楊 然,張淵博,梁 祎,張 毅,侯雷平,石 玉
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院,山西太谷 030801)
鉀(K)是植物正常生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一,在參與酶活化、調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓、維持根系正常養(yǎng)分吸收、提高對(duì)逆境抗性等方面發(fā)揮重要作用[1-2]。當(dāng)前,全球耕地大面積缺鉀[3],已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的世界性問題,嚴(yán)重制約著作物的優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。研究表明,低鉀脅迫可導(dǎo)致葉片的膜脂過氧化程度加劇,抑制植株生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成[4]。通過生物學(xué)途徑探尋替換鉀元素的合適物質(zhì),對(duì)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(yīng)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(zhǎng)[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(duì)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(duì)橄欖樹苗的研究發(fā)現(xiàn),K不足時(shí)施加Na對(duì)碳代謝和光合反應(yīng)中可起到一定的積極作用。Idowu等[11]對(duì)番茄的研究表明,當(dāng)番茄施加鈉鉀比為1∶8時(shí),能維持地上部水分平衡,減少花敗育,顯著提高果實(shí)產(chǎn)量;鈉鉀比在1∶4和1∶8之間時(shí),可觀察到鈉鉀之間存在互補(bǔ)關(guān)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(zhǎng)和根長(zhǎng)相對(duì)生長(zhǎng)速率??梢?,在施用K+的基礎(chǔ)上,配施適量的Na+能夠促進(jìn)葉片光合作用和根系構(gòu)型改變,有利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育。
番茄(SolanumlycopersicumL.)屬茄科番茄屬,因營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高而深受人們喜愛[13]。同時(shí)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(duì)不同鉀鈉配比水平對(duì)番茄生長(zhǎng)的影響及相關(guān)機(jī)理研究鮮見報(bào)道。因此,本試驗(yàn)以番茄品種‘中雜9號(hào)’為試材,探討水培條件下不同鈉鉀配施水平對(duì)番茄幼苗生物量、根系形態(tài)指標(biāo)、葉綠素含量、抗氧化酶活性及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響,以期揭示不同鈉鉀配比對(duì)番茄幼苗的調(diào)控效應(yīng)和作用機(jī)制,為生產(chǎn)中科學(xué)利用鉀肥提供理論依據(jù)。
表1 鉀鈉濃度試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Design of potassium and sodium concentration test
1.2.1 生物量 用直尺測(cè)量株高(子葉到植株生長(zhǎng)點(diǎn)之間的距離),用游標(biāo)卡尺測(cè)量植株在子葉處的莖粗。在處理第8 天時(shí)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(zhì)量并記錄;稱好鮮質(zhì)量后放烘箱中殺青(105 ℃,15 min),再調(diào)至65 ℃烘干至恒量,稱取干質(zhì)量并記錄。每個(gè)處理重復(fù)4次。
1.2.2 根系形態(tài)指標(biāo) 在第8天取樣時(shí),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(zhǎng)度、根系表面積、根系平均直徑和根系體積),每個(gè)處理重復(fù)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(nèi),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(cè)定OD470、OD649、OD665,參照李合生[14]對(duì)葉綠素含量的計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算,每個(gè)處理重復(fù)3次。
1.2.4 脂質(zhì)過氧化及抗氧化指標(biāo) 相對(duì)電導(dǎo)率測(cè)定采用電導(dǎo)儀法[14],每個(gè)處理重復(fù)4次;丙二醛含量測(cè)定采用2-硫代巴比妥酸法[14],每個(gè)處理重復(fù)3次;過氧化氫含量測(cè)定采用碘化鉀法[15]并加入改進(jìn)。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(jī) (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(yīng)體系,測(cè)定OD390并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算其含量,每個(gè)處理重復(fù)3次。超氧化物歧化酶(SOD)活性測(cè)定采用氮藍(lán)四唑光還原法,過氧化物酶(POD)活性測(cè)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(gè)處理重復(fù)9次。
1.2.5 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量 可溶性蛋白含量測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G-250法,可溶性糖含量測(cè)定采用蒽酮-硫酸法,脯氨酸含量測(cè)定采用酸性茚三酮法[14]。
用Microsoft excel 2010對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和作圖,用SPSS 24.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,用Duncan’s檢驗(yàn)法進(jìn)行差異顯著性水平 (P<0.05)分析,表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。
通過對(duì)不同鈉鉀配比下各指標(biāo)進(jìn)行隸屬函數(shù)法的綜合評(píng)估,以其得出最佳鈉鉀濃度配比,用隸屬函數(shù)值的計(jì)算方法如下[17]:
對(duì)所測(cè)定的生理指標(biāo)用下式求出每個(gè)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(biāo)的測(cè)定值,Xmax為某一指標(biāo)測(cè)定值的最大值,Xmin為某一指標(biāo)測(cè)定值的最小值。
若某指標(biāo)與抗性呈負(fù)相關(guān),可用反隸屬函數(shù)計(jì)算其隸屬函數(shù)值。
U(X)=1-[(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)]
在選取的30個(gè)指標(biāo)中,相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛含量和過氧化氫含量表征植物細(xì)胞過氧化程度,即這3個(gè)指標(biāo)越高,代表植物遭受氧化脅迫越嚴(yán)重,因此這3個(gè)指標(biāo)采用反隸屬函數(shù)值計(jì)算。
如圖1所示,番茄株高、莖粗、整株鮮質(zhì)量和干質(zhì)量均隨Na+比例的增加呈先上升后下降的變化趨勢(shì)。與T1處理(對(duì)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(duì)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(duì)T5處理影響不顯著;T2、T3、T4、T6處理下整株鮮質(zhì)量分別增加 17.76%、59.14%、30.30%和13.88%;而T7處理降低43.76%,對(duì)T5的影響不顯著;T3、T4和T6處理下整株干質(zhì)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(duì)T2處理影響不顯著。
番茄根系各形態(tài)指標(biāo)均隨Na+比例的增加呈持續(xù)下降的趨勢(shì)。與對(duì)照相比,T2、T3、T4、T5、T6、T7處理下根系長(zhǎng)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(duì)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(duì)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%。
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?cè)~綠素含量均隨Na+比例的增加呈下降趨勢(shì)。與對(duì)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(duì)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(duì)T2、T3和T5處理影響不顯著;T4、T5、T6、T7處理下總?cè)~綠素含量分別降低了12.22%、15.00%、18.89%和 42.22%,對(duì)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
如圖2所示,隨Na+比例的增加,番茄葉片和根系相對(duì)電導(dǎo)率呈上升趨勢(shì)。與對(duì)照相比,處理T4、T5、T6、T7下葉片相對(duì)電導(dǎo)率均顯著增加28.65%、25.99%、56.10%和73.34%,對(duì)T2和T3處理影響不顯著;處理T5、T6、T7下根系相對(duì)電導(dǎo)率均顯著增加26.46%、47.54%和 83.02%,對(duì)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(shì)。與對(duì)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(duì)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(duì)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(shì)。與對(duì)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(duì)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(duì)T2和T3處理影響不顯著。
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(shì),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(shì),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(shì),與T1相比,T5、T6、T7分別增加23.75%、35.77%和40.38%,對(duì)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(shì),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)
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(shì)。與對(duì)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(duì)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(duì)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(shì)。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(duì)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(shì),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(duì)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(shì)。與對(duì)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(duì)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(shì),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(duì)T2處理影響不顯著。
由表4和表5可知,不同鈉鉀配比對(duì)各處理番茄幼苗生長(zhǎng)及生理指標(biāo)的影響不同。以生長(zhǎng)指標(biāo)為鑒定指標(biāo)對(duì)各處理進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),由好到差的順序依次為T3>T1>T4>T2>T5>T6>T7。以生理指標(biāo)為鑒定指標(biāo)對(duì)各處理進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),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(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值對(duì)各處理進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),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(zhǎng)指標(biāo)影響的綜合評(píng)價(jià)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(biāo)影響的綜合評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)Table 6 Comprehensive evaluation on effects of different sodium-potassium ratios on tomato seedlings
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(zhì)養(yǎng)分的過程中,Na+和K+會(huì)同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)高親和力鉀轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和非選擇性陽離子通道[19];且Na+易引起膜去極化,導(dǎo)致K+內(nèi)向整流通道極難吸收K+,同時(shí)激活K+外向整流通道以加劇K+從細(xì)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(bǔ)充鈉可增加養(yǎng)分吸收和干物質(zhì)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(shì)。本研究結(jié)果顯示,與對(duì)照相比,適量鈉鉀配比能有效促進(jìn)番茄幼苗生物量的積累,但過高的鈉鉀比對(duì)生物量積累有抑制作用。該結(jié)果與雷晶等[21]在棉花上的研究結(jié)果相似,可能是K+和Na+等濃度時(shí)維持了正常的細(xì)胞膨壓,保證了植株正常生長(zhǎng),但隨著Na+比例持續(xù)增加,破壞了原有的細(xì)胞溶質(zhì)勢(shì),導(dǎo)致植株生長(zhǎng)受抑。根系是植物體吸收和運(yùn)輸水分、礦質(zhì)營(yíng)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(xì)胞膨壓,且胞質(zhì)溶膠中的高鉀離子促進(jìn)了根毛伸長(zhǎng),進(jìn)而增強(qiáng)了根系吸收養(yǎng)分和水分的能力[24]。本研究結(jié)果顯示,隨著Na+/K+比增大,番茄根系總長(zhǎng)、總體積和總表面積均呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì),可能是Na+增加、K+減少過程中,過量的Na+對(duì)根系細(xì)胞造成了滲透脅迫,導(dǎo)致難以維持正常的細(xì)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(jié)果表明,與對(duì)照相比,各處理對(duì)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(qiáng)。這與雷晶等[21]的研究結(jié)果類似,可能是由于過高的Na+/K+比會(huì)破壞細(xì)胞原有的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致色素蛋白復(fù)合體不穩(wěn)定,甚至解體。
逆境脅迫下,植物體內(nèi)可積累大量活性氧(ROS)。研究表明,缺K可導(dǎo)致ROS過量積累,MDA含量增加、導(dǎo)致膜脂過氧化程度加劇[27],引起細(xì)胞代謝紊亂[28]。本研究結(jié)果表明,隨 Na+/K+比增大,葉片和根系相對(duì)電導(dǎo)率、H2O2含量以及根系MDA含量總體呈升高趨勢(shì),與呂春華等[29]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似,在植物體內(nèi),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(zhì)組成[30-31]。本研究結(jié)果表明,與對(duì)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(duì)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(dāng)?shù)拟c鉀配比可在不同程度上誘導(dǎo)葉片和根系的抗氧化酶活性,調(diào)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(duì)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(yīng)規(guī)律做進(jìn)一步的探討。
滲透調(diào)節(jié)機(jī)制是植物適應(yīng)逆境脅迫的重要生理反應(yīng),通過改善細(xì)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(zhǎng)狀態(tài)[32-33]。植物受脅迫后,在細(xì)胞質(zhì)中會(huì)積累大量有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)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(jié)果表明,在缺K時(shí)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(jié)果顯示隨Na+/K+比增加,番茄可溶性蛋白含量呈下降趨勢(shì),這與趙永平等[37]的研究結(jié)果相似,可能是Na+增加造成離子毒害,加速蛋白質(zhì)分解,導(dǎo)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(shì),而根系可溶性糖含量呈先升后降的變化趨勢(shì),其原因可能是K+和Na+通過根施的方式進(jìn)入植物體,K+降低可顯著提高細(xì)胞滲透勢(shì),降低細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力;另外,可溶性糖可轉(zhuǎn)化為淀粉轉(zhuǎn)運(yùn)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(zhuǎn)化成淀粉的能力較強(qiáng),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(shì),其原因可能是Na+在根系中大量積累,加速蛋白質(zhì)分解,其中一部分蛋白質(zhì)被分解為脯氨酸所致。
隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明,T3處理下番茄幼苗各指標(biāo)優(yōu)于其他處理。綜上,適宜的鈉鉀配比可通過調(diào)節(jié)番茄不同器官的抗氧化防御能力和滲透調(diào)節(jié)能力來影響其生長(zhǎng)發(fā)育,且鉀離子和鈉離子的配比為1∶1時(shí)番茄幼苗的整體長(zhǎng)勢(shì)較佳。