外源硅對低鐵脅迫下番茄幼苗生長和生理特性的影響

趙 鑫，姚 棋，陳浩婷，張 毅，侯雷平，邢國明，石 玉

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西省設(shè)施蔬菜提質(zhì)增效協(xié)同創(chuàng)新中心，山西太谷030801）

鐵（Iron，F(xiàn)e）是植物生長所必需的一種微量元素，是很多蛋白酶氧化還原過程中的重要輔因素，參與植物光合、呼吸、固氮以及核酸合成等許多基礎(chǔ)代謝過程[1-3]。盡管Fe在地殼中的含量很高，但在高pH值和鈣質(zhì)土壤中以及在中性和堿性土壤中，F(xiàn)e的溶解率極低，通常以不溶性的氫氧化鐵（Fe（OH）3）形式存在，從而限制了植株對土壤中鐵元素的有效吸收[1，4-5]。低鐵條件下植物會出現(xiàn)幼葉黃化、生長減緩、產(chǎn)量品質(zhì)下降等癥狀[2，6]。目前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者通過土壤、葉面施鐵肥的方式來提高植株中鐵元素的含量，這是一條可行的途徑，矯正所用的鐵制劑主要為硫酸亞鐵和絡(luò)合鐵，其中，硫酸亞鐵容易發(fā)生氧化，而絡(luò)合鐵雖效果優(yōu)于硫酸亞鐵，但價格昂貴不利于在生產(chǎn)中推廣普及[7]。關(guān)于外源物質(zhì)方面，賀志文等[8]研究表明，用一定濃度的外源激素GA3（赤霉素）等處理后，可以促進(jìn)幼苗生長。

硅（Silicon，Si）在地殼中的含量僅次于氧[9]。雖然目前不能證明Si是大多數(shù)植物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素，但近年來研究表明，Si對植物是有益的，其能夠促進(jìn)植物正常的生長發(fā)育[10-15]。Si在細(xì)胞壁的積累可以增強植物組織的機械強度、影響跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度以及滲透調(diào)節(jié)等，還參與植物體內(nèi)許多生理代謝過程，增強植物的抗逆性[16-17]。陳罡等[18]對黃瓜幼苗的研究表明，硅處理可有效緩解鹽脅迫造成的生長抑制，改變?nèi)~綠素?zé)晒鈪?shù)變化，保護(hù)黃瓜幼苗光合器官結(jié)構(gòu)和功能的完整，從而增強黃瓜的耐鹽性。張倩等[19]對棉花的研究表明，硅能提高鹽脅迫下根系活力，降低H2O2、MDA含量和電解質(zhì)滲透率，提高棉花耐鹽性，促進(jìn)其正常生長。目前，外源硅對低鐵脅迫下番茄幼苗響應(yīng)的信號機制尚不清楚。

本試驗研究了外源硅對低鐵脅迫下番茄幼苗生長、葉綠素含量、光合系統(tǒng)及鐵素含量的影響，旨在為揭示外源硅調(diào)控低鐵脅迫下番茄幼苗生長機制提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試番茄品種為Micro-tom。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2019—2020年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝站進(jìn)行。選取飽滿的種子進(jìn)行育苗，待番茄3葉1心時，選取長勢基本一致的幼苗進(jìn)行定植。緩苗后，進(jìn)行不同濃度鐵、硅處理，共6個處理，即CK（對照），山崎配方營養(yǎng)液（鐵濃度為100μmol/L）；CK＋Si，營養(yǎng)液鐵濃度為100μmol/L添加1.5 mmol/L硅；10Fe，營養(yǎng)液鐵濃度為10μmol/L；10Fe＋Si，營養(yǎng)液鐵濃度為10μmol/L添加1.5 mmol/L硅；1Fe，營養(yǎng)液鐵濃度為1μmol/L；1Fe+Si，營養(yǎng)液鐵濃度為1μmol/L添加1.5 mmol/L硅。其中，硅源為K2SiO3·nH2O，硅工作液濃度為1.5 mmol/L（由預(yù)試驗得出）。每5 d更換一次營養(yǎng)液，pH值調(diào)至6.0±0.2，利用增氧泵以間歇方式供氧。在鐵、硅處理第15天取樣，用以測定各項生長及生理指標(biāo)。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生物量的測定 將植株洗凈、擦干后稱鮮質(zhì)量，每個處理重復(fù)4次，取平均值。

1.3.2 相對電解質(zhì)滲透率測定 參照石玉[20]的方法，于處理15 d時取生長點下第2片完全展開的功能葉和根尖，用自來水和去離子水分別沖洗表面，吸干葉片表面水分后，用打孔器快速打取10個葉圓片，放入預(yù)先用去離子水洗凈的15 mL塑料離心管中；搖動離心管數(shù)下，用電導(dǎo)儀測定空白電導(dǎo)率（S1）；將試管放于搖床，室溫條件下振蕩2 h后測定初始電導(dǎo)率（S2）；然后將試管置于沸水浴中煮沸10 min（殺死植物組織），取出試管將其冷卻至室溫，充分搖勻，測其煮沸后電導(dǎo)率（S3）。

1.3.3 葉綠素含量和類胡蘿卜素含量的測定 取第2片完全展開的功能葉，洗凈、擦干后稱約0.1 g放入試管，于陰暗處用96%乙醇浸提約24 h，直至葉片完全變白，測定葉綠素提取液在470、649、665 nm處的吸光度值。每個處理重復(fù)4次，取平均值。參照梁穎等[21]的方法計算葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總?cè)~綠素含量。

1.3.4 光合參數(shù)的測定 選擇晴天9：00—11：00，每個重復(fù)隨機抽取9個完全展開的功能葉，用Li-6400便攜式光合儀測定生長點往下第2片完全展開功能葉的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）。

1.3.5 PSⅡ最大光化學(xué)效率Fv/Fm取植株生長點下第2片完全展開的功能葉，暗適應(yīng)30 min，用Li-6400便攜式光合儀的熒光葉室測定PSII最大光化學(xué)效率（Fv/Fm），即（Fm-Fo）/Fm。

1.3.6 鐵含量 參照何明明等[6]的方法，將烘干稱量的樣品粉碎，用H2SO4-H2O2消煮，采用原子吸收分光度法測定番茄幼苗地上部莖葉和地下部根系的全鐵含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行作圖，采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析（ANOVA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源硅對低鐵脅迫下番茄幼苗鮮質(zhì)量的影響

由圖1可知，與對照相比，CK＋Si處理下植物的鮮質(zhì)量顯著增加，地上部鮮質(zhì)量和地下部鮮質(zhì)量分別增加30.78%和4.23%，總鮮質(zhì)量增加25.16%；低鐵脅迫顯著降低番茄植株的鮮質(zhì)量，10μmol/L Fe處理地上部鮮質(zhì)量和地下部鮮質(zhì)量分別較CK降低31.02%和10.34%，總鮮質(zhì)量較CK降低26.64%；1μmol/L Fe處理地上部鮮質(zhì)量和地下部鮮質(zhì)量分別較CK降低56.24%和22.87%，總鮮質(zhì)量較CK降低49.16%。與10μmol/L Fe處理相比，10Fe＋Si處理下植株的鮮質(zhì)量顯著增加，地上部鮮質(zhì)量和地下部鮮質(zhì)量分別增加42.31%和5.85%；總鮮質(zhì)量增加32.87%。與1μmol/L Fe處理相比，1Fe＋Si處理下番茄幼苗的地上部鮮質(zhì)量和地下部鮮質(zhì)量分別增加69.54%和19.59%；總鮮質(zhì)量增加53.47%。可見，在低鐵脅迫下，增施外源Si可有效緩解低鐵脅迫對植株生長的抑制作用。

2.2 外源硅對低鐵脅迫下番茄幼苗相對電解質(zhì)滲透率的影響

由圖2可知，與對照相比，CK＋Si處理下葉片和根系的相對電解質(zhì)滲透率均顯著降低，分別減少10.65%和9.13%；低鐵脅迫顯著增加葉片和根系的相對電解質(zhì)滲透率，10μmol/L Fe處理葉片和根系較CK分別增加20.16%和18.44%；1μmol/L Fe處理葉片和根系較CK分別增加170.05%和138.01%。與10μmol/L Fe處理相比，10Fe＋Si處理下葉片和根系的相對電解質(zhì)滲透率分別減少4.93%和8.76%；與1μmol/L Fe處理相比，1Fe＋Si處理下葉片和根系的相對電解質(zhì)滲透率分別減少7.03%和24.91%。可見，在低鐵脅迫下，增施外源Si可有效降低低鐵脅迫下番茄幼苗的相對電解質(zhì)滲透率。

2.3 外源硅對低鐵脅迫下番茄幼苗光合色素含量的影響

從表1可以看出，與對照相比，CK＋Si處理下葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a＋b含量分別增加8.15%、8.06%和8.12%，類胡蘿卜素和葉綠素a/b與對照間差異不顯著；低鐵脅迫顯著降低葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a＋b和類胡蘿卜素含量，10μmol/L Fe處理下葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a＋b、類胡蘿卜素和葉綠素a/b含量分別較CK降低17.78%、16.13%、17.26%、31.58%和3.65%；1μmol/L Fe處理下葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a＋b和類胡蘿卜素含量較CK分別降低63.70%、70.97%、65.99%和57.89%，葉綠素a/b較CK增加23.29%。與10μmol/L Fe處理相比，10Fe＋Si處理下葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a＋b、類胡蘿卜素含量分別增加13.51%、23.08%、17.18%和7.69%；葉綠素a/b則降低。與1Fe處理相比，1Fe＋Si處理下葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a＋b、類胡蘿卜素含量分別增加20.41%、77.78%、35.82%和25.00%；葉綠素a/b降低28.15%。可見，在低鐵脅迫下，增施外源Si可有效增加低鐵脅迫下番茄幼苗的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a＋b和類胡蘿卜素含量，降低葉綠素a/b。

表1 外源硅對低鐵脅迫下番茄幼苗光合色素含量的影響

2.4 外源硅對低鐵脅迫下番茄幼苗光合參數(shù)的影響

由表2可知，與對照相比，CK＋Si處理下Pn、Gs和Tr分別增加16.47%、17.65%和23.15%，Ci與對照間沒有明顯差異；低鐵脅迫顯著降低Pn、Gs、Ci和Tr，10μmol/L Fe處理Pn、Gs、Ci和Tr分別較CK降低23.14%、29.41%、1.88%和30.87%，1μmol/L Fe處 理Pn、Gs、Ci和Tr分 別 較CK降 低43.40%、76.47%、36.07%和71.38%。與10μmol/LFe處理相比，10Fe＋Si處理下Pn、Gs和Tr分別增加47.62%、41.67%和52.56%，Ci降低7.81%；與1μmol/L Fe處理相比，1Fe＋Si處理下Pn、Gs、Ci和Tr分別增加23.79%、175.00%、51.09%和153.93%。可見，在低鐵脅迫下，增施外源Si可有效增加低鐵脅迫下番茄幼苗的Pn、Gs和Tr。

表2 外源硅對低鐵脅迫下番茄幼苗光合參數(shù)的影響

2.5 外源硅對低鐵脅迫下番茄幼苗葉片PSⅡ最大光化學(xué)效率的影響

由圖3可知，與對照相比，CK＋Si處理下番茄幼苗葉片PSⅡ最大光化學(xué)效率增加2.19%；低鐵脅迫不同程度降低了Fv/Fm，10μmol/L Fe處理較CK Fv/Fm降低0.51%；1μmol/L Fe處理Fv/Fm較CK降低9.59%。與10μmol/L Fe處理相比，10Fe＋Si處理下Fv/Fm增加2.37%；與1μmol/L Fe處理相比，1Fe＋Si處理下Fv/Fm增加5.99%。可見，在低鐵脅迫下，增施外源Si可有效增加低鐵脅迫下番茄幼苗的Fv/Fm。

2.6 外源硅對低鐵脅迫下番茄幼苗鐵元素含量的影響

從圖4可以看出，與對照相比，CK＋Si處理下葉、莖和根中鐵元素含量分別較CK增加11.17%、50.94%和22.69%；低鐵脅迫顯著降低葉、莖和根中鐵元素含量，其中，10μmol/L Fe處理下葉、莖和根中鐵元素含量較CK分別降低45.12%、9.86%和21.24%，1μmol/L Fe處理下葉、莖和根中鐵元素含量較CK分別降低58.03%、16.38%和55.39%。與10μmol/L Fe處理相比，10Fe＋Si處理下葉、莖和根中鐵元素含量分別增加72.16%、65.29%和50.30%；與1μmol/L Fe處理相比，1Fe＋Si處理下葉、莖和根中鐵元素含量分別增加30.00%、3.99%和24.29%。可見，在低鐵脅迫下，增施外源Si可有效增加低鐵脅迫下番茄幼苗葉、莖和根中鐵元素含量。

3 結(jié)論與討論

低鐵脅迫導(dǎo)致植物根系發(fā)生一系列變化，從而影響根系對鐵素的吸收[22]。郭獻(xiàn)平等[23]研究表明，缺鐵脅迫30 d，杜梨根系中鐵含量較對照顯著降低。本研究結(jié)果表明，低鐵脅迫顯著降低葉、莖和根中鐵元素含量，增施外源硅后顯著促進(jìn)鐵元素的吸收和運輸。張倩等[19]研究表明，鹽脅迫下棉花幼苗電解質(zhì)滲出率均顯著上升，增施外源硅后，電解質(zhì)滲透率顯著降低。龍文靖等[24]研究表明，低鐵脅迫下地上部和地下部生物量較正常鐵處理均大幅度降低。本研究結(jié)果表明，缺鐵脅迫下，番茄葉片和根系電解質(zhì)滲透率顯著增加，地上部和地下部的生物量均顯著降低，增施外源硅后，番茄葉片和根系電解質(zhì)滲透率顯著降低，顯著促進(jìn)地上部和地下部的生物量積累。

在非生物脅迫的影響下，硅對光合作用和葉綠素降解的保護(hù)作用已有報道[25]。干旱脅迫下增施外源硅肥，緩解了葉綠素含量的降低，有助于提高干旱條件下番茄葉片的光化學(xué)效率[26]。GONZALO等[27]研究表明，在低鐵脅迫下增施外源Si，可防止大豆葉片葉綠素降解，協(xié)助鐵元素的吸收和運輸。本研究結(jié)果表明，在低鐵脅迫下番茄幼苗葉片光合色素含量顯著下降，增施外源硅可不同程度地增加葉綠素含量，進(jìn)而維持植株光合作用的正常進(jìn)行。

在光合作用中，葉綠素含量是植物利用光能的重要指標(biāo)[28]。本試驗結(jié)果表明，與對照相比，低鐵脅迫下番茄Pn、Gs、Ci、Tr不同程度降低，說明葉片氣孔在脅迫條件下選擇性關(guān)閉；在低鐵脅迫下增施外源Si后，Pn、Gs、Tr顯著增加，在1μmol/L Fe脅迫下增施外源硅后，Ci顯著增加，說明1μmol/L Fe處理導(dǎo)致光合速率下降是由氣孔限制因素引起，Si保護(hù)光合器官完整性，提高CO2利用率，增強植株光合作用。10μmol/L Fe增施外源Si后Ci略有降低，說明10μmol/L Fe處理導(dǎo)致光合速率下降是由非氣孔限制因素引起，如低鐵脅迫引起的葉綠素降解或光合相關(guān)酶活性降低等，這與李換麗[29]研究黃瓜沙培試驗中光合參數(shù)變化一致。因此，硅提高逆境脅迫下植株光合作用的機制可能與植物品種和脅迫程度等因素有關(guān)。

Fo的大小和葉綠素含量有關(guān)，還和類囊體膜受損傷程度有關(guān)；Fm的大小能夠反映光系統(tǒng)Ⅱ的電子傳遞速率，F(xiàn)v/Fo和Fv/Fm的大小與光化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，植物在遭受逆境脅迫時Fv/Fm一般會降低[30]。本研究中，低鐵脅迫番茄幼苗葉片的Fv/Fm顯著降低。在低鐵脅迫下，添加1.5 mmol/L外源Si能夠明顯緩解番茄幼苗PSⅡ的受損傷程度，減輕光抑制，因此，番茄幼苗葉片的Fv/Fm顯著升高，這與陳罡等[18]在外源Si調(diào)控鹽脅迫下黃瓜幼苗生長的研究結(jié)果一致。

本研究結(jié)果表明，與對照相比，在缺鐵脅迫下番茄幼苗鮮物質(zhì)積累量顯著下降，根、莖、葉中鐵元素含量顯著降低，電解質(zhì)滲透率顯著增加，葉綠素和光合參數(shù)顯著受到抑制；增施外源Si可緩解番茄幼苗黃化癥狀的出現(xiàn)，降低電解質(zhì)滲透率，提高根、莖、葉中鐵元素含量，增加葉綠素含量和促進(jìn)光合作用，增加鮮物質(zhì)的積累，這可能是由于Si促進(jìn)Fe遷移到了植物中，從而保護(hù)了葉綠素的降解，進(jìn)而促進(jìn)光合作用，增加生物量的積累。