缺素對(duì)土沉香幼苗根系生長(zhǎng)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

賈曉紅 周再知 馬華明 梁坤南 黃桂華 余雪標(biāo)

摘 要 采用營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)法，以土沉香幼苗為試驗(yàn)材料，研究在缺乏9種營(yíng)養(yǎng)元素（即-N、-P、-K、-Ca、-Mg、-Fe、-Mn、-B、-Zn）環(huán)境條件下，苗木的根系生長(zhǎng)、根系活力和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化和響應(yīng)機(jī)制。結(jié)果表明：（1）與全素對(duì)照相比，不同缺素處理下的土沉香幼苗根系生物量值和根系活力顯著下降，其中，-Ca和-K處理影響最顯著，其次為-Fe處理；（2）不同缺素處理穩(wěn)態(tài)熒光產(chǎn)量（Ft），光適應(yīng)時(shí)最大熒光（Fm′），葉綠體光系統(tǒng)II（PSⅡ）在部分反應(yīng)中心關(guān)閉下實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量（Yield），非循環(huán)電子傳輸速率（ETR），光下最小熒光（Fo′）以及潛在最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）值與CK處理差異顯著，其中，-P處理Ft值最小，F(xiàn)e和P元素對(duì)Fm′抑制最明顯，-Fe處理對(duì)Yield值影響最大，-Mg處理的ETR值最小，-Fe處理抑制Fo′值最明顯，-P處理抑制Fv/Fm值最明顯。

關(guān)鍵詞 土沉香；缺素；根系生物量；根系活力；葉綠素?zé)晒鈪?shù)

中圖分類號(hào) S567.19 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

土沉香[Aquilaria sinensis（Lour.）Gilg]（別名白木香、女兒香、牙香樹、莞香、六麻樹），為瑞香科（Thymelaeaceae）沉香屬（Aquilaria Spp.），熱帶、亞熱帶常綠喬木，是傳統(tǒng)名貴藥材和天然香料，主要分布于廣東、海南、云南、廣西、福建、臺(tái)灣等地區(qū)，被列為國(guó)家二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物名錄[1-4]。近年來，在培育土沉香人工林過程中，時(shí)常出現(xiàn)苗期或者種植時(shí)期，植株葉片發(fā)黃、矮小、萎蔫等癥狀，為了解決這些問題，學(xué)者開始致力于土沉香立地、營(yíng)養(yǎng)施肥等方面的研究。王冉等[5]設(shè)置6個(gè)施肥量處理，進(jìn)行珍貴樹種馬來沉香與土沉香苗期 N 素指數(shù)施肥試驗(yàn)研究，探究不同 N 素供應(yīng)水平對(duì)其苗期生長(zhǎng)、光合生理特性的影響。楊曉清等[6]以土沉香3個(gè)種源的幼苗為材料，模擬水分脅迫，研究了氮素營(yíng)養(yǎng)與水分脅迫對(duì)土沉香不同種源幼苗相關(guān)生理生化指標(biāo)的耦合影響。但是利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)進(jìn)行土沉香營(yíng)養(yǎng)診斷研究尚未見報(bào)道。因此，本試驗(yàn)試圖利用溫室營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)法，觀測(cè)土沉香幼苗在不同缺素（即缺乏氮、磷、鉀、鈣、鎂、鐵、錳、硼、鋅）條件下根系生長(zhǎng)、根系活力和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化，為土沉香在缺素環(huán)境下的生理適應(yīng)機(jī)制以及土沉香人工林的健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

采用長(zhǎng)勢(shì)良好，大小均一（平均高度為9.2 cm，地徑為2.1 mm）的土沉香幼苗，用去離子水洗凈根部，于圓形黑色容器（上下口徑19 cm×高20 cm，容積5 L）內(nèi)，用海綿固定幼苗，置于中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所溫室內(nèi)進(jìn)行懸浮培養(yǎng)。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及處理 試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，10個(gè)處理，重復(fù)3 次，每個(gè)處理3株苗。10個(gè)處理分別是：①對(duì)照（CK，全素營(yíng)養(yǎng)液）；②缺氮（-N）；③缺磷（-P）；④缺鉀（-K）；⑤缺鈣（-Ca）；⑥缺鎂（-Mg）；⑦缺鐵（-Fe）；⑧缺錳（-Mn）；⑨缺硼（-B）；⑩缺鋅（Zn）。

移苗后用1/2濃度量的全營(yíng)養(yǎng)液（即霍格蘭大量元素及阿農(nóng)微量元素1938 a配方[7]）培養(yǎng)1周。從第2周起，采用全濃度和10個(gè)處理配置營(yíng)養(yǎng)液（即不同缺素及對(duì)照）培養(yǎng)。容器內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液以能淹沒土沉香幼苗根系為宜，培養(yǎng)期間每天充氧氣1次，持續(xù)45 min，每隔1周換1次營(yíng)養(yǎng)液，并及時(shí)清理掉水箱內(nèi)青苔。定期用NaOH溶液或HCl調(diào)整箱內(nèi) pH值至6.5，減少光照溫度等外因的干擾并注意保持溫室內(nèi)的清潔衛(wèi)生，通氣良好。試驗(yàn)期間，溫室不使用人工光源，白天平均溫度應(yīng)保持在23～38 ℃，平均濕度 54%～78%。試驗(yàn)從2012年9月開始到2013年6月結(jié)束，持續(xù)9個(gè)月，期間觀測(cè)不同缺素處理幼苗的表型特征，收獲時(shí)候測(cè)定幼苗的根系生物量、根系活力以及葉綠素?zé)晒鈪?shù)。

1.2.2 取樣調(diào)查與指標(biāo)測(cè)定 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，剪下植株根系測(cè)定其鮮重，并在70 ℃的烘箱中烘至恒重，稱取根干重。用氯化三苯基四氮唑（TTC）法測(cè)定根活力[8]；并于晴朗無風(fēng)天氣，采用便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xPAM2500測(cè)定每株苗木3片健康葉片的穩(wěn)態(tài)熒光產(chǎn)量Ft（Chlorophyll fluorescence）、光適應(yīng)時(shí)最大熒光Fm′（ Maximum fluorescence）、葉綠體光系統(tǒng)II（PSII）在部分反應(yīng)中心關(guān)閉下實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量Yield（Photochemical quantum yield of PSII in the light）以及非循環(huán)電子傳輸速率ETR（Electron transport rate）；暗適應(yīng)下的初始熒光Fo和最大熒光Fm值于晚上20 ： 30測(cè)定。按下列公式計(jì)算光下最小熒光Fo′（Minimum fluorescence light）和潛在最大光化學(xué)量子產(chǎn)量Fv/Fm（Potential maximum PSII quantum yield）[9]。

Fo′=Fo/（Fv/Fm+Fo/Fm′）；Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，SPSS18.0進(jìn)行方差分析和Duncan多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同缺素處理對(duì)土沉香幼苗根系生長(zhǎng)和活力的影響

植物根系是活躍的吸收器官和合成器官，根的生長(zhǎng)情況和活力水平直接影響地上部分的營(yíng)養(yǎng)狀況及產(chǎn)量水平[10]。由表1可知，CK處理的根系生物量均顯著高于各缺素處理（p<0.05），其值為根系生物量值最小-K和-Ca處理的3.53倍。9個(gè)缺素處理中，地下部分生物量最大的是-Mn和-B處理，比-K和-Ca處理增大了1.33倍，各處理之間差異不顯著。

缺素處理環(huán)境下土沉香幼苗的根系活力有顯著性差異（p<0.05）。各處理的根系活力從高到低依次為CK>-Zn>-Mn>-B>-N>-Fe>-P>-Mg>-K>-Ca，其中，CK處理的根系活力顯著高于其他缺素處理；缺素處理中對(duì)根系活力影響最顯著的是-Ca處理和-K處理，均比CK處理分別降低了80.0%；對(duì)根系活力影響最小的為-Zn處理，其次為-P、-Mg和-Fe處理，分別比CK處理降低了10.0%，60.0%和70.0%。

2.2 不同缺素處理對(duì)土沉香幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響

植株的生長(zhǎng)發(fā)育離不開光合作用，光合作用是生物界所有物質(zhì)代謝和能量代謝的物質(zhì)基礎(chǔ)，通過測(cè)定植株光合作用對(duì)不同外界環(huán)境的生理響應(yīng)，可以判斷植物的生長(zhǎng)和健康狀況與其生境之間的關(guān)系，葉綠素?zé)晒鈪?shù)能夠反映光合作用的“內(nèi)在性”特點(diǎn)[9-11]。

2.2.1 缺素處理對(duì)穩(wěn)態(tài)熒光產(chǎn)量（Ft）的影響 方差分析表明，不同缺素處理對(duì)土沉香幼苗的葉綠素?zé)晒鈪?shù)有顯著影響（p<0.05）。除了-Ca和-B處理之外的其他缺素處理均使土沉香幼苗葉片的Ft值顯著低于CK處理，其中Ft值最小的是-P處理，比CK處理降低了40.0%；其次為-K和-Fe處理，分別比CK處理降低了32.0%和36.0%。9個(gè)缺素處理的Ft值大小依次為-B>-Ca>-Zn>-Mn>-N>

-Mg>-K>-Fe>-P，其中-B處理與除-Ca處理外的其他缺素處理差異性顯著，比-P處理增大了0.40倍（圖1）。

2.2.2 缺素處理對(duì)光適應(yīng)下最大熒光（Fm′）的影響

各缺素處理中除-N處理之外均使土沉香幼苗的Fm′值顯著低于CK處理，其中土沉香幼苗Fm′ 值受到最明顯抑制的是-Fe處理和-P處理，值均為0.19，比CK處理降低了57.68%；其次為-K處理，比CK處理降低了20.0%。9個(gè)缺素處理的Fm′值大小順序?yàn)?N>-Ca>-B>-Mg>-Mn>-Zn>-K>

-P>-Fe，其中-Fe處理與其他缺素處理的差異性顯著，約占最大值-N處理的1/2（圖2）。

2.2.3 缺素處理對(duì)葉綠體光系統(tǒng)II（PSII）在部分反應(yīng)中心關(guān)閉下的實(shí)際光化學(xué)量子產(chǎn)量（Yield）的影響

由圖3可知，-N，-Ca以及-Mg處理的土沉香幼苗的葉片Yield值與CK處理差異性不顯著，-P，-K，-Fe，-Mn，-B和-Zn處理的Yield值顯著低于CK處理，其中對(duì)其值抑制最明顯的是-Fe處理，值僅為0.15，比CK處理降低了63.4%；其次為-Zn處理和-P處理，分別比CK處理降低了53.7%和51.2%。各個(gè)缺素處理的Yield值大小順序是-N >-Mg>-Ca>-K>-B>-Mn>-P>-Zn>-Fe，其中-Fe處理與-N，-Mg，-Ca，-K，-B以及-Mn處理的差異性顯著，約占最大值-N處理的2/5。

2.2.4 缺素處理對(duì)非循環(huán)電子傳遞速率（ETR）的影響

各個(gè)缺素處理的土沉香幼苗的葉片ETR值顯著低于CK處理，其中-Mg處理的ETR值最小，僅為6.67，比CK處理降低了69.91%，其次為-Ca處理和-K處理，分別比CK處理降低了68.2%和67.7%。各個(gè)缺素處理的ETR值大小順序是-N>

-Mn>-B>-Zn>-Fe>-P>-K>-Ca>-Mg，其中-Mg處理與-N，-Mn，-B，-Zn和-Fe處理的差異性顯著，約占最大值-N處理的2/5（圖4）。

2.2.5 缺素處理對(duì)光下最小熒光（Fo′）的影響 圖5表明，9個(gè)缺素處理中，除-N和-Ca處理外的其他缺素處理的土沉香幼苗的葉片F(xiàn)o′值均顯著低于CK處理，其中抑制Fo′值最明顯的是-Fe處理，比CK處理降低了48.3%；其次為-P處理和-K處理，分別比CK處理降低了44.8%和40.0%。各個(gè)缺素處理的Fo′值大小順序是-N>-Ca>-B>-Mg>-Mn>

-Zn>-K>-P>-Fe，其中-Fe處理與-N處理的差異性顯著，約占最大值-N處理的1/2。

2.2.6 缺素處理對(duì)潛在最大光化學(xué)量子產(chǎn)量（Fv/Fm）的影響 如圖6所示，9個(gè)缺素處理中，除-Fe和-Zn處理外的其他缺素處理的土沉香幼苗葉片F(xiàn)v/Fm值均顯著低于CK處理，其中抑制Fv/Fm值最明顯的是-P處理和-Ca處理，值均為0.09，比CK處理降低了60.9%；其次為-N處理，比CK處理降低了52.2%。各個(gè)缺素處理的Fv/Fm值大小順序?yàn)?Zn>-Fe>-B>-K>-Mn>-Mg>-N>-Ca>-P，其中-Fe和-Zn處理與其他7個(gè)處理的差異性顯著，且-Zn處理比-P處理增大了1.11倍。

3 討論與結(jié)論

植物生長(zhǎng)發(fā)育需要各種礦質(zhì)元素以維持正常的生理活動(dòng)[12]，缺乏不同的礦質(zhì)元素均會(huì)影響植株的根系生長(zhǎng)和發(fā)育，進(jìn)而影響葉片的光化學(xué)反應(yīng)。根系生長(zhǎng)對(duì)礦質(zhì)元素反應(yīng)敏感，營(yíng)養(yǎng)元素的虧豐一定程度上影響根系生物量的積累。本試驗(yàn)中，9個(gè)缺素處理的土沉香根系總生物量都低于全素處理（CK），與King等[13]對(duì)火炬松（Pinus taeda Linn.）和北美黃松（Pinus ponderosa）苗木試驗(yàn)的結(jié)論相似。影響土沉香苗木根系生物量生長(zhǎng)最顯著的是-K處理，這是由于K是植物體內(nèi)許多酶的活化劑，對(duì)韌皮部傳導(dǎo)，滲透調(diào)節(jié)等具有重要作用。根系活力是反映植株根系代謝能力強(qiáng)弱的指標(biāo)之一，其大小影響植株的生長(zhǎng)和抗逆性，關(guān)系到植株對(duì)水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收利用[14]。麥榮章等[15]的研究結(jié)果顯示，缺磷、氮和鈣處理的春石斛（Dendrobium spp.）普遍表現(xiàn)出根系活力的降低，試驗(yàn)處理l個(gè)月后缺磷處理最低；2個(gè)月后缺氮處理最低，其次為缺鈣處理。本試驗(yàn)與其研究結(jié)果略有差異，9個(gè)缺素處理中，對(duì)土沉香根系活力影響最顯著的是-K和-Ca處理，可能因?yàn)镃a是植物細(xì)胞壁胞間層中果膠酸鈣的組成成分，因此，缺鈣時(shí)，細(xì)胞分裂不能進(jìn)行或不能完成，而形成多鈣細(xì)胞。也有研究報(bào)道指出，鈣對(duì)于植株細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜穩(wěn)定性具有重要作用[16]，因此，-Ca處理土沉香幼苗葉片呈淡綠色，繼而根尖出現(xiàn)壞死現(xiàn)象。同時(shí)，K在植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育過程中扮演著重要的角色，推測(cè)原因可能是缺K改變了土沉香對(duì)K的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，引起表皮細(xì)胞內(nèi)K+濃度的變化，進(jìn)而影響根系活力高低。

多個(gè)研究結(jié)果表明，礦質(zhì)元素的缺乏會(huì)導(dǎo)致植株葉綠素?zé)晒鈪?shù)（Fm，F(xiàn)v，ETR等）值的降低[17-19]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，P、Mg、Ca和Fe是影響土沉香幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的主要元素。P是許多參與光合和呼吸作用的輔酶如NAD+、NADP+等的成分，Mg是葉綠素的組成成分之一，在光合和呼吸過程中，可以活化各種磷酸變位酶和磷酸激酶，F(xiàn)e也是許多和光合有關(guān)的酶的輔基，土沉香幼苗在缺乏這幾種元素的生長(zhǎng)環(huán)境下，F(xiàn)t、Fm′、Yield、ETR、Fo′、Fv/Fm值顯著降低，說明缺素已經(jīng)造成了光抑制，導(dǎo)致其PSII潛在活性中心受到損傷，其反應(yīng)中心的光化學(xué)效率受到明顯影響，光合結(jié)構(gòu)遭到破壞，不利于激發(fā)能由捕光色素蛋白復(fù)合體（LHC）向PSII進(jìn)行傳遞。這與李紹長(zhǎng)等[20]、楊勇等[21]研究結(jié)果一致。

本試驗(yàn)研究的時(shí)間比較長(zhǎng)，可能原因是土沉香葉革質(zhì)，耐貧瘠，對(duì)缺素培養(yǎng)的反應(yīng)不靈敏造成的。而且本試驗(yàn)整個(gè)過程都是在溫室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境與野外相比存在一定的差異，因此，今后還需要進(jìn)一步通過其他診斷方法（砂培法等）開展野外試驗(yàn)，為土沉香的快速營(yíng)養(yǎng)診斷提供科學(xué)參考。

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