抗逆与渗透物质耦合对番茄产量及水分利用的调控及机制探讨

李艳梅, 周亚文, 张琳, 廖上强*, 孙焱鑫*

(1.北京市农林科学院植物营养与资源研究所, 北京 100097; 2.河北科技大学环境科学与工程学院, 石家庄 050018)

番茄是我国的设施主栽蔬菜，在国际和国内市场一直备受青睐。在番茄栽培中，春末夏初中午时段，35 ℃亚高温环境经常出现，并且常伴有强光胁迫，一直是番茄生产的限制因子[1-2]。若能通过喷施外源物质来诱导番茄植株产生逆境耐性，必然能起到改善番茄生产及水分利用的作用。研究发现，喷施含矿质颗粒的悬浮液可通过反射过量的紫外线和红外线的方式来缓解热害和辐射损伤[3]。在众多矿质颗粒物中，钙和硅的作用不容忽视。钙不仅是植物生长必需的营养元素，而且在植物响应逆境胁迫信号中起枢纽作用，可通过参与气孔调节、抗氧化酶活性调控等途径减轻逆境细胞损伤[4-5]，几乎所有的植物发育和多种调控过程都需要钙信号的参与。尽管硅是否是植物生长的必需元素尚存在争议，但外源硅的添加能改善设施作物生长的结论已有报道[6-7]。

从已有研究来看，外源调控制剂主要以单一制剂为主。近年来，有学者报道水杨酸与壳聚糖复配制剂在棉花抗寒、黄瓜和小白菜抗盐中具有调节作用[8-10]，水杨酸与α-萘乙酸复配制剂具有提高小麦抗旱的作用[11]，并证实复配制剂在诱导作物抗逆中的作用优于单一制剂。但总体来看，有关复配制剂的研究较少，在大田中的应用也不多。植物逆境响应的一条重要途径是自身渗透物质含量的提升。脯氨酸(proline, Pro)和甜菜碱(betaine, GB)均属渗透调节物质，探讨其外源添加的调控效应及其与钙、硅互作效应是值得探索的科学问题。因此，本研究针对设施番茄，设置喷施抗逆物质、渗透物质及其复配混悬液处理，比较不同处理对番茄水分利用、鲜重及养分吸收、抗氧化物酶活性、丙二醛含量及产量的影响，为筛选可用的叶施调理剂及栽培调控策略提供技术指导，为阐明抗逆与渗透物质的耦合效应及调控机制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2018年2—7月在北京市大兴区长子营镇小竹楼设施农业示范基地进行。土壤类型为褐土，质地为壤土。种植前耕层土壤有机质含量9.6 g·kg-1、全氮含量0.7 g·kg-1、硝态氮35 g·kg-1、速效磷50 g·kg-1、速效钾182 g·kg-1。供试番茄品种为‘鑫语’。于3月5日定植，7月20日拉秧。每株番茄留果4穗。番茄生长期间，采用滴灌追肥方式，苗期、开花期和膨果期的土壤含水量均控制在65%～75%，当土壤含水量降至设计下限时，进行灌溉以达到相应的上限含水量。土壤含水量采用TDR100便携式水分监测仪(北京渠道科学器材有限公司)测定。全生育期累计灌水8次，累计滴灌水量1 656 m3·hm-2。追肥采用水溶肥，营养生长期以高氮水溶肥为主，开花期和膨果期以高氮和高钾水溶肥交替配合施用。通过土壤含水率、水表和施肥泵精确控制灌水量和施肥量，N、P2O5和K2O分别累计投入207、150和230 kg·hm-2。

试验采用随机区组设计。以喷施渗透调节物质为主处理，设置清水(A1)、Pro(A2)和GB(A3)处理；以喷施抗逆物质为副处理，设置清水(B1)、Ca(H2PO4)2(B2)和K4SiO4(B3)处理；共9个处理组合(表1)，每个处理重复3次。每个试验小区的种植面积为30 m2，起垄双行种植，垄宽0.8 m，垄间距0.6 m，株距0.3 m，行距0.6 m。种植密度54 000株·hm-2。试验用源制剂均按照单质1.5 g·L-1的浓度供应，喷施制剂用量1 020 L·hm-2·次-1，在开花盛果期连续喷施3次，两次间隔时间7 d。

表1 试验处理Table 1 Experimental designation

1.2 测定指标及方法

于盛果期最后一次喷施处理后1周，在每个小区内随机选取10棵植株，自上而下取第3或4复叶上的成熟叶片，用于叶绿体色素含量和抗逆指标的检测。用分光光度计法(752数显，上海精科)测定叶片叶绿体色素含量[12]。采用硫代巴比妥酸法[13]测定丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量，氮蓝四唑(NBT)光化学还原法[13]测定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性。随机选取15个成熟果实样品，采用PAL-1水果糖分测定仪(爱拓)测定糖度，蒽酮比色法[12]测定可溶性糖，比色法[12]测定Vc含量。各小区选取5株植株，分别称量各株的茎、叶和果实鲜重。果实烘干后研磨成粉，测定全氮、全磷、全钾含量。用H2SO4-H2O2消煮[14]后，用FOSS 2300型凯氏定氮仪(聚创环保)测定全氮含量，用分光光度计法[14](752数显分光光度计，上海精科)测定全磷含量，用火焰光度计法[12](6400A分光光度计，上海精科)测定全钾含量。每次采收时，每个小区单独计产，根据累计果重与占地面积比值计算番茄产量。主要指标计算公式如下。

果实氮/磷/钾吸收量(kg·hm-2)=果实鲜重(kg·hm-2)×果实氮/磷/钾含量

水分利用率(kg·m-3)=产量(kg·hm-2)/灌水量(m3·hm-2)

氮肥偏生产力(kg·kg-1)=产量(kg·hm-2)/氮肥投入量(kg·hm-2)

植株及果实含水率=(鲜重-干重)/鲜重×100%

1.3 数据分析

试验数据分析采用Microsoft excel 2007，差异显著性分析采用SPSS 16.0软件中的多重比较法进行。

2 结果与分析

2.1 不同处理对番茄植株鲜重及果实品质的影响

不同处理的番茄植株鲜重及果实品质结果(表2)显示，与A1B1相比，A2B1和A3B1处理均降低了番茄茎、叶、果和地上总鲜重，A1B3处理对茎、叶、果和地上鲜重的影响不显著，A1B2处理显著提高了番茄茎、叶、果和地上总鲜重，分别提高30%、20%、22%和23%。与A1B1相比，8个处理中A1B2、A2B2和A1B3等3个处理均表现出增产效果，其产量增幅分别为14%、10%和3.5%。与A1B1相比，不同渗透物质或抗逆物质的单独或组合处理均降低了番茄果实的可溶性固形物含量、可溶糖含量和Vc含量。表明喷施外源抗逆物质及渗透物质的处理均不利于番茄果实品质的提高。

表2 不同处理对番茄植株鲜重及果实品质指标的影响Table 2 Effects of different treatments on fresh weight and fruit quality indexes of tomato

2.2 不同处理对番茄肥料利用及水肥利用率的影响

植物养分吸收与其抗逆能力密切相关，张琴[15]和彭剑涛[16]的研究表明，外生菌根提高寄主植物抗逆(干旱、盐害、病虫害等)能力，与其改善植物营养状况有关。不同处理的番茄果实氮磷钾吸收量及水肥利用率结果(表3)显示，与A1B1相比，A2B3、A3B1、A3B3处理均显著降低了果实氮吸收；A2B1、A2B3、A3B1和A3B3处理可显著降低果实的磷吸收，A3B2显著增加果实的磷吸收；A2B3、A3B1和A3B3处理显著降低了果实的钾吸收，A1B2显著增加了果实的钾吸收量。与A1B1相比，A2B1和A3B1处理均显著降低了番茄的氮肥偏生产力和水分利用率。A1B2和A2B2处理均提高了番茄的水肥生产力，分别使番茄的氮肥偏生产力提高60和44 kg·kg-1；水分利用率提高8 和6 kg·m-3。综合来看，Ca(H2PO4)2、Ca(H2PO4)2+Pro处理的番茄，果实氮磷钾吸收有增加趋势，水分利用率和氮肥偏生产力也显著提高，表明这两个处理改善了番茄的养分吸收。

表3 不同处理对番茄水肥利用的影响Table 3 Effects of different treatments on water and fertilizer utilization of tomato

2.3 不同处理对番茄叶片SOD活性及MDA含量的影响

不同处理的番茄叶片SOD活性及MDA含量结果(表4)显示，与A1B1相比，所有处理均显著增加了叶片SOD活性；A2B1的MDA含量显著增加，A2B3的MDA含量增加，但差异不显著。处理A1B2、A1B3、A2B2、A3B2、A3B3的MDA含量均显著降低。表明不同抗逆与渗透物质单独及耦合处理均激活了叶片的SOD活性；Pro及KSiO4+Pro处理对番茄叶片造成伤害，引起膜脂过氧化，及MDA累积量增加；Pro单独处理的影响尤其明显；Ca(H2PO4)2单独处理及其与Pro和GB的耦合处理、KSiO4及其与GB的耦合处理可缓解番茄叶片的膜脂过氧化，降低MDA含量。

表4 不同处理对番茄叶片SOD 活性及MDA含量的影响Table 4 Effects of different treatments on SOD activity and MDA content of tomato leaves

2.4 抗逆物质与渗透调节物质的交互作用分析

二因素分析结果(表5)表明，渗透物质喷施处理对番茄植株和果实各检测指标影响显著，抗逆物质喷施处理对果实Vc含量指标外其他指标均存在显著影响。抗逆物质与渗透物质的交互效应对番茄果鲜重、水肥生产力、果实磷钾吸收、果实可溶糖含量、果实Vc含量、叶片SOD活性及MDA含量等指标均影响显著。各因子对果实鲜重(产量)及水肥生产力影响的贡献度大小表现为：渗透物质>抗逆物质>渗透物质×抗逆物质。

表5 抗逆与渗透物质交互作用对设施番茄生产的影响Table 5 Interactive effects of stress-resistant substances and osmotic regulators on tomato production

2.5 检测指标的Pearson相关分析

不同测定指标的Pearson相关性分析结果(表6)显示，番茄产量与水分利用率、果实氮吸收量(0.972)、钾吸收量(0.963)之间存在显著的正相关关系，与果实磷吸收量(0.641)、Vc含量(0.563)之间亦存在正相关关系，但均未达到显著水平，与叶片MDA含量呈负相关关系。果实氮吸收量与果实磷吸收量之间存在显著的正相关关系(0.709)，与果实钾吸收量之间存在极显著的正相关关系(0.980)。果实磷吸收量与果实钾吸收量间存在显著的正相关关系(0.778)。果实氮、磷、钾吸收量与叶片MDA含量之间的相关性虽未达到显著水平，但可见其负相关关系，说明番茄叶片MDA含量的降低与其果实氮、磷、钾吸收量升高有关。

表6 番茄检测指标的Pearson相关分析Table 6 Pearson correlation analysis of measured indexes of tomato

3 讨论

本研究表明，喷施Ca(H2PO4)2、Ca(H2PO4)2+Pro悬液具有明显增加番茄产量与水分利用率的作用，喷施K4SiO4处理的效果次之。喷施Ca(H2PO4)2实现番茄增产的原因可能与膜脂损伤减轻(MDA含量降低)及果实氮磷钾吸收量的增加有关。这与尹大川等[17]报道的外源钙处理诱导樟子松SOD活性升高、MDA含量降低和生长改善及王建国等[18]报道的外源钙处理增加花生氮磷钾吸收及产量的结论基本一致。证明外源钙调控对增强作物抗逆性，改善作物生长具有积极作用。本研究发现，K4SiO4处理番茄产量的增加幅度较小。麻云霞等[19]探讨了外源硅对酸枣抗旱性的调控作用，发现不同质量浓度的硅对酸枣所受干旱胁迫的缓解程度不同，硅酸钾质量浓度为0.2～0.6 g·L-1缓解效果较好，过量施硅反而会产生抑制作用。推测后期研究应用中，适当降低硅调控的浓度可能会改善其调控效果。

苏贝贝等[20]在半夏上应用Pro、范春丽等[21]在石榴上应用GB的研究均发现，渗透调节物质具有降低MDA累积的作用。本研究发现，喷施Pro或GB均增加了叶片MDA含量，并减少了果实氮磷钾吸收量和产量。研究表明，Pro和GB在低浓度(0.5 g·L-1)应用时，表现出增加叶片SOD活性及降低叶片MDA累积的作用(未发表数据)。因此，推测本研究中Pro和GB喷施处理引起番茄减产的原因，可能也与其应用浓度过高有关。

研究还发现，所有处理中喷施清水的对照处理的番茄果实的糖度、可溶性糖含量和Vc含量最高，喷施外源物质则不同程度地降低了番茄的品质。在本课题组其他试验中也发现这一现象(未发表数据)。由此推测，喷施外源物质可能在增强番茄抗逆能力的同时，伴随着番茄品质的降低。抗逆物质(钙/硅)与渗透调节物质(Pro/GB)对番茄主要指标(果实氮吸收量除外)的影响存在显著的交互效应。

综合来看，钙悬液单独使用的效果最佳，钙+脯氨酸悬液次之。因此，对于钙这类作物必需的中量营养元素，其作物需求的适宜浓度也较高；而硅是否是植物必需元素尚未定论，其作用途径更侧重于化学调控。脯氨酸和甜菜碱这类渗透调节物质都有明显的浓度效应，其发挥调控效应的适宜浓度阈值偏低。因此，硅在与钙等浓度应用时，效果相对较差，钙与等浓度渗透物质耦合应用时，效果不及其单独施用。本研究表明，两种含钙悬液喷施是一项简便有效实用的技术，能够实现改善生产及节水的效果，有助于设施番茄可持续生产。