CO2加富對鹽脅迫下番茄幼苗生長和滲透調(diào)節(jié)特性的影響

李旭芬，石 玉，李 斌，侯雷平，邢國明，張 毅

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院/山西省設(shè)施蔬菜提質(zhì)增效協(xié)同創(chuàng)新中心，山西太谷 030801)

設(shè)施栽培中常出現(xiàn)CO2虧缺現(xiàn)象，尤其在冬季反季節(jié)栽培中，由于設(shè)施的密閉保溫需求以及作物進(jìn)行光合作用，導(dǎo)致設(shè)施內(nèi)CO2嚴(yán)重虧缺[5]，影響作物生長。通過CO2施肥(即CO2加富)調(diào)控栽培設(shè)施內(nèi)的CO2濃度，增強(qiáng)作物光合作用, 是實(shí)現(xiàn)設(shè)施蔬菜提質(zhì)增效的有效途徑[6]。研究發(fā)現(xiàn)，CO2加富會提高作物的光合速率，促進(jìn)植株生長[7]。李清明等[8]研究表明，CO2濃度升高可顯著促進(jìn)干旱條件下黃瓜葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓，從而增強(qiáng)植株對環(huán)境的適應(yīng)能力。可見，CO2加富有利于作物更好地進(jìn)行光合作用，抑制光呼吸，提高植株水分利用率，促進(jìn)植株生長[9]。

番茄(SolanumlycopersicumL.)是國內(nèi)外種植面積最大、廣受消費(fèi)者青睞的蔬菜作物之一[10]。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，番茄栽培技術(shù)體系不斷完善，然而設(shè)施土壤次生鹽漬化和CO2虧缺等逆境對番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)造成嚴(yán)重影響。目前，關(guān)于CO2與鹽脅迫的互作效應(yīng)研究多集中在NaCl脅迫以及兩者對作物生長和光合特性的影響等方面[11-12]，而基于Ca(NO3)2脅迫模擬設(shè)施鹽漬化土壤條件下,CO2加富對作物生長及滲透調(diào)節(jié)特性的具體影響仍不明確。為此，本試驗(yàn)以番茄為研究對象，采用水培技術(shù)，探討CO2加富對Ca(NO3)2脅迫下番茄幼苗生長及滲透調(diào)節(jié)特性的影響，以期進(jìn)一步闡明CO2加富對番茄 Ca(NO3)2脅迫傷害的緩解機(jī)制，為基于CO2施肥應(yīng)對設(shè)施土壤次生鹽漬化問題及進(jìn)行設(shè)施蔬菜抗鹽栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理

供試番茄品種為‘中雜9號’。選擇飽滿的種子，經(jīng)消毒、浸種、催芽后播于穴盤內(nèi)育苗，在人工氣候室中培養(yǎng)。設(shè)置溫度(28±1)℃/(18±1)℃(晝/夜)，光暗周期16 h/8 h，光照度為800 μmol/(m2·s)。待3葉1心時(shí)，挑選長勢一致的幼苗，定植于裝有1/2山崎番茄專用營養(yǎng)液的水培槽中進(jìn)行緩苗，約每隔3 d更換1次營養(yǎng)液，pH保持在6.2±0.2。緩苗3 d后，分別在 2 個植物生長室內(nèi)進(jìn)行CO2預(yù)處理，并通過CO2控制系統(tǒng)對生長室內(nèi)CO2釋放的時(shí)間和濃度進(jìn)行控制，分別保持在(400±20)μmol/mol和(800±40)μmol/mol。CO2預(yù)處理3 d后，在營養(yǎng)液中一次性加入80 mmol/L Ca(NO3)2，鹽處理7 d后取樣，待用。4 個處理分別為：CK、Ca、CO2、CO2+Ca，其中，CK即正常CO2濃度+無鹽脅迫，Ca即正常CO2濃度+Ca(NO3)2脅迫，CO2即CO2加富+無鹽脅迫，CO2+Ca即CO2加富+Ca(NO3)2脅迫。

1.2 試驗(yàn)方法

加鹽處理后第7天，隨機(jī)選取長勢均勻一致的幼苗3株，稱量其地上部和根系的干鮮質(zhì)量。葉片含水量采用直接稱量法[13]測定；葉片水勢參照單立山等[14]的方法測定，根系水力學(xué)導(dǎo)度參照Miyamoto等[15]的方法測定，均使用植物水分壓力室(PMS Model 3500，美國)測定；根系形態(tài)參數(shù)用根系掃描儀(MRS-9600TFU2L，上海)測定；滲透勢直接用滲透儀(Vapor Pressure Osmometer 5520，USA)測定；可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定用硫酸苯酚法[16]；可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)用考馬斯亮藍(lán)法[17]測定；游離氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)用茚三酮比色法[18]測定；脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)用磺基水楊酸法[18]測定；有機(jī)酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用酸堿滴定法[19]測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用SAS 8.1分析，用Microsoft Excel 2013作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2加富對Ca(NO3)2脅迫下番茄幼苗生長的影響

由表1可知，正常栽培條件下，CO2加富處理使番茄植株地上部和根系鮮質(zhì)量、干質(zhì)量均有所增加，且對干質(zhì)量的影響達(dá)到顯著水平。與CK相比，Ca(NO3)2脅迫下地上部和根系干鮮質(zhì)量均顯著降低，說明Ca(NO3)2脅迫對番茄幼苗生長有顯著的抑制作用。與單獨(dú)Ca(NO3)2脅迫相比，CO2加富處理后地上部鮮質(zhì)量、干質(zhì)量及根系鮮質(zhì)量、干質(zhì)量分別顯著增加1.61倍、1.60倍、0.93倍和1.04倍，說明CO2加富能有效緩解Ca(NO3)2脅迫導(dǎo)致的生物量下降，促進(jìn)鹽脅迫植株的生長，有效提高其耐鹽性。

表1 不同處理下番茄幼苗生物量積累Table 1 Biomass accumulation of tomato seedlings under different treatments

注：數(shù)據(jù)以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note：Valuesare “mean ± standard deviation”. The same alphabet with the different lowercase letters indicate a significant difference (P<0.05).The same below.

2.2 CO2加富對Ca(NO3)2脅迫下番茄葉片相對含水量的影響

由圖1可知，正常栽培條件下，CO2加富處理對番茄葉片相對含水量的影響不顯著。與CK相比，Ca(NO3)2脅迫使番茄葉片相對含水量顯著降低11.7%。與單獨(dú)Ca(NO3)2脅迫相比，CO2加富處理后葉片相對含水量有所提高，但差異不顯著。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。 Differentlowercase letters are significantly difference(P<0.05 ).The same below

圖1 不同處理下番茄葉片相對含水量
Fig.1 Leaf relative water contents of tomato seedlings under different treatments

2.3 CO2加富對Ca(NO3)2脅迫下番茄葉片水勢的影響

由圖2可知，正常栽培條件下，CO2加富處理后番茄葉片水勢顯著降低94.73%。與CK相比，Ca(NO3)2脅迫下葉片水勢降低3.5倍。與單獨(dú)Ca(NO3)2脅迫相比，CO2加富處理使葉片水勢顯著增加26.89%，說明CO2加富可以提高葉片水勢，減輕Ca(NO3)2脅迫造成的水分虧缺，提高植株的耐鹽性。

圖2 不同處理下番茄葉片水勢Fig.2 Leaf water potential of tomato seedlings underdifferent treatments

2.4 CO2加富對Ca(NO3)2脅迫下番茄根系水力學(xué)導(dǎo)度的影響

由圖3可知，正常栽培條件下，CO2加富處理后番茄根系水力學(xué)導(dǎo)度顯著降低47.4%。與CK相比，Ca(NO3)2脅迫下根系水力學(xué)導(dǎo)度降低75.7%。與單獨(dú)Ca(NO3)2脅迫相比，CO2加富處理后根系水力學(xué)導(dǎo)度降低5.4%。說明CO2加富對鹽脅迫下根系水力學(xué)導(dǎo)度無顯著影響。

圖3 不同處理下番茄根系水力學(xué)導(dǎo)度Fig.3 Root hydraulics conductivities of tomato seedlings under different treatments

2.5 CO2加富對Ca(NO3)2脅迫下番茄根系結(jié)構(gòu)的影響

由表2可知，正常栽培條件下，CO2加富處理后番茄根系總長、總表面積、平均直徑、總體積均顯著增加。與CK相比，Ca(NO3)2脅迫下根系總長、總表面積、平均直徑、總體積均降低，說明Ca(NO3)2脅迫對根系生長有抑制作用。與單獨(dú)Ca(NO3)2脅迫相比，CO2加富處理后根系總長、總表面積和總體積分別顯著增加173.99%、 269.97%和392.41%，說明 CO2加富能促進(jìn) Ca(NO3)2脅迫下的根系生長，有效提高番茄植株的耐鹽性。

表2 不同處理下番茄幼苗根系特征Table 2 Root characteristics of tomato seedlings under different treatments

2.6 CO2加富對Ca(NO3)2脅迫下番茄幼苗滲透勢的影響

由圖4可知，正常栽培條件下，CO2加富處理使番茄葉片滲透勢降低0.3%，而根系滲透勢顯著增加5.7%。與CK相比，Ca(NO3)2脅迫下葉片和根系的滲透勢分別顯著降低35.59%和12.24%。與單獨(dú) Ca(NO3)2脅迫相比，CO2加富使葉片的滲透勢顯著降低15.32%，根系滲透勢顯著增加7.2%。

圖4 不同處理下番茄幼苗滲透勢Fig.4 Osmotic potential of tomato seedlings under different treatments

2.7 CO2加富對Ca(NO3)2脅迫下番茄幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

2.7.1 可溶性糖 由圖5可知，正常栽培條件下，CO2加富處理使番茄葉片的可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加50.42%，而根系可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低59.21%。與CK相比，Ca(NO3)2脅迫下葉片和根系的可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加71.03%和40.59%、且葉片有顯著性差異。與單獨(dú)Ca(NO3)2脅迫相比，CO2加富使葉片和根系可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低11.79%和11.78%，但無顯著性差異。

2.7.2 可溶性蛋白 由圖6可知，正常栽培條件下，CO2加富處理使番茄葉片的可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，根系可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，但差異不顯著。與CK相比，Ca(NO3)2脅迫使葉片和根系的可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低53.47%和25.97%，且葉片有顯著性差異。與單獨(dú)Ca(NO3)2脅迫相比，CO2加富使葉片和根系的可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別顯著增加111.99%和 76.01%，說明CO2加富能夠促進(jìn)Ca(NO3)2脅迫下番茄幼苗體內(nèi)可溶性蛋白合成，以維持其滲透調(diào)節(jié)，提高鹽脅迫下番茄的耐鹽性。

圖5 不同處理下番茄幼苗可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.5 Soluble sugar mass fraction of tomato seedlings under different treatments

圖6 不同處理下番茄幼苗可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.6 Soluble protein mass fraction of tomato seedlings under different treatments

2.7.3 游離氨基酸 由圖7可知，正常栽培條件下，CO2加富處理后番茄葉片和根系的游離氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)均增加。與CK相比，Ca(NO3)2脅迫下葉片和根系的游離氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別顯著增加1.69倍和2.01倍。與單獨(dú)Ca(NO3)2脅迫相比，CO2加富使葉片和根系的游離氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加3.66%和76.97%，且根系差異顯著。

2.7.4 脯氨酸 由圖8可知，正常栽培條件下，CO2加富處理后番茄葉片和根系的脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)均增加。與CK相比，Ca(NO3)2脅迫下葉片和根系的脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別顯著增加 6.44倍和4.47倍。與單獨(dú)Ca(NO3)2脅迫相比，CO2加富使番茄葉片的脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加 10.93%，根系的脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低6.33%。

圖7 不同處理下番茄幼苗游離氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.7 Free amino acid mass fraction of tomato seedlings under different treatments

圖8 不同處理下番茄幼苗脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.8 Proline mass fraction of tomato seedlings under different treatments

2.7.5 有機(jī)酸 由圖9可知，正常栽培條件下，CO2加富處理后番茄葉片和根系的有機(jī)酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)均增加。與CK相比，Ca(NO3)2脅迫下葉片和根系的有機(jī)酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別顯著降低 12.95%和33.62%。與單獨(dú)Ca(NO3)2脅迫相比，CO2加富使葉片和根系的有機(jī)酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加14.62%和0.81%，且葉片差異顯著。

圖9 不同處理下番茄幼苗有機(jī)酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.9 Total organic acid of tomato seedlings under different treatments

3 討論與結(jié)論

生物量是衡量作物受脅迫程度與抗鹽能力的重要指標(biāo)[20]。本研究結(jié)果表明，Ca(NO3)2脅迫顯著抑制番茄生物量的積累，CO2加富則顯著促進(jìn)生物量積累、減輕Ca(NO3)2脅迫對番茄生長的抑制效應(yīng)，結(jié)果與前人在黃瓜[21]和大麥[22]上的相關(guān)研究一致。

鹽脅迫造成的根際環(huán)境水勢降低，會導(dǎo)致作物吸水困難，影響植株生長[23]。植株可通過調(diào)節(jié)葉片水勢、滲透勢和相對含水量等來響應(yīng)鹽脅迫傷害[24]。本研究結(jié)果顯示，Ca(NO3)2脅迫下葉片相對含水量、水勢及植株滲透勢均顯著下降，這與石玉等[25]的研究結(jié)果相似；CO2加富處理有效緩解了葉片相對含水量及其水勢的下降。可見，CO2加富在一定程度上可有效增強(qiáng)Ca(NO3)2脅迫下番茄植株的保水能力，改善其水分狀況，增強(qiáng)其抗鹽能力；同時(shí)，CO2加富下鹽脅迫植株的葉片滲透勢進(jìn)一步降低，可能與CO2加富促進(jìn)脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累有關(guān)。

根系水力學(xué)導(dǎo)度是反映根系吸收水分能力的一個重要指標(biāo)[26]。根系形態(tài)(如根系總長、總表面積、總體積和平均直徑等)直接影響根系對水分和養(yǎng)分的吸收[27]。本研究結(jié)果表明，Ca(NO3)2脅迫顯著降低番茄根系總長、總表面積及根系水力學(xué)導(dǎo)度，CO2加富處理顯著提高Ca(NO3)2脅迫植株的根系總長和總表面積，但對根系水力學(xué)導(dǎo)度的影響不顯著；CO2加富促進(jìn)鹽脅迫下根系總表面積的增加，有利于根系對水分的吸收，從而提高番茄的耐鹽性。同時(shí)，本研究結(jié)果顯示，CO2加富下番茄幼苗的相對含水量、保水能力明顯提高，但Ca(NO3)2脅迫下CO2加富如何增強(qiáng)番茄植株的水分運(yùn)輸能力及保水能力則還需進(jìn)一步 研究。

綜上所述，CO2加富能夠通過改善植株水分狀況、提高滲透調(diào)節(jié)能力，尤其是促進(jìn)可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累來增強(qiáng)番茄幼苗對 Ca(NO3)2脅迫的耐受性。