缺硼脅迫對(duì)甜菜植株硼素形態(tài)的影響

郝學(xué)明，郝建雨，黎莉莎，董一帆，張銘，姜欣雨，李可欣，宋柏權(quán)

（黑龍江大學(xué)/黑龍江省寒地生態(tài)修復(fù)與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家糖料改良中心，哈爾濱150080）

0 引言

甜菜是我國(guó)重要的糖料作物和經(jīng)濟(jì)作物，主要分布在東北、西北及華北地區(qū)[1]，對(duì)中國(guó)北方農(nóng)業(yè)和制糖業(yè)發(fā)展及增加農(nóng)民收入有著重要作用。以甜菜作為主要制糖原料生產(chǎn)的食糖占世界食糖總量的20%左右[2]。1857年人們從植物中分離出了硼，1923年的蠶豆試驗(yàn)中證明了硼是植物生長(zhǎng)必需的微量元素之一[3]，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要意義。上世紀(jì)80年代我國(guó)開(kāi)始甜菜上硼的試驗(yàn)研究[4]，之后相繼開(kāi)展了硼對(duì)甜菜一年生[5-6]、二年生[7-8]等的影響研究。植物對(duì)硼的缺乏、適量和中毒含量之間的變幅很小[9]，雙子葉植物因具有較大數(shù)量的形成層和分生組織[10-11]，對(duì)硼非常敏感、需硼量相對(duì)較多、易缺硼。

早在20世紀(jì)40年代，硼在植物體內(nèi)的形態(tài)得到了研究。1942年，Marsh等人[12]把高等植物中硼分為水溶性硼和水不溶性硼，發(fā)現(xiàn)水溶性硼含量容易隨環(huán)境供硼量變化而變化。1998年，Dannel等人[13]根據(jù)硼的溶解性以及生理作用進(jìn)一步提出了硼庫(kù)理論，并將植物體內(nèi)的硼劃分為水溶性硼庫(kù)和不溶性硼庫(kù)。2002年杜昌文等人又將植株中的硼元素分為自由態(tài)硼、半束縛態(tài)硼和束縛態(tài)硼。自由態(tài)硼是硼的主要運(yùn)輸形式，分布于質(zhì)外體，半束縛態(tài)硼為硼的貯存形式[14]；自由態(tài)硼和半束縛態(tài)硼具有提高光合速率、促進(jìn)糖運(yùn)輸?shù)茸饔肹15]，其含量取決于外界的硼供應(yīng)水平；束縛態(tài)硼則主要位于細(xì)胞壁的果膠多糖中，反映了細(xì)胞壁對(duì)硼的需求量，且其移動(dòng)性較差[16]。3種形態(tài)的硼在植物體內(nèi)處于一種動(dòng)態(tài)的平衡關(guān)系[17]。關(guān)于硼處理下植物中不同形態(tài)硼含量的變化研究已有報(bào)道[18-19]，但是不同形態(tài)硼含量在甜菜植株不同部位的分布變化規(guī)律未見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)不同品種的甜菜幼苗進(jìn)行硼處理，研究缺硼脅迫對(duì)甜菜植株不同部位3種形態(tài)硼含量的影響，對(duì)指導(dǎo)甜菜硼素營(yíng)養(yǎng)與施肥調(diào)控具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試品種為甜菜遺傳單粒種H003和H004。水培使用聚乙烯培養(yǎng)箱（24 cm×17 cm×16 cm），藥品有甲亞胺-H、抗壞血酸、鹽酸（優(yōu)級(jí)純）、氯化鈉（優(yōu)級(jí)純）、硼酸（優(yōu)級(jí)純）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

試驗(yàn)于2017年11月—12月在國(guó)家糖料改良中心（哈爾濱）光照培養(yǎng)室進(jìn)行。將甜菜品種H003、H004各100粒播于經(jīng)過(guò)180℃殺菌4.5 h的蛭石中，澆適量蒸餾水進(jìn)行發(fā)芽。待甜菜子葉完全展開(kāi)后將長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗移植于1/2Hoagland全量營(yíng)養(yǎng)液中，每箱打孔2個(gè)，每孔定苗1株。營(yíng)養(yǎng)液每5 d更換1次，首先是1/2全量營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)，然后全量營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)，培養(yǎng)15 d后取樣。每個(gè)品種設(shè)缺硼（B0，5μg/L）和正常硼（B1，1.0 mg/L）兩個(gè)處理，各5個(gè)重復(fù)，單因素隨機(jī)排列。每天更換培養(yǎng)箱位置以保證光照均勻，每天共光照12 h，通氣12 h；營(yíng)養(yǎng)液調(diào)節(jié)pH至6.50。

1.3 取樣測(cè)定方法及數(shù)據(jù)處理

植株樣品提取參照Du等[20]方法：每盆植株分別取完全展開(kāi)的功能葉片、葉柄、根各0.5 g。取樣后將其分別剪成1 mm2左右的碎片置于純凈水清洗過(guò)的干燥塑料瓶中，加入10 mL一級(jí)水，25℃水浴振蕩24 h，先將提取液通過(guò)0.15 mm細(xì)紗網(wǎng)，然后用定量濾紙過(guò)濾，所得濾液即為自由態(tài)硼；殘?jiān)?0 mL 1 mol/L NaCl洗入塑料瓶，25℃水浴振蕩24 h，細(xì)紗網(wǎng)過(guò)濾后用定量濾紙過(guò)濾，所得濾液即為半束縛態(tài)硼；剩余殘?jiān)?0 mL 1 mol/L HCl洗入塑料瓶中，25℃水浴振蕩24 h，用定量濾紙過(guò)濾，所得濾液即為束縛態(tài)硼；最后分別用甲亞胺比色法對(duì)提取出來(lái)的不同形態(tài)硼待測(cè)液進(jìn)行測(cè)定。

用Excel 2013軟件和SPSS23.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 缺硼對(duì)甜菜植株不同部位硼含量的影響

圖1、圖2表明甜菜品種H003和H004正常硼處理下葉片硼含量都顯著高于其他部位，占植株總硼含量的47.1%和54.3%。葉柄中的硼含量最少，占植株總硼含量的17.2%和15.6%。由圖1可知，缺硼處理H003根系中的硼含量相比正常硼處理下降了14.1%；葉片硼含量降低了52.3%；而葉柄中的硼含量比正常處理增加了35.0%。由圖2可知，H004在缺硼脅迫下，葉片硼含量雖然大幅下降卻仍然高于其他部位，占總硼含量的36.1%，較正常處理降低了32.4%；根的硼含量缺硼處理下降了24.4%；葉柄硼含量增加了28.8%。

圖1 H003和H004品種甜菜植株不同部位硼含量Fig.1 Boron content in different parts of sugar beet plant of varieties H003 and H004

2.2 缺硼對(duì)甜菜植株不同部位3種形態(tài)硼含量的影響

表1表明，甜菜品種H003、H004葉片、葉柄及根系中的自由態(tài)硼含量最高，其次是半束縛態(tài)硼，最后是束縛態(tài)硼。H003品種在缺硼處理下葉片自由態(tài)硼含量下降44.1%，半束縛態(tài)硼含量下降69.9%，束縛態(tài)硼含量增加3.9%。H004品種在缺硼處理下葉片自由態(tài)硼含量和半束縛態(tài)硼含量都有不同程度的降低，束縛態(tài)硼含量增加。H003品種的葉柄束縛態(tài)硼含量缺硼處理較正常處理降低了70.4%，半束縛態(tài)硼含量較穩(wěn)定沒(méi)有明顯的變化，而自由態(tài)硼則有較明顯的升高；H004品種葉柄不同形態(tài)硼含量的變化規(guī)律與H003品種一致。H003、H004根系中的自由態(tài)硼含量缺硼處理相比正常硼處理分別下降18.1%、38.6%，束縛態(tài)硼含量分別下降了31.1%、32.1%。而半束縛態(tài)硼含量H003品種沒(méi)有明顯變化，H004品種增加了30.9%。

表1 不同部位的自由態(tài)、半束縛態(tài)、束縛態(tài)硼含量（mg/kg）Table1 Boron content of free,semi-bound stateand bound in different parts

2.3 甜菜植株各部位不同形態(tài)硼相對(duì)含量的變化

由圖2可以看出，無(wú)論缺硼處理還是正常硼處理甜菜品種H003與H004各部位的自由態(tài)硼相對(duì)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于束縛態(tài)硼。在缺硼處理下，葉片的束縛態(tài)硼相對(duì)含量有上升趨勢(shì)。葉柄在缺硼脅迫處理下自由態(tài)硼相對(duì)含量有上升的趨勢(shì)，而半束縛態(tài)、束縛態(tài)硼相對(duì)含量有下降趨勢(shì)。這可能與甜菜在缺硼脅迫下誘發(fā)了某種適應(yīng)機(jī)制，使得葉片中的硼向自由態(tài)硼轉(zhuǎn)化，方便其運(yùn)輸至葉片。

圖2 H003和H004品種甜菜植株各部位不同形態(tài)硼相對(duì)含量Fig.2 Relativecontent of different form boron in different parts of H003 and H004 sugar beet plant

3 結(jié)論

（1）在正常供硼水平下，甜菜植株不同部位總硼含量有著明顯的差異，呈現(xiàn)出葉片＞根系＞葉柄的規(guī)律，即葉片的需硼量最大；在缺硼脅迫下，葉片和根的硼含量顯著下降。

（2）在缺硼脅迫下，自由態(tài)硼含量葉片和根系中降低，葉柄增加；半束縛態(tài)硼含量整體上較穩(wěn)定，在缺硼脅迫下沒(méi)有明顯的變化；束縛態(tài)硼含量在缺硼脅迫下葉片中增加、葉柄和根系中含量降低。

（3）在不同硼處理下，甜菜植株各部位束縛態(tài)硼相對(duì)含量始終最低；葉片自由態(tài)硼的相對(duì)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于束縛態(tài)硼和半束縛態(tài)硼；在缺硼脅迫下，葉柄中自由態(tài)硼相對(duì)含量有著上升的趨勢(shì)，葉片中束縛態(tài)硼相對(duì)含量有上升趨勢(shì)。

4 討論

植株不同器官中的硼含量在正常硼處理下表現(xiàn)出葉片＞根系＞葉柄，葉片中硼含量始終都是最多，占植株總硼含量的一半左右，而葉柄中含硼量最低。這是因?yàn)槿~片是甜菜最重要的功能器官，其細(xì)胞形態(tài)的完整與細(xì)胞功能的穩(wěn)定決定了植物能否正常生長(zhǎng)發(fā)育，且其細(xì)胞種類(lèi)與功能較多，所以對(duì)一些微量元素的需求量較大[21-22]。在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)缺硼癥狀首先在葉片中表現(xiàn)，葉柄上缺硼癥狀出現(xiàn)較晚。研究發(fā)現(xiàn)不同硼處理下棉花、柑橘等植株各部位硼含量的變化規(guī)律[23-24]。其結(jié)果與上述結(jié)果一致，都是葉片中的硼含量最高[25-26]。葉柄在缺硼脅迫下其硼含量反而增加，其原因可能是硼在植株體內(nèi)移動(dòng)性較差，在缺硼脅迫下，葉柄中的硼未能及時(shí)運(yùn)輸至葉片中，導(dǎo)致硼在葉柄中積累，硼含量升高。

Matoh等的試驗(yàn)表明細(xì)胞中80%的硼分布于細(xì)胞壁，植物對(duì)硼需求量主要取決于細(xì)胞壁硼含量[27]。而本次試驗(yàn)結(jié)果為束縛態(tài)硼含量較低，出現(xiàn)這種結(jié)果的原因可能是試驗(yàn)對(duì)象為甜菜幼苗，其葉片正處于細(xì)胞大量分裂時(shí)期，需硼量較大，對(duì)硼運(yùn)輸強(qiáng)度較大，所以會(huì)出現(xiàn)自由態(tài)硼含量最高，而束縛態(tài)硼含量較低的現(xiàn)象。試驗(yàn)表明在缺硼脅迫下植物細(xì)胞中的硼大部分都集中在細(xì)胞壁中[28]。而甜菜品種H003和H004在缺硼脅迫下葉片中束縛態(tài)硼相對(duì)含量都有上升的趨勢(shì)，這與其結(jié)果一致。而葉柄在缺硼脅迫時(shí)束縛態(tài)硼相對(duì)含量有下降的趨勢(shì)，自由態(tài)硼與半束縛態(tài)硼相對(duì)含量上升。這可能是在缺硼環(huán)境下甜菜植株開(kāi)始將葉柄中的硼加速轉(zhuǎn)移至葉片中的表現(xiàn)。但是關(guān)于甜菜植株在缺硼脅迫下不同部位之間的3種硼含量的變化關(guān)系尚待研究。