劉淑俠，李治紅，周 鑫，趙 升，李 巖,2,3，魏 珉,2,3,4*

（1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安 271018；2 農(nóng)業(yè)部黃淮海設(shè)施農(nóng)業(yè)工程科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，山東泰安271018；3 作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018；4 山東果蔬優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，山東泰安 271018）

黃瓜 (Cucumis sativus L.) 是設(shè)施栽培的主要果菜之一，果實(shí)品質(zhì)性狀包括商品品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和風(fēng)味品質(zhì)[1]，而果實(shí)表面蠟粉是其重要的商品品質(zhì)性狀。生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，黃瓜果面蠟粉量受栽培環(huán)境影響很大，溫度、濕度、光照條件均會(huì)引起蠟粉量的不同[2-4]。已有研究表明，黃瓜果面蠟粉形成在一定程度上取決于植株對(duì)硅的吸收分配特性，果面蠟粉量隨著硅營(yíng)養(yǎng)的增減而顯著增加或減少[5-6]。因此，環(huán)境條件影響黃瓜果實(shí)表面蠟粉形成可能源于植株對(duì)硅吸收運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的改變[7-8]。

硅是地球表面第二大元素，也是大多數(shù)高等植物生長(zhǎng)的有益元素[9]。關(guān)于植物吸收運(yùn)轉(zhuǎn)硅的機(jī)制，Takahashi等[10]提出了主動(dòng)吸收、被動(dòng)吸收、拒硅三種類型。水稻、小麥、大麥等為主動(dòng)吸收類型，燕麥、黃瓜、西瓜、草毒和大豆等為被動(dòng)吸收類型，番茄和扁豆為拒硅類型[11]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，黃瓜根部對(duì)硅的吸收主要是由硅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程，受低溫和代謝抑制劑的影響[12-13]；而硅向地上部的運(yùn)轉(zhuǎn)則主要是一個(gè)被動(dòng)擴(kuò)散過(guò)程[14]。因此，黃瓜對(duì)硅的吸收包含了主動(dòng)和被動(dòng)兩個(gè)過(guò)程[15]。但是，環(huán)境條件和外源硅濃度對(duì)黃瓜硅主動(dòng)和被動(dòng)吸收過(guò)程的影響研究較少。

為此，本試驗(yàn)以‘新泰密刺’黃瓜為試材，在人工氣候室水培條件下，研究了不同環(huán)境條件和外源硅濃度對(duì)黃瓜幼苗硅吸收過(guò)程的影響，旨在探明環(huán)境條件和外源硅濃度影響黃瓜硅吸收的機(jī)制以及與果面蠟粉形成的關(guān)系，為黃瓜優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2017年6—12月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院人工氣候室內(nèi)進(jìn)行。供試黃瓜品種為‘新泰密刺’ (新泰祥云種業(yè)有限公司)，種子經(jīng)溫湯浸種、催芽后，播種在裝有草炭和蛭石 (2∶1) 混合基質(zhì)的50孔穴盤中。一葉一心時(shí)，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗仔細(xì)洗根，移栽至裝有6 L山崎黃瓜專用配方營(yíng)養(yǎng)液的塑料盒 (長(zhǎng) 42 cm × 寬 32 cm × 高 12 cm)中，每盒6株，轉(zhuǎn)入人工氣候室內(nèi)繼續(xù)培養(yǎng)。期間調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液pH為6.0～6.5，24 h不間斷通氣，每3天更換一次營(yíng)養(yǎng)液。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 不同環(huán)境條件下黃瓜的硅吸收動(dòng)力學(xué)特性幼苗培養(yǎng)至五葉一心時(shí)，放置于4種環(huán)境條件 (表1)下進(jìn)行不同硅濃度處理，供試硅源為Na2SiO3·9H2O。先用去離子水饑餓處理24 h，然后進(jìn)行硅吸收試驗(yàn)。設(shè)置10個(gè)硅濃度，分別為0、0.085、0.17、0.34、0.51、0.68、0.85、1.02、1.36、1.70 mmol/L。采用盛有200 mL營(yíng)養(yǎng)液的棕色聚乙烯瓶培養(yǎng)，每瓶1株，吸收時(shí)間6 h，然后取營(yíng)養(yǎng)液測(cè)定硅濃度，取樣植株測(cè)定干鮮重。每處理重復(fù)3次。

1.2.2 環(huán)境條件和外源硅濃度對(duì)黃瓜硅吸收分配的影響 將一葉一心幼苗放置于人工氣候室4種環(huán)境條件下，分別進(jìn)行不同硅濃度處理。環(huán)境條件和供試硅源同1.2.1，光周期為12 h，硅濃度為0.085、0.17和1.7 mmol/L。五葉一心時(shí)取樣，測(cè)定不同器官硅含量。

表 1 環(huán)境條件Table 1 Environment conditions

1.2.3 環(huán)境條件和外源硅濃度對(duì)黃瓜主動(dòng)和被動(dòng)吸收過(guò)程的影響 將培養(yǎng)至五葉一心的黃瓜幼苗放置于4種環(huán)境條件下進(jìn)行不同硅濃度處理，環(huán)境條件、供試硅源和硅濃度設(shè)置同1.2.2。采用盛有200 mL營(yíng)養(yǎng)液的棕色聚乙烯瓶培養(yǎng)，每瓶1株，培養(yǎng)時(shí)間12 h，分別于開(kāi)始處理后2、4、6、8、10、12 h時(shí)取樣營(yíng)養(yǎng)液，測(cè)定硅濃度，取植株樣測(cè)定干鮮重。每處理重復(fù)3次。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

離子吸收速率計(jì)算參考李惠霞等[16]方法，作圖法求動(dòng)力學(xué)參數(shù)[17]；硅含量測(cè)定采用鉬藍(lán)比色法[18]；根系活力測(cè)定采用氯化三苯基四氮唑 (TTC) 法[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和Sigmaplot 10.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，采用DPS7.05軟件進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同環(huán)境條件下黃瓜的硅吸收動(dòng)力學(xué)特性

圖 1 不同環(huán)境條件下黃瓜硅吸收速率隨外界硅濃度的變化曲線Fig. 1 Silicon uptake rate of cucumber under external silicon supplies in different environmental conditions

由圖1可知，黃瓜硅吸收速率隨外界硅濃度的變化符合Michaelis-Menten酶促動(dòng)力學(xué)模式。硅濃度較低時(shí)，4種環(huán)境條件下的硅吸收速率均隨外界硅濃度升高呈線性增加；硅濃度達(dá)到一定水平時(shí)，硅吸收速率幾乎不再增加。相同硅濃度，硅吸收速率大小順序?yàn)?T4 ＞ T3 ＞ T2 ＞ T1。進(jìn)一步分析表明，Km值和 Cmin值大小順序均為 T4 ＜ T3 ＜ T2 ＜ T1，Vmax值大小順序?yàn)?T4 ＞ T3 ＞ T2 ＞ T1 (表 2)。這說(shuō)明不同環(huán)境條件下黃瓜吸收硅的能力不同，高溫和強(qiáng)光促進(jìn)硅的吸收。

表 2 不同環(huán)境條件下黃瓜的Km、Vmax及Cmin值Table 2 Km、Vmax and Cmin values of cucumber in different environments

2.2 不同環(huán)境條件和外源硅濃度對(duì)黃瓜硅吸收分配的影響

由表3可以看出，不加硅處理的黃瓜器官硅含量較低，加硅后硅含量顯著升高，并且隨著硅濃度增加，硅含量呈上升趨勢(shì)。相同環(huán)境條件下，黃瓜各器官硅含量均表現(xiàn)為葉片 ＞ 根系 ＞ 莖。相同硅濃度，各器官中硅含量均表現(xiàn)為 T4 ＞ T3 ＞ T2 ＞ T1，其中T4條件下1.7 mmol/L 加硅處理葉片硅含量比T3、T2和T1分別增加21.43%、54.92%和110.05%，說(shuō)明高溫和強(qiáng)光促進(jìn)了黃瓜對(duì)硅的吸收。

2.3 不同環(huán)境條件和外源硅濃度對(duì)黃瓜根系活力的影響

圖2表明，與不加硅處理相比，0.085 mmol/L和0.17 mmol/L加硅處理顯著增強(qiáng)了根系活力，而1.7 mmol/L處理卻導(dǎo)致根系活力顯著降低。相同外源硅濃度，不同環(huán)境條件下根系活力大小順序均為T4 ＞ T3 ＞ T2 ＞ T1，其中以 T4 環(huán)境、外源硅濃度為0.17 mmol/L時(shí)黃瓜根系活力最大。

2.4 不同環(huán)境條件和外源硅濃度對(duì)黃瓜主動(dòng)和被動(dòng)吸收過(guò)程的影響

外源硅濃度為0.085 mmol/L時(shí)，隨著吸收時(shí)間延長(zhǎng)，黃瓜被動(dòng)吸硅量和總吸硅量均明顯增加，且以T4環(huán)境下吸收量最大 (圖3)。其中，在T1、T2、T3環(huán)境下以主動(dòng)吸收為主，在T4環(huán)境下則以被動(dòng)吸收為主。低溫條件下，T1 (弱光) 和T2 (強(qiáng)光) 引起的被動(dòng)吸收占比分別為39.5%和42.9%；高溫條件下，T3 (弱光) 和T4 (強(qiáng)光) 引起的被動(dòng)吸收占比分別為45.9%和51.3%；弱光條件下，T1 (低溫) 和T3 (高溫) 引起的被動(dòng)吸收占比分別為39.5%和45.9%；強(qiáng)光條件下，T2 (低溫) 和T4 (高溫) 條件引起的被動(dòng)吸收占比分別為42.9%和51.3%?？梢?jiàn)，高溫和強(qiáng)光均可提高黃瓜對(duì)硅的被動(dòng)吸收量和總吸收量，增加被動(dòng)吸收的占比，且溫度對(duì)被動(dòng)吸收占比的影響大于光強(qiáng)。

表 3 不同環(huán)境條件和外源硅供應(yīng)水平下黃瓜器官硅含量 (mg/g)Table 3 Silicon contents in cucumber organs under different environmental conditions and exogenous silicon supply levels

圖 2 環(huán)境條件和外源硅對(duì)黃瓜根系活力的影響Fig. 2 Effect of environmental conditions and exogenous silicon on cucumber root activity

外源硅濃度為0.17 mmol/L時(shí)，黃瓜對(duì)硅的吸收規(guī)律與0.085 mmol/L相似，同樣表現(xiàn)為溫度相同時(shí)，強(qiáng)光下被動(dòng)吸收占比大于弱光；光強(qiáng)相同時(shí)，高溫下被動(dòng)吸收占比大于低溫，高溫、強(qiáng)光提高了黃瓜對(duì)硅的總吸收量和被動(dòng)吸收量以及被動(dòng)吸收所占的比例。

外源硅濃度為1.7 mmol/L時(shí)，黃瓜對(duì)硅的吸收規(guī)律雖與0.085和0.17 mmol/L相似，但在4種環(huán)境條件下對(duì)硅的吸收均以被動(dòng)吸收為主，并且外源硅濃度的增加促進(jìn)了黃瓜對(duì)硅的被動(dòng)吸收以及被動(dòng)吸收所占比例。

由表4可知，相同環(huán)境條件下，隨著外源硅濃度的增加，黃瓜對(duì)硅的被動(dòng)吸收量和總吸收量均呈上升趨勢(shì)，且被動(dòng)吸收所占比例也增加。高溫和強(qiáng)光促進(jìn)了黃瓜對(duì)硅的被動(dòng)吸收，增加外源硅濃度也可以提高黃瓜對(duì)硅的被動(dòng)吸收占比。

圖 3 不同環(huán)境條件下黃瓜硅吸收隨處理時(shí)間的變化Fig. 3 Dynamics of Si absorption of cucumber with treating time under different environmental conditions at Si supply level

表 4 不同環(huán)境條件和硅濃度下黃瓜被動(dòng)吸收和總吸收及被動(dòng)吸收占比Table 4 Passive absorption and percentage of passive absorption in cumber at different environments and Si supply levels

3 討論

前人研究表明，黃瓜根部對(duì)硅的吸收是一個(gè)由硅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的主動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程，且受低溫和代謝抑制劑的顯著影響，而地上部硅的積累則是一個(gè)被動(dòng)擴(kuò)散過(guò)程[13-14]。本試驗(yàn)通過(guò)吸收動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，黃瓜硅吸收速率初期隨著外界硅濃度升高呈線型增加，當(dāng)硅濃度達(dá)到一定水平后，硅吸收速率幾乎不再增加；而且4種環(huán)境條件下硅吸收速率高低順序?yàn)?T4 ＞ T3 ＞ T2 ＞ T1，說(shuō)明黃瓜對(duì)硅的吸收受蛋白質(zhì)載體調(diào)控并可受外界溫度或光照條件影響[20]。環(huán)境條件和外源硅濃度顯著影響黃瓜不同器官中硅含量，相同環(huán)境條件和外源硅濃度下，葉片中硅含量顯著高于莖和根系，以T4條件下各器官中硅含量最高，符合硅通過(guò)木質(zhì)部蒸騰流向地上部運(yùn)輸，并最終聚集在蒸騰速率較高部位的特點(diǎn)[21-22]。環(huán)境條件可以通過(guò)影響蒸騰作用，進(jìn)而影響植物對(duì)養(yǎng)分的吸收。本試驗(yàn)中，環(huán)境條件對(duì)黃瓜被動(dòng)吸收硅具有極顯著影響，高溫條件 (T3和T4) 下硅被動(dòng)吸收的占比大于低溫條件 (T1和T2)，說(shuō)明高溫可能通過(guò)增加氣孔導(dǎo)度、加大葉片內(nèi)外水汽壓飽和差促進(jìn)蒸騰作用[23]，增加被動(dòng)吸收的量和比例。強(qiáng)光條件 (T2和T4) 下被動(dòng)吸收占比大于弱光條件 (T1和T3)，同樣與提高了氣孔導(dǎo)度和蒸騰作用有關(guān)。低濕條件 (T3和T4) 下被動(dòng)吸收占比大于高濕條件 (T1和T2)，是因?yàn)榭諝鉂穸仍龃髮?dǎo)致葉-氣水汽壓飽和差減少，降低葉片蒸騰速率所致[24]。因此，環(huán)境條件主要通過(guò)蒸騰作用來(lái)影響黃瓜對(duì)硅元素的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。黃瓜果面蠟粉的主要成分是二氧化硅[25]，這可在一定程度上解釋高溫強(qiáng)光低濕條件下黃瓜蠟粉增多的原因。

外源硅濃度對(duì)黃瓜主動(dòng)和被動(dòng)吸收硅也具有顯著影響。硅濃度為0.085和0.17 mmol/L時(shí)，T1、T2和T3條件下黃瓜吸收運(yùn)轉(zhuǎn)硅以主動(dòng)過(guò)程為主，T4條件下則以被動(dòng)過(guò)程為主；外源硅濃度為1.7 mmol/L時(shí)，4種環(huán)境條件下的硅吸收運(yùn)轉(zhuǎn)均以被動(dòng)過(guò)程為主，并且隨著硅濃度升高，被動(dòng)吸收的占比增加。這可能由于外源硅濃度升高，溶液和根系中的硅濃度梯度加大，有助于硅元素較快地順電化學(xué)勢(shì)濃度梯度進(jìn)入根系[26]；此外，與主動(dòng)吸收有關(guān)的硅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相關(guān)基因的表達(dá)也會(huì)受到低濃度硅促進(jìn)和高濃度硅抑制[27]。有研究表明，低濃度下，水稻和小麥等植物對(duì)硅的吸收以主動(dòng)吸收為主，而在高濃度下，水稻被動(dòng)吸收的硅增多，而小麥則主要是被動(dòng)吸收[10]，與本文研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

黃瓜對(duì)硅的主動(dòng)吸收和被動(dòng)吸收過(guò)程受外源硅濃度和環(huán)境條件的顯著影響，高溫強(qiáng)光低濕環(huán)境及高外源硅濃度均可提高黃瓜對(duì)硅的吸收總量及被動(dòng)吸收的比例。