纳米硅对低温下番茄生长发育及碳水化合物积累的影响*

郭树勋,代泽敏,杨 然,姬 晨,石 玉,张毅

(山西农业大学园艺学院 太谷 030801)

温度是影响植物生长发育的重要环境条件之一。番茄(Solanum lycopersicumL.)作为我国设施栽培最为普遍的果菜之一,其原产地南美洲安第斯山地带全年气候较为温暖,因而大部分番茄品种缺乏对低温环境的耐受性,低于10 ℃时生长速度减缓,低于5 ℃则生长停滞[1]。由于我国部分地区设施农业发展并不完善[2],结构相对简单的棚室或日光温室经常产生低温环境,导致番茄产量降低,质量下降,严重影响番茄产业的提质增效[3]。自纳米技术诞生以来,纳米材料在不同领域的应用研究迅速兴起,并在农业生产领域上展现出极大的潜力[4],其中纳米二氧化硅颗粒因其稳定性高、比表面积大以及良好的生物相容性等特点引起国内外学者的广泛关注,已被证实在调节植物胞内离子和渗透平衡以及营养元素的吸收和利用等方面具有独特的生理作用[5]。纳米硅作为新兴的农用纳米材料,关注其在低温逆境下对番茄幼苗生长发育的影响规律,将有助于更好地利用纳米硅增强番茄对不利环境因素的抗性。

植物光合作用与其所处生态环境密切相关,而温度是限制植物光合作用最重要的生态因素之一[6]。研究表明,纳米硅经植物的吸收及转运,最终能够嵌合到叶绿体,通过提高植物光合色素的合成,促进气体交换,增强光合效率[7]。非结构性碳水化合物是植物养分代谢和转运的主要形式之一,主要包含叶片通过光合作用固定的糖类物质(如果糖、葡萄糖、蔗糖和淀粉等)[8]。植物根系是行使养分吸收功能的重要组成部分,在水分、矿物质和碳水化合物的吸收、转化和储存中都发挥着重要作用,且根系的生长和发育同时受到基因遗传和生长环境的影响[9]。根系构型指生长介质中根系的空间结构和分布,是根系执行获取土壤资源等功能的主要决定因素,能够反映植物占据土壤体积的能力以及资源捕获效率[10]。通过研究植物根系构型及非结构性碳水化合物含量的变化,有助于更好地理解低温下纳米硅对植物叶片、根系行使功能及生长策略的影响。

近年来,关于纳米硅的报告侧重于研究纳米硅对植物抗逆生理过程的改善作用,而对于纳米硅如何影响植物根系生长及空间分布模式并不明确,也很少关注低温下施用纳米硅对植物碳同化能力的影响。本研究将侧重于关注纳米硅如何通过影响根系生长发育模式及非结构性碳水化合物的积累以加强番茄对低温环境的耐性。因此,本试验以栽培型番茄品种‘中杂9 号’为试材,利用人工气候培养箱模拟低温环境,并采用叶面喷施纳米硅溶液的方法,通过测定番茄幼苗生物量、根系构型参数、光合色素含量、净光合速率和非结构性碳水化合物含量,分析低温下施用纳米硅制剂对番茄根系构型和碳固定及转化的影响。本研究将探索低温和纳米硅对番茄根系构型的影响,并为研究施用纳米硅对低温下番茄碳固定及转化能力的影响提供试验基础,所使用的纳米硅浓度可为基于纳米硅施用的高效抗逆栽培技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2021 年秋季在山西农业大学园艺实验中心进行。供试番茄品种为‘中杂9 号’,种子购自中国农业科学院蔬菜花卉研究所。选取籽粒饱满,大小一致的番茄种子,经55 ℃温汤杀菌15 min 后,置于28 ℃恒温培养箱浸种6 h,在铺有双层滤纸的培养皿中催芽,期间保持湿润;48 h 后将露白1 mm 的种子播于13 cm×14 cm 规格的营养钵中(1 钵1 种),栽培基质购于长春壮苗泥碳科技有限公司(总有机质+总腐殖酸≥50%),幼苗培育期间浇灌蒸馏水保持土壤水分。

待番茄幼苗长至4 叶1 心时,选取长势一致的幼苗进行温度处理。试验所用100 mg·L-1纳米级二氧化硅溶液(NPs)由山西农业大学徐进教授团队馈赠。试验共使用2 个人工气候培养箱,参数设置分别为常温(RT:25 ℃/16 ℃)、低温(LT:15 ℃/6 ℃);人工气候培养箱以下参数设定一致,昼夜为12 h/12 h,相对湿度50%,光照强度540 μmol·m-2·s-1。温度处理与喷施处理同步进行,喷施至番茄叶片正面、背面均匀覆盖小液滴即可。温度处理前1 d 浇灌一次1 倍山崎番茄配方营养液,温度处理期间不额外添加养分,每2 d 浇灌蒸馏水(每株80 mL)补充水分。于9 d测定净光合速率、扫描根系形态以及采集鲜样和冻样。如表1 所示,本试验共计4 个处理,每处理重复60 株番茄幼苗,每株番茄幼苗使用一个营养钵。

表1 各试验处理的温度和纳米硅溶液(NPs)喷施浓度Table 1 Temperature and spray concentration of nano-Si solution (NPs) for each test treatment

1.2 测定项目与方法

1.2.1 生长及生理指标

处理9 d 时,每处理取10 株番茄幼苗,洗净擦干后,从子叶处分为地上部和地下部并分别称取其鲜重;在烘箱中105 ℃杀青15 min,60 ℃将样品烘至恒重,称取干重。生理指标均进行3 次生物学重复,其中根系活力采用TTC法[11]测定;叶绿素含量采用95%乙醇浸提法[11]测定;可溶性糖含量采用蒽酮比色法[12]测定;果糖和蔗糖含量采用间苯二酚法测定[13];淀粉含量采用高氯酸法[14]测定。

1.2.2 根系构型指标

处理9 d 时,每处理取3 株番茄幼苗,将根系洗净并摆放整齐,利用根系扫描仪(EPSON Perfectation V800 Photo)采集根系图像,使用根系分析软件Win-RHIZO 系统进行根系长度、比根长、拓扑指数和分形维数等数据分析。

1.2.3 净光合速率

处理9 d 上午9:00-11:00,使用便携式光合仪(LI-6800)测定第2、3 片完全展开的功能叶的净光合速率,每处理进行5 次生物学重复。光合仪参数设置如下:光强350 μmol·m-2·s-1,流速500 μmol·s-1,空气相对湿度50%,CO2浓度400 μmol·mol-1。

1.3 数据分析

使用Excel 2021 软件统计数据及制作表格,使用SPSS 26.0 进行Duncan’s 法单因素方差分析(P＜0.05),所有表中数据均为“平均值±标准差”。

2 结果与分析

2.1 纳米硅对低温下番茄生长和根系活力的影响

由表2 可知,低温下番茄生长遭受抑制,在相同温度条件下施硅均可促进生物量积累。与常温(RT)相比,常温下施加纳米硅(RT+Si)番茄幼苗生物量显著升高,其中地上部鲜重和地下部鲜重分别提高13.97%和22.07% (P＜0.05);低温下(LT)番茄幼苗生物量则显著降低,其中地下部鲜重和地下部干重分别降低43.60%和41.42% (P＜0.05)。与低温(LT)相比,低温下施用纳米硅(LT+Si)番茄生物量显著提高,其中LT+Si 的地上部鲜重、地下部鲜重和地下部干重分别提高48.87%、43.00%和30.21% (P＜0.05)。低温下番茄根系活力显著提高,在相同温度条件下施硅均可显著提高根系活力(P＜0.05)。与RT 相比,RT+Si 番茄根系活力显著提高52.58% (P＜0.05);LT番茄根系活力显著提高89.69%。与LT 相比,LT+Si番茄根系活力显著提高29.89% (P＜0.05)。

表2 纳米硅对低温下番茄生物量和根系活力的影响Table 2 Effects of nano-Si on biomass and root activity of tomato seedlings under low temperature

2.2 纳米硅对低温下番茄根系特征和构型的影响

由表3 可知,低温下番茄根系生长发育能力遭受抑制,在相同温度条件下施硅均可全方位地改善根系发育状况。与RT 相比,RT+Si 总根长、根表面积、根平均直径、根体积、根组织密度、根长密度和比根长均显著提高,其中根表面积、根体积、根组织密度和根长密度分别提高34.75%、46.25%、21.90%和29.00% (P＜0.05);LT 总根长、根表面积、根平均直径和根体积均显著降低,其中总根长、根表面积、根体积、根组织密度、根长密度和比根长分别降低65.49%、69.08%、71.25%、43.81%、65.53%和38.86%(P＜0.05)。与LT 相比,LT+Si 总根长、根表面积、根平均直径、根体积、根组织密度、根长密度和比根长均显著提高,其中总根长、根表面积、根组织密度和根长密度分别提高66.26%、83.25%、43.22%和66.27 % (P＜0.05)。

表3 纳米硅对低温下番茄根系基础指标的影响Table 3 Effects of nano-Si on root basic indicators of tomato seedlings under low temperature

由表4 可知,低温和施硅对番茄根系构型参数均具有显著影响(P＜0.05),且相同温度条件下施硅对根系构型参数的影响类似。与RT 相比,RT+Si根分叉数、根尖数、内部链接数和外部链接数显著提高,其中内部链接数和外部链接数分别提高40.07%和16.14% (P＜0.05);LT 根分叉数、根尖数、内部链接数和外部链接数显著降低,其中根分叉数和根尖数分别降低55.36%和79.17% (P＜0.05)。与LT 相比,LT+Si 根分叉数、根尖数、内部链接数和外部链接数显著提高,其中根分叉数、内部链接数和外部链接数分别提高35.25%、52.35%和73.31%(P＜0.05)。与RT 相比,RT+Si 拓扑指数和分形维数显著提高,其中拓扑指数和分形维数分别提高5.42%和8.91% (P＜0.05);LT 拓扑指数提高6.92%(P＜0.05),分形维数降低14.68% (P＜0.05)。与LT 相比,LT+Si 拓扑指数和分形维数均显著提高,其中拓扑指数和分形维数分别提高2.32%和8.45% (P＜0.05)。

表4 纳米硅对低温下番茄根系构型参数的影响Table 4 Effects of nano-Si on root architecture parameters of tomato seedlings under low temperature

2.3 纳米硅对低温下番茄光合色素含量和净光合速率的影响

由表5 可知,在相同温度下施硅能够提高番茄光合能力。与RT 相比,RT+Si 各类光合色素含量无显著差异,净光合速率显著提高9.87% (P＜0.05);LT 各类光合色素含量和净光合速率均显著降低,其中叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和净光合速率分别降低54.34%、54.43%、56.76%和66.88% (P＜0.05)。与LT 相比,LT+Si 各类光合色素含量和净光合速率显著提高,其中叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量和净光合速率分别提高57.85%、63.89%、62.50%和48.24% (P＜0.05)。

表5 纳米硅对低温下番茄光合色素含量和净光合速率的影响Table 5 Effects of nano-Si on photosynthetic pigment contents and net photosynthetic rate of tomato seedlings under lowtemperature

2.4 纳米硅对低温下番茄非结构性碳水化合物的影响

由表6 可知,低温下番茄可溶性糖、果糖(仅根系)、蔗糖和淀粉含量均产生显著的影响(P＜0.05),且相同温度下施用纳米硅对番茄各类非结构性碳水化合物也产生显著影响(P＜0.05)。与RT 相比,RT+Si 可溶性糖含量显著提高,其中叶片和根系可溶性糖含量分别提高1.84 倍和1.89 倍(P＜0.05);LT 叶片和根系可溶性糖含量分别提高1.05 倍和1.35倍(P＜0.05)。与LT 相比,LT+Si 的叶片和根系可溶性糖含量分别提高75.69%和44.59% (P＜0.05)。与RT 相比,RT+Si 果糖含量显著提高,叶片和根系果糖含量分别提高14.87%和20.99% (P＜0.05);LT 叶片果糖含量无显著差异,根系果糖含量降低24.34% (P＜0.05)。与LT 相比,LT+Si 果糖含量显著提高,叶片和根系果糖含量分别提高22.22%和41.05% (P＜0.05)。与RT 相比,RT+Si 蔗糖含量显著提高,叶片和根系蔗糖含量分别提高32.92%和74.00% (P＜0.05);LT 蔗糖含量显著提高,叶片和根系蔗糖含量分别提高44.10%和92.00% (P＜0.05)。与LT 相比,LT+Si 蔗糖含量显著上升,叶片和根系蔗糖含量分别提高35.34%和21.18% (P＜0.05)。与RT 相比,RT+Si 淀粉含量显著提高,其中根系淀粉含量提高1.38 倍(P＜0.05);LT叶片淀粉含量显著降低12.57% (P＜0.05),根系淀粉含量显著提高12.94% (P＜0.05)。与LT 相比,LT+Si淀粉含量显著提高,其中根系淀粉含量提高53.13%(P＜0.05)。

表6 纳米硅对低温下番茄非结构性碳水化合物的影响Table 6 Effect of nano-Si on non-structural carbohydrates contents of tomato seedlings at low temperature

3 讨论与结论

低温抑制了番茄幼苗的正常生长发育,导致生物量显著下降(表2)[15]。黄奇娜等[16]对低温胁迫的水稻(Oryza sativaL.)进行不同湿度下的恢复处理,结果表明根系活力较高的处理(低湿度)与根系活力较低的处理(高湿度)相比叶尖枯死的症状更明显。本试验中,低温处理(LT、LT+Si)的根系活力均显著高于常温处理(RT、RT+Si) (表2)。以上结果表明,低温下根系活力的提高不能代表根系生长活性的提高,而是植物遭受低温逆境的一种生理应激响应。此外,本试验还观察到相同温度下施用纳米硅能够显著提高根系活力,且生物量也随之显著提高(表2)。本试验所使用的根系活力测定方法为TTC 法,而TTC 还原量主要受脱氢酶活性的影响,即表明施用纳米硅能够提高脱氢酶活性。脱氢酶属于氧化还原酶类的一个分类,主要参与三羧酸循环和糖酵解等呼吸代谢途径,也可参与过氧化物酶催化酚类物质的氧化反应,有助于过氧化物酶发挥内源性活性氧清除剂的生理功能。这与本课题组前期试验中低温下施用离子硅显著降低番茄活性氧含量的表现一致[17],但纳米硅是否能直接影响植物脱氢酶活性有待进一步试验验证。

根系是植物重要的吸收器官,主要功能为吸收土壤水分及养分,根系构型可以直接反映根系在土壤中的分布状况,进而影响植物对土壤养分吸收利用的能力[18],植物可通过改变根系形态或结构来适应低温环境[19]。Asgari等[20]的研究发现,在燕麦(Avena sativaL.)上施用纳米硅能够提高硅在根系中的积累并促进根系生长。本试验结果表明,施用纳米硅改善了番茄根系的生长状况,提高了根组织密度(表3),有助于提高根系的吸水能力,保持较高的土壤溶液吸收速率[21]。比根长反映了单位生物量根系的根长,植物可通过增加比根长来增加对土壤水分、养分的吸收以提高抗冷性[22]。本试验中,低温下施用纳米硅提高了番茄幼苗根体积和比根长(表3),说明纳米硅提高了番茄根系扩张能力,且根体积的提高使得可供根系汲取养分的土壤体积也随之增大[23]。根系从土壤中吸收营养以维持生长,其中侧根的生长状况是影响根系构型的关键因素之一,而侧根的生长状况能够通过根系分叉数和根尖数来体现[24],在低温下施用纳米硅提高了番茄根系的分叉数与根尖数(表4),促进了番茄侧根发育,且纳米硅对侧根生长的促进作用在常温下也有体现[23]。拓扑指数(TI)是反映根系空间结构的重要指标,当TI 接近1 时,根系呈人字形分布;当TI 接近0.5 时,根系呈二分枝分布[25]。本试验中,低温下番茄TI 相较常温环境更偏向于1 (表4),即更多根系分配在土壤深层,且施用纳米硅会加强根系偏向土壤深层的趋势,说明纳米硅通过促进根系扩张并将更多根系分配至深层土壤的方式来增强番茄根系获取土壤资源的能力[26]。分形维数(FD)与根系分枝能力呈正比,即根系的FD 随着分枝数的增加而增加,因此可以直接反映植物根系在低温环境的生长策略[27]。本试验中,施用纳米硅在常温、低温下均可提高番茄根系的FD (表4),说明纳米硅能够促进根系萌发更多的分支,从而高效率地提高根表面积,增强了根系对土壤水分和养分的吸收能力[28]。

番茄进行光合作用能力的强弱与自身抗冷能力及碳同化能力关系密切,其生理过程对低温环境十分敏感,如叶绿素含量、卡尔文循环及气孔开闭等[6]。Siddiqui等[29]在黄瓜(Cucurbita pepoL.)上的研究表明,施用纳米硅能够通过降低光合色素降解,提高净光合速率来缓解盐胁迫。本试验中,低温下番茄叶片各类光合色素含量及净光合速率均降低,施用纳米硅能够提高各类光合色素含量及净光合速率(表5),说明低温限制了光合作用,而纳米硅可通过提高光合色素含量以捕获更多的光能,从而增强番茄光合能力[30]。非结构性碳水化合物作为光合作用的主要产物,也是植物生长、代谢等一系列生理活动的能源物质[31],不仅可以反映植物的碳供应状况,也能反映植物对外界环境的适应策略[32]。本试验中,低温下番茄可溶性糖和蔗糖含量显著上升,这是源于植物需要糖类物质作为渗透调节物质来应对低温介导的渗透胁迫[33];施用纳米硅能够显著提高可溶性糖和蔗糖含量(表6),说明纳米硅能够通过提高糖类物质含量以增强番茄渗透调节能力[21]。淀粉是植物主要的能量储存物质之一,也是植物贮藏器官中最主要的碳水化合物[34]。以上结果表明低温下番茄的可溶性碳水化合物行使着两种功能,一是作为渗调物质提高细胞液浓度应对渗透势的变化,二是作为能源物质用于养分代谢和生物量积累。本试验中,低温下番茄将更多的淀粉分配在根系中,施用纳米硅同时提高了淀粉在叶片和根系中的积累,且根系淀粉积累量提高的幅度更大(表6),因为纳米硅能够促进糖类物质在从叶片到根系的转运,从而提高淀粉在根系中的积累,这也是纳米硅改善番茄根系构型及抗冷性的重要原因之一[35]。

综上所述,低温逆境严重制约了番茄的生长发育,在叶片中表现为光合色素的降低和光合能力的减弱,在根系中表现为根系扩张能力的减弱,可溶性糖和蔗糖因低温介导的渗透胁迫而堆积,进而难以用于生物量积累。施用纳米硅主要通过提高光合色素含量(仅低温下)改善光合能力,通过提高根系活力及分枝能力增强根系对土壤的占据和利用能力,通过更高的净光合速率和更优的根系构型共同促进了非结构性碳水化合物的积累,表现为生物量的显著提高。