水培番茄侧根对盐胁迫的响应

程 贝 王卫华

（昆明理工大学农业与食品学院，云南昆明 650500）

番茄的营养价值和药用价值极高，越来越受到人们的喜爱。我国土壤盐渍化情况严重，淡水资源缺乏，海水资源丰富，且海水中离子主要组成为Na+、Cl-（Han & Lyu，2017），因此，研究番茄对盐（NaCl）胁迫的响应显得尤为重要。

植物根系的发育状况是影响产量的主要因素，同种作物的产量随着根量的增加而增加（Han & Lyu，2017）。根系矿质营养吸收量和细胞分裂素产生量与作物产量密切相关，根系的生长状况直接影响叶片的功能和寿命，而盐渍环境会抑制非盐生植物根系的生长发育。Rossi 等（2015）研究发现NaCl 处理显著抑制了橄榄树扦插苗的根系长度，同时增加了叶片中Na+的含量。随NaCl 浓度增加，小麦的根长、苗质量、根质量、根数等呈下降趋势（王萍 等，2010）。但也有研究表明，低浓度NaCl 能够显著促进植物的生长，如低浓度NaCl 显著提高了水培韭菜的产量和品质，降低了硝酸盐的累积（季延海 等，2015）；栎树在低浓度盐胁迫下，根系形态学参数明显增加（王树凤 等，2014）。侧根是植物根系的重要组成部分，具有吸收、运输养分和水分，以及固定植株的作用，侧根对盐胁迫的响应与整个根系的生长密切相关（季延海 等，2015）。目前对于侧根的研究大多集中在须根系植物，或采用剪掉主根的方式观测，大多以拟南芥、棉花、玉米、小麦为材料。

本试验用直观易操作的分根水培装置，在不破坏根系完整的情况下将同一株番茄的侧根分离出来与主根分开培养，将与主根分在同侧的侧根剪掉，既避免了主根缺失可能引起的生理变化，又能单独观测侧根的生长状况，结合Logistic 生长模型对侧根根系在盐胁迫下的发育进行探讨。旨在探讨剪断与主根同侧的侧根对另一边侧根生长的影响，为研究盐胁迫下番茄主、侧根的营养吸收情况提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2017 年6 月在昆明理工大学农业与食品学院温室大棚内进行，昼夜温度为25 ℃/20 ℃。供试番茄品种为抗病性较强的石头，种子从云南昆明斗南花卉市场购得。将颗粒饱满且无病斑的番茄种子播种于划分好格子（每格3 粒）的泡沫漂浮板上，格内盛有营养基质腐殖质+珍珠岩，将漂浮板放置于清水中进行悬浮育苗。待幼苗长到两叶一心时，挑选长势一致的幼苗移栽至水培箱，加Hogland’s 营养液继续培养。水培箱长、宽、高分别为20、20、30 cm，中间用隔板一分为二，两侧隔绝严密互不影响，每侧容积5 L。幼苗用泡沫板固定在隔板顶部的凹槽内，移栽时将根系按根数平均分开，将带有主根的部分置于左侧，并将主根同一侧的侧根全部剪掉，侧根置于右侧，着重观测其生长状况并进行相关指标的测定（图1）。每隔2 d在贴近主根的位置修剪主根发出的侧根，对主根的切口不断形成，从而与程贝等（2018）在主根完好状态下右侧侧根的生长进行对比。当幼苗长到4 片真叶时，分别对主、侧根添加等量的NaCl，开始盐胁迫处理。

图1 分根水培示意图

本试验在程贝等（2018）的研究基础上，已知盐浓度为0～0.4%时番茄植株可正常生长，故设4个盐分梯度，分别记为CK（0，0）、T1（0.1%，0.1%）、T2（0.2%，0.2%）、T3（0.3%，0.3%）。程贝等（2018）的试验设计中，设置了（0，0）、（0.2%，0.2%）、（0.3%，0.3%）3 个左右浓度相等的处理，因此在后文对比中，仅比较CK、T2 和T3 这3 个处理下的数据。将程贝等（2018）的试验设计记为方案A，本试验设计记为方案B。每处理15 株，6 次重复，测量时随机抽取长势一致的植株。每5 d 更换1 次营养液以保证盐浓度一致，试验从盐胁迫开始到植株第1 花序现蕾结束，历时30 d。

1.2 项目测定及方法

根系活力测定：采用TTC 法（苗海霞 等，2005）。盐胁迫处理30 d 后，每处理随机挑选3 株，取平均值。

根系干质量测定：采用烘干法。盐胁迫处理30 d 后，将番茄根系从水培箱中完好取出，将表面杂物清理干净，用滤纸吸干表面的水分。将侧根于105 ℃杀青后，80 ℃烘干至恒重，用电子秤（精度0.001 g）称其干质量。每处理随机挑选3 株，取平均值。

根系形态指标测定：采用图像分析法。盐胁迫处理后，每隔10 d，各处理随机抽取3 株进行测量。将待测番茄苗从水培箱中完整取出，清理干净。将待测侧根平铺在玻璃盘内，尽量避免重叠。用HP扫描仪扫描根系，指定扫描颜色为黑白色，图像保存格式为TIF，分辨率设置为300 dpi。采用根系图像分析软件DT-SCAN 对根系的总根长、根体积、根表面积、平均直径和根尖数进行定量测定，取平均值。

耐盐指标的筛选：盐胁迫后30 d，选择不同盐胁迫处理下差异达显著水平的根系形态指标，用DPS 软件进行主成分分析，进行耐盐指标的筛选。

1.3 Logistic 生长模型及参数估计

Logistic 函数或Logistic 曲线是一种常见的 “S”形函数，它是皮埃尔 · 弗朗索瓦 · 韦吕勒在1844 或1845 年研究它与人口增长的关系时命名的。Logistic 生长曲线方程模型为：

式中，Y 为各项指标生长量的模拟值（模拟根系总根长时单位为mm，模拟根表面积时单位为mm2，模拟根体积时单位为cm3）；t 为根系的发育时间（本试验为根系受盐胁迫以后的天数）；m、k为参数，e 为自然对数的底数。A 为根系生长的极限值，由四点法求得（Shang et al.，1997），公式为：

式中，t1、y1、t4、y4为实测值的起点和终点，t2、y2、t3、y3为实测数据中间2 个点。

在用SPSS 软件对Logistic 曲线进行拟合时（董江水，2007），输出参数值为b0、b1。所以，式①中k=ln（b1），m=b0×A。

将A、k、m 值代入公式①，即得Logistic 曲线方程。对①式求导，可得到根系生长速率V（当模拟总根长时单位为mm · d-1，当模拟根表面积时单位为mm2· d-1，当模拟根体积时单位为cm3· d-1）。

对①式求三阶导，令其为0，可得：

ta、tb、tc分别为根系生长的始盛点、高峰点和盛末点。将根系快速生长的时间定义为从始盛点到盛末点的时间。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2016 软件绘图，DPS 软件进行主成分分析，SPSS 19.0 软件进行方差分析（P ＜0.05）和Logistic 生长曲线模拟。

2 结果与分析

2.1 盐胁迫对番茄根系活力和根系干质量的影响

水培条件下，当主根受到伤害时，不同浓度NaCl 对番茄侧根的根系活力和根系干质量的影响显著（表1）。T1 处理的根系活力和根系干质量分别较对照提高了43.82%和9.97%，表明T1 处理下根系有较强的适应能力，可保持较高的活力；T2处理的根系活力较对照增加了27.92%，但根系干质量反而出现了小幅下降，说明T2 处理下根系的耐盐机制已经减弱，需要消耗更多的能量来增强吸收、运输等能力；T3 处理的根系活力和根系干质量均显著低于对照，根系耐盐机制遭到破坏，生长受到抑制。

表1 盐胁迫对侧根根系活力和根系干质量的影响

2.2 盐胁迫对番茄根系生长指标的影响

从图2 可以看出，不同盐浓度处理下侧根的总根长、根表面积、根体积均随时间的推移不断增大，其生长过程经历了慢-快-慢3 个阶段。0～6 d 生长较慢，各个处理间无明显差异，为生长渐增期；6～18 d 时生长速率加快，几乎呈线性增长，为生长陡增期；18 d 后各处理根系形态指标的增长又趋于缓慢，生长速率降低，为生长缓增期。根系增长大体上符合Logistic 曲线的“S”型生长模型。盐胁迫30 d 后，T1 处理的根系总根长、根表面积和根体积分别比对照增加了10.16%、8.01%、10.14%；T2、T3 处理的各指标均低于对照。根平均直径则随盐胁迫处理浓度的升高逐渐变小，盐胁迫30 d 后，T3处理的根系直径较对照下降了19.15%。说明在轻度盐胁迫（0.1%）下，根系是通过直径的减小和根长的伸长来适应渐增的盐浓度环境。

2.3 两种试验方案的对比

在其他条件相同，仅主根处理不同时，比较方案A（完整根系）与方案B（切除主根一侧，即左侧的全部侧根）右侧根系的指标可知（图3），盐胁迫30 d 后，方案B 中CK、T2、T3 处理下根系的总根长分别较方案A 增加了1.24%、1.40%和2.64%，根系干质量分别较方案A 增加了9.64%、4.11%和9.45%。在两个试验中均测定了根系盐离子含量等指标，结果均为方案B 较方案A 侧根生长更好，因数据繁多不再赘述。说明当主根受到伤害时，相比主根 完好的情况，侧根长势旺盛，由于主根营养吸收受阻，侧根进行补偿生长，各项指标均有所增加。

图3 不同方案对盐胁迫下根系指标的影响

表2 不同盐胁迫处理下的根系指标（盐胁迫后30 d）

2.4 番茄根系耐盐指标的筛选

如表2 所示，各盐胁迫浓度处理下，除了根系平均直径以外，其他各指标的差异均达到显著水平。因此，选择根系总根长、根表面积、根体积、根系干质量、根系活力和根尖数这几个指标用DPS软件进行主成分分析。

选择主成分的依据主要是特征值和贡献率，各特征值大小代表了各综合指标对总方差贡献的大小，特征向量表示各性状对综合指标贡献的大小（刘祎 等，2017）。把与根系耐盐性有关的6 个指标转化为3 个主要成分，特征值以1 为标准，由表3 可知，第1 主成分的特征值为5.495 6，贡献率达到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 主成分可作为侧根耐盐性评价的综合指标。

表3 主成分的特征值和累计贡献率

由表4 可知，第1 主成分的表达式为Prinl= 0.42X1+0.42X2+0.42X3+0.41X4+0.36X5+0.40X6， 其 中特征向量系数较大的为X1、X2、X3，对应的指标分别为总根长、根表面积、根体积。因此，这3 个指标是反映盐分胁迫最重要的根系指标。

2.5 番茄侧根的Logistic 生长模型及特征值

运用SPSS 软件对3 个主要的耐盐指标进行Logistic 生长曲线方程的模拟（表5），T1 处理侧根根长的始盛点、高峰点、盛末点较对照分别延迟了2.00、1.52、1.03 d。根表面积和根体积的生长始盛点也较对照分别推迟了0.65、0.11 d；但进入陡增期后，T1 处理总根长的最大生长速率比对照增加了25.54%，虽进程推后，最大生长速率却增加。T1 处理的根表面积和根体积的最大生长速率也分别比对照增加了10.97%和13.04%。说明浓度为0.1%的盐溶液虽推迟了根系的生育进程，但是刺激了中后期侧根根长的伸长，从而促进了根表面积和根体积的增加。T2、T3 处理下总根长的始盛点、高峰点和盛末点则均比对照提前，最大生长速率均低于对照，根系表面积、根体积的始盛点也相应推迟。说明根系随着盐胁迫程度的增加抑制逐渐加重，不能较好地适应，需将快速发育的进程提前以减轻水分 消耗。

表4 番茄根系指标的主成分分析结果

表5 不同盐分处理下番茄根长的Logistic 生长模型及特征值

3 讨论

根系活力是植物根系的吸收能力、合成能力、氧化能力和还原能力等的综合反映，是一种能够较客观地反映植物根系生命活动和活力水平的重要生理指标（杨兵 等，2016）。本试验结果表明，番茄侧根的根系活力均随盐浓度的增加呈先增后减的趋势，这与苗海霞等（2005）对苦楝的研究结果一致。因为低浓度的盐胁迫促进了根系对营养元素的吸收，提高了对有机物质的合成。在盐胁迫条件下植物根系活力增加是植物对逆境的适应过程中发生的反应，是一个极度耗能的过程，要消耗大量营养物质。因此，随着盐浓度增加，侧根的根系活力虽然高于对照，但是根系干质量却小幅下降。这与此时根系直径的减小有关。大部分学者认为盐胁迫会抑制根系的生长，也有少部分认为适度胁迫有利于锻炼根系的耐盐性。本试验结果表明，盐浓度为0.1%时，侧根的总根长、根表面积和根体积均高于对照，根系直径却减小了。这表明根系在不利环境下可以调整自身的形态建成从而改善逆境环境，比如通过根长的伸长增加根表面积来提高根系的耐盐性。这与弋良朋和王祖伟（2011）对3 种滨海盐生植物的根系生长分布的研究结果一致，盐胁迫下根系通过减小直径、增加根系长度来扩大范围以获得更大的面积来吸收养分。根系的伸长是评价根系抗逆性的指标之一，植物根系中径级较大的根系主要承担支撑、运输和贮藏等功能，而吸收功能主要由径级较小的细根承担。本试验中T2 处理侧根的总根长、根表面积、根体积、根直径均下降，说明此时侧根对盐分吸收量过大，且运输不便导致累积阻塞。当盐浓度继续增大到0.3%时，由于高盐促进生长素在根伸长区过量积累，抑制其重新循环，细胞伸长受到抑制，从而导致根伸长区的生长受到抑制，最终抑制了根系的生长（杨兵 等，2016）。

与程贝等（2018）的试验结果相比较，在盐浓度相同时，本试验根系所表现出来的生存抗盐能力更强，说明当主根受到伤害会激发侧根的生存潜力。卢颖林等（2010）将番茄的主根切断，对侧根进行分根，研究左右不同的氮素水平对番茄根系生长的影响，结果表明剪断主根对番茄生长无显著影响，且分根处理较全根处理更能促进根系的发育。由此可见，对于番茄来说，主根的缺失不会对植物生长造成过多影响，反而会促进侧根的生长。番茄在早期主根较明显，随着生长发育侧根逐渐发达，也能起到固定植株的作用。

Logistic 方程能较好地描述植物的生长过程，吴俊文等（2015）、杨再强等（2017）曾用Logistic方程分别研究了楸树无性系和设施甜椒在不同处理下的叶面积、叶长和叶宽，发现其拟合程度较好。本试验用Logistic 方程研究番茄侧根在不同盐胁迫下的生长发育，发现在轻度胁迫（0.1%）下侧根的生育进程推后，主要是因为盐胁迫下，新生细胞的数量减少而成熟细胞的长度缩小，导致了根系生长缓慢。West 等（2004）对拟南芥的研究也表明，盐胁迫会抑制根系细胞的伸长，使根系的生长受到抑制。盐胁迫下，生育进程提前，说明此时根系生存能力减弱，不得不将生育进程提前减轻盐分累积，之后随盐胁迫逐渐加重，提前进入盛末期。本试验水培箱生长空间有限，但其生长状况也符合慢-快-慢的规律，虽然处理始盛点不同，但为保证试验科学性，结束的时间是相同的。通过试验观察得出，T2 处理在试验结束时侧根的总根长、根表面积和根体积仍表现出快速增长的趋势。在利用微咸水水培番茄过程中，当盐分浓度为0.1% 时，可适当延长培育时间或更换容积更大的水培装置，延迟收获时间，可以弥补盐分胁迫带来的损失。利用Logistic 方程求出始盛点、高峰点和盛末点，可以在始盛点延迟时，根据需要搭配淡水稀释盐分以促进生长；也可在快速增长时期采取有效调控，以达到高产的目的。

4 结论

本试验通过分根水培装置，研究了不同盐胁迫对番茄侧根生长的影响。试验结果表明：① 盐浓度为0.1%的胁迫锻炼了侧根对盐分的适应能力，根系活力、根系干质量和根系形态参数均有所增大，形成了一定的耐盐机制，随盐浓度增大根系生长受到抑制。当主根受到伤害会激发侧根的生存潜力，进行补偿生长。② 根系的形态参数对耐盐性的贡献较大，总根长、根表面积和根体积可作为根系的耐盐指标。③ 盐分胁迫延长了根系的发育进程，可通过Logistic 模型预测根系生长情况，从而进行合理调控。