“紅地球”葡萄葉片光合特性對鎂素用量的響應(yīng)

韓艷婷，楊國順，石雪暉，劉昆玉，熊興耀

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖南長沙410128）

鎂是植物正常生長發(fā)育所必須的營養(yǎng)元素之一，對植物具有重要的生理代謝功能，在植物體的光合作用、酶活化、離子平衡、細(xì)胞膨壓作用、細(xì)胞膜穩(wěn)定以及活性氧代謝等方面均有重要影響[1]。有很多研究表明缺鎂嚴(yán)重地影響植物光合作用[2-8]，缺鎂對葉片光合作用及各分過程的影響被認(rèn)為是降低植物生長、致使作物產(chǎn)量減少和品質(zhì)下降的重要原因[9]。缺鎂導(dǎo)致葉片光合作用下降在大豆[3]、菜薹[4]、黃瓜[5]、玉米[6]及多年生果樹龍眼[7]、錦橙[8]已有研究，但對葡萄光合特性的影響尚未見報道。

白由路等的研究表明，我國土壤有效鎂處于嚴(yán)重缺乏或缺乏狀態(tài)的土壤面積占21%，鎂含量較低的區(qū)域主要有福建、江西、廣東、廣西、貴州、湖南和湖北等省份[10]。據(jù)雷平對我國南方葡萄設(shè)施栽培營養(yǎng)障礙調(diào)查表明，葡萄膨大后期常出現(xiàn)中微量元素缺乏癥，缺鎂尤其嚴(yán)重[11]，2009年本實(shí)驗(yàn)室對湖南省葡萄種植園調(diào)查結(jié)果也表明50%以上有缺鎂現(xiàn)象。南方葡萄園缺鎂的原因主要是鎂離子的吸附強(qiáng)度不如其他陽離子，受南方地區(qū)高溫、多雨及土壤酸性較強(qiáng)等因素的影響，土壤中的鎂容易因遷移和淋溶而損失[12]，而且葡萄園普遍偏重施用 N、P、K 肥料，有機(jī)肥的施用量不足，加上 K+、Ca2+、H+、NH4+、Al3+等離子與鎂有拮抗作用[8]，每年有大量的鎂從土壤中提取而得不到相應(yīng)的補(bǔ)充，從而使土壤中的鎂營養(yǎng)消耗不斷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致葡萄缺鎂現(xiàn)象在南方各地出現(xiàn)。

“紅地球”(Vitis vinifera L.“Red Globe”)是湖南近幾年引種成功的歐亞種葡萄優(yōu)良新品種，隨著“紅地球”葡萄栽培面積和栽培群體的擴(kuò)大，鎂素需求與供應(yīng)不足的矛盾在湖南“紅地球”設(shè)施栽培中日趨明顯，致使其生長及果實(shí)品質(zhì)難以提高。本研究以南方廣泛種植的主要鮮食品種“紅地球”葡萄幼苗為試材，通過測定不同鎂素水平對葡萄葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)、葉綠素含量、凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)的影響，探討葡萄光合作用對鎂素水平的響應(yīng)規(guī)律，為明確南方葡萄鎂素施用量和進(jìn)一步弄清鎂素對葡萄光合生理的影響提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計與方法

試驗(yàn)于2010年在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)葡萄教學(xué)基地進(jìn)行，以長勢一致的一年生“紅地球”葡萄(Vitis vinifera L.“Red Globe”)幼苗為試材，定植前試材均留6個芽，其它按設(shè)施栽培常規(guī)管理。于2010年3月10日（萌芽期）定植后進(jìn)行溫室盆栽砂培試驗(yàn)，定植盆盆口直徑36cm、盆底直徑28cm、盆高34cm，盆底鉆四個直徑0.5cm的孔，每盆1株，盆內(nèi)共裝23.5 kg洗凈消毒的河砂。定植后的植株用不同鎂素水平的改良Hoagland營養(yǎng)液澆灌[13]。試驗(yàn)設(shè)6個鎂素(MgSO4·7H2O)水平，其 濃 度 分 別 為 0 mmol/L、1 mmol/L、2 mmol/L、3 mmol/L、4 mmol/L、5mmol/L，單株區(qū)組，重復(fù)6次。每3d定量每株澆灌1L營養(yǎng)液，為防止砂培中鹽分積累，每次澆灌營養(yǎng)液前用去離子水淋洗1次，每次2L，直到0mmol/L處理的葉片出現(xiàn)明顯缺鎂癥狀（約培養(yǎng)90d）后，再進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測定，實(shí)驗(yàn)各處理均為6次重復(fù)。

1.2 測定方法

葉片超微結(jié)構(gòu)：選光合作用測定后的第7片成熟葉切取葉片中部主脈兩側(cè)大小0.5mm2～1mm2小塊，用2.5%戊二醛前固定，pH7.2磷酸緩沖液沖洗，1%鋨酸后固定，梯度乙醇脫水,Epon-812環(huán)氧樹脂包埋，升溫聚合，利用LKBV型超薄切片機(jī)切片，醋酸雙氧鈾、檸檬酸鉛雙染色，JEM1230 EX透射電鏡下觀察葉綠體超微結(jié)構(gòu)、形態(tài)和分布，測量大小并拍照。每處理觀測20～40個視野，取平均值。

葉綠素含量：取植株自生長點(diǎn)之下的第6、8片新鮮葉片，采用乙醇與丙酮1∶1混合冷浸法測定。用UV-1600紫外分光光度計測定645 nm、663 nm處消光值，計算葉綠素a(Chla)、葉綠素 b(Chlb)的含量。

光合參數(shù)：取植株自生長點(diǎn)之下的第7片新鮮葉片，選取2個晴朗日，利用 LI-6400型(Li-Cor Inc.,Lincoln,NE，USA)便攜式光合作用測定儀在上午10:00左右測定葉片的光合參數(shù)，測定時選取葡萄植株的中上部葉片。使用紅藍(lán)光源測定，光強(qiáng)恒定為1400μmol/m2·s，葉室溫度為28℃，CO2濃度為空氣中的濃度，濕度為大氣中的濕度。測定參數(shù)包括葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間 CO2濃度(Ci)。

所獲數(shù)據(jù)均采用SPSS軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉綠體超微結(jié)構(gòu)對鎂素用量的響應(yīng)

葉綠體是植物進(jìn)行光合作用的場所，完整的葉綠體結(jié)構(gòu)是保證植物進(jìn)行正常光合作用的前提[14]。表1表明，鎂素水平對“紅地球”葡萄葉片葉綠體結(jié)構(gòu)影響較大，葉綠體數(shù)目、體膜完整度、大小、基粒數(shù)和片層數(shù)均隨鎂素處理濃度增加而顯著增加，之后又稍有下降或持平，且鎂濃度為3mmol/L和4mmol/L時，差異不顯著，其它處理間差異顯著。在幾個不同鎂素水平處理中，鎂濃度為3mmol/L時，葉肉細(xì)胞中的葉綠體數(shù)最多，比鎂濃度為0mmol/L時多34.58%；鎂濃度為5 mmol/L時葉綠體最大，長和寬分別為12.12μm、6.84μm。鎂素還影響葡萄葉片葉綠體膜的完整度，按判定標(biāo)準(zhǔn)鎂濃度為2mmol/L、3mmol/L、4mmol/L時葉片葉綠體雙層膜清晰可見(圖1A1),完整度在90%以上，鎂濃度為0mmol/L、1mmol/L時葉綠體膜受到破壞，出現(xiàn)雙層膜局部解體的現(xiàn)象(圖1A2)，特別是0mmol/L處理下葉綠體膜被破壞程度達(dá)40%左右。基粒數(shù)和基粒片層數(shù)在鎂濃度為3mmol/L、4mmol/L時最多，且基粒片層結(jié)構(gòu)排列緊密整齊(圖1B1)，1mmol/L處理下開始出現(xiàn)彎曲松散解體的現(xiàn)象,鎂濃度為0mmol/L時葉片葉綠體幾乎無片層結(jié)構(gòu)(圖1 B2)，說明缺鎂導(dǎo)致葉片類囊體垛疊程度顯著降低。

表1 不同鎂素水平對“紅地球”葡萄葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)的影響

圖1 葉綠體膜及基粒片層觀察分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2 Chla和Chlb對鎂素用量的響應(yīng)

葉綠素是光合作用中重要的和最有效的光能吸收色素，在光合作用過程中起到接受和轉(zhuǎn)換能量的作用[4]，葉綠體的破壞也導(dǎo)致葉綠素含量降低[14]。由圖2可以看出,不同鎂素水平處理下“紅地球”葡萄幼苗葉片Chla和Chlb含量整體趨勢均表現(xiàn)為單峰曲線，在處理濃度為3mmol/L時達(dá)到高峰，鎂濃度在0～3mmol/L范圍內(nèi)Chla和Chlb含量隨鎂濃度增大而增大，差異較大，而后隨鎂濃度的增加又稍有降低。在鎂濃度為0mmol/L時，葉綠體破壞較嚴(yán)重，Chla和Chlb分別比葉綠體結(jié)構(gòu)完整度最高的鎂濃度為3mmol/L時低38.31%、45.00%。

圖2 不同鎂素水平對“紅地球”葡萄葉片Chla和Chlb含量的影響

2.3 Pn和Tr對鎂素用量的響應(yīng)

植物光合作用是植物生產(chǎn)過程中物質(zhì)積累與生理代謝的基本過程，植物能否正常生長最終取決于光合性能的好壞[6]。不同鎂素水平下“紅地球”葡萄幼苗葉片Pn和Tr發(fā)生了明顯的變化，由圖3可知，Pn與Tr的變化趨勢基本相同，在鎂濃度為0mmol/L、1mmol/L、2mmol/L處理時，Pn與Tr隨著鎂素處理濃度增加而顯著增加，之后又逐漸下降。在3mmol/L時達(dá)到高峰，Pn與Tr值分別為12.08μmol/m2·s和10.16mmol/m2·s，鎂濃度為 0mmol/L、1mmol/L、2mmol/L、4 mmol/L、5mmol/L 處理下Pn和Tr均比鎂濃度為3mmol/L處理時低，Pn分別低31.71%、24.34%、13.41%、2.6%和14.57%，Tr分別低 52.85%、42.52%、23.33%、9.74%和10.53%。

2.4 Gs和Ci對鎂素用量的響應(yīng)

圖3 不同鎂素水平對“紅地球”葡萄葉片Pn和Tr的影響

植物葉片氣孔是影響植物蒸騰作用的主要因素，Gs、Ci是與氣孔開度密切相關(guān)的2個值[7]。圖4所示，Gs與Pn有相似的變化趨勢，即二者均呈先升后降趨勢。在鎂濃度為0mmol/L～3mmol/L處理范圍內(nèi)，Gs上升較為明顯，但鎂濃度在3mmol/L～5mmol/L處理時，Gs又開始緩慢下降，其中在鎂濃度為3mmol/L時Gs最大，顯著高于其它處理，分別比鎂濃度為 0mmol/L、1mmol/L、2mmol/L、4mmol/L、5mmol/L 處理時高：56.4%、38.72%、27.44%、4.27%、9.45%。Ci變化趨勢也是先升后降，但變化幅度不大，鎂濃度為0mmol/L與其它施鎂處理的Ci差異顯著，處理間差異最大的是鎂濃度為0mmol/L、3mmol/L時的Ci，且Ci在鎂濃度為3mmol/L時比鎂濃度為0mmol/L時高12.29%。

圖4 不同鎂素水平對“紅地球”葡萄葉片Gs和Ci的影響

2.5 光合特性與鎂素用量的關(guān)系

表2為不同鎂素水平處理下“紅地球”葡萄葉片氣體交換參數(shù)、葉綠素的相關(guān)系數(shù)。分析表明，不同鎂素水平同Chl(a+b)、Tr、Ci達(dá)到顯著正相關(guān)性水平；Chl(a+b)同 Pn、Tr、Ci達(dá)到極顯著正相關(guān)水平；Pn同Tr達(dá)到極顯著正相關(guān)水平，同Gs、Ci顯著正相關(guān)；Tr與Ci達(dá)極顯著正相關(guān)水平。通過不同鎂素水平與Chl(a+b)、Pn、Tr、Gs和Ci之間的關(guān)系進(jìn)一步做回歸分析可知，鎂素用量與Chl(a+b)的非線性關(guān)系式為：y=-0.0413x2+0.4231x+0.7573；鎂素用量與Pn y=-0.3244x2+2.8381x+5.3257；鎂素用量與Tr的非線性關(guān)系式為：y=-0.3104x2+3.1398x+1.5273；鎂素用量與Gs的非線性關(guān)系式為：y=-0.0104x2+0.1071x+0.0363；鎂素用量與Ci的非線性關(guān)系式為：y=-3.9382x2+30.602x+230.08。

表2 不同鎂素水平下“紅地球”葡萄葉片光合特性指標(biāo)的相關(guān)分析

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本試驗(yàn)研究表明，鎂素用量對葡萄葉片葉綠體結(jié)構(gòu)影響顯著，當(dāng)鎂素水平為0mmol/L和1mmol/L時，葉綠體結(jié)構(gòu)受損，基粒片層減少，而其他處理?xiàng)l件下無此現(xiàn)象；葡萄幼苗葉片的 Chla 和 Chlb 含量、Pn、Tr、Gs、Ci均在鎂素水平為 3 mmol/L時顯著高于其它處理水平；同光合特性指標(biāo)呈正相關(guān)關(guān)系。這些結(jié)果說明南方缺鎂地區(qū)適量(約為3mmol/L)施鎂可穩(wěn)定細(xì)胞結(jié)構(gòu)、提高葉綠素含量和增強(qiáng)光合作用。

3.2 討論

葉綠體中基粒片層和基質(zhì)片層結(jié)構(gòu)的完整有序是保證植物進(jìn)行正常光合的前提，缺鎂對植物葉片細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響已有報道[16]，通過對葉片細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的觀察發(fā)現(xiàn)，0mmol/L～1 mmol/L處理下缺鎂癥狀明顯，2mmol/L～5 mmol/L處理下缺鎂癥狀不明顯。缺鎂癥狀不明顯時與正常葉片在解剖結(jié)構(gòu)上無多大差別，缺鎂癥狀明顯時葉綠體是比較敏感的部位。已有研究表明,葉綠素酶存在于葉綠體膜上,而葉綠素蛋白質(zhì)復(fù)合物存在于類囊體上；完整葉綠體的葉綠素酶與葉綠素單獨(dú)分布，葉綠體受到損傷時葉綠素酶與葉綠素接觸,從而使葉綠素降解加速[17]。本試驗(yàn)結(jié)果也表明，鎂不足導(dǎo)致葡萄葉片葉綠體受到破壞，數(shù)目減少，葉綠體膜損傷，基粒片層松散、模糊不清，致使Chla、Chlb的含量降低，從而推斷，葉綠體結(jié)構(gòu)變化引起葉綠素合成減少或受阻，促使葉綠素降解，而高鎂下Chla、Chlb的含量也降低，可能是高鎂打破了葡萄體內(nèi)離子間的平衡狀態(tài)，從而影響了植物正常代謝活動。

光合作用是植物生長的重要能量來源和物質(zhì)基礎(chǔ)，葉綠素的多少對光合速率有直接的影響，有研究者指出，葉綠素含量與光合之間一般呈正相關(guān)[18]，本試驗(yàn)中Chla+Chlb與Pn相關(guān)系數(shù)為0.932，達(dá)到了極顯著正相關(guān)水平，Chla、Chlb隨著供鎂濃度增大呈先升后降的趨勢，Pn、Tr、Gs和Ci的變化也響應(yīng)了這一變化趨勢，表明鎂素調(diào)控確對葡萄的光合作用有著重要的影響。

蒸騰是植物重要的生理過程，植物通過蒸騰作用運(yùn)輸?shù)V物質(zhì)、調(diào)節(jié)葉面溫度、供應(yīng)光合作用所需要的水分等，與植物Pn關(guān)系密切，氣孔是植物葉片中最重要的氣體交換通道，控制著CO2從葉片的進(jìn)入和葉片的蒸騰作用，從而間接影響葉片光合作用的進(jìn)行[19]。本研究表明，在不同鎂素水平下，葡萄葉片Pn同Tr、Ci呈顯著正相關(guān)，說明Pn的變化引起了Tr的變化，而Pn和Tr變化的主要原因是氣孔限制引起的。Wong等研究表明[20]，Pn與Gs之間有相互關(guān)系，Gs影響Pn，Pn對Gs具有反饋調(diào)節(jié)作用，即在有利于葉肉細(xì)胞光合時，Gs增加，不利于光合作用時，Gs減小，本試驗(yàn)結(jié)果符合此規(guī)律。

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