堿性土上GF677與毛桃植株鐵素分配規(guī)律及根系鐵吸收差異研究

涂美艷，陳 棟，邱東昀，祝 進(jìn)，鐘小江，宋海巖，李 靖，楊文淵，江國(guó)良*

(1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所·農(nóng)業(yè)部西南地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610066;2.樂(lè)山市市中區(qū)脆紅李技術(shù)協(xié)會(huì)，四川 樂(lè)山 614000;3.四川省園藝推廣總站，四川 成都 610016;4.宜賓縣農(nóng)業(yè)局果樹(shù)站，四川 宜賓644600)

【研究意義】四川盆地桃產(chǎn)區(qū)土壤大多數(shù)是由石灰性紫色頁(yè)巖風(fēng)化形成，這類(lèi)土壤物理風(fēng)化強(qiáng)烈，化學(xué)風(fēng)化緩慢，始終停留在脫鈣階段，土壤碳酸鈣含量高，一般為 5% ～10%，pH 7.5 ～8.5［1］，極易引起桃樹(shù)黃化現(xiàn)象，目前已成為制約四川盆地乃至全國(guó)石灰性紫色土桃產(chǎn)區(qū)發(fā)展的一大難題?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，針對(duì)堿性土上桃樹(shù)植株黃化問(wèn)題已經(jīng)有過(guò)不少研究［2－5］，但大多停留在黃化植株與正常植株的葉片礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素分析、土壤理化性質(zhì)分析或病原菌分離與鑒定等。桃砧木GF677(P.amygdalus× P.persica)是由法國(guó) INRA(Institut Nationaldela Recherche Agronomique)于20世紀(jì)60年代雜交選育而成，根系發(fā)達(dá)，長(zhǎng)勢(shì)健壯，且與桃/油桃品種間嫁接親和力強(qiáng)，并具有抗鈣質(zhì)堿性土缺鐵性黃化、抗重茬、抗旱等優(yōu)良特性［6］。然而目前，關(guān)于GF677的研究主要集中于組培快繁技術(shù)上［7－8］，其抗性的生理機(jī)制研究較少。本課題組于2014年先后將GF677扦插苗與毛桃實(shí)生苗栽植到四川省龍泉驛區(qū)、簡(jiǎn)陽(yáng)市等多地紫色頁(yè)巖發(fā)育的堿性土壤上(pH≥8.0)，均發(fā)現(xiàn)毛桃黃化嚴(yán)重、長(zhǎng)勢(shì)弱，但GF677葉綠枝茂、生長(zhǎng)勢(shì)旺盛，表現(xiàn)出了極強(qiáng)抗黃化特征。【本研究切入點(diǎn)】在此基礎(chǔ)上，本研究在堿性土立地條件下比較了2年生的GF677扦插苗與毛桃實(shí)生苗在堿性土壤上的植株不同器官全Fe含量及土壤相關(guān)化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)定，并對(duì)生長(zhǎng)根表面根毛用掃描電鏡進(jìn)行觀察比較?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以期找出其植株體內(nèi)Fe素分配規(guī)律及根系Fe素吸收的生理機(jī)制，為未來(lái)抗性桃砧木育種中優(yōu)良品種篩選提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)地點(diǎn)

供試材料為桃砧木品種GF677(扦插苗)，以普通毛桃(實(shí)生苗)為對(duì)照。

試驗(yàn)地位于四川省簡(jiǎn)陽(yáng)市周家鄉(xiāng)南沖堰村四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所晚熟桃示范基地(N30°30'50.97″，E104°26'35.21″)，屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫17℃，年降雨量900 mm。試驗(yàn)地塊上茬作物為桃樹(shù)，種植20余年，園區(qū)土壤侏羅系和白堊系紫色沙頁(yè)巖發(fā)育而成的石灰性紫色土［10］，背景值為:pH 值 8.44，有機(jī)質(zhì) 6.53 g/kg，全氮 0.60 g/kg，全磷 0.63 g/kg，全鉀 20.03 g/kg，陽(yáng)離子交換量CEC 19.20cmol(+)/kg，全鐵 63.30g/kg，有效鋅 0.54 mg/kg，有效鐵19.40 mg/kg，有效錳5.50 mg/kg，交換性鈣 81.00 cmol1/2Ca2+/kg，交換性鎂 1.60 cmol1/2Mg2+/kg。2014年采取聚土起壟方式改土重建，株行距為1.0 m×4.5 m，栽植時(shí)GF677和毛桃均為1年生苗，本試驗(yàn)測(cè)定時(shí)間為2016年1－10月。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)于2016年春季GF677與毛桃實(shí)生苗功能葉成熟開(kāi)始，選取生長(zhǎng)勢(shì)一致的GF677與毛桃實(shí)生苗，單株為1重復(fù)，每個(gè)處理設(shè)置5個(gè)重復(fù)。自1月上旬起每隔1個(gè)月左右于植株樹(shù)冠南向、無(wú)病蟲(chóng)害新梢中部成熟功能葉，枝條選取南向一年生枝條，根系選擇直徑1.5～5.0 mm的生長(zhǎng)根，葉片待3月份有成熟功能葉后，選取一年生枝條上基部往上數(shù)的第6～8片葉，并放入冰盒或液氮中，帶回四川省農(nóng)科院園藝研究所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。于2016年6月29日采集GF677和毛桃健康的白色生長(zhǎng)根(直徑1.5 mm以?xún)?nèi))保存于3%的戊二醛固定液中用于根系表面掃描電鏡觀察。取植株生長(zhǎng)根時(shí)會(huì)附著土壤，用力抖落表土后輕輕刮下根系表層10 mm以?xún)?nèi)的土樣視為根際土壤，用于測(cè)定相關(guān)理化性質(zhì)。

1.2.2 不同時(shí)期植株不同器官全Fe含量測(cè)定 采用高氯酸－硝酸－氫氟酸消化－原子吸收分光光度法，參照劉鳳枝等［9］，儀器為德國(guó)耶拿ContraAA300原子吸收分光光度計(jì)。

1.2.3 不同時(shí)期根際土樣全Fe、有效 Fe含量及pH值測(cè)定 pH值參照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1377-2007，使用Eutech CyberScan pH510 pH/ORP測(cè)量?jī)x測(cè)定，土壤有效Fe含量測(cè)定采用DTPA浸提法，參照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 890-2004，使用德國(guó)耶拿ContraAA300原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定，土壤全Fe含量測(cè)定采用高氯酸－硝酸－氫氟酸消化－原子吸收分光光度法，參照鮑士旦［10］。

1.2.4 不同時(shí)期根際土樣碳酸根、碳酸氫根離子含量測(cè)定 雙指示劑中和法，參照鮑士旦［10］。

1.2.5 不同品種生長(zhǎng)根表面根毛掃描電鏡觀察于6月29日取直徑小于1.5 mm的白色生長(zhǎng)根，注意保證根表皮的完整性，蒸餾水沖洗干凈后放入3%戊二醛固定液。將固定后的樣品取出，盡量保證觀察表面平整、整潔，用PBS緩沖液洗滌兩次，每次10 min;再用系列梯度酒精(30%、50%、70%、80%、90%、95%、100%)脫水，每次 15 min(植物根水分并不多，各梯度過(guò)一次)。之后將樣品標(biāo)記好放入臨界點(diǎn)干燥器進(jìn)行干燥。最后將干燥后的樣片用兩面膠貼到樣品臺(tái)上，用洗耳球輕輕吹，樣品不掉為合格，然后將樣品臺(tái)放入離子濺射儀鍍金，鍍金完成后，取出，選擇適當(dāng)倍數(shù)進(jìn)行觀察。

所有測(cè)量結(jié)果制作成 Excel表格并使用SPSS22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan＇s新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

圖1 堿性土上不同時(shí)期GF677與毛桃葉片全鐵含量變化Fig.1 Total iron content in leaves of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)期植株葉片、枝條和根系全鐵含量變化

由圖1可知，堿性土上不同時(shí)期GF677與毛桃葉片全Fe含量均呈先下降后略微上升，最后再下降的趨勢(shì)，但略有不同。GF677葉片全Fe含量在3月10日至5月27日3個(gè)時(shí)期均極顯著高于毛桃，之后隨著GF677葉片全Fe含量的下降，毛桃葉片全Fe含量在7月29日反而極顯著高于GF677。在6月29日和9月2日2個(gè)時(shí)期，兩者之間全Fe含量差異不顯著。GF677和毛桃葉片全Fe含量均以3月10日最高，以9月2日最低。這種變化規(guī)律與枝條全Fe含量的變化規(guī)律基本一致(圖2)，GF677枝條全Fe含量在1月25日至6月29日多個(gè)時(shí)期顯著或極顯著高于毛桃，但在7月29日顯著低于毛桃，在9月2日兩者間枝條全Fe含量差異不顯著。但G F677和毛桃枝條全Fe含量均以1月25日最高，以9月2日最低。

圖2 堿性土上不同時(shí)期GF677與毛桃枝條全鐵含量變化Fig.2 Total iron content in branches of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

圖3 堿性土上不同時(shí)期GF677與毛桃根系全鐵含量變化Fig.3 Total iron content in roots of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

GF677與毛桃根系全Fe含量變化規(guī)律與枝條、葉片間存在較大差異。從圖3可知，GF677和毛桃根系全Fe含量最高峰均在5月5日，且GF677根系全Fe含量在1月25日、3月10日、5月5日、5月27日、6月29日5個(gè)時(shí)期極顯著或顯著高于與毛桃，但在7月29日和9月2日2個(gè)時(shí)期反而低于毛桃，這可能與GF677植株體內(nèi)鐵素的再分配有關(guān)。綜合圖1～3分析可知，GF677根系在生長(zhǎng)前期(5月5日前)吸收Fe的能力較毛桃強(qiáng)，這可能是引起枝條和葉片在5月5～27日全Fe含量顯著或極顯著高于毛桃的重要原因。

2.2 不同時(shí)期根際土壤全Fe、有效Fe含量變化

圖4 堿性土上GF677和毛桃不同時(shí)期根際土壤全鐵含量變化Fig.4 Total Fe content in rhizosphere soil of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

圖5 堿性土上GF677和毛桃不同時(shí)期根際土壤有效鐵含量變化Fig.5 Active Fe content in rhizosphere soil of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

圖6 堿性土上GF677和毛桃不同時(shí)期根際土壤pH值變化Fig.6 Potentiel hydrogène of rhizosphere soil of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

圖7 堿性土上GF677和毛桃不同時(shí)期根際土壤碳酸根離子含量變化Fig.7 Carbonate ion content of rhizosphere soil of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

由圖4～5可知，堿性土上GF677與毛桃根際土壤全 Fe含量、有效 Fe含量變化趨勢(shì)相近，但GF677根際土壤全Fe含量在5月5日和7月29日2個(gè)時(shí)期均極顯著高于毛桃，GF677根際土壤有效Fe含量在5月5日極顯著高于毛桃。桃樹(shù)根系生長(zhǎng)的高峰恰逢4－5月，表明GF677在5月能夠富集根際附近土壤中的Fe素，且富集能力強(qiáng)于毛桃。

2.3 不同時(shí)期根際土樣pH值、碳酸根和碳酸氫根離子含量變化

由圖6可知，堿性土上不同時(shí)期GF677與毛桃根際土壤pH值均呈先下降后上升的趨勢(shì)，pH值最低值均出現(xiàn)在5月27日，但GF677根際土壤在5月5日、5月27日和7月29日至9月2日4個(gè)時(shí)期均極顯著低于毛桃，這可能與GF677根系受脅迫后所分泌的酸性物質(zhì)有關(guān)。

由圖7～8可知，堿性土上毛桃根際土壤碳酸根離子在5月5日、5月27日、7月29日和9月29日四個(gè)時(shí)期顯著或極顯著高于GF677，而毛桃根際土壤碳酸氫根離子在1月25日極顯著高于GF677，然后下降并在5月5日極顯著低于GF677，之后再上升并在5月27日至9月29日多個(gè)時(shí)期高于GF677，但差異不顯著。表明毛桃根際土壤pH的升高和鐵素的鈍化與碳酸根離子、碳酸氫根離子含量較高有關(guān)。

2.4 GF677與毛桃生長(zhǎng)根系表面掃描電鏡觀察結(jié)果

圖8 堿性土上GF677和毛桃不同時(shí)期根際土壤碳酸氫根離子含量變化Fig.8 Bicarbonate ion content of rhizosphere soil of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

部分桃樹(shù)野生資源在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，獲得了適應(yīng)堿性(低Fe)生長(zhǎng)環(huán)境的各種能力，如增強(qiáng)根系Fe吸收的能力及植物組織中Fe再利用的能力等，具體包括:誘導(dǎo)高Fe還原酶和Fe轉(zhuǎn)運(yùn)體，分泌質(zhì)子，增加亞根尖根毛發(fā)育和側(cè)根發(fā)育以及分泌酚類(lèi)物質(zhì)等還原性小分子有機(jī)物。由圖9可知，堿性土上GF677和毛桃在6月29日生長(zhǎng)根表面掃描電鏡發(fā)現(xiàn):GF677根系根毛在不同倍數(shù)下均多于毛桃，表明GF677在堿性土上適應(yīng)能力更強(qiáng)，增加了對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收面積。

3 討論

目前針對(duì)果樹(shù)植株黃化病癥的研究，常用的方法有:補(bǔ)素矯正、對(duì)葉片和土壤中礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的含量分析，以及對(duì)土壤酸堿度、礦化度等［11－14］相關(guān)指標(biāo)的分析。本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)堿性土上GF677和毛桃不同時(shí)期植株不同器官全Fe含量的分析發(fā)現(xiàn)，GF677與毛桃的根系在生長(zhǎng)高峰期對(duì)Fe營(yíng)養(yǎng)元素的吸收能力明顯強(qiáng)于毛桃，且GF677能夠順利將Fe素分配至枝條和葉片，表明GF677與毛桃植株抗黃化能力出現(xiàn)差異與其根系對(duì)Fe的吸收能力以及體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)運(yùn)和再分配能力有關(guān)，這與馮海艷［15］對(duì)石灰性土壤花生的Fe營(yíng)養(yǎng)與黃化機(jī)理研究所得出的結(jié)論有相似性，馮海艷還認(rèn)為石灰性土壤上Fe可以在花生根部大量積累，尤其是營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和成熟衰老期，而后用于植株體內(nèi)鐵素的再分配。同時(shí)也證明了四川省龍泉山脈桃樹(shù)黃化病癥與植株生理性Fe素缺乏有關(guān)，這與涂美艷和陳棟等人對(duì)四川省龍泉山脈桃樹(shù)黃化病癥的研究結(jié)論一致［1，5］。

圖9 堿性土上GF677與毛桃根系表面掃描電鏡觀察Fig.9 Surface of roots of GF677 and wild peach observed by scanning electron microscope

土壤中Fe素形態(tài)不同，因此植物一般能夠吸收的Fe素形態(tài)為有效Fe。土壤有效Fe供給能力對(duì)植物的是否黃化起到關(guān)鍵作用［16］。對(duì)堿性土上不同時(shí)期GF677與毛桃根際土壤全Fe和有效Fe含量分析發(fā)現(xiàn):整個(gè)生長(zhǎng)期全Fe含量變化差異不大，而GF677根際土壤有效Fe含量在3月10日至5月5日期間均高于或極顯著高于毛桃，這一時(shí)期恰逢植株根系生長(zhǎng)的一個(gè)高峰，表明GF677根系在此期間富集大量有效Fe從而保證了植株在最需要Fe素的時(shí)期得以補(bǔ)充。李利敏［17］等人針對(duì)樟樹(shù)黃化土壤因子進(jìn)行周年測(cè)定，結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)夏季(8月份)當(dāng)植株生長(zhǎng)旺盛，根系可能會(huì)分泌較多的酸性物質(zhì)，根系對(duì)Fe素的吸收速度更快。

部分桃樹(shù)野生資源在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，獲得了適應(yīng)低Fe生長(zhǎng)環(huán)境的各種能力［22］，主要包括兩個(gè)方面:增強(qiáng)根系Fe吸收的能力及植物組織中Fe再利用的能力。具體包括:誘導(dǎo)高Fe還原酶和Fe轉(zhuǎn)運(yùn)體，分泌質(zhì)子，增加亞根尖根毛發(fā)育和側(cè)根發(fā)育以及分泌酚類(lèi)物質(zhì)等還原性小分子有機(jī)物。本試驗(yàn)中，對(duì)于堿性土上GF677和毛桃根系表面掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn):GF677根系根毛在不同倍數(shù)下均多于毛桃，表明GF677在堿性土上適應(yīng)能力更強(qiáng)，能夠通過(guò)增加根系表面根毛數(shù)量從而增加對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收面積。李賢宇［23］研究化感作用與宿根甘蔗苗期黃化的相關(guān)性時(shí)也發(fā)現(xiàn)，宿根甘蔗黃化苗與宿根正常苗和新植蔗苗相比:根系數(shù)量(尤其是新生根系數(shù)量)較少，根系活力較低。而劉平［24］通過(guò)接種AM菌根菌研究對(duì)柑橘Fe素吸收效應(yīng)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在栽培條件下柑橘根系根毛少且短，甚至無(wú)，需要依賴(lài)叢枝菌根的吸收作用維持其生長(zhǎng)，從而對(duì)叢枝菌根的依賴(lài)性強(qiáng)，高pH值土壤上接種AMF使卡里佐枳橙根系吸收根增加，對(duì)Fe素吸收表現(xiàn)出了明顯的促進(jìn)效果。

4 結(jié)論

綜上所述，四川省龍泉山脈桃樹(shù)黃化主要生理性病因是Fe素吸收障礙以及植株體內(nèi)Fe素轉(zhuǎn)運(yùn)和再分配受阻，在堿性土上影響最明顯的指標(biāo)包括:植株枝條和葉片F(xiàn)e元素代謝變化、根際土壤有效Fe含量變化、根際土壤pH和碳酸根離子含量。這些指標(biāo)將有利于今后進(jìn)一步鑒定堿性土上桃樹(shù)植株黃化問(wèn)題。GF677在堿性土上通過(guò)增加生長(zhǎng)根表面根毛數(shù)量和密度，增加了對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收，保證了Fe元素的同化與吸收，并且通過(guò)分泌某些酸性物質(zhì)提高了根際土壤的有效Fe含量，降低了pH和碳酸根離子含量，從而保證了植株在堿性脅迫下的正常生長(zhǎng)。本研究為今后進(jìn)一步探究GF677植株Fe素轉(zhuǎn)運(yùn)和再分配以及根系分泌物提供了可靠的理論依據(jù)。