硅對(duì)干旱脅迫下花生幼苗生長(zhǎng)和生理特性的影響

曾瑞兒，王鑫悅，侯雪鎣，蔚 婧，侯曉蕾，陳婷婷，張 雷

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣東 廣州 510642)

花生作為我國(guó)重要的油料作物，種植面積占油料作物播種面積的33%左右，產(chǎn)量占油料作物總產(chǎn)量的50%，居第一位[1]。土壤水分作為影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的主要因素之一，影響著作物的生理生化過(guò)程，不同程度的水分供應(yīng)可很大程度上影響作物地理分布、產(chǎn)量和品質(zhì)[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)花生播種面積的2/3常年受到不同程度的干旱，平均減產(chǎn)20%以上[3-4]，除引起減產(chǎn)外，干旱還能使花生品質(zhì)下降，黃曲霉污染加重等[5]。因此，干旱是我國(guó)花生生產(chǎn)上分布最廣、危害最大的限制因素[6]。

硅作為僅次于氧含量的第二豐富元素，約占地殼中元素的27.6%。其存在的主要形式是二氧化硅和硅酸鹽，土壤中硅(SiO2)占50%～70%。施用硅肥后能提高花生葉片的葉綠素含量和光合作用，增加莖葉及莢果干物質(zhì)積累量，從而使花生植株生長(zhǎng)健壯，葉色深綠，分枝多，果仁充實(shí)飽滿、空殼少、百果質(zhì)量和百仁質(zhì)量提高，出仁率高，增產(chǎn)顯著，增產(chǎn)幅度達(dá)20%[7]。施硅能促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，改善冠層受光姿態(tài)，提高光合速率，協(xié)調(diào)地上部和根系比例，改善根系功能和活力，提高作物水肥吸收能力[8]，并提高產(chǎn)量[9]。研究發(fā)現(xiàn)，硅不僅能夠促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，還能提高作物的抗病性、抗蟲(chóng)性、抗旱性以及減輕重金屬毒害等[10]。目前，有關(guān)硅在提高作物抗旱性方面，前人做了大量的研究，且主要集中在水稻[11]、小麥[12]、玉米[13]等作物，而有關(guān)硅提高花生抗旱性的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

因此，本研究在人工氣候室人工控水的條件下，研究施硅處理對(duì)花生幼苗生長(zhǎng)及生理特性的影響，以期為花生抗旱栽培和合理使用硅肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)計(jì)

本研究在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院樓517光照培養(yǎng)室進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，塑料盆直徑25cm，高25cm，每盆裝土10kg。供試土壤為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)的水稻土，土壤理化性狀：堿解氮179.2mg/kg，速效磷45.4 mg/kg，速效鉀134.4 mg/kg，全磷0.98 g/kg，全鉀26.2 g/kg，有機(jī)質(zhì)31.3 g/kg，有效硅52.6 mg/kg，土壤pH值5.9。3月10日播種，花生每盆種植3株，種植前每盆施入尿素0.15 g 和復(fù)合肥0.2 g(N、P、K 含量均為15%)，生長(zhǎng)管理在處理前按常規(guī)管理。供試花生品種花育22號(hào)，由山東省花生研究所提供。

試驗(yàn)設(shè)對(duì)照(CK)、對(duì)照+硅處理(CK+Si)、干旱處理(D)和干旱+硅(D+Si)4 個(gè)處理，硅處理是在干旱處理當(dāng)天均勻噴施1.0 mmol/L的硅酸鉀，未噴施硅處理通過(guò)噴施等量的氯化鉀以平衡鉀的影響，待第3片真葉長(zhǎng)出后進(jìn)行干旱處理(處理7d)，干旱處理設(shè)2個(gè)水平：對(duì)照(土壤相對(duì)含水量75%±5%，CK)，干旱處理(土壤相對(duì)含水量50%±5%，D)，土壤相對(duì)含水量采用稱質(zhì)量法計(jì)算。4個(gè)處理，每處理10個(gè)重復(fù)，共40盆，到干旱脅迫結(jié)束后7 d取樣測(cè)定地上部生物量、葉片水勢(shì)、葉綠素含量、光合作用參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)及抗氧化酶等有關(guān)指標(biāo)。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 生物量的測(cè)定

每個(gè)處理取3株花生幼苗，利用蒸餾水沖洗，用吸水紙把其表面水分吸干，分別稱取地上、地下鮮質(zhì)量。然后于110 ℃溫度條件下殺青10 min，在烘箱內(nèi)80 ℃烘干至恒質(zhì)量，分別稱取其地上、地下干質(zhì)量。

1.2.2 光合參數(shù)的測(cè)定

選取健康的花生葉片倒3葉，用LI-COR 公司生產(chǎn)的LI-6400 光合儀標(biāo)準(zhǔn)葉室測(cè)定凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)。

1.2.3 葉綠素含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定

SPAD-502型便攜式葉綠素儀測(cè)定葉綠素含量；PAM2500便攜式葉綠素?zé)晒鈨x(德國(guó)WALA公司)于上午10: 00-12: 00測(cè)量穩(wěn)態(tài)熒光(Fs)和最大熒光值(Fm')，并于遮光暗處理20 min 后測(cè)定暗適應(yīng)的初始熒光(F0)和最大熒光(Fm)。

1.2.4 抗氧化酶的測(cè)定

待Pn測(cè)定完后，立即將標(biāo)記葉片取回，液氮速凍后存于-40 ℃冰箱中用于內(nèi)源保護(hù)酶活性的分析。用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定可溶性蛋白含量，用氮藍(lán)四唑(NBT)法測(cè)定SOD活性，用高錳酸鉀滴定法測(cè)定CAT 活性，用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定POD活性，用硫代巴比妥酸比色法測(cè)定MDA含量[14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，并用Origin 8軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅對(duì)干旱脅迫下花生幼苗生物量的影響

表1可看出，與正常對(duì)照(CK)比較，干旱脅迫條件下花生的地上和地下鮮質(zhì)量、干質(zhì)量均顯著下降(p<0.05)，分別降低61.90%、15.91%、64.44%和15.00%。與單獨(dú)干旱處理(D)相比，干旱脅迫下施硅處理后花生地上和地下鮮質(zhì)量、干質(zhì)量的降低幅度小于不施硅處理，說(shuō)明花生苗期干旱降低花生營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，施硅可以緩解干旱脅迫對(duì)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的影響。

表1 硅對(duì)干旱脅迫條件下花生幼苗生物量的影響

注：同列不同小寫(xiě)字母表示處理間在p<0.05水平顯著差異。下同。

Note: Different lowercase in the same column mean significant difference at 5% level. The same as below．

表2 硅對(duì)干旱脅迫條件下花生光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

圖1 硅對(duì)干旱脅迫條件下花生葉片SPAD值的影響 Fig.1 Effect of silicon on the SPAD value of peanut leaves under drought stress

2.2 硅對(duì)干旱脅迫下花生葉綠素含量的影響

圖1 所示，與正常對(duì)照比較，干旱脅迫條件下，花生功能葉的葉綠素含量明顯高于對(duì)照，增加了23.98%。與單獨(dú)干旱脅迫處理相比，干旱條件下施硅處理降低了葉綠素含量。說(shuō)明干旱脅迫增加了花生功能葉的葉綠素含量，但施硅處理降低了葉綠素含量，緩解了干旱脅迫對(duì)花生的傷害。

2.3 硅對(duì)干旱脅迫下花生光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

正常情況下，施硅花生植株光合參數(shù)與不施硅植株相比無(wú)明顯差異(表2)。干旱脅迫條件下，花生葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)均顯著下降(p<0.05)，與正常對(duì)照相比，分別下降了45.67%、48.74%、31.42%和36.56%。與單獨(dú)干旱脅迫處理相比，干旱脅迫下施加硅處理后，花生葉片Pn、Gs和Ci分別升55.83%、22.14%和37.91%。而花生葉片Tr進(jìn)一步下降，下降32.92%。

干旱脅迫處理下，花生葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSII)、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)均下降，而非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)上升。與單獨(dú)干旱脅迫相比，干旱脅迫下施硅后，ΦPSII、Fv/Fm和qP分別升高46.42%、20.00%和40.47%，而NPQ下降37.65%。

2.4 硅對(duì)干旱脅迫下花生葉片活性氧清除系統(tǒng)和MDA含量的影響

圖2可知，與正常對(duì)照比較，干旱處理下花生葉片的SOD，CAT 和POD活性均降低，分別降低了40.84%、56.48%和49.63%。與單獨(dú)干旱脅迫相比，干旱脅迫下施加硅處理后，花生葉片的SOD、CAT和POD活性分別增加了53.66%、97.57%和64.17%，且均顯著高于單獨(dú)干旱處理，表明硅提高了干旱脅迫下花生葉片的SOD，POD和CAT活性，抑制了自由基的積累，減輕了干旱脅迫對(duì)花生的危害，從而提高了花生的抗旱能力。

由圖2可知，與正常對(duì)照相比，干旱脅迫下花生葉片MDA含量升高；與單獨(dú)干旱脅迫相比，干旱脅迫下施加硅處理后，花生葉片MDA含量降低，但高于對(duì)照，表明施硅可以降低干旱脅迫下花生葉片MDA含量。

圖2 硅對(duì)干旱脅迫條件下花生葉片SOD、POD、CAT活性和MDA含量的影響 Fig.2 Effect of silicon on the activities of SOD, POD, CAT and MDA content of peanut leaves under drought stress

3 小結(jié)與討論

干旱是影響作物生長(zhǎng)及生理特性的主要逆境因子，嚴(yán)重干旱將造成作物生長(zhǎng)減緩，代謝失調(diào)，產(chǎn)量顯著下降[11]。硅通常被認(rèn)為不是植物生長(zhǎng)的必需元素，但施硅后能夠緩解生物和非生物脅迫對(duì)作物的影響[15]。已有研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫條件下，施硅可以提高高粱的生物量積累，提高根冠比，促進(jìn)植物對(duì)水分吸收的利用率[16]，且被認(rèn)為具有緩解作物干旱脅迫的作用[17]。本研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫顯著降低花生的地下部干、鮮質(zhì)量和地上部干、鮮質(zhì)量，但噴施硅后均提高了花生的地下部干、鮮質(zhì)量和地上部干、鮮質(zhì)量，這與鄭世英等[18]在大豆上的研究結(jié)果一致。其原因可能是一方面外源硅改變了花生葉片的結(jié)構(gòu)，降低了葉片蒸騰速率，提高了作物的光合速率[13]；另一方面可能是外源硅促進(jìn)了花生根系的生長(zhǎng)，提高了根系活力，促進(jìn)了作物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收[19]。

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要場(chǎng)所，葉綠素含量的高低與光合作用密切相關(guān)，可以作為衡量環(huán)境脅迫對(duì)植物影響的重要指標(biāo)[20]。但干旱脅迫對(duì)花生葉綠素含量影響的研究結(jié)果也不一致，孫愛(ài)清等研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫會(huì)引起葉綠體色素的降解，造成葉綠素含量下降[21]，而李俊慶研究發(fā)現(xiàn)，夏花生生育期間受旱可使葉片中葉綠素含量迅速升高[22]。而在本研究中，干旱脅迫下，花生葉片的葉綠素含量升高，其變化規(guī)律與李俊慶在夏花生上的研究相一致[22]，究其原因可能是花生在干旱脅迫下葉片變厚、比葉質(zhì)量提高造成的，而干旱條件下施硅后花生葉片的葉綠素含量下降，說(shuō)明施硅后，提高了花生的抗旱能力，葉片厚度降低、比葉質(zhì)量降低，從而提高了花生的光合速率，促進(jìn)了花生的生長(zhǎng)。

光合作用是植株生長(zhǎng)的生理基礎(chǔ)，干旱脅迫下葉片主要通過(guò)氣孔因素影響光合作用[23]，而在本研究中，干旱脅迫下，花生氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度降低，氣孔限制值上升，光合速率下降，進(jìn)一步驗(yàn)證了以上的結(jié)論。大量的研究均表明，硅能夠改善植物的光合特性，增加葉片的直立性從而改善其截光特性，并可在植物中形成硅—角雙層結(jié)構(gòu)減少水分蒸發(fā)，以提高作物抗旱性[24]。但丁燕芳等研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下，加硅處理可顯著提高小麥的Tr[25]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，干旱顯著降低了花生的生長(zhǎng)和抑制花生的光合作用，而干旱脅迫下施硅處理后有效提高干旱脅迫下花生的Pn、Gs和Ci，而Tr下降，這些結(jié)果與前人在玉米[13]等作物上的研究結(jié)果相似，進(jìn)一步驗(yàn)證了干旱脅迫條件下硅的調(diào)控作用是與蒸騰速率的降低有關(guān)的[26]。而作物葉片水分散失的主要途徑包括氣孔蒸騰和角質(zhì)層蒸騰，而硅可促進(jìn)角—質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)的形成，抑制水分的角質(zhì)層蒸騰[27]。Gao等研究結(jié)果證實(shí)，硅也可降低玉米葉片的氣孔蒸騰，而不僅僅是葉片角質(zhì)層蒸騰[28]。本研究中，適宜硅濃度處理的花生葉片氣孔導(dǎo)度顯著升高，可見(jiàn)硅不是通過(guò)促進(jìn)氣孔關(guān)閉來(lái)降低蒸騰作用，究其原因有待于今后進(jìn)一步研究。

干旱脅迫過(guò)程中，花生葉片F(xiàn)v/Fm、ΦPSII、qP均顯著下降，而 NPQ則逐漸升高，表明花生在干旱脅迫時(shí)光能轉(zhuǎn)化率受到嚴(yán)重抑制，直接影響了光合作用的電子傳遞和CO2同化過(guò)程，造成光合電子傳遞速率下降，光合強(qiáng)度降低。相比單獨(dú)干旱處理，干旱脅迫下施加硅處理后花生葉片的Fv/Fm、ΦPSII、qP顯著上升，但仍低于對(duì)照處理，高于未施硅處理，這與明東風(fēng)[29]、曹逼力[30]等在水稻和番茄上的研究結(jié)果相似。說(shuō)明干旱脅迫下施加硅后有利于作物葉片光合色素把所捕獲的光能以更高的速度和效率轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，從而為碳通話提供更充足的能量，提高光合作用效率[11]。

干旱脅迫導(dǎo)致作物活性氧含量升高，影響作物的正常生長(zhǎng)和發(fā)育[12]。自由基能夠引起膜脂過(guò)氧化、損害膜系統(tǒng)等，MDA是細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用的產(chǎn)物，其含量直接反應(yīng)作物的受脅迫程度[31]。而作物體內(nèi)的保護(hù)酶系統(tǒng)(SOD、POD、CAT)在逆境下會(huì)發(fā)生變化，以清除作物體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧等自由基[32]，減輕逆境脅迫對(duì)作物的傷害。研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下，花生葉片的SOD、POD、CAT活性下降，MDA含量升高，其變化趨勢(shì)與前人在玉米[33]及棉花[34]等作物上的研究一致，但與顧學(xué)花等[20]、張智猛等[35]在花生上的研究不一致，其原因可能是不同品種和不同生育時(shí)期在干旱脅迫下的反應(yīng)不一致造成的[36]。本研究結(jié)果說(shuō)明，干旱脅迫下作物的活性氧清除酶的活性下降，導(dǎo)致花生葉片的膜脂過(guò)氧化程度增加，細(xì)胞膜傷害加重，影響花生的正常生長(zhǎng)。施硅后，花生葉片的保護(hù)酶活性均上升，MDA含量下降，表明施硅后誘導(dǎo)花生體內(nèi)保護(hù)酶活性的提高，清除體內(nèi)的活性氧，降低了花生細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度，在一定程度上緩解了干旱脅迫對(duì)花生的傷害。這與鄭世英在大豆上的研究結(jié)果一致[18]。

綜上，苗期干旱脅迫顯著抑制花生營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，降低花生葉片光合速率、實(shí)際光化學(xué)效率、最大光化學(xué)效率及光化學(xué)淬滅系數(shù)。而干旱脅迫下施硅處理可以促進(jìn)花生營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，提高光能轉(zhuǎn)化率和光合速率，提高葉片抗氧化酶活性，降低膜脂過(guò)氧化程度，增強(qiáng)花生的抗旱能力，緩解干旱脅迫對(duì)花生的傷害，為花生的抗旱栽培提供理論依據(jù)。