低磷条件下硅对番茄幼苗生长及生理特性的影响

梁颖，石玉，赵鑫，白龙强，侯雷平，张毅

（山西农业大学园艺学院/山西省设施蔬菜提质增效协同创新中心，山西 晋中 030801）

磷是植物正常生长发育必需的营养元素之一。然而，一方面，磷属于不可再生资源，全球缺磷土壤面积日益扩大[1]，严重制约了农业生产。另一方面，磷在土壤介质中的溶解性和移动性较差[2]，导致植物对磷的吸收利用率偏低，表现为根际磷的“遗传性缺乏”[3]。在缺磷条件下，作物生长发育不良，已成为限制其产量和品质的重要因素之一[4]。尽管可通过增施磷肥来提高作物对磷的有效摄入量，但过量施用磷肥不仅会加剧磷矿的稀缺，还易引发地下水富营养化、土壤次生盐渍化等农业生态环境问题[5]。因此，通过生物学途径提高作物对磷的吸收利用率，以及探寻合适的磷元素替代品，具有重要的理论和实践意义。

硅是地壳中含量第二丰富的元素，无毒、无污染，在调节植物生长发育和生理活动、诱导植物系统抗性等方面作用显著，被认为是植物生长发育的有益元素[6]。研究表明，施用外源硅能够增强植物的抗病性[7]、耐旱性[8]，缓解重金属[9]、盐渍[10]等对植物的伤害。另外，硅在化学元素周期表中与磷元素的位置相近，化学性质和结构也极为相似。有研究发现，硅可以减少土壤中磷的固定，活化土壤中的磷，并且可以促进小麦[11]、玉米[12]中磷的转运。尽管如此，目前，人们对于硅替代磷或者促进作物对磷的吸收利用的调控效应及相关机制仍不太清楚，并且已有的相关研究多集中在硅吸收量高的单子叶植物上，其结果是否适用于硅积累较少的双子叶植物尚有待论证。

番茄（Solanum lycopersicumL.）是我国最主要的设施作物之一，也是蔬菜抗逆机制研究的重要模式植物[13]。目前，设施栽培过程中普遍存在土壤磷总量高，但作物对磷的吸收利用率低的问题，每年仍需大量增施磷肥才能满足作物优质高产的养分需求[14]，且设施土壤及地下水磷污染隐患日益突出。本试验以硅积累较少的番茄为研究对象，采用水培法，探讨了不同低磷条件下外源硅对番茄幼苗干质量、叶片相对含水量、根系参数、叶绿素含量、膜脂过氧化程度、质膜完整性、活性氧水平、抗氧化酶活性、硅和磷含量的影响，以期进一步阐明外源硅调控番茄响应低磷胁迫的生理机制，为基于施用硅肥提高设施土壤中磷素的吸收利用效率和进行番茄抗逆高效栽培提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验在山西农业大学园艺站进行，采用的番茄品种‘中杂9号’购于中国农业科学院蔬菜花卉研究所。选取饱满的种子进行育苗，待番茄3叶1心时，选取长势基本一致的幼苗定植于1/2剂量的山崎番茄配方营养液中。缓苗后，进行不同浓度磷、硅处理，共7个处理：1）CK（对照），山崎配方营养液（磷浓度为0.66 mmol/L）；2）P0－Si，缺磷营养液且不添加硅；3）P0+Si，缺磷营养液中添加硅；4）P1－Si，重度低磷营养液（磷浓度为0.22 mmol/L）且不添加硅；5）P1+Si，重度低磷营养液中添加硅；6）P2－Si，轻度低磷营养液（磷浓度为0.44 mmol/L）且不添加硅；7）P2+Si，轻度低磷营养液中添加硅。其中，硅源为K2SiO3·nH2O，硅工作液浓度为1.5 mmol/L（由预试验得出）。每6 d更换一次营养液，每2 d调节pH值至6.0±0.2，利用增氧泵以间歇方式供氧。在磷、硅处理第23天，取番茄叶片和根系，用以测定各项生长及生理指标。

1.2 试验方法

1.2.1 生物量的测定

将植株分成地上部和地下部（根系），分别洗净、擦干后称鲜质量；105℃杀青后，75℃烘至恒量，即干质量。每个处理重复4次，取平均值。

1.2.2 叶片相对含水量的测定

取完全展开的功能叶，称量初始质量m1；再放入蒸馏水中，在4℃黑暗条件下静置6 h，取出后擦干水，称量饱和质量m2；最后烘干，称量干质量m3。每个处理重复4次，取平均值。叶片相对含水量=（m1－m3）/（m2－m3）×100%。

1.2.3 根系形态指标的测定

将根系洗净，用根系扫描仪（MRS-9600TFU2L，上海中晶科技有限公司）扫描，将获得的根系图像用WinRHIZO系统分析，读取根系总长、总表面积、总体积、平均直径等参数。每个处理重复4次，取平均值。

1.2.4 叶绿素含量和类胡萝卜素含量的测定

取完全展开的功能叶，洗净、擦干后称约0.1 g放入试管，于阴暗处用96%乙醇浸提约24 h，直至叶片完全变白。测定叶绿素提取液在470、649、665 nm处的吸光度值。每个处理重复4次，取平均值。参照石玉[8]的方法计算叶绿素a（chlorophyll a,Chl a）、叶绿素b（Chl b）、类胡萝卜素（carotenoid,Car）和总叶绿素含量。

1.2.5 抗氧化指标的测定

分别称0.3 g左右叶片和根系，加入3 mL磷酸钾缓冲液（0.05 mmol/L,pH 7.8），冰浴研磨，4 000g冷冻离心，上清液即待测酶液。超氧化物歧化酶（superoxide dismutase,SOD）、过氧化物酶（peroxidase,POD）和过氧化氢酶（catalase,CAT）活性的测定参考石玉[8]的方法。SOD酶活以U/（g·h）表示，其中，1 U即抑制硝基四氮唑蓝（NBT）反应50%的酶量。CAT、POD酶活以U/（g·min）表示，其中，1 U即每分钟内吸光度值变化0.01的酶量。每个处理3次生物学重复，3次技术重复，共9次重复，取平均值。参考石玉[8]的方法：称取0.5 g左右叶片和根系，以硫代巴比妥酸法测定丙二醛（malondialdehyde,MDA）含量；另选取处理后的番茄根尖，以伊文思蓝（Evans blue）染色法检测质膜完整性。称取0.3 g左右根系和叶片，以对氨基苯磺酸法测定含量，并另选取根尖和完全展开的叶片，以组织化学染色法观察的积累水平。称取0.3 g左右根系和叶片，以碘化钾法测定H2O2含量。每个处理4次生物学重复。

1.2.6 硅、磷含量的测定

分别称取0.2 g左右烘干的根、茎、叶，参考朱从桦等[15]的方法，以钼蓝比色法测定硅含量，以钒钼黄比色法测定磷含量。每个处理3次生物学重复，取平均值。

1.3 数据处理

采用Excel 2010、SPSS 20.0进行数据整理及分析（α=0.05），结果表示为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同供磷水平下外源硅对番茄幼苗生物量的影响

由图1可知：与对照（CK）相比，在缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）条件下番茄地上部和地下部干质量均显著降低。而外源硅处理使缺磷、低磷条件下植株干质量均有所上升，其中：缺磷条件下加入外源硅后番茄地上部和地下部干质量分别升高116.90%和8.70%；轻度低磷（P2）条件下加入外源硅后番茄地上部和地下部干质量均显著增加，增幅分别为94.29%和84.62%。

2.2 不同供磷水平下外源硅对番茄叶片相对含水量的影响

由图2可看出：与对照（CK）相比，缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）条件下番茄叶片相对含水量均显著降低；加入外源硅后，缺磷、低磷处理下番茄叶片相对含水量均有不同程度的升高。

2.3 不同供磷水平下外源硅对番茄根系形态指标的影响

如表1所示：与对照（CK）相比，缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）条件下番茄总根长、根系总表面积和总体积均显著降低（P＜0.05），根系平均直径无显著性差异（P＞0.05）。外源硅处理使缺磷、低磷条件下总根长、根系总表面积和总体积均有所上升，其中，轻度低磷（P2）条件下加入外源硅后番茄总根长、根系总表面积和总体积分别显著增加56.92%、60.00%、61.52%。

图1 不同供磷水平下外源硅对番茄地上部和地下部干质量的影响Fig.1 Effect of exogenous silicon on the aboveground and underground dry mass of tomato under different phosphorus supply levels

2.4 不同供磷水平下外源硅对番茄叶片叶绿素含量和类胡萝卜素含量的影响

图2 不同供磷水平下外源硅对番茄叶片相对含水量的影响Fig.2 Effect of exogenous silicon on the leaf relative water content of tomato under different phosphorus supply levels

由表2可知：与对照（CK）相比，缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）条件下番茄叶片叶绿素含量均有所下降，其中，叶绿素a和总叶绿素含量的降幅达到显著性水平（P＜0.05）；与缺磷、重度低磷（P1）相比，外源硅对叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的影响并不显著，但与轻度低磷（P2）相比，加入外源硅后番茄叶片叶绿素b含量显著增加20.0%。

2.5 不同供磷水平下外源硅对番茄MDA含量的影响

由图3可知：与对照（CK）相比，缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）条件下 MDA含量均显著升高。与缺磷、重度低磷（P1）和轻度低磷（P2）胁迫相比，加入外源硅后根系MDA含量均显著降低，且降幅分别为49.24%、42.97%、36.90%；同时，在缺磷和轻度低磷（P2）条件下，外源硅显著降低了叶片MDA含量，降幅分别为51.24%和31.69%。

表1 不同供磷水平下外源硅对番茄根系形态指标的影响Table 1 Effect of exogenous silicon on the root morphological indexes of tomato under different phosphorus supply levels

表2 不同供磷水平下外源硅对番茄叶片叶绿素含量和类胡萝卜素含量的影响Table 2 Effect of exogenous silicon on the leaf chlorophyll and carotenoid contents of tomato under different phosphorus supply levels mg/g

图3 不同供磷水平下外源硅对番茄MDA含量的影响Fig.3 Effect of exogenous silicon on the MDA content of tomato under different phosphorus supply levels

2.6 不同供磷水平下外源硅对番茄根尖质膜完整性的影响

由图4可看出：与对照（CK）相比，缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）胁迫下番茄根尖质膜完整性明显下降，根尖膜脂过氧化程度明显加剧。外源硅处理在不同程度上缓解了磷缺乏对根尖质膜的伤害，有利于维持质膜完整性，降低膜脂过氧化程度。

2.7 不同供磷水平下外源硅对番茄水平的影响

与对照（CK）相比，缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）条件下番茄根尖和叶片积累水平（图5A～B）均显著升高。与缺磷、重度低磷（P1）和轻度低磷（P2）处理相比，加入外源硅后根尖含量均显著下降，且降幅分别为12.68%、11.82%、17.61%；同时，在轻度低磷（P2）条件下，外源硅处理显著降低了叶片含量，降幅为22.09%（图5C）。

2.8 不同供磷水平下外源硅对番茄H2O2含量的影响

如图6所示：与对照（CK）相比，缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）条件下番茄叶片和根系H2O2含量均显著升高。与缺磷、重度低磷（P1）处理相比，加入外源硅对番茄H2O2含量的影响不显著；但在轻度低磷（P2）条件下，外源硅显著降低了叶片和根系H2O2含量，降幅分别为12.62%和20.41%。

图4 不同供磷水平下外源硅对番茄根尖质膜完整性的影响Fig.4 Effect of exogenous silicon on the plasma membrane integrity of tomato root tip under different phosphorus supply levels

图5 不同供磷水平下外源硅对番茄根尖和叶片积累和含量的影响Fig.5 Effect of exogenous silicon onaccumulation and content in tomato root tips and leaves under different phosphorus supply levels

图6 不同供磷水平下外源硅对番茄H2O2含量的影响Fig.6 Effect of exogenous silicon on the H2O2content of tomato under different phosphorus supply levels

2.9 不同供磷水平下外源硅对番茄主要抗氧化酶活性的影响

由表3可看出：与对照（CK）相比，缺磷不加硅（P0）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）条件下番茄叶片和根系的主要抗氧化酶活性均显著降低。与单独缺磷和低磷条件相比，加入外源硅后番茄叶片和根系主要抗氧化酶活性呈不同程度的升高，其中轻度低磷（P2）条件下外源硅处理显著提高了叶片和根系的SOD、CAT、POD活性，且增幅分别为27.97%和28.57%、37.14%和57.05%、6.47%和38.65%。

2.10 不同供磷水平下外源硅对番茄各部位硅含量的影响

由图7可看出：与对照（CK）相比，缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）条件下，番茄根、茎、叶中硅含量变化不显著。与单独缺磷、重度低磷（P1）和轻度低磷（P2）条件相比，加入外源硅后叶中硅含量均显著升高，增幅分别为28.57%、18.00%和27.95%；同时，轻度低磷（P2）条件下，外源硅处理显著提高了根中硅含量，增幅为42.17%。

表3 不同供磷水平下外源硅对番茄幼苗主要抗氧化酶活性的影响Table 3 Effect of exogenous silicon on the main antioxidant enzyme activities in tomato seedlings under different phosphorus supply levels

图7 不同供磷水平下外源硅对番茄各部位硅含量的影响Fig.7 Effect of exogenous silicon on silicon content in various parts of tomato under different phosphorus supply levels

2.11 不同供磷水平下外源硅对番茄各部位磷含量的影响

由图8可知：与对照（CK）相比，缺磷不加硅（P0－Si）、低磷不加硅（P1－Si、P2－Si）条件下番茄根、茎、叶中磷含量呈不同程度的下降趋势，且单独缺磷和重度低磷（P1）条件下根、茎、叶中差异均达到显著性水平（P＜0.05），而轻度低磷（P2）条件下根和叶中差异显著（P＜0.05），茎中则无显著性差异（P＞0.05）。与重度、轻度低磷胁迫相比，加入外源硅后，根、茎、叶中磷含量均显著提高，增幅分别为5.65%、8.98%、1.56%和12.89%、12.51%、1.48%。

3 讨论

磷是构成遗传物质、能量物质、生物膜结构和重要蛋白质的必需元素，在植物生长发育和新陈代谢过程中发挥着重要作用。我国耕地土壤有效磷匮乏，施用磷肥可提高土壤有效磷含量，但磷肥在土壤中易被固定，利用率低[16]，间接增加了种植成本。设施栽培具有产量高、效益好等优点，但由于不合理施肥，养分利用率严重偏低，尤其是磷素利用率仅为8%[17]，普遍存在土壤磷总量高却仍需大量增施磷肥才能满足作物优质高产需求的问题，因此，对设施作物磷吸收利用、低磷生理响应和调控的研究具有重要意义。硅是地壳中广泛存在且对植物生长有益的环境友好型元素，参与了植物体众多生理生化代谢过程和抗逆性的调节控制[18]。硅在化学元素周期表中与磷元素的位置相近，化学性质和结构也极为相似，而目前关于外源硅对缺磷、低磷胁迫下番茄幼苗的影响效应和作用机制还不清楚。

图8 不同供磷水平下外源硅对番茄各部位磷含量的影响Fig.8 Effect of exogenous silicon on phosphorus content in various parts of tomato under different phosphorus supply levels

低磷胁迫下植物体内会产生一系列的生理生化反应以应对有限的磷供应，包括根系H＋和有机酸分泌增加、高亲和性无机磷转运体基因表达增强等[19]；此外，低磷环境可以改变根系形态和构型，如通过减少主根生长，促进侧根生长，以利于适应环境胁迫[20]。在本试验中，缺磷、低磷处理下番茄幼苗根总长、总表面积、总体积都减小，而加入外源硅后根总长、总表面积和总体积增大，这与孔令剑等[21]在大豆上的研究结果一致。这可能是外源硅提高了低磷胁迫下根、茎、叶中磷含量的重要原因，但外源硅促进低磷胁迫下根系生长的具体机制仍有待研究。

本试验发现，低磷条件下番茄幼苗生长受到抑制，叶片相对含水量、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、总叶绿素含量均下降，且地上部和地下部干质量显著降低，与杨永[22]在玉米中的研究结果相一致。通过施加外源硅，番茄叶片相对含水量以及叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、叶绿素总含量均有不同程度的上升，且植株地上部和地下部干质量增加，与朱从桦等[15]在玉米上的研究结论相似。这可能与外源硅提高了缺磷、低磷胁迫下根、茎、叶中磷含量有关，也可能与适宜浓度的硅可以保护非生物胁迫下叶片类囊体膜，促进叶片维管束鞘细胞叶绿体内类囊体的形成，进而维持更高的叶绿素水平有关[23]。逆境条件下，植物体内会产生大量的超氧自由基，导致活性氧大量积累，从而破坏细胞膜的结构和功能。为了有效地清除代谢过程中产生的活性氧，SOD、CAT、POD以及其他抗氧化酶类相互协调，使植物体内的活性氧维持在较低水平，从而缓解胁迫造成的氧化伤害。本研究中，缺磷、低磷条件下，番茄幼苗的MDA、、H2O2含量均显著升高，与郭天荣等[24]的研究结果一致。加入外源硅后，抗氧化酶活性升高，而、H2O2、MDA含量降低，与SONG等[25]的研究结果一致。LIANG等[26]研究表明，外源硅显著增强了盐胁迫下植物根部的抗氧化酶活性，并且酶活性随处理时间的延长而增强。这与硅诱导了植株体内的抗氧化防御反应、降低了活性氧类物质的积累水平有关[27]。

矿质元素间的相互作用对作物的正常生长发育极为重要，不同元素间存在结构和功能上的相关性。如在油菜中磷与许多微量元素之间存在着拮抗作用，过量施磷，油菜产量和品质下降，钙的吸收和利用严重受阻[28]；在高磷条件下生菜对磷的吸收比例高于镁，在低磷条件下对镁的需求比例高于磷[29]。有研究表明：环境供磷水平与作物磷素吸收量呈正相关[30]。本研究中，番茄地上部和根系中的吸磷量随着磷浓度的增加而增加，并且外源硅的加入促进了番茄对磷的吸收，与张嘉莉等[12]的研究结果一致。在外源硅处理条件下，植物体中矿质养分含量升高的原因，可能与加入外源硅后番茄根系生长更加旺盛，提高了磷的吸收效率有关；但关于硅如何促进植物体对磷元素的吸收还有待进一步研究。

4 结论