硅对低钾胁迫下番茄幼苗生长及生理特性的影响

杨然，郭树勋，杨小慧，张毅，石玉

(山西农业大学园艺学院，山西 太谷 030801)

钾(K)是植物生长发育的三大营养元素之一，主要参与植物叶绿素合成、光合作用和酶的激活等生命过程[1，2]。钾肥属不可再生资源，无法用其它化学品来合成。尽管地壳中含有丰富的K，但可被植物直接吸收利用的速效钾(交换性钾和水溶性钾)含量较低，且因作物生产期间循环不足速效钾含量逐年降低，耕地缺钾已成为作物可持续生产的重要制约因素之一[3]。低钾胁迫可诱导植物叶片失绿、气孔关闭、加深膜脂过氧化程度和激活抗氧化酶活性等[4]。低钾胁迫下植株体内丙二醛(MDA)、超氧阴离子(O2·-)含量显著增加，活性氧大量产生，膜脂过氧化程度加剧[5，6]。为适应K缺乏现状，可通过改良作物种质、选育耐低钾品种或增施外源物质以提高植物耐低钾能力，实现农业可持续高效发展[7]。

硅(Si)是地壳中含量第二丰富的元素，在植物体中主要存在形态是二氧化硅胶(SiO2·H2O)[8，9]。Si虽不是高等植物生长过程中的必需元素，但大量研究表明，Si可提高植物对生物胁迫(病虫害)[10]和非生物胁迫(重金属[11]、干旱胁迫[12]和盐胁迫[13]等)的抵抗能力，促进植物的生长发育。刘朋研究表明，施Si能够缓解缺钾胁迫介导的应激损伤，促进高粱的干物质积累[14]。范永义研究表明，硅、钾元素均可以改善植株抗倒伏能力，缩短基部节间长度，提高抗折力[15]。曹逼力等研究发现，施Si能够降低大麦叶片质膜透性，提高抗氧化能力[16]。铝胁迫下施Si可改善花生根系生长发育情况，增强植物超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性，以加快活性氧(ROS)清除速度，降低膜脂过氧化程度[17]。因此，硅在植物光合作用及氧化应激反应中具有重要作用。

番茄(Solanum lycopersicumL.)属茄科番茄属植物，是我国设施栽培面积最大的蔬菜之一。目前，关于外源硅缓解低钾胁迫的研究主要集中在吸硅能力强的禾本科植物上，关于番茄的研究较少。因此，本试验以中杂9号番茄品种为试材，采用营养液培养法，以正常钾浓度(4.0 mmol/L KNO3)为CK，测定低钾(0.5 mmol/L KNO3)水平下施加不同浓度外源硅(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mmol/L Na2SiO3)后番茄幼苗生物量、叶绿素含量、光合参数、MDA含量、ROS(O2·-和H2O2)含量、抗氧化酶活性的变化，揭示低钾胁迫下不同浓度外源硅对番茄幼苗生长发育的影响，结合相关性分析和隶属函数法筛选出提高番茄耐低钾能力的最适硅浓度，为基于外源硅应用的耐低钾栽培技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

选用中杂9号番茄为试验材料，种子购于中国农业科学院蔬菜花卉研究所。

1.2 试验设计

试验于2019年6月—2020年1月在山西农业大学实验大楼人工气候室进行。选取颗粒饱满、大小一致的番茄种子浸种催芽，播于72孔育苗盘。待幼苗三叶一心时，挑选长势一致的幼苗定植于1/2倍日本山崎番茄配方营养液中，缓苗4 d后更换为1倍营养液并进行不同浓度的钾、硅处理，所有低钾处理缺少的N用NaNO3进行补充，使各处理Na+、K+总浓度均为4.0 mmol/L。硅源为分析纯Na2SiO3·9H2O。

试验共设置7个处理:①CK，4.0 mmol/L KNO3(正常营养液)；②LK，0.5 mmol/L KNO3(低钾营养液)；③LK+0.5Si:0.5 mmol/L KNO3+0.5 mmol/L Si(低钾营养液中添加0.5 mmol/L Si)；④LK+1.0Si:0.5 mmol/L KNO3+1.0 mmol/L Si(低钾营养液中添加1.0 mmol/L Si)；⑤LK+1.5Si:0.5 mmol/L KNO3+1.5 mmol/L Si(低钾营养液中添加1.5 mmol/L Si)；⑥LK+2.0Si:0.5 mmol/L KNO3+2.0 mmol/L Si(低钾营养液中添加2.0 mmol/L Si)；⑦LK+2.5Si:0.5 mmol/L KNO3+2.5 mmol/L Si(低钾营养液中添加2.5 mmol/L Si)。每个处理24株幼苗，处理10 d后取鲜样测定生物量、相对含水量和根系活力，取叶片(第2、3片完全展开的叶片)和根系经液氮速冻后贮于-80℃超低温冰箱备用。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生长指标的测定 番茄幼苗用蒸馏水洗净擦干，于子叶处分为地上部和地下部，并分别称取鲜重，然后经烘箱杀青(105℃，15 min)，55℃烘至恒重后称取干重。根冠比＝地下部干重/地上部干重。

1.3.2 光合色素含量及光合参数的测定 光合色素含量采用乙醇浸提法测定。利用便携式光合仪LI-6400(美国LI-COR)测定幼苗第3片完全展开的功能叶的光合参数指标，设定光强为800μmol/(m2·s)，流速为500 μmol/s，空气相对湿度为50%，CO2浓度为400 μmol/mol，测定番茄幼苗净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间二氧化碳浓度(Ci)等指标，利用公式计算气孔限制值(Ls)和瞬时水分利用效率(WUE)。Ls＝(Ca-Ci)/Ca(式中Ca指大气CO2浓度，Ci指胞间CO2浓度)，WUE＝Pn/Tr。

1.3.3 活性氧(ROS)及抗氧化酶活性的测定MDA含量采用硫代巴比妥酸法[18]测定；O2·-含量采用羟胺氧化法[18]测定；H2O2含量采用碘化钾法[19]测定；SOD活性采用氮蓝四唑(NBT)法[20]测定；POD活性采用愈创木酚法[20]测定；CAT活性采用紫外吸收法[20]测定。

1.4 数据处理与分析

试验数据选用SPSS 24.0软件进行方差分析，用Duncan’s法检验差异显著性(P＜0.05)，选用Microsoft Excel 2016软件进行分析并作图。

本试验采用隶属函数法对低钾胁迫处理的材料进行耐低钾性综合评价。当某指标与植物生物量呈正相关关系时采用公式(1)计算:

当某指标与植物生物量呈负相关时采用公式(2)计算:

式中:F(I)为隶属函数值；I为指标的测定数值；Imax、Imin分别为某一指标的最大值和最小值。最后将各个指标的隶属函数值求和并计算平均值，即可评价低钾胁迫下各施硅处理对番茄幼苗耐低钾能力的影响[21]。

2 结果与分析

2.1 硅对低钾胁迫下番茄幼苗生物量的影响

由表1可知，与CK相比，LK处理地上部鲜重、地上部干重、地下部鲜重和地下部干重分别显著降低了55.71%、49.09%、72.95%和81.82%。与LK处理相比，施硅处理的番茄幼苗生物量显著增加，且随着硅浓度的增加呈先上升后下降趋势，以LK+2.0Si处理最高，地上部鲜重、地上部干重、地下部鲜重和地下部干重分别显著增加1.95、2.25、2.51倍和4.00倍；LK+2.5Si和LK+1.5Si处理次之，地上部鲜重、地上部干重、地下部鲜重、地下部干重分别显著增加1.91倍和1.25倍、1.89倍和1.57倍、1.59倍和1.86倍、2.50倍和2.75倍；其余施硅处理的地上部鲜重、地上部干重、地下部鲜重和地下部干重增幅分别为62.37%～79.70%、39.29%～64.29%、42.42%～160.61%、25.00%～225.00%。与CK相比，LK处理下总鲜重、总干重和根冠比分别显著降低60.14%、59.74%和66.67%。与LK处理相比，随着硅浓度的增加，施硅处理的番茄幼苗总鲜重、总干重、根冠比呈先上升后下降趋势，且除LK+0.5Si处理根冠比外均显著增加，增幅分别为59.09%～204.90%、38.71%～258.06%、53.85%～123.08%。

表1 硅对低钾胁迫下番茄幼苗生物量的影响

2.2 硅对低钾胁迫下番茄幼苗叶绿素含量的影响

由表2可知，与CK相比，LK处理下叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量均下降，降幅分别为11.17%、12.12%和11.43%。与LK处理相比，LK+0.5Si处理下类胡萝卜素含量增加，增幅为11.11%；LK+1.5Si处理叶绿素b含量增加了12.07%；LK+2.0Si处理下叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量分别增加了13.21%、15.52%和13.82%；LK+2.5Si处理下叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量分别增加了19.50%、24.14%和20.74%。

表2 硅对低钾胁迫下番茄幼苗叶绿素含量的影响 (mg/gFW)

2.3 硅对低钾胁迫下番茄幼苗光合特性的影响

由图1可知，与CK相比，LK处理下番茄Pn、Gs、Ls和Tr均下降，降幅分别为32.53%、74.47%、60.45%和49.15%，而Ci和WUE均上升，增幅分别为129%和33.47%。与LK处理相比，LK+0.5Si处理下Pn、Gs、Ls和WUE上升，增幅分别为10.42%、1.52倍、18.06%和10.68%，Ci降低了33.64%；LK+1.0Si处理下Pn、Gs、Ls和WUE上升，增幅分别为15.72%、1.45倍、32.44%和8.46%，Ci降低了34.94%；LK+1.5Si处理下Pn、Gs、Tr和Ls均上升，增幅分别为20.08%、2.11倍、23.87%和41.03%，Ci降低了32.88%；LK+2.0Si处理下Pn、Gs、Tr和Ls均上升，增幅分别为28.15%、2.84倍、44.56%和1.36倍，而Ci和WUE分别降低了39.61%和11.88%；LK+2.5Si处理下Pn、Gs、Tr、Ls和WUE上升，增幅分别为30.33%、1.22倍、19.49%、30.55%和8.41%，Ci降低了38.37%。

图1 硅对低钾胁迫下番茄幼苗光合特性的影响

2.4 硅对低钾胁迫下番茄幼苗MDA含量的影响

由图2可以看出，与CK相比，LK处理下番茄叶片和根系MDA含量均增加，增幅分别为1.60倍和1.22倍。与LK相比，施硅处理叶片和根系MDA含量均显著降低，以LK+2.0Si处理最低，分别降低了60.70%和56.63%，其余施硅处理降幅在37.02%～53.39%、15.66%～42.89%。

图2 硅对低钾胁迫下番茄幼苗丙二醛含量的影响

2.5 硅对低钾胁迫下番茄幼苗过氧化氢含量的影响

由图3可以看出，与CK相比，LK处理下番茄叶片和根系过氧化氢含量均显著增加，增幅分别为54.98%和30.12%。与LK处理相比，各施硅处理叶片和根系中的过氧化氢含量均降低，以LK+2.0Si处理最低，降幅分别为32.17%和30.95%；其余施硅处理降幅分别为4.40%～23.50%和5.27%～20.31%。

图3 硅对低钾胁迫下番茄幼苗过氧化氢含量的影响

2.6 硅对低钾胁迫下番茄幼苗超氧阴离子含量的影响

由图4可以看出，与CK相比，LK处理下番茄叶片和根系O2·-含量均增加，增幅分别为74.75%和74.66%。与LK处理相比，施硅处理的番茄叶片和根部O2·-含量均降低，LK+0.5Si处理下分别降低了17.95%和6.22%，LK+1.0Si处理下分别降低了20.46%和10.63%，LK+1.5Si处理下分别降低了23.21%和27.79%；LK+2.0Si处理下分别降低了35.68%和43.24%；LK+2.5Si处理下分别降低了27.21%和38.28%。

图4 硅对低钾胁迫下番茄幼苗超氧阴离子含量的影响

2.7 硅对低钾胁迫下番茄幼苗抗氧化酶活性的影响

由表3可知，与CK相比，LK处理下番茄叶片和根系SOD活性均升高，分别增加66.92%和82.10%。与LK处理相比，LK+0.5Si处理下番茄叶片SOD活性降低11.00%；LK+1.0Si、LK+1.5Si、LK+2.0Si、LK+2.5Si处理下番茄叶片和根部SOD活性分别降低了13.25%和14.52%、17.53%和24.75%、33.36%和29.34%、19.51%和16.13%。

表3 硅对低钾胁迫下番茄幼苗抗氧化酶活性的影响

与CK相比，LK处理下番茄叶片和根系POD活性均升高，分别升高了1.63倍和98.42%。与LK处理相比，LK+0.5Si、LK+1.0Si、LK+1.5Si、LK+2.0Si、LK+2.5Si处理下番茄叶片和根部POD活性分别降低了35.67%和16.70%、59.42%和20.72%、64.33%和23.71%、69.28%和28.86%、60.60%和6.85%。

与CK相比，LK处理下番茄叶片和根系CAT活性均升高，增幅分别为12.65%和82.40%。与LK处理相比，LK+0.5Si、LK+1.0Si、LK+1.5Si、LK+2.0Si和LK+2.5Si处理下番茄叶片和根部CAT活性分别降低3.39%和15.77%、14.56%和25.38%、19.51%和29.91%、26.18%和41.00%、15.37%和17.33%。

2.8 硅对低钾胁迫下番茄幼苗生长及生理特性的综合分析

采用模糊数学隶属函数法、对各项指标赋予相同的权重值进行综合评价分析，其中生长指标(表4)中地上部鲜重、地下部鲜重、地上部干重、地下部干重、总鲜重、总干重、根冠比和光合特性指标(表5)中叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素、Pn、Tr、Gs、Ls、WUE采用隶属函数公式(1)计算函数值；部分光合特性指标(表5)如类胡萝卜素、Ci及生理特性指标(表6)中MDA、、H2O2、SOD、POD和CAT采用隶属函数公式(2)计算函数值，结果(表7)筛选出提高番茄耐低钾能力的最适浓度。根据隶属函数平均值的大小对各处理进行排序，由高到低为LK+2.0Si、LK+2.5Si、LK+1.5Si、LK+1.0Si、LK+0.5Si、LK。

表4 硅对低钾胁迫下番茄幼苗生长指标的隶属函数分析

表5 硅对低钾胁迫下番茄幼苗光合特性指标的隶属函数分析

表6 硅对低钾胁迫下番茄幼苗生理特性指标的隶属函数分析

表7 硅对低钾胁迫下番茄幼苗的综合隶属函数分析

3 讨论与结论

钾在维持离子稳态、渗透调节、蛋白代谢、酶活、膜极化和各种代谢过程中起关键作用，而低钾环境严重制约植物的正常生长发育和生理代谢过程[22]。杜琪等研究发现，低钾胁迫下开花期玉米根系干重、节根数和根长等显著下降，限制了根系对养分和水分的吸收利用[23]。本试验结果中，与对照相比，LK处理的总干鲜重均显著降低，说明低钾胁迫抑制了番茄幼苗生物量积累。刘朋研究发现，施Si能显著缓解缺钾造成的高粱生物量下降[14]。本试验结果表明，低钾胁迫下施Si后番茄幼苗地上部和地下部的干鲜重均显著增加，其中低钾胁迫下施加2.0 mmol/L Si最有利于番茄幼苗的干物质积累。此外，低钾胁迫显著降低了根冠比，表明低钾胁迫下根系生长弱于地上部，难以供应足够的营养，严重影响幼苗生长发育；而低钾环境下施用适宜浓度的Si可显著提高番茄幼苗根冠比，从而有效缓解低钾胁迫对番茄幼苗养分吸收能力[24]的抑制。

植物的许多重要生理过程均受到钾的影响，如光合色素合成、光合作用和光呼吸等，植物长期缺钾出现黄化病、光合酶活性和氮代谢关键酶活性下降等不利变化[5，25]。本试验结果表明，低钾胁迫下番茄叶绿素含量显著降低，说明低钾胁迫阻碍叶绿素合成代谢，进而损伤类囊体膜结构，阻碍光能的吸收和光合电子转递[26]。低钾胁迫下施Si显著增加了番茄叶片光合色素含量和Pn，说明Si有效缓解了低钾胁迫对叶绿素合成的抑制作用，促进叶绿素合成代谢，保护光合器官的完整性[25]。植物的光合作用能力同时受到光合色素含量、RuBP羧化酶、PEP羧化酶和NAD激酶等活性的影响[27]。低钾胁迫下施Si显著增加了光合色素含量、Pn、WUE和Gs，说明施Si能够提高叶绿素的合成代谢、改善光系统Ⅱ反应活性及稳定光系统的结构和功能[28-30]。

植物细胞的膜电位均会受到外界钾浓度的影响并快速且可逆地发生变化，较低的钾浓度使膜电位更趋于负值。这一普遍现象归因于钾转运体系对细胞膜电位建立的显著作用，与H+-ATP酶质子泵介导的H+外排共同导致细胞膜的超极化[22]。植物长期处于低钾环境下，致使细胞氧化压力显著上升，产生大量活性氧，加快膜脂过氧化产物积累，并诱导各类抗氧化酶活性提高[31]。MDA是植物细胞膜脂过氧化的最终产物，含量越高代表氧化损伤程度越深。本试验中，低钾胁迫介导的氧化应激导致MDA显著增加，超氧阴离子、氢氧根负离子、单线态氧和过氧化氢等ROS物质大量积累。番茄具有完备的酶促抗氧化系统以清除过量产生的ROS，低钾胁迫下抗氧化酶SOD、POD和CAT活性显著提高[32]。ROS积累激活了酶促抗氧化系统的应激反应，并通过提高抗氧化酶活性缓解氧化伤害，仍不能完全缓解低钾胁迫带来的生长抑制。低钾胁迫下施Si能够降低超氧阴离子和过氧化氢的积累量，起到稳定番茄幼苗细胞膜的作用[33]。其中，低钾胁迫下施加2.0 mmol/L Si能够使MDA含量恢复至正常营养液水平。由上可知，低钾胁迫下施Si可降低膜脂过氧化水平，减轻ROS对膜系统的损伤，保证植物生理代谢正常进行。

植物的耐低钾能力受到许多内外因素的影响，例如植物表型和抗氧化特性，并且这些特性之间是相互联系、相互制约的。隶属函数法作为多指标组合的评价方法，在番茄[34]、梨[35]等多种植物上得到应用。本试验采用隶属函数法评定不同施Si浓度提高耐低钾能力的效果，从强到弱依次为LK+2.0Si＞LK+2.5Si＞LK+1.5Si＞LK+1.0Si＞LK+0.5Si＞LK。

综上所述，低钾胁迫下番茄幼苗生长遭受抑制，光合作用受阻，氧化压力上升，膜脂过氧化程度提高；施Si能够缓解低钾胁迫介导的生长抑制，提高光合速率，降低活性氧积累，进而降低膜脂过氧化程度，以施加2.0 mmol/L Si提升番茄幼苗耐低钾能力效果最佳。