不同鈉鉀配比對番茄幼苗生長及生理代謝的影響

楊 然，張淵博，梁 祎，張 毅，侯雷平，石 玉

(山西農業大學 園藝學院，山西太谷 030801)

鉀(K)是植物正常生長發育所必需的大量營養元素之一，在參與酶活化、調節細胞滲透壓、維持根系正常養分吸收、提高對逆境抗性等方面發揮重要作用[1-2]。當前，全球耕地大面積缺鉀[3]，已成為農業生產中的世界性問題，嚴重制約著作物的優質高效生產和農業可持續發展。研究表明，低鉀脅迫可導致葉片的膜脂過氧化程度加劇，抑制植株生長發育和產量形成[4]。通過生物學途徑探尋替換鉀元素的合適物質，對緩解鉀肥的依賴性具有重要意義[5]。

鈉(Na)的離子狀態與鉀極其相似，在一定程度上能代替鉀行使相應的生理功能[6-7]。研究顯示，與正常K+濃度(3mmol/L)相比，等量Na+可替代K+維持甜菜正常生長[8]。黃少剛等[9]研究表明，在Na+和K+總濃度為4mmol/L的條件下，25%(3mmol/L KCl+1mmol/L NaCl)和50%(2mmol/L KCl+2mmol/L NaCl)的Na代替K處理對椰子苗的蔗糖磷酸合成酶活性、蔗糖和可溶性糖含量均無不利影響，均可為其碳代謝提供穩定的碳源。Erel等[10]對橄欖樹苗的研究發現，K不足時施加Na對碳代謝和光合反應中可起到一定的積極作用。Idowu等[11]對番茄的研究表明，當番茄施加鈉鉀比為1∶8時，能維持地上部水分平衡，減少花敗育，顯著提高果實產量；鈉鉀比在1∶4和1∶8之間時，可觀察到鈉鉀之間存在互補關系。雷晶等[12]研究表明，缺鉀脅迫下施加鈉可增加植株的根長和根長相對生長速率。可見，在施用K+的基礎上，配施適量的Na+能夠促進葉片光合作用和根系構型改變，有利于植物的生長發育。

番茄(SolanumlycopersicumL.)屬茄科番茄屬，因營養價值高而深受人們喜愛[13]。同時番茄是需鉀量較高且較易出現缺鉀癥狀的蔬菜作物。目前，針對不同鉀鈉配比水平對番茄生長的影響及相關機理研究鮮見報道。因此，本試驗以番茄品種‘中雜9號’為試材，探討水培條件下不同鈉鉀配施水平對番茄幼苗生物量、根系形態指標、葉綠素含量、抗氧化酶活性及滲透調節物質含量的影響，以期揭示不同鈉鉀配比對番茄幼苗的調控效應和作用機制，為生產中科學利用鉀肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與處理

表1 鉀鈉濃度試驗設計Table 1 Design of potassium and sodium concentration test

1.2 測定項目與方法

1.2.1 生物量 用直尺測量株高(子葉到植株生長點之間的距離)，用游標卡尺測量植株在子葉處的莖粗。在處理第8 天時取樣，將番茄植株用蒸餾水洗凈擦干，于子葉處剪斷分為地上部和根系，稱取總鮮質量并記錄；稱好鮮質量后放烘箱中殺青(105 ℃，15 min)，再調至65 ℃烘干至恒量，稱取干質量并記錄。每個處理重復4次。

1.2.2 根系形態指標 在第8天取樣時，將根系洗凈擦干，放于根系掃描儀(MRS-9600TFU2L，上海中晶)中掃描，采用WinRHIZO系統分析根系形態參數(根系長度、根系表面積、根系平均直徑和根系體積)，每個處理重復4次。

1.2.3 葉綠素含量 取完全展開的新鮮葉片，稱取0.1 g樣品放入試管內，加入乙醇(φ=96%) 25 mL，放置陰暗處浸提24 h，待葉片完全呈白色，測定OD470、OD649、OD665，參照李合生[14]對葉綠素含量的計算方法進行數據計算，每個處理重復3次。

1.2.4 脂質過氧化及抗氧化指標 相對電導率測定采用電導儀法[14]，每個處理重復4次；丙二醛含量測定采用2-硫代巴比妥酸法[14]，每個處理重復3次；過氧化氫含量測定采用碘化鉀法[15]并加入改進。稱取0.4 g樣品加入3 mL 0.1% TCA(三氯乙酸)，冰浴磨至勻漿，冷凍離心機 (4 ℃ 6 500 r/min)離心15 min，取2 mL提取液加入1 mL磷酸鉀緩沖液(pH 7.0 10 mmol/L)和1 mL 1 mol/L碘化鉀(KI)配置成 2 mL反應體系，測定OD390并繪制標準曲線計算其含量，每個處理重復3次。超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍四唑光還原法，過氧化物酶(POD)活性測定采用愈創木酚法，過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法[16]，每個處理重復9次。

1.2.5 滲透調節物質含量 可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍G-250法，可溶性糖含量測定采用蒽酮-硫酸法，脯氨酸含量測定采用酸性茚三酮法[14]。

1.3 數據分析

用Microsoft excel 2010對試驗數據進行整理和作圖，用SPSS 24.0軟件對數據進行方差分析，用Duncan’s檢驗法進行差異顯著性水平 (P<0.05)分析，表中數據為“平均值±標準差”。

通過對不同鈉鉀配比下各指標進行隸屬函數法的綜合評估，以其得出最佳鈉鉀濃度配比，用隸屬函數值的計算方法如下[17]：

對所測定的生理指標用下式求出每個處理的具體隸屬值：

U(X)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中U(X)為隸屬值，X為某一指標的測定值，Xmax為某一指標測定值的最大值，Xmin為某一指標測定值的最小值。

若某指標與抗性呈負相關，可用反隸屬函數計算其隸屬函數值。

U(X)=1-[(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)]

在選取的30個指標中，相對電導率、丙二醛含量和過氧化氫含量表征植物細胞過氧化程度，即這3個指標越高，代表植物遭受氧化脅迫越嚴重，因此這3個指標采用反隸屬函數值計算。

2 結果與分析

2.1 不同鈉鉀配比對番茄幼苗生長的影響

如圖1所示，番茄株高、莖粗、整株鮮質量和干質量均隨Na+比例的增加呈先上升后下降的變化趨勢。與T1處理(對照)相比，T3、T4、T5、T6處理下株高分別顯著增加28.94%、 23.52%、23.75%和19.72%，對T2和T7處理的影響不明顯；T3、T4處理下莖粗分別增加 16.54%、 14.07%，而T2、T6、T7處理降低 14.07%、 21.67%和27.19%；對T5處理影響不顯著；T2、T3、T4、T6處理下整株鮮質量分別增加 17.76%、59.14%、30.30%和13.88%；而T7處理降低43.76%，對T5的影響不顯著；T3、T4和T6處理下整株干質量分別增加44.96%、 17.05%和11.63%；而T5和T7處理降低 10.08%和41.09%，對T2處理影響不顯著。

番茄根系各形態指標均隨Na+比例的增加呈持續下降的趨勢。與對照相比，T2、T3、T4、T5、T6、T7處理下根系長度均依次顯著降低 14.13%、16.00%、16.66%、26.56%、36.90%和 50.87%；T4、T5、T6、T7處理下根系表面積分別降低18.05%、35.85%、40.69%和48.46%，對T2和T3處理影響不顯著；T5、T6、T7處理下根系平均直徑降低14.12%、12.94%和15.29%，對T2、T3、T4處理的影響不顯著；T2、T3、T4、T5、T6、T7處理下根系體積分別顯著降低17.74%、17.83%、30.16%、49.86%、58.45%和59.01%。

2.2 不同鈉鉀配比對番茄葉片葉綠素含量的 影響

如表2所示，番茄葉片葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量和總葉綠素含量均隨Na+比例的增加呈下降趨勢。與對照相比，T4、T5、T6、T7處理下葉綠素a含量分別降低12.08%、 14.09%、16.78%和38.93%，對T2和T3處理無顯著性影響；T2、T3、T4、T5、T6、T7處理下葉綠素b含量分別顯著降低了21.88%、 18.75%、15.63%、21.88%、31.25%和59.38%；T4、T6、T7處理下類胡蘿卜素含量分別下降 12.12%、12.12%和30.30%，對T2、T3和T5處理影響不顯著；T4、T5、T6、T7處理下總葉綠素含量分別降低了12.22%、15.00%、18.89%和 42.22%，對T2和T3處理影響不顯著。

表2 不同鈉鉀配比下番茄葉片葉綠素含量Table 2 Chlorophyll contents in tomato leaves with different ratios of sodium and potassium mg/g

2.3 不同鈉鉀配比對番茄幼苗過氧化作用的影響

如圖2所示，隨Na+比例的增加，番茄葉片和根系相對電導率呈上升趨勢。與對照相比，處理T4、T5、T6、T7下葉片相對電導率均顯著增加28.65%、25.99%、56.10%和73.34%，對T2和T3處理影響不顯著；處理T5、T6、T7下根系相對電導率均顯著增加26.46%、47.54%和 83.02%，對T2、T3、T4處理影響不顯著。番茄葉片和根系丙二醛含量隨Na+比例增加呈上升趨勢。與對照相比，T2、T3、T4、T5、T6處理下葉片丙二醛含量增加21.65%、13.68%、27.22%、59.10%、45.26%，對T7處理影響不顯著；T5、T6、T7處理下根系丙二醛含量分別顯著增加 27.12%、41.10%和83.05%2，對T2、T3和T4處理影響不明顯。番茄葉片和根系過氧化氫含量隨Na+比例增加呈上升的趨勢。與對照相比，T3、T4、T5、T6、T7處理下葉片過氧化氫含量分別顯著增加21.05%、28.07%、1.05倍、1.05倍和1.09倍，對T2處理影響不顯著；T4、T5、T6、T7處理下根系過氧化氫含量分別顯著增加 17.24%、79.31%、1.24倍和1.38倍，對T2和T3處理影響不顯著。

2.4 不同鈉鉀配比對番茄幼苗抗氧化酶活性的影響

如表3所示，隨Na+比例增加，番茄葉片SOD活性除T7處理稍有增加外，其他各處理均不同程度下降，其中T2處理下降最為明顯，與T1相比降低15.53%，在T7處存在最大值，與T1相比增加0.82%；根系SOD活性呈先上升后下降的趨勢，與T1相比，T4、T6、T7分別增加38.84%、18.81%和18.13%。番茄葉片POD活性隨K+含量降低Na+含量增加呈先下降后上升的趨勢，與T1相比，T2、T3、T4、T5、T6處理均顯著下降54.83%、53.13%、54.26%、 29.97%和45.74%，而T7處理增加18.61%；根系POD活性均呈現下降的趨勢，與T1相比，T5、T6、T7分別增加23.75%、35.77%和40.38%，對T2、T3和T4處理影響不顯著。隨Na+含量的不斷增大，番茄幼苗葉片和根系的CAT活性均呈現上升的趨勢，與T1相比，T7處理番茄葉片和根系CAT活性分別增加39.41%和23.92%。

表3 不同鈉鉀配比下番茄幼苗抗氧化酶活性Table 3 Antioxidase activities of tomato seedlings with different ratios of sodium and potassium U/(g·min)

2.5 不同鈉鉀配比對番茄幼苗滲透調節物質的影響

由圖3可知，隨Na+比例增大，番茄葉片和根系的可溶性蛋白含量呈下降趨勢。與對照相比，T4、T5、T6、T7處理下葉片可溶性蛋白含量分別降低14.21%、16.70%、19.79%和 23.50%，對T2和T3處理影響不顯著；T3、T4、T5、T6、T7處理下根系可溶性蛋白含量分別降低13.15%、28.52%、31.81%、37.13%和 41.35%，對T2處理影響不顯著。隨Na+比例增大，葉片可溶性糖含量呈先下降后上升的趨勢。T2、T3、T4處理下分別降低13.83%、10.65%和 29.89%，T6和T7處理下增加12.73%和25.78%，對T5處理影響不顯著；根系可溶性糖含量呈先上升再下降的趨勢，T4、T5和T7處理下分別顯著增加64.58%、52.78%和30.32%，T2和T3處理下分別降低23.15%和12.73%，對T6處理影響不明顯。番茄葉片脯氨酸含量隨Na+的比例增大呈先下降后上升的趨勢。與對照相比，T5、T6和T7處理下葉片脯氨酸含量分別顯著增加80.95%、 50.02%和1.98倍，T3處理下降低24.84%，對T2和T4處理影響不顯著；番茄根系脯氨酸含量呈逐漸上升的趨勢，T3、T4、T5、T6、T7處理均顯著增加了86.45%、1.58倍、1.39倍、2.84倍和 3.94倍，對T2處理影響不顯著。

2.6 不同鈉鉀配比對番茄幼苗生長及生理指標影響的綜合評價

由表4和表5可知，不同鈉鉀配比對各處理番茄幼苗生長及生理指標的影響不同。以生長指標為鑒定指標對各處理進行綜合評價，由好到差的順序依次為T3>T1>T4>T2>T5>T6>T7。以生理指標為鑒定指標對各處理進行綜合評價，由好到差的順序依次為T1>T7>T3> T4>T5>T2>T6。綜上，如表6所示，以所有評價指標的隸屬函數值對各處理進行綜合評價，由好到差的順序依次為T1>T3>T4>T2>T5> T6>T7。

表4 不同鈉鉀配比下番茄幼苗生長指標影響的綜合評價Table 4 Comprehensive evaluation on effects of different sodium-potassium ratios on growth indexes of tomato seedlings

表5 不同鈉鉀配比下番茄幼苗生理指標影響的綜合評價Table 5 Comprehensive evaluation on effects of different sodium-potassium ratio on physiological indexes of tomato seedlings

表6 不同鈉鉀配比下番茄幼苗影響的綜合評價Table 6 Comprehensive evaluation on effects of different sodium-potassium ratios on tomato seedlings

3 討論與結論

K和Na都是元素周期表中S區的堿性金屬元素[18]，兩者具有相似的水合半徑，在植物吸收礦質養分的過程中，Na+和K+會同時競爭高親和力鉀轉運蛋白和非選擇性陽離子通道[19]；且Na+易引起膜去極化，導致K+內向整流通道極難吸收K+，同時激活K+外向整流通道以加劇K+從細胞中滲出[7]。因此，Na+可在一定程度上代替K+行使非專性生理功能[20]。研究發現，植株在缺鉀情況下補充鈉可增加養分吸收和干物質積累[21]。況帥等[22]研究表明，與正常鉀相比，低鉀脅迫下煙草根系生物量呈下降趨勢。本研究結果顯示，與對照相比，適量鈉鉀配比能有效促進番茄幼苗生物量的積累，但過高的鈉鉀比對生物量積累有抑制作用。該結果與雷晶等[21]在棉花上的研究結果相似，可能是K+和Na+等濃度時維持了正常的細胞膨壓，保證了植株正常生長，但隨著Na+比例持續增加，破壞了原有的細胞溶質勢，導致植株生長受抑。根系是植物體吸收和運輸水分、礦質營養的主要器官，可直接影響植物的整體發育狀況[23]。K+可維持細胞膨壓，且胞質溶膠中的高鉀離子促進了根毛伸長，進而增強了根系吸收養分和水分的能力[24]。本研究結果顯示，隨著Na+/K+比增大，番茄根系總長、總體積和總表面積均呈現明顯下降趨勢，可能是Na+增加、K+減少過程中，過量的Na+對根系細胞造成了滲透脅迫，導致難以維持正常的細胞膨壓，引起根系吸收功能受損。

葉綠素是一類參與植物光合作用的色素，極易受到脅迫環境影響而被降解[25-26]。本研究結果表明，與對照相比，各處理對番茄幼苗葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量均有不同程度的抑制作用，且隨著Na+/K+比增大，抑制效果增強。這與雷晶等[21]的研究結果類似，可能是由于過高的Na+/K+比會破壞細胞原有的結構，導致色素蛋白復合體不穩定，甚至解體。

逆境脅迫下，植物體內可積累大量活性氧(ROS)。研究表明，缺K可導致ROS過量積累，MDA含量增加、導致膜脂過氧化程度加劇[27]，引起細胞代謝紊亂[28]。本研究結果表明，隨 Na+/K+比增大，葉片和根系相對電導率、H2O2含量以及根系MDA含量總體呈升高趨勢，與呂春華等[29]的實驗結果相似，在植物體內，ROS清除體系包括酶促和非酶促抗氧化系統，其中，酶促系統主要由SOD、POD和CAT等抗氧化酶組成，非酶促系統主要由抗壞血酸、還原型谷胱甘肽和花青素等抗氧化物質組成[30-31]。本研究結果表明，與對照相比，T2和T4處理下葉片SOD活性均顯著降低，T4、T6和T7處理下根系SOD活性均顯著升高，其他處理的SOD活性變化均不顯著；葉片POD活性除T7處理顯著增加外，其他處理均顯著低于對照，而T5、T6和T7處理下根系POD均顯著升高；除T2、T4和T6處理的根系CAT活性變化不顯著外，所有處理的葉片CAT活性以及T3、T5和T7處理的根系CAT活性均顯著升高。說明適當的鈉鉀配比可在不同程度上誘導葉片和根系的抗氧化酶活性，調控酶促ROS清除速率，這與過氧化氫含量的變化基本吻合。未來需要對谷胱甘肽還原酶、脫氫抗壞血酸還原酶等其他抗氧化酶以及非酶促抗氧化系統在不同鈉鉀配比下的響應規律做進一步的探討。

滲透調節機制是植物適應逆境脅迫的重要生理反應，通過改善細胞水分狀況和植物生理功能，提高植株在逆境下的生存能力和生長狀態[32-33]。植物受脅迫后，在細胞質中會積累大量有機滲透調節物質如可溶性蛋白含量、可溶性糖含量和脯氨酸含量等[34-35]。雷晶等[36]研究結果表明，在缺K時施加Na能夠增加葉片的糖類含量，而在一定的鈉鉀比下糖類含量減少。本研究結果顯示隨Na+/K+比增加，番茄可溶性蛋白含量呈下降趨勢，這與趙永平等[37]的研究結果相似，可能是Na+增加造成離子毒害，加速蛋白質分解，導致其含量降低。隨Na+/K+比增大，番茄葉片可溶性糖含量呈先降后升的變化趨勢，而根系可溶性糖含量呈先升后降的變化趨勢，其原因可能是K+和Na+通過根施的方式進入植物體，K+降低可顯著提高細胞滲透勢，降低細胞滲透調節能力；另外，可溶性糖可轉化為淀粉轉運至其他器官，T4處理下葉片可溶性糖含量最低，可能是由于葉片可溶性糖轉化成淀粉的能力較強，而淀粉在根系中重新分解為可溶性糖以提供能量，這也是根系可溶性糖含量較高的原因[33]。隨Na+/K+比增大，葉片和根系脯氨酸含量均呈上升趨勢，其原因可能是Na+在根系中大量積累，加速蛋白質分解，其中一部分蛋白質被分解為脯氨酸所致。

隸屬函數綜合評價結果表明，T3處理下番茄幼苗各指標優于其他處理。綜上，適宜的鈉鉀配比可通過調節番茄不同器官的抗氧化防御能力和滲透調節能力來影響其生長發育，且鉀離子和鈉離子的配比為1∶1時番茄幼苗的整體長勢較佳。