叶面喷施生物刺激素对番茄幼苗高温胁迫的减缓效应

李思琦，蒋芳玲，周艳朝，刘 敏，吴 震

(南京农业大学 园艺学院/农业部华东地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室，南京 210095)

番茄(SolanumlycopersicumL.)为茄科番茄属1a生草本植物，原产于南美洲，是重要的蔬菜作物之一。番茄喜温暖环境，但对高温敏感，其生长适宜温度为15～33℃，高于35℃生长不良[1]。随着全球气候变暖，高温对作物生产的影响日趋严重[2]。在中国南方地区，夏秋季节高温是番茄栽培的主要限制因素。高温会破坏植物细胞结构和功能，影响体内正常生理过程的进行，抑制植株的生长，最终导致产量和品质下降[3-5]。

生物刺激素(Biostimulant)是一类应用于植物叶片或根部，通过刺激植物体内自然的生理过程，进而提高植物对营养的吸收和利用，增强对生物和非生物胁迫的耐受能力，并且功效与其营养成分相独立的化学物质或微生物。生物刺激素目前被划分成8大类：腐植酸、复杂有机材料、有益化学元素(非营养元素)、无机盐(包含亚磷酸盐)、海藻提取物、甲壳素和壳聚糖衍生物、抗蒸腾剂、游离氨基酸和其他含氮物质等[6]。近年来，生物刺激素已在小麦[7]、大豆[8]、玉米[9]、小白菜[10]等作物的抗逆研究中得到应用。但前人多集中在其对生物胁迫以及干旱、盐、重金属等非生物胁迫的研究，在温度胁迫尤其是高温胁迫中研究较少，不同种类生物刺激素在缓解番茄高温胁迫中的对比研究还未见报道。因此，本试验以耐热性不同的番茄幼苗为材料，利用人工模拟高温环境，研究不同种类生物刺激素对高温胁迫下番茄幼苗生长及生理特性的影响，旨在探讨生物刺激素在缓解番茄高温伤害中的作用及相关生理机制，为其在番茄生产上的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试植物材料分别为番茄耐热品种 ‘LA2093’和热敏感品种 ‘LA2683’，均引自美国加州大学番茄遗传中心(Tomato Genetics Resource Center,TGRC)。中等耐热品种‘硬粉8号’，由北京中研益农种苗科技有限公司提供。

供试生物刺激素分别为海藻提取物(海藻 酸≥18%)、壳寡糖(分子量<1800，脱乙酰度≥90%)、矿源黄腐酸(黄腐酸≥50%、氧化钾≥12%)，均由山东绿陇生物科技有限公司提供。

1.2 材料培养与处理

本试验在南京农业大学蔬菜生理生态实验室进行。挑选籽粒饱满的番茄种子浸种催芽，出芽后播于装有草炭、珍珠岩、蛭石(体积比为2∶1∶1)复合基质的72孔穴盘中，置于昼夜温度为 26 ℃/18 ℃，光周期为14 h/10 h，光合有效辐射为375±20 μmol/(m2·s)，相对湿度为75%的光照培养箱(RDN-560E-4，东南仪器，宁波，中国)中育苗。播种10 d后，选取整齐一致的幼苗移栽于32孔穴盘中，每隔2 d浇灌1次日本园式完全营养液。

试验以常温(26 ℃/18 ℃)下正常生长且喷施清水的番茄幼苗为常温对照(NT)，以喷施清水且进行高温处理(40 ℃/40 ℃)的番茄幼苗为高温对照(HT)。根据前人研究结果[11-13]和3种生物刺激素产品的使用说明，将海藻提取物(H)、壳寡糖(T)和矿源黄腐酸(K)均设4个浓度处理，详见表1。待幼苗生长至5叶1心时，选择长势一致的幼苗进行叶面喷施处理。喷后14 h开始进行高温处理，处理温度为40 ℃/40 ℃，光周期为12 h/12 h，其他环境条件与育苗时保持一致。每个处理重复3次，每次重复15株幼苗。高温处理至第24 h，取样测定相关生理指标；高温处理至第48 h，对各处理植株拍照，统计热害指数并测定生物量等。

表1 试验设计

1.3 测定指标与方法

1.3.1 热害指数统计 参照前人[14]的方法并稍作修改，将高温处理48 h后番茄幼苗的热害程度分为6级：0级，幼苗生长正常，未出现叶片萎蔫、皱缩或变黄；1级，1片叶萎蔫、皱缩或变黄；2级，2～3片叶萎蔫、皱缩或变黄；3级，4～5片叶萎蔫、皱缩或变黄；4级，5片以上叶萎蔫、皱缩或变黄；5级，整株萎蔫或枯死。热害指数 = ∑(各级株数×级数) /(最高级数×总株数) × 100，每个处理重复3次，每次重复6株幼苗。

1.3.2 生物量测定 将高温处理48 h后的番茄幼苗洗净擦干，从子叶节部位剪断，分为地上部分和地下部分(根系)，分别称其鲜质量。将地上和地下部分分别装入牛皮纸袋中并封口，置于 120 ℃下杀青20 min，再80 ℃烘干至恒量。称其干质量并计算根冠比(R/S)，R/S = 地下干质量/地上干质量。每个处理重复3次，每次重复6株幼苗。

1.3.3 生理指标测定 高温处理至第24 h时，取样测定以下生理指标。取幼苗生长点向下第3片完全展开叶，使用电导率仪(上海雷磁仪器厂DDSJ-308A，上海，中国)测定并计算电解质渗透率[15]；使用紫外-可见分光光度计测定吸光值并计算丙二醛(MDA)含量[16]。取幼苗生长点向下第2片完全展开叶，使用酸性茚三酮比色法[17]测定脯氨酸(Pro)含量；使用考马斯亮蓝G-250法[17]测定可溶性蛋白含量。每个指标均重复3次，每次重复3株幼苗。

1.4 数据处理

使用Excel 2007软件处理数据和作图，用SPSS 25.0软件对数据进行方差分析，并用 Duncan’s检验法进行差异显著性(P<0.05)分析。

2 结果与分析

2.1 喷施生物刺激素对高温胁迫下不同耐热性番茄幼苗生长的影响

2.1.1 对幼苗生长状态和热害指数的影响 由图1可以看出，与常温对照(NT)相比，经48 h高温处理后，各品种高温对照(HT)幼苗的叶片出现不同程度的失绿、皱缩和萎蔫，并有聚拢现象，甚至整株萎蔫或死亡。与HT相比，叶面喷施生物刺激素可以有效地缓解高温对番茄幼苗造成的生长抑制。由图2可知， ‘LA2093’ ‘硬粉8号’和 ‘LA2683’的HT幼苗热害指数分别为28.89、56.67和73.78，这说明3个品种所受热害程度为 LA2683>硬粉8号>LA2093。经生物刺激素处理后，幼苗的热害指数降低。其中， ‘LA2683’的最优处理为HT+200H，热害指数较HT下降69.2%(图2-A)；‘硬粉8号’和 ‘LA2093’均是以HT+100K的热害指数最低，分别较HT下降55.3%和72.9%(图2-B、图 2-C)。

2.1.2 对幼苗生物量和根冠比的影响 由表 2～4可以看出，与NT相比，经48 h高温处理后，各品种HT幼苗的鲜质量和干质量以及根冠比(R/S)均有不同程度的降低。与HT相比，叶面喷施生物刺激素可以减缓幼苗生物量的下降，但对R/S的影响较小。

对 ‘LA2093’来说(表2)，壳寡糖(T)处理下的幼苗生物量指标和R/S与HT差异不显著。海藻提取物(H)和矿源黄腐酸(K)均有显著的作用效果，其生物量指标均随处理浓度的增加先升后降。100和200 mg/L的H和K处理显著提高了幼苗生物量。其中，HT+200H幼苗的地上部鲜质量、根系鲜质量、整株鲜质量和整株干质量均显著高于HT，分别上升了44.0%、35.3%、 45.9%和53.3%。

表2 叶面喷施生物刺激素 ‘LA2093’幼苗在48 h高温胁迫后的生物量和根冠比

对‘硬粉8号’来说(表3)，T和K处理对生物量的缓解效果优于H。T的效果随处理浓度的升高而增加，K的作用规律则与在 ‘LA2093’中相似。其中，HT+400T和HT+100K显著提高了幼苗生物量，且HT+400T还显著提高了幼苗根冠比，相比HT增加20.0%。H的效果虽不及T和K，但也表现出一定的浓度效应，即随着浓度增加呈现“低-高-低”的变化趋势。

表3 叶面喷施生物刺激素‘硬粉8号’幼苗在48 h高温胁迫后的生物量和根冠比

对 ‘LA2683’来说(表4)，K处理对生物量的缓解效果优于H和T。与其他2个品种类似，K也是以100 mg/L处理的效果最好。HT+100K显著提高了幼苗地上部质量、根系鲜质量、整株鲜质量以及整株干质量，增幅分别为115.7%、 90.7%、110.7%和68.2%。H和T处理在此 品种上的效果虽不及K，但也起到一定的缓解 作用。

表4 叶面喷施生物刺激素 ‘LA2683’幼苗在48 h高温胁迫后的生物量和根冠比

2.2 喷施生物刺激素对高温胁迫下番茄幼苗叶片细胞质膜伤害的影响

2.2.1 对电解质渗透率的影响 如图3所示，叶面喷施生物刺激素可以降低高温胁迫下番茄幼苗的电解质渗透率。对 ‘LA2093’来说，随着海藻提取物(H)、壳寡糖(T)和矿源黄腐酸(K)处理浓度的升高，高温胁迫下的幼苗电解质渗透率均先降后升，在所有处理中以HT+100K的电解质渗透率最小，相比HT下降16.7%(图3-A)。由图3-B可知，K的各浓度处理均可以显著降低‘硬粉8号’幼苗的电解质渗透率，除HT+50H和 HT+200T外的H和K处理也均有显著作用，处理间以HT+400T的降幅(26.8%)最大。由图3-C可以看出，较低浓度的生物刺激素处理有利于 ‘LA2683’幼苗电解质渗透率的降低，高浓度处理效果不显著。处理间以HT+100K的电解质渗透率最小，较HT降低18.8%。

2.2.2 对MDA含量的影响 由图4可知，叶面喷施生物刺激素可以降低高温胁迫下番茄幼苗叶片的丙二醛(MDA)含量。从图4-A可以看出，H和K的各浓度处理均可以显著降低 ‘LA2093’叶片中MDA含量，而T的作用效果则受浓度影响，其中HT+100K的降幅(45.7%)最大。如图4-B所示，H处理下的‘硬粉8号’的MDA含量随处理浓度的增加先降后升，T和K则是高浓度(400 mg/L)处理更有利于MDA含量的降低。处理间以HT+400T的作用最显著，较HT降低 48.4%。对 ‘LA2683’来说，T和K处理的作用优于H，其中HT+100K的MDA含量较HT降低58.9%，效果最显著(图4-C)。

2.3 喷施生物刺激素对高温胁迫下番茄幼苗叶片渗透调节物质含量的影响

2.3.1 对脯氨酸含量的影响 从图5可以看出，叶面喷施生物刺激素可以使高温胁迫下番茄幼苗叶片中脯氨酸(Pro)含量升高。对 ‘LA2093’来说，H和K作用下的Pro含量随处理浓度的增加先升后降，T则是较低浓度(50、100 mg/L)的处理效果优于较高浓度(200、400 mg/L)。在所有处理中，HT+100K的Pro含量增幅最大，为 46.1%(图5-A)。如图5-B和图5-C所示，在H和T的各浓度处理中，仅 ‘LA2683’的HT+50H和HT+100T使Pro含量显著升高。K处理则表现出较为显著的促进效果，浓度作用趋势与 ‘LA2093’相似，并且在‘硬粉8号’和 ‘LA2683’中均以HT+100K效果最显著，分别较HT升高52.5%和34.6%。

2.3.2 对可溶性蛋白含量的影响 从图6可以看出，叶面喷施生物刺激素可以促进高温胁迫下番茄幼苗叶片中可溶性蛋白的积累。由图6-A可知，仅HT+100T和HT+400K对 ‘LA2093’幼苗的可溶性蛋白含量具有显著促进作用，分别较HT升高8.28%和8.50%。对‘硬粉8号’来说，T和K的效果优于H，其中以HT+50T效果最佳，较HT提高16.9%(图6-B)。如图6-C所示，T和K的各浓度处理均能显著提高 ‘LA2683’ 幼苗叶片中的可溶性蛋白含量，处理间以HT+200K增幅最大(19.0%)。而在H的各浓度处理中，仅200 mg/L处理表现出显著的作用。

3 讨 论

3.1 生物刺激素具有缓解高温胁迫对番茄幼苗伤害的作用

在逆境下，植物的形态学特征变化可以直接反映植物的受伤害状况[18]。本研究中，高温严重抑制番茄幼苗的生长，这与前人[19]的研究结果一致。生物刺激素是一种可以促进植物生长的有益物质，已有报道证明其可以缓解逆境对植株造成的伤害，增加生物量[20-21]。本研究发现，适宜种类和浓度的生物刺激素处理可以缓解高温胁迫对番茄幼苗造成的生长抑制，主要通过促进植株鲜质量尤其是地上部鲜质量的增加，使得地上部生长势增强，从而使植株耐热性提高。试验发现不同生物刺激素的作用效果与番茄品种特性有关。海藻提取物(H)和壳寡糖(T)分别对耐热和中等耐热品种作用显著，矿源黄腐酸(K)则对供试的3个品种均有显著作用，且效果优于H和T。有报道称，生物刺激素在植物中的作用模式与植物激素类似[11,13]，这在本研究的H和K中得以证实，两者的效果均是随着浓度的提高呈现先升后降的趋势，以100和200 mg/L最佳。但本试验中T的作用效果随处理浓度的升高持续上升，以400 mg/L最佳，这可能与胁迫条件有关。

3.2 生物刺激素缓解高温胁迫对番茄幼苗伤害的生理机制

在高温环境下，植物体内会产生大量活性氧(ROS)，过多的ROS会伤害细胞膜，引起膜脂过氧化，导致膜透性增加，使植物受到热伤害[22-23]。本研究表明，高温胁迫使番茄幼苗的细胞膜受到损伤，而经适宜种类和浓度的生物刺激素处理后，电解质渗透率和MDA含量均显著下降，这与前人对甜椒[13]、大豆[24]、莴苣[25]等作物的研究结果一致，说明生物刺激素可以缓解高温胁迫导致的膜损伤。试验发现壳寡糖(T)和矿源黄腐酸(K)处理对细胞质膜的缓解作用优于海藻提取物(H)，这可能是由于H主要作用细胞膜以外的器官或生理过程(如光合作用等)以缓解高温伤害[8,26]。大量研究表明，植物在受到高温胁迫时，会启动抗氧化系统以保护细胞膜的结构和功能[18-19]。由此推测，在高温胁迫下，生物刺激素可能是通过诱导植株启动抗氧化系统来清除体内过多的ROS，以减轻细胞质膜损伤，从而保护了细胞膜，其作用机理还需深入研究。

渗透调节是植物适应逆境的一种自我调节生理机能，脯氨酸(Pro)是一种重要的渗透调节物质。在逆境中，Pro一方面可以保持原生质与环境的渗透平衡，防止水分散失，另一方面可以与蛋白质相互作用增加蛋白质的可溶性，保持细胞膜完整[27]。在高温环境下，植物叶片中Pro与可溶性蛋白的积累量与耐热性呈正相关[28-29]。本研究中，适宜种类和浓度的生物刺激素可以促进高温胁迫下番茄幼苗Pro和可溶性蛋白积累，说明生物刺激素缓解番茄幼苗高温伤害的作用途径之一是增加了渗透调节物质的含量。试验发现H和K对Pro积累的促进作用优于T，而T和K对可溶性蛋白积累的促进作用优于H。可见，不同种类的生物刺激素会作用于不同的渗透调节物质。总之，叶面喷施生物刺激素可以促进高温胁迫下番茄幼苗体内渗透调节物质的积累，增强渗透调节系统功能以提高植株应对高温逆境的能力。

4 结 论

在高温胁迫下，叶面喷施生物刺激素可以有效促进番茄幼苗体内Pro和可溶性蛋白的积累，增强渗透调节系统功能，降低电解质渗透率和MDA含量，缓解膜脂过氧化伤害，从而缓解高温对幼苗生长的抑制作用。不同生物刺激素的作用效果与番茄品种特性和处理浓度有关。根据本研究结果，建议在生产上叶面喷施100 mg/L矿源黄腐酸缓解番茄幼苗高温伤害。