光照度和基質(zhì)含水量互作對加工型番茄幼苗根系生長及生理影響的綜合評價

孫世君 趙斌 張海博 武秀梅 李艷麗 魏娜

摘要：研究不同光照度和基質(zhì)含水量互作對加工型番茄幼苗根系生長和生理特性的影響。以加工型番茄品種屯河9號為試材，采用固體基質(zhì)盆栽的方式，研究在500、300、100 μmol/（m2·s）光照度下，不同基質(zhì)含水量（基質(zhì)最大持水量的80%、70%、60%）對加工型番茄幼苗根系生長、抗氧化酶活性等生理特性的影響，并運用主成分分析的方法對不同光照度和基質(zhì)含水量處理加工型番茄幼苗根系生長與生理指標進行綜合分析與評價。結(jié)果表明，當(dāng)光照度為500 μmol/（m2·s），基質(zhì)含水量為80%時，加工型番茄幼苗的根長、根表面積和根體積均顯著高于其他處理組合，隨著光照度降低，加工型番茄幼苗的根系生長受到抑制，抗氧化酶活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)（可溶性蛋白、脯氨酸）含量、總?cè)~綠素含量呈降低趨勢，丙二醛（MDA）含量呈升高趨勢;加工型番茄的總?cè)~綠素含量與根表面積呈顯著正相關(guān)，脯氨酸含量與根長呈顯著正相關(guān)，SOD活性與平均直徑呈極顯著正相關(guān);主成分分析選擇3個主成分對加工型番茄的生長和生理指標進行評價，3個主成分的累積貢獻率已達85.236%;綜合得分排名第一的是光照度為500 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為80%處理，光照度為300 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為70%和光照度為100 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為60%處理的綜合排名都比同等光照度下其他基質(zhì)含水量處理排名高。因此，光照度為500 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為80%時，最有利于加工型番茄幼苗根系的生長和生理活動，當(dāng)光照度不足時，適當(dāng)降低基質(zhì)含水量可以增強加工型番茄幼苗對弱光的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：加工型番茄;光照度;基質(zhì)含水量;生長;主成分分析

中圖分類號：S641.201 ??文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）08-0145-06

內(nèi)蒙古河套地區(qū)是我國加工番茄優(yōu)質(zhì)的原料生產(chǎn)基地，栽培種植面積僅次于新疆，居國內(nèi)第 2位[1]。正所謂“壯苗三分收，弱苗一半丟”，培育壯苗是豐產(chǎn)增收的重要前提，但是由于設(shè)施內(nèi)育苗過程中覆蓋物、灰塵、陰天等造成的弱光逆境以及存在的澆水不規(guī)范等問題，極易培育成“徒長苗”等亞健康苗，導(dǎo)致幼苗質(zhì)量下降，影響番茄的生長、花芽分化及果實發(fā)育，最終導(dǎo)致加工型番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)降低[2]。因此，如何協(xié)調(diào)光照度和根際水分條件培育壯苗，已然成為河套地區(qū)設(shè)施內(nèi)加工型番茄育苗過程中需要解決的重要科學(xué)問題。王克磊等研究發(fā)現(xiàn)，鮮食番茄植株在全光照下，基質(zhì)含水量為80%時，植株生長最好[3]。蔣芳玲等研究發(fā)現(xiàn)，100%光照、80%基質(zhì)含水量互作降低了不結(jié)球白菜的非輻射能量耗散，將更多的吸收光能用于光化學(xué)反應(yīng)，表現(xiàn)為凈光合速率、蒸騰速率、最大光化學(xué)效率、實際光化學(xué)效率最高，初始熒光和非光化學(xué)猝滅系數(shù)最低[4]。不同的水分與光照互作同樣對鐵皮石斛生長、光合特性及可溶性糖含量具有顯著影響[5]。然而不同光照度和基質(zhì)含水量互作對加工型番茄幼苗植株生長及生理特性影響的研究相對較少。

因此，本試驗以河套地區(qū)主栽的加工型番茄為材料，采用固體基質(zhì)栽培的方法，探索光照度和基質(zhì)含水量互作對加工型番茄幼苗生長發(fā)育及生理特性的影響，以期為新疆河套地區(qū)加工番茄育苗過程中的光照和水分管理提供理論依據(jù)，同時也為河套地區(qū)構(gòu)建加工型番茄的高效育苗技術(shù)集成與示范奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗設(shè)計

試驗于2020年10—11月在內(nèi)蒙古河套學(xué)院農(nóng)學(xué)系作物栽培室內(nèi)進行。供試加工型番茄品種為屯河9號。于2020年10月1日浸種催芽，10月4日選擇芽長一致的種子播于50孔穴盤，每穴1粒，在上海智城人工氣候培養(yǎng)箱（ZXOP-R1700）中生長，待幼苗2葉1心時移入裝有專用育苗基質(zhì)的花盆（上直徑為12 cm、下直徑為9.5 cm、高為8 cm）中，每盆1株。本研究基質(zhì)含水量設(shè)3個水平：基質(zhì)最大持水量的80%、70%、60%，基質(zhì)最大持水量為100.08%，采用吸水烘干法測定，每天09：00、 15：00 用灌水法調(diào)節(jié)基質(zhì)含水量。利用上海智城人工氣候培養(yǎng)箱（ZXOP-R1700）將光照度設(shè)3個水平：500 μmol/（m2·s）（正常光照度）、300 μmol/（m2·s）（銀灰色遮陽網(wǎng)覆蓋，輕度遮陰）、100 μmol/（m2·s）（黑色遮陽網(wǎng)覆蓋，重度遮陰），每天光照12 h。光照度用ZDS-10型照度計進行測定。將不同光照度和基質(zhì)含水量進行組合，共9個處理組合（表1），每個處理重復(fù)3次。于試驗開始后20 d，每個處理隨機選取5株加工型番茄幼苗，測定生長指標和生理指標。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 加工型番茄幼苗根系生長指標的測定方法

采用根系掃描和圖像分析法測定加工型番茄根系的生長。具體方法：將加工型番茄幼苗根系洗凈，并去除死根后，將根系擺放于盛滿水的玻璃器皿中，將多級側(cè)根及須根分開，盡量不要使根系交織重疊。利用根系專用掃描儀（Epson V500，USA）將根系掃描成圖像文件，再將掃描好的圖像文件用圖像分析軟件（Win-RHIZO，Canada）計算加工番茄根長（cm）、 根表面積（cm2）、 根體積（cm3）、平均直徑（mm），最后將各層根系分別裝入紙袋中，85 ℃烘干至恒質(zhì)量，測定根質(zhì)量（g）。

1.2.2 加工番茄幼苗生理指標的測量方法

采用硝基四氮唑藍（NBT）還原法測定加工番茄根系的超氧化物歧化酶（SOD）活性;采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶活性（POD）活性;過氧化氫酶（CAT）活性按李合生（2000）的方法測定[6];采用硫代巴比妥酸（TBA）法測定丙二醛（MDA）含量;采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量;采用茚三酮比色法測定脯氨酸含量;可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍G-250染色法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS17.0軟件進行方差分析及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 光照度和基質(zhì)含水量互作對加工型番茄幼苗根系生長指標的影響

從表2可以看出，不同光照度和基質(zhì)含水量互作顯著影響加工型番茄幼苗根系的生長。其中，GG處理的加工型番茄幼苗的根長、根表面積和根體積均顯著高于GZ、GD處理，GD處理的根長和根表面積最低，且根體積與GZ處理差異不顯著，GG、GZ處理的平均直徑、根干質(zhì)量差異不顯著，但二者均顯著高于GD處理。隨著光照度的降低，加工型番茄幼苗的根系生長和干物質(zhì)的積累受到抑制，ZZ處理的根表面積顯著高于ZG、ZD處理，ZZ、ZG處理的根長、根體積和平均直徑不存在顯著差異，但均顯著高于ZD處理，ZG處理根干質(zhì)量最高，ZD處理的根干質(zhì)量最低。DD處理的根長和根體積顯著高于DG、DZ處理，DG處理的根長、根體積最低，DD、DZ處理的根表面積、平均直徑和根干質(zhì)量差異不顯著，但二者均顯著高于DG處理。

2.2 光照度和基質(zhì)含水量互作對加工型番茄幼苗生理指標的影響

從表3可以看出，隨著光照度降低，加工型番茄幼苗的總?cè)~綠素含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、SOD活性、POD活性總體呈降低趨勢，而丙二醛含量呈升高趨勢。當(dāng)光照度為500 μmol/（m2·s）時，GG處理的總?cè)~綠素含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量和SOD活性均顯著高于GZ、GD處理，GG、GZ處理的POD活性和丙二醛含量差異不顯著，GD處理的總?cè)~綠素含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、SOD活性、POD活性最低，丙二醛含量最高。當(dāng)光照度為300 μmol/（m2·s）時，ZZ處理的總?cè)~綠素含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量和SOD活性均顯著高于ZG、ZD處理，ZG處理的可溶性蛋白含量、SOD活性顯著高于ZD處理，總?cè)~綠素含量和脯氨酸含量與ZD處理差異不顯著，ZZ處理POD活性與ZD處理差異不顯著，但是二者均顯著高于ZG處理，ZZ處理丙二醛含量與ZG處理差異不顯著，但是二者均顯著低于ZD處理。當(dāng)光照度為 100 μmol/（m2·s） 時，DD處理的總?cè)~綠素含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量和SOD活性與DZ處理比差異不顯著，但是DD處理的總?cè)~綠素含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、SOD活性均顯著高于DG處理，3個處理間POD活性均存在顯著差異，且 DD>DZ>DG，DG處理和DZ處理的丙二醛含量差異不顯著，但是二者均顯著高于DD處理，可見當(dāng)光照度降低時，適當(dāng)?shù)目刂苹|(zhì)含水量可以提高加工型番茄幼苗的生理活性，增強幼苗的耐弱光能力。

2.3 光照度和基質(zhì)含水量互作條件下加工型番茄幼苗生長和生理指標的相關(guān)性分析

從表4可以看出，將數(shù)據(jù)進行標準化處理后進行相關(guān)性分析，總?cè)~綠素含量與根表面積呈顯著正相關(guān)，即加工型番茄葉片中葉綠素含量的升高，有利于加工型番茄根表面增加;脯氨酸含量與根長呈顯著正相關(guān)，即當(dāng)加工型番茄遭受逆境（弱光、干旱）時，脯氨酸含量升高，能夠緩解逆境脅迫對加工型番茄根系根長生長的抑制作用;SOD活性與MDA含量呈顯著負相關(guān)，與平均直徑呈極顯著正相關(guān)，即提高SOD活性，將增強植物體內(nèi)活性氧的清除能力，導(dǎo)致膜脂過氧化產(chǎn)物MDA含量降低，同時，SOD活性高低還直接制約著加工型番茄根系平均直徑的生長。根表面積和根體積的相關(guān)系數(shù)達到0.85以上，呈顯著正相關(guān)。表明不同指標間相關(guān)性較強，可用PCA對其進行綜合分析。

2.4 光照度和基質(zhì)含水量互作對加工型番茄幼苗生長和生理指標影響的主成分分析

利用SPSS 19.0軟件中降維因子對加工型番茄幼苗11個生長和生理指標進行主成分分析，意圖將多個變量降維為少數(shù)幾個變量，從而達到簡化指標的目的。從表5可以看出，特征值大于1.000 0的主成分有3個，方差貢獻率分別為56.253%、16.121%、12.862%，累計貢獻率達到了85.236%，由此可以說明，3個主成分代表了9個不同光照度和基質(zhì)含水量互作處理對加工型番茄的葉綠素含量、可溶性蛋白含量和根干質(zhì)量等影響情況。

從表6可以看出，可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、根體積和根干質(zhì)量在第一主成分上有較高的特征向量，表明第一主成分主要反映了加工型番茄的可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、根體積和根干質(zhì)量指標的信息，可總結(jié)為加工型番茄根系生長和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)指標;第二主成分的主要指標包括脯氨酸含量、POD活性和MDA含量，可總結(jié)加工型番茄抗氧化和膜脂過氧化指標;總?cè)~綠素含量、根長、平均直徑和根干質(zhì)量在第三主成分上具有較高的特征向量，表明第三主成分主要反映加工型番茄總?cè)~綠素含量、根長、平均直徑和根干質(zhì)量指標的信息，可總結(jié)為加工型番茄根系生長和光合生理指標。

2.5 光照度和基質(zhì)含水量互作對加工型番茄幼苗生長和生理指標影響的綜合評價

由于主成分分析中，前3個組分反映了加工型番茄樣品中11個生長和生理指標信息的85.236%，因此，可以利用前3個主成分對不同處理的加工型番茄11個生長和生理指標進行綜合評價，綜合評價函數(shù)是計算每個主成分得分與其對應(yīng)貢獻率之乘積總和，即F=56.253%×F1+16.121%×F2+12.862%×F3，按綜合評價函數(shù)計算出的不同處理加工型番茄生長和生理指標各主成分值、成分綜合得分及排序（表7），3個主成分綜合得分最高的為GG處理，其次為GZ、ZZ處理，從整體看，基質(zhì)含水量相同時，隨著光照度降低，各處理的綜合得分呈降低趨勢。表明加工型番茄生長和生理活動首先需要相對較強的光照度，當(dāng)光照度降低后，適當(dāng)?shù)亟档突|(zhì)的含水量，有利于提高加工型番茄幼苗的耐弱光能力。

3 討論與結(jié)論

植物對環(huán)境條件的適應(yīng)性，應(yīng)該結(jié)合植株形態(tài)、生理、生化等指標進行綜合分析，單一指標難以全面真實地反應(yīng)植物的生長狀況[7]。本研究運用主成分分析對不同光照度和基質(zhì)含水量處理的加工型番茄生長和生理指標進行綜合評價，根據(jù)加權(quán)后的主成分得分可知，當(dāng)光照度為500 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為80%時，加工型番茄幼苗的生長和生理表現(xiàn)最好。同時，本試驗研究表明，光照度是影響植物根系生長和生理代謝活動的主要因子，隨著光照度降低，加工型番茄根系生長生理活動受到抑制，這與楊虎彪等的研究結(jié)果[8]一致，光照度降低后，提高土壤水分含量，吊羅山薹草的根系生長和生理活動同樣受到抑制。光照度降低，直接影響加工型番茄光合作用和碳水化合物的積累，造成根系生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)不足，即使提高基質(zhì)含水量，由于植物的蒸騰速率和凈光合速率降低，水分利用效率減弱，阻礙了植株地上部和地下部進行正常的物質(zhì)交換，也會影響植株根系的生長和生理活動[9]。

加工型番茄的總?cè)~綠素含量與根表面積呈顯著正相關(guān);脯氨酸含量與根長呈顯著正相關(guān)，SOD活性與根系平均直徑呈極顯著正相關(guān)，表明加工型番茄的根表面積、根長和根系平均直徑分別受到總?cè)~綠素含量、 脯氨酸含量和SOD活性的制約，而根表面積、根長和平均直徑是影響加工型番茄水分和礦質(zhì)元素吸收的重要影響因素。當(dāng)光照度降低后，加工型番茄幼苗的總?cè)~綠素含量和脯氨酸含量減少，SOD活性降低，導(dǎo)致加工型番茄根系內(nèi)細胞的過氧化程度加劇，光合產(chǎn)物減少，表現(xiàn)為根系生長受抑制，這與Feng等的研究結(jié)果[10]一致。

因子分析通過數(shù)據(jù)降維將原始信息進行壓縮，使各主因子之間互不相關(guān)但又能反映各指標的信息，從而實現(xiàn)有效指標的篩選，降低分析難度，提高分析效率。因此，因子分析在薄皮甜瓜[11]、黃瓜[12]、茄子[13]、番茄[14-15]等園藝作物生長和生理指標的綜合評價中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。本研究采用因子分析將11個加工型番茄根系生長和生理相關(guān)指標簡化為3個相對獨立的主因子，明確了不同主成分上有相對較高的特征向量范圍，根據(jù)各主因子得分可以對加工型番茄根系生長和生理活動進行更為具體的評價。

綜合評價結(jié)果表明，光照度為500 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為80%的處理綜合排名第一，其次為光照度為500 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為70%的處理，而光照度為500 μmol/（m2·s），基質(zhì)含水量為60%的處理綜合排名低于光照度為 300 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為70%的處理，光照度為100 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為70%的處理的綜合排名低于光照度為100 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為60%的處理。可見，當(dāng)光照度強度降低時，適當(dāng)?shù)目刂苹|(zhì)含水量有利于增強植株的耐弱光性，在披針葉茴香[16]、厚皮甜瓜[17]上的研究表明，水分脅迫可在一定程度上增強植株對弱光環(huán)境的適應(yīng)性和自身調(diào)節(jié)能力。這主要是由于水分脅迫可促使光補償點降低，捕光色素 Chl.b 增加，有助于弱光下有限光能的吸收、傳遞，以及光化學(xué)反應(yīng)的進行[18-20]，具體表現(xiàn)為植物葉片的電子傳遞效率 （ψo）、電子傳遞量子產(chǎn)額（φEo）、能量流參數(shù)和光合性能指數(shù)（PIABS） 均出現(xiàn)升高趨勢[21]。同時 在水分不足的條件下，細胞內(nèi)的淀粉水解會加強，導(dǎo)致小分子糖類的不斷積累[22]，從而提高植株的耐弱光性。

綜上所述，光照度和基質(zhì)含水量互作對加工型番茄幼苗根系生長和生理活動具有明顯影響，其中光照度為500 μmol/（m2·s）、基質(zhì)含水量為80%時，最有利于加工型番茄幼苗根系生長以及生理活動的正常進行，當(dāng)光照度不足時，通過適當(dāng)控制基質(zhì)含水量可以增強加工型番茄幼苗對弱光的適應(yīng)性。

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