根系的伸長是評價根系抗逆性的指標之一，植物根系中徑級較大的根系主要承擔支撐、運輸和貯藏等功能，而吸收功能主要由徑級較小的細根承擔。本試驗中T2 處理側根的總根長、根表面積、根體積、根直徑均下降，說明此時側根對鹽分吸收量過大，且運輸不便導致累積阻塞。當鹽濃度繼續增大到0.3%時，由于高鹽促進生長素在根伸長區過量積累，抑制其重新循環，細胞伸長受到抑制，從而導致根伸長區的生長受到抑制，最終抑制了根系的生長（楊兵 等，2016）。

與程貝等（2018）的試驗結果相比較，在鹽濃度相同時，本試驗根系所表現出來的生存抗鹽能力更強，說明當主根受到傷害會激發側根的生存潛力。盧穎林等（2010）將番茄的主根切斷，對側根進行分根，研究左右不同的氮素水平對番茄根系生長的影響，結果表明剪斷主根對番茄生長無顯著影響，且分根處理較全根處理更能促進根系的發育。由此可見，對于番茄來說，主根的缺失不會對植物生長造成過多影響，反而會促進側根的生長。番茄在早期主根較明顯，隨著生長發育側根逐漸發達，也能起到固定植株的作用。

Logistic 方程能較好地描述植物的生長過程，吳俊文等（2015）、楊再強等（2017）曾用Logistic方程分別研究了楸樹無性系和設施甜椒在不同處理下的葉面積、葉長和葉寬，發現其擬合程度較好。本試驗用Logistic 方程研究番茄側根在不同鹽脅迫下的生長發育，發現在輕度脅迫（0.1%）下側根的生育進程推后，主要是因為鹽脅迫下，新生細胞的數量減少而成熟細胞的長度縮小，導致了根系生長緩慢。West 等（2004）對擬南芥的研究也表明，鹽脅迫會抑制根系細胞的伸長，使根系的生長受到抑制。鹽脅迫下，生育進程提前，說明此時根系生存能力減弱，不得不將生育進程提前減輕鹽分累積，之后隨鹽脅迫逐漸加重，提前進入盛末期。本試驗水培箱生長空間有限，但其生長狀況也符合慢-快-慢的規律，雖然處理始盛點不同，但為保證試驗科學性，結束的時間是相同的。通過試驗觀察得出，T2 處理在試驗結束時側根的總根長、根表面積和根體積仍表現出快速增長的趨勢。在利用微咸水水培番茄過程中，當鹽分濃度為0.1% 時，可適當延長培育時間或更換容積更大的水培裝置，延遲收獲時間，可以彌補鹽分脅迫帶來的損失。利用Logistic 方程求出始盛點、高峰點和盛末點，可以在始盛點延遲時，根據需要搭配淡水稀釋鹽分以促進生長；也可在快速增長時期采取有效調控，以達到高產的目的。

4 結論

本試驗通過分根水培裝置，研究了不同鹽脅迫對番茄側根生長的影響。試驗結果表明：① 鹽濃度為0.1%的脅迫鍛煉了側根對鹽分的適應能力，根系活力、根系干質量和根系形態參數均有所增大，形成了一定的耐鹽機制，隨鹽濃度增大根系生長受到抑制。當主根受到傷害會激發側根的生存潛力，進行補償生長。② 根系的形態參數對耐鹽性的貢獻較大，總根長、根表面積和根體積可作為根系的耐鹽指標。③ 鹽分脅迫延長了根系的發育進程，可通過Logistic 模型預測根系生長情況，從而進行合理調控。