不同時(shí)期葡萄各器官碳氮分配差異

劉光春，王亞芳，陳征文，翟衡，杜遠(yuǎn)鵬*

（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)

光合產(chǎn)物在樹體內(nèi)的運(yùn)輸、分配情況是影響果樹優(yōu)質(zhì)、豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要因素[1]。碳、氮代謝是植物體內(nèi)最主要的兩大代謝過程[2]，因此研究植株體內(nèi)碳氮營養(yǎng)的分配，對于提高植株的生產(chǎn)性意義重大。碳氮示蹤技術(shù)是研究光合產(chǎn)物和氮素營養(yǎng)固定吸收分配的有效手段[3-7]。Farmer[8]首次將穩(wěn)定性碳同位素13C用于植物的碳代謝研究。相關(guān)學(xué)者應(yīng)用13C和15N示蹤技術(shù)在蘋果、桃等果樹的碳氮營養(yǎng)研究方面已經(jīng)取得了一定成果[9-13]，而利用13C和15N示蹤技術(shù)研究釀酒葡萄的碳氮營養(yǎng)吸收、分配的相關(guān)報(bào)道較少，由于葡萄的架式和栽培方式不同于其他果樹，并且還具有枝條生長量大、副梢發(fā)生級次多、夏季修剪工作量大的特點(diǎn)。為此，本試驗(yàn)中以釀酒葡萄‘赤霞珠’為試材，在果實(shí)發(fā)育的3個重要時(shí)期對其新梢上部葉片進(jìn)行標(biāo)記，旨在研究新梢上部葉片固定的光合產(chǎn)物及吸收氮素營養(yǎng)在不同時(shí)期的主要分配方向，為研究葡萄碳氮營養(yǎng)吸收分配規(guī)律提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試材與處理

試驗(yàn)于2015年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)站葡萄園進(jìn)行，株行距0.8 m×2.0 m，試材均為7年生‘赤霞珠’，籬架，單干單臂樹形。

試驗(yàn)2：標(biāo)記物在植株中的運(yùn)轉(zhuǎn)速率探討。于果實(shí)轉(zhuǎn)色期選取長勢基本一致、無病害植株6株，選取植株水平主蔓上第一發(fā)枝部位的新梢，分別對其上部葉片進(jìn)行13C和15N的雙標(biāo)記，一組標(biāo)記3 d后破壞性整株取樣，另一組標(biāo)記9 d后破壞性整株取樣，單株小區(qū)，重復(fù)3次。

1.2 標(biāo)記方法與取樣

13C脈沖標(biāo)記在一個由透明農(nóng)用薄膜做成的標(biāo)記室內(nèi)進(jìn)行[14]，標(biāo)記前先檢查標(biāo)記室的密封性[15]。用注射器向裝有0.2 g（或0.6 g）Ba13CO3的離心管中注入一定量1 mol/L的鹽酸溶液。此后每隔0.5 h向其中注入1次鹽酸，以維持CO2濃度，標(biāo)記時(shí)間持續(xù)4 h。用毛筆蘸0.4%的15N尿素溶液12.5 mL涂抹正反面葉片進(jìn)行15N標(biāo)記。72 h后破壞性全株取樣。樣品按清水→洗滌劑→清水→1%鹽酸→3次去離子水順序沖洗后，105 ℃下殺青30 min，隨后在80 ℃下烘干至恒重，粉碎后過0.25 mm篩，混勻后裝袋備用[16]。

1.3 測定與計(jì)算

13C豐度用DELTAplusXP型質(zhì)譜儀（Thermo Fisher Scientific，inc., uSA）在中國林科院測定，15N豐度用ZhT-03質(zhì)譜計(jì)（北京分析儀器廠）在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院原子能研究所測定。

13C含量：13C/‰＝[Ci×(Fi-Fnl)/100]×1000，式中Ci為各組分所含的碳量（g），nl表示未標(biāo)記。

13C分配率：13Ci/%＝(13C/13C凈吸收)×100。

15N計(jì)算。Ndff指植株器官從肥料中吸收分配到的15N量對該器官全氮量的貢獻(xiàn)率，反映了植株器官對肥料15N的吸收征調(diào)能力。

Ndff/%＝[(樣品中的15N豐度-自然豐度)/(肥料中15N的豐度-自然豐度)]×100；

另一方面,“一帶一路”背景下的高等教育國際化發(fā)展又面臨著一些新的問題。如需進(jìn)一步深化課程教學(xué)的改革，將國際意識和能力的強(qiáng)化滲透到課程教學(xué)與科研當(dāng)中，將“一帶一路”國家和地區(qū)的有關(guān)情況作為應(yīng)用情景，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識和能力去分析和處理國際事務(wù)的能力。又如建立國際化的師資隊(duì)伍，引入國外師資力量，提升國內(nèi)教師的國際化視野等等。如何“吐故納新，中外結(jié)合”將會是我國高等教育改革的一大挑戰(zhàn)。

15N分配率：15N/%＝各器官從氮肥中吸收的氮量(g)/總吸收氮量(g)×100；

總N量/g＝干物質(zhì)量(g)×植株氮濃度N(%)。

所有數(shù)據(jù)均采用DPS 7.05軟件進(jìn)行單因素方差法分析，Tukey法進(jìn)行差異顯著性比較，應(yīng)用Microsoft Excel 2003進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)記時(shí)期對各器官碳氮營養(yǎng)吸收分配的影響

2.1.1 不同標(biāo)記時(shí)期植株各器官的13C含量和分配率

從表1可以看出，葡萄上部葉片固定的光合產(chǎn)物其葉片自留量無論在果實(shí)發(fā)育的哪個時(shí)期均稍高于30%（30.64%～32.49%），剩余近70%向其他器官轉(zhuǎn)運(yùn)。其中，果實(shí)轉(zhuǎn)色期、成熟期標(biāo)記新梢的果實(shí)中光合產(chǎn)物分配率較膨大期的高，分別是膨大期的4.03倍、2.90倍；而且上部葉片固定的光合產(chǎn)物在3個果實(shí)發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期均未向粗根分配，在膨大期和轉(zhuǎn)色期有極少的光合產(chǎn)物向細(xì)根分配，而且轉(zhuǎn)色期的細(xì)根分配率是膨大期的3.33倍；隨著葡萄果實(shí)生育期的發(fā)展，標(biāo)記新梢的碳素自留率不斷增加，即成熟期的最高，高達(dá)86.77%，轉(zhuǎn)色期次之，膨大期最低。

2.1.2 標(biāo)記時(shí)期葡萄植株各器官的15N含量和分配率

從表2可以看出，葡萄上部葉片自留的氮營養(yǎng)比率比碳素營養(yǎng)稍高，而且3個標(biāo)記時(shí)期自留的氮營養(yǎng)量不同，成熟期最高，膨大期次之，轉(zhuǎn)色期的自留量最低。其中成熟期標(biāo)記新梢各器官獲得的氮營養(yǎng)總量高達(dá)90%；標(biāo)記新梢上果實(shí)的分配率表現(xiàn)為：成熟期＞膨大期＞轉(zhuǎn)色期；膨大期和轉(zhuǎn)色期有較少的氮營養(yǎng)分配給細(xì)根，成熟期沒有分配，但膨大期細(xì)根的氮營養(yǎng)分配率是轉(zhuǎn)色期的1.37倍，粗根則在各個時(shí)期依然沒有分配到氮營養(yǎng)。

表1 不同標(biāo)記時(shí)期葡萄植株各器官的13C含量和分配率Table 1 The 13C content and distribution rate of different organs at different labeling stage

2.1.3 不同標(biāo)記時(shí)期葡萄植株各器官的Ndff值

從表2中可以看出，受標(biāo)記新梢的上部葉片Ndff值無論在哪個發(fā)育時(shí)期都顯著高于未標(biāo)記器官，且隨著果實(shí)成熟有增加趨勢。相反，未標(biāo)記的中部葉片對上部標(biāo)記葉片氮營養(yǎng)的競爭能力隨著生育期的延長不斷降低，而未標(biāo)記的下部葉片對上部標(biāo)記葉片氮營養(yǎng)的競爭能力以果實(shí)膨大期最高，成熟期次之，轉(zhuǎn)色期最低。轉(zhuǎn)色期未標(biāo)記新梢各器官Ndff值總量在果實(shí)3個發(fā)育時(shí)期中占比最高，果實(shí)膨大期次之，而果實(shí)成熟期最低，說明不同時(shí)期，未標(biāo)記新梢對相鄰新梢上部葉片的氮營養(yǎng)競爭能力不同，而且均較低。

2.2 13C、15N雙標(biāo)記在植株中的運(yùn)轉(zhuǎn)速率

2.2.113C在不同器官中的轉(zhuǎn)運(yùn)及分配率

從表3中可以看出，標(biāo)記3 d后和標(biāo)記9 d后上部葉片自留的碳營養(yǎng)基本一致，均有70%左右向其他器官轉(zhuǎn)運(yùn)。標(biāo)記9 d后，標(biāo)記新梢向果實(shí)和細(xì)根的分配率高于標(biāo)記3 d的，是其1.65和13.64倍，而主干的分配率下降至標(biāo)記3 d的51.37%。說明在果實(shí)轉(zhuǎn)色期隨著標(biāo)記時(shí)間的延長，葡萄上部葉片固定的碳營養(yǎng)途徑主干的碳營養(yǎng)繼續(xù)向果實(shí)和細(xì)根這兩個重要的庫分配。

2.2.215N在不同器官中的轉(zhuǎn)運(yùn)分配率

標(biāo)記3 d后和標(biāo)記9 d后上部葉片自留的氮營養(yǎng)基本一致，約有一半的氮營養(yǎng)向其他器官轉(zhuǎn)運(yùn)（表4），與上部葉片自留的碳營養(yǎng)相比，上部葉片自留的氮營養(yǎng)高于碳營養(yǎng)。標(biāo)記9 d后標(biāo)記新梢的果實(shí)和細(xì)根的分配率均高于標(biāo)記3 d后的，分別是其的2.49和2.23倍；這說明，在葡萄轉(zhuǎn)色期，果實(shí)和細(xì)根是作為植株兩個重要的庫器官，上部葉片吸收的氮營養(yǎng)向庫的分配量隨著標(biāo)記時(shí)間的延長而增加。

表2 不同標(biāo)記時(shí)期葡萄植株各器官15N的含量和分配率以及Ndff%值比較Table 2 The 15N content, distribution rate and Ndff% of different organs at different labeling stage

表3 標(biāo)記3 d和9 d后各器官13C含量和分配率Table 3 The 13C content and distribution rate of different organs after 3 days and 9 days labeling

表4 標(biāo)記3 d后和9 d后各器官15N含量和分配率以及Ndff值Table 4 The 15N content, distribution rate and Ndff% of different organs after 3 days and 9 days labeling

2.2.3 標(biāo)記后3 d和9 d各器官Ndff值

從表4中可以看出，標(biāo)記新梢的上部葉片及其未標(biāo)記的其他器官（中部和下部葉片、果實(shí)、主干和細(xì)根）氮的征調(diào)能力隨著時(shí)間的延長均有所上升，氮的分配率也隨之上升。而且無論標(biāo)記3 d還是9 d后，未標(biāo)記上部葉片的新梢各器官Ndff值總和均低于標(biāo)記上部葉片的新梢，分別是其的11.17%和3.34%。這說明新梢對于其他新梢上部葉片的氮營養(yǎng)的征調(diào)能力很低，而且隨著時(shí)間的延長，征調(diào)能力還在不斷降低。

3 討論與結(jié)論

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，上部葉片固定的碳營養(yǎng)約有30%（30.64%～32.49%）自留，吸收的氮營養(yǎng)約有50%左右（49.42%～60.73%）自留，用于自身的生長發(fā)育，其自留比例稍低于焦培娟等[17]的研究結(jié)果，其在山葡萄的研究認(rèn)為，上部枝和中部枝標(biāo)記處理飼喂本枝的14C同化產(chǎn)物絕大部分滯留用于自身枝條建設(shè)，而下部枝飼喂枝主要是輸送到下部的主蔓和根系中。這可能與品種類型有關(guān)，如雜交稻將更多的氮轉(zhuǎn)移到稻谷中，而常規(guī)稻則貯藏到了稻草中[18]。本研究還發(fā)現(xiàn)，上部葉片自留的氮營養(yǎng)高于碳營養(yǎng)，除上部葉片自留的碳氮營養(yǎng)，剩下的均向其他器官分配，不同轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間和不同時(shí)期，各器官的分配率均有所差異，這與劉洪家等[19]在黑穗醋栗上研究結(jié)果一致。

不同時(shí)間采樣測定可以看出，碳氮營養(yǎng)分配率有隨著轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間的延長而提高的趨勢，這說明3 d的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間對于7年生的‘赤霞珠’大樹完成體內(nèi)的光合產(chǎn)物和氮素營養(yǎng)的分配尚不充分，需要更長時(shí)間進(jìn)一步完成轉(zhuǎn)運(yùn)，以達(dá)到標(biāo)記產(chǎn)物在樹體內(nèi)的穩(wěn)定。不同器官標(biāo)記新梢的碳營養(yǎng)分配率總量上升，細(xì)根的碳營養(yǎng)分配率上升；未標(biāo)記新梢的碳營養(yǎng)分配率總量下降，主干的碳營養(yǎng)分配率下降。標(biāo)記新梢的氮營養(yǎng)的分配率總量上升，主干和細(xì)根的氮營養(yǎng)分配率均有所提高，未標(biāo)記新梢的氮營養(yǎng)分配率下降，這些現(xiàn)象也可能與再分配有關(guān)，還需進(jìn)一步研究證實(shí)。植物碳氮營養(yǎng)分配遵循由源到庫的原則，源和庫是相對的，在不同的生育期有著不同的源和庫。從果實(shí)膨大期到成熟期果實(shí)中氮的分配率迅速上升[20]。本試驗(yàn)在果實(shí)成熟期，標(biāo)記新梢的碳氮營養(yǎng)的分配率總量均最高，并且均沒有向細(xì)根分配，未標(biāo)記新梢和主干的碳氮營養(yǎng)分配均較低；膨大期和轉(zhuǎn)色期在碳氮營養(yǎng)分配上有很大不同，膨大期果實(shí)迅速生長膨大，是具有較強(qiáng)競爭力的庫，因此所獲得的碳營養(yǎng)分配高于轉(zhuǎn)色期，新梢無論標(biāo)記與否其碳營養(yǎng)分配率總量均低于轉(zhuǎn)色期，細(xì)根的碳營養(yǎng)分配率也低于轉(zhuǎn)色期，而對于氮營養(yǎng)，膨大期標(biāo)記新梢的氮營養(yǎng)分配率和細(xì)根氮營養(yǎng)的分配率均高于轉(zhuǎn)色期，未標(biāo)記新梢的氮營養(yǎng)分配率低于轉(zhuǎn)色期，主干的分配率亦低于轉(zhuǎn)色期。

研究發(fā)現(xiàn)，光合產(chǎn)物在各器官的分配率與該器官重量關(guān)系，有些器官因其在全株占的比重較大，造成分配率較高，但活度單位數(shù)卻很小，說明該器官并非光合產(chǎn)物分配中心[21]。本試驗(yàn)中標(biāo)記新梢的莖的分配率均比較高，但莖中的韌皮部是碳氮營養(yǎng)的運(yùn)輸組織，所以碳氮營養(yǎng)一方面用于新梢自身生長，另一方面也有一部分是在往其他器官的運(yùn)輸途中，尤其是3 d轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間的主干的碳營養(yǎng)顯著高于轉(zhuǎn)運(yùn)9 d的，這可能是由于3 d時(shí)間太短，還有部分碳氮營養(yǎng)在轉(zhuǎn)運(yùn)途中，增加轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，其中的碳氮營養(yǎng)繼續(xù)向其他器官分配。深入了解植株的碳氮營養(yǎng)分配特征對指導(dǎo)樹形構(gòu)建、新梢管理和科學(xué)施肥均有科學(xué)意義。