低磷條件下硅對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)及生理特性的影響

梁穎，石玉，趙鑫，白龍強(qiáng)，侯雷平，張毅

（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 晉中 030801）

磷是植物正常生長(zhǎng)發(fā)育必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一。然而，一方面，磷屬于不可再生資源，全球缺磷土壤面積日益擴(kuò)大[1]，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。另一方面，磷在土壤介質(zhì)中的溶解性和移動(dòng)性較差[2]，導(dǎo)致植物對(duì)磷的吸收利用率偏低，表現(xiàn)為根際磷的“遺傳性缺乏”[3]。在缺磷條件下，作物生長(zhǎng)發(fā)育不良，已成為限制其產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素之一[4]。盡管可通過增施磷肥來提高作物對(duì)磷的有效攝入量，但過量施用磷肥不僅會(huì)加劇磷礦的稀缺，還易引發(fā)地下水富營(yíng)養(yǎng)化、土壤次生鹽漬化等農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境問題[5]。因此，通過生物學(xué)途徑提高作物對(duì)磷的吸收利用率，以及探尋合適的磷元素替代品，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

硅是地殼中含量第二豐富的元素，無毒、無污染，在調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育和生理活動(dòng)、誘導(dǎo)植物系統(tǒng)抗性等方面作用顯著，被認(rèn)為是植物生長(zhǎng)發(fā)育的有益元素[6]。研究表明，施用外源硅能夠增強(qiáng)植物的抗病性[7]、耐旱性[8]，緩解重金屬[9]、鹽漬[10]等對(duì)植物的傷害。另外，硅在化學(xué)元素周期表中與磷元素的位置相近，化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)也極為相似。有研究發(fā)現(xiàn)，硅可以減少土壤中磷的固定，活化土壤中的磷，并且可以促進(jìn)小麥[11]、玉米[12]中磷的轉(zhuǎn)運(yùn)。盡管如此，目前，人們對(duì)于硅替代磷或者促進(jìn)作物對(duì)磷的吸收利用的調(diào)控效應(yīng)及相關(guān)機(jī)制仍不太清楚，并且已有的相關(guān)研究多集中在硅吸收量高的單子葉植物上，其結(jié)果是否適用于硅積累較少的雙子葉植物尚有待論證。

番茄（Solanum lycopersicumL.）是我國(guó)最主要的設(shè)施作物之一，也是蔬菜抗逆機(jī)制研究的重要模式植物[13]。目前，設(shè)施栽培過程中普遍存在土壤磷總量高，但作物對(duì)磷的吸收利用率低的問題，每年仍需大量增施磷肥才能滿足作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的養(yǎng)分需求[14]，且設(shè)施土壤及地下水磷污染隱患日益突出。本試驗(yàn)以硅積累較少的番茄為研究對(duì)象，采用水培法，探討了不同低磷條件下外源硅對(duì)番茄幼苗干質(zhì)量、葉片相對(duì)含水量、根系參數(shù)、葉綠素含量、膜脂過氧化程度、質(zhì)膜完整性、活性氧水平、抗氧化酶活性、硅和磷含量的影響，以期進(jìn)一步闡明外源硅調(diào)控番茄響應(yīng)低磷脅迫的生理機(jī)制，為基于施用硅肥提高設(shè)施土壤中磷素的吸收利用效率和進(jìn)行番茄抗逆高效栽培提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝站進(jìn)行，采用的番茄品種‘中雜9號(hào)’購(gòu)于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所。選取飽滿的種子進(jìn)行育苗，待番茄3葉1心時(shí)，選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的幼苗定植于1/2劑量的山崎番茄配方營(yíng)養(yǎng)液中。緩苗后，進(jìn)行不同濃度磷、硅處理，共7個(gè)處理：1）CK（對(duì)照），山崎配方營(yíng)養(yǎng)液（磷濃度為0.66 mmol/L）；2）P0－Si，缺磷營(yíng)養(yǎng)液且不添加硅；3）P0+Si，缺磷營(yíng)養(yǎng)液中添加硅；4）P1－Si，重度低磷營(yíng)養(yǎng)液（磷濃度為0.22 mmol/L）且不添加硅；5）P1+Si，重度低磷營(yíng)養(yǎng)液中添加硅；6）P2－Si，輕度低磷營(yíng)養(yǎng)液（磷濃度為0.44 mmol/L）且不添加硅；7）P2+Si，輕度低磷營(yíng)養(yǎng)液中添加硅。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6 d更換一次營(yíng)養(yǎng)液，每2 d調(diào)節(jié)pH值至6.0±0.2，利用增氧泵以間歇方式供氧。在磷、硅處理第23天，取番茄葉片和根系，用以測(cè)定各項(xiàng)生長(zhǎng)及生理指標(biāo)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 生物量的測(cè)定

將植株分成地上部和地下部（根系），分別洗凈、擦干后稱鮮質(zhì)量；105℃殺青后，75℃烘至恒量，即干質(zhì)量。每個(gè)處理重復(fù)4次，取平均值。

1.2.2 葉片相對(duì)含水量的測(cè)定

取完全展開的功能葉，稱量初始質(zhì)量m1；再放入蒸餾水中，在4℃黑暗條件下靜置6 h，取出后擦干水，稱量飽和質(zhì)量m2；最后烘干，稱量干質(zhì)量m3。每個(gè)處理重復(fù)4次，取平均值。葉片相對(duì)含水量=（m1－m3）/（m2－m3）×100%。

1.2.3 根系形態(tài)指標(biāo)的測(cè)定

將根系洗凈，用根系掃描儀（MRS-9600TFU2L，上海中晶科技有限公司）掃描，將獲得的根系圖像用WinRHIZO系統(tǒng)分析，讀取根系總長(zhǎng)、總表面積、總體積、平均直徑等參數(shù)。每個(gè)處理重復(fù)4次，取平均值。

1.2.4 葉綠素含量和類胡蘿卜素含量的測(cè)定

取完全展開的功能葉，洗凈、擦干后稱約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。參照石玉[8]的方法計(jì)算葉綠素a（chlorophyll a,Chl a）、葉綠素b（Chl b）、類胡蘿卜素（carotenoid,Car）和總?cè)~綠素含量。

1.2.5 抗氧化指標(biāo)的測(cè)定

分別稱0.3 g左右葉片和根系，加入3 mL磷酸鉀緩沖液（0.05 mmol/L,pH 7.8），冰浴研磨，4 000g冷凍離心，上清液即待測(cè)酶液。超氧化物歧化酶（superoxide dismutase,SOD）、過氧化物酶（peroxidase,POD）和過氧化氫酶（catalase,CAT）活性的測(cè)定參考石玉[8]的方法。SOD酶活以U/（g·h）表示，其中，1 U即抑制硝基四氮唑藍(lán)（NBT）反應(yīng)50%的酶量。CAT、POD酶活以U/（g·min）表示，其中，1 U即每分鐘內(nèi)吸光度值變化0.01的酶量。每個(gè)處理3次生物學(xué)重復(fù)，3次技術(shù)重復(fù)，共9次重復(fù)，取平均值。參考石玉[8]的方法：稱取0.5 g左右葉片和根系，以硫代巴比妥酸法測(cè)定丙二醛（malondialdehyde,MDA）含量；另選取處理后的番茄根尖，以伊文思藍(lán)（Evans blue）染色法檢測(cè)質(zhì)膜完整性。稱取0.3 g左右根系和葉片，以對(duì)氨基苯磺酸法測(cè)定含量，并另選取根尖和完全展開的葉片，以組織化學(xué)染色法觀察的積累水平。稱取0.3 g左右根系和葉片，以碘化鉀法測(cè)定H2O2含量。每個(gè)處理4次生物學(xué)重復(fù)。

1.2.6 硅、磷含量的測(cè)定

分別稱取0.2 g左右烘干的根、莖、葉，參考朱從樺等[15]的方法，以鉬藍(lán)比色法測(cè)定硅含量，以釩鉬黃比色法測(cè)定磷含量。每個(gè)處理3次生物學(xué)重復(fù)，取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010、SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及分析（α=0.05），結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄幼苗生物量的影響

由圖1可知：與對(duì)照（CK）相比，在缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）條件下番茄地上部和地下部干質(zhì)量均顯著降低。而外源硅處理使缺磷、低磷條件下植株干質(zhì)量均有所上升，其中：缺磷條件下加入外源硅后番茄地上部和地下部干質(zhì)量分別升高116.90%和8.70%；輕度低磷（P2）條件下加入外源硅后番茄地上部和地下部干質(zhì)量均顯著增加，增幅分別為94.29%和84.62%。

2.2 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄葉片相對(duì)含水量的影響

由圖2可看出：與對(duì)照（CK）相比，缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）條件下番茄葉片相對(duì)含水量均顯著降低；加入外源硅后，缺磷、低磷處理下番茄葉片相對(duì)含水量均有不同程度的升高。

2.3 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄根系形態(tài)指標(biāo)的影響

如表1所示：與對(duì)照（CK）相比，缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）條件下番茄總根長(zhǎng)、根系總表面積和總體積均顯著降低（P＜0.05），根系平均直徑無顯著性差異（P＞0.05）。外源硅處理使缺磷、低磷條件下總根長(zhǎng)、根系總表面積和總體積均有所上升，其中，輕度低磷（P2）條件下加入外源硅后番茄總根長(zhǎng)、根系總表面積和總體積分別顯著增加56.92%、60.00%、61.52%。

圖1 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄地上部和地下部干質(zhì)量的影響Fig.1 Effect of exogenous silicon on the aboveground and underground dry mass of tomato under different phosphorus supply levels

2.4 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄葉片葉綠素含量和類胡蘿卜素含量的影響

圖2 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄葉片相對(duì)含水量的影響Fig.2 Effect of exogenous silicon on the leaf relative water content of tomato under different phosphorus supply levels

由表2可知：與對(duì)照（CK）相比，缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）條件下番茄葉片葉綠素含量均有所下降，其中，葉綠素a和總?cè)~綠素含量的降幅達(dá)到顯著性水平（P＜0.05）；與缺磷、重度低磷（P1）相比，外源硅對(duì)葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的影響并不顯著，但與輕度低磷（P2）相比，加入外源硅后番茄葉片葉綠素b含量顯著增加20.0%。

2.5 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄MDA含量的影響

由圖3可知：與對(duì)照（CK）相比，缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）條件下 MDA含量均顯著升高。與缺磷、重度低磷（P1）和輕度低磷（P2）脅迫相比，加入外源硅后根系MDA含量均顯著降低，且降幅分別為49.24%、42.97%、36.90%；同時(shí)，在缺磷和輕度低磷（P2）條件下，外源硅顯著降低了葉片MDA含量，降幅分別為51.24%和31.69%。

表1 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄根系形態(tài)指標(biāo)的影響Table 1 Effect of exogenous silicon on the root morphological indexes of tomato under different phosphorus supply levels

表2 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄葉片葉綠素含量和類胡蘿卜素含量的影響Table 2 Effect of exogenous silicon on the leaf chlorophyll and carotenoid contents of tomato under different phosphorus supply levels mg/g

圖3 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄MDA含量的影響Fig.3 Effect of exogenous silicon on the MDA content of tomato under different phosphorus supply levels

2.6 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄根尖質(zhì)膜完整性的影響

由圖4可看出：與對(duì)照（CK）相比，缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）脅迫下番茄根尖質(zhì)膜完整性明顯下降，根尖膜脂過氧化程度明顯加劇。外源硅處理在不同程度上緩解了磷缺乏對(duì)根尖質(zhì)膜的傷害，有利于維持質(zhì)膜完整性，降低膜脂過氧化程度。

2.7 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄水平的影響

與對(duì)照（CK）相比，缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）條件下番茄根尖和葉片積累水平（圖5A～B）均顯著升高。與缺磷、重度低磷（P1）和輕度低磷（P2）處理相比，加入外源硅后根尖含量均顯著下降，且降幅分別為12.68%、11.82%、17.61%；同時(shí)，在輕度低磷（P2）條件下，外源硅處理顯著降低了葉片含量，降幅為22.09%（圖5C）。

2.8 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄H2O2含量的影響

如圖6所示：與對(duì)照（CK）相比，缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）條件下番茄葉片和根系H2O2含量均顯著升高。與缺磷、重度低磷（P1）處理相比，加入外源硅對(duì)番茄H2O2含量的影響不顯著；但在輕度低磷（P2）條件下，外源硅顯著降低了葉片和根系H2O2含量，降幅分別為12.62%和20.41%。

圖4 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄根尖質(zhì)膜完整性的影響Fig.4 Effect of exogenous silicon on the plasma membrane integrity of tomato root tip under different phosphorus supply levels

圖5 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄根尖和葉片積累和含量的影響Fig.5 Effect of exogenous silicon onaccumulation and content in tomato root tips and leaves under different phosphorus supply levels

圖6 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄H2O2含量的影響Fig.6 Effect of exogenous silicon on the H2O2content of tomato under different phosphorus supply levels

2.9 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄主要抗氧化酶活性的影響

由表3可看出：與對(duì)照（CK）相比，缺磷不加硅（P0）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）條件下番茄葉片和根系的主要抗氧化酶活性均顯著降低。與單獨(dú)缺磷和低磷條件相比，加入外源硅后番茄葉片和根系主要抗氧化酶活性呈不同程度的升高，其中輕度低磷（P2）條件下外源硅處理顯著提高了葉片和根系的SOD、CAT、POD活性，且增幅分別為27.97%和28.57%、37.14%和57.05%、6.47%和38.65%。

2.10 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄各部位硅含量的影響

由圖7可看出：與對(duì)照（CK）相比，缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）條件下，番茄根、莖、葉中硅含量變化不顯著。與單獨(dú)缺磷、重度低磷（P1）和輕度低磷（P2）條件相比，加入外源硅后葉中硅含量均顯著升高，增幅分別為28.57%、18.00%和27.95%；同時(shí)，輕度低磷（P2）條件下，外源硅處理顯著提高了根中硅含量，增幅為42.17%。

表3 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄幼苗主要抗氧化酶活性的影響Table 3 Effect of exogenous silicon on the main antioxidant enzyme activities in tomato seedlings under different phosphorus supply levels

圖7 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄各部位硅含量的影響Fig.7 Effect of exogenous silicon on silicon content in various parts of tomato under different phosphorus supply levels

2.11 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄各部位磷含量的影響

由圖8可知：與對(duì)照（CK）相比，缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）條件下番茄根、莖、葉中磷含量呈不同程度的下降趨勢(shì)，且單獨(dú)缺磷和重度低磷（P1）條件下根、莖、葉中差異均達(dá)到顯著性水平（P＜0.05），而輕度低磷（P2）條件下根和葉中差異顯著（P＜0.05），莖中則無顯著性差異（P＞0.05）。與重度、輕度低磷脅迫相比，加入外源硅后，根、莖、葉中磷含量均顯著提高，增幅分別為5.65%、8.98%、1.56%和12.89%、12.51%、1.48%。

3 討論

磷是構(gòu)成遺傳物質(zhì)、能量物質(zhì)、生物膜結(jié)構(gòu)和重要蛋白質(zhì)的必需元素，在植物生長(zhǎng)發(fā)育和新陳代謝過程中發(fā)揮著重要作用。我國(guó)耕地土壤有效磷匱乏，施用磷肥可提高土壤有效磷含量，但磷肥在土壤中易被固定，利用率低[16]，間接增加了種植成本。設(shè)施栽培具有產(chǎn)量高、效益好等優(yōu)點(diǎn)，但由于不合理施肥，養(yǎng)分利用率嚴(yán)重偏低，尤其是磷素利用率僅為8%[17]，普遍存在土壤磷總量高卻仍需大量增施磷肥才能滿足作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)需求的問題，因此，對(duì)設(shè)施作物磷吸收利用、低磷生理響應(yīng)和調(diào)控的研究具有重要意義。硅是地殼中廣泛存在且對(duì)植物生長(zhǎng)有益的環(huán)境友好型元素，參與了植物體眾多生理生化代謝過程和抗逆性的調(diào)節(jié)控制[18]。硅在化學(xué)元素周期表中與磷元素的位置相近，化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)也極為相似，而目前關(guān)于外源硅對(duì)缺磷、低磷脅迫下番茄幼苗的影響效應(yīng)和作用機(jī)制還不清楚。

圖8 不同供磷水平下外源硅對(duì)番茄各部位磷含量的影響Fig.8 Effect of exogenous silicon on phosphorus content in various parts of tomato under different phosphorus supply levels

低磷脅迫下植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一系列的生理生化反應(yīng)以應(yīng)對(duì)有限的磷供應(yīng)，包括根系H＋和有機(jī)酸分泌增加、高親和性無機(jī)磷轉(zhuǎn)運(yùn)體基因表達(dá)增強(qiáng)等[19]；此外，低磷環(huán)境可以改變根系形態(tài)和構(gòu)型，如通過減少主根生長(zhǎng)，促進(jìn)側(cè)根生長(zhǎng)，以利于適應(yīng)環(huán)境脅迫[20]。在本試驗(yàn)中，缺磷、低磷處理下番茄幼苗根總長(zhǎng)、總表面積、總體積都減小，而加入外源硅后根總長(zhǎng)、總表面積和總體積增大，這與孔令劍等[21]在大豆上的研究結(jié)果一致。這可能是外源硅提高了低磷脅迫下根、莖、葉中磷含量的重要原因，但外源硅促進(jìn)低磷脅迫下根系生長(zhǎng)的具體機(jī)制仍有待研究。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低磷條件下番茄幼苗生長(zhǎng)受到抑制，葉片相對(duì)含水量、葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素、總?cè)~綠素含量均下降，且地上部和地下部干質(zhì)量顯著降低，與楊永[22]在玉米中的研究結(jié)果相一致。通過施加外源硅，番茄葉片相對(duì)含水量以及葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素、葉綠素總含量均有不同程度的上升，且植株地上部和地下部干質(zhì)量增加，與朱從樺等[15]在玉米上的研究結(jié)論相似。這可能與外源硅提高了缺磷、低磷脅迫下根、莖、葉中磷含量有關(guān)，也可能與適宜濃度的硅可以保護(hù)非生物脅迫下葉片類囊體膜，促進(jìn)葉片維管束鞘細(xì)胞葉綠體內(nèi)類囊體的形成，進(jìn)而維持更高的葉綠素水平有關(guān)[23]。逆境條件下，植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的超氧自由基，導(dǎo)致活性氧大量積累，從而破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能。為了有效地清除代謝過程中產(chǎn)生的活性氧，SOD、CAT、POD以及其他抗氧化酶類相互協(xié)調(diào)，使植物體內(nèi)的活性氧維持在較低水平，從而緩解脅迫造成的氧化傷害。本研究中，缺磷、低磷條件下，番茄幼苗的MDA、、H2O2含量均顯著升高，與郭天榮等[24]的研究結(jié)果一致。加入外源硅后，抗氧化酶活性升高，而、H2O2、MDA含量降低，與SONG等[25]的研究結(jié)果一致。LIANG等[26]研究表明，外源硅顯著增強(qiáng)了鹽脅迫下植物根部的抗氧化酶活性，并且酶活性隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng)。這與硅誘導(dǎo)了植株體內(nèi)的抗氧化防御反應(yīng)、降低了活性氧類物質(zhì)的積累水平有關(guān)[27]。

礦質(zhì)元素間的相互作用對(duì)作物的正常生長(zhǎng)發(fā)育極為重要，不同元素間存在結(jié)構(gòu)和功能上的相關(guān)性。如在油菜中磷與許多微量元素之間存在著拮抗作用，過量施磷，油菜產(chǎn)量和品質(zhì)下降，鈣的吸收和利用嚴(yán)重受阻[28]；在高磷條件下生菜對(duì)磷的吸收比例高于鎂，在低磷條件下對(duì)鎂的需求比例高于磷[29]。有研究表明：環(huán)境供磷水平與作物磷素吸收量呈正相關(guān)[30]。本研究中，番茄地上部和根系中的吸磷量隨著磷濃度的增加而增加，并且外源硅的加入促進(jìn)了番茄對(duì)磷的吸收，與張嘉莉等[12]的研究結(jié)果一致。在外源硅處理?xiàng)l件下，植物體中礦質(zhì)養(yǎng)分含量升高的原因，可能與加入外源硅后番茄根系生長(zhǎng)更加旺盛，提高了磷的吸收效率有關(guān)；但關(guān)于硅如何促進(jìn)植物體對(duì)磷元素的吸收還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論