外源鈣對果實發(fā)育過程中肥城桃鈣素動態(tài)變化的影響

張澤杰 王 雷 付喜玲 楊憲林 姜 山高東升 陳修德 李 玲

(1山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院/作物生物學(xué)國家重點實驗室/山東省果蔬協(xié)同創(chuàng)新中心,山東 泰安 271018；2中國原子能科學(xué)研究院,北京 102413)

肥城桃(Prunus persicacv.Feicheng),別名佛桃,具有悠久的栽培歷史,其外形美觀,果大質(zhì)優(yōu),被贊譽為“桃中之王”。 近年來,由于過度施用氮肥、忽視有機(jī)肥及鈣肥的施用等問題,導(dǎo)致肥城桃縫合線褐變、裂果等問題日益嚴(yán)重[1]。 Lin 等[2]研究發(fā)現(xiàn)植物鈣營養(yǎng)元素的缺乏,是導(dǎo)致桃果實縫合線軟化的重要原因之一。桃果實頂腐病的發(fā)生正是由于鈣素缺乏導(dǎo)致的,并且樹體鈣分配不均是引起肥城桃品質(zhì)降低、口感喪失的重要原因。 此外,蘋果苦痘病[3]、番茄臍腐病[4]、梨黑心病[5]等園藝植物病害也是由于缺鈣引發(fā)的。 研究發(fā)現(xiàn)采前噴鈣對于延長溶質(zhì)桃貨架期具有積極的作用[6],對鴨梨適度噴鈣有助于其貯藏期的延長[7]。 但關(guān)于肥城桃鈣元素周年動態(tài)及噴鈣對肥城桃鈣含量的影響尚鮮見報道。 因此,研究果樹鈣素含量的動態(tài)變化,進(jìn)一步明確果樹對鈣素的需求動態(tài)、吸收能力等,對解決肥城桃缺鈣問題具有重要意義。

同位素示蹤技術(shù)是研究植物體元素吸收及分布的主要方式之一,其中13C[8]、15N[9]等在研究桃、水稻等作物對其吸收分配及利用效率等方面已有大量報道。郭智成等[10]通過15N 示蹤技術(shù)對番茄中穩(wěn)定性氮同位素豐度進(jìn)行測定,發(fā)現(xiàn)氮素由根部吸收經(jīng)過莖到達(dá)葉片和果實的過程中,15N 逐步富集。 門永閣等[11]對蘋果進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)負(fù)載量的增加可促進(jìn)葉片制造的13C同化物向果實轉(zhuǎn)移,降低向根系的運輸,對15N 的吸收利用降低。 目前,關(guān)于鈣同位素在作物對鈣的吸收利用方面的研究相對較少。 自然界中存在7 種鈣同位素(40Ca、41Ca、42Ca、43Ca、44Ca、45Ca、48Ca),前人研究中多以45Ca[12]作為分析植物鈣動態(tài)的一種途徑,但由于45Ca 在衰變時產(chǎn)生的電子會造成輻射損傷,所以45Ca 并非進(jìn)行鈣同位素的首選。 相比其他同位素,41Ca 具有半衰期長、輻射損傷小等特點,更適合進(jìn)行示蹤試驗,但痕量檢測41Ca 的儀器靈敏度低等原因限制了其在果樹方面的應(yīng)用。 加速器質(zhì)譜技術(shù)(accelerator-based mass spectroscopic technique,AMS)作為一種新型的結(jié)合離子源、加速器等手段的核分析技術(shù)[13],具有靈敏度高、樣品用量少等特點,可以用于樣品中41Ca 的檢測,為41Ca 的生物學(xué)應(yīng)用提供了可能。本研究以肥城桃為試驗材料,利用加速器質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行41Ca 同位素示蹤試驗[14],探究鈣在肥城桃樹體中的周年動態(tài)變化。 同時針對鈣在植物中的移動性較差,果樹根系吸收的鈣難以到達(dá)果實[15]等問題,利用不同形態(tài)外源鈣肥處理,探究葉面補鈣對肥城桃不同器官總鈣含量影響,旨在全面了解鈣在肥城桃中的競爭分配情況,明確噴鈣最佳時期,為肥城桃科學(xué)合理補鈣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試驗地概況

供試材料為樹勢健壯的11年生肥城桃(Prunus persicacv.Feicheng),砧木為毛桃(Prunus persicaL.),由山東省肥城桃研究所提供。

試驗在山東省肥城桃研究所試驗站(36°18′N,116°74′E)進(jìn)行,果園為理化性質(zhì)良好的砂壤質(zhì)風(fēng)積黃壤土,土壤基本理化性質(zhì)為堿解氮43.50 mg·kg-1、速效磷35.62 mg·kg-1、速效鉀289.91 mg·kg-1、有機(jī)質(zhì)23.72 g·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.141Ca 示蹤試驗 于2015年5月28日在桃園內(nèi)選取長勢健壯的3 株肥城桃作為試驗材料,在距離地面50 cm 處的樹干中部打孔至木質(zhì)部,然后利用注射器在打孔處滴注41Ca(NO3)2溶液(稱取30 mg 含有41Ca 的CaO 樣品,適量硝酸溶解后,用去離子水稀釋至50 mL),最后用黃泥封口。 其中,41Ca 試劑由中國原子能科學(xué)院提供；41Ca/Ca 為4.20×10-5；標(biāo)準(zhǔn)樣品41Ca/Ca 為(1.78±0.05)×10-8。

1.2.2 不同形態(tài)的鈣處理試驗 試驗共設(shè)3 個處理,即0.5%氨基酸鈣溶液、0.5%硝酸鈣溶液、清水(對照,CK),每10 株樹為1 個處理,每個處理3 次重復(fù)。 花后30 d 起每隔30 d 處理一次,共計5 次。 于上午10：00點前噴施,在處理6 h 內(nèi)若有降雨補施1 次。

樣品的采集：處理后,從4月28日起,每隔30 d 采集處理的枝條、新梢等組織,用超純水洗凈,105℃殺青1 h,75℃烘干,利用植物組織粉碎機(jī)研磨后,于室溫(25℃)保存,用于測定總鈣含量。41Ca 同位素示蹤于處理后每隔30 d 進(jìn)行取樣,前處理參照總鈣測定[16]方法。

1.3 測定項目及方法

1.3.141Ca 豐度測量 采用AMS 法[17]測量41Ca 豐度：精確稱取1.0 g 研磨樣品于250 mL 燒杯中,加適量HNO3-H2O2(4 ∶1,v/v)混合提取液,蓋表面皿。 在電熱板上加熱消解至透明,加超純水,繼續(xù)加熱以去除殘留酸。 在近干狀態(tài)時,取下冷卻。 氟化鈣與氟化鉛按4 ∶1 的質(zhì)量比壓入靶錐進(jìn)行檢測,標(biāo)準(zhǔn)樣和空白樣采用相同方法檢測。

1.3.2 總鈣含量的測定 采用濕灰化法[18]測定總鈣含量：精確稱取0.5 g 烘干樣于250 mL 燒杯中,加HNO3-HClO4(4 ∶1,v/v)提取液25 mL,蓋表面皿。 在電熱板上加熱除去多余酸,剩余1 ～2 mL 液體時,取下冷卻。 用20 g·L-1氧化鑭轉(zhuǎn)移,定容至刻度,利用TAS-990原子分光光度計(北京普析儀器有限公司)進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 20.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；采用Microsoft Excel 2007 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 41Ca 同位素在肥城桃不同器官中的動態(tài)分布

2.1.141Ca-AMS 檢測肥城桃不同器官41Ca/Ca 豐度的動態(tài)變化 利用41Ca 同位素-AMS 檢測肥城桃不同器官41Ca/Ca 豐度動態(tài)變化。 由表1可知,葉片41Ca 隨著生長期進(jìn)程的推進(jìn)呈下降的趨勢,6月29日較6月3日下降了30.78%,7 ～8月份下降了47.26%； 果肉中41Ca 含量自6月29日至9月2日呈下降趨勢；多年生枝則表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢,6月29日較6月3日下降了89.53%。

表1 多年生枝、葉、果肉鈣含量變化Table1 Calcium content change of perennial branches， leaves and fruit pulp

2.1.241Ca 在肥城桃成熟期不同器官的分布與分配 由表2可知,樹干中、上部的41Ca 含量均顯著高于其他器官(P＜0.05),分別為99.70×10-10、57.00×10-10,共占67.78%；其次是葉片,為33.8×10-10；樹干皮和枝皮含量最低,均占0.93%；果肉與果皮相差不大,分別占1.12%、1.54%,二者間無顯著性差異。 枝條和新梢含量分別占10.77%與2.31%,且枝條含量顯著高于新梢。

表2 肥城桃成熟期各器官41Ca 分布Table2 41Ca distribution of different organs in mature period of Feicheng peach

2.2 不同形態(tài)鈣處理對肥城桃不同器官鈣含量變化的影響

2.2.1 噴鈣處理對肥城桃葉片總鈣含量動態(tài)變化的影響 由圖1可知,在果實發(fā)育過程中,葉片總鈣含量呈先增加后降低的趨勢,硝酸鈣處理及CK 均在6月28日達(dá)到峰值,而氨基酸鈣處理在7月28日達(dá)到峰值。 不同處理在5月28日-6月28日總鈣含量增加了13%～28%。 8月28日,與CK 相比,施加氨基酸鈣、硝酸鈣處理,葉片中總鈣含量分別提高了9.8%和8.0%。 噴鈣處理葉片各時期的鈣含量均明顯高于CK,但噴施氨基酸鈣和硝酸鈣處理間無明顯差異。

圖1 噴施不同鈣對葉片總鈣含量的影響Fig.1 Effect of spraying different calcium on total calcium content of leaf

2.2.2 噴鈣處理對肥城桃枝條總鈣含量動態(tài)變化的影響 由圖2-A 可知,氨基酸鈣處理、CK 下新梢的總鈣含量均呈先增加后降低的趨勢,而硝酸鈣處理下新梢的總鈣含量則呈波動式變化,各處理鈣含量自4月28日起迅速增加,在30 d 內(nèi)約增加了40%～68%。 噴鈣處理能顯著提高新梢中的總鈣含量(P＜0.05),但在新梢生長前期鈣含量增加的效果明顯優(yōu)于后期。 由圖2-B 可知,多年生枝的總鈣含量變化與新梢不同,總體呈先下降后上升的趨勢。 多年生枝與新梢相比,在初期多年生枝中的鈣含量較高,是新梢的1.65 倍,且噴鈣處理對新梢鈣含量的增加較多年生枝明顯,但不同的鈣肥對鈣含量的提升并無明顯差異。

2.2.3 噴鈣處理對肥城桃果實總鈣含量動態(tài)變化的影響 由圖3可知,在整個發(fā)育期,果實中鈣含量總體呈下降趨勢,其中4-5月鈣含量下降最為明顯,下降了49.3%～53.8%,5月28日后下降趨勢變緩。 不同形態(tài)鈣處理間變化較小。

3 討論

圖2 噴施不同鈣對枝條總鈣含量的影響Fig.2 Effect of spraying different calcium on total calcium content of branches

圖3 噴施不同鈣肥對肥城桃果實總鈣含量的影響Fig.3 Effect of spraying different calcium on total calcium content in Feicheng peach fruit

研究發(fā)現(xiàn)植物體主要通過木質(zhì)部進(jìn)行礦質(zhì)元素的運輸,以鈣素為例,在木質(zhì)部中利用蒸騰流從元素源端運輸?shù)交?、果及頂端分生組織等庫端,隨后在組織中穩(wěn)定儲存,極少發(fā)生再分配與運輸[19]。 研究表明,新生器官如新梢、葉片與多年生枝等老器官對元素的需求不同[20]。 這與本研究結(jié)果相同。 本研究利用41Ca 加速器質(zhì)譜技術(shù)檢測肥城桃樹體各樣品中41Ca 的分配情況[21],發(fā)現(xiàn)6月3日,在果肉、多年生枝、葉片中檢測出41Ca 同位素的分布,說明樹干中的鈣素可以迅速到達(dá)果肉、多年生枝、生長旺盛的葉片等部位；在8月份后隨著葉片、新梢等器官生長減緩,對鈣的競爭力減弱,部分鈣通過韌皮部向下運輸,外運超過了吸收,占據(jù)主導(dǎo)位置,表現(xiàn)為41Ca 向枝干中“倒流”,出現(xiàn)多年生枝41Ca 豐度上升的現(xiàn)象。 薛炳燁[22]研究肥城桃和草莓果實發(fā)育成熟軟化生理機(jī)理,發(fā)現(xiàn)鈣在枝條及葉片內(nèi)的動態(tài)與其生長發(fā)育進(jìn)程密切相關(guān),多年生枝在整個時期生長速度較慢,但鈣含量較高,呈先下降后上升的趨勢。 這與本研究利用41Ca 同位素示蹤的結(jié)果一致。 本研究中,肥城桃新梢在6月前鈣含量迅速增加,而葉片在6月后迅速增加,這是由新梢與葉片的生長高峰期不同引起的。 但葉片中總鈣呈先升高后下降趨勢與本試驗41Ca 同位素一直呈下降趨勢的結(jié)果并不一致,這可能是由于總鈣的增加速度大于41Ca 的增加速度,對41Ca 產(chǎn)生了稀釋作用。

肥城桃果實發(fā)育大體可劃分為：第1 次膨大期(5月初-6月初)、硬核期(6月初-7月初)、2 次膨大期(7月初-8月中旬)3 個階段[23-24]。 本研究結(jié)果表明,41Ca 在果實中呈逐漸下降的趨勢,6月29日-8月4日下降了約71.14%；4月28日-5月28日一次膨大期下降了約49.3%～53.8%,5月28日后下降趨緩,說明果實中的Ca2+多數(shù)在幼果期進(jìn)行獲取[25],鈣在果實內(nèi)的變化趨勢與果實的雙“S”發(fā)育進(jìn)程存在密切的聯(lián)系[26]。 導(dǎo)致發(fā)育期桃鈣含量下降的原因可能是：一是,在果實生長發(fā)育中,草酸鈣結(jié)晶積累,果柄中鈣的運輸通道阻塞[27],即在細(xì)胞分裂完成后,進(jìn)入果實的鈣所占比例較小[28]；二是,隨著桃細(xì)胞體積、數(shù)量的迅速增大,加之果實對鈣的吸收受到阻礙,使得果實中鈣產(chǎn)生稀釋現(xiàn)象,因而出現(xiàn)果實鈣含量降低的現(xiàn)象；三是,鈣的運輸受蒸騰速率影響,在果實發(fā)育期果實的蒸騰強度遠(yuǎn)小于葉片[29],對鈣的競爭力不足也是果實鈣含量下降的重要原因。 成熟期是果實發(fā)育的重要時期。 本研究對肥城桃成熟期各器官41Ca 含量進(jìn)行測定,發(fā)現(xiàn)樹干中41Ca 的豐度最高,這可能與樹干作為41Ca的注射部位,加上木質(zhì)部細(xì)胞壁對二價鈣離子的交換吸附作用[30],使之在樹干中產(chǎn)生鈣聚集有關(guān)。 研究表明,果實發(fā)育前期鈣的運輸主要通過木質(zhì)部進(jìn)行,并受各器官蒸騰強度的影響[31]。 本研究中,成熟期各器官41Ca 分配率表現(xiàn)為葉片41Ca 豐度高于枝條和新梢,高達(dá)15%；果實中41Ca 豐度僅高于枝皮與樹皮,說明在果實成熟期肥城桃各器官鈣的競爭能力存在差異。

4 結(jié)論

通過41Ca 在肥城桃各器官的動態(tài)變化及不同鈣肥處理結(jié)果可知,鈣的遷移受各器官競爭力的影響而存在一定的差異,其中果實對樹體中鈣的競爭能力較弱；噴施不同鈣肥對新梢及葉片鈣含量的增加較多年生枝顯著；不同器官對鈣的需求及吸收的高峰期主要集中在生長旺盛期,4-6月葉面噴施鈣肥能起到最佳補鈣效果。