利用水培體系研究團(tuán)花快速生長(zhǎng)

李曉盈 孫毅高 梁憲如

摘要：團(tuán)花[Neolamarckia cadamba （Roxb.）Bosser]是熱帶速生、多用途鄉(xiāng)土闊葉樹(shù)種，其生長(zhǎng)快、材質(zhì)好，具有良好的開(kāi)發(fā)利用前景，而關(guān)于團(tuán)花快速生長(zhǎng)的方法和機(jī)制的報(bào)道不多。利用水培體系可以定向分析影響植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子，通過(guò)篩選營(yíng)養(yǎng)液的濃度，建立適合研究團(tuán)花快速生長(zhǎng)的水培體系。使用1/5 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行水培，其畸形葉數(shù)和死亡數(shù)明顯低于1/2、1/3 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，并且株高和側(cè)根數(shù)明顯高于后2個(gè)濃度。進(jìn)一步利用該水培體系分析在缺素條件下團(tuán)花的速生情況，在缺硼脅迫下，團(tuán)花頂芽壞死，葉片膨大，光合速率明顯下降;在缺鈣脅迫下，團(tuán)花葉片發(fā)黃，根部褐化，光合作用速率下降;在缺磷脅迫下，團(tuán)花葉脈由近端到遠(yuǎn)端逐漸變紫紅，根冠比變小，根的向重力性明顯增強(qiáng)。水培體系的建立和缺素的初步研究為進(jìn)一步分析團(tuán)花速生的分子機(jī)制打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：團(tuán)花;水培;營(yíng)養(yǎng)液;元素脅迫

團(tuán)花[Neolamarckia cadamba （Roxb.）Bosser]別稱(chēng)黃梁木，為茜草科團(tuán)花屬植物，是一種鄉(xiāng)土闊葉樹(shù)種，喜光，喜高溫、高濕，根為深根性，枝疏葉大，側(cè)根發(fā)達(dá)，生態(tài)適應(yīng)性極強(qiáng)，生長(zhǎng)速度快，病害相對(duì)較少，是中國(guó)熱區(qū)優(yōu)質(zhì)速生造林樹(shù)種[1]。8年生團(tuán)花樹(shù)高即可達(dá)到18.6 m，胸徑可達(dá)20.1 cm，被譽(yù)為“奇跡樹(shù)”[2]，其材質(zhì)良好，木材顏色為淡黃色，紋理通直，順紋刨面光滑，容易刨削，不易變形或開(kāi)裂，可作為家具用材、人造纖維材料等。不僅如此，團(tuán)花的花可作為蜜源，果實(shí)可食用，其他部位可作飼料、藥材等，是一種多用途樹(shù)種[3]。團(tuán)花的繁殖通常主要采用種子苗，但種子苗遺傳背景差異大，容易出現(xiàn)性狀分離[4]。

水培是指將植物根系浸潤(rùn)在營(yíng)養(yǎng)液中生長(zhǎng)的栽培方法[5]，是無(wú)土栽培技術(shù)的一種，用營(yíng)養(yǎng)液能替代土壤，向植物提供水分、養(yǎng)分等生長(zhǎng)因子，在通氣、光照等設(shè)備下能夠使植物正常生長(zhǎng)，成活率高達(dá)95%。綜合目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于植物水培系統(tǒng)的研究[6-7]，一套完整的植物水培技術(shù)包括以下幾個(gè)方面：（1）水培外植體的選擇及處理方法;（2）營(yíng)養(yǎng)液的種類(lèi)和濃度配比篩選;（3）水培系統(tǒng)設(shè)備儀器的選擇;（4）觀察植物生長(zhǎng)發(fā)育和統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。水培系統(tǒng)可以避免離子富集效應(yīng)，避免土壤中未知元素的干擾，在脅迫試驗(yàn)中可更好地定向調(diào)控培養(yǎng)環(huán)境的元素含量，分析單一因素對(duì)早期生長(zhǎng)發(fā)育的影響，提高試驗(yàn)的精準(zhǔn)性和可重復(fù)性。

在速生樹(shù)種的研究中，硼、鈣是影響其頂芽生長(zhǎng)的重要元素，同時(shí)，硼、鈣還與植物細(xì)胞壁中的果膠結(jié)合在一起對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有著極其重要的作用[8]。當(dāng)植物缺硼時(shí)，生長(zhǎng)點(diǎn)近乎停滯，嚴(yán)重影響花粉的活力，對(duì)植物生殖器官造成不可逆的損傷[9]。鈣也是植物體中重要的微量元素[10]，不僅參與構(gòu)建植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，也對(duì)內(nèi)部的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)起到作用[11-12]。磷元素是植物需要的大量元素，我國(guó)有2/3的耕地缺磷[13]，磷元素對(duì)植物光合作用起著直接或間接作用[14-15]，同時(shí)對(duì)植物根系的形態(tài)生長(zhǎng)有重要影響[16]，若植物體對(duì)磷脅迫的耐受性低下，則不適宜大面積推廣種植。張亞楠等研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是低磷還是高磷脅迫，都會(huì)使植物葉片中葉綠素的總含量降低[17-18]。

雖然團(tuán)花速生優(yōu)質(zhì)，但是對(duì)其速生的機(jī)制研究不多。本試驗(yàn)旨在建立團(tuán)花的水培體系，分析不同元素對(duì)團(tuán)花生長(zhǎng)的影響，觀察團(tuán)花缺素的形態(tài)變化、生理表達(dá)變化，以期為綜合分析團(tuán)花速生機(jī)制打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)環(huán)境及儀器

試驗(yàn)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院恒溫培養(yǎng)室完成。培養(yǎng)條件：光—暗周期為 14 h—10 h，晝夜溫度均為25 ℃。光合儀型號(hào)為GFS-3000，光合參數(shù)設(shè)置為Flow（氣體流量）=750 μmol/s、Imp（參數(shù)系數(shù)）=5、Light（光照 度）=1 000 lx。

1.2 外植體水培方法

早期的研究發(fā)現(xiàn)，在盤(pán)穴苗、組培苗、一年生大苗及莖段插條等外植體的選擇中，盤(pán)穴苗與組培苗表現(xiàn)出極強(qiáng)的適應(yīng)性，而其他外植體在水培過(guò)程中均有不同程度的死亡現(xiàn)象[6]。為了保證所有處理苗的遺傳背景一致性，采用團(tuán)花組培苗作為水培培養(yǎng)的外植體，待苗長(zhǎng)出約5條根、高約5 cm時(shí)從組培室移到溫室環(huán)境中進(jìn)行煉苗，時(shí)間為5～6 d，把長(zhǎng)出4～5張真葉、長(zhǎng)勢(shì)相同的植株移到清水中緩苗，時(shí)間為1～2 d。

1.3 營(yíng)養(yǎng)液濃度的篩選

霍格蘭德（Hoagland）營(yíng)養(yǎng)液在植物水培中被廣泛應(yīng)用，營(yíng)養(yǎng)液中的各種元素用量對(duì)于不同植物、不同栽培目的略有差異[19-20]，試驗(yàn)需要選用適合團(tuán)花水培的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液配方（表1）。本試驗(yàn)采取經(jīng)典Hoagland水培營(yíng)養(yǎng)液配方，分別使用1/5、1/3、1/2 Hoagland培養(yǎng)液進(jìn)行團(tuán)花最適營(yíng)養(yǎng)液濃度的篩選[6]。水培外植體選用緩苗后株高、葉面積、頂芽大小相近，生長(zhǎng)發(fā)育情況均良好的植株。每種濃度處理取90株苗，分3次重復(fù)，3種濃度處理共取270株苗。采用自來(lái)水和去離子水處理作為對(duì)照組，每種處理取90株苗，分3個(gè)重復(fù)，2種處理共取180株苗。每天記錄每株苗的莖長(zhǎng)、側(cè)根數(shù)、畸形葉數(shù)和死亡數(shù)，共統(tǒng)計(jì)14 d，畸形葉數(shù)= 爛葉數(shù)+黃葉數(shù)。

1.4 團(tuán)花缺素試驗(yàn)

1.4.1 缺硼處理 對(duì)培養(yǎng)2周的團(tuán)花幼苗進(jìn)行缺硼處理，具體方法為減少營(yíng)養(yǎng)液配方中的硼酸（A、B液不變，C液配方見(jiàn)表2），而對(duì)照為正常含硼培養(yǎng)液，2倍硼濃度指培養(yǎng)液中硼酸濃度為正常的2倍。在以上3種培養(yǎng)液中分別放置相同數(shù)量和大小的幼苗進(jìn)行處理，每3 d換1次營(yíng)養(yǎng)液，觀察8周，記錄團(tuán)花苗生長(zhǎng)形態(tài)指標(biāo)及表型變化。在表型變化最明顯時(shí)期的前1周（第3周）、當(dāng)周（第4周）、后1周（第5周）測(cè)其光合指標(biāo)。

1.4.2 缺鈣處理 對(duì)培養(yǎng)2周的團(tuán)花幼苗進(jìn)行缺鈣處理，具體方法為減少營(yíng)養(yǎng)液配方中的硝酸鈣并補(bǔ)回等量氮元素的硝酸銨（B、C液不變，A液配方見(jiàn)表3），同時(shí)在正常培養(yǎng)液中培養(yǎng)相同數(shù)量和大小的幼苗作為對(duì)照。每3 d換1次營(yíng)養(yǎng)液，觀察5周，記錄其形態(tài)指標(biāo)及表型變化。在團(tuán)花表型變化最明顯時(shí)期的前1周（第1周）、當(dāng)周（第2周）、后1周（第3周）測(cè)定光合指標(biāo)。

1.4.3 缺磷處理 對(duì)培養(yǎng)2周的團(tuán)花幼苗進(jìn)行缺磷處理，具體方法為減少營(yíng)養(yǎng)液配方中的磷酸二氫銨并補(bǔ)回等量氮元素的硝酸銨（A、C液不變，B液配方見(jiàn)表4），同時(shí)在正常培養(yǎng)液中培養(yǎng)相同數(shù)量和大小的幼苗作為對(duì)照。每3 d換1次營(yíng)養(yǎng)液，觀察5周，記錄其形態(tài)指標(biāo)及表型變化。在預(yù)試驗(yàn)觀察的表型變化最明顯的時(shí)期拍照記錄。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度水培營(yíng)養(yǎng)液對(duì)團(tuán)花生長(zhǎng)發(fā)育的影響

2.1.1 不同濃度水培營(yíng)養(yǎng)液對(duì)團(tuán)花株高的影響 由圖1-a可知，前7 d自來(lái)水處理的幼苗生長(zhǎng)較快，其次是1/5霍格蘭德?tīng)I(yíng)養(yǎng)液處理。由于在 7～14 d之間，1/5霍格蘭德?tīng)I(yíng)養(yǎng)液處理生長(zhǎng)加快，而去離子水培養(yǎng)處理的植株生長(zhǎng)極為緩慢，幾乎停滯生長(zhǎng)。其他濃度處理的植株在前期生長(zhǎng)較緩慢，而后期生長(zhǎng)速率提高。

2.1.2 不同濃度水培營(yíng)養(yǎng)液下團(tuán)花側(cè)根數(shù)的變化 由圖1-b可知，自來(lái)水培養(yǎng)的植株在前8 d內(nèi)的生長(zhǎng)速率最快，而8 d后，1/2霍格蘭德?tīng)I(yíng)養(yǎng)液處理培養(yǎng)的植株生長(zhǎng)速率最快，但其在前期的側(cè)根數(shù)曾一度減少，可能因?yàn)檫^(guò)高的濃度損傷了幼根，導(dǎo)致側(cè)根部分褐化而凋亡。1/5霍格蘭德?tīng)I(yíng)養(yǎng)液處理一直保持良好的生長(zhǎng)趨勢(shì)，無(wú)明顯波動(dòng)。去離子水培養(yǎng)的植株側(cè)根生長(zhǎng)緩慢。

2.1.3 不同濃度水培營(yíng)養(yǎng)液下團(tuán)花畸形葉數(shù)的變化 由圖1-c可知，1/2、1/3霍格蘭德?tīng)I(yíng)養(yǎng)液處理對(duì)幼葉生長(zhǎng)傷害較大，畸形葉數(shù)大于其他濃度的培養(yǎng)液處理，主要表現(xiàn)在葉片發(fā)生可逆轉(zhuǎn)的黃化。前4～6 d 幼苗在轉(zhuǎn)入高濃度營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)時(shí)畸形葉數(shù)迅速增加，而在4～6 d后由于對(duì)營(yíng)養(yǎng)液濃度的適應(yīng)，畸形葉逐漸適應(yīng)與恢復(fù)。

2.1.4 不同濃度水培營(yíng)養(yǎng)液下的死亡植株數(shù) 由圖 1-d的3組重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果得出，1/2霍格蘭德?tīng)I(yíng)養(yǎng)液處理的平均死亡數(shù)高于其他4組，達(dá)到了36.7%的死亡率，1/3霍格蘭德?tīng)I(yíng)養(yǎng)液處理的平均死亡率則有16.7%，而1/5霍格蘭德?tīng)I(yíng)養(yǎng)液處理的平均死亡率則為6.6%，其他處理平均死亡數(shù)都在1株以下，小于總數(shù)的5%。

2.2 團(tuán)花缺素試驗(yàn)

在已建立的團(tuán)花組培苗水培方法的基礎(chǔ)上，將營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)2周后團(tuán)花苗移至不同營(yíng)養(yǎng)液中對(duì)其進(jìn)行培養(yǎng)，定期觀察其形態(tài)差異并進(jìn)行分析。

2.2.1 缺硼處理

2.2.1.1 表型變化 培養(yǎng)至第3～5周時(shí)，植物體對(duì)硼的響應(yīng)到達(dá)最明顯的時(shí)期，缺硼培養(yǎng)的團(tuán)花頂芽已經(jīng)出現(xiàn)壞死，但對(duì)葉影響較小，對(duì)根系無(wú)明顯影響，對(duì)莖稈高度以及地徑寬度影響較大，明顯較正常對(duì)照更矮更細(xì)（圖2）。而2倍硼元素濃度培養(yǎng)的團(tuán)花新葉出現(xiàn)明顯的膨大，葉長(zhǎng)寬比變小，寬度明顯增加，對(duì)根系無(wú)明顯影響，莖稈高度無(wú)明顯變化，莖稈略微增粗。

2.2.1.2 光合作用效率的變化 第3周時(shí)，缺硼植株單位面積的瞬時(shí)光合速率（A，下同）已經(jīng)明顯低于同期正常和2倍硼濃度培養(yǎng)的植株（表5），濕度（E，下同）的變化不明顯。隨著時(shí)間的變化，缺硼植株A值明顯下降，2倍硼濃度組植株在第3周時(shí)A值與正常組相差不大，而第5周2倍硼濃度組的A顯著提高，說(shuō)明硼元素在0～2倍區(qū)間內(nèi)對(duì)植物單位面積的瞬時(shí)光合作用效率有明顯提升作用，但其內(nèi)在機(jī)制還須要進(jìn)一步研究。

2.2.2 缺鈣處理

2.2.2.1 表型變化 在培養(yǎng)至第2～4周時(shí)，植物體對(duì)鈣的響應(yīng)表型到達(dá)最明顯的時(shí)期，頂芽、葉片、根部都有明顯變化。首先頂芽壞死，由葉尖開(kāi)始向下壞死，直至全部枯萎。葉片從葉基部?jī)蓚?cè)開(kāi)始發(fā)黃，黃化至區(qū)域葉片壞死，壞死部位向內(nèi)卷曲，葉脈突出至隆起。缺鈣培養(yǎng)的根部逐漸硬化與褐化，部分節(jié)點(diǎn)褐化嚴(yán)重至壞死。缺鈣的莖稈與對(duì)照相比較弱（圖2）。

2.2.2.2 光合作用效率的變化 對(duì)比正常與缺鈣植株的新葉、次葉、老葉可以發(fā)現(xiàn)A值差異較大而E值差異較?。ū?）。從數(shù)值上可以看出缺鈣對(duì)其老葉A值影響較小，而新葉與次葉的A值普遍較正常植株偏小，與表型變化一致，是由于其葉片細(xì)胞壞死導(dǎo)致光合作用效率下降。

2.2.3 缺磷處理 在培養(yǎng)至第3周時(shí)，植物體對(duì)磷的響應(yīng)已經(jīng)十分明顯，缺磷培養(yǎng)的植株葉片明顯發(fā)生皺疊，葉色加深變成深紫色，葉面積卻無(wú)明顯大小差異。缺磷處理對(duì)植物株高、地徑寬度無(wú)明顯影響。培養(yǎng)至第5周時(shí)，植物體頂芽出現(xiàn)休眠，生長(zhǎng)緩慢甚至停止生長(zhǎng)，形態(tài)表現(xiàn)為向內(nèi)皺縮卷曲，但并無(wú)壞死組織出現(xiàn)。

3 討論與結(jié)論

成功建立團(tuán)花水培體系和研究缺素脅迫下團(tuán)花生長(zhǎng)變化的原因如下：合理地采用組培苗作為外植體;以標(biāo)準(zhǔn)Hoagland營(yíng)養(yǎng)液作為營(yíng)養(yǎng)液的配方;有水生根產(chǎn)生;研究篩選出適合濃度的營(yíng)養(yǎng)液。

選用組培苗作為外植體的原因是，通過(guò)組織培養(yǎng)可獲得純合體基因型的組培苗，其遺傳背景一致，但種子苗不是純合體，遺傳背景不一致，用組培苗作為外植體可以排除遺傳差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。不僅如此，組培苗繁殖速度快，育苗期較短，可在組培室里進(jìn)行統(tǒng)一管理，容易控制其生長(zhǎng)環(huán)境的一致性，成本較低;而種子苗的生長(zhǎng)速度較慢，育苗期較長(zhǎng)，難以管理，成本較高。

研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)高的營(yíng)養(yǎng)液濃度會(huì)在培養(yǎng)初期傷害幼苗，導(dǎo)致葉畸形甚至死亡，當(dāng)幼苗逐漸接受水培體系的環(huán)境時(shí)，耐受性增強(qiáng)，畸形葉則會(huì)恢復(fù)，但死亡是不可逆轉(zhuǎn)的，故不可在培養(yǎng)初期使用高濃度的霍格蘭德?tīng)I(yíng)養(yǎng)液。而且幼苗在1倍濃度Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的培養(yǎng)環(huán)境中需要適應(yīng)較長(zhǎng)的時(shí)間才能正常生長(zhǎng)，所以采用自來(lái)水培養(yǎng)1周后改用1/5霍格蘭德?tīng)I(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)的方法，這樣既保證了初期幼苗的順利過(guò)渡又保證了后期幼苗的正常生長(zhǎng)。

為了探究硼、鈣和磷元素是否會(huì)影響團(tuán)花的速生性，筆者對(duì)團(tuán)花進(jìn)行硼、鈣和磷元素缺素試驗(yàn)并觀察其生長(zhǎng)情況。在適合濃度缺少硼、鈣和磷元素的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液處理下，團(tuán)花在2周內(nèi)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的生理變化，筆者發(fā)現(xiàn)當(dāng)植物缺硼時(shí)其形態(tài)表現(xiàn)為生長(zhǎng)點(diǎn)生長(zhǎng)緩慢、葉面畸形、皺縮加厚、葉和莖變脆;缺鈣時(shí)植物葉片迅速褐化并脫落，根系萎縮，側(cè)根不發(fā)育，根尖大面積壞死;缺磷時(shí)植物表現(xiàn)為植物頂芽休眠，莖葉均出現(xiàn)紫紅色。

在本試驗(yàn)研究團(tuán)花早期生長(zhǎng)的過(guò)程中，鈣與硼對(duì)表型的影響大于磷的影響，說(shuō)明在團(tuán)花的快速生長(zhǎng)發(fā)育中初生細(xì)胞壁相關(guān)的微量元素可能起到了更加關(guān)鍵的作用，其內(nèi)在機(jī)制須要進(jìn)一步的研究。

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