硅對低鉀脅迫下番茄幼苗生長及生理特性的影響

楊然，郭樹勛，楊小慧，張毅，石玉

(山西農業大學園藝學院，山西 太谷 030801)

鉀(K)是植物生長發育的三大營養元素之一，主要參與植物葉綠素合成、光合作用和酶的激活等生命過程[1，2]。鉀肥屬不可再生資源，無法用其它化學品來合成。盡管地殼中含有豐富的K，但可被植物直接吸收利用的速效鉀(交換性鉀和水溶性鉀)含量較低，且因作物生產期間循環不足速效鉀含量逐年降低，耕地缺鉀已成為作物可持續生產的重要制約因素之一[3]。低鉀脅迫可誘導植物葉片失綠、氣孔關閉、加深膜脂過氧化程度和激活抗氧化酶活性等[4]。低鉀脅迫下植株體內丙二醛(MDA)、超氧陰離子(O2·-)含量顯著增加，活性氧大量產生，膜脂過氧化程度加劇[5，6]。為適應K缺乏現狀，可通過改良作物種質、選育耐低鉀品種或增施外源物質以提高植物耐低鉀能力，實現農業可持續高效發展[7]。

硅(Si)是地殼中含量第二豐富的元素，在植物體中主要存在形態是二氧化硅膠(SiO2·H2O)[8，9]。Si雖不是高等植物生長過程中的必需元素，但大量研究表明，Si可提高植物對生物脅迫(病蟲害)[10]和非生物脅迫(重金屬[11]、干旱脅迫[12]和鹽脅迫[13]等)的抵抗能力，促進植物的生長發育。劉朋研究表明，施Si能夠緩解缺鉀脅迫介導的應激損傷，促進高粱的干物質積累[14]。范永義研究表明，硅、鉀元素均可以改善植株抗倒伏能力，縮短基部節間長度，提高抗折力[15]。曹逼力等研究發現，施Si能夠降低大麥葉片質膜透性，提高抗氧化能力[16]。鋁脅迫下施Si可改善花生根系生長發育情況，增強植物超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性，以加快活性氧(ROS)清除速度，降低膜脂過氧化程度[17]。因此，硅在植物光合作用及氧化應激反應中具有重要作用。

番茄(Solanum lycopersicumL.)屬茄科番茄屬植物，是我國設施栽培面積最大的蔬菜之一。目前，關于外源硅緩解低鉀脅迫的研究主要集中在吸硅能力強的禾本科植物上，關于番茄的研究較少。因此，本試驗以中雜9號番茄品種為試材，采用營養液培養法，以正常鉀濃度(4.0 mmol/L KNO3)為CK，測定低鉀(0.5 mmol/L KNO3)水平下施加不同濃度外源硅(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mmol/L Na2SiO3)后番茄幼苗生物量、葉綠素含量、光合參數、MDA含量、ROS(O2·-和H2O2)含量、抗氧化酶活性的變化，揭示低鉀脅迫下不同濃度外源硅對番茄幼苗生長發育的影響，結合相關性分析和隸屬函數法篩選出提高番茄耐低鉀能力的最適硅濃度，為基于外源硅應用的耐低鉀栽培技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選用中雜9號番茄為試驗材料，種子購于中國農業科學院蔬菜花卉研究所。

1.2 試驗設計

試驗于2019年6月—2020年1月在山西農業大學實驗大樓人工氣候室進行。選取顆粒飽滿、大小一致的番茄種子浸種催芽，播于72孔育苗盤。待幼苗三葉一心時，挑選長勢一致的幼苗定植于1/2倍日本山崎番茄配方營養液中，緩苗4 d后更換為1倍營養液并進行不同濃度的鉀、硅處理，所有低鉀處理缺少的N用NaNO3進行補充，使各處理Na+、K+總濃度均為4.0 mmol/L。硅源為分析純Na2SiO3·9H2O。

試驗共設置7個處理:①CK，4.0 mmol/L KNO3(正常營養液)；②LK，0.5 mmol/L KNO3(低鉀營養液)；③LK+0.5Si:0.5 mmol/L KNO3+0.5 mmol/L Si(低鉀營養液中添加0.5 mmol/L Si)；④LK+1.0Si:0.5 mmol/L KNO3+1.0 mmol/L Si(低鉀營養液中添加1.0 mmol/L Si)；⑤LK+1.5Si:0.5 mmol/L KNO3+1.5 mmol/L Si(低鉀營養液中添加1.5 mmol/L Si)；⑥LK+2.0Si:0.5 mmol/L KNO3+2.0 mmol/L Si(低鉀營養液中添加2.0 mmol/L Si)；⑦LK+2.5Si:0.5 mmol/L KNO3+2.5 mmol/L Si(低鉀營養液中添加2.5 mmol/L Si)。每個處理24株幼苗，處理10 d后取鮮樣測定生物量、相對含水量和根系活力，取葉片(第2、3片完全展開的葉片)和根系經液氮速凍后貯于-80℃超低溫冰箱備用。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生長指標的測定 番茄幼苗用蒸餾水洗凈擦干，于子葉處分為地上部和地下部，并分別稱取鮮重，然后經烘箱殺青(105℃，15 min)，55℃烘至恒重后稱取干重。根冠比＝地下部干重/地上部干重。

1.3.2 光合色素含量及光合參數的測定 光合色素含量采用乙醇浸提法測定。利用便攜式光合儀LI-6400(美國LI-COR)測定幼苗第3片完全展開的功能葉的光合參數指標，設定光強為800μmol/(m2·s)，流速為500 μmol/s，空氣相對濕度為50%，CO2濃度為400 μmol/mol，測定番茄幼苗凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間二氧化碳濃度(Ci)等指標，利用公式計算氣孔限制值(Ls)和瞬時水分利用效率(WUE)。Ls＝(Ca-Ci)/Ca(式中Ca指大氣CO2濃度，Ci指胞間CO2濃度)，WUE＝Pn/Tr。

1.3.3 活性氧(ROS)及抗氧化酶活性的測定MDA含量采用硫代巴比妥酸法[18]測定；O2·-含量采用羥胺氧化法[18]測定；H2O2含量采用碘化鉀法[19]測定；SOD活性采用氮藍四唑(NBT)法[20]測定；POD活性采用愈創木酚法[20]測定；CAT活性采用紫外吸收法[20]測定。

1.4 數據處理與分析

試驗數據選用SPSS 24.0軟件進行方差分析，用Duncan’s法檢驗差異顯著性(P＜0.05)，選用Microsoft Excel 2016軟件進行分析并作圖。

本試驗采用隸屬函數法對低鉀脅迫處理的材料進行耐低鉀性綜合評價。當某指標與植物生物量呈正相關關系時采用公式(1)計算:

當某指標與植物生物量呈負相關時采用公式(2)計算:

式中:F(I)為隸屬函數值；I為指標的測定數值；Imax、Imin分別為某一指標的最大值和最小值。最后將各個指標的隸屬函數值求和并計算平均值，即可評價低鉀脅迫下各施硅處理對番茄幼苗耐低鉀能力的影響[21]。

2 結果與分析

2.1 硅對低鉀脅迫下番茄幼苗生物量的影響

由表1可知，與CK相比，LK處理地上部鮮重、地上部干重、地下部鮮重和地下部干重分別顯著降低了55.71%、49.09%、72.95%和81.82%。與LK處理相比，施硅處理的番茄幼苗生物量顯著增加，且隨著硅濃度的增加呈先上升后下降趨勢，以LK+2.0Si處理最高，地上部鮮重、地上部干重、地下部鮮重和地下部干重分別顯著增加1.95、2.25、2.51倍和4.00倍；LK+2.5Si和LK+1.5Si處理次之，地上部鮮重、地上部干重、地下部鮮重、地下部干重分別顯著增加1.91倍和1.25倍、1.89倍和1.57倍、1.59倍和1.86倍、2.50倍和2.75倍；其余施硅處理的地上部鮮重、地上部干重、地下部鮮重和地下部干重增幅分別為62.37%～79.70%、39.29%～64.29%、42.42%～160.61%、25.00%～225.00%。與CK相比，LK處理下總鮮重、總干重和根冠比分別顯著降低60.14%、59.74%和66.67%。與LK處理相比，隨著硅濃度的增加，施硅處理的番茄幼苗總鮮重、總干重、根冠比呈先上升后下降趨勢，且除LK+0.5Si處理根冠比外均顯著增加，增幅分別為59.09%～204.90%、38.71%～258.06%、53.85%～123.08%。

表1 硅對低鉀脅迫下番茄幼苗生物量的影響

2.2 硅對低鉀脅迫下番茄幼苗葉綠素含量的影響

由表2可知，與CK相比，LK處理下葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量均下降，降幅分別為11.17%、12.12%和11.43%。與LK處理相比，LK+0.5Si處理下類胡蘿卜素含量增加，增幅為11.11%；LK+1.5Si處理葉綠素b含量增加了12.07%；LK+2.0Si處理下葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量分別增加了13.21%、15.52%和13.82%；LK+2.5Si處理下葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量分別增加了19.50%、24.14%和20.74%。

表2 硅對低鉀脅迫下番茄幼苗葉綠素含量的影響 (mg/gFW)

2.3 硅對低鉀脅迫下番茄幼苗光合特性的影響

由圖1可知，與CK相比，LK處理下番茄Pn、Gs、Ls和Tr均下降，降幅分別為32.53%、74.47%、60.45%和49.15%，而Ci和WUE均上升，增幅分別為129%和33.47%。與LK處理相比，LK+0.5Si處理下Pn、Gs、Ls和WUE上升，增幅分別為10.42%、1.52倍、18.06%和10.68%，Ci降低了33.64%；LK+1.0Si處理下Pn、Gs、Ls和WUE上升，增幅分別為15.72%、1.45倍、32.44%和8.46%，Ci降低了34.94%；LK+1.5Si處理下Pn、Gs、Tr和Ls均上升，增幅分別為20.08%、2.11倍、23.87%和41.03%，Ci降低了32.88%；LK+2.0Si處理下Pn、Gs、Tr和Ls均上升，增幅分別為28.15%、2.84倍、44.56%和1.36倍，而Ci和WUE分別降低了39.61%和11.88%；LK+2.5Si處理下Pn、Gs、Tr、Ls和WUE上升，增幅分別為30.33%、1.22倍、19.49%、30.55%和8.41%，Ci降低了38.37%。

圖1 硅對低鉀脅迫下番茄幼苗光合特性的影響

2.4 硅對低鉀脅迫下番茄幼苗MDA含量的影響

由圖2可以看出，與CK相比，LK處理下番茄葉片和根系MDA含量均增加，增幅分別為1.60倍和1.22倍。與LK相比，施硅處理葉片和根系MDA含量均顯著降低，以LK+2.0Si處理最低，分別降低了60.70%和56.63%，其余施硅處理降幅在37.02%～53.39%、15.66%～42.89%。

圖2 硅對低鉀脅迫下番茄幼苗丙二醛含量的影響

2.5 硅對低鉀脅迫下番茄幼苗過氧化氫含量的影響

由圖3可以看出，與CK相比，LK處理下番茄葉片和根系過氧化氫含量均顯著增加，增幅分別為54.98%和30.12%。與LK處理相比，各施硅處理葉片和根系中的過氧化氫含量均降低，以LK+2.0Si處理最低，降幅分別為32.17%和30.95%；其余施硅處理降幅分別為4.40%～23.50%和5.27%～20.31%。

圖3 硅對低鉀脅迫下番茄幼苗過氧化氫含量的影響

2.6 硅對低鉀脅迫下番茄幼苗超氧陰離子含量的影響

由圖4可以看出，與CK相比，LK處理下番茄葉片和根系O2·-含量均增加，增幅分別為74.75%和74.66%。與LK處理相比，施硅處理的番茄葉片和根部O2·-含量均降低，LK+0.5Si處理下分別降低了17.95%和6.22%，LK+1.0Si處理下分別降低了20.46%和10.63%，LK+1.5Si處理下分別降低了23.21%和27.79%；LK+2.0Si處理下分別降低了35.68%和43.24%；LK+2.5Si處理下分別降低了27.21%和38.28%。

圖4 硅對低鉀脅迫下番茄幼苗超氧陰離子含量的影響

2.7 硅對低鉀脅迫下番茄幼苗抗氧化酶活性的影響

由表3可知，與CK相比，LK處理下番茄葉片和根系SOD活性均升高，分別增加66.92%和82.10%。與LK處理相比，LK+0.5Si處理下番茄葉片SOD活性降低11.00%；LK+1.0Si、LK+1.5Si、LK+2.0Si、LK+2.5Si處理下番茄葉片和根部SOD活性分別降低了13.25%和14.52%、17.53%和24.75%、33.36%和29.34%、19.51%和16.13%。

表3 硅對低鉀脅迫下番茄幼苗抗氧化酶活性的影響

與CK相比，LK處理下番茄葉片和根系POD活性均升高，分別升高了1.63倍和98.42%。與LK處理相比，LK+0.5Si、LK+1.0Si、LK+1.5Si、LK+2.0Si、LK+2.5Si處理下番茄葉片和根部POD活性分別降低了35.67%和16.70%、59.42%和20.72%、64.33%和23.71%、69.28%和28.86%、60.60%和6.85%。

與CK相比，LK處理下番茄葉片和根系CAT活性均升高，增幅分別為12.65%和82.40%。與LK處理相比，LK+0.5Si、LK+1.0Si、LK+1.5Si、LK+2.0Si和LK+2.5Si處理下番茄葉片和根部CAT活性分別降低3.39%和15.77%、14.56%和25.38%、19.51%和29.91%、26.18%和41.00%、15.37%和17.33%。

2.8 硅對低鉀脅迫下番茄幼苗生長及生理特性的綜合分析

采用模糊數學隸屬函數法、對各項指標賦予相同的權重值進行綜合評價分析，其中生長指標(表4)中地上部鮮重、地下部鮮重、地上部干重、地下部干重、總鮮重、總干重、根冠比和光合特性指標(表5)中葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素、Pn、Tr、Gs、Ls、WUE采用隸屬函數公式(1)計算函數值；部分光合特性指標(表5)如類胡蘿卜素、Ci及生理特性指標(表6)中MDA、、H2O2、SOD、POD和CAT采用隸屬函數公式(2)計算函數值，結果(表7)篩選出提高番茄耐低鉀能力的最適濃度。根據隸屬函數平均值的大小對各處理進行排序，由高到低為LK+2.0Si、LK+2.5Si、LK+1.5Si、LK+1.0Si、LK+0.5Si、LK。

表4 硅對低鉀脅迫下番茄幼苗生長指標的隸屬函數分析

表5 硅對低鉀脅迫下番茄幼苗光合特性指標的隸屬函數分析

表6 硅對低鉀脅迫下番茄幼苗生理特性指標的隸屬函數分析

表7 硅對低鉀脅迫下番茄幼苗的綜合隸屬函數分析

3 討論與結論

鉀在維持離子穩態、滲透調節、蛋白代謝、酶活、膜極化和各種代謝過程中起關鍵作用，而低鉀環境嚴重制約植物的正常生長發育和生理代謝過程[22]。杜琪等研究發現，低鉀脅迫下開花期玉米根系干重、節根數和根長等顯著下降，限制了根系對養分和水分的吸收利用[23]。本試驗結果中，與對照相比，LK處理的總干鮮重均顯著降低，說明低鉀脅迫抑制了番茄幼苗生物量積累。劉朋研究發現，施Si能顯著緩解缺鉀造成的高粱生物量下降[14]。本試驗結果表明，低鉀脅迫下施Si后番茄幼苗地上部和地下部的干鮮重均顯著增加，其中低鉀脅迫下施加2.0 mmol/L Si最有利于番茄幼苗的干物質積累。此外，低鉀脅迫顯著降低了根冠比，表明低鉀脅迫下根系生長弱于地上部，難以供應足夠的營養，嚴重影響幼苗生長發育；而低鉀環境下施用適宜濃度的Si可顯著提高番茄幼苗根冠比，從而有效緩解低鉀脅迫對番茄幼苗養分吸收能力[24]的抑制。

植物的許多重要生理過程均受到鉀的影響，如光合色素合成、光合作用和光呼吸等，植物長期缺鉀出現黃化病、光合酶活性和氮代謝關鍵酶活性下降等不利變化[5，25]。本試驗結果表明，低鉀脅迫下番茄葉綠素含量顯著降低，說明低鉀脅迫阻礙葉綠素合成代謝，進而損傷類囊體膜結構，阻礙光能的吸收和光合電子轉遞[26]。低鉀脅迫下施Si顯著增加了番茄葉片光合色素含量和Pn，說明Si有效緩解了低鉀脅迫對葉綠素合成的抑制作用，促進葉綠素合成代謝，保護光合器官的完整性[25]。植物的光合作用能力同時受到光合色素含量、RuBP羧化酶、PEP羧化酶和NAD激酶等活性的影響[27]。低鉀脅迫下施Si顯著增加了光合色素含量、Pn、WUE和Gs，說明施Si能夠提高葉綠素的合成代謝、改善光系統Ⅱ反應活性及穩定光系統的結構和功能[28-30]。

植物細胞的膜電位均會受到外界鉀濃度的影響并快速且可逆地發生變化，較低的鉀濃度使膜電位更趨于負值。這一普遍現象歸因于鉀轉運體系對細胞膜電位建立的顯著作用，與H+-ATP酶質子泵介導的H+外排共同導致細胞膜的超極化[22]。植物長期處于低鉀環境下，致使細胞氧化壓力顯著上升，產生大量活性氧，加快膜脂過氧化產物積累，并誘導各類抗氧化酶活性提高[31]。MDA是植物細胞膜脂過氧化的最終產物，含量越高代表氧化損傷程度越深。本試驗中，低鉀脅迫介導的氧化應激導致MDA顯著增加，超氧陰離子、氫氧根負離子、單線態氧和過氧化氫等ROS物質大量積累。番茄具有完備的酶促抗氧化系統以清除過量產生的ROS，低鉀脅迫下抗氧化酶SOD、POD和CAT活性顯著提高[32]。ROS積累激活了酶促抗氧化系統的應激反應，并通過提高抗氧化酶活性緩解氧化傷害，仍不能完全緩解低鉀脅迫帶來的生長抑制。低鉀脅迫下施Si能夠降低超氧陰離子和過氧化氫的積累量，起到穩定番茄幼苗細胞膜的作用[33]。其中，低鉀脅迫下施加2.0 mmol/L Si能夠使MDA含量恢復至正常營養液水平。由上可知，低鉀脅迫下施Si可降低膜脂過氧化水平，減輕ROS對膜系統的損傷，保證植物生理代謝正常進行。

植物的耐低鉀能力受到許多內外因素的影響，例如植物表型和抗氧化特性，并且這些特性之間是相互聯系、相互制約的。隸屬函數法作為多指標組合的評價方法，在番茄[34]、梨[35]等多種植物上得到應用。本試驗采用隸屬函數法評定不同施Si濃度提高耐低鉀能力的效果，從強到弱依次為LK+2.0Si＞LK+2.5Si＞LK+1.5Si＞LK+1.0Si＞LK+0.5Si＞LK。

綜上所述，低鉀脅迫下番茄幼苗生長遭受抑制，光合作用受阻，氧化壓力上升，膜脂過氧化程度提高；施Si能夠緩解低鉀脅迫介導的生長抑制，提高光合速率，降低活性氧積累，進而降低膜脂過氧化程度，以施加2.0 mmol/L Si提升番茄幼苗耐低鉀能力效果最佳。