趙 鑫，姚 棋，陳浩婷，張 毅，侯雷平，邢國(guó)明，石 玉

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西省設(shè)施蔬菜提質(zhì)增效協(xié)同創(chuàng)新中心，山西太谷030801）

鐵（Iron，F(xiàn)e）是植物生長(zhǎng)所必需的一種微量元素，是很多蛋白酶氧化還原過(guò)程中的重要輔因素，參與植物光合、呼吸、固氮以及核酸合成等許多基礎(chǔ)代謝過(guò)程[1-3]。盡管Fe在地殼中的含量很高，但在高pH值和鈣質(zhì)土壤中以及在中性和堿性土壤中，F(xiàn)e的溶解率極低，通常以不溶性的氫氧化鐵（Fe（OH）3）形式存在，從而限制了植株對(duì)土壤中鐵元素的有效吸收[1，4-5]。低鐵條件下植物會(huì)出現(xiàn)幼葉黃化、生長(zhǎng)減緩、產(chǎn)量品質(zhì)下降等癥狀[2，6]。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者通過(guò)土壤、葉面施鐵肥的方式來(lái)提高植株中鐵元素的含量，這是一條可行的途徑，矯正所用的鐵制劑主要為硫酸亞鐵和絡(luò)合鐵，其中，硫酸亞鐵容易發(fā)生氧化，而絡(luò)合鐵雖效果優(yōu)于硫酸亞鐵，但價(jià)格昂貴不利于在生產(chǎn)中推廣普及[7]。關(guān)于外源物質(zhì)方面，賀志文等[8]研究表明，用一定濃度的外源激素GA3（赤霉素）等處理后，可以促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)。

硅（Silicon，Si）在地殼中的含量?jī)H次于氧[9]。雖然目前不能證明Si是大多數(shù)植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需營(yíng)養(yǎng)元素，但近年來(lái)研究表明，Si對(duì)植物是有益的，其能夠促進(jìn)植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育[10-15]。Si在細(xì)胞壁的積累可以增強(qiáng)植物組織的機(jī)械強(qiáng)度、影響跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度以及滲透調(diào)節(jié)等，還參與植物體內(nèi)許多生理代謝過(guò)程，增強(qiáng)植物的抗逆性[16-17]。陳罡等[18]對(duì)黃瓜幼苗的研究表明，硅處理可有效緩解鹽脅迫造成的生長(zhǎng)抑制，改變?nèi)~綠素?zé)晒鈪?shù)變化，保護(hù)黃瓜幼苗光合器官結(jié)構(gòu)和功能的完整，從而增強(qiáng)黃瓜的耐鹽性。張倩等[19]對(duì)棉花的研究表明，硅能提高鹽脅迫下根系活力，降低H2O2、MDA含量和電解質(zhì)滲透率，提高棉花耐鹽性，促進(jìn)其正常生長(zhǎng)。目前，外源硅對(duì)低鐵脅迫下番茄幼苗響應(yīng)的信號(hào)機(jī)制尚不清楚。

本試驗(yàn)研究了外源硅對(duì)低鐵脅迫下番茄幼苗生長(zhǎng)、葉綠素含量、光合系統(tǒng)及鐵素含量的影響，旨在為揭示外源硅調(diào)控低鐵脅迫下番茄幼苗生長(zhǎng)機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試番茄品種為Micro-tom。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019—2020年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝站進(jìn)行。選取飽滿(mǎn)的種子進(jìn)行育苗，待番茄3葉1心時(shí)，選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的幼苗進(jìn)行定植。緩苗后，進(jìn)行不同濃度鐵、硅處理，共6個(gè)處理，即CK（對(duì)照），山崎配方營(yíng)養(yǎng)液（鐵濃度為100μmol/L）；CK＋Si，營(yíng)養(yǎng)液鐵濃度為100μmol/L添加1.5 mmol/L硅；10Fe，營(yíng)養(yǎng)液鐵濃度為10μmol/L；10Fe＋Si，營(yíng)養(yǎng)液鐵濃度為10μmol/L添加1.5 mmol/L硅；1Fe，營(yíng)養(yǎng)液鐵濃度為1μmol/L；1Fe+Si，營(yíng)養(yǎng)液鐵濃度為1μmol/L添加1.5 mmol/L硅。其中，硅源為K2SiO3·nH2O，硅工作液濃度為1.5 mmol/L（由預(yù)試驗(yàn)得出）。每5 d更換一次營(yíng)養(yǎng)液，pH值調(diào)至6.0±0.2，利用增氧泵以間歇方式供氧。在鐵、硅處理第15天取樣，用以測(cè)定各項(xiàng)生長(zhǎng)及生理指標(biāo)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 生物量的測(cè)定 將植株洗凈、擦干后稱(chēng)鮮質(zhì)量，每個(gè)處理重復(fù)4次，取平均值。

1.3.2 相對(duì)電解質(zhì)滲透率測(cè)定 參照石玉[20]的方法，于處理15 d時(shí)取生長(zhǎng)點(diǎn)下第2片完全展開(kāi)的功能葉和根尖，用自來(lái)水和去離子水分別沖洗表面，吸干葉片表面水分后，用打孔器快速打取10個(gè)葉圓片，放入預(yù)先用去離子水洗凈的15 mL塑料離心管中；搖動(dòng)離心管數(shù)下，用電導(dǎo)儀測(cè)定空白電導(dǎo)率（S1）；將試管放于搖床，室溫條件下振蕩2 h后測(cè)定初始電導(dǎo)率（S2）；然后將試管置于沸水浴中煮沸10 min（殺死植物組織），取出試管將其冷卻至室溫，充分搖勻，測(cè)其煮沸后電導(dǎo)率（S3）。

1.3.3 葉綠素含量和類(lèi)胡蘿卜素含量的測(cè)定 取第2片完全展開(kāi)的功能葉，洗凈、擦干后稱(chēng)約0.1 g放入試管，于陰暗處用96%乙醇浸提約24 h，直至葉片完全變白，測(cè)定葉綠素提取液在470、649、665 nm處的吸光度值。每個(gè)處理重復(fù)4次，取平均值。參照梁穎等[21]的方法計(jì)算葉綠素a、葉綠素b、類(lèi)胡蘿卜素和總?cè)~綠素含量。

1.3.4 光合參數(shù)的測(cè)定 選擇晴天9：00—11：00，每個(gè)重復(fù)隨機(jī)抽取9個(gè)完全展開(kāi)的功能葉，用Li-6400便攜式光合儀測(cè)定生長(zhǎng)點(diǎn)往下第2片完全展開(kāi)功能葉的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）。

1.3.5 PSⅡ最大光化學(xué)效率Fv/Fm取植株生長(zhǎng)點(diǎn)下第2片完全展開(kāi)的功能葉，暗適應(yīng)30 min，用Li-6400便攜式光合儀的熒光葉室測(cè)定PSII最大光化學(xué)效率（Fv/Fm），即（Fm-Fo）/Fm。

1.3.6 鐵含量 參照何明明等[6]的方法，將烘干稱(chēng)量的樣品粉碎，用H2SO4-H2O2消煮，采用原子吸收分光度法測(cè)定番茄幼苗地上部莖葉和地下部根系的全鐵含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行作圖，采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析（ANOVA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源硅對(duì)低鐵脅迫下番茄幼苗鮮質(zhì)量的影響

由圖1可知，與對(duì)照相比，CK＋Si處理下植物的鮮質(zhì)量顯著增加，地上部鮮質(zhì)量和地下部鮮質(zhì)量分別增加30.78%和4.23%，總鮮質(zhì)量增加25.16%；低鐵脅迫顯著降低番茄植株的鮮質(zhì)量，10μmol/L Fe處理地上部鮮質(zhì)量和地下部鮮質(zhì)量分別較CK降低31.02%和10.34%，總鮮質(zhì)量較CK降低26.64%；1μmol/L Fe處理地上部鮮質(zhì)量和地下部鮮質(zhì)量分別較CK降低56.24%和22.87%，總鮮質(zhì)量較CK降低49.16%。與10μmol/L Fe處理相比，10Fe＋Si處理下植株的鮮質(zhì)量顯著增加，地上部鮮質(zhì)量和地下部鮮質(zhì)量分別增加42.31%和5.85%；總鮮質(zhì)量增加32.87%。與1μmol/L Fe處理相比，1Fe＋Si處理下番茄幼苗的地上部鮮質(zhì)量和地下部鮮質(zhì)量分別增加69.54%和19.59%；總鮮質(zhì)量增加53.47%?？梢?jiàn)，在低鐵脅迫下，增施外源Si可有效緩解低鐵脅迫對(duì)植株生長(zhǎng)的抑制作用。

2.2 外源硅對(duì)低鐵脅迫下番茄幼苗相對(duì)電解質(zhì)滲透率的影響

由圖2可知，與對(duì)照相比，CK＋Si處理下葉片和根系的相對(duì)電解質(zhì)滲透率均顯著降低，分別減少10.65%和9.13%；低鐵脅迫顯著增加葉片和根系的相對(duì)電解質(zhì)滲透率，10μmol/L Fe處理葉片和根系較CK分別增加20.16%和18.44%；1μmol/L Fe處理葉片和根系較CK分別增加170.05%和138.01%。與10μmol/L Fe處理相比，10Fe＋Si處理下葉片和根系的相對(duì)電解質(zhì)滲透率分別減少4.93%和8.76%；與1μmol/L Fe處理相比，1Fe＋Si處理下葉片和根系的相對(duì)電解質(zhì)滲透率分別減少7.03%和24.91%?？梢?jiàn)，在低鐵脅迫下，增施外源Si可有效降低低鐵脅迫下番茄幼苗的相對(duì)電解質(zhì)滲透率。

2.3 外源硅對(duì)低鐵脅迫下番茄幼苗光合色素含量的影響

從表1可以看出，與對(duì)照相比，CK＋Si處理下葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a＋b含量分別增加8.15%、8.06%和8.12%，類(lèi)胡蘿卜素和葉綠素a/b與對(duì)照間差異不顯著；低鐵脅迫顯著降低葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a＋b和類(lèi)胡蘿卜素含量，10μmol/L Fe處理下葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a＋b、類(lèi)胡蘿卜素和葉綠素a/b含量分別較CK降低17.78%、16.13%、17.26%、31.58%和3.65%；1μmol/L Fe處理下葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a＋b和類(lèi)胡蘿卜素含量較CK分別降低63.70%、70.97%、65.99%和57.89%，葉綠素a/b較CK增加23.29%。與10μmol/L Fe處理相比，10Fe＋Si處理下葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a＋b、類(lèi)胡蘿卜素含量分別增加13.51%、23.08%、17.18%和7.69%；葉綠素a/b則降低。與1Fe處理相比，1Fe＋Si處理下葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a＋b、類(lèi)胡蘿卜素含量分別增加20.41%、77.78%、35.82%和25.00%；葉綠素a/b降低28.15%?？梢?jiàn)，在低鐵脅迫下，增施外源Si可有效增加低鐵脅迫下番茄幼苗的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a＋b和類(lèi)胡蘿卜素含量，降低葉綠素a/b。

表1 外源硅對(duì)低鐵脅迫下番茄幼苗光合色素含量的影響

2.4 外源硅對(duì)低鐵脅迫下番茄幼苗光合參數(shù)的影響

由表2可知，與對(duì)照相比，CK＋Si處理下Pn、Gs和Tr分別增加16.47%、17.65%和23.15%，Ci與對(duì)照間沒(méi)有明顯差異；低鐵脅迫顯著降低Pn、Gs、Ci和Tr，10μmol/L Fe處理Pn、Gs、Ci和Tr分別較CK降低23.14%、29.41%、1.88%和30.87%，1μmol/L Fe處 理Pn、Gs、Ci和Tr分 別 較CK降 低43.40%、76.47%、36.07%和71.38%。與10μmol/LFe處理相比，10Fe＋Si處理下Pn、Gs和Tr分別增加47.62%、41.67%和52.56%，Ci降低7.81%；與1μmol/L Fe處理相比，1Fe＋Si處理下Pn、Gs、Ci和Tr分別增加23.79%、175.00%、51.09%和153.93%?？梢?jiàn)，在低鐵脅迫下，增施外源Si可有效增加低鐵脅迫下番茄幼苗的Pn、Gs和Tr。

表2 外源硅對(duì)低鐵脅迫下番茄幼苗光合參數(shù)的影響

2.5 外源硅對(duì)低鐵脅迫下番茄幼苗葉片PSⅡ最大光化學(xué)效率的影響

由圖3可知，與對(duì)照相比，CK＋Si處理下番茄幼苗葉片PSⅡ最大光化學(xué)效率增加2.19%；低鐵脅迫不同程度降低了Fv/Fm，10μmol/L Fe處理較CK Fv/Fm降低0.51%；1μmol/L Fe處理Fv/Fm較CK降低9.59%。與10μmol/L Fe處理相比，10Fe＋Si處理下Fv/Fm增加2.37%；與1μmol/L Fe處理相比，1Fe＋Si處理下Fv/Fm增加5.99%?？梢?jiàn)，在低鐵脅迫下，增施外源Si可有效增加低鐵脅迫下番茄幼苗的Fv/Fm。

2.6 外源硅對(duì)低鐵脅迫下番茄幼苗鐵元素含量的影響

從圖4可以看出，與對(duì)照相比，CK＋Si處理下葉、莖和根中鐵元素含量分別較CK增加11.17%、50.94%和22.69%；低鐵脅迫顯著降低葉、莖和根中鐵元素含量，其中，10μmol/L Fe處理下葉、莖和根中鐵元素含量較CK分別降低45.12%、9.86%和21.24%，1μmol/L Fe處理下葉、莖和根中鐵元素含量較CK分別降低58.03%、16.38%和55.39%。與10μmol/L Fe處理相比，10Fe＋Si處理下葉、莖和根中鐵元素含量分別增加72.16%、65.29%和50.30%；與1μmol/L Fe處理相比，1Fe＋Si處理下葉、莖和根中鐵元素含量分別增加30.00%、3.99%和24.29%?？梢?jiàn)，在低鐵脅迫下，增施外源Si可有效增加低鐵脅迫下番茄幼苗葉、莖和根中鐵元素含量。

3 結(jié)論與討論

低鐵脅迫導(dǎo)致植物根系發(fā)生一系列變化，從而影響根系對(duì)鐵素的吸收[22]。郭獻(xiàn)平等[23]研究表明，缺鐵脅迫30 d，杜梨根系中鐵含量較對(duì)照顯著降低。本研究結(jié)果表明，低鐵脅迫顯著降低葉、莖和根中鐵元素含量，增施外源硅后顯著促進(jìn)鐵元素的吸收和運(yùn)輸。張倩等[19]研究表明，鹽脅迫下棉花幼苗電解質(zhì)滲出率均顯著上升，增施外源硅后，電解質(zhì)滲透率顯著降低。龍文靖等[24]研究表明，低鐵脅迫下地上部和地下部生物量較正常鐵處理均大幅度降低。本研究結(jié)果表明，缺鐵脅迫下，番茄葉片和根系電解質(zhì)滲透率顯著增加，地上部和地下部的生物量均顯著降低，增施外源硅后，番茄葉片和根系電解質(zhì)滲透率顯著降低，顯著促進(jìn)地上部和地下部的生物量積累。

在非生物脅迫的影響下，硅對(duì)光合作用和葉綠素降解的保護(hù)作用已有報(bào)道[25]。干旱脅迫下增施外源硅肥，緩解了葉綠素含量的降低，有助于提高干旱條件下番茄葉片的光化學(xué)效率[26]。GONZALO等[27]研究表明，在低鐵脅迫下增施外源Si，可防止大豆葉片葉綠素降解，協(xié)助鐵元素的吸收和運(yùn)輸。本研究結(jié)果表明，在低鐵脅迫下番茄幼苗葉片光合色素含量顯著下降，增施外源硅可不同程度地增加葉綠素含量，進(jìn)而維持植株光合作用的正常進(jìn)行。

在光合作用中，葉綠素含量是植物利用光能的重要指標(biāo)[28]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，與對(duì)照相比，低鐵脅迫下番茄Pn、Gs、Ci、Tr不同程度降低，說(shuō)明葉片氣孔在脅迫條件下選擇性關(guān)閉；在低鐵脅迫下增施外源Si后，Pn、Gs、Tr顯著增加，在1μmol/L Fe脅迫下增施外源硅后，Ci顯著增加，說(shuō)明1μmol/L Fe處理導(dǎo)致光合速率下降是由氣孔限制因素引起，Si保護(hù)光合器官完整性，提高CO2利用率，增強(qiáng)植株光合作用。10μmol/L Fe增施外源Si后Ci略有降低，說(shuō)明10μmol/L Fe處理導(dǎo)致光合速率下降是由非氣孔限制因素引起，如低鐵脅迫引起的葉綠素降解或光合相關(guān)酶活性降低等，這與李換麗[29]研究黃瓜沙培試驗(yàn)中光合參數(shù)變化一致。因此，硅提高逆境脅迫下植株光合作用的機(jī)制可能與植物品種和脅迫程度等因素有關(guān)。

Fo的大小和葉綠素含量有關(guān)，還和類(lèi)囊體膜受損傷程度有關(guān)；Fm的大小能夠反映光系統(tǒng)Ⅱ的電子傳遞速率，F(xiàn)v/Fo和Fv/Fm的大小與光化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，植物在遭受逆境脅迫時(shí)Fv/Fm一般會(huì)降低[30]。本研究中，低鐵脅迫番茄幼苗葉片的Fv/Fm顯著降低。在低鐵脅迫下，添加1.5 mmol/L外源Si能夠明顯緩解番茄幼苗PSⅡ的受損傷程度，減輕光抑制，因此，番茄幼苗葉片的Fv/Fm顯著升高，這與陳罡等[18]在外源Si調(diào)控鹽脅迫下黃瓜幼苗生長(zhǎng)的研究結(jié)果一致。

本研究結(jié)果表明，與對(duì)照相比，在缺鐵脅迫下番茄幼苗鮮物質(zhì)積累量顯著下降，根、莖、葉中鐵元素含量顯著降低，電解質(zhì)滲透率顯著增加，葉綠素和光合參數(shù)顯著受到抑制；增施外源Si可緩解番茄幼苗黃化癥狀的出現(xiàn)，降低電解質(zhì)滲透率，提高根、莖、葉中鐵元素含量，增加葉綠素含量和促進(jìn)光合作用，增加鮮物質(zhì)的積累，這可能是由于Si促進(jìn)Fe遷移到了植物中，從而保護(hù)了葉綠素的降解，進(jìn)而促進(jìn)光合作用，增加生物量的積累。