高曉旭， 張志剛， 段 穎， 董春娟， 尚慶茂

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所， 農(nóng)業(yè)部園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室，北京 100081)

黃瓜和番茄是我國主栽蔬菜種類，且多以育苗移栽為主。黃瓜和番茄育苗過程中，由于播種密度大，幼苗株間距小，當遭遇高溫、高濕、弱光等不良環(huán)境，極易導(dǎo)致幼苗莖和下胚軸過度伸長，形成徒長苗。徒長苗既不適于機械化作業(yè)，而且耐逆性、抗病性差，定植后成活率低，嚴重影響后期豐產(chǎn)性[1-2]。為了控制幼苗徒長，國內(nèi)外研究了植物生長調(diào)節(jié)劑、機械刺激、補光、溫度調(diào)節(jié)、水分控制等多種調(diào)控方法，取得了一定應(yīng)用效果[3-6]。然而，控制幼苗徒長是一個多因素綜合作用的過程，實際操作中調(diào)控不當?shù)那闆r多有發(fā)生。如植物生長調(diào)節(jié)劑受蔬菜種類、幼苗發(fā)育階段和環(huán)境因子的影響較大，容易造成調(diào)控失效，或因控制過度致使幼苗定植后難以恢復(fù)生長[4]；補光和溫度調(diào)節(jié)等方法增加能耗，并且需要較長處理周期才能見效；機械刺激調(diào)控法需要特定工具和勞力，也容易對幼苗造成機械損傷[7]。因此，有必要進一步研究開發(fā)操作簡易、成本低、處理周期短、效果穩(wěn)定的幼苗徒長制御方法。Hoagland營養(yǎng)液是國際公認的完全營養(yǎng)液，國內(nèi)外也常用于黃瓜、番茄育苗。目前尚未見到利用營養(yǎng)液濃度調(diào)控黃瓜和番茄幼苗下胚軸徒長的相關(guān)報道。本試驗設(shè)計系列濃度的Hoagland營養(yǎng)液，研究營養(yǎng)液濃度對黃瓜和番茄幼苗下胚軸細胞長度和生長速率的影響，并探討下胚軸細胞伸長與內(nèi)源激素含量的相互關(guān)系，可望為有效制御黃瓜和番茄幼苗下胚軸徒長提供理論與實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.2 試驗設(shè)計

試驗以Hoagland營養(yǎng)液標準配方為基礎(chǔ)濃度(1.0C)，即每升Hoagland標準營養(yǎng)液含Ca(NO3)2·4H2O 945 mg，KNO3607 mg，NH4H2PO4115 mg，MgSO4241 mg，再通過成比例增減上述各組分的用量，形成0.5C、2.5C、5.0C、7.5C、10.0C和12.5C 6個不同濃度的營養(yǎng)液處理。微量元素全部采用Arnon營養(yǎng)液配方，即每升Hoagland標準營養(yǎng)液中含微量元素EDTA-2NaFe 14.5 mg，H3BO31.43 mg，MnSO4·H2O 0.81 mg，ZnSO4·7H2O 0.11 mg，CuSO4·5H2O 0.04 mg，(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.01 mg。幼苗出苗后，立即灌施不同濃度的營養(yǎng)液，并測定各處理基質(zhì)的電導(dǎo)率EC值分別為0.46、2.08、3.58、6.73、8.08、9.68 dS/m，與營養(yǎng)液濃度呈線性相關(guān)(r=0.9938)。

首次灌施量為基質(zhì)飽和含水量的3倍，此后每隔2 d灌施1次至基質(zhì)飽和含水量的2倍。以灌施0.5C Hoagland營養(yǎng)液為對照，其余濃度為處理組，每處理3次重復(fù)，每重復(fù)60株，完全隨機區(qū)組排列。具體操作方法為：1)待黃瓜子葉平展時(播種后13 d)和番茄子葉平展時(播種后16 d)，取材并測定不同營養(yǎng)液下生長的幼苗形態(tài)指標；選取生長一致的幼苗，分別切取下胚軸、子葉和根系，用于細胞形態(tài)觀察和內(nèi)源激素含量測定。2)待黃瓜第一片真葉平展時(播種后18 d)和番茄第一片真葉平展時(播種后20 d)，對各處理幼苗進行生長恢復(fù)處理，先采用4倍于基質(zhì)飽和含水量的0.5C營養(yǎng)液充分灌施，此后每日以2倍于基質(zhì)飽和含水量的0.5C營養(yǎng)液灌施。待黃瓜幼苗恢復(fù)處理8 d，以及番茄幼苗恢復(fù)處理11 d，進行幼苗株高、莖粗、地上部干鮮重、根體積以及根干鮮重等形態(tài)指標測定。

1.3 測定方法

1.3.1 根際EC值的測定 風干基質(zhì)與去離子水以1 ∶2(v/v)的比例浸提，用DDSJ-308A 電導(dǎo)儀直接測定濾液的EC值。

1.3.2 幼苗形態(tài)指標的測定 幼苗鮮重和干重采用稱重法測定。每處理每重復(fù)隨機取樣3株，將幼苗根系沖洗干凈后用吸水紙擦干，莖葉和根分別稱鮮重后放入燒杯中，105℃殺青30 min，80℃烘干并稱干重。下胚軸長度、子葉長度采用直尺測量。下胚軸含水量(WC,%)=(植物鮮重-植物干重)/(植物鮮重)×100；下胚軸絕對生長速率(AGR, cm/d)=下胚軸長度的絕對生長量/時間。

1.3.3 幼苗內(nèi)源激素含量的測定 每處理每重復(fù)中選取大小相近的幼苗，分別取子葉、下胚軸和根0.2 g，迅速用液氮凍存樣品。IAA、GA3、ZR、ABA在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)作物化學(xué)控制中心采用間接酶聯(lián)免疫吸附(ELISA)法[8]測定，酶標儀為Thermo Multiskan MK3型。

1.3.4 細胞形態(tài)學(xué)觀測 采用石蠟切片—顯微觀測法：幼苗經(jīng)去離子水洗凈后，下胚軸中部切取5 mm，F(xiàn)AA固定，常規(guī)石蠟制片，番紅—固綠對染，切片厚度為10 μm，5%明膠粘片，阿拉伯樹膠封片，蔡司Axioskop 40型顯微鏡下拍照并統(tǒng)計細胞長度。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

對原始數(shù)據(jù)進行標準化或歸一化處理后，用Excel和DPS(Data Processing System)軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 高濃度營養(yǎng)液對黃瓜和番茄幼苗生長的影響

高濃度營養(yǎng)液灌施后，黃瓜和番茄幼苗生長均受到明顯抑制(圖1A、B)，特別是5.0C以上的處理，幼苗生長幾乎完全停滯。隨著根際EC值的升高，黃瓜和番茄的下胚軸長度、絕對生長速率和含水量均呈下降趨勢(表1)。在10.0C時下胚軸長度僅為0.5C時的52%和42%，絕對生長速率下降了58%和48%。在高濃度營養(yǎng)液持續(xù)灌施處理結(jié)束后，對黃瓜和番茄幼苗進行0.5C營養(yǎng)液恢復(fù)處理8 d和11 d，觀察幼苗恢復(fù)生長狀況并測定幼苗生長指標(圖1C、D，表2)。試驗表明，0.5C營養(yǎng)液對5.0C和7.5C處理的幼苗的地上部和地下部均有恢復(fù)生長的作用，且幼苗株高/莖粗比明顯優(yōu)于對照和其它處理，避免了幼苗徒長。恢復(fù)處理對2.5C處理幼苗促生效果明顯，但同時也造成地上部的徒長；恢復(fù)處理對10.0C和12.5C處理幼苗地上部的莖伸長促生效果不明顯，仍保持恢復(fù)處理前的抑制效果，以黃瓜為例，株高僅為對照的35%和27%(表2)。

圖1 不同濃度營養(yǎng)液對黃瓜和番茄生長的影響Fig.1 Effects of different strength nutrient solution on growth of cucumber and tomato seedlings

表1 不同濃度營養(yǎng)液對黃瓜和番茄幼苗生長參數(shù)的影響

2.2 高濃度營養(yǎng)液對黃瓜和番茄幼苗下胚軸細胞形態(tài)的影響

為了進一步確定下胚軸伸長速率下降的原因，對黃瓜和番茄幼苗的下胚軸細胞進行形態(tài)學(xué)觀察和統(tǒng)計。如圖2所示，隨著營養(yǎng)液濃度的升高，下胚軸皮層薄壁細胞的軸向長度逐漸減小，徑向長度呈現(xiàn)先增加再減小的趨勢。表3表明，皮層薄壁細胞軸/徑向生長的長度比值顯著降低，當營養(yǎng)液濃度大于5.0C以上，各處理與0.5C處理相比達到顯著差異，在10.0C時皮層薄壁細胞長度縮短至0.5C的49%和48%。

圖2 不同濃度營養(yǎng)液對番茄幼苗下胚軸皮層細胞形態(tài)的影響Fig.2 Effects of different strength nutrient solution on cortical cell in hypocotyls of tomato seedlings

2.3 高濃度營養(yǎng)液對黃瓜和番茄幼苗內(nèi)源激素含量的影響及相關(guān)性分析

幼苗下胚軸生長過程受到內(nèi)源激素的調(diào)控，分別測定了子葉平展期的黃瓜和番茄下胚軸脫落酸(ABA)、生長素(IAA)、赤霉素(GA3)和玉米素(ZR)4種內(nèi)源激素的含量。表4所示，與0.5C相比，5.0C處理使黃瓜和番茄ABA含量在各組織中整體升高，GA3和ZR含量整體降低。特別是在下胚軸中，ABA含量分別在黃瓜和番茄中升高了1.5和2.0倍，而GA3含量卻在黃瓜和番茄中降低了50%和44%。在12.5C處理下，黃瓜和番茄下胚軸的ABA含量升高了2.0和3.0倍，而ZR含量分別下降了43%和64%。IAA含量在黃瓜和番茄中的變化趨勢不同，在黃瓜中，當灌施營養(yǎng)液濃度升高，IAA含量呈現(xiàn)先升高再回落的趨勢；在番茄中，當灌施營養(yǎng)液濃度大于5.0C時，下胚軸IAA含量均顯著高于0.5C處理下的IAA含量，總體上呈現(xiàn)升高趨勢。

表3 不同濃度營養(yǎng)液對黃瓜和番茄幼苗下胚軸細胞長度的影響

表4 不同濃度營養(yǎng)液對黃瓜和番茄幼苗下胚軸激素含量的影響

對幼苗下胚軸、子葉和根系的激素含量與下胚軸長度作相關(guān)分析(表5)?？梢钥闯觯珹BA含量對下胚軸長度的影響最大，在黃瓜中相關(guān)系數(shù)達到-0.91、-0.91和-0.91，在番茄中相關(guān)系數(shù)達到-0.87、-0.85和-0.93，均呈顯著相關(guān)；而幼苗各組織IAA、GA3、ZR含量與下胚軸長度之間都沒有達到顯著相關(guān)。對IAA/ABA、GA3/ABA和ZR/ABA與下胚軸長度作相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)除子葉外，下胚軸和根系的GA3/ABA和ZR/ABA 均與下胚軸長度呈顯著(或極顯著)正相關(guān)，這說明幼苗各組織的脫落酸含量對下胚軸長度起到?jīng)Q定性作用。

表5 黃瓜和番茄下胚軸長度與其激素含量相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

研究如何制御黃瓜和番茄幼苗下胚軸徒長具有重要的實踐意義。研究表明，根際可溶性鹽含量升高會造成離子脅迫和滲透脅迫，影響幼苗生長[9]。近年來，在番茄等研究中發(fā)現(xiàn)，通過灌施較高濃度的KCl或NaCl溶液，能有效抑制幼苗下胚軸徒長[10-11]，但由于單鹽毒害，嚴重妨礙植株正常生理代謝和生長發(fā)育[12-13]。本試驗所采用Hoagland營養(yǎng)液含有全部植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素，且各元素之間保持良好的平衡關(guān)系，可有效避免單鹽毒害。試驗結(jié)果顯示，高濃度營養(yǎng)液提高了黃瓜和番茄幼苗生長基質(zhì)電導(dǎo)率，使幼苗下胚軸長度和絕對生長速率降低，有效控制了幼苗徒長。當營養(yǎng)液濃度恢復(fù)至正常時，幼苗生長狀況得到了不同程度的恢復(fù)，且對幼苗株型調(diào)控較佳的組合為先用5.0C和7.5C的營養(yǎng)液澆施，再用0.5C的營養(yǎng)液澆施。該組合對幼苗的地上部和地下部均有恢復(fù)生長的作用，且幼苗株高/莖粗比明顯優(yōu)于對照和其它處理，一定程度上避免了幼苗徒長的發(fā)生，具有很強的生產(chǎn)實踐價值。

關(guān)于根際可溶性鹽如何抑制幼苗生長的作用機制，一些研究認為，根際EC值升高使細胞滲透勢發(fā)生變化，改變植物內(nèi)源激素含量[14-16]，通過影響細胞壁的可塑性和細胞微管排列方向，從而調(diào)控細胞生長[17]。本試驗中，高濃度營養(yǎng)液灌施使幼苗基質(zhì)EC值升高，降低了幼苗下胚軸GA3和ZR含量，提高了ABA含量。進一步分析各種激素含量與幼苗下胚軸長度的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)只有ABA含量與下胚軸長度達到極顯著相關(guān)水平，說明ABA含量在高濃度營養(yǎng)液抑制幼苗下胚軸生長的過程中起到?jīng)Q定性作用。ABA可通過降低纖維素合成酶、果膠酯酶、細胞膨脹素等基因的表達，從而抑制細胞初生壁的松弛和擴張[18]。ABA也能對生長素和赤霉素等促細胞伸長的激素產(chǎn)生拮抗效應(yīng)，并通過調(diào)節(jié)微管(microtubule，MT)分布方向來影響細胞骨架[19]，導(dǎo)致下胚軸細胞的細胞壁可塑性和細胞膨壓降低，下胚軸皮層細胞的伸長生長速率減緩，最終表現(xiàn)為下胚軸生長受到抑制。與GA3、ZR和ABA三種激素的變化方式不同，生長素(IAA)含量在不同濃度營養(yǎng)液處理下呈現(xiàn)區(qū)位性變化特征，這可能是由于在下胚軸長度的調(diào)控過程中，IAA與GA3、 ZR等其他激素存在相互依賴或拮抗的復(fù)雜關(guān)系[20]。

本研究表明， 高濃度營養(yǎng)液通過改變幼苗內(nèi)源激素的動態(tài)平衡，特別是促進ABA的合成和積累，從而抑制幼苗下胚軸細胞伸長生長。灌施高濃度營養(yǎng)液對黃瓜、番茄幼苗下胚軸伸長的抑制作用可以通過降低營養(yǎng)液濃度而得到解除，這種防治幼苗徒長的操作方法簡便易行，具有潛在的應(yīng)用前景，但在不同品種蔬菜的幼苗生長過程中，最優(yōu)化的營養(yǎng)液施用濃度及其影響機制尚需進一步研究。

參考文獻:

[1] 明村豪, 蔣芳玲, 胡宏敏, 等. 幼苗徒長程度對黃瓜植株生長發(fā)育及產(chǎn)量品質(zhì)的影響[J]. 中國蔬菜, 2011, (4):29-34.

Ming C H, Jiang F L, Hu H Metal. Effects of different leggy extent seedlings on cucumber growth, yield and quality[J]. China Vegetables, 2011, (4):29-34.

[2] 王學(xué)文, 王玉玨, 付秋實, 等. 弱光逆境對番茄幼苗形態(tài)、生理特征及葉片超微結(jié)構(gòu)的影響[J]. 華北農(nóng)學(xué)報, 2009, 24(5):144-149.

Wang X W, Wang Y Y, Fu Q Setal. Effects of low light stress on morphological trait, physiological characters and leaf ultrastructure of tomato(LycopersiconesculentumL.)seedlings[J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2009, 24(5):144-149.

[3] 徐磊, 蔣芳玲, 吳震, 等. 基質(zhì)含水量和光照度對不結(jié)球白菜生長及品質(zhì)的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2009, 25(4):865-870.

Xu L, Jiang F L, Wu Zetal. Effects of substrate water content and light intensity on growth and quality of non-heading Chinese cabbage[J]. Jiangsu Journal of Agricultural Science, 2009, 25(4):865-870.

[4] Garner L C, Bj?rkman T. Using impedance for mechanical conditioning of tomato transplants to control excessive stem elongation[J]. Hort Science, 1997, 32(2):227-229.

[5] 郭永芳, 林多, 陳寧, 楊延杰. BR與CCC對夏秋季穴盤番茄苗質(zhì)的影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2010, 26(2):105-108.

Guo Y F, Lin D, Chen N, Yang Y J. Effects of BR and CCC on tomato plug-seedling quality in summer and autumn[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2010, 26(2):105-108.

[6] 尹敬芳, 陳鳳玉, 李建強, 等. 烯效唑浸種處理對番茄幼苗生長及其生理性狀的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2004, 9(2):8-11.

Yin J F, Chen F Y, Li J Qetal. Effects of seed soaking with uniconazole on the growth and physiological characters of tomato seedlings[J]. Journal of China Agricultural University, 2004, 9(2):8-11.

[7] Garner L C, Bj?rkman T. Mechanical conditioning for controlling excessive elongation in tomato transplants:sensitivity to dose, frequency, and timing of brushing[J]. Journal of American Society for Horticultural Science, 1996, 121(5):894-900.

[8] 李宗霆, 周燮. 植物激素及其免疫檢測技術(shù)[M]. 南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社, 1996.

Li Z T, Zhou X. Plant hormone and immunoassay technique[M]. Nanjing:Jiangsu Science and Technology Press, 1996.

[9] Zhu J K. Salt and drought stress signal transduction in plants[J]. Annual Review of Plant Biology, 2002, 53:247-273.

[10] Albacete A, Ghanem M E, Martínez Andújar Cetal. Hormonal changes in relation to biomass partitioning and shoot growth impairment in salinized tomato (SolanumlycopersicumL.) plants[J]. Journal of Experimental Botany, 2008, 59(15):4119-4131.

[11] Lovelli S, Scopa A, Michele Petal. Abscisic acid root and leaf concentration in relation to biomass partitioning in salinized tomato plants[J]. Journal of Plant Physiology, 2012, 169(3):226-233.

[12] 呂杰, 王秀峰, 魏珉, 等. 不同鹽處理對黃瓜幼苗生長及生理特性的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2007, 13(6):1123-1128.

Lv J, Wang X F, Wei Metal. Effect of different salt treatments on growth and physiological characteristics of cucumber seedlings[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(6):1123-1128.

[13] 張海軍, 張娜, 楊榮超, 等. NaCl脅迫對茄子幼苗生長和K+、Na+、Ca2+分布的影響及耐鹽機制[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2013, 18(4):77-83.

Zhang H J, Zhang N, Yang R Cetal. Growth, ion distribution and salt-tolerance mechanism of eggplant seedlings under salt stress[J]. Journal of China Agriculture University, 2013, 18(4):77-83.

[14] Pérez-Alfocea F, Albacete A, Ghanem M E, Dodd A I. Hormonal regulation of source-sink relations to maintain crop productivity under salinity:a case study of root-to-shoot signaling in tomato[J]. Functional Plant Biology, 2010, 37(7):592-603.

[15] 盧巧梅, 張?zhí)m, 陳天文, 等. 液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜分析鹽脅迫下植物激素的含量變化[J]. 中國科學(xué)(B輯:化學(xué)), 2009, 39(8):785-792.

Lu Q M, Zhang L, Chen T Wetal. Content change of endogenous plant hormones under salt stress by liquid chromatography-tandem mass spectrometry[J]. Science in China, Series B:Chemistry, 2009, 39(8):785-792.

[16] Teruaki T, Zhu J K, Kazuo Setal. Comparative genomics in salt tolerance between Arabidopsis and Arabidopsis-related halophyte salt cress using Arabidopsis microarray[J]. Plant Physiology, 2004, 135(3):1697-1709.

[17] Wu Y J, Jeong B R, Fry S C, Boyer J S. Change in XET activities, cell wall extensibility and hypocotyl elongation of soybean seedlings at low water potential[J]. Planta, 2005, 220(4):593-601.

[18] Gimeno-Gilles C, Lelièvre E, Viau Letal. ABA-mediated inhibition of germination is related to the inhibition of genes encoding cell-wall biosynthetic and architecture:modifying enzymes and structural proteins inMedicagotruncatulaembryo axis[J]. Molecular Plant, 2009, 2(1):108-119.

[19] Shibaoka H. Plant hormone-induced changes in the orientation of cortical microtubules:alterations in the cross-linking between microtubules and the plasma membrane[J]. Annual Review of Plant Biology, 1994, 45(1):527-544.

[20] Pernisová M, Klíma P, Horák Jetal. Cytokinins modulate auxin-induced organogenesis in plants via regulation of the auxin efflux[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2009, 106(9):3609-3614.