缺鐵脅迫下外源亞精胺對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

（山西農業大學園藝學院／山西省設施蔬菜提質增效協同創新中心，山西太谷 030801）

鐵（Fe）是植物必需的微量元素之一，對于促進植物的光合作用、物質和能量的代謝起著重要作用［1］。缺鐵嚴重影響番茄幼苗的生長發育，導致植株葉片黃化、葉綠體結構發育不完整、葉片捕獲光激發能轉化為化學能的能力降低，光合能力下降［2，3］。嚴重缺鐵時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育最大的限制因子之一，嚴重影響植物正常的生長發育［4］。

多胺是廣泛存在于植物體內的一類低分子含氮堿，是一種重要的植物生長調節物質，包括腐胺（Put）、精胺（Spm）、亞精胺（Spd）等［5］。Spd由于具多價陽離子特性，其生理功能更強，與植物抗逆境脅迫的關系密切，不僅可直接作為脅迫保護物質，而且還在脅迫信號轉導中作為信號分子促進脅迫抗性機制的構建［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、植物生長發育、延緩植物葉片衰老外，還可顯著提高植物對鹽、干旱、低溫、重金屬等非生物脅迫的耐受性［10］。

目前關于亞精胺（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。因此本試驗采用水培法，實施外源噴施Spd處理，研究其對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，以期為亞精胺調控番茄缺鐵脅迫技術的應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與處理

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

試驗前兩天先進行Spd葉面噴施預處理，以葉片正反兩面均勻噴施但無液體滴下為宜。4個處理為：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）。試驗處理均用山崎番茄配方營養液栽培，每5天更換1次營養液，每2天進行1次Spd葉面噴施，處理10 d時取樣，于-80℃超低溫冰箱中保存。

1.2 測定指標及方法

使用皮尺、游標卡尺測量株高、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］的方法測定相對電導率；用火焰原子吸收光度計法測量植株Fe含量，重復3次。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2016對數據進行分析和作圖，用SPSS 21.0軟件進行方差分析，用Duncan’s新復極差法進行多重比較（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 缺鐵脅迫下外源Spd對番茄生物量的影響

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對幼苗生物量影響較小，較CK未達到顯著差異。

2.2 缺鐵脅迫下外源Spd對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對番茄葉片色素含量的影響

2.3 缺鐵脅迫下外源Spd對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49.12%；LF＋Spd處理較LF凈光合速率顯著升高，達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對番茄葉片凈光合速率（Pn）的影響

2.4 缺鐵脅迫下外源Spd對番茄相對電導率的影響

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率分別降低15.33%和37.31%，可見根系對缺鐵脅迫更加敏感；單噴Spd處理的電導率與CK無顯著差異。

2.5 缺鐵脅迫下外源Spd對番茄不同部位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對番茄相對電導率的影響

表3 缺鐵脅迫下外源Spd對番茄不同部位 Fe含量的影響 （mg／kg）

3 討論

植物缺鐵時，植株矮小、葉片黃化，嚴重影響其正常生長發育。植株通過改變體內物質的分配，以積累更多的能量應對脅迫，所以生物量是植株生長發育狀況最直接的表現［11］。本試驗表明，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］在玉米干物質積累中的研究結果一致。多胺作為一種生物活性物質，被認為在生物體內信號傳遞中起“第二信使”的作用，與植物的生長、形態建成和應對脅迫的反應密切相關［13］。噴施Spd后的番茄幼苗生長狀況與對照差異不大，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基礎，可將光能轉化為化學能，對植物的生長發育至關重要。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狀況密切相關，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準，逆境脅迫下葉綠素a／b值能反映植物捕獲和轉化光能的能力。本試驗缺鐵脅迫下，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、捕獲和轉化光能的能力得以恢復。李秀等［15］研究表明，添加外源0.5 mmol／L的Spd可有效保護生姜葉片的（亞）細胞結構，降低高溫脅迫對生姜葉片的損傷，提高生姜的耐熱性。外源多胺可快速進入完整的葉綠體參與逆境條件下光合元件的保護，說明多胺可能調控葉綠體的發育及衰老進程。

光合作用是植物合成有機物質和獲得能量的根本源泉，其強弱對于植物生長、產量及抗逆性等都具有重要影響［16］。光合作用的強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。植物在逆境脅迫環境中，凈光合速率可能會下降。研究認為，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反應，其含量的減少通常伴隨著光合速率的降低［17］。本研究也發現，缺鐵脅迫處理顯著降低番茄葉片的凈光合速率。考慮到鐵素在光合作用中的影響機制，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指標更為合理［18］。張帆等［19］研究表明，外源 Spd可以有效增強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可以穩定高溫脅迫下番茄的光合系統，優化能量在PSⅡ反應中心的分配，進而緩解高溫脅迫對番茄光系統的損傷。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可快速進入完整的葉綠體，并保護光合機構免受環境脅迫的不利影響；低濃度Spd在體內和體外均增強或恢復光化學活性［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，產生膜脂過氧化分解和脫脂化作用，膜的完整性被破壞，電解質及某些小分子有機物大量滲漏，破壞細胞物質交換平衡，進而導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，植株體內的Fe含量和葉綠素含量降低，電解質滲漏率升高［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穩定性，緩解葉片MDA的進一步積累，降低葉片相對電導率，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電導率，提高植物抵抗逆境的能力。

總鐵含量是植物體內含鐵量的重要指標之一，可以體現出植物的鐵吸收和分配情況［23］。本試驗各處理根系Fe含量均顯著高于葉和莖，根與葉、莖中積累的差異，可能與其實際受到的脅迫時間有關，因為植物液泡中含有大量的鐵元素［24］。與其它元素相比，鐵在植物中的移動性較差，由根系轉運到葉枝比較困難，因此在植物體內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生的逆境作用，大大提高其耐受性。

4 結論

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電導率進一步緩解細胞膜脂過氧化程度，提高植物耐受性。