虧缺灌溉下外源鈣對番茄幼苗抗旱特性的影響

陳善遜，徐四新，諸海燾，張德閃，張紅艷，蔡樹美?

(1.上海市農(nóng)業(yè)科學院生態(tài)環(huán)境保護研究所, 201403, 上海; 2.安順學院農(nóng)學院, 561000, 貴州安順; 3.上海市設施園藝技術重點實驗室, 201403, 上海; 4.昆玉市大漠田園農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司, 848000, 新疆和田)

當前，干旱、荒漠化和土地退化已經(jīng)成為全球性問題，給環(huán)境和經(jīng)濟都造成了巨大的消極影響。全球現(xiàn)有44%的可耕地為旱地，30%的耕植作物生長在旱地上[1]。新疆地處我國西北內(nèi)陸，土地荒漠化和水資源的缺乏成為該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的最大制約因素。作為西北旱區(qū)特色經(jīng)濟作物之一，番茄近年來成為新疆紅色產(chǎn)業(yè)的“三大支柱”之一。新疆的番茄產(chǎn)業(yè)始于1978年，目前種植面積超過5.3萬hm2，其中約有4.6萬hm2受到不同程度的季節(jié)性干旱脅迫[2]。據(jù)統(tǒng)計，2020年新疆番茄產(chǎn)量達到824.2萬t，同比增長2.4%[3]。番茄屬半耐旱性作物，是一種水分吸收利用高效型作物，擁有發(fā)達的根系和茸毛密生的地上部莖葉，其生長的適宜土壤濕度在60%～80%之間[4]。如何通過水肥運籌管理技術提高番茄的抗旱性和水肥資源利用效率來增加番茄產(chǎn)量、節(jié)約資源和改善環(huán)境，既是我國旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)高效發(fā)展的重大需求，也是生命科學、農(nóng)業(yè)科學和環(huán)境科學亟待解決的前沿科學問題。

已有研究表明，干旱脅迫下作物體內(nèi)保護酶系統(tǒng)活力和平衡受到破壞，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、過氧化物酶(peroxidase, POD)、過氧化氫酶(catalase, CAT)等保護酶含量升高，作物體內(nèi)活性氧累積，啟動并加劇膜脂過氧化而造成質(zhì)膜損傷[5]。干旱脅迫下添加Ca2+可有效提高作物對活性氧的清除能力。Ca2+是構成細胞壁的元素之一，在植物抗逆過程中對膜脂過氧化保護系統(tǒng)的酶活性具有誘導作用，可以維持膜結構的穩(wěn)定性。此外，Ca2+作為胞內(nèi)重要的第2信使，可以耦聯(lián)胞外信號，通過穩(wěn)定細胞壁、細胞膜結構及誘導特異基因的表達來提高作物對逆境的抗性，促進作物在干旱脅迫下的生長發(fā)育[6]。近年來，不少學者開始關注Ca2+對番茄干旱脅迫的緩解作用。張冬野[7]的研究表明葉面噴施10 mmol/L Ca2+7 d后，番茄幼苗相對含水量、脯氨酸和可溶性蛋白含量比對照分別高出31.7%、26.0%和13.8%。孫艷琦[8]的研究表明每kg土中加入100 mg Ca2+后，番茄的根長和根表面積比對照分別高出23.8%和21.6%。但有關Ca2+提高番茄幼苗抗旱性的研究鮮有針對荒漠土的報道，生產(chǎn)上對于不同干旱脅迫條件下Ca2+對番茄生長的緩解調(diào)節(jié)效應還缺少相關參考數(shù)據(jù)，對Ca2+的干旱調(diào)節(jié)機制尚不清晰；因此，筆者針對西北旱區(qū)設施番茄干旱缺水問題，設置外源鈣不同用量和不同程度虧缺灌溉處理，通過考察番茄氣孔特征、根系形態(tài)建成、保護酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量以及土壤養(yǎng)分的變化情況，探索番茄響應干旱脅迫的整體適應性生理機制，闡明生長調(diào)節(jié)物質(zhì)Ca2+在番茄適應干旱逆境脅迫中的調(diào)控機制，以期為干旱地區(qū)設施番茄的抗旱栽培提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗在上海市農(nóng)業(yè)科學院莊行農(nóng)業(yè)綜合試驗站(E 120°23′30″, N 30°54′16″)進行。供試土壤采自新疆和田地區(qū)昆玉市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)蔬菜大棚(E 79°34′99″, N 37°24′46″)，為連續(xù)種植6 a的設施菜地土壤。土壤類型為荒漠土，基礎理化性質(zhì)為：全氮0.78 g/kg，有機質(zhì)6.57 g/kg，堿解氮16.34 mg/kg，速效磷5.12 mg/kg，速效鉀152.80 mg/kg，鹽分2.82 g/kg，pH值5.94，0～20 cm土壤以細沙和粉沙粒級為主，粒徑<0.25 mm的微團聚體含量比例為89.8%。試驗選用高抗TY病毒番茄品種“粉保利”為試材，種子由壽光格頓農(nóng)業(yè)科技有限公司提供。

2 材料與方法

2.1 試驗設計

試驗采用2因素3水平裂區(qū)試驗設計，設置9個處理。主因素為灌溉定額(W)，副因素為鈣補充梯度(Ca)。參照前人對番茄虧缺灌溉[9]和鈣調(diào)控干旱脅迫[10]的相關研究，結合前期大田生產(chǎn)數(shù)據(jù)，設置W90、W60和W30 3個灌溉定額，以及Ca0、Ca1和Ca2 3個鈣補充質(zhì)量分數(shù)。W90、W60和W30分別為90% FC(FC：田間持水量)、60% FC和30% FC(由于設施大棚內(nèi)蒸發(fā)強度大，為保持相對穩(wěn)定的土壤濕度，調(diào)節(jié)常規(guī)灌溉處理的土壤含水量為90% FC，其對應的土壤絕對含水量為105 g/kg；設置輕度和重度虧缺灌溉處理的土壤含水量為60% FC和30%FC)；Ca0、Ca1和Ca2分別為鈣補充質(zhì)量分數(shù)0、50和100 mg/kg(葉面噴施，Ca0為葉面噴施清水對照)。試驗用盆下底長18.7 cm，上長22.7 cm，寬16.5 cm，高10 cm。每盆裝入1.2 kg過2 mm篩的風干土壤，于2021年5月將長勢均一的四葉一心期番茄幼苗進行移栽，每盆裝入2株。每2天用稱量差減法補充去離子水，以保持土壤含水量的恒定。試驗每個處理重復4次，共計36個盆栽。每盆氮、磷、鉀投入養(yǎng)分含量分別為100、50和100 mg/kg，混勻施入。N肥為尿素，CAS登錄號為57-13-6，(N%：46%)；P肥為磷酸二氫鉀，CAS登錄號為7778-77-0(P%：22.79%，K%：28.68%)；K肥為硫酸鉀，CAS登錄號為7778-80-5(K%：44.83%)和磷酸二氫鉀；外源鈣補充采用四水硝酸鈣，CAS登錄號為13477-34-4(Ca%：16.94%，N%：11.86%)。各處理根據(jù)Ca(NO3)2·4H2O用量，相應調(diào)整氮投入用量，保持氮磷鉀投入總量一致。

2.2 測定項目及方法

試驗進行42 d后收獲，分別采集土壤樣本和植株樣本，并沿莖基部剪取番茄地上部。用1/1萬天平分別稱量番茄地上部和地下部鮮物質(zhì)量。植株樣本分成2份：一份直接在105 ℃下殺青30 min后65 ℃下烘干至恒質(zhì)量，并分別稱量地上部和地下部的干物質(zhì)量；另一份-20 ℃保存，用作酶活性測定和根系掃描等后續(xù)分析。

根系清洗后用掃描儀(Epson Expression 1600 pro, Model EU-35, Japan)進行掃描。根系長度用 WinRhizo軟件(Regent Instruments Inc., Quebec, QC, Canada)進行分析。土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀等土壤常規(guī)養(yǎng)分相關指標測定參照魯如坤[11]的方法進行。土壤水溶性總鹽用重量法測定；pH用電極法(水土比為 2.5∶1)測定。

SOD活性采用氯化硝基四氮唑藍還原法測定[12]， CAT活性采用可見光法[13]，脯氨酸(proline，PRO)含量采用酸性茚三酮顯色法測定[14]，可溶性蛋白(soluble protein, TSP)含量采用考馬斯亮藍G-250法測定[15]。用雙面刀片將新鮮葉片切成2～3 mm2的小塊，按常規(guī)透射電鏡樣品技術制作超薄切片[16]，在Philips Tecnai-120透射電鏡下觀察葉肉細胞和葉綠體超微結構。

2.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2010及SPSS 18.0軟件進行處理和繪圖。采用2因素方差分析比較灌溉定額和外源鈣補充質(zhì)量分數(shù)對番茄生長的影響，采用鄧肯(Duncan)法進行顯著性比較。

3 結果與分析

3.1 對土壤基礎理化性質(zhì)的影響

灌溉定額對土壤總鹽、堿解氮、速效磷和速效鉀均有顯著影響(表1)。與常規(guī)灌溉相比，虧缺灌溉下土壤中總鹽、堿解氮、速效磷和速效鉀含量均顯著增加。與不補充外源鈣相比，高質(zhì)量分數(shù)鈣補充下土壤中的總鹽含量降低。灌溉定額和外源鈣補充對土壤pH值和有機質(zhì)含量無顯著影響。

表1 虧缺灌溉和外源鈣補充對土壤理化性質(zhì)的影響Tab.1 Effects of deficient irrigation and exogenous calcium on the physicochemical soil properties

3.2 對番茄幼苗干物質(zhì)積累的影響

從圖1可以看出，灌溉定額對番茄干物質(zhì)積累影響較大。常規(guī)灌溉下番茄地上部和地下部干物質(zhì)量顯著高于虧缺灌溉處理，并且伴隨灌溉定額的逐步減少，番茄地上部和地下部干物量積累呈現(xiàn)遞減趨勢。從植株含水量來看，重度虧缺灌溉條件下，番茄的含水量整體低于常規(guī)灌溉和輕度虧缺灌溉。補充外源鈣可以對植株水分保持起到一定作用，番茄含水量整體上隨著外源鈣補充質(zhì)量分數(shù)升高而增加。從根冠比來看，在不補充外源鈣的條件下，番茄根冠比與灌溉定額呈極顯著負相關關系，灌溉定額越少，番茄根冠比越高；W30Ca0處理的番茄根冠比較之W90Ca0處理高出68.9%。值得注意的是，盡管在常規(guī)灌溉和輕度虧缺灌溉條件下，外源鈣對根冠比未表現(xiàn)出抑制效應，但在重度虧缺灌溉條件下，隨著外源鈣補充質(zhì)量分數(shù)的升高，番茄的根冠比逐步降低。

3.3 對番茄幼苗葉片結構的影響

表2顯示，外源鈣補充對氣孔開度存在極顯著影響(P<0.01)，但虧缺灌溉對番茄幼苗葉片背部氣孔大小、氣孔開度和氣孔密度均無顯著影響。W90正常灌溉條件下，添加低質(zhì)量分數(shù)和高質(zhì)量分數(shù)外源鈣分別使氣孔開度降低33.3%和23.9%；W60輕度虧缺灌溉條件下，添加低質(zhì)量分數(shù)和高質(zhì)量分數(shù)外源鈣分別使氣孔開度提高15.9%和21.3%；W30重度虧缺灌溉條件下，補充外源鈣對氣孔開度又呈抑制效應，低質(zhì)量分數(shù)和高質(zhì)量分數(shù)外源鈣分別使氣孔開度降低17.4%和30.8%。

虧缺灌溉下，干旱脅迫使細胞壁變薄，并且葉肉細胞出現(xiàn)不同程度的逆境傷害(圖2b和c)。 W60輕度虧缺灌溉條件下，低質(zhì)量分數(shù)外源鈣補充可以緩解干旱脅迫對葉綠體的傷害，葉綠體內(nèi)淀粉粒增加，但高質(zhì)量分數(shù)外源鈣補充下葉綠體質(zhì)膜結構破壞嚴重，部分細胞發(fā)生自溶現(xiàn)象(圖2f 和g)。W30重度虧缺灌溉條件下，葉綠體形狀呈近圓形，類囊體腫脹，葉肉細胞內(nèi)出現(xiàn)較大淀粉粒(圖2c)；盡管補充外源鈣后葉綠體中淀粉粒數(shù)量減少，但整體上葉綠體仍然結構模糊，出現(xiàn)被膜解體、葉綠體基質(zhì)片層松散等干旱脅迫傷害(圖2h和i)。

不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0. 05)。下同。Different lowercase letters indicate significant differences in different treatments. The same below.圖1 虧缺灌溉和外源鈣對番茄干物質(zhì)積累及根冠比的影響Fig.1 Effects of deficient irrigation and exogenous calcium on the dry weight accumulation and root shoot ratio of tomato

表2 虧缺灌溉和外源鈣對番茄葉片背部氣孔結構的影響

a:W90Ca0, b: W60Ca0, c: W30Ca0, d: W90Ca1, e: W90Ca2, f: W60Ca1, g: W60Ca2, h: W30Ca1, i: W30Ca2。V: 液泡, Mi: 線粒體, GL: 葉綠體基粒片層, Ch: 葉綠體, OG: 嗜鋨顆粒, CW: 細胞壁, SG: 淀粉粒。a:W90Ca0, b: W60Ca0, c: W30Ca0, d: W90Ca1, e: W90Ca2, f: W60Ca1, g: W60Ca2, h: W30Ca1, i: W30Ca2。V: Vacuole, Mi: mitochondrion, GL: grana lamella, Ch: chloroplast, OG: osmiophilic granule, CW: cell wall, SG: starch grain.圖2 虧缺灌溉和外源鈣對番茄葉片葉綠體超微結構的影響Fig.2 Effects of dificient irrigation and exogenous calcium supply on the chloroplast ultra-structure of tomato leaf

3.4 對番茄幼苗根系構型的影響

圖3 虧缺灌溉和外源鈣補充對番茄根形態(tài)參數(shù)的影響Fig.3 Effects of deficient irrigation and exogenous calcium on the root morphological parameters of tomato

由圖3可以看出，虧缺灌溉和外源鈣處理對番茄平均根直徑無顯著影響，但對總根長、比根長和根表面積影響顯著。W60和W30虧缺灌溉下番茄的總根長和根表面積均顯著下降(P<0.05)，而比根長只在W30虧缺灌溉下受到顯著影響。補充外源鈣沒有緩解虧缺灌溉對番茄總根長、比根長和根表面積的抑制效應，相反，隨著干旱脅迫加劇和鈣補充質(zhì)量分數(shù)的提升，外源鈣加劇了虧缺灌溉對根系形態(tài)的這種抑制效應。

3.5 對番茄幼苗抗氧化酶及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

由圖4可以看出，與常規(guī)灌溉相比，隨著灌溉定額下降，番茄葉片的CAT活性整體上呈上升趨勢。常規(guī)灌溉和虧缺灌溉下，補充外源鈣均對番茄葉片的CAT活性無顯著影響。灌溉定額和外源鈣補充強度對番茄葉片的SOD活性均有顯著影響。與常規(guī)灌溉相比，隨著灌溉定額下降，番茄葉片的SOD活性整體上呈降低趨勢。與不加鈣相比，補充低質(zhì)量分數(shù)外源鈣處理的番茄葉片SOD活性顯著增強，但隨著外源鈣補充強度的進一步提高，番茄葉片SOD活性不升反降。

由圖5所示，與常規(guī)灌溉相比，隨著灌溉定額的下降，番茄葉片中的PRO和TSP含量均呈上升趨勢。在不補充外源鈣的條件下，W60和W30虧缺灌溉番茄葉片中的PRO含量分別是常規(guī)灌溉的2.44倍和3.82倍。在常規(guī)灌溉和輕度虧缺灌溉條件下，外源鈣補充對番茄葉片中PRO含量無顯著影響，但在重度虧缺灌溉條件下，與Ca0和Ca1相比，高質(zhì)量分數(shù)外源鈣補充下PRO含量分別增加18.1%和23.6%。在不同灌溉定額下，與Ca0和Ca1相比，高質(zhì)量分數(shù)外源鈣補充提高番茄葉片中TSP的含量，但差異未達到顯著水平。

圖4 虧缺灌溉和外源鈣對番茄抗氧化酶活性的影響Fig.4 Effects of deficient irrigation and exogenous calcium on the antioxidant enzyme activities of tomato

圖5 虧缺灌溉和外源鈣對番茄脯氨酸和可溶性蛋白含量的影響Fig.5 Effects of deficient irrigation and exogenous calcium on the contents of proline and soluble protein for tomato

4 討論

4.1 虧缺灌溉下外源鈣對番茄葉片結構的影響

水分虧缺時，作物光合作用的降低主要是由于水分虧缺引起的氣孔或非氣孔因素的限制。前人研究表明Ca2+作為一種重要的信號分子，在環(huán)境脅迫下扮演著重要的角色，補充Ca2+可以在一定程度上降低環(huán)境變化引起的氣孔變化[17]。本試驗中補充Ca2+顯著增加輕度虧缺灌溉下番茄幼苗葉片背部氣孔開度。在重度虧缺灌溉下，盡管低質(zhì)量分數(shù)Ca2+補充增加氣孔開度，但高質(zhì)量分數(shù)Ca2+補充反而降低番茄葉片的氣孔開度(表2)。這一結果表明在應對不同程度干旱逆境脅迫時，番茄幼苗葉片背部氣孔開合對外界環(huán)境的響應策略不同。大量研究已證實在輕度干旱脅迫時，氣孔的關閉往往是光合速率降低的主要原因，而在重度干旱脅迫時，影響因素往往是非氣孔因素。這種影響表現(xiàn)為當土壤中的含水量極低時，葉片表面氣孔關閉，CO2不能正常進入植物體內(nèi)，嚴重阻礙光所形成的化學能被消耗，導致葉綠體的超微結構遭受到持續(xù)的損害和不可逆破壞，葉肉細胞中的光合器官進一步被破壞[18]。本試驗通過對番茄幼苗葉肉細胞超微結構的觀察顯示，輕度虧缺灌溉下，葉面補充適宜質(zhì)量分數(shù)Ca2+后，葉綠體中的淀粉粒數(shù)量增多。重度虧缺灌溉下，葉綠體結構模糊、被膜解體,高質(zhì)量分數(shù)Ca2+補充對嚴重干旱逆境脅迫造成的葉綠體結構破壞無顯著影響，并且降低了葉綠體中淀粉粒和嗜鋨顆粒的數(shù)量(圖2)。這可能是因為重度虧缺灌溉造成番茄細胞質(zhì)膜透性增加，體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)失衡，無法維持胞內(nèi)正常的自由Ca2+質(zhì)量分數(shù)，從而造成葉綠體內(nèi)部代謝紊亂，加劇了干旱脅迫對葉綠體結構的破壞，嚴重影響了細胞正常生理代謝。

4.2 虧缺灌溉下外源鈣對番茄根系構型的影響

有學者對作物根系發(fā)育、根群分布、不同生育期根系活力變化等與抗旱性的關系進行了研究[19]，有些認為干旱脅迫刺激作物地下部的生長，提高根冠比[20]，也有認為干旱脅迫減少作物根系分化，降低根系平均直徑和根體積[21]。本試驗結果顯示，干旱脅迫下番茄的根冠比提高，地上部和地下部積累的干物質(zhì)量顯著下降(圖1)，根系生長被抑制，總根長和根表面積顯著下降(圖3)。在重度虧缺灌溉下，葉面補充Ca2+降低了番茄幼苗的根冠比，總根長、比根長和根表面積均隨著Ca2+質(zhì)量分數(shù)的升高而降低(圖3)。這表明干旱脅迫下，外源鈣補充改變了番茄根系形態(tài)構建的逆境響應策略。Ca2+對干旱脅迫下不同作物根系生長變化影響的差異可能是受自身生理抗性、結構特性、生長發(fā)育進程及農(nóng)業(yè)氣候因素變化等影響。本試驗中荒漠土壤在重度虧缺灌溉條件下，受土壤水分運動的內(nèi)聚力作用使土面變硬、土壤板結，可能是設施番茄幼苗根系生長受到抑制的主要原因。另外，在重度干旱脅迫下，Ca2+質(zhì)量分數(shù)的升高破壞了葉綠體結構(圖2)，影響了番茄的光合等代謝特性，間接抑制了設施番茄根系生長。

4.3 虧缺灌溉下外源鈣對番茄抗旱防御系統(tǒng)的影響

植物受到環(huán)境脅迫時表現(xiàn)為體內(nèi)活性氧(reactive oxygen species, ROS)濃度升高，產(chǎn)生一系列不同程度的生化反應，造成抗氧化酶活性增強、脂質(zhì)過氧化、細胞功能紊亂甚至死亡等現(xiàn)象[22]。為了避免或減輕干旱等逆境脅迫造成的傷害，植物在進化過程中自身形成了高效、復雜的抗氧化防御系統(tǒng)[23]。本試驗中干旱脅迫對番茄幼苗葉片CAT活性的變化趨勢與前人研究結果相一致，但SOD活性隨著干旱脅迫程度的加劇出現(xiàn)下降的趨勢。在干旱脅迫下，低質(zhì)量分數(shù)Ca2+補充增加番茄幼苗葉片SOD活性，但高質(zhì)量分數(shù)Ca2+補充造成了SOD活性下降(圖4)。這可能是因為干旱脅迫下番茄幼苗能耐受的活性氧水平存在一個閾值。在這個閾值之內(nèi)，植株能夠提高保護酶活性，有效地消除自由基帶來的傷害；當超過這個閾值時，保護酶活性會下降，ROS的積累超過其清除能力，使植株受到損害。

除了抗氧化防御以外，滲透調(diào)節(jié)也是作物抗旱性的一個重要生理機制。在受到輕度和中度干早脅迫時，抗旱作物體內(nèi)會顯著地積累大量的代謝物質(zhì)如糖類、PRO和TSP等[24]。它們可使作物在干旱條件下加強吸水以維持一定的膨壓，從而維持細胞內(nèi)滲透壓與外界平衡。本試驗中，隨著虧缺灌溉程度的加劇，番茄葉片中的PRO和TSP含量均呈上升趨勢。在重度虧缺灌溉條件下，高質(zhì)量分數(shù)Ca2+補充顯著提高了番茄葉片中PRO的含量(圖5)，表明葉面補充Ca2+可以抵御干旱逆境對番茄造成的滲透脅迫，提高番茄的抗旱能力。此外，本研究發(fā)現(xiàn)，在不同程度虧缺灌溉及不同質(zhì)量分數(shù)Ca2+補充條件下，番茄幼苗的抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的變化趨勢不完全一致，原因可能是在多種環(huán)境因子的影響作用下，番茄抗氧化防御和滲透調(diào)節(jié)觸發(fā)閾值不同，以及對不同環(huán)境脅迫的耐受閾值不一致所引起的。今后，還需進一步加深對不同耐旱性特征指標之間相關性的研究，考慮多因素的綜合耦合效應，闡明設施番茄對干旱脅迫的整體適應性生理機制及其關鍵調(diào)控因素。

5 結論

Ca2+參與了干旱脅迫誘導的番茄幼苗膜脂過氧化防御調(diào)控，是一種重要的抗旱誘導外源物質(zhì)。葉面補充50 mg/kg Ca2+可以緩解輕度虧缺灌溉對番茄幼苗生長的抑制作用，提高番茄的耐旱性。生產(chǎn)中通過補充Ca2+不能緩解長期重度虧缺灌溉對番茄幼苗的逆境損傷，需保證最小灌溉定額才能維持干旱農(nóng)業(yè)的可持續(xù)生產(chǎn)。