缺鐵脅迫下外源亞精胺對(duì)番茄幼苗生長及生理特性的影響

姚棋，趙鑫，陳浩婷，石玉，侯雷平，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）

鐵（Fe）是植物必需的微量元素之一，對(duì)于促進(jìn)植物的光合作用、物質(zhì)和能量的代謝起著重要作用［1］。缺鐵嚴(yán)重影響番茄幼苗的生長發(fā)育，導(dǎo)致植株葉片黃化、葉綠體結(jié)構(gòu)發(fā)育不完整、葉片捕獲光激發(fā)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的能力降低，光合能力下降［2，3］。嚴(yán)重缺鐵時(shí)葉綠體被解離或液泡化，從而影響葉綠素的形成。

雖然大多數(shù)土壤中全鐵含量較高，但由于受不同土壤因素和植物基因型的影響，植物吸收到體內(nèi)的可利用鐵含量往往不足。土壤有效鐵含量不足成為作物生長發(fā)育最大的限制因子之一，嚴(yán)重影響植物正常的生長發(fā)育［4］。

多胺是廣泛存在于植物體內(nèi)的一類低分子含氮堿，是一種重要的植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)，包括腐胺（Put）、精胺（Spm）、亞精胺（Spd）等［5］。Spd由于具多價(jià)陽離子特性，其生理功能更強(qiáng)，與植物抗逆境脅迫的關(guān)系密切，不僅可直接作為脅迫保護(hù)物質(zhì)，而且還在脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中作為信號(hào)分子促進(jìn)脅迫抗性機(jī)制的構(gòu)建［6］。研究表明，噴施Spd能提高高溫脅迫下生菜植株的生長量、根系活力、葉綠素含量，緩解高溫對(duì)生菜的危害［7］。外源Spd可顯著提高高溫下番茄幼苗的地上部鮮重和生物量積累，緩解幼苗徒長和葉片黃化，促進(jìn)光合色素合成，顯著增加葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的含量［8，9］。多胺除參與種子萌發(fā)、植物生長發(fā)育、延緩植物葉片衰老外，還可顯著提高植物對(duì)鹽、干旱、低溫、重金屬等非生物脅迫的耐受性［10］。

目前關(guān)于亞精胺（Spd）在植物逆境脅迫方面的研究大多集中在高溫脅迫方面，而在重金屬等非生物脅迫耐受性等方面的研究還較少，鐵脅迫下的番茄抗逆情況還未有研究。因此本試驗(yàn)采用水培法，實(shí)施外源噴施Spd處理，研究其對(duì)缺鐵脅迫和正常生長下番茄幼苗生物量、光合特性及鐵素含量的影響，以期為亞精胺調(diào)控番茄缺鐵脅迫技術(shù)的應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理

本試驗(yàn)供試番茄品種為‘Micro-tom’。選其飽滿種子，浸種催芽、播種。幼苗2片真葉完全展開時(shí)定植于日光溫室內(nèi)盛有1／2個(gè)劑量的日本山崎番茄配方營養(yǎng)液的水培槽中，緩苗5天后進(jìn)行試驗(yàn)處理。

試驗(yàn)前兩天先進(jìn)行Spd葉面噴施預(yù)處理，以葉片正反兩面均勻噴施但無液體滴下為宜。4個(gè)處理為：CK（正常鐵濃度：100μmol／L EDTAFe）；LF（缺鐵濃度：10μmol／L EDTA-Fe）；Spd（CK＋噴施 0.25 mmol／L Spd）；LF＋Spd（10 μmol／L EDTA-Fe＋噴施0.25 mmol／L Spd）。試驗(yàn)處理均用山崎番茄配方營養(yǎng)液栽培，每5天更換1次營養(yǎng)液，每2天進(jìn)行1次Spd葉面噴施，處理10 d時(shí)取樣，于-80℃超低溫冰箱中保存。

1.2 測定指標(biāo)及方法

使用皮尺、游標(biāo)卡尺測量株高、莖粗。地上部和地下部分開后洗凈擦干、稱其鮮重，后置于烘箱中烘干稱干重。取番茄幼苗葉片采用乙醇提取法進(jìn)行色素含量測定；采用Li-6400光合儀測定凈光合速率（Pn）；參照何明明［4］的方法測定相對(duì)電導(dǎo)率；用火焰原子吸收光度計(jì)法測量植株Fe含量，重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和作圖，用SPSS 21.0軟件進(jìn)行方差分析，用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 缺鐵脅迫下外源Spd對(duì)番茄生物量的影響

由表1可知，與CK相比，缺鐵脅迫（LF）下番茄幼苗生物量生長受到明顯抑制，單株地上部鮮重、地下部鮮重、總鮮重分別降低 45.39%、70.65%和51.79%，株高降低28.14%；與LF相比，LF＋Spd處理的單株地上部鮮重、地下部鮮重、總鮮重分別顯著增加42.57%、62.96%和45.71%，但株高、莖粗無明顯差異；而單噴Spd對(duì)幼苗生物量影響較小，較CK未達(dá)到顯著差異。

2.2 缺鐵脅迫下外源Spd對(duì)番茄葉片光合色素含量的影響

由表2可知，與CK相比，缺鐵脅迫下葉片色素含量均顯著降低，LF處理葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素、葉綠素（a＋b）、葉綠素 a／b分別降低27.89%、15.15%、41.67%、23.94%和 14.80%；LF＋Spd處理葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素、葉綠素（a＋b）顯著高于 LF，分別增加23.58%、12.50%、28.57%和19.75%；與 CK相比，單噴Spd的葉綠素a、葉綠素（a＋b）分別增加11.56%和9.86%。

表2 缺鐵脅迫下外源Spd對(duì)番茄葉片色素含量的影響

2.3 缺鐵脅迫下外源Spd對(duì)番茄葉片凈光合速率的影響

由圖1可知，缺鐵脅迫下，番茄葉片凈光合速率顯著降低，LF處理較CK降幅達(dá)49.12%；LF＋Spd處理較LF凈光合速率顯著升高，達(dá)22.91%；單噴Spd處理較CK凈光合速率增加17.89%。

圖1 鐵脅迫下外源Spd對(duì)番茄葉片凈光合速率（Pn）的影響

2.4 缺鐵脅迫下外源Spd對(duì)番茄相對(duì)電導(dǎo)率的影響

由圖2可以看出，缺鐵脅迫下番茄葉片和根系的電導(dǎo)率均顯著增加，比 CK 分別增加141.91%和171.09%；LF＋Spd處理較LF，其葉片及根系的電導(dǎo)率分別降低15.33%和37.31%，可見根系對(duì)缺鐵脅迫更加敏感；單噴Spd處理的電導(dǎo)率與CK無顯著差異。

2.5 缺鐵脅迫下外源Spd對(duì)番茄不同部位Fe含量的影響

由表3可知，與CK相比，LF處理植株各部位Fe含量均顯著降低；與LF相比，LF＋Spd處理葉、莖Fe含量分別降低11.36%和17.96%，根Fe含量增加87.04%；與CK相比單噴Spd處理葉、莖、根Fe元素含量均降低，降幅分別為2.07%、19.25%和45.51%。

圖2 缺鐵脅迫下外源Spd對(duì)番茄相對(duì)電導(dǎo)率的影響

表3 缺鐵脅迫下外源Spd對(duì)番茄不同部位 Fe含量的影響 （mg／kg）

3 討論

植物缺鐵時(shí)，植株矮小、葉片黃化，嚴(yán)重影響其正常生長發(fā)育。植株通過改變體內(nèi)物質(zhì)的分配，以積累更多的能量應(yīng)對(duì)脅迫，所以生物量是植株生長發(fā)育狀況最直接的表現(xiàn)［11］。本試驗(yàn)表明，番茄幼苗生長受缺鐵脅迫影響顯著，苗高明顯降低、鮮重減少。這與龍文靖等［12］在玉米干物質(zhì)積累中的研究結(jié)果一致。多胺作為一種生物活性物質(zhì)，被認(rèn)為在生物體內(nèi)信號(hào)傳遞中起“第二信使”的作用，與植物的生長、形態(tài)建成和應(yīng)對(duì)脅迫的反應(yīng)密切相關(guān)［13］。噴施Spd后的番茄幼苗生長狀況與對(duì)照差異不大，這可能是由于試材為矮化品種所致，鮮重雖有所增加，但均未形成顯著差異。

葉綠素作為光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，可將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，對(duì)植物的生長發(fā)育至關(guān)重要。葉綠素主要包括葉綠素a和葉綠素b，其含量與植物的營養(yǎng)狀況密切相關(guān)，直接影響光合效率。鐵雖然不是葉綠素的組分，但卻參與葉綠素的合成［14］。葉綠素含量是判斷植物缺鐵的標(biāo)準(zhǔn)，逆境脅迫下葉綠素a／b值能反映植物捕獲和轉(zhuǎn)化光能的能力。本試驗(yàn)缺鐵脅迫下，番茄葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量均顯著降低，葉綠素a／b值減小，說明葉綠素合成受到抑制，葉片捕獲和轉(zhuǎn)化光能的能力下降；噴施外源Spd后，植株葉片光合色素增加、葉綠素a／b值增大、捕獲和轉(zhuǎn)化光能的能力得以恢復(fù)。李秀等［15］研究表明，添加外源0.5 mmol／L的Spd可有效保護(hù)生姜葉片的（亞）細(xì)胞結(jié)構(gòu)，降低高溫脅迫對(duì)生姜葉片的損傷，提高生姜的耐熱性。外源多胺可快速進(jìn)入完整的葉綠體參與逆境條件下光合元件的保護(hù)，說明多胺可能調(diào)控葉綠體的發(fā)育及衰老進(jìn)程。

光合作用是植物合成有機(jī)物質(zhì)和獲得能量的根本源泉，其強(qiáng)弱對(duì)于植物生長、產(chǎn)量及抗逆性等都具有重要影響［16］。光合作用的強(qiáng)弱可以通過光合速率大小來反映，光合速率越大，說明植物光合作用的水平越高。植物在逆境脅迫環(huán)境中，凈光合速率可能會(huì)下降。研究認(rèn)為，與葉綠素b相比，葉綠素a是更為重要的光合色素，參與光合作用的光化學(xué)反應(yīng)，其含量的減少通常伴隨著光合速率的降低［17］。本研究也發(fā)現(xiàn)，缺鐵脅迫處理顯著降低番茄葉片的凈光合速率?？紤]到鐵素在光合作用中的影響機(jī)制，將凈光合效率作為植物抗缺鐵性基因型選擇的首選光合參數(shù)指標(biāo)更為合理［18］。張帆等［19］研究表明，外源 Spd可以有效增強(qiáng)低溫弱光下辣椒幼苗的光合作用。蘇曉瓊等［20］研究亦證明，添加外源Spd可以穩(wěn)定高溫脅迫下番茄的光合系統(tǒng)，優(yōu)化能量在PSⅡ反應(yīng)中心的分配，進(jìn)而緩解高溫脅迫對(duì)番茄光系統(tǒng)的損傷。本研究噴施外源Spd處理的葉片凈光合速率顯著升高。這是由于外源施加的Spd可快速進(jìn)入完整的葉綠體，并保護(hù)光合機(jī)構(gòu)免受環(huán)境脅迫的不利影響；低濃度Spd在體內(nèi)和體外均增強(qiáng)或恢復(fù)光化學(xué)活性［21］。

缺鐵脅迫與其它逆境傷害一樣，最先受到攻擊的都是作物的膜系統(tǒng)，產(chǎn)生膜脂過氧化分解和脫脂化作用，膜的完整性被破壞，電解質(zhì)及某些小分子有機(jī)物大量滲漏，破壞細(xì)胞物質(zhì)交換平衡，進(jìn)而導(dǎo)致一系列生理生化代謝紊亂，使植物受到傷害［22］。研究表明，缺鐵脅迫下，番茄幼苗生長受到明顯抑制，植株體內(nèi)的Fe含量和葉綠素含量降低，電解質(zhì)滲漏率升高［4］。而一定濃度的Spd可顯著提高高溫脅迫下黃瓜幼苗的膜系統(tǒng)穩(wěn)定性，緩解葉片MDA的進(jìn)一步積累，降低葉片相對(duì)電導(dǎo)率，提高抗性［5］。本研究中，外源 Spd處理同樣降低脅迫下番茄葉片和根系的相對(duì)電導(dǎo)率，提高植物抵抗逆境的能力。

總鐵含量是植物體內(nèi)含鐵量的重要指標(biāo)之一，可以體現(xiàn)出植物的鐵吸收和分配情況［23］。本試驗(yàn)各處理根系Fe含量均顯著高于葉和莖，根與葉、莖中積累的差異，可能與其實(shí)際受到的脅迫時(shí)間有關(guān)，因?yàn)橹参镆号葜泻写罅康蔫F元素［24］。與其它元素相比，鐵在植物中的移動(dòng)性較差，由根系轉(zhuǎn)運(yùn)到葉枝比較困難，因此在植物體內(nèi)鐵的利用和再利用率很低，也容易在根系中滯留積累［25］。本試驗(yàn)中，缺鐵條件下番茄各部位Fe含量均顯著降低，噴施Spd顯著提高根系Fe元素含量，能有效緩解缺鐵脅迫產(chǎn)生的逆境作用，大大提高其耐受性。

4 結(jié)論

缺鐵脅迫下植株生長受到顯著抑制，番茄葉片色素含量大幅度降低，光合作用受到抑制，凈光合速率減小，電導(dǎo)率升高，且植株各部位Fe元素含量降低；外源Spd處理有效緩解缺鐵脅迫給植株帶來的傷害，提高葉綠素a、葉綠素b含量，增大葉綠素a／b比值，增加葉片捕獲和轉(zhuǎn)化光能的能力，提高凈光合速率，增加根系Fe含量，并通過降低葉片和根系的相對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)一步緩解細(xì)胞膜脂過氧化程度，提高植物耐受性。