菌根化育苗對鹽脅迫下加工番茄生長和生理特征的影響

顧惠敏, 陳波浪*, 孫錦

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北綠洲農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室, 烏魯木齊 830052; 2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院, 南京 210095)

目前，世界番茄栽培面積約53.7×104hm2[1]，我國生產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的18%，是加工番茄的種植大國之一[2]。番茄喜溫、好光、不耐濕熱，光飽和點和光合能力都較高，在整個生育期需要強(qiáng)光照[3]。干旱半干旱地區(qū)具有滿足加工番茄生長的光熱資源，但該地區(qū)的水資源有限且蒸發(fā)強(qiáng)，土壤鹽漬化現(xiàn)象普遍，成為制約作物生長的主要限制因子[4]。鹽分脅迫明顯抑制植株在苗期和成熟期時對氮、磷、鉀元素的吸收積累，影響?zhàn)B分的運(yùn)移[5-6]，進(jìn)而顯著影響作物生育進(jìn)程。鹽分脅迫還會導(dǎo)致作物幼苗的地上部離子平衡發(fā)生改變，地上部 K+/Na+顯著降低，作物體內(nèi)K+含量隨鹽分濃度的增加呈下降趨勢[7-8]。菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)是一類能與絕大部分植物根系形成互惠共生體的微生物，能擴(kuò)大根系吸收面積和距離，幫助植物吸收礦質(zhì)營養(yǎng)、促進(jìn)植物生長[9]。并通過改善養(yǎng)分吸收、增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，增強(qiáng)植物根系及菌絲本身對其他元素的固持作用，從而提高植物對鹽堿等非生物逆境的抗性[10]。在鹽脅迫條件下，植物與菌根真菌共生能夠增加對氮、磷、鉀等養(yǎng)分的吸收，減少宿主植物對鹽分的攝入，改善宿主植物體內(nèi)的離子平衡[11]。通過改變植物的組織結(jié)構(gòu)，或延伸大量根外菌絲來提高根系吸收面積和吸收空間，促使植物吸收更多的礦質(zhì)元素和水分，進(jìn)而增加植物的抗鹽堿能力[12-13]。此外，AMF還可以通過改善植物的營養(yǎng)狀況，進(jìn)而提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[14]。

近年來，關(guān)于加工番茄耐鹽性的研究主要集中在改變嫁接方式、添加外源H2S、H2O2和外源硒提高耐鹽性等方面[15-17]，而探索育苗基質(zhì)提高加工番茄的耐鹽機(jī)理報道較少，尤其針對不同鹽分處理下菌根化育苗如何影響加工番茄整個生育期生長的研究，尤為少見。為此，本研究以加工番茄為研究對象，研究整個生育期菌根化育苗對鹽脅迫下加工番茄植株生長、菌根侵染率、營養(yǎng)元素吸收、耐鹽性及產(chǎn)量與品質(zhì)的影響，旨在為促進(jìn)加工番茄在干旱半干旱區(qū)耐鹽可持續(xù)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為‘屯河5501號’番茄，種子由中糧屯河種業(yè)有限公司提供。將番茄種子用自來水浸泡6 h后，放入搖床中，200～250 r·min-1搖動32 h，待種子冒出白尖，選取大小一致的種子放入育種盤培育，待幼苗長到兩葉一心時移栽至條盆中。

供試AMF真菌采用混合菌，由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院提供，包括孔窩無梗囊霉(Acaulosporafoveata)、毛氏無梗囊霉(Acaulosporamorrowiae)、刺狀無梗囊霉(Acaulosporaspinosa)、微白巨孢囊霉(Gigasporaalbida)、巨大巨孢囊霉(Gigasporagigantean)、珠狀巨孢囊霉(Gigasporamargarita)、近明球囊霉(Glomusclaroideum)、明球囊霉(Glomusclarum)、透光球囊霉(Glomusdiaphanum)、幼套球囊霉(Glomusetunicatum)、摩西球囊霉(Glomusmosseae)、根內(nèi)球囊霉(Glomusintraradices)、地表球囊霉(Glomusversiforme)、紅色盾孢囊霉(Scutellosporaerythropa)。

采用甘草渣、玉米秸稈、草炭、蛭石按質(zhì)量比以4∶5∶1∶5比例混合作為育苗基質(zhì)，設(shè)置菌根化育苗基質(zhì)(菌劑：基質(zhì)為150 g∶1.18 kg)和非菌根化育苗基質(zhì)(無菌劑的基質(zhì))，均放在6 cm×6 cm×5.2 cm的育種孔穴中進(jìn)行育苗。供試土壤為新疆自治區(qū)昌吉市三坪農(nóng)場種植番茄的土壤，土壤基本性狀：有機(jī)質(zhì) 11.24 g·kg-1、速效氮 30.9 g·kg-1、Olsen-P 5.0 mg·kg-1、速效鉀 121 mg·kg-1、pH 7.79、總鹽1.7 g·kg-1、電導(dǎo)率300 μs·cm-1。

1.2 試驗設(shè)計

盆栽試驗在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗地進(jìn)行，每盆裝土22 kg。試驗設(shè)輕度鹽漬化(含鹽量0.3%，CK)、中度鹽漬化(含鹽量0.6%)和重度鹽漬化(含鹽量1%)共3種土壤處理，含鹽量指NaCl質(zhì)量占烘干土質(zhì)量的百分比，基于供試土壤鹽分的含量，按照不同鹽漬化土壤處理，分別在每盆中添加28.6、94.6和182.6 g NaCl，在定植前經(jīng)一次性土壤鹽化處理從而制備成3種鹽漬化土壤。在每個條盆底部放置托盤，以便將每次澆灌時流出的溶液倒回盆中，從而保持鹽分濃度不致降低。每種土壤中分別移栽非菌根化苗和菌根化苗，共設(shè)置6個處理，分別為非菌根化苗+輕度鹽漬化(T1)、菌根化苗+輕度鹽漬化(T2)、非菌根化苗+中度鹽漬化(T3)、菌根化苗+中度鹽漬化(T4)、非菌根化苗+重度鹽漬化(T5)、菌根化苗+重度鹽漬化(T6)，重復(fù)7次。培養(yǎng)容器為塑料條盆(62 cm×21 cm×21 cm)。所有處理控制氮肥水平為270 mg·kg-1，磷肥水平為135 mg·kg-1，鉀肥水平為65 mg·kg-1。氮肥用尿素，磷肥用重過磷酸鈣，鉀肥用硫酸鉀。磷肥和鉀肥作為基肥一次性施入，氮肥施用量以40%作基肥，60%作為追肥，分別在番茄開花期和果實膨大期各追施30%。

1.3 測定指標(biāo)及方法

分別在加工番茄的苗期(定植后45 d)、花期(定植后65 d，50%植株第一朵花開放)、坐果期(定植后85 d，50%的果實直徑達(dá)1 cm)、果實膨大期(定植后105 d，50%果實直徑達(dá)4 cm)和收獲期(定植后125 d)測量植株株高、莖粗，并采集樣品，每個處理取6株植株分為地上部和地下部，105 ℃殺青15 min，80 ℃烘干，稱取干物質(zhì)量。將植株烘干后磨成粉末用H2SO4-H2O2消煮，奈氏比色法[18]測氮，鉬銻抗比色法[18]測磷，火焰光度計法[18]測鉀和鈉。取每株植株根系30個根段采用曲麗苯藍(lán)染色鏡檢后，通過頻率標(biāo)準(zhǔn)法計算菌根侵染率[19]。待番茄的第2穗果實成熟后一次性采收并記錄各處理的單株產(chǎn)量，在每個處理中隨機(jī)選取6個顏色、大小和成熟度一致的果實，分別用蒽酮比色法和考馬斯亮藍(lán)法[20]測定可溶性糖及可溶性蛋白質(zhì)含量。菌根依存度計算公式[21]如下。

菌根依存度 =(菌根化育苗處理干物質(zhì)量-非菌根化育苗處理干物質(zhì)量)/菌根化育苗處理干物質(zhì)量×100%

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

利用Microsoft Excel 2018和SPSS 20.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用單變量進(jìn)行方差分析，差異顯著性檢驗采用LSD法(P=0.05)，利用Origin 8.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌根化育苗對鹽脅迫下加工番茄植株生長的影響

不同處理的加工番茄植株生長情況見圖1，可知，各生育期，隨著鹽脅迫的加重，加工番茄的株高和莖粗均下降。在3種鹽漬化土壤中，植株株高和莖粗在整個生育期內(nèi)整體均表現(xiàn)為菌根化育苗高于非菌根化育苗處理。苗期時，T1和T2，T3和T4之間存在顯著性差異;花期至坐果期，僅輕度鹽漬化土壤與中度和重度鹽漬化土壤之間存在差異性;收獲期時，T1和T2之間存在顯著性差異。莖粗在坐果期時表現(xiàn)出T1與T2間存在顯著性差異，菌根化處理較非菌根處理增加了14.6%;果實膨大期和收獲期時在鹽漬化土壤間存在顯著差異，菌根與非菌根處理間無顯著差異。植株地上部和地下部的干物質(zhì)含量變化趨勢與株高、莖粗基本一致。各生育期，隨著鹽脅迫的加重，加工番茄的地上部和地下部干物質(zhì)含量均下降。在苗期和花期時，輕度鹽漬化土壤中，菌根化育苗處理的地上部干物質(zhì)含量均較非菌根育苗處理顯著升高，最大增幅為61.1%；花期和收獲期時，重度鹽漬化土壤中，菌根化育苗處理的地上部干物質(zhì)含量均較非菌根育苗處理顯著升高。在花期時，輕度和重度鹽漬化土壤中，菌根化育苗處理的地下部干物質(zhì)量均較非菌根育苗處理顯著增加，分別增加7.19%和9.12%，表明菌根化育苗能夠緩解鹽分脅迫對植株生長的抑制作用。

注：同一時期不同字母表示不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。

由表1可知，鹽脅迫下，菌根侵染率和菌根依存度均隨著生育期的遞增而出現(xiàn)先增長后下降的趨勢。隨著鹽脅迫程度的增加，菌根侵染率表現(xiàn)為下降趨勢；在坐果期，T2、T4和T6處理的菌根侵染率達(dá)到最大值，分別為63.48%、51.38%和43.44%，3個處理間差異顯著；在苗期、花期、果實膨大期和收獲期，T4處理的菌根侵染率較T2處理分別顯著減少34.0%、10.8%、10.6%和19.9%，T6處理較T2處理分別顯著減少89.9%、31.6%、36.4%和30.0%。隨著鹽脅迫程度的增加，菌根依存度表現(xiàn)為上升趨勢；在花期、坐果期、果實膨大期和收獲期，T4處理的菌根依存度較T2處理分別顯著增加49.7%、145.6%、66.7%和34.7%；在苗期、花期、坐果期、果實膨大期和收獲期，T6處理較T2處理分別顯著增加8.7%、174.5%、262.2%、173.4%和146.3%，表明菌根化育苗處理能夠增加整個生育期菌根對番茄根系的侵染率。

表1 菌根化育苗對鹽脅迫下加工番茄菌根侵染率和依存度

2.2 菌根化育苗對鹽脅迫下加工番茄植株元素含量的影響

不同處理的加工番茄植株元素含量見圖2，可見，隨著鹽脅迫程度增加，加工番茄植株中的N、P、K含量明顯降低，而菌根化育苗處理較非菌根化育苗處理有所提高。在果實膨大期，T2處理較T1處理的植株地上部N含量顯著提高7.1%；在苗期和果實膨大期，T4處理的植株地上部N含量較 T3處理顯著增加7.5%和8.8%；在花期，T6 處理的植株地上部N含量較T5處理顯著增加11.9%。地下部N含量則隨著生育期表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢。在果實膨大期，T2處理的地下部N含量顯著高于T1處理；在收獲期，T6處理的地下部N含量顯著高于T5處理。

注：同一時期不同字母表示不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。

隨著鹽脅迫程度的增加，加工番茄植株的地上部和地下部P含量表現(xiàn)為先增加后下降的變化趨勢；果實膨大期時，T6處理的地下部P含量最高。整體上，菌根化育苗處理的地上部和地下部P含量均高于非菌根化育苗處理；在苗期，T2處理的地上部P含量顯著高于T1處理；果實膨大期時，T2、T4、T6處理的地上部P含量均分別較T1、T3、T5處理顯著增加；其余時期不同鹽漬化土壤的菌根化育苗處理與非菌根化育苗處理的差異不顯著。在坐果期和果實膨大期，T6處理的地下部P含量顯著高于T5處理；在收獲期，T4處理的地下部P含量顯著高于T3處理。T1和T2處理的地上部和地下部P含量，在坐果期之后呈現(xiàn)遞減趨勢，T3、T4、T5和T6處理的地上部和地下部P含量，在果實膨大期之后下降。

隨著鹽脅迫程度的增加，加工番茄植株的地上部和地下部K含量表現(xiàn)為下降趨勢；且隨著生育期的延長，地上部和地下部K含量呈現(xiàn)下降趨勢；整體上，菌根化育苗處理的地上部和地下部K含量高于非菌根化育苗處理。在苗期時，T2、T4和T6處理的地上部K含量分別顯著高于T1、T3和T5處理，T2較T1處理的增幅最大，為7.12 g·kg-1；在花期、坐果期和收獲期，T2處理的地上部K含量均較T1處理顯著增加，最高增加10.29 g·kg-1。在花期，T2處理的地下部K含量較T1處理顯著增加；果實膨大期，T6處理的地下部K含量較T5處理顯著增加；其他時期同一鹽分濃度下菌根化育苗處理的地下部K含量與非菌根化育苗處理無顯著差異。

2.3 菌根化育苗對鹽脅迫下加工番茄植株Na含量和 K+/Na+的影響

不同處理加工番茄植株Na含量和 K+/Na+結(jié)果見圖3，隨著鹽脅迫程度的增加，加工番茄植株的地上部和地下部Na含量均呈上升趨勢，在不同鹽分濃度處理間均存在顯著差異。菌根化育苗處理的地上部和地下部Na含量均低于非菌根化育苗處理；在坐果期和收獲期，T4處理顯著低于T3處理；在果實膨大期和收獲期，T6處理顯著低于T5處理；其他時期同一鹽分濃度下菌根化育苗處理的地上部和地下部Na含量與非菌根化育苗處理間差異未達(dá)到統(tǒng)計學(xué)意義。

注：同一時期不同字母表示不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。

隨著鹽脅迫程度的增加，加工番茄植株的地上部和地下部K+/Na+表現(xiàn)下降趨勢；隨著生育期的延長，地上部和地下部K+/Na+也呈現(xiàn)下降趨勢；整體上，菌根化育苗處理的地上部和地下部K+/Na+均高于非菌根化育苗處理。在苗期、花期、坐果期和收獲期，T2處理的地上部K+/Na+均顯著高于T1處理，分別提高26.4%、33.0%、21.0%、27.1%；在苗期、花期、果實膨大期和收獲期，T2處理的地下部K+/Na+均顯著高于T1處理，分別提高48.5%、21.2%、15.7%、11.6%。表明菌根化育苗有效降低了加工番茄植株地上部和地下部Na含量，提高了植株地上部和地下部的K+/Na+，減輕了Na+的毒害作用。

2.4 菌根化育苗對鹽脅迫下加工番茄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

不同處理的加工番茄產(chǎn)量和品質(zhì)結(jié)果見表2，可見，隨著鹽漬化程度的加深，加工番茄的產(chǎn)量、可溶性糖和可溶性蛋白含量均呈遞減趨勢。菌根化育苗處理的加工番茄產(chǎn)量均高于非菌根化育苗處理。其中，T2、T4處理的產(chǎn)量分別較T1、T3處理顯著提高11.8%和14.5%，而T6與T5間差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義。在三種鹽漬化土壤中，加工番茄果實的可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量也表現(xiàn)出菌根化育苗處理高于非菌根化處理，增加幅度分別達(dá)到3.4%～15.6%和4.2%～12.8%，然而重度鹽脅迫條件下，菌根化育苗處理與非菌根化處理間無顯著差異。

表2 菌根育苗對鹽脅迫下加工番茄植株產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

3 討論

本研究表明，鹽脅迫下菌根化育苗處理可提高加工番茄植株的株高、莖粗和干物質(zhì)量，這與賀學(xué)禮等[22]的研究結(jié)果相同，尤其在苗期和花期時促進(jìn)作用更加明顯，說明菌根化育苗能顯著緩解加工番茄整個生育期的植株生長，在特定生育時期作用更為顯著[23]?？赡苁且驗锳MF通過改變植物根系形態(tài)，改善吸水能力，緩解由鹽分過多引起的細(xì)胞生理代謝紊亂，從而促進(jìn)植物在鹽漬化土壤的生長[24]。

接種菌根可增加作物根系的菌根侵染率[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同鹽漬化土壤的菌根侵染率表現(xiàn)為輕度鹽漬化>中度鹽漬化>重度鹽漬化，說明隨著鹽分濃度的增加，鹽分對菌根侵染的抑制越明顯，這與馮固等[24]對棉花等作物的研究結(jié)果相同。隨著生育期的遞增，菌根化育苗對根系的侵染率呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢，這與范燕山[26]對番茄的研究結(jié)果一致，但本研究中，加工番茄菌根侵染率在坐果期時達(dá)到峰值，各處理侵染率達(dá)到43%～63%，高于李敏等[27]研究的番茄根系侵染率結(jié)果(23.3%～39.7%)，低于張義飛等[28]研究的羊草的根系侵染率結(jié)果(80.0%～100.0%)，這可能與鹽分濃度、試驗土壤的微生物環(huán)境、寄主作物種類以及菌根真菌活性的差異有關(guān)。菌根依存度可以反映接種菌根相比未接種菌根對植株生長的影響效應(yīng)。本研究發(fā)現(xiàn)，中度和重度鹽脅迫下菌根化育苗處理的菌根依存度均高于輕度鹽漬化土壤的菌根化育苗處理，這與韓冰等[29]對黃瓜的研究一致，但本研究中，苗期和花期時菌根依存度較高，說明在一定鹽分濃度內(nèi)，隨著鹽分濃度的增加，菌根化育苗對植株生長的促進(jìn)作用在植株的關(guān)鍵生育期(苗期和花期)表現(xiàn)更加明顯，從而有利于壯苗和保果。

本研究中，三種鹽漬化土壤中，植株地上部和地下部的N、P和K含量基本都表現(xiàn)為菌根化育苗大于非菌根化育苗，表明菌根化育苗可以緩解鹽分脅迫對植株吸收養(yǎng)分的抑制，使不同濃度鹽脅迫下植株 N、P、K含量增加，有效緩解鹽脅迫造成的植株體內(nèi)養(yǎng)分虧缺。這可能是因為鹽脅迫下，AMF能通過自身的生理特性來維持N、P、K營養(yǎng)平衡，進(jìn)而使K的分配較合理，還可能與菌根菌的根外菌絲擴(kuò)大了根系在土壤中吸收養(yǎng)分的空間范圍，促進(jìn)植物對礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收，尤其是對P素的吸收有直接關(guān)系[30-31]。但在整個生育期內(nèi)，中度和重度鹽漬化土壤中菌根化育苗處理的植株N、P、K養(yǎng)分含量較非菌根化育苗處理差異更大，這表明隨著鹽分濃度的增加，作物生長對菌根有一定的依賴性[32]，且隨著鹽脅迫程度的加深，菌根真菌能夠更好地改善植物的生長及養(yǎng)分狀況。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，菌根化育苗能顯著促進(jìn)苗期和果實膨大期植株地上部N的吸收，苗期地上部P吸收以及各時期地上部K的吸收，同時也促進(jìn)坐果期和果實膨大期地下部N的吸收和苗期、花期時加工番茄地下部P和K的吸收，表明菌根化育苗能促進(jìn)加工番茄關(guān)鍵時期的養(yǎng)分吸收，從而增強(qiáng)加工番茄的耐鹽性，這與劉娜[33]的研究結(jié)果一致。

研究發(fā)現(xiàn)，鹽逆境下介質(zhì)K的增多能降低作物的Na濃度，提高植株生長達(dá)到30%以上，K+濃度的升高也可顯著減緩鹽脅迫對質(zhì)膜透性的提高[34]。因此，探究作物體內(nèi)鉀鈉含量及其比值對了解作物耐鹽性具有重要意義。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著鹽分濃度的增加，各處理植株地上部和地下部的Na含量隨之增加，K+/Na+降低，而菌根化育苗能增加鹽分脅迫下植株體內(nèi)的 K含量和 K+/Na+，降低Na濃度，說明菌根化育苗會抑制植物對Na的吸收，減輕對植物的毒害作用，同時能夠促進(jìn)植物對K的吸收，維持細(xì)胞內(nèi)的離子平衡，這與前人[35-36]的研究結(jié)果一致。原因可能是Na鹽對植物保護(hù)膜系統(tǒng)具有一定的破壞作用，而鉀鹽能促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成，并對生物膜具有一定的保護(hù)作用[37]。本研究還發(fā)現(xiàn)，地上部Na含量在坐果期到果實膨大期時，中度或重度鹽漬化土壤中各處理的差異更顯著，地下部Na含量則在輕度和重度鹽漬化土壤差異性更顯著。這表明作物能夠在一定鹽分濃度下表現(xiàn)出一定的適應(yīng)性，能夠通過自生的抗氧化系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)機(jī)制和光保護(hù)機(jī)制等來維持一定的長勢及養(yǎng)分吸收[38]，而本研究中，K+/Na+在苗期至花期時比值較高，表明菌根化育苗可以為鹽脅迫下幼苗的存活率提供一定的抵抗力，可能是因為接種菌根促進(jìn)種子萌發(fā)，極大提高了根系活力，從而增強(qiáng)幼苗對不良環(huán)境的抵抗能力[39]。

本研究發(fā)現(xiàn)，菌根化育苗顯著提高了加工番茄果實的產(chǎn)量、果實中可溶性糖和可溶性蛋白含量，與呂桂云等[40]的研究結(jié)果一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，中度和重度鹽脅迫下加工番茄果實的產(chǎn)量、可溶性糖和可溶性蛋白含量均顯著低于輕度鹽脅迫處理，而菌根化育苗可以緩解鹽脅迫對果實產(chǎn)量、可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)抑制效應(yīng)。表明接種AMF可明顯改善鹽脅迫下加工番茄果實的品質(zhì)，顯著提高其產(chǎn)量，有效減輕鹽脅迫對加工番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的不良影響。這可能是因為AMF 通過增加植物對N和P等大量元素的吸收[14]，改善了植物的營養(yǎng)狀況，促進(jìn)植物生長，進(jìn)而提高作物的產(chǎn)量及品質(zhì)。