不同钠钾配比对番茄幼苗生长及生理代谢的影响

杨 然，张渊博，梁 祎，张 毅，侯雷平，石 玉

(山西农业大学 园艺学院，山西太谷 030801)

钾(K)是植物正常生长发育所必需的大量营养元素之一，在参与酶活化、调节细胞渗透压、维持根系正常养分吸收、提高对逆境抗性等方面发挥重要作用[1-2]。当前，全球耕地大面积缺钾[3]，已成为农业生产中的世界性问题，严重制约着作物的优质高效生产和农业可持续发展。研究表明，低钾胁迫可导致叶片的膜脂过氧化程度加剧，抑制植株生长发育和产量形成[4]。通过生物学途径探寻替换钾元素的合适物质，对缓解钾肥的依赖性具有重要意义[5]。

钠(Na)的离子状态与钾极其相似，在一定程度上能代替钾行使相应的生理功能[6-7]。研究显示，与正常K+浓度(3mmol/L)相比，等量Na+可替代K+维持甜菜正常生长[8]。黄少刚等[9]研究表明，在Na+和K+总浓度为4mmol/L的条件下，25%(3mmol/L KCl+1mmol/L NaCl)和50%(2mmol/L KCl+2mmol/L NaCl)的Na代替K处理对椰子苗的蔗糖磷酸合成酶活性、蔗糖和可溶性糖含量均无不利影响，均可为其碳代谢提供稳定的碳源。Erel等[10]对橄榄树苗的研究发现，K不足时施加Na对碳代谢和光合反应中可起到一定的积极作用。Idowu等[11]对番茄的研究表明，当番茄施加钠钾比为1∶8时，能维持地上部水分平衡，减少花败育，显著提高果实产量；钠钾比在1∶4和1∶8之间时，可观察到钠钾之间存在互补关系。雷晶等[12]研究表明，缺钾胁迫下施加钠可增加植株的根长和根长相对生长速率。可见，在施用K+的基础上，配施适量的Na+能够促进叶片光合作用和根系构型改变，有利于植物的生长发育。

番茄(SolanumlycopersicumL.)属茄科番茄属，因营养价值高而深受人们喜爱[13]。同时番茄是需钾量较高且较易出现缺钾症状的蔬菜作物。目前，针对不同钾钠配比水平对番茄生长的影响及相关机理研究鲜见报道。因此，本试验以番茄品种‘中杂9号’为试材，探讨水培条件下不同钠钾配施水平对番茄幼苗生物量、根系形态指标、叶绿素含量、抗氧化酶活性及渗透调节物质含量的影响，以期揭示不同钠钾配比对番茄幼苗的调控效应和作用机制，为生产中科学利用钾肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与处理

表1 钾钠浓度试验设计Table 1 Design of potassium and sodium concentration test

1.2 测定项目与方法

1.2.1 生物量 用直尺测量株高(子叶到植株生长点之间的距离)，用游标卡尺测量植株在子叶处的茎粗。在处理第8 天时取样，将番茄植株用蒸馏水洗净擦干，于子叶处剪断分为地上部和根系，称取总鲜质量并记录；称好鲜质量后放烘箱中杀青(105 ℃，15 min)，再调至65 ℃烘干至恒量，称取干质量并记录。每个处理重复4次。

1.2.2 根系形态指标 在第8天取样时，将根系洗净擦干，放于根系扫描仪(MRS-9600TFU2L，上海中晶)中扫描，采用WinRHIZO系统分析根系形态参数(根系长度、根系表面积、根系平均直径和根系体积)，每个处理重复4次。

1.2.3 叶绿素含量 取完全展开的新鲜叶片，称取0.1 g样品放入试管内，加入乙醇(φ=96%) 25 mL，放置阴暗处浸提24 h，待叶片完全呈白色，测定OD470、OD649、OD665，参照李合生[14]对叶绿素含量的计算方法进行数据计算，每个处理重复3次。

1.2.4 脂质过氧化及抗氧化指标 相对电导率测定采用电导仪法[14]，每个处理重复4次；丙二醛含量测定采用2-硫代巴比妥酸法[14]，每个处理重复3次；过氧化氢含量测定采用碘化钾法[15]并加入改进。称取0.4 g样品加入3 mL 0.1% TCA(三氯乙酸)，冰浴磨至匀浆，冷冻离心机 (4 ℃ 6 500 r/min)离心15 min，取2 mL提取液加入1 mL磷酸钾缓冲液(pH 7.0 10 mmol/L)和1 mL 1 mol/L碘化钾(KI)配置成 2 mL反应体系，测定OD390并绘制标准曲线计算其含量，每个处理重复3次。超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用氮蓝四唑光还原法，过氧化物酶(POD)活性测定采用愈创木酚法，过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外吸收法[16]，每个处理重复9次。

1.2.5 渗透调节物质含量 可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝G-250法，可溶性糖含量测定采用蒽酮-硫酸法，脯氨酸含量测定采用酸性茚三酮法[14]。

1.3 数据分析

用Microsoft excel 2010对试验数据进行整理和作图，用SPSS 24.0软件对数据进行方差分析，用Duncan’s检验法进行差异显著性水平 (P<0.05)分析，表中数据为“平均值±标准差”。

通过对不同钠钾配比下各指标进行隶属函数法的综合评估，以其得出最佳钠钾浓度配比，用隶属函数值的计算方法如下[17]：

对所测定的生理指标用下式求出每个处理的具体隶属值：

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

式中U(X)为隶属值，X为某一指标的测定值，Xmax为某一指标测定值的最大值，Xmin为某一指标测定值的最小值。

若某指标与抗性呈负相关，可用反隶属函数计算其隶属函数值。

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

在选取的30个指标中，相对电导率、丙二醛含量和过氧化氢含量表征植物细胞过氧化程度，即这3个指标越高，代表植物遭受氧化胁迫越严重，因此这3个指标采用反隶属函数值计算。

2 结果与分析

2.1 不同钠钾配比对番茄幼苗生长的影响

如图1所示，番茄株高、茎粗、整株鲜质量和干质量均随Na+比例的增加呈先上升后下降的变化趋势。与T1处理(对照)相比，T3、T4、T5、T6处理下株高分别显著增加28.94%、 23.52%、23.75%和19.72%，对T2和T7处理的影响不明显；T3、T4处理下茎粗分别增加 16.54%、 14.07%，而T2、T6、T7处理降低 14.07%、 21.67%和27.19%；对T5处理影响不显著；T2、T3、T4、T6处理下整株鲜质量分别增加 17.76%、59.14%、30.30%和13.88%；而T7处理降低43.76%，对T5的影响不显著；T3、T4和T6处理下整株干质量分别增加44.96%、 17.05%和11.63%；而T5和T7处理降低 10.08%和41.09%，对T2处理影响不显著。

番茄根系各形态指标均随Na+比例的增加呈持续下降的趋势。与对照相比，T2、T3、T4、T5、T6、T7处理下根系长度均依次显著降低 14.13%、16.00%、16.66%、26.56%、36.90%和 50.87%；T4、T5、T6、T7处理下根系表面积分别降低18.05%、35.85%、40.69%和48.46%，对T2和T3处理影响不显著；T5、T6、T7处理下根系平均直径降低14.12%、12.94%和15.29%，对T2、T3、T4处理的影响不显著；T2、T3、T4、T5、T6、T7处理下根系体积分别显著降低17.74%、17.83%、30.16%、49.86%、58.45%和59.01%。

2.2 不同钠钾配比对番茄叶片叶绿素含量的 影响

如表2所示，番茄叶片叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量和总叶绿素含量均随Na+比例的增加呈下降趋势。与对照相比，T4、T5、T6、T7处理下叶绿素a含量分别降低12.08%、 14.09%、16.78%和38.93%，对T2和T3处理无显著性影响；T2、T3、T4、T5、T6、T7处理下叶绿素b含量分别显著降低了21.88%、 18.75%、15.63%、21.88%、31.25%和59.38%；T4、T6、T7处理下类胡萝卜素含量分别下降 12.12%、12.12%和30.30%，对T2、T3和T5处理影响不显著；T4、T5、T6、T7处理下总叶绿素含量分别降低了12.22%、15.00%、18.89%和 42.22%，对T2和T3处理影响不显著。

表2 不同钠钾配比下番茄叶片叶绿素含量Table 2 Chlorophyll contents in tomato leaves with different ratios of sodium and potassium mg/g

2.3 不同钠钾配比对番茄幼苗过氧化作用的影响

如图2所示，随Na+比例的增加，番茄叶片和根系相对电导率呈上升趋势。与对照相比，处理T4、T5、T6、T7下叶片相对电导率均显著增加28.65%、25.99%、56.10%和73.34%，对T2和T3处理影响不显著；处理T5、T6、T7下根系相对电导率均显著增加26.46%、47.54%和 83.02%，对T2、T3、T4处理影响不显著。番茄叶片和根系丙二醛含量随Na+比例增加呈上升趋势。与对照相比，T2、T3、T4、T5、T6处理下叶片丙二醛含量增加21.65%、13.68%、27.22%、59.10%、45.26%，对T7处理影响不显著；T5、T6、T7处理下根系丙二醛含量分别显著增加 27.12%、41.10%和83.05%2，对T2、T3和T4处理影响不明显。番茄叶片和根系过氧化氢含量随Na+比例增加呈上升的趋势。与对照相比，T3、T4、T5、T6、T7处理下叶片过氧化氢含量分别显著增加21.05%、28.07%、1.05倍、1.05倍和1.09倍，对T2处理影响不显著；T4、T5、T6、T7处理下根系过氧化氢含量分别显著增加 17.24%、79.31%、1.24倍和1.38倍，对T2和T3处理影响不显著。

2.4 不同钠钾配比对番茄幼苗抗氧化酶活性的影响

如表3所示，随Na+比例增加，番茄叶片SOD活性除T7处理稍有增加外，其他各处理均不同程度下降，其中T2处理下降最为明显，与T1相比降低15.53%，在T7处存在最大值，与T1相比增加0.82%；根系SOD活性呈先上升后下降的趋势，与T1相比，T4、T6、T7分别增加38.84%、18.81%和18.13%。番茄叶片POD活性随K+含量降低Na+含量增加呈先下降后上升的趋势，与T1相比，T2、T3、T4、T5、T6处理均显著下降54.83%、53.13%、54.26%、 29.97%和45.74%，而T7处理增加18.61%；根系POD活性均呈现下降的趋势，与T1相比，T5、T6、T7分别增加23.75%、35.77%和40.38%，对T2、T3和T4处理影响不显著。随Na+含量的不断增大，番茄幼苗叶片和根系的CAT活性均呈现上升的趋势，与T1相比，T7处理番茄叶片和根系CAT活性分别增加39.41%和23.92%。

表3 不同钠钾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 不同钠钾配比对番茄幼苗渗透调节物质的影响

由图3可知，随Na+比例增大，番茄叶片和根系的可溶性蛋白含量呈下降趋势。与对照相比，T4、T5、T6、T7处理下叶片可溶性蛋白含量分别降低14.21%、16.70%、19.79%和 23.50%，对T2和T3处理影响不显著；T3、T4、T5、T6、T7处理下根系可溶性蛋白含量分别降低13.15%、28.52%、31.81%、37.13%和 41.35%，对T2处理影响不显著。随Na+比例增大，叶片可溶性糖含量呈先下降后上升的趋势。T2、T3、T4处理下分别降低13.83%、10.65%和 29.89%，T6和T7处理下增加12.73%和25.78%，对T5处理影响不显著；根系可溶性糖含量呈先上升再下降的趋势，T4、T5和T7处理下分别显著增加64.58%、52.78%和30.32%，T2和T3处理下分别降低23.15%和12.73%，对T6处理影响不明显。番茄叶片脯氨酸含量随Na+的比例增大呈先下降后上升的趋势。与对照相比，T5、T6和T7处理下叶片脯氨酸含量分别显著增加80.95%、 50.02%和1.98倍，T3处理下降低24.84%，对T2和T4处理影响不显著；番茄根系脯氨酸含量呈逐渐上升的趋势，T3、T4、T5、T6、T7处理均显著增加了86.45%、1.58倍、1.39倍、2.84倍和 3.94倍，对T2处理影响不显著。

2.6 不同钠钾配比对番茄幼苗生长及生理指标影响的综合评价

由表4和表5可知，不同钠钾配比对各处理番茄幼苗生长及生理指标的影响不同。以生长指标为鉴定指标对各处理进行综合评价，由好到差的顺序依次为T3>T1>T4>T2>T5>T6>T7。以生理指标为鉴定指标对各处理进行综合评价，由好到差的顺序依次为T1>T7>T3> T4>T5>T2>T6。综上，如表6所示，以所有评价指标的隶属函数值对各处理进行综合评价，由好到差的顺序依次为T1>T3>T4>T2>T5> T6>T7。

表4 不同钠钾配比下番茄幼苗生长指标影响的综合评价Table 4 Comprehensive evaluation on effects of different sodium-potassium ratios on growth indexes of tomato seedlings

表5 不同钠钾配比下番茄幼苗生理指标影响的综合评价Table 5 Comprehensive evaluation on effects of different sodium-potassium ratio on physiological indexes of tomato seedlings

表6 不同钠钾配比下番茄幼苗影响的综合评价Table 6 Comprehensive evaluation on effects of different sodium-potassium ratios on tomato seedlings

3 讨论与结论

K和Na都是元素周期表中S区的碱性金属元素[18]，两者具有相似的水合半径，在植物吸收矿质养分的过程中，Na+和K+会同时竞争高亲和力钾转运蛋白和非选择性阳离子通道[19]；且Na+易引起膜去极化，导致K+内向整流通道极难吸收K+，同时激活K+外向整流通道以加剧K+从细胞中渗出[7]。因此，Na+可在一定程度上代替K+行使非专性生理功能[20]。研究发现，植株在缺钾情况下补充钠可增加养分吸收和干物质积累[21]。况帅等[22]研究表明，与正常钾相比，低钾胁迫下烟草根系生物量呈下降趋势。本研究结果显示，与对照相比，适量钠钾配比能有效促进番茄幼苗生物量的积累，但过高的钠钾比对生物量积累有抑制作用。该结果与雷晶等[21]在棉花上的研究结果相似，可能是K+和Na+等浓度时维持了正常的细胞膨压，保证了植株正常生长，但随着Na+比例持续增加，破坏了原有的细胞溶质势，导致植株生长受抑。根系是植物体吸收和运输水分、矿质营养的主要器官，可直接影响植物的整体发育状况[23]。K+可维持细胞膨压，且胞质溶胶中的高钾离子促进了根毛伸长，进而增强了根系吸收养分和水分的能力[24]。本研究结果显示，随着Na+/K+比增大，番茄根系总长、总体积和总表面积均呈现明显下降趋势，可能是Na+增加、K+减少过程中，过量的Na+对根系细胞造成了渗透胁迫，导致难以维持正常的细胞膨压，引起根系吸收功能受损。

叶绿素是一类参与植物光合作用的色素，极易受到胁迫环境影响而被降解[25-26]。本研究结果表明，与对照相比，各处理对番茄幼苗叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量均有不同程度的抑制作用，且随着Na+/K+比增大，抑制效果增强。这与雷晶等[21]的研究结果类似，可能是由于过高的Na+/K+比会破坏细胞原有的结构，导致色素蛋白复合体不稳定，甚至解体。

逆境胁迫下，植物体内可积累大量活性氧(ROS)。研究表明，缺K可导致ROS过量积累，MDA含量增加、导致膜脂过氧化程度加剧[27]，引起细胞代谢紊乱[28]。本研究结果表明，随 Na+/K+比增大，叶片和根系相对电导率、H2O2含量以及根系MDA含量总体呈升高趋势，与吕春华等[29]的实验结果相似，在植物体内，ROS清除体系包括酶促和非酶促抗氧化系统，其中，酶促系统主要由SOD、POD和CAT等抗氧化酶组成，非酶促系统主要由抗坏血酸、还原型谷胱甘肽和花青素等抗氧化物质组成[30-31]。本研究结果表明，与对照相比，T2和T4处理下叶片SOD活性均显著降低，T4、T6和T7处理下根系SOD活性均显著升高，其他处理的SOD活性变化均不显著；叶片POD活性除T7处理显著增加外，其他处理均显著低于对照，而T5、T6和T7处理下根系POD均显著升高；除T2、T4和T6处理的根系CAT活性变化不显著外，所有处理的叶片CAT活性以及T3、T5和T7处理的根系CAT活性均显著升高。说明适当的钠钾配比可在不同程度上诱导叶片和根系的抗氧化酶活性，调控酶促ROS清除速率，这与过氧化氢含量的变化基本吻合。未来需要对谷胱甘肽还原酶、脱氢抗坏血酸还原酶等其他抗氧化酶以及非酶促抗氧化系统在不同钠钾配比下的响应规律做进一步的探讨。

渗透调节机制是植物适应逆境胁迫的重要生理反应，通过改善细胞水分状况和植物生理功能，提高植株在逆境下的生存能力和生长状态[32-33]。植物受胁迫后，在细胞质中会积累大量有机渗透调节物质如可溶性蛋白含量、可溶性糖含量和脯氨酸含量等[34-35]。雷晶等[36]研究结果表明，在缺K时施加Na能够增加叶片的糖类含量，而在一定的钠钾比下糖类含量减少。本研究结果显示随Na+/K+比增加，番茄可溶性蛋白含量呈下降趋势，这与赵永平等[37]的研究结果相似，可能是Na+增加造成离子毒害，加速蛋白质分解，导致其含量降低。随Na+/K+比增大，番茄叶片可溶性糖含量呈先降后升的变化趋势，而根系可溶性糖含量呈先升后降的变化趋势，其原因可能是K+和Na+通过根施的方式进入植物体，K+降低可显著提高细胞渗透势，降低细胞渗透调节能力；另外，可溶性糖可转化为淀粉转运至其他器官，T4处理下叶片可溶性糖含量最低，可能是由于叶片可溶性糖转化成淀粉的能力较强，而淀粉在根系中重新分解为可溶性糖以提供能量，这也是根系可溶性糖含量较高的原因[33]。随Na+/K+比增大，叶片和根系脯氨酸含量均呈上升趋势，其原因可能是Na+在根系中大量积累，加速蛋白质分解，其中一部分蛋白质被分解为脯氨酸所致。

隶属函数综合评价结果表明，T3处理下番茄幼苗各指标优于其他处理。综上，适宜的钠钾配比可通过调节番茄不同器官的抗氧化防御能力和渗透调节能力来影响其生长发育，且钾离子和钠离子的配比为1∶1时番茄幼苗的整体长势较佳。