亏缺灌溉下外源钙对番茄幼苗抗旱特性的影响

陈善逊，徐四新，诸海焘，张德闪，张红艳，蔡树美†

(1.上海市农业科学院生态环境保护研究所, 201403, 上海; 2.安顺学院农学院, 561000, 贵州安顺; 3.上海市设施园艺技术重点实验室, 201403, 上海; 4.昆玉市大漠田园农业发展有限公司, 848000, 新疆和田)

当前，干旱、荒漠化和土地退化已经成为全球性问题，给环境和经济都造成了巨大的消极影响。全球现有44%的可耕地为旱地，30%的耕植作物生长在旱地上[1]。新疆地处我国西北内陆，土地荒漠化和水资源的缺乏成为该地区农业发展的最大制约因素。作为西北旱区特色经济作物之一，番茄近年来成为新疆红色产业的“三大支柱”之一。新疆的番茄产业始于1978年，目前种植面积超过5.3万hm2，其中约有4.6万hm2受到不同程度的季节性干旱胁迫[2]。据统计，2020年新疆番茄产量达到824.2万t，同比增长2.4%[3]。番茄属半耐旱性作物，是一种水分吸收利用高效型作物，拥有发达的根系和茸毛密生的地上部茎叶，其生长的适宜土壤湿度在60%～80%之间[4]。如何通过水肥运筹管理技术提高番茄的抗旱性和水肥资源利用效率来增加番茄产量、节约资源和改善环境，既是我国旱地农业可持续高效发展的重大需求，也是生命科学、农业科学和环境科学亟待解决的前沿科学问题。

已有研究表明，干旱胁迫下作物体内保护酶系统活力和平衡受到破坏，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、过氧化物酶(peroxidase, POD)、过氧化氢酶(catalase, CAT)等保护酶含量升高，作物体内活性氧累积，启动并加剧膜脂过氧化而造成质膜损伤[5]。干旱胁迫下添加Ca2+可有效提高作物对活性氧的清除能力。Ca2+是构成细胞壁的元素之一，在植物抗逆过程中对膜脂过氧化保护系统的酶活性具有诱导作用，可以维持膜结构的稳定性。此外，Ca2+作为胞内重要的第2信使，可以耦联胞外信号，通过稳定细胞壁、细胞膜结构及诱导特异基因的表达来提高作物对逆境的抗性，促进作物在干旱胁迫下的生长发育[6]。近年来，不少学者开始关注Ca2+对番茄干旱胁迫的缓解作用。张冬野[7]的研究表明叶面喷施10 mmol/L Ca2+7 d后，番茄幼苗相对含水量、脯氨酸和可溶性蛋白含量比对照分别高出31.7%、26.0%和13.8%。孙艳琦[8]的研究表明每kg土中加入100 mg Ca2+后，番茄的根长和根表面积比对照分别高出23.8%和21.6%。但有关Ca2+提高番茄幼苗抗旱性的研究鲜有针对荒漠土的报道，生产上对于不同干旱胁迫条件下Ca2+对番茄生长的缓解调节效应还缺少相关参考数据，对Ca2+的干旱调节机制尚不清晰；因此，笔者针对西北旱区设施番茄干旱缺水问题，设置外源钙不同用量和不同程度亏缺灌溉处理，通过考察番茄气孔特征、根系形态建成、保护酶活性、渗透调节物质含量以及土壤养分的变化情况，探索番茄响应干旱胁迫的整体适应性生理机制，阐明生长调节物质Ca2+在番茄适应干旱逆境胁迫中的调控机制，以期为干旱地区设施番茄的抗旱栽培提供理论依据。

1 研究区概况

试验在上海市农业科学院庄行农业综合试验站(E 120°23′30″, N 30°54′16″)进行。供试土壤采自新疆和田地区昆玉市现代农业科技示范园区蔬菜大棚(E 79°34′99″, N 37°24′46″)，为连续种植6 a的设施菜地土壤。土壤类型为荒漠土，基础理化性质为：全氮0.78 g/kg，有机质6.57 g/kg，碱解氮16.34 mg/kg，速效磷5.12 mg/kg，速效钾152.80 mg/kg，盐分2.82 g/kg，pH值5.94，0～20 cm土壤以细沙和粉沙粒级为主，粒径<0.25 mm的微团聚体含量比例为89.8%。试验选用高抗TY病毒番茄品种“粉保利”为试材，种子由寿光格顿农业科技有限公司提供。

2 材料与方法

2.1 试验设计

试验采用2因素3水平裂区试验设计，设置9个处理。主因素为灌溉定额(W)，副因素为钙补充梯度(Ca)。参照前人对番茄亏缺灌溉[9]和钙调控干旱胁迫[10]的相关研究，结合前期大田生产数据，设置W90、W60和W30 3个灌溉定额，以及Ca0、Ca1和Ca2 3个钙补充质量分数。W90、W60和W30分别为90% FC(FC：田间持水量)、60% FC和30% FC(由于设施大棚内蒸发强度大，为保持相对稳定的土壤湿度，调节常规灌溉处理的土壤含水量为90% FC，其对应的土壤绝对含水量为105 g/kg；设置轻度和重度亏缺灌溉处理的土壤含水量为60% FC和30%FC)；Ca0、Ca1和Ca2分别为钙补充质量分数0、50和100 mg/kg(叶面喷施，Ca0为叶面喷施清水对照)。试验用盆下底长18.7 cm，上长22.7 cm，宽16.5 cm，高10 cm。每盆装入1.2 kg过2 mm筛的风干土壤，于2021年5月将长势均一的四叶一心期番茄幼苗进行移栽，每盆装入2株。每2天用称量差减法补充去离子水，以保持土壤含水量的恒定。试验每个处理重复4次，共计36个盆栽。每盆氮、磷、钾投入养分含量分别为100、50和100 mg/kg，混匀施入。N肥为尿素，CAS登录号为57-13-6，(N%：46%)；P肥为磷酸二氢钾，CAS登录号为7778-77-0(P%：22.79%，K%：28.68%)；K肥为硫酸钾，CAS登录号为7778-80-5(K%：44.83%)和磷酸二氢钾；外源钙补充采用四水硝酸钙，CAS登录号为13477-34-4(Ca%：16.94%，N%：11.86%)。各处理根据Ca(NO3)2·4H2O用量，相应调整氮投入用量，保持氮磷钾投入总量一致。

2.2 测定项目及方法

试验进行42 d后收获，分别采集土壤样本和植株样本，并沿茎基部剪取番茄地上部。用1/1万天平分别称量番茄地上部和地下部鲜物质量。植株样本分成2份：一份直接在105 ℃下杀青30 min后65 ℃下烘干至恒质量，并分别称量地上部和地下部的干物质量；另一份-20 ℃保存，用作酶活性测定和根系扫描等后续分析。

根系清洗后用扫描仪(Epson Expression 1600 pro, Model EU-35, Japan)进行扫描。根系长度用 WinRhizo软件(Regent Instruments Inc., Quebec, QC, Canada)进行分析。土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾等土壤常规养分相关指标测定参照鲁如坤[11]的方法进行。土壤水溶性总盐用重量法测定；pH用电极法(水土比为 2.5∶1)测定。

SOD活性采用氯化硝基四氮唑蓝还原法测定[12]， CAT活性采用可见光法[13]，脯氨酸(proline，PRO)含量采用酸性茚三酮显色法测定[14]，可溶性蛋白(soluble protein, TSP)含量采用考马斯亮蓝G-250法测定[15]。用双面刀片将新鲜叶片切成2～3 mm2的小块，按常规透射电镜样品技术制作超薄切片[16]，在Philips Tecnai-120透射电镜下观察叶肉细胞和叶绿体超微结构。

2.3 数据分析

数据采用Excel 2010及SPSS 18.0软件进行处理和绘图。采用2因素方差分析比较灌溉定额和外源钙补充质量分数对番茄生长的影响，采用邓肯(Duncan)法进行显著性比较。

3 结果与分析

3.1 对土壤基础理化性质的影响

灌溉定额对土壤总盐、碱解氮、速效磷和速效钾均有显著影响(表1)。与常规灌溉相比，亏缺灌溉下土壤中总盐、碱解氮、速效磷和速效钾含量均显著增加。与不补充外源钙相比，高质量分数钙补充下土壤中的总盐含量降低。灌溉定额和外源钙补充对土壤pH值和有机质含量无显著影响。

表1 亏缺灌溉和外源钙补充对土壤理化性质的影响Tab.1 Effects of deficient irrigation and exogenous calcium on the physicochemical soil properties

3.2 对番茄幼苗干物质积累的影响

从图1可以看出，灌溉定额对番茄干物质积累影响较大。常规灌溉下番茄地上部和地下部干物质量显著高于亏缺灌溉处理，并且伴随灌溉定额的逐步减少，番茄地上部和地下部干物量积累呈现递减趋势。从植株含水量来看，重度亏缺灌溉条件下，番茄的含水量整体低于常规灌溉和轻度亏缺灌溉。补充外源钙可以对植株水分保持起到一定作用，番茄含水量整体上随着外源钙补充质量分数升高而增加。从根冠比来看，在不补充外源钙的条件下，番茄根冠比与灌溉定额呈极显著负相关关系，灌溉定额越少，番茄根冠比越高；W30Ca0处理的番茄根冠比较之W90Ca0处理高出68.9%。值得注意的是，尽管在常规灌溉和轻度亏缺灌溉条件下，外源钙对根冠比未表现出抑制效应，但在重度亏缺灌溉条件下，随着外源钙补充质量分数的升高，番茄的根冠比逐步降低。

3.3 对番茄幼苗叶片结构的影响

表2显示，外源钙补充对气孔开度存在极显著影响(P<0.01)，但亏缺灌溉对番茄幼苗叶片背部气孔大小、气孔开度和气孔密度均无显著影响。W90正常灌溉条件下，添加低质量分数和高质量分数外源钙分别使气孔开度降低33.3%和23.9%；W60轻度亏缺灌溉条件下，添加低质量分数和高质量分数外源钙分别使气孔开度提高15.9%和21.3%；W30重度亏缺灌溉条件下，补充外源钙对气孔开度又呈抑制效应，低质量分数和高质量分数外源钙分别使气孔开度降低17.4%和30.8%。

亏缺灌溉下，干旱胁迫使细胞壁变薄，并且叶肉细胞出现不同程度的逆境伤害(图2b和c)。 W60轻度亏缺灌溉条件下，低质量分数外源钙补充可以缓解干旱胁迫对叶绿体的伤害，叶绿体内淀粉粒增加，但高质量分数外源钙补充下叶绿体质膜结构破坏严重，部分细胞发生自溶现象(图2f 和g)。W30重度亏缺灌溉条件下，叶绿体形状呈近圆形，类囊体肿胀，叶肉细胞内出现较大淀粉粒(图2c)；尽管补充外源钙后叶绿体中淀粉粒数量减少，但整体上叶绿体仍然结构模糊，出现被膜解体、叶绿体基质片层松散等干旱胁迫伤害(图2h和i)。

不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0. 05)。下同。Different lowercase letters indicate significant differences in different treatments. The same below.图1 亏缺灌溉和外源钙对番茄干物质积累及根冠比的影响Fig.1 Effects of deficient irrigation and exogenous calcium on the dry weight accumulation and root shoot ratio of tomato

表2 亏缺灌溉和外源钙对番茄叶片背部气孔结构的影响

a:W90Ca0, b: W60Ca0, c: W30Ca0, d: W90Ca1, e: W90Ca2, f: W60Ca1, g: W60Ca2, h: W30Ca1, i: W30Ca2。V: 液泡, Mi: 线粒体, GL: 叶绿体基粒片层, Ch: 叶绿体, OG: 嗜锇颗粒, CW: 细胞壁, SG: 淀粉粒。a:W90Ca0, b: W60Ca0, c: W30Ca0, d: W90Ca1, e: W90Ca2, f: W60Ca1, g: W60Ca2, h: W30Ca1, i: W30Ca2。V: Vacuole, Mi: mitochondrion, GL: grana lamella, Ch: chloroplast, OG: osmiophilic granule, CW: cell wall, SG: starch grain.图2 亏缺灌溉和外源钙对番茄叶片叶绿体超微结构的影响Fig.2 Effects of dificient irrigation and exogenous calcium supply on the chloroplast ultra-structure of tomato leaf

3.4 对番茄幼苗根系构型的影响

图3 亏缺灌溉和外源钙补充对番茄根形态参数的影响Fig.3 Effects of deficient irrigation and exogenous calcium on the root morphological parameters of tomato

由图3可以看出，亏缺灌溉和外源钙处理对番茄平均根直径无显著影响，但对总根长、比根长和根表面积影响显著。W60和W30亏缺灌溉下番茄的总根长和根表面积均显著下降(P<0.05)，而比根长只在W30亏缺灌溉下受到显著影响。补充外源钙没有缓解亏缺灌溉对番茄总根长、比根长和根表面积的抑制效应，相反，随着干旱胁迫加剧和钙补充质量分数的提升，外源钙加剧了亏缺灌溉对根系形态的这种抑制效应。

3.5 对番茄幼苗抗氧化酶及渗透调节物质的影响

由图4可以看出，与常规灌溉相比，随着灌溉定额下降，番茄叶片的CAT活性整体上呈上升趋势。常规灌溉和亏缺灌溉下，补充外源钙均对番茄叶片的CAT活性无显著影响。灌溉定额和外源钙补充强度对番茄叶片的SOD活性均有显著影响。与常规灌溉相比，随着灌溉定额下降，番茄叶片的SOD活性整体上呈降低趋势。与不加钙相比，补充低质量分数外源钙处理的番茄叶片SOD活性显著增强，但随着外源钙补充强度的进一步提高，番茄叶片SOD活性不升反降。

由图5所示，与常规灌溉相比，随着灌溉定额的下降，番茄叶片中的PRO和TSP含量均呈上升趋势。在不补充外源钙的条件下，W60和W30亏缺灌溉番茄叶片中的PRO含量分别是常规灌溉的2.44倍和3.82倍。在常规灌溉和轻度亏缺灌溉条件下，外源钙补充对番茄叶片中PRO含量无显著影响，但在重度亏缺灌溉条件下，与Ca0和Ca1相比，高质量分数外源钙补充下PRO含量分别增加18.1%和23.6%。在不同灌溉定额下，与Ca0和Ca1相比，高质量分数外源钙补充提高番茄叶片中TSP的含量，但差异未达到显著水平。

图4 亏缺灌溉和外源钙对番茄抗氧化酶活性的影响Fig.4 Effects of deficient irrigation and exogenous calcium on the antioxidant enzyme activities of tomato

图5 亏缺灌溉和外源钙对番茄脯氨酸和可溶性蛋白含量的影响Fig.5 Effects of deficient irrigation and exogenous calcium on the contents of proline and soluble protein for tomato

4 讨论

4.1 亏缺灌溉下外源钙对番茄叶片结构的影响

水分亏缺时，作物光合作用的降低主要是由于水分亏缺引起的气孔或非气孔因素的限制。前人研究表明Ca2+作为一种重要的信号分子，在环境胁迫下扮演着重要的角色，补充Ca2+可以在一定程度上降低环境变化引起的气孔变化[17]。本试验中补充Ca2+显著增加轻度亏缺灌溉下番茄幼苗叶片背部气孔开度。在重度亏缺灌溉下，尽管低质量分数Ca2+补充增加气孔开度，但高质量分数Ca2+补充反而降低番茄叶片的气孔开度(表2)。这一结果表明在应对不同程度干旱逆境胁迫时，番茄幼苗叶片背部气孔开合对外界环境的响应策略不同。大量研究已证实在轻度干旱胁迫时，气孔的关闭往往是光合速率降低的主要原因，而在重度干旱胁迫时，影响因素往往是非气孔因素。这种影响表现为当土壤中的含水量极低时，叶片表面气孔关闭，CO2不能正常进入植物体内，严重阻碍光所形成的化学能被消耗，导致叶绿体的超微结构遭受到持续的损害和不可逆破坏，叶肉细胞中的光合器官进一步被破坏[18]。本试验通过对番茄幼苗叶肉细胞超微结构的观察显示，轻度亏缺灌溉下，叶面补充适宜质量分数Ca2+后，叶绿体中的淀粉粒数量增多。重度亏缺灌溉下，叶绿体结构模糊、被膜解体,高质量分数Ca2+补充对严重干旱逆境胁迫造成的叶绿体结构破坏无显著影响，并且降低了叶绿体中淀粉粒和嗜锇颗粒的数量(图2)。这可能是因为重度亏缺灌溉造成番茄细胞质膜透性增加，体内渗透调节系统失衡，无法维持胞内正常的自由Ca2+质量分数，从而造成叶绿体内部代谢紊乱，加剧了干旱胁迫对叶绿体结构的破坏，严重影响了细胞正常生理代谢。

4.2 亏缺灌溉下外源钙对番茄根系构型的影响

有学者对作物根系发育、根群分布、不同生育期根系活力变化等与抗旱性的关系进行了研究[19]，有些认为干旱胁迫刺激作物地下部的生长，提高根冠比[20]，也有认为干旱胁迫减少作物根系分化，降低根系平均直径和根体积[21]。本试验结果显示，干旱胁迫下番茄的根冠比提高，地上部和地下部积累的干物质量显著下降(图1)，根系生长被抑制，总根长和根表面积显著下降(图3)。在重度亏缺灌溉下，叶面补充Ca2+降低了番茄幼苗的根冠比，总根长、比根长和根表面积均随着Ca2+质量分数的升高而降低(图3)。这表明干旱胁迫下，外源钙补充改变了番茄根系形态构建的逆境响应策略。Ca2+对干旱胁迫下不同作物根系生长变化影响的差异可能是受自身生理抗性、结构特性、生长发育进程及农业气候因素变化等影响。本试验中荒漠土壤在重度亏缺灌溉条件下，受土壤水分运动的内聚力作用使土面变硬、土壤板结，可能是设施番茄幼苗根系生长受到抑制的主要原因。另外，在重度干旱胁迫下，Ca2+质量分数的升高破坏了叶绿体结构(图2)，影响了番茄的光合等代谢特性，间接抑制了设施番茄根系生长。

4.3 亏缺灌溉下外源钙对番茄抗旱防御系统的影响

植物受到环境胁迫时表现为体内活性氧(reactive oxygen species, ROS)浓度升高，产生一系列不同程度的生化反应，造成抗氧化酶活性增强、脂质过氧化、细胞功能紊乱甚至死亡等现象[22]。为了避免或减轻干旱等逆境胁迫造成的伤害，植物在进化过程中自身形成了高效、复杂的抗氧化防御系统[23]。本试验中干旱胁迫对番茄幼苗叶片CAT活性的变化趋势与前人研究结果相一致，但SOD活性随着干旱胁迫程度的加剧出现下降的趋势。在干旱胁迫下，低质量分数Ca2+补充增加番茄幼苗叶片SOD活性，但高质量分数Ca2+补充造成了SOD活性下降(图4)。这可能是因为干旱胁迫下番茄幼苗能耐受的活性氧水平存在一个阈值。在这个阈值之内，植株能够提高保护酶活性，有效地消除自由基带来的伤害；当超过这个阈值时，保护酶活性会下降，ROS的积累超过其清除能力，使植株受到损害。

除了抗氧化防御以外，渗透调节也是作物抗旱性的一个重要生理机制。在受到轻度和中度干早胁迫时，抗旱作物体内会显著地积累大量的代谢物质如糖类、PRO和TSP等[24]。它们可使作物在干旱条件下加强吸水以维持一定的膨压，从而维持细胞内渗透压与外界平衡。本试验中，随着亏缺灌溉程度的加剧，番茄叶片中的PRO和TSP含量均呈上升趋势。在重度亏缺灌溉条件下，高质量分数Ca2+补充显著提高了番茄叶片中PRO的含量(图5)，表明叶面补充Ca2+可以抵御干旱逆境对番茄造成的渗透胁迫，提高番茄的抗旱能力。此外，本研究发现，在不同程度亏缺灌溉及不同质量分数Ca2+补充条件下，番茄幼苗的抗氧化酶活性和渗透调节物质含量的变化趋势不完全一致，原因可能是在多种环境因子的影响作用下，番茄抗氧化防御和渗透调节触发阈值不同，以及对不同环境胁迫的耐受阈值不一致所引起的。今后，还需进一步加深对不同耐旱性特征指标之间相关性的研究，考虑多因素的综合耦合效应，阐明设施番茄对干旱胁迫的整体适应性生理机制及其关键调控因素。

5 结论

Ca2+参与了干旱胁迫诱导的番茄幼苗膜脂过氧化防御调控，是一种重要的抗旱诱导外源物质。叶面补充50 mg/kg Ca2+可以缓解轻度亏缺灌溉对番茄幼苗生长的抑制作用，提高番茄的耐旱性。生产中通过补充Ca2+不能缓解长期重度亏缺灌溉对番茄幼苗的逆境损伤，需保证最小灌溉定额才能维持干旱农业的可持续生产。