外源Ca2+对淹水胁迫下番茄幼苗生长的影响

张 丽， 李正丽， 蒙 辉

(1.贵州省农业科学院园艺研究所， 贵阳 550006； 2.从江县农业农村局， 贵州 从江 557400)

淹水胁迫是植物非生物胁迫当中水分胁迫的一种重要表现方式[1]。淹水使土壤水分过多，造成低氧或缺氧胁迫，改变了植物代谢方式，危害植物正常生长发育[2]。我国南方地区夏季降雨量大、时间长、洪涝灾害频发，给蔬菜生产造成巨大的损失。研究表明，淹水胁迫使棉花[3]、甜瓜[4]、苦瓜[5]、丝瓜[6]等生长受到抑制，产量降低，不利于产业的发展。

番茄(Solanumlycopersicum)作为大宗蔬菜，营养价值高，市场广阔。番茄耐旱不耐涝，目前对番茄非生物胁迫的研究主要集中在盐碱、干旱、低温、弱光等方面，而对淹水胁迫的研究相对较少。钙作为植物体内必须的营养元素，参与多种理化过程的调节。研究表明，钙参与低氧胁迫甜瓜幼苗多胺代谢过程，增强幼苗耐低氧性[7]， 缓解黄瓜NaCl胁迫对光合作用的伤害[8]，增强番茄耐弱光性[9]。吕桂云等[10]研究表明，10～20 mmol/LCa2+浸泡西葫芦种子可以缓解盐胁迫对种子萌发的抑制作用，Ca2+施用效果有一定的浓度范围。然而关于Ca2+对番茄淹水胁迫的研究鲜见报道。因此，本试验通过对番茄进行淹水处理，采用不同浓度的氯化钙(CaCl2)进行叶面喷施，探讨Ca2+对番茄淹水胁迫的作用，筛选出适宜的Ca2+浓度为实际生产上合理使用Ca2+缓解淹水胁迫提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在贵州省农业科学院园艺研究所科研基地进行，以“金棚一号”番茄为试材。

1.2 试验方法

采用穴盘育苗的方式培育幼苗，当番茄幼苗三叶一心移栽到15 cm×15 cm 的营养钵中，每钵一苗，采用田园土∶有机肥∶复合肥=8∶1∶1的营养土。番茄幼苗移栽在营养钵进行缓苗10 d，然后将栽有番茄苗的营养钵放入水池使土壤表面水层可见，水层大约2 cm。Ca2+采用CaCl2作为钙源，浓度设为0、5、10、20、40 mmol/L，以正常水分管理并喷施等量的蒸馏水为对照(ck)；W：单纯淹水胁迫；WA：淹水胁迫+5 mmol/L CaCl2；WB：淹水胁迫+10 mmol/L CaCl2；WC：淹水胁迫+20 mmol/L CaCl2；WD：淹水胁迫+40 mmol/L CaCl2。每天早晚各进行叶片正反面喷施(喷施时加入1滴Tween-20)，淹水处理第6 d取样进行指标测定，每个处理36株，3次重复。

1.3 测定指标与方法

1.3.1生长指标测定

干鲜重测定：每个处理选取8株用自来水将植株冲洗干净，再用蒸馏水冲洗一遍，用吸水纸将植株的水分擦干称鲜重。将地上部、地下部分别装入牛皮纸袋迅速放入105 ℃烘箱杀青15 min， 75 ℃烘干至恒重，称量记录干重。

1.3.2色素含量测定

参照高俊凤[11]的方法，采用打孔器打取叶片称取0.1 g，加入95%酒精20 mL，均匀混合，黑暗放置24 h，用提取液进行叶绿素、类胡萝卜素含量测定。

1.3.3抗氧化酶、渗透调节物质测定

过氧化氢(H2O2)、丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)采用苏州科铭生物技术有限公司试剂盒进行测定，可溶性蛋白参照高俊凤的G-250染色法。

1.3.4光合测定

采用Li-6400便携式光合仪(Li-Cor Inc,USA)，09：00—11：30时对各处理植株功能叶进行测定。

1.4 数据处理

数据采用Excel 2010软件绘图和SAS 8.1软件Duncan’s多重比较法进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 外源Ca2+对淹水胁迫下番茄幼苗生长的影响

淹水胁迫明显抑制了番茄幼苗的生长，其地上、地下部干鲜重比正常未淹水处理明显降低。与正常栽培相比，单纯淹水胁迫使得番茄幼苗地上、地下部鲜重、干重分别显著低于对照(ck)。淹水胁迫下，WA、WB、WC、WD处理番茄幼苗的干鲜重分别比W处理有所增加。淹水胁迫下，10 mmol/L CaCl2处理番茄幼苗地下部干重比单纯淹水胁迫显著增加，由此表明，外源Ca2+在一定程度上缓解淹水胁迫对番茄幼苗生长的抑制作用(见表1)。

表1 外源Ca2+对淹水胁迫下番茄鲜重和干重

2.2 外源Ca2+对淹水胁迫下番茄幼苗叶绿素、类胡萝卜素含量的影响

与正常栽培ck相比，淹水胁迫下番茄幼苗叶片的色素含量明显降低。W处理番茄幼苗叶片叶绿素、类胡萝卜素含量显著低于ck。与单纯淹水胁迫相比，外源喷施CaCl2处理提高了淹水胁迫下番茄幼苗叶片叶绿素含量，其中5 mmol/L CaCl2处理效果最显著。淹水胁迫显著降低了类胡萝卜素含量，与ck相比，5、10 mmol/L降幅较小(见图1)。由此可知，在淹水胁迫下，随着外源Ca2+浓度的增加，番茄幼苗叶片色素含量增加的幅度呈下降趋势，说明Ca2+对淹水胁迫下番茄幼苗叶片色素含量的影响与Ca2+浓度相关。

图1 外源Ca2+对淹水胁迫下番茄幼苗叶片叶绿素、类胡萝卜素含量

2.3 外源Ca2+对淹水胁迫下番茄幼苗MDA、H2O2含量的影响

由图2可以看出，与正常栽培条件相比，淹水胁迫第6天番茄叶片中MDA、H2O2含量显著高于ck。在淹水胁迫下，不同浓度外源CaCl2处理对番茄叶片MDA、H2O2含量的变化存在差异，喷施不同浓度 CaCl2对番茄叶片MDA含量无显著降低，而H2O2含量显著降低。说明不同浓度的CaCl2对缓解番茄淹水胁迫条件下MDA对番茄叶片的伤害无明显作用，而有助于降低淹水胁迫下H2O2含量来响应淹水胁迫。

图2 外源Ca2+对淹水胁迫下番茄幼苗叶片MDA、H2O2含量

2.4 外源Ca2+对淹水胁迫下番茄幼苗可溶性蛋白含量的影响

与正常栽培相比，淹水胁迫使得番茄幼苗叶片可溶性蛋白含量升高。不同浓度CaCl2对淹水胁迫可溶性蛋白含量的变化存在差异，其中10、20 mmol/L CaCl2处理番茄叶片可溶性蛋白含量显著高于单纯淹水胁迫，由此可知，外源Ca2+有助于提高番茄叶片渗透物质含量来缓解淹水胁迫伤害(见图3)。

图3 外源Ca2+对淹水胁迫下番茄幼苗叶片可溶性蛋白含量

2.5 外源Ca2+对淹水胁迫下番茄幼苗抗氧化酶活性的影响

由图4可以看出，淹水胁迫条件下，番茄叶片抗氧化酶活性均显著高于正常栽培。不同浓度CaCl2对淹水胁迫下番茄幼苗叶片SOD活性与单纯淹水胁迫无显著差异， 但是对CAT活性有显著的提高，其中10 mmol/L CaCl2的番茄叶片CAT活性最高，Ca2+通过提高植物抗氧化系统中酶活性来清除活性氧，抵御非生物胁迫的伤害。

图4 外源Ca2+淹水胁迫下番茄幼苗叶片SOD、CAT酶活性

2.6 外源Ca2+对淹水胁迫下番茄幼苗净光合速率的影响

与正常栽培相比，淹水胁迫使番茄幼苗净光合速率显著降低。单纯淹水胁迫第6天，番茄幼苗净光合速率显著低于正常栽培。与单纯淹水胁迫相比，外源不同浓度CaCl2处理有助于提高淹水胁迫下番茄叶片净光合速率，其中10 mmol/L番茄净光合速率最大。说明不同浓度外源CaCl2能够缓解淹水胁迫对植物光合作用的伤害，维持一定的光合水平，CaCl2的作用效果与浓度的大小有关。

3 讨论与结论

番茄喜温、耐旱不耐涝。受气候影响，在我国南方地区番茄春夏、夏秋季栽培时期极易发生连续阴雨或连续大雨至暴雨，土壤水分饱和，土中缺氧，使植物生理活动受到抑制，影响植物的生长发育，最终导致减产[1,12]。本试验研究表明，番茄幼苗在淹水处理第6天时其各项生长指标都有所降低，尤其是地上部的鲜重和地下部干重尤为明显，说明淹水胁迫对番茄幼苗的生长有抑制作用，这与姜玉萍等[1]研究的番茄、黄瓜、茄子和朱进等[5]研究的苦瓜遭受淹水胁迫导致生长受抑制的结论相一致。关于钙能够抵御非生物胁迫的伤害在甜瓜[7]、黄瓜[13]上均有报道，本试验叶面喷施5、20、40 mmol/L CaCl2处理番茄幼苗生物量与单纯淹水胁迫无显著差异，而10 mmol/L CaCl2处理显著提高了地上地下部生物量的积累，这与张恩让等[14]研究得出的淹水胁迫下外源钙能够显著促进辣椒生长的结论相一致。

图5 外源Ca2+淹水胁迫下番茄幼苗叶片净光合速率

光合色素含量的高低是衡量植物光合作用的一个重要指标，植株因外界环境因素的改变会引起光合色素含量的变化，进而改变光合性能[15]。本试验结果表明，淹水胁迫下，番茄叶绿素、类胡萝卜素含量显著降低，随着外源Ca2+浓度的增加，光合色素含量呈先增加后降低的趋势， 10 mmol/L CaCl2处理的类胡萝卜素含量显著高于淹水胁迫，这与所测净光合速率结果相一致，类胡萝卜素作为光合作用和光保护的重要参与者，此类色素是光合电子传递链膜上的抗氧化分子，通过耗散过剩的能量来保护叶绿素免受破坏[16]。根据实验结果可知，外源Ca2+通过提高淹水胁迫下叶绿素、类胡萝卜素含量，进而维持淹水胁迫条件下的光合作用水平。

细胞膜是非生物胁迫攻击的首要部位[17]。正常情况下，植物细胞内自由基的产生和清除处于平衡状态，而非生物胁迫会打破这种平衡，导致膜质过氧化[18]。MDA是膜脂过氧化分解的主要产物之一，MDA含量的高低也反映了细胞膜发生膜脂过氧化伤害程度。本研究表明，淹水胁迫使得MDA、H2O2含量显著升高，MDA和H2O2的积累达到最大。淹水胁迫下喷施钙剂使MDA含量无显著差异，而H2O2含量除5 mmol/L处理无显著差异外，其余浓度均显著降低，说明外源Ca2+参与了淹水胁迫膜质过氧化过程，而且对缓解MDA的积累作用没有H2O2敏感。

SOD、CAT作为植物自身抵御外界伤害的保护酶，其含量水平可以说明植物的耐逆性。淹水胁迫下， SOD、CAT活性显著高于正常条件，植物启动自身的防御系统来抵御伤害。淹水胁迫下，不同浓度外源Ca2+激活提升SOD、CAT活性来清除活性氧，提高植株抗逆性，10 mmol/L CaCl2处理增幅最大。

可溶性蛋白是植物体内普遍存在的物质，在逆境环境下，可以通过参与代谢活动进行保护性调节，增强抗逆性[15]。本研究中，不同浓度外源Ca2+使淹水胁迫番茄幼苗可溶性蛋白含量增加，10、20 mmol/L处理达到显著差异，说明外源Ca2+通过提高淹水胁迫下番茄可溶性蛋白含量，增强植株耐淹性。

综上，外源Ca2+的施用可以缓解淹水胁迫对番茄幼苗生长的抑制、维持光合色素含量、激活抗氧化酶系统、提高渗透物质含量，且10 mmol/L CaCl2效果最明显，说明外源Ca2+参与淹水胁迫下植株体内抗氧化系统调控，提高抗氧化酶活性、降低膜质过氧化进程、维持高水平的渗透调节能力，进而增强番茄幼苗对淹水的耐受性。关于Ca2+是如何从分子水平来调控植物淹水胁迫响应的机理有待进一步研究。