楊然，郭樹(shù)勛，楊小慧，張毅，石玉

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西 太谷 030801)

鉀(K)是植物生長(zhǎng)發(fā)育的三大營(yíng)養(yǎng)元素之一，主要參與植物葉綠素合成、光合作用和酶的激活等生命過(guò)程[1，2]。鉀肥屬不可再生資源，無(wú)法用其它化學(xué)品來(lái)合成。盡管地殼中含有豐富的K，但可被植物直接吸收利用的速效鉀(交換性鉀和水溶性鉀)含量較低，且因作物生產(chǎn)期間循環(huán)不足速效鉀含量逐年降低，耕地缺鉀已成為作物可持續(xù)生產(chǎn)的重要制約因素之一[3]。低鉀脅迫可誘導(dǎo)植物葉片失綠、氣孔關(guān)閉、加深膜脂過(guò)氧化程度和激活抗氧化酶活性等[4]。低鉀脅迫下植株體內(nèi)丙二醛(MDA)、超氧陰離子(O2·-)含量顯著增加，活性氧大量產(chǎn)生，膜脂過(guò)氧化程度加劇[5，6]。為適應(yīng)K缺乏現(xiàn)狀，可通過(guò)改良作物種質(zhì)、選育耐低鉀品種或增施外源物質(zhì)以提高植物耐低鉀能力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)高效發(fā)展[7]。

硅(Si)是地殼中含量第二豐富的元素，在植物體中主要存在形態(tài)是二氧化硅膠(SiO2·H2O)[8，9]。Si雖不是高等植物生長(zhǎng)過(guò)程中的必需元素，但大量研究表明，Si可提高植物對(duì)生物脅迫(病蟲(chóng)害)[10]和非生物脅迫(重金屬[11]、干旱脅迫[12]和鹽脅迫[13]等)的抵抗能力，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育。劉朋研究表明，施Si能夠緩解缺鉀脅迫介導(dǎo)的應(yīng)激損傷，促進(jìn)高粱的干物質(zhì)積累[14]。范永義研究表明，硅、鉀元素均可以改善植株抗倒伏能力，縮短基部節(jié)間長(zhǎng)度，提高抗折力[15]。曹逼力等研究發(fā)現(xiàn)，施Si能夠降低大麥葉片質(zhì)膜透性，提高抗氧化能力[16]。鋁脅迫下施Si可改善花生根系生長(zhǎng)發(fā)育情況，增強(qiáng)植物超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)活性，以加快活性氧(ROS)清除速度，降低膜脂過(guò)氧化程度[17]。因此，硅在植物光合作用及氧化應(yīng)激反應(yīng)中具有重要作用。

番茄(Solanum lycopersicumL.)屬茄科番茄屬植物，是我國(guó)設(shè)施栽培面積最大的蔬菜之一。目前，關(guān)于外源硅緩解低鉀脅迫的研究主要集中在吸硅能力強(qiáng)的禾本科植物上，關(guān)于番茄的研究較少。因此，本試驗(yàn)以中雜9號(hào)番茄品種為試材，采用營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)法，以正常鉀濃度(4.0 mmol/L KNO3)為CK，測(cè)定低鉀(0.5 mmol/L KNO3)水平下施加不同濃度外源硅(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mmol/L Na2SiO3)后番茄幼苗生物量、葉綠素含量、光合參數(shù)、MDA含量、ROS(O2·-和H2O2)含量、抗氧化酶活性的變化，揭示低鉀脅迫下不同濃度外源硅對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響，結(jié)合相關(guān)性分析和隸屬函數(shù)法篩選出提高番茄耐低鉀能力的最適硅濃度，為基于外源硅應(yīng)用的耐低鉀栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選用中雜9號(hào)番茄為試驗(yàn)材料，種子購(gòu)于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年6月—2020年1月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)大樓人工氣候室進(jìn)行。選取顆粒飽滿(mǎn)、大小一致的番茄種子浸種催芽，播于72孔育苗盤(pán)。待幼苗三葉一心時(shí)，挑選長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗定植于1/2倍日本山崎番茄配方營(yíng)養(yǎng)液中，緩苗4 d后更換為1倍營(yíng)養(yǎng)液并進(jìn)行不同濃度的鉀、硅處理，所有低鉀處理缺少的N用NaNO3進(jìn)行補(bǔ)充，使各處理Na+、K+總濃度均為4.0 mmol/L。硅源為分析純Na2SiO3·9H2O。

試驗(yàn)共設(shè)置7個(gè)處理:①CK，4.0 mmol/L KNO3(正常營(yíng)養(yǎng)液)；②LK，0.5 mmol/L KNO3(低鉀營(yíng)養(yǎng)液)；③LK+0.5Si:0.5 mmol/L KNO3+0.5 mmol/L Si(低鉀營(yíng)養(yǎng)液中添加0.5 mmol/L Si)；④LK+1.0Si:0.5 mmol/L KNO3+1.0 mmol/L Si(低鉀營(yíng)養(yǎng)液中添加1.0 mmol/L Si)；⑤LK+1.5Si:0.5 mmol/L KNO3+1.5 mmol/L Si(低鉀營(yíng)養(yǎng)液中添加1.5 mmol/L Si)；⑥LK+2.0Si:0.5 mmol/L KNO3+2.0 mmol/L Si(低鉀營(yíng)養(yǎng)液中添加2.0 mmol/L Si)；⑦LK+2.5Si:0.5 mmol/L KNO3+2.5 mmol/L Si(低鉀營(yíng)養(yǎng)液中添加2.5 mmol/L Si)。每個(gè)處理24株幼苗，處理10 d后取鮮樣測(cè)定生物量、相對(duì)含水量和根系活力，取葉片(第2、3片完全展開(kāi)的葉片)和根系經(jīng)液氮速凍后貯于-80℃超低溫冰箱備用。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定 番茄幼苗用蒸餾水洗凈擦干，于子葉處分為地上部和地下部，并分別稱(chēng)取鮮重，然后經(jīng)烘箱殺青(105℃，15 min)，55℃烘至恒重后稱(chēng)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參數(shù)的測(cè)定 光合色素含量采用乙醇浸提法測(cè)定。利用便攜式光合儀LI-6400(美國(guó)LI-COR)測(cè)定幼苗第3片完全展開(kāi)的功能葉的光合參數(shù)指標(biāo)，設(shè)定光強(qiáng)為800μmol/(m2·s)，流速為500 μmol/s，空氣相對(duì)濕度為50%，CO2濃度為400 μmol/mol，測(cè)定番茄幼苗凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間二氧化碳濃度(Ci)等指標(biāo)，利用公式計(jì)算氣孔限制值(Ls)和瞬時(shí)水分利用效率(WUE)。Ls＝(Ca-Ci)/Ca(式中Ca指大氣CO2濃度，Ci指胞間CO2濃度)，WUE＝Pn/Tr。

1.3.3 活性氧(ROS)及抗氧化酶活性的測(cè)定MDA含量采用硫代巴比妥酸法[18]測(cè)定；O2·-含量采用羥胺氧化法[18]測(cè)定；H2O2含量采用碘化鉀法[19]測(cè)定；SOD活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)法[20]測(cè)定；POD活性采用愈創(chuàng)木酚法[20]測(cè)定；CAT活性采用紫外吸收法[20]測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)選用SPSS 24.0軟件進(jìn)行方差分析，用Duncan’s法檢驗(yàn)差異顯著性(P＜0.05)，選用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行分析并作圖。

本試驗(yàn)采用隸屬函數(shù)法對(duì)低鉀脅迫處理的材料進(jìn)行耐低鉀性綜合評(píng)價(jià)。當(dāng)某指標(biāo)與植物生物量呈正相關(guān)關(guān)系時(shí)采用公式(1)計(jì)算:

當(dāng)某指標(biāo)與植物生物量呈負(fù)相關(guān)時(shí)采用公式(2)計(jì)算:

式中:F(I)為隸屬函數(shù)值；I為指標(biāo)的測(cè)定數(shù)值；Imax、Imin分別為某一指標(biāo)的最大值和最小值。最后將各個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值求和并計(jì)算平均值，即可評(píng)價(jià)低鉀脅迫下各施硅處理對(duì)番茄幼苗耐低鉀能力的影響[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅對(duì)低鉀脅迫下番茄幼苗生物量的影響

由表1可知，與CK相比，LK處理地上部鮮重、地上部干重、地下部鮮重和地下部干重分別顯著降低了55.71%、49.09%、72.95%和81.82%。與LK處理相比，施硅處理的番茄幼苗生物量顯著增加，且隨著硅濃度的增加呈先上升后下降趨勢(shì)，以LK+2.0Si處理最高，地上部鮮重、地上部干重、地下部鮮重和地下部干重分別顯著增加1.95、2.25、2.51倍和4.00倍；LK+2.5Si和LK+1.5Si處理次之，地上部鮮重、地上部干重、地下部鮮重、地下部干重分別顯著增加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；其余施硅處理的地上部鮮重、地上部干重、地下部鮮重和地下部干重增幅分別為62.37%～79.70%、39.29%～64.29%、42.42%～160.61%、25.00%～225.00%。與CK相比，LK處理下總鮮重、總干重和根冠比分別顯著降低60.14%、59.74%和66.67%。與LK處理相比，隨著硅濃度的增加，施硅處理的番茄幼苗總鮮重、總干重、根冠比呈先上升后下降趨勢(shì)，且除LK+0.5Si處理根冠比外均顯著增加，增幅分別為59.09%～204.90%、38.71%～258.06%、53.85%～123.08%。

表1 硅對(duì)低鉀脅迫下番茄幼苗生物量的影響

2.2 硅對(duì)低鉀脅迫下番茄幼苗葉綠素含量的影響

由表2可知，與CK相比，LK處理下葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量均下降，降幅分別為11.17%、12.12%和11.43%。與LK處理相比，LK+0.5Si處理下類(lèi)胡蘿卜素含量增加，增幅為11.11%；LK+1.5Si處理葉綠素b含量增加了12.07%；LK+2.0Si處理下葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量分別增加了13.21%、15.52%和13.82%；LK+2.5Si處理下葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量分別增加了19.50%、24.14%和20.74%。

表2 硅對(duì)低鉀脅迫下番茄幼苗葉綠素含量的影響 (mg/gFW)

2.3 硅對(duì)低鉀脅迫下番茄幼苗光合特性的影響

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

圖1 硅對(duì)低鉀脅迫下番茄幼苗光合特性的影響

2.4 硅對(duì)低鉀脅迫下番茄幼苗MDA含量的影響

由圖2可以看出，與CK相比，LK處理下番茄葉片和根系MDA含量均增加，增幅分別為1.60倍和1.22倍。與LK相比，施硅處理葉片和根系MDA含量均顯著降低，以LK+2.0Si處理最低，分別降低了60.70%和56.63%，其余施硅處理降幅在37.02%～53.39%、15.66%～42.89%。

圖2 硅對(duì)低鉀脅迫下番茄幼苗丙二醛含量的影響

2.5 硅對(duì)低鉀脅迫下番茄幼苗過(guò)氧化氫含量的影響

由圖3可以看出，與CK相比，LK處理下番茄葉片和根系過(guò)氧化氫含量均顯著增加，增幅分別為54.98%和30.12%。與LK處理相比，各施硅處理葉片和根系中的過(guò)氧化氫含量均降低，以LK+2.0Si處理最低，降幅分別為32.17%和30.95%；其余施硅處理降幅分別為4.40%～23.50%和5.27%～20.31%。

圖3 硅對(duì)低鉀脅迫下番茄幼苗過(guò)氧化氫含量的影響

2.6 硅對(duì)低鉀脅迫下番茄幼苗超氧陰離子含量的影響

由圖4可以看出，與CK相比，LK處理下番茄葉片和根系O2·-含量均增加，增幅分別為74.75%和74.66%。與LK處理相比，施硅處理的番茄葉片和根部O2·-含量均降低，LK+0.5Si處理下分別降低了17.95%和6.22%，LK+1.0Si處理下分別降低了20.46%和10.63%，LK+1.5Si處理下分別降低了23.21%和27.79%；LK+2.0Si處理下分別降低了35.68%和43.24%；LK+2.5Si處理下分別降低了27.21%和38.28%。

圖4 硅對(duì)低鉀脅迫下番茄幼苗超氧陰離子含量的影響

2.7 硅對(duì)低鉀脅迫下番茄幼苗抗氧化酶活性的影響

由表3可知，與CK相比，LK處理下番茄葉片和根系SOD活性均升高，分別增加66.92%和82.10%。與LK處理相比，LK+0.5Si處理下番茄葉片SOD活性降低11.00%；LK+1.0Si、LK+1.5Si、LK+2.0Si、LK+2.5Si處理下番茄葉片和根部SOD活性分別降低了13.25%和14.52%、17.53%和24.75%、33.36%和29.34%、19.51%和16.13%。

表3 硅對(duì)低鉀脅迫下番茄幼苗抗氧化酶活性的影響

與CK相比，LK處理下番茄葉片和根系POD活性均升高，分別升高了1.63倍和98.42%。與LK處理相比，LK+0.5Si、LK+1.0Si、LK+1.5Si、LK+2.0Si、LK+2.5Si處理下番茄葉片和根部POD活性分別降低了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%。

與CK相比，LK處理下番茄葉片和根系CAT活性均升高，增幅分別為12.65%和82.40%。與LK處理相比，LK+0.5Si、LK+1.0Si、LK+1.5Si、LK+2.0Si和LK+2.5Si處理下番茄葉片和根部CAT活性分別降低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 硅對(duì)低鉀脅迫下番茄幼苗生長(zhǎng)及生理特性的綜合分析

采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法、對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)賦予相同的權(quán)重值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，其中生長(zhǎng)指標(biāo)(表4)中地上部鮮重、地下部鮮重、地上部干重、地下部干重、總鮮重、總干重、根冠比和光合特性指標(biāo)(表5)中葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素、Pn、Tr、Gs、Ls、WUE采用隸屬函數(shù)公式(1)計(jì)算函數(shù)值；部分光合特性指標(biāo)(表5)如類(lèi)胡蘿卜素、Ci及生理特性指標(biāo)(表6)中MDA、、H2O2、SOD、POD和CAT采用隸屬函數(shù)公式(2)計(jì)算函數(shù)值，結(jié)果(表7)篩選出提高番茄耐低鉀能力的最適濃度。根據(jù)隸屬函數(shù)平均值的大小對(duì)各處理進(jìn)行排序，由高到低為L(zhǎng)K+2.0Si、LK+2.5Si、LK+1.5Si、LK+1.0Si、LK+0.5Si、LK。

表4 硅對(duì)低鉀脅迫下番茄幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)分析

表5 硅對(duì)低鉀脅迫下番茄幼苗光合特性指標(biāo)的隸屬函數(shù)分析

表6 硅對(duì)低鉀脅迫下番茄幼苗生理特性指標(biāo)的隸屬函數(shù)分析

表7 硅對(duì)低鉀脅迫下番茄幼苗的綜合隸屬函數(shù)分析

3 討論與結(jié)論

鉀在維持離子穩(wěn)態(tài)、滲透調(diào)節(jié)、蛋白代謝、酶活、膜極化和各種代謝過(guò)程中起關(guān)鍵作用，而低鉀環(huán)境嚴(yán)重制約植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育和生理代謝過(guò)程[22]。杜琪等研究發(fā)現(xiàn)，低鉀脅迫下開(kāi)花期玉米根系干重、節(jié)根數(shù)和根長(zhǎng)等顯著下降，限制了根系對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收利用[23]。本試驗(yàn)結(jié)果中，與對(duì)照相比，LK處理的總干鮮重均顯著降低，說(shuō)明低鉀脅迫抑制了番茄幼苗生物量積累。劉朋研究發(fā)現(xiàn)，施Si能顯著緩解缺鉀造成的高粱生物量下降[14]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，低鉀脅迫下施Si后番茄幼苗地上部和地下部的干鮮重均顯著增加，其中低鉀脅迫下施加2.0 mmol/L Si最有利于番茄幼苗的干物質(zhì)積累。此外，低鉀脅迫顯著降低了根冠比，表明低鉀脅迫下根系生長(zhǎng)弱于地上部，難以供應(yīng)足夠的營(yíng)養(yǎng)，嚴(yán)重影響幼苗生長(zhǎng)發(fā)育；而低鉀環(huán)境下施用適宜濃度的Si可顯著提高番茄幼苗根冠比，從而有效緩解低鉀脅迫對(duì)番茄幼苗養(yǎng)分吸收能力[24]的抑制。

植物的許多重要生理過(guò)程均受到鉀的影響，如光合色素合成、光合作用和光呼吸等，植物長(zhǎng)期缺鉀出現(xiàn)黃化病、光合酶活性和氮代謝關(guān)鍵酶活性下降等不利變化[5，25]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，低鉀脅迫下番茄葉綠素含量顯著降低，說(shuō)明低鉀脅迫阻礙葉綠素合成代謝，進(jìn)而損傷類(lèi)囊體膜結(jié)構(gòu)，阻礙光能的吸收和光合電子轉(zhuǎn)遞[26]。低鉀脅迫下施Si顯著增加了番茄葉片光合色素含量和Pn，說(shuō)明Si有效緩解了低鉀脅迫對(duì)葉綠素合成的抑制作用，促進(jìn)葉綠素合成代謝，保護(hù)光合器官的完整性[25]。植物的光合作用能力同時(shí)受到光合色素含量、RuBP羧化酶、PEP羧化酶和NAD激酶等活性的影響[27]。低鉀脅迫下施Si顯著增加了光合色素含量、Pn、WUE和Gs，說(shuō)明施Si能夠提高葉綠素的合成代謝、改善光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)活性及穩(wěn)定光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[28-30]。

植物細(xì)胞的膜電位均會(huì)受到外界鉀濃度的影響并快速且可逆地發(fā)生變化，較低的鉀濃度使膜電位更趨于負(fù)值。這一普遍現(xiàn)象歸因于鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體系對(duì)細(xì)胞膜電位建立的顯著作用，與H+-ATP酶質(zhì)子泵介導(dǎo)的H+外排共同導(dǎo)致細(xì)胞膜的超極化[22]。植物長(zhǎng)期處于低鉀環(huán)境下，致使細(xì)胞氧化壓力顯著上升，產(chǎn)生大量活性氧，加快膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物積累，并誘導(dǎo)各類(lèi)抗氧化酶活性提高[31]。MDA是植物細(xì)胞膜脂過(guò)氧化的最終產(chǎn)物，含量越高代表氧化損傷程度越深。本試驗(yàn)中，低鉀脅迫介導(dǎo)的氧化應(yīng)激導(dǎo)致MDA顯著增加，超氧陰離子、氫氧根負(fù)離子、單線態(tài)氧和過(guò)氧化氫等ROS物質(zhì)大量積累。番茄具有完備的酶促抗氧化系統(tǒng)以清除過(guò)量產(chǎn)生的ROS，低鉀脅迫下抗氧化酶SOD、POD和CAT活性顯著提高[32]。ROS積累激活了酶促抗氧化系統(tǒng)的應(yīng)激反應(yīng)，并通過(guò)提高抗氧化酶活性緩解氧化傷害，仍不能完全緩解低鉀脅迫帶來(lái)的生長(zhǎng)抑制。低鉀脅迫下施Si能夠降低超氧陰離子和過(guò)氧化氫的積累量，起到穩(wěn)定番茄幼苗細(xì)胞膜的作用[33]。其中，低鉀脅迫下施加2.0 mmol/L Si能夠使MDA含量恢復(fù)至正常營(yíng)養(yǎng)液水平。由上可知，低鉀脅迫下施Si可降低膜脂過(guò)氧化水平，減輕ROS對(duì)膜系統(tǒng)的損傷，保證植物生理代謝正常進(jìn)行。

植物的耐低鉀能力受到許多內(nèi)外因素的影響，例如植物表型和抗氧化特性，并且這些特性之間是相互聯(lián)系、相互制約的。隸屬函數(shù)法作為多指標(biāo)組合的評(píng)價(jià)方法，在番茄[34]、梨[35]等多種植物上得到應(yīng)用。本試驗(yàn)采用隸屬函數(shù)法評(píng)定不同施Si濃度提高耐低鉀能力的效果，從強(qiáng)到弱依次為L(zhǎng)K+2.0Si＞LK+2.5Si＞LK+1.5Si＞LK+1.0Si＞LK+0.5Si＞LK。

綜上所述，低鉀脅迫下番茄幼苗生長(zhǎng)遭受抑制，光合作用受阻，氧化壓力上升，膜脂過(guò)氧化程度提高；施Si能夠緩解低鉀脅迫介導(dǎo)的生長(zhǎng)抑制，提高光合速率，降低活性氧積累，進(jìn)而降低膜脂過(guò)氧化程度，以施加2.0 mmol/L Si提升番茄幼苗耐低鉀能力效果最佳。