硅酸钠对苗期甜菜形态和生理生化特性影响的研究

刘 钰，范国凯，刘丹阳，於丽华，王宇光，耿 贵，*

（1．黑龙江大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150080； 2．黑龙江大学现代农业与生态环境学院，黑龙江 哈尔滨 150080）

硅是地壳和土壤中含量仅次于氧的元素，研究发现硅在植物生长发育和抗逆等过程中发挥着重要作用[1］。有研究表明，硅能够提高植物叶片的延展性，诱导植物细胞壁的物理特性发生改变[2］。 Hattori等[3］提出硅对高粱根的伸长有促进作用，并推测硅可能是增强生长区细胞壁伸长率的原因之一。此外，施硅可以减少或避免植物因缺硅而表现出的生长发育异常，并促进植物的生长发育。孙涌栋等[4］发现适宜的硅酸钠能提高黄瓜种子的发芽指数以及幼苗的主根长和下胚轴长，并发现硅能够有效改善植株对矿质营养的吸收[5］。Chen等[6］进一步提出施硅显著提高了木质部液中K+浓度，降低了木质部液渗透势；但也有研究表明硅对植物的生长没有明显的促进作用[7］。因此，硅对植物生长发育的影响机理仍需进一步研究。

甜菜（Beta vulgaris L.）属藜科，二年生草本植物，能供应世界上约35%的糖[8-9］。有关硅元素对甜菜生长的研究鲜见报道。本次试验选用甜菜品种KWS1176，在光照培养室内采用水培方法，研究硅酸钠对甜菜幼苗生长和生理生化指标的影响，探讨硅酸钠在甜菜幼苗光合作用、抗氧化能力等方面所起的作用，并为后续研究外源硅调节植物生长有关机理提供理论依据。

1 试验方法与材料

1.1 供试材料

试验材料为KWS公司提供的KWS1176品种。种子在发芽盒中均匀播种，进行蛭石培养，于光照培养室中进行发芽 （光照强度420 μmol·m-2·s-1，每天光照时间为6：00～20：00，昼夜温度为 25℃/20℃，湿度为65%）。待种子萌芽后（播种第6 d），选取长势均匀一致的幼苗移入盛有2.5 L改良半倍霍格兰营养液[3 mmol·L-1Ca（NO3）2·4H2O、 1 mmol·L-1MgSO4·7H2O、0.5 mmol·L-1NH4H2PO4、 3 mmol·L-1KCl和3 mmol·L-1NaCl］，EDTA-Fe（0.06 mmol·L-1FeSO4- EDTA）和阿农微量元素营养液的水槽中，缓苗一周后，开始进行6个不同浓度硅（Na2SiO3·9H2O）处理，分别为CK（0 mmol·L-1）、S1（0.3 mmol·L-1）、S2（0.6 mmol·L-1）、S3（1.2 mmol·L-1）、S4（2.4 mmol·L-1）、S5（4.8 mmol·L-1），并调节pH=5.7。每个处理重复5次，定期更换新营养液，并在硅处理15 d后对甜菜叶片和根系进行收获，保存样品并测定相关指标。

1.2 测定方法

测量甜菜株高；运用WinRHIZO软件扫描仪扫描第一、二对真叶的叶面积和根系面积；使用CI-340手持式光合作用测量系统测定植株最顶端叶片气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、净光合速率（Pn）和胞间CO2浓度（Ci）。采用硫代巴比妥酸显色反应法测定丙二醛（MDA)含量；采用氮蓝四唑法测定超氧化物歧化酶（SOD）活性；采用愈创木酚法测定过氧化物酶（POD）活性；采用聚乙烯吡咯烷酮法测定过氧化氢酶（CAT）活性；采用乙二胺四乙酸法测定抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性。参照文献[10-13］测定脯氨酸和可溶性糖 含量。

数据统计与分析采用Excel 2019、SPSS 26.0，作图使用Gragh Pad Prism 9、Photoshop。

2 结果与分析

2.1 硅对甜菜形态特性的影响

硅对甜菜幼苗生长有明显的促进作用。从图1看出，施加硅导致各处理间长势与CK相比差异明显，硅处理的甜菜叶柄（除第一对真叶外）较CK直立，尤其在S3、S4处理最为明显。由表1数据得出，随硅浓度的提高，甜菜株高、叶面积及根系面积呈递增趋势，且在S4处理下达最大值，分别较CK提高了41.41%、75.88%、84.12%；而当硅浓度达4.8 mmol·L-1时，株高有所降低但仍然高于CK，叶面积和根系面积却降至CK同等水平。

图1 外源硅酸钠对甜菜幼苗生长表型的影响

表1 外源硅酸钠对甜菜幼苗株高、 叶面积及根系面积的影响

施加硅酸钠使甜菜幼苗叶片、叶柄和根的生物量均呈先升高再下降的趋势。由图2可以得出，在S4处理下，甜菜幼苗各部分干重、鲜重与其他各处理之间均存在不同程度的差异性。在低水平硅（S1）的作用下，甜菜各部分鲜重变化不显著；当硅浓度为0.6～2.4 mmol·L-1（S2～S4）时，叶片、叶柄及根系鲜重显著提高，且在2.4 mmol·L-1硅处理下达最大值，3个部分的重量分别是CK的2.81、2.15、3.01倍。而当硅浓度升高至4.8 mmol·L-1时，幼苗各部分鲜重则降低至与S2相似的水平。从图2b看出，当硅浓度较低（S1、S2）时，幼苗根系干重上升幅度（12.45%、35.65%）大于叶柄干重（-1.87%、31.22%）和叶片干重（7.85%、20.88%）的上升幅度；而随着硅浓度进一步增加（S3～S5），幼苗叶柄的干重上升幅度（84.39%～209.99%）明显大于叶片（17.30%～84.97%）和根系（27.39%～142.90%）。

图2 硅对甜菜幼苗鲜重及干重的影响

2.2 外源硅对甜菜生理生化特性的影响

2.2.1 外源硅对甜菜MDA含量的影响

由图3可知，硅能够降低叶片和根系中的MDA含量。与CK相比，叶片和根系MDA含量在S1、S2和S3处理下降低幅度不显著，叶片MDA含量分别较CK降低了4.00%、4.58%和8.74%，根系MDA含量分别降低了5.02%、6.12%和8.10%。当硅浓度升高至2.4 mmol·L-1（S4）时，叶片和根系MDA含量均与CK存在明显差异，二者分别降低了13.21%和10.17%；随硅浓度继续升高，甜菜叶片和根系MDA含量较S4处理出现小幅度回升，但总量仍较CK降低了7.86%和6.08%，且与CK之间均无显著性差异（P＞0.05）。这说明低硅能缓解甜菜膜脂过氧化程度，但作用并不明显；在中、高浓度硅条件下，对根系和叶片的保护作用明显提高。

图3 硅对甜菜幼苗细胞内MDA含量的影响

2.2.2 硅对甜菜SOD、APX、CAT、POD活性的 影响

SOD是生物体内清除活性氧的首要物质。图4显示，随硅浓度的逐渐增加，甜菜叶片SOD活性总体呈下降趋势。S1～S5分别较CK降低了3.21%、10.42%、29.31%、65.34%和40.21%，根系分别较CK 降低了3.76%、24.69%、21.73%、43.32%和36.40%。 低浓度（S1）处理下，SOD活性变化在根系和叶片中均无明显差异；随着硅浓度提高至S2时，开始出现显著差异（P＜0.05）。另外，S4处理的甜菜幼苗叶片和根系中SOD活性均最低，且较CK降低幅度最大。

图4 硅对甜菜幼苗SOD和APX活性的影响

随硅浓度从S1提高至S5，甜菜叶片APX活性则呈现递减趋势，分别较CK降低了5.79%、7.59%、22.53%、37.50%和28.53%，且 除S1、S2外，各处理均与CK存在显著差异。根系APX活性变化较为平缓，即在低硅浓度（S1和S2）下，根系APX活性降低不显著，分别较CK降低了0.38%和5.75%；当浓度升高至S3～S5时，与CK相比APX活性存在显著差异（P＜0.05），分别较CK降低了16.14%、16.68%和20.27%。

由图5发现，S1～S5处理甜菜叶片CAT活性均与CK存在显著性差异（P＜0.05），分别较CK降低 了11.08%、18.77%、25.94%、63.60%和42.19%； 根系CAT活性降低较缓，在低硅（S1～S3）水平下，CAT活性显著降低（P＜0.05），分别较CK降低了8.63%、14.29%和19.81%；当硅浓度升高至S4时，CAT活性下降幅度最为显著（P＜0.05），较CK降低了31.09%；而当硅浓度继续提高至S5时，CAT活性则开始出现上升趋势，但仍较CK降低了19.88%。

图5 硅对甜菜幼苗CAT和POD活性的影响

硅处理下，POD活性在叶片和根系中均有所下降。其中S1处理下，叶片POD活性较CK下降0.92%，无显著性差异；S2～S5分别较CK下降了13.73%、8.06%、21.98%和22.44%，与CK均存在显著性差异（P＜0.05）。同时，不同硅浓度处理下，其根系POD活性均较CK显著下降（P＜0.05），且在S4下降幅度最大，并达最低值，为38.67 U·min-1·g-1FW，较CK降低了17.45%。

综上，施硅能够导致SOD、POD、CAT以及APX活性降低；叶片中各抗氧化酶活性变化幅度均大于根系，其中CAT活性下降幅度最大。这说明不同浓度硅处理下，调节甜菜根系和叶片的抗氧化酶种类和能力均存在差异。

2.2.3 硅对甜菜渗透调节物质的影响

从图6可以看出，施加硅能显著降低甜菜幼苗中脯氨酸水平。随硅浓度提高（S1～S5），幼苗叶片脯氨酸含量整体呈降低趋势，分别较对照降低了25.86%、27.91%、42.56%、52.67%和35.68%；根系脯氨酸含量较对照降低了18.00%、25.40%、39.05%、49.73%和45.00%。不同浓度硅处理之间甜菜幼苗叶片和根系可溶性糖含量均存在明显差异。各处理条件下，甜菜叶片可溶性糖含量较CK均有所下降。其中，S1较CK降低幅度相对较小，为10.39%；在中、高水平硅（S2～S5）处理下，可溶性糖含量相比CK均呈显著下降（P＜0.05）趋势，降低幅度分别为35.30%、40.67%、38.94%和43.85%。此外，根系可溶性糖含量在5个硅浓度处理下均较CK显著降低（P＜0.05），分别为20.15%、20.08%、33.77%、35.24%和42.22%。S1处理下，根系可溶性糖含量下降幅度比叶片大；在其他各浓度处理下，叶片可溶性糖含量下降幅度均比根系明显。说明随着硅浓度的增加，Na+浓度随着增加，提高了根系和叶片中Na+含量和无机离子渗透调节，进而降低了有机渗透调节物质脯氨酸和可溶性糖含量。其中，有机渗透调节物质对叶片的渗透调节作用大于根系。

图6 硅对甜菜幼苗脯氨酸和可溶性糖含量的影响

2.2.4 硅对甜菜光合作用的影响

气孔是蒸腾过程中水蒸汽从植物体内排出的主要出口，也是光合作用和呼吸作用进行气体交换的通道，能够影响蒸腾、光合等生理过程。由图7（a）、（b）看出，低水平硅（S1）处理下甜菜Gs变化不显著，仅较CK提高了6.78%；随着硅浓度的提高，甜菜叶片的Gs呈先上升再降低的趋势，分别较CK提高了40.32%、45.90%、81.21%和75.48%，与CK相比存在显著差异（P＜0.05）。甜菜幼苗Tr变化趋势与Gs一致，各处理之间存在明显差异，分别较CK提高11.19%、33.33%、51.66%、68.14%和25.46%。由 此 看 出，Gs和Tr在S4处理下达最大值，且相比CK提高幅度最大。甜菜幼苗在不同硅浓度处理下Ci和Pn变化趋势如图7（c）、（d）所示。数据表明，随着硅浓度的增加，甜菜叶片Ci逐渐降低。S1处理下，Ci与CK之间差异不显著（P＞0.05），仅较CK下降了1.58%。在S4处理下Ci降低幅度最大，并达最低值，为395.20 µmol·mol-1，较CK降低了21.14%。随硅浓度的提高，叶片Pn变化趋势与Ci相反；当硅浓度为2.4 mmol·L-1时，幼苗叶片Pn最 大，为25.23 µmol·m-2·s-1，较CK增 加 了 22.65%。

图7 外源硅对甜菜幼苗叶片Gs、Tr、Ci和Pn的影响

综上所述，在硅处理下，甜菜叶片Gs、Tr以及Pn均有提高。Gs提高说明施硅能缓解气孔的收缩，促进CO2向叶绿体的输送，致使Ci浓度降低，提高叶肉细胞Tr，即硅能使甜菜叶片维持较高的净光合速率。

2.3 硅条件下甜菜幼苗各指标间相关性及主成分分析

通过计算各指标之间的相关性得到结果如表2所示。分析表明：甜菜幼苗形态、生长生理指标之间存在不同程度的相关关系。幼苗干重、鲜重与叶面积表现出极显著（P＜0.01）的正相关关系，脯氨酸含量与干重等生长指标之间呈极显著（P＜0.01）正相关关系，而可溶性糖含量以及各抗氧化酶活性只与幼苗的生长指标呈现不同程度的负相关关系。其中POD与幼苗的干重和叶面积无显著（P＞0.05）相关性。此外，在光合作用相关指标中，Pn、Tr以及Gs与干重等生长指标间存在不同程度的正相关关系，Ci则与之呈负相关关系。

表2 甜菜幼苗叶片各指标相关性分析

根系各指标相关性如表3所示，根系干重、鲜重以及根面积之间存在极显著（P＜0.01）正相关关系，3项指标与脯氨酸之间的相关关系与叶片一致；可溶性糖含量、各抗氧化酶活性与根系生长指标间存在不同程度的负相关关系。其中POD、CAT与干重、鲜重、根面积之间的相关关系达到极显著（P＜0.01）水平，而SOD和APX与生长指标间的相关关系则较弱。

表3 甜菜幼苗根系各指标相关性分析

运用SPSS对甜菜叶片和根系所测得的所有指标进行主成分分析，并计算特征值、特征向量、贡献率和累计贡献率。分析叶片数据得到表4，前两个主成分的累计方差贡献率达到84.49%，超过了80%，既包含了原始变量的大部分信息，也降低了变量的个数。根据特征值大于1的原则，提取出两个主成分，特征值分别为10.02和1.81。第一主成分F1的贡献率为71.54%，其中特征向量中绝对值较大的分量分别是蒸腾速率、脯氨酸和POD，其值分别为-0.27、0.21和0.22，这3个指标从不同方面反映了不同硅浓度对甜菜叶片的影响。第二主成分F2的贡献率为12.95%，特征向量中绝对值较大的分量分别是干重、叶面积和脯 氨酸。

表4 甜菜幼苗叶片各指标主成分系数和贡献率

根系主成分分析结果如表5所示，前两个主成分的累计方差贡献率达到80.10%，从中提取出两个主成分，特征值分别为6.46和1.55。第一主成分F1的贡献率为64.59%，其中特征向量中绝对值较大的分量分别是鲜重、干重、根面积和脯氨酸，其值分别为0.23、0.24、0.27和0.33，从形态和渗透调节方面反映了不同硅浓度对甜菜幼苗根系的影响。第二主成分F2的贡献率为15.51%，特征向量中绝对值较大的分量分别是SOD、CAT、APX、脯氨酸、可溶性糖以及MDA含量。对筛选得到的主成分计算综合得分见表6。由表6可以看出，根系和叶片部分主成分综合得分最高的均为S4处理，最低的为S5处理，故在2.4 mmol·L-1硅处理下，甜菜的生长状况优于其他处理。

表5 甜菜幼苗根系各指标主成分系数和贡献率

表6 不同硅浓度处理的叶片和根系在第一和 第二主成分上的综合得分

3 讨论

硅虽没有被归类为植物的生物必需元素，但是大量的科学报告显示它在各种作物、植物和环境变量中的重要作用。硅在植物生命周期中具有生物活性作用[14］。本次试验中，经S4处理过的甜菜叶柄明显较其他处理直立，S3次之，其他处理间差异不明显，推测是因为硅元素主要积存在表层细胞壁，从而增加了叶片硬度，冯元琦[15］得出了相同结论。管恩太等[16］进一步提出硅可使作物表皮细胞硅质化，使作物茎、叶挺直，从而减少叶片遮阴，促进植物光合作用。本试验数据表明，随硅浓度的提高，Ci呈先降低再升高的趋势，同时叶片Pn、Gs以及Tr均与Ci呈负相关关系。推测是由于硅增加了光合作用面积，并通过改善叶片的非气孔限制因素来促进幼苗叶片的光合速率，但硅一旦超过植物所能吸收的阈值，叶片的Gs就会降低，水分利用效率下降进而导致光合速率受到抑制[17］。

施硅能够在一定程度上降低黄瓜叶片中MDA的含量[18］；本试验得出除S4外，各处理与CK相比MDA含量均无显著性差异。但Kim等[19］研究表明，施硅能调节活性氧的产生，减少电解质渗漏和MDA含量，并减少植株对有毒离子的吸收，以诱导抗氧化酶活性增强，提高植株抗性。由此推测，植物在未受胁迫的条件下，硅对植株MDA含量的影响较弱甚至无影响；而在生物及非生物胁迫下，施加硅则能够明显推动植株抗氧化酶系统发挥作用，从而保证植物正常生长[20］。此外，本试验中SOD、APX、POD和CAT活性变化均呈先降低再升高的趋势，叶片抗氧化酶活性降低幅度明显大于根系，这与钱琼秋[18］所得的结论相符。此外，CAT活性下降幅度最大，这说明不同浓度硅处理下，调节甜菜根系和叶片抗氧化酶的种类和能力均存在差异。脯氨酸、可溶性糖能通过改变细胞液浓度和细胞渗透势来防止细胞脱水[21］。通过分析发现二者在硅的作用下均呈递减趋势。Yin 等[22］研究表明，加硅能够使黄瓜叶片中的脯氨酸含量得到明显降低，以改善此环境下黄瓜植株的渗透平衡，范培培等[5］和Romero-Aranda等[23］也得出相同结论。推测是随着硅的施入，Na+含量随之增加，提高了根系和叶片中Na+含量和无机离子的渗透调节能力，进而降低了有机渗透调节物质脯氨酸和可溶性糖含量。彭春雪等[9］的研究表明，甜菜在3 mmol·L-1Na+条件下生长状况最好，Na+浓度大于3 mmol·L-1时甜菜的生长将会受到抑制，在本试验中Na+浓度均高于3 mmol·L-1，而在此情况下并未发现甜菜的生长受到抑制，反而在S4条件下生长状态最优，故可以推测硅元素一方面缓解了Na+对甜菜造成的影响，另一方面还促进了甜菜的生长。

通过相关性分析和主成分分析的方法对不同浓度梯度的硅处理下栽培甜菜形态和生理生化指标进行评价，将多个指标转化为一个具有代表性的综合评价指标[24］。通过计算综合得分得出甜菜叶片和根系均在S4处理下排名最高，综合得分分别为0.72和1.52。结合生物量数据分析，2.4 mmol·L-1处理下甜菜叶片和根系长势均优于其他处理，由此得出该浓度对甜菜生长的促进作用最强。植物响应外界环境所产生的生理生化过程较为复杂[25］，通过主成分分析得出外源硅酸钠条件下，甜菜叶片的Tr、脯氨酸含量和POD活性以及根系的鲜重、干重、根面积和脯氨酸含量具有绝对值较大的负荷系数，由此推测这些指标可能是甜菜在硅酸钠条件下起关键调节作用的指标。

4 结论

不同硅浓度对甜菜幼苗形态和生理生化特性的影响不同。本试验得出，当硅酸钠浓度为2.4 mmol·L-1时，对甜菜幼苗生长的促进作用最明显，明显提高了甜菜幼苗的株高和根、叶面积，并提高了叶柄和叶片硬度，进而促进幼苗的直立生长。硅能够促进甜菜叶片进行光合作用，Gs、Tr和Pn在硅酸钠的作用下均有所提高。硅能够提高细胞膜、细胞壁的稳定性，降低质膜MDA含量，进而降低体内的抗氧化能力。通过相关性及主成分分析发现,幼苗叶片Tr、脯氨酸含量和POD活性3个指标以及根系的鲜重、干重、根面积和脯氨酸含量4个指标对甜菜生长的指示性最强，可以作为衡量硅酸钠对甜菜生长影响的主要形态和生理指标。由此得出，在今后的室内培养过程中可在改良的培养液中适当加入硅元素，来提高甜菜叶柄直立程度，减少倒伏现象，有效调节并促进植株生长。同时，也为后续探索外源硅调节植物生长和缓解植物非生物胁迫相关机制提供理论依据。