楊 然，張淵博，梁 祎，張 毅，侯雷平，石 玉

(山西農業(yè)大學 園藝學院，山西太谷 030801)

鉀(K)是植物正常生長發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素之一，在參與酶活化、調節(jié)細胞滲透壓、維持根系正常養(yǎng)分吸收、提高對逆境抗性等方面發(fā)揮重要作用[1-2]。當前，全球耕地大面積缺鉀[3]，已成為農業(yè)生產中的世界性問題，嚴重制約著作物的優(yōu)質高效生產和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。研究表明，低鉀脅迫可導致葉片的膜脂過氧化程度加劇，抑制植株生長發(fā)育和產量形成[4]。通過生物學途徑探尋替換鉀元素的合適物質，對緩解鉀肥的依賴性具有重要意義[5]。

鈉(Na)的離子狀態(tài)與鉀極其相似，在一定程度上能代替鉀行使相應的生理功能[6-7]。研究顯示，與正常K+濃度(3mmol/L)相比，等量Na+可替代K+維持甜菜正常生長[8]。黃少剛等[9]研究表明，在Na+和K+總濃度為4mmol/L的條件下，25%(3mmol/L KCl+1mmol/L NaCl)和50%(2mmol/L KCl+2mmol/L NaCl)的Na代替K處理對椰子苗的蔗糖磷酸合成酶活性、蔗糖和可溶性糖含量均無不利影響，均可為其碳代謝提供穩(wěn)定的碳源。Erel等[10]對橄欖樹苗的研究發(fā)現(xiàn)，K不足時施加Na對碳代謝和光合反應中可起到一定的積極作用。Idowu等[11]對番茄的研究表明，當番茄施加鈉鉀比為1∶8時，能維持地上部水分平衡，減少花敗育，顯著提高果實產量；鈉鉀比在1∶4和1∶8之間時，可觀察到鈉鉀之間存在互補關系。雷晶等[12]研究表明，缺鉀脅迫下施加鈉可增加植株的根長和根長相對生長速率?？梢?，在施用K+的基礎上，配施適量的Na+能夠促進葉片光合作用和根系構型改變，有利于植物的生長發(fā)育。

番茄(SolanumlycopersicumL.)屬茄科番茄屬，因營養(yǎng)價值高而深受人們喜愛[13]。同時番茄是需鉀量較高且較易出現(xiàn)缺鉀癥狀的蔬菜作物。目前，針對不同鉀鈉配比水平對番茄生長的影響及相關機理研究鮮見報道。因此，本試驗以番茄品種‘中雜9號’為試材，探討水培條件下不同鈉鉀配施水平對番茄幼苗生物量、根系形態(tài)指標、葉綠素含量、抗氧化酶活性及滲透調節(jié)物質含量的影響，以期揭示不同鈉鉀配比對番茄幼苗的調控效應和作用機制，為生產中科學利用鉀肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與處理

表1 鉀鈉濃度試驗設計Table 1 Design of potassium and sodium concentration test

1.2 測定項目與方法

1.2.1 生物量 用直尺測量株高(子葉到植株生長點之間的距離)，用游標卡尺測量植株在子葉處的莖粗。在處理第8 天時取樣，將番茄植株用蒸餾水洗凈擦干，于子葉處剪斷分為地上部和根系，稱取總鮮質量并記錄；稱好鮮質量后放烘箱中殺青(105 ℃，15 min)，再調至65 ℃烘干至恒量，稱取干質量并記錄。每個處理重復4次。

1.2.2 根系形態(tài)指標 在第8天取樣時，將根系洗凈擦干，放于根系掃描儀(MRS-9600TFU2L，上海中晶)中掃描，采用WinRHIZO系統(tǒng)分析根系形態(tài)參數(shù)(根系長度、根系表面積、根系平均直徑和根系體積)，每個處理重復4次。

1.2.3 葉綠素含量 取完全展開的新鮮葉片，稱取0.1 g樣品放入試管內，加入乙醇(φ=96%) 25 mL，放置陰暗處浸提24 h，待葉片完全呈白色，測定OD470、OD649、OD665，參照李合生[14]對葉綠素含量的計算方法進行數(shù)據(jù)計算，每個處理重復3次。

1.2.4 脂質過氧化及抗氧化指標 相對電導率測定采用電導儀法[14]，每個處理重復4次；丙二醛含量測定采用2-硫代巴比妥酸法[14]，每個處理重復3次；過氧化氫含量測定采用碘化鉀法[15]并加入改進。稱取0.4 g樣品加入3 mL 0.1% TCA(三氯乙酸)，冰浴磨至勻漿，冷凍離心機 (4 ℃ 6 500 r/min)離心15 min，取2 mL提取液加入1 mL磷酸鉀緩沖液(pH 7.0 10 mmol/L)和1 mL 1 mol/L碘化鉀(KI)配置成 2 mL反應體系，測定OD390并繪制標準曲線計算其含量，每個處理重復3次。超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍四唑光還原法，過氧化物酶(POD)活性測定采用愈創(chuàng)木酚法，過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法[16]，每個處理重復9次。

1.2.5 滲透調節(jié)物質含量 可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍G-250法，可溶性糖含量測定采用蒽酮-硫酸法，脯氨酸含量測定采用酸性茚三酮法[14]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft excel 2010對試驗數(shù)據(jù)進行整理和作圖，用SPSS 24.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析，用Duncan’s檢驗法進行差異顯著性水平 (P<0.05)分析，表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”。

通過對不同鈉鉀配比下各指標進行隸屬函數(shù)法的綜合評估，以其得出最佳鈉鉀濃度配比，用隸屬函數(shù)值的計算方法如下[17]：

對所測定的生理指標用下式求出每個處理的具體隸屬值：

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

式中U(X)為隸屬值，X為某一指標的測定值，Xmax為某一指標測定值的最大值，Xmin為某一指標測定值的最小值。

若某指標與抗性呈負相關，可用反隸屬函數(shù)計算其隸屬函數(shù)值。

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

在選取的30個指標中，相對電導率、丙二醛含量和過氧化氫含量表征植物細胞過氧化程度，即這3個指標越高，代表植物遭受氧化脅迫越嚴重，因此這3個指標采用反隸屬函數(shù)值計算。

2 結果與分析

2.1 不同鈉鉀配比對番茄幼苗生長的影響

如圖1所示，番茄株高、莖粗、整株鮮質量和干質量均隨Na+比例的增加呈先上升后下降的變化趨勢。與T1處理(對照)相比，T3、T4、T5、T6處理下株高分別顯著增加28.94%、 23.52%、23.75%和19.72%，對T2和T7處理的影響不明顯；T3、T4處理下莖粗分別增加 16.54%、 14.07%，而T2、T6、T7處理降低 14.07%、 21.67%和27.19%；對T5處理影響不顯著；T2、T3、T4、T6處理下整株鮮質量分別增加 17.76%、59.14%、30.30%和13.88%；而T7處理降低43.76%，對T5的影響不顯著；T3、T4和T6處理下整株干質量分別增加44.96%、 17.05%和11.63%；而T5和T7處理降低 10.08%和41.09%，對T2處理影響不顯著。

番茄根系各形態(tài)指標均隨Na+比例的增加呈持續(xù)下降的趨勢。與對照相比，T2、T3、T4、T5、T6、T7處理下根系長度均依次顯著降低 14.13%、16.00%、16.66%、26.56%、36.90%和 50.87%；T4、T5、T6、T7處理下根系表面積分別降低18.05%、35.85%、40.69%和48.46%，對T2和T3處理影響不顯著；T5、T6、T7處理下根系平均直徑降低14.12%、12.94%和15.29%，對T2、T3、T4處理的影響不顯著；T2、T3、T4、T5、T6、T7處理下根系體積分別顯著降低17.74%、17.83%、30.16%、49.86%、58.45%和59.01%。

2.2 不同鈉鉀配比對番茄葉片葉綠素含量的 影響

如表2所示，番茄葉片葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量和總葉綠素含量均隨Na+比例的增加呈下降趨勢。與對照相比，T4、T5、T6、T7處理下葉綠素a含量分別降低12.08%、 14.09%、16.78%和38.93%，對T2和T3處理無顯著性影響；T2、T3、T4、T5、T6、T7處理下葉綠素b含量分別顯著降低了21.88%、 18.75%、15.63%、21.88%、31.25%和59.38%；T4、T6、T7處理下類胡蘿卜素含量分別下降 12.12%、12.12%和30.30%，對T2、T3和T5處理影響不顯著；T4、T5、T6、T7處理下總葉綠素含量分別降低了12.22%、15.00%、18.89%和 42.22%，對T2和T3處理影響不顯著。

表2 不同鈉鉀配比下番茄葉片葉綠素含量Table 2 Chlorophyll contents in tomato leaves with different ratios of sodium and potassium mg/g

2.3 不同鈉鉀配比對番茄幼苗過氧化作用的影響

如圖2所示，隨Na+比例的增加，番茄葉片和根系相對電導率呈上升趨勢。與對照相比，處理T4、T5、T6、T7下葉片相對電導率均顯著增加28.65%、25.99%、56.10%和73.34%，對T2和T3處理影響不顯著；處理T5、T6、T7下根系相對電導率均顯著增加26.46%、47.54%和 83.02%，對T2、T3、T4處理影響不顯著。番茄葉片和根系丙二醛含量隨Na+比例增加呈上升趨勢。與對照相比，T2、T3、T4、T5、T6處理下葉片丙二醛含量增加21.65%、13.68%、27.22%、59.10%、45.26%，對T7處理影響不顯著；T5、T6、T7處理下根系丙二醛含量分別顯著增加 27.12%、41.10%和83.05%2，對T2、T3和T4處理影響不明顯。番茄葉片和根系過氧化氫含量隨Na+比例增加呈上升的趨勢。與對照相比，T3、T4、T5、T6、T7處理下葉片過氧化氫含量分別顯著增加21.05%、28.07%、1.05倍、1.05倍和1.09倍，對T2處理影響不顯著；T4、T5、T6、T7處理下根系過氧化氫含量分別顯著增加 17.24%、79.31%、1.24倍和1.38倍，對T2和T3處理影響不顯著。

2.4 不同鈉鉀配比對番茄幼苗抗氧化酶活性的影響

如表3所示，隨Na+比例增加，番茄葉片SOD活性除T7處理稍有增加外，其他各處理均不同程度下降，其中T2處理下降最為明顯，與T1相比降低15.53%，在T7處存在最大值，與T1相比增加0.82%；根系SOD活性呈先上升后下降的趨勢，與T1相比，T4、T6、T7分別增加38.84%、18.81%和18.13%。番茄葉片POD活性隨K+含量降低Na+含量增加呈先下降后上升的趨勢，與T1相比，T2、T3、T4、T5、T6處理均顯著下降54.83%、53.13%、54.26%、 29.97%和45.74%，而T7處理增加18.61%；根系POD活性均呈現(xiàn)下降的趨勢，與T1相比，T5、T6、T7分別增加23.75%、35.77%和40.38%，對T2、T3和T4處理影響不顯著。隨Na+含量的不斷增大，番茄幼苗葉片和根系的CAT活性均呈現(xiàn)上升的趨勢，與T1相比，T7處理番茄葉片和根系CAT活性分別增加39.41%和23.92%。

表3 不同鈉鉀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 不同鈉鉀配比對番茄幼苗滲透調節(jié)物質的影響

由圖3可知，隨Na+比例增大，番茄葉片和根系的可溶性蛋白含量呈下降趨勢。與對照相比，T4、T5、T6、T7處理下葉片可溶性蛋白含量分別降低14.21%、16.70%、19.79%和 23.50%，對T2和T3處理影響不顯著；T3、T4、T5、T6、T7處理下根系可溶性蛋白含量分別降低13.15%、28.52%、31.81%、37.13%和 41.35%，對T2處理影響不顯著。隨Na+比例增大，葉片可溶性糖含量呈先下降后上升的趨勢。T2、T3、T4處理下分別降低13.83%、10.65%和 29.89%，T6和T7處理下增加12.73%和25.78%，對T5處理影響不顯著；根系可溶性糖含量呈先上升再下降的趨勢，T4、T5和T7處理下分別顯著增加64.58%、52.78%和30.32%，T2和T3處理下分別降低23.15%和12.73%，對T6處理影響不明顯。番茄葉片脯氨酸含量隨Na+的比例增大呈先下降后上升的趨勢。與對照相比，T5、T6和T7處理下葉片脯氨酸含量分別顯著增加80.95%、 50.02%和1.98倍，T3處理下降低24.84%，對T2和T4處理影響不顯著；番茄根系脯氨酸含量呈逐漸上升的趨勢，T3、T4、T5、T6、T7處理均顯著增加了86.45%、1.58倍、1.39倍、2.84倍和 3.94倍，對T2處理影響不顯著。

2.6 不同鈉鉀配比對番茄幼苗生長及生理指標影響的綜合評價

由表4和表5可知，不同鈉鉀配比對各處理番茄幼苗生長及生理指標的影響不同。以生長指標為鑒定指標對各處理進行綜合評價，由好到差的順序依次為T3>T1>T4>T2>T5>T6>T7。以生理指標為鑒定指標對各處理進行綜合評價，由好到差的順序依次為T1>T7>T3> T4>T5>T2>T6。綜上，如表6所示，以所有評價指標的隸屬函數(shù)值對各處理進行綜合評價，由好到差的順序依次為T1>T3>T4>T2>T5> T6>T7。

表4 不同鈉鉀配比下番茄幼苗生長指標影響的綜合評價Table 4 Comprehensive evaluation on effects of different sodium-potassium ratios on growth indexes of tomato seedlings

表5 不同鈉鉀配比下番茄幼苗生理指標影響的綜合評價Table 5 Comprehensive evaluation on effects of different sodium-potassium ratio on physiological indexes of tomato seedlings

表6 不同鈉鉀配比下番茄幼苗影響的綜合評價Table 6 Comprehensive evaluation on effects of different sodium-potassium ratios on tomato seedlings

3 討論與結論

K和Na都是元素周期表中S區(qū)的堿性金屬元素[18]，兩者具有相似的水合半徑，在植物吸收礦質養(yǎng)分的過程中，Na+和K+會同時競爭高親和力鉀轉運蛋白和非選擇性陽離子通道[19]；且Na+易引起膜去極化，導致K+內向整流通道極難吸收K+，同時激活K+外向整流通道以加劇K+從細胞中滲出[7]。因此，Na+可在一定程度上代替K+行使非專性生理功能[20]。研究發(fā)現(xiàn)，植株在缺鉀情況下補充鈉可增加養(yǎng)分吸收和干物質積累[21]。況帥等[22]研究表明，與正常鉀相比，低鉀脅迫下煙草根系生物量呈下降趨勢。本研究結果顯示，與對照相比，適量鈉鉀配比能有效促進番茄幼苗生物量的積累，但過高的鈉鉀比對生物量積累有抑制作用。該結果與雷晶等[21]在棉花上的研究結果相似，可能是K+和Na+等濃度時維持了正常的細胞膨壓，保證了植株正常生長，但隨著Na+比例持續(xù)增加，破壞了原有的細胞溶質勢，導致植株生長受抑。根系是植物體吸收和運輸水分、礦質營養(yǎng)的主要器官，可直接影響植物的整體發(fā)育狀況[23]。K+可維持細胞膨壓，且胞質溶膠中的高鉀離子促進了根毛伸長，進而增強了根系吸收養(yǎng)分和水分的能力[24]。本研究結果顯示，隨著Na+/K+比增大，番茄根系總長、總體積和總表面積均呈現(xiàn)明顯下降趨勢，可能是Na+增加、K+減少過程中，過量的Na+對根系細胞造成了滲透脅迫，導致難以維持正常的細胞膨壓，引起根系吸收功能受損。

葉綠素是一類參與植物光合作用的色素，極易受到脅迫環(huán)境影響而被降解[25-26]。本研究結果表明，與對照相比，各處理對番茄幼苗葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量均有不同程度的抑制作用，且隨著Na+/K+比增大，抑制效果增強。這與雷晶等[21]的研究結果類似，可能是由于過高的Na+/K+比會破壞細胞原有的結構，導致色素蛋白復合體不穩(wěn)定，甚至解體。

逆境脅迫下，植物體內可積累大量活性氧(ROS)。研究表明，缺K可導致ROS過量積累，MDA含量增加、導致膜脂過氧化程度加劇[27]，引起細胞代謝紊亂[28]。本研究結果表明，隨 Na+/K+比增大，葉片和根系相對電導率、H2O2含量以及根系MDA含量總體呈升高趨勢，與呂春華等[29]的實驗結果相似，在植物體內，ROS清除體系包括酶促和非酶促抗氧化系統(tǒng)，其中，酶促系統(tǒng)主要由SOD、POD和CAT等抗氧化酶組成，非酶促系統(tǒng)主要由抗壞血酸、還原型谷胱甘肽和花青素等抗氧化物質組成[30-31]。本研究結果表明，與對照相比，T2和T4處理下葉片SOD活性均顯著降低，T4、T6和T7處理下根系SOD活性均顯著升高，其他處理的SOD活性變化均不顯著；葉片POD活性除T7處理顯著增加外，其他處理均顯著低于對照，而T5、T6和T7處理下根系POD均顯著升高；除T2、T4和T6處理的根系CAT活性變化不顯著外，所有處理的葉片CAT活性以及T3、T5和T7處理的根系CAT活性均顯著升高。說明適當?shù)拟c鉀配比可在不同程度上誘導葉片和根系的抗氧化酶活性，調控酶促ROS清除速率，這與過氧化氫含量的變化基本吻合。未來需要對谷胱甘肽還原酶、脫氫抗壞血酸還原酶等其他抗氧化酶以及非酶促抗氧化系統(tǒng)在不同鈉鉀配比下的響應規(guī)律做進一步的探討。

滲透調節(jié)機制是植物適應逆境脅迫的重要生理反應，通過改善細胞水分狀況和植物生理功能，提高植株在逆境下的生存能力和生長狀態(tài)[32-33]。植物受脅迫后，在細胞質中會積累大量有機滲透調節(jié)物質如可溶性蛋白含量、可溶性糖含量和脯氨酸含量等[34-35]。雷晶等[36]研究結果表明，在缺K時施加Na能夠增加葉片的糖類含量，而在一定的鈉鉀比下糖類含量減少。本研究結果顯示隨Na+/K+比增加，番茄可溶性蛋白含量呈下降趨勢，這與趙永平等[37]的研究結果相似，可能是Na+增加造成離子毒害，加速蛋白質分解，導致其含量降低。隨Na+/K+比增大，番茄葉片可溶性糖含量呈先降后升的變化趨勢，而根系可溶性糖含量呈先升后降的變化趨勢，其原因可能是K+和Na+通過根施的方式進入植物體，K+降低可顯著提高細胞滲透勢，降低細胞滲透調節(jié)能力；另外，可溶性糖可轉化為淀粉轉運至其他器官，T4處理下葉片可溶性糖含量最低，可能是由于葉片可溶性糖轉化成淀粉的能力較強，而淀粉在根系中重新分解為可溶性糖以提供能量，這也是根系可溶性糖含量較高的原因[33]。隨Na+/K+比增大，葉片和根系脯氨酸含量均呈上升趨勢，其原因可能是Na+在根系中大量積累，加速蛋白質分解，其中一部分蛋白質被分解為脯氨酸所致。

隸屬函數(shù)綜合評價結果表明，T3處理下番茄幼苗各指標優(yōu)于其他處理。綜上，適宜的鈉鉀配比可通過調節(jié)番茄不同器官的抗氧化防御能力和滲透調節(jié)能力來影響其生長發(fā)育，且鉀離子和鈉離子的配比為1∶1時番茄幼苗的整體長勢較佳。