硅对干旱胁迫下花生幼苗生长和生理特性的影响

曾瑞儿，王鑫悦，侯雪蓥，蔚 婧，侯晓蕾，陈婷婷，张 雷

(华南农业大学农学院，广东 广州 510642)

花生作为我国重要的油料作物，种植面积占油料作物播种面积的33%左右，产量占油料作物总产量的50%，居第一位[1]。土壤水分作为影响作物生长发育的主要因素之一，影响着作物的生理生化过程，不同程度的水分供应可很大程度上影响作物地理分布、产量和品质[2]。据统计，中国花生播种面积的2/3常年受到不同程度的干旱，平均减产20%以上[3-4]，除引起减产外，干旱还能使花生品质下降，黄曲霉污染加重等[5]。因此，干旱是我国花生生产上分布最广、危害最大的限制因素[6]。

硅作为仅次于氧含量的第二丰富元素，约占地壳中元素的27.6%。其存在的主要形式是二氧化硅和硅酸盐，土壤中硅(SiO2)占50%～70%。施用硅肥后能提高花生叶片的叶绿素含量和光合作用，增加茎叶及荚果干物质积累量，从而使花生植株生长健壮，叶色深绿，分枝多，果仁充实饱满、空壳少、百果质量和百仁质量提高，出仁率高，增产显著，增产幅度达20%[7]。施硅能促进水稻生长，改善冠层受光姿态，提高光合速率，协调地上部和根系比例，改善根系功能和活力，提高作物水肥吸收能力[8]，并提高产量[9]。研究发现，硅不仅能够促进植物的生长发育，还能提高作物的抗病性、抗虫性、抗旱性以及减轻重金属毒害等[10]。目前，有关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]、小麦[12]、玉米[13]等作物，而有关硅提高花生抗旱性的研究尚未见报道。

因此，本研究在人工气候室人工控水的条件下，研究施硅处理对花生幼苗生长及生理特性的影响，以期为花生抗旱栽培和合理使用硅肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设计

本研究在华南农业大学农学院楼517光照培养室进行盆栽试验，塑料盆直径25cm，高25cm，每盆装土10kg。供试土壤为华南农业大学试验农场的水稻土，土壤理化性状：碱解氮179.2mg/kg，速效磷45.4 mg/kg，速效钾134.4 mg/kg，全磷0.98 g/kg，全钾26.2 g/kg，有机质31.3 g/kg，有效硅52.6 mg/kg，土壤pH值5.9。3月10日播种，花生每盆种植3株，种植前每盆施入尿素0.15 g 和复合肥0.2 g(N、P、K 含量均为15%)，生长管理在处理前按常规管理。供试花生品种花育22号，由山东省花生研究所提供。

试验设对照(CK)、对照+硅处理(CK+Si)、干旱处理(D)和干旱+硅(D+Si)4 个处理，硅处理是在干旱处理当天均匀喷施1.0 mmol/L的硅酸钾，未喷施硅处理通过喷施等量的氯化钾以平衡钾的影响，待第3片真叶长出后进行干旱处理(处理7d)，干旱处理设2个水平：对照(土壤相对含水量75%±5%，CK)，干旱处理(土壤相对含水量50%±5%，D)，土壤相对含水量采用称质量法计算。4个处理，每处理10个重复，共40盆，到干旱胁迫结束后7 d取样测定地上部生物量、叶片水势、叶绿素含量、光合作用参数、叶绿素荧光参数及抗氧化酶等有关指标。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 生物量的测定

每个处理取3株花生幼苗，利用蒸馏水冲洗，用吸水纸把其表面水分吸干，分别称取地上、地下鲜质量。然后于110 ℃温度条件下杀青10 min，在烘箱内80 ℃烘干至恒质量，分别称取其地上、地下干质量。

1.2.2 光合参数的测定

选取健康的花生叶片倒3叶，用LI-COR 公司生产的LI-6400 光合仪标准叶室测定净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)。

1.2.3 叶绿素含量及叶绿素荧光参数的测定

SPAD-502型便携式叶绿素仪测定叶绿素含量；PAM2500便携式叶绿素荧光仪(德国WALA公司)于上午10: 00-12: 00测量稳态荧光(Fs)和最大荧光值(Fm')，并于遮光暗处理20 min 后测定暗适应的初始荧光(F0)和最大荧光(Fm)。

1.2.4 抗氧化酶的测定

待Pn测定完后，立即将标记叶片取回，液氮速冻后存于-40 ℃冰箱中用于内源保护酶活性的分析。用考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量，用氮蓝四唑(NBT)法测定SOD活性，用高锰酸钾滴定法测定CAT 活性，用愈创木酚法测定POD活性，用硫代巴比妥酸比色法测定MDA含量[14]。

1.3 数据处理

采用SPSS软件进行数据处理和统计分析，并用Origin 8软件作图。

2 结果与分析

2.1 硅对干旱胁迫下花生幼苗生物量的影响

表1可看出，与正常对照(CK)比较，干旱胁迫条件下花生的地上和地下鲜质量、干质量均显著下降(p<0.05)，分别降低61.90%、15.91%、64.44%和15.00%。与单独干旱处理(D)相比，干旱胁迫下施硅处理后花生地上和地下鲜质量、干质量的降低幅度小于不施硅处理，说明花生苗期干旱降低花生营养生长，施硅可以缓解干旱胁迫对营养生长的影响。

表1 硅对干旱胁迫条件下花生幼苗生物量的影响

注：同列不同小写字母表示处理间在p<0.05水平显著差异。下同。

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

表2 硅对干旱胁迫条件下花生光合和叶绿素荧光参数的影响

图1 硅对干旱胁迫条件下花生叶片SPAD值的影响 Fig.1 Effect of silicon on the SPAD value of peanut leaves under drought stress

2.2 硅对干旱胁迫下花生叶绿素含量的影响

图1 所示，与正常对照比较，干旱胁迫条件下，花生功能叶的叶绿素含量明显高于对照，增加了23.98%。与单独干旱胁迫处理相比，干旱条件下施硅处理降低了叶绿素含量。说明干旱胁迫增加了花生功能叶的叶绿素含量，但施硅处理降低了叶绿素含量，缓解了干旱胁迫对花生的伤害。

2.3 硅对干旱胁迫下花生光合和叶绿素荧光参数的影响

正常情况下，施硅花生植株光合参数与不施硅植株相比无明显差异(表2)。干旱胁迫条件下，花生叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)均显著下降(p<0.05)，与正常对照相比，分别下降了45.67%、48.74%、31.42%和36.56%。与单独干旱胁迫处理相比，干旱胁迫下施加硅处理后，花生叶片Pn、Gs和Ci分别升55.83%、22.14%和37.91%。而花生叶片Tr进一步下降，下降32.92%。

干旱胁迫处理下，花生叶片的叶绿素荧光参数实际光化学效率(ΦPSII)、最大光化学效率(Fv/Fm)和光化学淬灭系数(qP)均下降，而非光化学淬灭系数(NPQ)上升。与单独干旱胁迫相比，干旱胁迫下施硅后，ΦPSII、Fv/Fm和qP分别升高46.42%、20.00%和40.47%，而NPQ下降37.65%。

2.4 硅对干旱胁迫下花生叶片活性氧清除系统和MDA含量的影响

图2可知，与正常对照比较，干旱处理下花生叶片的SOD，CAT 和POD活性均降低，分别降低了40.84%、56.48%和49.63%。与单独干旱胁迫相比，干旱胁迫下施加硅处理后，花生叶片的SOD、CAT和POD活性分别增加了53.66%、97.57%和64.17%，且均显著高于单独干旱处理，表明硅提高了干旱胁迫下花生叶片的SOD，POD和CAT活性，抑制了自由基的积累，减轻了干旱胁迫对花生的危害，从而提高了花生的抗旱能力。

由图2可知，与正常对照相比，干旱胁迫下花生叶片MDA含量升高；与单独干旱胁迫相比，干旱胁迫下施加硅处理后，花生叶片MDA含量降低，但高于对照，表明施硅可以降低干旱胁迫下花生叶片MDA含量。

图2 硅对干旱胁迫条件下花生叶片SOD、POD、CAT活性和MDA含量的影响 Fig.2 Effect of silicon on the activities of SOD, POD, CAT and MDA content of peanut leaves under drought stress

3 小结与讨论

干旱是影响作物生长及生理特性的主要逆境因子，严重干旱将造成作物生长减缓，代谢失调，产量显著下降[11]。硅通常被认为不是植物生长的必需元素，但施硅后能够缓解生物和非生物胁迫对作物的影响[15]。已有研究发现，干旱胁迫条件下，施硅可以提高高粱的生物量积累，提高根冠比，促进植物对水分吸收的利用率[16]，且被认为具有缓解作物干旱胁迫的作用[17]。本研究发现，干旱胁迫显著降低花生的地下部干、鲜质量和地上部干、鲜质量，但喷施硅后均提高了花生的地下部干、鲜质量和地上部干、鲜质量，这与郑世英等[18]在大豆上的研究结果一致。其原因可能是一方面外源硅改变了花生叶片的结构，降低了叶片蒸腾速率，提高了作物的光合速率[13]；另一方面可能是外源硅促进了花生根系的生长，提高了根系活力，促进了作物对水分和养分的吸收[19]。

叶绿素是植物进行光合作用的主要场所，叶绿素含量的高低与光合作用密切相关，可以作为衡量环境胁迫对植物影响的重要指标[20]。但干旱胁迫对花生叶绿素含量影响的研究结果也不一致，孙爱清等研究发现，干旱胁迫会引起叶绿体色素的降解，造成叶绿素含量下降[21]，而李俊庆研究发现，夏花生生育期间受旱可使叶片中叶绿素含量迅速升高[22]。而在本研究中，干旱胁迫下，花生叶片的叶绿素含量升高，其变化规律与李俊庆在夏花生上的研究相一致[22]，究其原因可能是花生在干旱胁迫下叶片变厚、比叶质量提高造成的，而干旱条件下施硅后花生叶片的叶绿素含量下降，说明施硅后，提高了花生的抗旱能力，叶片厚度降低、比叶质量降低，从而提高了花生的光合速率，促进了花生的生长。

光合作用是植株生长的生理基础，干旱胁迫下叶片主要通过气孔因素影响光合作用[23]，而在本研究中，干旱胁迫下，花生气孔导度和胞间CO2浓度降低，气孔限制值上升，光合速率下降，进一步验证了以上的结论。大量的研究均表明，硅能够改善植物的光合特性，增加叶片的直立性从而改善其截光特性，并可在植物中形成硅—角双层结构减少水分蒸发，以提高作物抗旱性[24]。但丁燕芳等研究发现，干旱胁迫下，加硅处理可显著提高小麦的Tr[25]。本试验结果表明，干旱显著降低了花生的生长和抑制花生的光合作用，而干旱胁迫下施硅处理后有效提高干旱胁迫下花生的Pn、Gs和Ci，而Tr下降，这些结果与前人在玉米[13]等作物上的研究结果相似，进一步验证了干旱胁迫条件下硅的调控作用是与蒸腾速率的降低有关的[26]。而作物叶片水分散失的主要途径包括气孔蒸腾和角质层蒸腾，而硅可促进角—质双层结构的形成，抑制水分的角质层蒸腾[27]。Gao等研究结果证实，硅也可降低玉米叶片的气孔蒸腾，而不仅仅是叶片角质层蒸腾[28]。本研究中，适宜硅浓度处理的花生叶片气孔导度显著升高，可见硅不是通过促进气孔关闭来降低蒸腾作用，究其原因有待于今后进一步研究。

干旱胁迫过程中，花生叶片Fv/Fm、ΦPSII、qP均显著下降，而 NPQ则逐渐升高，表明花生在干旱胁迫时光能转化率受到严重抑制，直接影响了光合作用的电子传递和CO2同化过程，造成光合电子传递速率下降，光合强度降低。相比单独干旱处理，干旱胁迫下施加硅处理后花生叶片的Fv/Fm、ΦPSII、qP显著上升，但仍低于对照处理，高于未施硅处理，这与明东风[29]、曹逼力[30]等在水稻和番茄上的研究结果相似。说明干旱胁迫下施加硅后有利于作物叶片光合色素把所捕获的光能以更高的速度和效率转化为化学能，从而为碳通话提供更充足的能量，提高光合作用效率[11]。

干旱胁迫导致作物活性氧含量升高，影响作物的正常生长和发育[12]。自由基能够引起膜脂过氧化、损害膜系统等，MDA是细胞膜脂过氧化作用的产物，其含量直接反应作物的受胁迫程度[31]。而作物体内的保护酶系统(SOD、POD、CAT)在逆境下会发生变化，以清除作物体内产生的活性氧等自由基[32]，减轻逆境胁迫对作物的伤害。研究发现，干旱胁迫下，花生叶片的SOD、POD、CAT活性下降，MDA含量升高，其变化趋势与前人在玉米[33]及棉花[34]等作物上的研究一致，但与顾学花等[20]、张智猛等[35]在花生上的研究不一致，其原因可能是不同品种和不同生育时期在干旱胁迫下的反应不一致造成的[36]。本研究结果说明，干旱胁迫下作物的活性氧清除酶的活性下降，导致花生叶片的膜脂过氧化程度增加，细胞膜伤害加重，影响花生的正常生长。施硅后，花生叶片的保护酶活性均上升，MDA含量下降，表明施硅后诱导花生体内保护酶活性的提高，清除体内的活性氧，降低了花生细胞膜脂过氧化程度，在一定程度上缓解了干旱胁迫对花生的伤害。这与郑世英在大豆上的研究结果一致[18]。

综上，苗期干旱胁迫显著抑制花生营养生长，降低花生叶片光合速率、实际光化学效率、最大光化学效率及光化学淬灭系数。而干旱胁迫下施硅处理可以促进花生营养生长，提高光能转化率和光合速率，提高叶片抗氧化酶活性，降低膜脂过氧化程度，增强花生的抗旱能力，缓解干旱胁迫对花生的伤害，为花生的抗旱栽培提供理论依据。