外源硅对低铁胁迫下番茄幼苗生长和生理特性的影响

赵 鑫，姚 棋，陈浩婷，张 毅，侯雷平，邢国明，石 玉

（山西农业大学园艺学院，山西省设施蔬菜提质增效协同创新中心，山西太谷030801）

铁（Iron，Fe）是植物生长所必需的一种微量元素，是很多蛋白酶氧化还原过程中的重要辅因素，参与植物光合、呼吸、固氮以及核酸合成等许多基础代谢过程[1-3]。尽管Fe在地壳中的含量很高，但在高pH值和钙质土壤中以及在中性和碱性土壤中，Fe的溶解率极低，通常以不溶性的氢氧化铁（Fe（OH）3）形式存在，从而限制了植株对土壤中铁元素的有效吸收[1，4-5]。低铁条件下植物会出现幼叶黄化、生长减缓、产量品质下降等症状[2，6]。目前，国内外相关学者通过土壤、叶面施铁肥的方式来提高植株中铁元素的含量，这是一条可行的途径，矫正所用的铁制剂主要为硫酸亚铁和络合铁，其中，硫酸亚铁容易发生氧化，而络合铁虽效果优于硫酸亚铁，但价格昂贵不利于在生产中推广普及[7]。关于外源物质方面，贺志文等[8]研究表明，用一定浓度的外源激素GA3（赤霉素）等处理后，可以促进幼苗生长。

硅（Silicon，Si）在地壳中的含量仅次于氧[9]。虽然目前不能证明Si是大多数植物生长发育的必需营养元素，但近年来研究表明，Si对植物是有益的，其能够促进植物正常的生长发育[10-15]。Si在细胞壁的积累可以增强植物组织的机械强度、影响跨膜质子电化学梯度以及渗透调节等，还参与植物体内许多生理代谢过程，增强植物的抗逆性[16-17]。陈罡等[18]对黄瓜幼苗的研究表明，硅处理可有效缓解盐胁迫造成的生长抑制，改变叶绿素荧光参数变化，保护黄瓜幼苗光合器官结构和功能的完整，从而增强黄瓜的耐盐性。张倩等[19]对棉花的研究表明，硅能提高盐胁迫下根系活力，降低H2O2、MDA含量和电解质渗透率，提高棉花耐盐性，促进其正常生长。目前，外源硅对低铁胁迫下番茄幼苗响应的信号机制尚不清楚。

本试验研究了外源硅对低铁胁迫下番茄幼苗生长、叶绿素含量、光合系统及铁素含量的影响，旨在为揭示外源硅调控低铁胁迫下番茄幼苗生长机制提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试番茄品种为Micro-tom。

1.2 试验设计

试验于2019—2020年在山西农业大学园艺站进行。选取饱满的种子进行育苗，待番茄3叶1心时，选取长势基本一致的幼苗进行定植。缓苗后，进行不同浓度铁、硅处理，共6个处理，即CK（对照），山崎配方营养液（铁浓度为100μmol/L）；CK＋Si，营养液铁浓度为100μmol/L添加1.5 mmol/L硅；10Fe，营养液铁浓度为10μmol/L；10Fe＋Si，营养液铁浓度为10μmol/L添加1.5 mmol/L硅；1Fe，营养液铁浓度为1μmol/L；1Fe+Si，营养液铁浓度为1μmol/L添加1.5 mmol/L硅。其中，硅源为K2SiO3·nH2O，硅工作液浓度为1.5 mmol/L（由预试验得出）。每5 d更换一次营养液，pH值调至6.0±0.2，利用增氧泵以间歇方式供氧。在铁、硅处理第15天取样，用以测定各项生长及生理指标。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生物量的测定 将植株洗净、擦干后称鲜质量，每个处理重复4次，取平均值。

1.3.2 相对电解质渗透率测定 参照石玉[20]的方法，于处理15 d时取生长点下第2片完全展开的功能叶和根尖，用自来水和去离子水分别冲洗表面，吸干叶片表面水分后，用打孔器快速打取10个叶圆片，放入预先用去离子水洗净的15 mL塑料离心管中；摇动离心管数下，用电导仪测定空白电导率（S1）；将试管放于摇床，室温条件下振荡2 h后测定初始电导率（S2）；然后将试管置于沸水浴中煮沸10 min（杀死植物组织），取出试管将其冷却至室温，充分摇匀，测其煮沸后电导率（S3）。

1.3.3 叶绿素含量和类胡萝卜素含量的测定 取第2片完全展开的功能叶，洗净、擦干后称约0.1 g放入试管，于阴暗处用96%乙醇浸提约24 h，直至叶片完全变白，测定叶绿素提取液在470、649、665 nm处的吸光度值。每个处理重复4次，取平均值。参照梁颖等[21]的方法计算叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素含量。

1.3.4 光合参数的测定 选择晴天9：00—11：00，每个重复随机抽取9个完全展开的功能叶，用Li-6400便携式光合仪测定生长点往下第2片完全展开功能叶的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）。

1.3.5 PSⅡ最大光化学效率Fv/Fm取植株生长点下第2片完全展开的功能叶，暗适应30 min，用Li-6400便携式光合仪的荧光叶室测定PSII最大光化学效率（Fv/Fm），即（Fm-Fo）/Fm。

1.3.6 铁含量 参照何明明等[6]的方法，将烘干称量的样品粉碎，用H2SO4-H2O2消煮，采用原子吸收分光度法测定番茄幼苗地上部茎叶和地下部根系的全铁含量。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016进行作图，采用SPSS 20.0统计软件进行方差分析（ANOVA）。

2 结果与分析

2.1 外源硅对低铁胁迫下番茄幼苗鲜质量的影响

由图1可知，与对照相比，CK＋Si处理下植物的鲜质量显著增加，地上部鲜质量和地下部鲜质量分别增加30.78%和4.23%，总鲜质量增加25.16%；低铁胁迫显著降低番茄植株的鲜质量，10μmol/L Fe处理地上部鲜质量和地下部鲜质量分别较CK降低31.02%和10.34%，总鲜质量较CK降低26.64%；1μmol/L Fe处理地上部鲜质量和地下部鲜质量分别较CK降低56.24%和22.87%，总鲜质量较CK降低49.16%。与10μmol/L Fe处理相比，10Fe＋Si处理下植株的鲜质量显著增加，地上部鲜质量和地下部鲜质量分别增加42.31%和5.85%；总鲜质量增加32.87%。与1μmol/L Fe处理相比，1Fe＋Si处理下番茄幼苗的地上部鲜质量和地下部鲜质量分别增加69.54%和19.59%；总鲜质量增加53.47%。可见，在低铁胁迫下，增施外源Si可有效缓解低铁胁迫对植株生长的抑制作用。

2.2 外源硅对低铁胁迫下番茄幼苗相对电解质渗透率的影响

由图2可知，与对照相比，CK＋Si处理下叶片和根系的相对电解质渗透率均显著降低，分别减少10.65%和9.13%；低铁胁迫显著增加叶片和根系的相对电解质渗透率，10μmol/L Fe处理叶片和根系较CK分别增加20.16%和18.44%；1μmol/L Fe处理叶片和根系较CK分别增加170.05%和138.01%。与10μmol/L Fe处理相比，10Fe＋Si处理下叶片和根系的相对电解质渗透率分别减少4.93%和8.76%；与1μmol/L Fe处理相比，1Fe＋Si处理下叶片和根系的相对电解质渗透率分别减少7.03%和24.91%。可见，在低铁胁迫下，增施外源Si可有效降低低铁胁迫下番茄幼苗的相对电解质渗透率。

2.3 外源硅对低铁胁迫下番茄幼苗光合色素含量的影响

从表1可以看出，与对照相比，CK＋Si处理下叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a＋b含量分别增加8.15%、8.06%和8.12%，类胡萝卜素和叶绿素a/b与对照间差异不显著；低铁胁迫显著降低叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a＋b和类胡萝卜素含量，10μmol/L Fe处理下叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a＋b、类胡萝卜素和叶绿素a/b含量分别较CK降低17.78%、16.13%、17.26%、31.58%和3.65%；1μmol/L Fe处理下叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a＋b和类胡萝卜素含量较CK分别降低63.70%、70.97%、65.99%和57.89%，叶绿素a/b较CK增加23.29%。与10μmol/L Fe处理相比，10Fe＋Si处理下叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a＋b、类胡萝卜素含量分别增加13.51%、23.08%、17.18%和7.69%；叶绿素a/b则降低。与1Fe处理相比，1Fe＋Si处理下叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a＋b、类胡萝卜素含量分别增加20.41%、77.78%、35.82%和25.00%；叶绿素a/b降低28.15%。可见，在低铁胁迫下，增施外源Si可有效增加低铁胁迫下番茄幼苗的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a＋b和类胡萝卜素含量，降低叶绿素a/b。

表1 外源硅对低铁胁迫下番茄幼苗光合色素含量的影响

2.4 外源硅对低铁胁迫下番茄幼苗光合参数的影响

由表2可知，与对照相比，CK＋Si处理下Pn、Gs和Tr分别增加16.47%、17.65%和23.15%，Ci与对照间没有明显差异；低铁胁迫显著降低Pn、Gs、Ci和Tr，10μmol/L Fe处理Pn、Gs、Ci和Tr分别较CK降低23.14%、29.41%、1.88%和30.87%，1μmol/L Fe处 理Pn、Gs、Ci和Tr分 别 较CK降 低43.40%、76.47%、36.07%和71.38%。与10μmol/LFe处理相比，10Fe＋Si处理下Pn、Gs和Tr分别增加47.62%、41.67%和52.56%，Ci降低7.81%；与1μmol/L Fe处理相比，1Fe＋Si处理下Pn、Gs、Ci和Tr分别增加23.79%、175.00%、51.09%和153.93%。可见，在低铁胁迫下，增施外源Si可有效增加低铁胁迫下番茄幼苗的Pn、Gs和Tr。

表2 外源硅对低铁胁迫下番茄幼苗光合参数的影响

2.5 外源硅对低铁胁迫下番茄幼苗叶片PSⅡ最大光化学效率的影响

由图3可知，与对照相比，CK＋Si处理下番茄幼苗叶片PSⅡ最大光化学效率增加2.19%；低铁胁迫不同程度降低了Fv/Fm，10μmol/L Fe处理较CK Fv/Fm降低0.51%；1μmol/L Fe处理Fv/Fm较CK降低9.59%。与10μmol/L Fe处理相比，10Fe＋Si处理下Fv/Fm增加2.37%；与1μmol/L Fe处理相比，1Fe＋Si处理下Fv/Fm增加5.99%。可见，在低铁胁迫下，增施外源Si可有效增加低铁胁迫下番茄幼苗的Fv/Fm。

2.6 外源硅对低铁胁迫下番茄幼苗铁元素含量的影响

从图4可以看出，与对照相比，CK＋Si处理下叶、茎和根中铁元素含量分别较CK增加11.17%、50.94%和22.69%；低铁胁迫显著降低叶、茎和根中铁元素含量，其中，10μmol/L Fe处理下叶、茎和根中铁元素含量较CK分别降低45.12%、9.86%和21.24%，1μmol/L Fe处理下叶、茎和根中铁元素含量较CK分别降低58.03%、16.38%和55.39%。与10μmol/L Fe处理相比，10Fe＋Si处理下叶、茎和根中铁元素含量分别增加72.16%、65.29%和50.30%；与1μmol/L Fe处理相比，1Fe＋Si处理下叶、茎和根中铁元素含量分别增加30.00%、3.99%和24.29%。可见，在低铁胁迫下，增施外源Si可有效增加低铁胁迫下番茄幼苗叶、茎和根中铁元素含量。

3 结论与讨论

低铁胁迫导致植物根系发生一系列变化，从而影响根系对铁素的吸收[22]。郭献平等[23]研究表明，缺铁胁迫30 d，杜梨根系中铁含量较对照显著降低。本研究结果表明，低铁胁迫显著降低叶、茎和根中铁元素含量，增施外源硅后显著促进铁元素的吸收和运输。张倩等[19]研究表明，盐胁迫下棉花幼苗电解质渗出率均显著上升，增施外源硅后，电解质渗透率显著降低。龙文靖等[24]研究表明，低铁胁迫下地上部和地下部生物量较正常铁处理均大幅度降低。本研究结果表明，缺铁胁迫下，番茄叶片和根系电解质渗透率显著增加，地上部和地下部的生物量均显著降低，增施外源硅后，番茄叶片和根系电解质渗透率显著降低，显著促进地上部和地下部的生物量积累。

在非生物胁迫的影响下，硅对光合作用和叶绿素降解的保护作用已有报道[25]。干旱胁迫下增施外源硅肥，缓解了叶绿素含量的降低，有助于提高干旱条件下番茄叶片的光化学效率[26]。GONZALO等[27]研究表明，在低铁胁迫下增施外源Si，可防止大豆叶片叶绿素降解，协助铁元素的吸收和运输。本研究结果表明，在低铁胁迫下番茄幼苗叶片光合色素含量显著下降，增施外源硅可不同程度地增加叶绿素含量，进而维持植株光合作用的正常进行。

在光合作用中，叶绿素含量是植物利用光能的重要指标[28]。本试验结果表明，与对照相比，低铁胁迫下番茄Pn、Gs、Ci、Tr不同程度降低，说明叶片气孔在胁迫条件下选择性关闭；在低铁胁迫下增施外源Si后，Pn、Gs、Tr显著增加，在1μmol/L Fe胁迫下增施外源硅后，Ci显著增加，说明1μmol/L Fe处理导致光合速率下降是由气孔限制因素引起，Si保护光合器官完整性，提高CO2利用率，增强植株光合作用。10μmol/L Fe增施外源Si后Ci略有降低，说明10μmol/L Fe处理导致光合速率下降是由非气孔限制因素引起，如低铁胁迫引起的叶绿素降解或光合相关酶活性降低等，这与李换丽[29]研究黄瓜沙培试验中光合参数变化一致。因此，硅提高逆境胁迫下植株光合作用的机制可能与植物品种和胁迫程度等因素有关。

Fo的大小和叶绿素含量有关，还和类囊体膜受损伤程度有关；Fm的大小能够反映光系统Ⅱ的电子传递速率，Fv/Fo和Fv/Fm的大小与光化学反应有关，植物在遭受逆境胁迫时Fv/Fm一般会降低[30]。本研究中，低铁胁迫番茄幼苗叶片的Fv/Fm显著降低。在低铁胁迫下，添加1.5 mmol/L外源Si能够明显缓解番茄幼苗PSⅡ的受损伤程度，减轻光抑制，因此，番茄幼苗叶片的Fv/Fm显著升高，这与陈罡等[18]在外源Si调控盐胁迫下黄瓜幼苗生长的研究结果一致。

本研究结果表明，与对照相比，在缺铁胁迫下番茄幼苗鲜物质积累量显著下降，根、茎、叶中铁元素含量显著降低，电解质渗透率显著增加，叶绿素和光合参数显著受到抑制；增施外源Si可缓解番茄幼苗黄化症状的出现，降低电解质渗透率，提高根、茎、叶中铁元素含量，增加叶绿素含量和促进光合作用，增加鲜物质的积累，这可能是由于Si促进Fe迁移到了植物中，从而保护了叶绿素的降解，进而促进光合作用，增加生物量的积累。