光照度和基質(zhì)含水量互作對(duì)加工型番茄幼苗根系生長(zhǎng)及生理影響的綜合評(píng)價(jià)

孫世君 趙斌 張海博 武秀梅 李艷麗 魏娜

摘要：研究不同光照度和基質(zhì)含水量互作對(duì)加工型番茄幼苗根系生長(zhǎng)和生理特性的影響。以加工型番茄品種屯河9號(hào)為試材，采用固體基質(zhì)盆栽的方式，研究在500、300、100 μmol/（m2·s）光照度下，不同基質(zhì)含水量（基質(zhì)最大持水量的80%、70%、60%）對(duì)加工型番茄幼苗根系生長(zhǎng)、抗氧化酶活性等生理特性的影響，并運(yùn)用主成分分析的方法對(duì)不同光照度和基質(zhì)含水量處理加工型番茄幼苗根系生長(zhǎng)與生理指標(biāo)進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，當(dāng)光照度為500 μmol/（m2·s），基質(zhì)含水量為80%時(shí)，加工型番茄幼苗的根長(zhǎng)、根表面積和根體積均顯著高于其他處理組合，隨著光照度降低，加工型番茄幼苗的根系生長(zhǎng)受到抑制，抗氧化酶活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)（可溶性蛋白、脯氨酸）含量、總?cè)~綠素含量呈降低趨勢(shì)，丙二醛（MDA）含量呈升高趨勢(shì);加工型番茄的總?cè)~綠素含量與根表面積呈顯著正相關(guān)，脯氨酸含量與根長(zhǎng)呈顯著正相關(guān)，SOD活性與平均直徑呈極顯著正相關(guān);主成分分析選擇3個(gè)主成分對(duì)加工型番茄的生長(zhǎng)和生理指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，3個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率已達(dá)85.236%;綜合得分排名第一的是光照度為500 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為80%處理，光照度為300 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為70%和光照度為100 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為60%處理的綜合排名都比同等光照度下其他基質(zhì)含水量處理排名高。因此，光照度為500 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為80%時(shí)，最有利于加工型番茄幼苗根系的生長(zhǎng)和生理活動(dòng)，當(dāng)光照度不足時(shí)，適當(dāng)降低基質(zhì)含水量可以增強(qiáng)加工型番茄幼苗對(duì)弱光的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：加工型番茄;光照度;基質(zhì)含水量;生長(zhǎng);主成分分析

中圖分類號(hào)：S641.201 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2022）08-0145-06

內(nèi)蒙古河套地區(qū)是我國(guó)加工番茄優(yōu)質(zhì)的原料生產(chǎn)基地，栽培種植面積僅次于新疆，居國(guó)內(nèi)第 2位[1]。正所謂“壯苗三分收，弱苗一半丟”，培育壯苗是豐產(chǎn)增收的重要前提，但是由于設(shè)施內(nèi)育苗過程中覆蓋物、灰塵、陰天等造成的弱光逆境以及存在的澆水不規(guī)范等問題，極易培育成“徒長(zhǎng)苗”等亞健康苗，導(dǎo)致幼苗質(zhì)量下降，影響番茄的生長(zhǎng)、花芽分化及果實(shí)發(fā)育，最終導(dǎo)致加工型番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)降低[2]。因此，如何協(xié)調(diào)光照度和根際水分條件培育壯苗，已然成為河套地區(qū)設(shè)施內(nèi)加工型番茄育苗過程中需要解決的重要科學(xué)問題。王克磊等研究發(fā)現(xiàn)，鮮食番茄植株在全光照下，基質(zhì)含水量為80%時(shí)，植株生長(zhǎng)最好[3]。蔣芳玲等研究發(fā)現(xiàn)，100%光照、80%基質(zhì)含水量互作降低了不結(jié)球白菜的非輻射能量耗散，將更多的吸收光能用于光化學(xué)反應(yīng)，表現(xiàn)為凈光合速率、蒸騰速率、最大光化學(xué)效率、實(shí)際光化學(xué)效率最高，初始熒光和非光化學(xué)猝滅系數(shù)最低[4]。不同的水分與光照互作同樣對(duì)鐵皮石斛生長(zhǎng)、光合特性及可溶性糖含量具有顯著影響[5]。然而不同光照度和基質(zhì)含水量互作對(duì)加工型番茄幼苗植株生長(zhǎng)及生理特性影響的研究相對(duì)較少。

因此，本試驗(yàn)以河套地區(qū)主栽的加工型番茄為材料，采用固體基質(zhì)栽培的方法，探索光照度和基質(zhì)含水量互作對(duì)加工型番茄幼苗生長(zhǎng)發(fā)育及生理特性的影響，以期為新疆河套地區(qū)加工番茄育苗過程中的光照和水分管理提供理論依據(jù)，同時(shí)也為河套地區(qū)構(gòu)建加工型番茄的高效育苗技術(shù)集成與示范奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年10—11月在內(nèi)蒙古河套學(xué)院農(nóng)學(xué)系作物栽培室內(nèi)進(jìn)行。供試加工型番茄品種為屯河9號(hào)。于2020年10月1日浸種催芽，10月4日選擇芽長(zhǎng)一致的種子播于50孔穴盤，每穴1粒，在上海智城人工氣候培養(yǎng)箱（ZXOP-R1700）中生長(zhǎng)，待幼苗2葉1心時(shí)移入裝有專用育苗基質(zhì)的花盆（上直徑為12 cm、下直徑為9.5 cm、高為8 cm）中，每盆1株。本研究基質(zhì)含水量設(shè)3個(gè)水平：基質(zhì)最大持水量的80%、70%、60%，基質(zhì)最大持水量為100.08%，采用吸水烘干法測(cè)定，每天09：00、 15：00 用灌水法調(diào)節(jié)基質(zhì)含水量。利用上海智城人工氣候培養(yǎng)箱（ZXOP-R1700）將光照度設(shè)3個(gè)水平：500 μmol/（m2·s）（正常光照度）、300 μmol/（m2·s）（銀灰色遮陽(yáng)網(wǎng)覆蓋，輕度遮陰）、100 μmol/（m2·s）（黑色遮陽(yáng)網(wǎng)覆蓋，重度遮陰），每天光照12 h。光照度用ZDS-10型照度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。將不同光照度和基質(zhì)含水量進(jìn)行組合，共9個(gè)處理組合（表1），每個(gè)處理重復(fù)3次。于試驗(yàn)開始后20 d，每個(gè)處理隨機(jī)選取5株加工型番茄幼苗，測(cè)定生長(zhǎng)指標(biāo)和生理指標(biāo)。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 加工型番茄幼苗根系生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定方法

采用根系掃描和圖像分析法測(cè)定加工型番茄根系的生長(zhǎng)。具體方法：將加工型番茄幼苗根系洗凈，并去除死根后，將根系擺放于盛滿水的玻璃器皿中，將多級(jí)側(cè)根及須根分開，盡量不要使根系交織重疊。利用根系專用掃描儀（Epson V500，USA）將根系掃描成圖像文件，再將掃描好的圖像文件用圖像分析軟件（Win-RHIZO，Canada）計(jì)算加工番茄根長(zhǎng)（cm）、 根表面積（cm2）、 根體積（cm3）、平均直徑（mm），最后將各層根系分別裝入紙袋中，85 ℃烘干至恒質(zhì)量，測(cè)定根質(zhì)量（g）。

1.2.2 加工番茄幼苗生理指標(biāo)的測(cè)量方法

采用硝基四氮唑藍(lán)（NBT）還原法測(cè)定加工番茄根系的超氧化物歧化酶（SOD）活性;采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定過氧化物酶活性（POD）活性;過氧化氫酶（CAT）活性按李合生（2000）的方法測(cè)定[6];采用硫代巴比妥酸（TBA）法測(cè)定丙二醛（MDA）含量;采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量;采用茚三酮比色法測(cè)定脯氨酸含量;可溶性蛋白含量測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS17.0軟件進(jìn)行方差分析及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 光照度和基質(zhì)含水量互作對(duì)加工型番茄幼苗根系生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

從表2可以看出，不同光照度和基質(zhì)含水量互作顯著影響加工型番茄幼苗根系的生長(zhǎng)。其中，GG處理的加工型番茄幼苗的根長(zhǎng)、根表面積和根體積均顯著高于GZ、GD處理，GD處理的根長(zhǎng)和根表面積最低，且根體積與GZ處理差異不顯著，GG、GZ處理的平均直徑、根干質(zhì)量差異不顯著，但二者均顯著高于GD處理。隨著光照度的降低，加工型番茄幼苗的根系生長(zhǎng)和干物質(zhì)的積累受到抑制，ZZ處理的根表面積顯著高于ZG、ZD處理，ZZ、ZG處理的根長(zhǎng)、根體積和平均直徑不存在顯著差異，但均顯著高于ZD處理，ZG處理根干質(zhì)量最高，ZD處理的根干質(zhì)量最低。DD處理的根長(zhǎng)和根體積顯著高于DG、DZ處理，DG處理的根長(zhǎng)、根體積最低，DD、DZ處理的根表面積、平均直徑和根干質(zhì)量差異不顯著，但二者均顯著高于DG處理。

2.2 光照度和基質(zhì)含水量互作對(duì)加工型番茄幼苗生理指標(biāo)的影響

從表3可以看出，隨著光照度降低，加工型番茄幼苗的總?cè)~綠素含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、SOD活性、POD活性總體呈降低趨勢(shì)，而丙二醛含量呈升高趨勢(shì)。當(dāng)光照度為500 μmol/（m2·s）時(shí)，GG處理的總?cè)~綠素含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量和SOD活性均顯著高于GZ、GD處理，GG、GZ處理的POD活性和丙二醛含量差異不顯著，GD處理的總?cè)~綠素含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、SOD活性、POD活性最低，丙二醛含量最高。當(dāng)光照度為300 μmol/（m2·s）時(shí)，ZZ處理的總?cè)~綠素含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量和SOD活性均顯著高于ZG、ZD處理，ZG處理的可溶性蛋白含量、SOD活性顯著高于ZD處理，總?cè)~綠素含量和脯氨酸含量與ZD處理差異不顯著，ZZ處理POD活性與ZD處理差異不顯著，但是二者均顯著高于ZG處理，ZZ處理丙二醛含量與ZG處理差異不顯著，但是二者均顯著低于ZD處理。當(dāng)光照度為 100 μmol/（m2·s） 時(shí)，DD處理的總?cè)~綠素含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量和SOD活性與DZ處理比差異不顯著，但是DD處理的總?cè)~綠素含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、SOD活性均顯著高于DG處理，3個(gè)處理間POD活性均存在顯著差異，且 DD>DZ>DG，DG處理和DZ處理的丙二醛含量差異不顯著，但是二者均顯著高于DD處理，可見當(dāng)光照度降低時(shí)，適當(dāng)?shù)目刂苹|(zhì)含水量可以提高加工型番茄幼苗的生理活性，增強(qiáng)幼苗的耐弱光能力。

2.3 光照度和基質(zhì)含水量互作條件下加工型番茄幼苗生長(zhǎng)和生理指標(biāo)的相關(guān)性分析

從表4可以看出，將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行相關(guān)性分析，總?cè)~綠素含量與根表面積呈顯著正相關(guān)，即加工型番茄葉片中葉綠素含量的升高，有利于加工型番茄根表面增加;脯氨酸含量與根長(zhǎng)呈顯著正相關(guān)，即當(dāng)加工型番茄遭受逆境（弱光、干旱）時(shí)，脯氨酸含量升高，能夠緩解逆境脅迫對(duì)加工型番茄根系根長(zhǎng)生長(zhǎng)的抑制作用;SOD活性與MDA含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與平均直徑呈極顯著正相關(guān)，即提高SOD活性，將增強(qiáng)植物體內(nèi)活性氧的清除能力，導(dǎo)致膜脂過氧化產(chǎn)物MDA含量降低，同時(shí)，SOD活性高低還直接制約著加工型番茄根系平均直徑的生長(zhǎng)。根表面積和根體積的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.85以上，呈顯著正相關(guān)。表明不同指標(biāo)間相關(guān)性較強(qiáng)，可用PCA對(duì)其進(jìn)行綜合分析。

2.4 光照度和基質(zhì)含水量互作對(duì)加工型番茄幼苗生長(zhǎng)和生理指標(biāo)影響的主成分分析

利用SPSS 19.0軟件中降維因子對(duì)加工型番茄幼苗11個(gè)生長(zhǎng)和生理指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，意圖將多個(gè)變量降維為少數(shù)幾個(gè)變量，從而達(dá)到簡(jiǎn)化指標(biāo)的目的。從表5可以看出，特征值大于1.000 0的主成分有3個(gè)，方差貢獻(xiàn)率分別為56.253%、16.121%、12.862%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了85.236%，由此可以說明，3個(gè)主成分代表了9個(gè)不同光照度和基質(zhì)含水量互作處理對(duì)加工型番茄的葉綠素含量、可溶性蛋白含量和根干質(zhì)量等影響情況。

從表6可以看出，可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、根體積和根干質(zhì)量在第一主成分上有較高的特征向量，表明第一主成分主要反映了加工型番茄的可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、根體積和根干質(zhì)量指標(biāo)的信息，可總結(jié)為加工型番茄根系生長(zhǎng)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)指標(biāo);第二主成分的主要指標(biāo)包括脯氨酸含量、POD活性和MDA含量，可總結(jié)加工型番茄抗氧化和膜脂過氧化指標(biāo);總?cè)~綠素含量、根長(zhǎng)、平均直徑和根干質(zhì)量在第三主成分上具有較高的特征向量，表明第三主成分主要反映加工型番茄總?cè)~綠素含量、根長(zhǎng)、平均直徑和根干質(zhì)量指標(biāo)的信息，可總結(jié)為加工型番茄根系生長(zhǎng)和光合生理指標(biāo)。

2.5 光照度和基質(zhì)含水量互作對(duì)加工型番茄幼苗生長(zhǎng)和生理指標(biāo)影響的綜合評(píng)價(jià)

由于主成分分析中，前3個(gè)組分反映了加工型番茄樣品中11個(gè)生長(zhǎng)和生理指標(biāo)信息的85.236%，因此，可以利用前3個(gè)主成分對(duì)不同處理的加工型番茄11個(gè)生長(zhǎng)和生理指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，綜合評(píng)價(jià)函數(shù)是計(jì)算每個(gè)主成分得分與其對(duì)應(yīng)貢獻(xiàn)率之乘積總和，即F=56.253%×F1+16.121%×F2+12.862%×F3，按綜合評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算出的不同處理加工型番茄生長(zhǎng)和生理指標(biāo)各主成分值、成分綜合得分及排序（表7），3個(gè)主成分綜合得分最高的為GG處理，其次為GZ、ZZ處理，從整體看，基質(zhì)含水量相同時(shí)，隨著光照度降低，各處理的綜合得分呈降低趨勢(shì)。表明加工型番茄生長(zhǎng)和生理活動(dòng)首先需要相對(duì)較強(qiáng)的光照度，當(dāng)光照度降低后，適當(dāng)?shù)亟档突|(zhì)的含水量，有利于提高加工型番茄幼苗的耐弱光能力。

3 討論與結(jié)論

植物對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)性，應(yīng)該結(jié)合植株形態(tài)、生理、生化等指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，單一指標(biāo)難以全面真實(shí)地反應(yīng)植物的生長(zhǎng)狀況[7]。本研究運(yùn)用主成分分析對(duì)不同光照度和基質(zhì)含水量處理的加工型番茄生長(zhǎng)和生理指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，根據(jù)加權(quán)后的主成分得分可知，當(dāng)光照度為500 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為80%時(shí)，加工型番茄幼苗的生長(zhǎng)和生理表現(xiàn)最好。同時(shí)，本試驗(yàn)研究表明，光照度是影響植物根系生長(zhǎng)和生理代謝活動(dòng)的主要因子，隨著光照度降低，加工型番茄根系生長(zhǎng)生理活動(dòng)受到抑制，這與楊虎彪等的研究結(jié)果[8]一致，光照度降低后，提高土壤水分含量，吊羅山薹草的根系生長(zhǎng)和生理活動(dòng)同樣受到抑制。光照度降低，直接影響加工型番茄光合作用和碳水化合物的積累，造成根系生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不足，即使提高基質(zhì)含水量，由于植物的蒸騰速率和凈光合速率降低，水分利用效率減弱，阻礙了植株地上部和地下部進(jìn)行正常的物質(zhì)交換，也會(huì)影響植株根系的生長(zhǎng)和生理活動(dòng)[9]。

加工型番茄的總?cè)~綠素含量與根表面積呈顯著正相關(guān);脯氨酸含量與根長(zhǎng)呈顯著正相關(guān)，SOD活性與根系平均直徑呈極顯著正相關(guān)，表明加工型番茄的根表面積、根長(zhǎng)和根系平均直徑分別受到總?cè)~綠素含量、 脯氨酸含量和SOD活性的制約，而根表面積、根長(zhǎng)和平均直徑是影響加工型番茄水分和礦質(zhì)元素吸收的重要影響因素。當(dāng)光照度降低后，加工型番茄幼苗的總?cè)~綠素含量和脯氨酸含量減少，SOD活性降低，導(dǎo)致加工型番茄根系內(nèi)細(xì)胞的過氧化程度加劇，光合產(chǎn)物減少，表現(xiàn)為根系生長(zhǎng)受抑制，這與Feng等的研究結(jié)果[10]一致。

因子分析通過數(shù)據(jù)降維將原始信息進(jìn)行壓縮，使各主因子之間互不相關(guān)但又能反映各指標(biāo)的信息，從而實(shí)現(xiàn)有效指標(biāo)的篩選，降低分析難度，提高分析效率。因此，因子分析在薄皮甜瓜[11]、黃瓜[12]、茄子[13]、番茄[14-15]等園藝作物生長(zhǎng)和生理指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。本研究采用因子分析將11個(gè)加工型番茄根系生長(zhǎng)和生理相關(guān)指標(biāo)簡(jiǎn)化為3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的主因子，明確了不同主成分上有相對(duì)較高的特征向量范圍，根據(jù)各主因子得分可以對(duì)加工型番茄根系生長(zhǎng)和生理活動(dòng)進(jìn)行更為具體的評(píng)價(jià)。

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，光照度為500 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為80%的處理綜合排名第一，其次為光照度為500 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為70%的處理，而光照度為500 μmol/（m2·s），基質(zhì)含水量為60%的處理綜合排名低于光照度為 300 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為70%的處理，光照度為100 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為70%的處理的綜合排名低于光照度為100 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為60%的處理?？梢姡?dāng)光照度強(qiáng)度降低時(shí)，適當(dāng)?shù)目刂苹|(zhì)含水量有利于增強(qiáng)植株的耐弱光性，在披針葉茴香[16]、厚皮甜瓜[17]上的研究表明，水分脅迫可在一定程度上增強(qiáng)植株對(duì)弱光環(huán)境的適應(yīng)性和自身調(diào)節(jié)能力。這主要是由于水分脅迫可促使光補(bǔ)償點(diǎn)降低，捕光色素 Chl.b 增加，有助于弱光下有限光能的吸收、傳遞，以及光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行[18-20]，具體表現(xiàn)為植物葉片的電子傳遞效率 （ψo(hù)）、電子傳遞量子產(chǎn)額（φEo）、能量流參數(shù)和光合性能指數(shù)（PIABS） 均出現(xiàn)升高趨勢(shì)[21]。同時(shí) 在水分不足的條件下，細(xì)胞內(nèi)的淀粉水解會(huì)加強(qiáng)，導(dǎo)致小分子糖類的不斷積累[22]，從而提高植株的耐弱光性。

綜上所述，光照度和基質(zhì)含水量互作對(duì)加工型番茄幼苗根系生長(zhǎng)和生理活動(dòng)具有明顯影響，其中光照度為500 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為80%時(shí)，最有利于加工型番茄幼苗根系生長(zhǎng)以及生理活動(dòng)的正常進(jìn)行，當(dāng)光照度不足時(shí)，通過適當(dāng)控制基質(zhì)含水量可以增強(qiáng)加工型番茄幼苗對(duì)弱光的適應(yīng)性。

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