關鍵詞：硅；番茄；干旱；激素；光合

硅對植物的有益作用越來越被廣泛認可［1］。施硅能夠提高三角褐指藻的Rubisco活性［2］。生姜施硅后，葉片CO2羧化效率亦顯著提高［3］。增施硅是作為提高作物抗旱性的一個有效措施［4］?，F(xiàn)已廣泛證實硅可顯著改善干旱脅迫下植物的氣孔導度及光合作用。研究結(jié)果表明硅通過改善稻葉片水分狀況和光合速率提高抗旱性［5］。在高粱［6］和小麥［7，8］上的研究發(fā)現(xiàn)，硅能夠提高干旱脅迫下葉片的氣孔導度和凈光合速率。在胡椒上的研究也發(fā)現(xiàn)硅提高了干旱脅迫下胡椒葉片相對含水量、氣孔導度［9］。

干旱條件下，內(nèi)源激素起著非常重要的調(diào)控作用［10］。礦質(zhì)營養(yǎng)元素可影響植物內(nèi)源激素及光合作用。研究證實施氮降低了干旱脅迫下玉米根源ABA的濃度，從而增大玉米的氣孔開度，提高其光合速率［11］。在棉花上也同樣得出了相似的研究結(jié)論［12］，適量供氮有助于棉花內(nèi)源激素平衡的調(diào)節(jié)，從而促進棉花葉片光合性能的提高［13］。有研究提出硅是“準必需”元素［1］。前人報道了硅對干旱脅迫下大豆內(nèi)源激素的影響，但僅僅局限于茉莉酸、赤霉素和水楊酸的研究［14］。而后其他研究結(jié)果，認為化學信號物質(zhì)如ABA可影響植物的氣孔導度，從而間接抑制光合作用［15］。

目前關于硅緩解干旱的研究多集中于小麥、水稻、高粱等硅沉積量高的單子葉植物，而在硅沉積量低的雙子葉植物上的研究較少。近年有研究提出硅的調(diào)節(jié)作用并不與體內(nèi)硅的積累量正相關，對硅積累少的植物的調(diào)控作用并不一定低［16］。作為具有較高經(jīng)濟價值的蔬菜作物，番茄（SolanumlycopersicumL.）在世界范圍內(nèi)廣泛種植［17］。硅對番茄的有益作用已有所報道。前人研究發(fā)現(xiàn)施硅可以調(diào)節(jié)葉片氣孔的開閉，能夠通過提高番茄的光合作用和葉綠素的含量進而促進番茄的生長發(fā)育［18，19］；研究證實硅可改善鹽脅迫下番茄植株的水分狀況［20］，硅還可有效緩解鹽脅迫對番茄種子發(fā)芽的有害效應［21］。此外，關于硅對干旱脅迫下的光合作用的緩解機制的研究已廣泛實施，但相關研究多集中于硅對保護酶和氣體交換參數(shù)的影響，而關于硅對遭受干旱脅迫的植物的內(nèi)源激素尤其ABA等更多激素的影響的研究還是空白。因此，采用營養(yǎng)液中添加聚乙二醇6000（PEG6000）的水培方法，研究硅對遭受干旱脅迫的番茄光合特性和脫落酸（ABA）等激素的調(diào)節(jié)作用，旨在闡明硅調(diào)控干旱脅迫下植物光合過程的作用機理。

1 材料與方法

1.1 材料培養(yǎng)與處理

本試驗于山東農(nóng)業(yè)大學試驗站進行，采用水培方式將‘金棚1號’番茄育苗至4葉1心時，將幼苗移至以塑料封口袋為內(nèi)襯的塑料盆中繼續(xù)全營養(yǎng)液水培，每盆定植1株幼苗，營養(yǎng)液更換每隔1d進行1次。至8葉1心時，將植株隨機分組以全營養(yǎng)液作為對照（CK），以外源添加1.2mmol·L?1Si（Si）、外源添加1%PEG-6000（PEG）、外源添加1.2mmol·L?1Si和1%PEG-6000（PEG+Si）為處理組，選用Hoagland營養(yǎng)液配方，以Na2SiO3·9H2O為硅源來研究外源硅對干旱脅迫下番茄激素和光合作用的影響。每個區(qū)組4個處理，共80盆，重復3次。干旱脅迫12d，于第5d測定光合對光強響應曲線（Pn-PAR響應曲線）和光合對CO2響應曲線（Pn-CO2響應曲線），并取樣以便進行相關激素含量的測定。

1.2 葉片光合色素含量和光合作用參數(shù)的測定

使用CIRAS-1光合儀（PP-sysytem，英國）進行相關光合參數(shù)的測定，并進行兩次重復測定。Pn-PAR響應曲線的測定如下：光強（PAR）依次設置為1600、1400、1200、1000、900、800、700、600、500、400、300、250、200、150、120、100、80、50、30和0μmol·m?2·s?1，測定時葉室內(nèi)CO2濃度（410±10）μmol·mol?1，溫度（26±1）℃，相對濕度55%～60%。Pn-CO2響應曲線的測定如下：CO2濃度依次設置為為0、30、50、80、100、150、200、250、300、350、400、500、600、800、1000、1200、1400、1600、1800和2000μmol·mol?1；CK處理和Si處理的葉室內(nèi)PAR均設為1400μmol·m?2·s?1，PEG處理和PEG+Si處理的葉室內(nèi)PAR均設為1150μmol·m?2·s?1；測定時葉室內(nèi)溫度（26±1）℃，相對濕度55%～60%。以2次重復測定的平均值Pn-PAR響應曲線和Pn-CO2響應曲線作圖。綜合肖文靜［22］和吳雪霞［23］的方法，分別擬合Pn-PAR響應曲線和Pn-CO2響應曲線，并求出光表觀量子效率（AQY），補償點（LCP），光飽和點（LSP）以及光飽和時的Pn（Amax）；CO2羧化效率（CE），補償點（CCP），CO2飽和點（CSP）以及CO2飽和時的Pn（RuBP最大再生速率）。

1.3 激素測定

應用高效液相色譜法，測定番茄上數(shù)第3片功能葉和根系中的脫落酸、赤霉素、生長素、玉米素的含量，在王若仲等［24］方法的基礎上予以改進，具體測定方法如下：用液氮冷凍的鮮樣經(jīng)真空冷凍干燥后，準確稱取凍干樣品0.5g，以含二乙基二硫代氨基甲酸鈉的100%預冷乙醇為浸提液，浸提和洗滌分別進行兩次。第一次于弱光下以5mL浸提液冰浴研磨后轉(zhuǎn)移至離心管密封，于4℃冰箱靜置15h，8000rpm離心10min，取上清液；第二次加入4mL，在振蕩器上震蕩提取3h后離心，取上清液。殘渣清洗兩次（2mL，2mL），分別離心，取上清液。最后合并4次浸提的上清液。將合并后的提取液，在37～40℃條件下第一次減壓濃縮蒸干，而后加磷酸緩沖液（pH8.0，0.4M）和三氯甲烷各2mL洗滌，倒入50mL離心管中，用磷酸緩沖液（pH8.0，0.4M）洗滌兩次，再加入2mL三氯甲烷涮洗蒸餾瓶，倒入50mL離心管。然后將50mL離心管封口在4℃振蕩器上震蕩20min，然后棄下層三氯甲烷，再次加入三氯甲烷，離心并棄下層三氯甲烷，可重復兩次至水相溶液的色素去除干凈。然后將色素去除干凈的上層水相溶液倒入10mL離心管，加入150mg聚乙烯吡咯烷酮（PVPP），上下震蕩，8000rpm，離心10min。取上清液3mL，滴加甲醇至pH為3.0，往此水相中加入3mL乙酸乙酯震蕩，然后提取上部脂相，其水相用乙酸乙酯萃取兩次（2mL，2mL），合并所得脂相。加入pH3.5的乙酸溶液2mL，過Sep-PakC18小柱純化，用甲醇洗脫后收集于蒸餾瓶中，在37～40℃下第二次減壓蒸干。蒸干物用2.0mL甲醇溶解后經(jīng)0.45μm的水相微孔濾膜過濾后進行高效液相色譜分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用MicrosoftExcel2010和SPSSStatistics22軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源硅對干旱脅迫下番茄根系及葉片內(nèi)源激素的影響

單純Si處理番茄的葉片ZR含量與CK處理無顯著差異，而根系ZR含量高于CK處理，且有較顯著差異。PEG和PEG+Si處理番茄葉片和根系的ZR含量均分別顯著低于CK，但PEG+Si處理葉片和根系的ZR含量分別比PEG處理提高了79.98%、36.36%。與CK處理相比，單純Si處理番茄葉片和根系的GA含量均提高，PEG處理番茄葉片和根系的GA含量則顯著降低。雖然PEG+Si處理葉片和根系的GA含量亦顯著低于CK處理，但仍高于PEG處理，分別提高了179.37%、36.90%。4個處理的番茄葉片的IAA含量無顯著差異，但根系中IAA含量差異顯著，以Si處理最高，CK處理次之，PEG處理最低，且PEG+Si較PEG處理提高了61.87%。與ZR含量和GA含量相反，PEG和PEG+Si處理的葉片和根系的ABA含量均高于CK和Si處理，且PEG+Si處理的葉片和根系的ABA含量顯著低于PEG處理，分別降低了36.67%，32.22%。表明，干旱脅迫下，除葉片的ZR和GA含量及根系的ZR，GA和IAA含量顯著下降外，葉片和根系的ABA含量顯著提高。而施硅在一定程度上減弱了干旱誘導的這些改變。

2.2 外源硅對干旱脅迫下番茄根系及葉片激素平衡及氣孔導度的影響

如表1所示，與CK處理相比，單純Si處理的番茄根系及葉片的ZR/ABA，GA/ABA，IAA/ABA，AR+GA+IAA/AB均提高，但差異不顯著。雖然PEG和PEG+Si處理的葉片和根系中這4個比值均顯著低于CK處理。但與PEG處理相比，PEG+Si處理的葉片和根系的ZR/ABA分別提高了184.20%、101.19%，GA/ABA分別提高了341.15%、101.99%，IAA/ABA分別提高71.15%、138.70%，AR+GA+IAA/AB分別提高了195.99%、129.15%。表明干旱嚴重干擾了激素間的平衡，但施硅抑制了這一干擾效應。此外，單純施硅處理的番茄葉片的氣孔導度顯著高于CK處理，PEG和PEG+Si處理的番茄葉片的氣孔導度顯著低于對照，但PEG+Si處理的氣孔導度顯著高于PEG處理，提高了22.51%。

施硅處理5d后的的Pn-PFD和Pn-CO2響應曲線（圖2）表明，在較低光強或較低CO2濃度范圍內(nèi)，不同處理番茄葉片的Pn均隨著光強或CO2濃度的增加而近似線性增加；隨著光強或CO2濃度進一步增大，Pn緩慢增加，至曲線趨于平緩，達到光飽和或CO2飽和。但4個處理間亦有不同之處，同一光量子通量密度或CO2濃度下處理間的番茄葉的Pn為Sigt;CKgt;PEGgt;PEG+Si，尤其以較高光強或較高CO2濃度下更顯著。

2.3 外源硅對干旱脅迫下光合-光響應曲線相關參數(shù)的影響

由表2可知，與CK處理相比，Si處理下番茄葉片的光飽和點（LSP）、表觀量子效率（AQY）和光飽和的最大同化速率（Amax）均升高，而光補償點（LCP）則降低。PEG和PEG+Si處理的番茄葉片的LSP、AQY和Asat均顯著低于CK處理，而LCP則升高。但與PEG處理相比，PEG+Si處理的番茄葉片的LSP提高了2.95%，而LCP降低了12.98%。這表明施硅顯著擴大了干旱脅迫下番茄葉片PAR利用范圍。此外，PEG+Si處理的番茄葉片的AQY和Amax，也分別提高了31.25%，63.54%，說明施硅提高了干旱脅迫下番茄葉片的光能利用率。

2.4 外源硅對干旱脅迫下光合-CO2響應曲線相關參數(shù)的影響

由表3可知，與CK處理相比，Si處理下番茄葉片的CO2飽和點（CSP）、羧化效率（CE）和RuBP最大再生速率均升高，而CO2補償點（CCP）則降低。干旱脅迫降低了番茄葉片的CE，而施硅限制了干旱引起的CE的降低，如PEG和PEG+Si處理番茄葉片的CE均顯著低于CK，但PEG+Si比PEG高70.00%；RuBP最大再生速率表現(xiàn)為Sigt;CKgt;PEG+Sigt;PEG；與CK相比，PEG和PEG+Si處理的CCP提高，同時PEG和PEG+Si處理的CSP均降低。

3 討論

3.1 硅對干旱脅迫下激素及氣孔導度的影響

逆境條件下，多種植物內(nèi)源激素水平變化顯著并參與了生理調(diào)節(jié)過程［25-27］。玉米素（ZT）和玉米素核苷（ZR）是主要的的細胞分裂素［28］，主要功能是促進細胞分裂，ZR含量增減與植物抗旱性強弱有關［29］。干旱脅迫誘導了向日葵［30］和和云南山茶［31］葉片的ZR含量的降低。本研究發(fā)現(xiàn)，干旱誘導了番茄根系及葉片的ZR含量的降低，但干旱脅迫下施硅抑制了番茄根系及葉片ZR含量的降低，從而提高了番茄植株的抗旱性。GA能夠促進植物生長發(fā)育，但前人關于植物的GA對干旱脅迫的生理響應有不同結(jié)論。干旱脅迫導致芒果梢尖、葡萄葉片和豌豆葉片GA含量［32-34］及木薯根和葉片中的GA含量均下降［35］。張明生等認為，抗旱的甘薯在干旱脅迫下的GA合成量反而低［29］。劉長海等則證實，干旱脅迫下蘋果砧木葉中GAs含量先下降再上升，且抗旱砧木葉片GA含量高于非抗旱砧木［36］。Hamayun研究結(jié)果表明，施硅可提干旱脅迫下大豆的GA含量［15］。本研究結(jié)果表明，無論施硅與否，干旱脅迫下的番茄葉片和根系的GA含量均顯著低于對照，但干旱下施硅的植株葉片和根系GA含量均高于單純干旱處理。這可能是因為干旱脅迫下GA含量的降低可以使植株生長速率減慢，減少水分消耗，增強干旱抵御能力。但是植株莖節(jié)伸長和芽分化需較多的GA，而施硅可提高番茄水分利用率從而促進植株生長［36］，這可能是干旱下施硅的植株葉片和根系GA含量高于單純干旱處理的原因之一。干旱脅迫下限制植物的生長可以降低水分消耗，而生長素（IAA）的減少是生長受限的另一原因［32］。前人研究表明，干旱脅迫導致小麥及木薯葉片IAA含量下降［35，38］。本研究證實，無論施硅與否，IAA均降低，可能是植物生長受到限制可以降低水分消耗，是一種保護性反應。但施硅根系的IAA含量高于未施硅處理，這可能由于施硅可改善植物水分狀況［20］及根系活力［39］，利于IAA合成。較高的IAA含量可促進側(cè)根和不定根的形成，利于在干旱條件下吸收水分，這可能是干旱施硅植株具有較強抗旱性的重要原因。此外，施硅葉片中的IAA無顯著差異，這可能是由于干旱脅迫下莖尖合成的IAA向主要向根中運輸造成的。干旱脅迫導致植物體普遍呈現(xiàn)出ABA含量增加的趨勢［30］。干旱脅迫下，ABA在保衛(wèi)細胞的大量積累導致氣孔關閉，進而引起馬鈴薯葉片的光合性能下降［39］；受干旱脅迫誘導，豌豆葉片［34］及小麥根系［41］AB含量增加。本實驗亦證實，干旱脅迫下番茄根系及葉片的ABA含量顯著升高，且干旱施硅處理的ABA含量顯著低于單純干旱處理。因此。施硅引起的ABA降低有利于增大番茄葉片的氣孔導度，從而間接提高番茄葉片的光合性能。

植物實現(xiàn)對內(nèi)在生理過程的的調(diào)節(jié)不僅與內(nèi)源激素含量有關，激素間的交互作用尤其各激素之間的平衡更為重要［10，42］。干旱脅迫可造成降香黃檀葉片中，IAA/ABA和ZR/ABA值下降［43］。氣孔運動受細胞分裂素和ABA共同調(diào)控，細胞分裂素可以明顯地抑制ABA的作用，且玉米素可延遲干旱所引起的氣孔關閉［44］。Wang等［30］發(fā)現(xiàn)葉片氣孔的關閉是ABA含量增加和ZR含量下降共同作用的結(jié)果，而不是受ABA單方面影響。DAVID［45］也證實，干旱脅迫下IAA/ABA和ZR/ABA的比率產(chǎn)生變化可影響植物的氣孔運動、光合作用等。本試驗結(jié)果證實，盡管干旱脅迫下施硅番茄根系及葉片的ZR/ABA、IAA/ABA，GA/ABA及氣孔導度均低于對照，但均高于未施硅處理。這從另一方面揭示了短期干旱脅迫下施硅可提高番茄葉片氣孔導度，從而改善光合的生理原因。

3.2 硅對干旱脅迫下番茄光合特性的影響

光合作用的制約因素包括氣孔的部分關閉導致的氣孔限制和葉肉細胞光合活性下降導致的非氣孔限制［46，47］。LSP的實質(zhì)是暗反應跟不上光反應，從而阻礙了光合速率在更高光強下的繼續(xù)增加。因此，限制光飽和階段Amax的主要因素是CO2擴撒速率和CO2固定速率的影響，而羧化酶和Rubp羧化效率可影響CO2固定速率。所以碳同化能力強的植物，其LSP和光飽和階段Amax也相應較高。本試驗已證實施硅可降低ABA含量，改善激素間的平衡，且能使番茄葉片干旱脅迫下仍保持較高的氣孔導度，從而提高CO2擴散速率；另一方面，CE能夠反應Rubisco的含量或活性［31］，本研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下施硅番茄CE和RuBP最大再生速率也高于單純干旱處理。這表明施硅提高了干旱脅迫下番茄的碳同化能力，從而提高了LSP和光飽和階段Amax。本試驗結(jié)果亦表明，施硅限制了干旱脅迫引起的LCP上升和LSP下降，從而增大了光強利用范圍，提高了光能利用率。干旱脅迫導致葉片碳同化能力降低，則耗能降低，從而易導致光合電子傳遞到O2可形成更多活性氧［48］?？赡苁腔钚匝鯇е鹿夂夏さ倪^氧化損傷，使植物捕捉光能、轉(zhuǎn)化光能的能力降低，從而使LCP上升，LSP下降，光強的利用范圍減小。此外，AQY降低常被作為是發(fā)生光抑制的特征之一［49］。本試驗結(jié)果表明干旱脅迫下施硅處理的AQY亦高于單純施硅處理。因此，施硅使番茄對強光環(huán)境有很強的適應性，可以通過提高光合速率來利用更多光能，減輕光抑制，以保護光合機構(gòu)損傷。

4 結(jié)論

本研究運用營養(yǎng)液中添加PEG的水培方法，研究外源硅對干旱脅迫下番茄激素和光合作用的影響，研究發(fā)現(xiàn)施硅調(diào)節(jié)了番茄在干旱脅迫下的激素間的平衡，進而提高了番茄植株的抗旱性；施硅使番茄對強光環(huán)境有很強的適應性，可以通過提高光合速率來利用更多光能，減輕光抑制，以保護光合機構(gòu)損傷。因此，本研究確定了硅對遭受干旱脅迫的番茄的光合特性和ABA等激素的調(diào)節(jié)作用，揭示了硅調(diào)控干旱脅迫下植物光合過程的作用機理。