氨基多糖水溶肥對花心大白菜母株定植后生長及種子生產的影響

王 瑋,趙建鋒,吳傳萬,汪國蓮*,孫玉東,梁雙林

(1.江蘇徐淮地區(qū)淮陰農業(yè)科學研究所,江蘇 淮安 223001;2.江蘇省環(huán)洪澤湖生態(tài)農業(yè)生物技術重點實驗室(淮陰師范學院),江蘇 淮安 223300;3.江蘇雙林海洋生物藥業(yè)有限公司,江蘇 啟東 226200)

0 引言

大白菜是十字花科蕓薹屬二年生作物,原產于我國華北,是全國栽培面積最大的蔬菜作物[1]。其品種類型多樣,營養(yǎng)豐富,廣受各地民眾喜愛,在北方地區(qū)享有“當家菜”的美譽,是我國居民重要的“菜籃子”蔬菜之一。蘇北地區(qū)花心大白菜在當?shù)赜置S芽菜,尤其是“獅子頭”大白菜,是蘇北淮安等地特有的優(yōu)質特色大白菜品種。但是在蘇北特殊的氣候條件下,“獅子頭”等花心大白菜在育種過程中,其母株入冬儲存后期腐爛率極高,翌年移栽存活率較低,種子產量低,嚴重影響了當?shù)卮蟀撞擞N工作的效率,增加了品種選育的難度,因此,如何通過技術手段來切實提高蘇北地區(qū)花心大白菜母株的移栽存活率以及種子生產質量,就成為了本地區(qū)大白菜品種選育工作的當務之急。

氨基多糖,又稱糖胺聚糖、粘多糖等,為雜多糖的一種。甲殼素和殼聚糖屬于氨基多糖的衍生物,其中甲殼素在自然界中的含量僅次于纖維素,是唯一大量存在的堿性多糖[2-3]?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),氨基多糖類物質可以廣泛應用于工業(yè)、醫(yī)藥、保健、食品加工等領域,在農業(yè)上應用具有調節(jié)作物生長、增強抗逆性、抗菌保鮮等重要作用[4-7]。本研究以花心大白菜“獅子頭”為材料,使用氨基多糖處理大白菜母株,研究了其對大白菜母株定植后生長及對種子生產的影響，以期為提高蘇北地區(qū)花心大白菜母株繁種的定植存活率、提高大白菜品種的繁育效率提供配套技術解決方案。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為經提純復壯后的獅子頭大白菜，由江蘇徐淮地區(qū)淮陰農業(yè)科學研究所提供。氨基多糖水溶肥由江蘇雙林海洋生物藥業(yè)有限公司生產提供,其濃度≥20 g/L(其中Zn+Mg+Ca+Fe含量≥100 g/L),產品形態(tài)為水劑。

1.2 試驗設計

在大白菜入冬收獲后,將所有母株統(tǒng)一置于晴天室外集中晾曬2～3 d,再堆藏處理20 d左右,待白菜外幫開始脫落時,選取整齊一致、感官品質好、無病蟲害的大白菜母株120株,平均分為2份。將氨基多糖母液對水稀釋為150 mg/L的溶液(前期已做過不同濃度梯度比較試驗,研究結果表明此濃度的效果較好)；使用小型電動噴霧器對其中1份大白菜母株均勻噴施150 mg/L的氨基多糖溶液,每顆噴施40 mL,其余大白菜噴施等量的清水作為對照。噴施完后將所有母株統(tǒng)一置于晴天室外集中晾曬1～2 d,再將菜頭斜切3刀后提前定植到塑料大棚中(前期開展過不同貯藏方式的試驗,堆藏+提前定植方式的效果最好,大白菜母株的存活率最高)。試驗采取隨機區(qū)組設計,設氨基多糖與對照2個處理,每個處理3次重復,共6個小區(qū),每個小區(qū)的面積為5 m2(2.5 m×2.0 m)。白菜定植后不要澆水,以控制棚內濕度。保持大棚內白天溫度在0～5 ℃,夜間不低于-3 ℃。在定植后5、10、20、30、50 d時，分別取部分大白菜心葉用于測定葉綠素含量及其它有關生理生化指標,并取適量根系用于測定其根系活力。在定植后20 d時田間統(tǒng)計大白菜的存活率,并拔除死顆爛顆,及時清理畦面。大白菜抽薹開花后進行人工自交授粉制種,當莢皮變黃、籽粒呈黃褐色時及時收獲。收獲時分單株單獨采收；種莢采收后,經后熟5 d左右再脫粒,脫粒后及時曬干；然后測定單株種子的產量及千粒重,再取部分形態(tài)完好的優(yōu)良種子用于發(fā)芽試驗。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 葉綠素含量的測定 每個處理隨機取3株白菜的完整心葉各1片,采用比色法[8]測定其葉綠素含量。

1.3.2 其它生理生化指標的測定 分別于母株定植后5、10、20、30、50 d時，取不同處理的大白菜植株部分心葉,將葉片擦拭干凈后稱重分裝,用液氮預冷后存于-84 ℃的超低溫冰箱中,分批次進行生理生化指標的檢測。

超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑(NBT)法測定[9],以NBT光還原50%為1個酶活單位(U),酶活性單位以U/g表示。過氧化物酶(POD)活性的測定采用愈創(chuàng)木酚法[9],以1 min A470變化0.01為1個酶活性單位,酶活性單位以U/(g·min)表示。過氧化氫酶(CAT)活性的測定采用過氧化氫比色法[9],以1 min A240變化0.01為1個酶活性單位(U),酶活性單位以U/(g·min)表示。采用蒽酮比色法[9]測定可溶性糖含量；用考馬斯亮藍G-250染色法[10]測定可溶性蛋白含量；用硫代巴比妥酸法[11]測定丙二醛(MDA)含量,其計量單位為nmol/g FW。

1.3.3 根系活力的測定 根系活力測定采用四氮唑(TTC)染色法[12]。稱取白菜根尖0.5 g,以TTC還原量[mg/(h·gFW)]表示根系活力。每處理隨機取樣，3次重復測定。

1.3.4 單株種子產量與千粒重的測定 將不同處理的大白菜所產種子分單株單獨稱重,計算平均單株種子產量。再隨機取不同處理的大白菜所產種子各3份,每份1000粒,用電子天平稱重,計算種子的千粒重。

1.3.5 大白菜種子發(fā)芽率(%)、發(fā)芽勢(%)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的測定 隨機取不同處理的大白菜所產種子各3份,每份隨機取50粒種子播于鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中,用蒸餾水浸種2 h,再將盛有種子的培養(yǎng)皿統(tǒng)一置于(25±1)℃、相對濕度85%～90%的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d。在種子培養(yǎng)期間,每天觀察并統(tǒng)計發(fā)芽種子數(shù),以胚根長2 mm作為種子發(fā)芽的標準；于培養(yǎng)7 d后計算其發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù),并測定根長。

白菜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的計算公式如下:

發(fā)芽率(%)=(第7天的發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽勢(%)=(第3天的發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑(t天的發(fā)芽數(shù)/相應的發(fā)芽天數(shù))；

活力指數(shù)=根長度×發(fā)芽指數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用DPS數(shù)據(jù)處理軟件和Microsoft Office Excel 2010對試驗數(shù)據(jù)進行處理和統(tǒng)計,用LSD法進行差異顯著性分析。使用SigmaPlot 12.0軟件進行制圖。

2 結果與分析

2.1 氨基多糖水溶肥對大白菜母株定植后葉片中葉綠素含量的影響

葉綠素含量是反映植物光合能力強弱和植株生長狀況的重要指標。如圖1所示,對照與處理的大白菜植株在定植后其心葉中的葉綠素含量均呈先降低后增加再降低的趨勢。具體來說，在定植后10 d時對照植株葉片的葉綠素含量最低,只有0.867 mg/gFW；之后兩個處理的葉綠素含量均迅速增加,在定植后30 d時達到峰值；但在定植后50 d時又顯著降低。氨基多糖水溶肥處理的大白菜植株心葉葉綠素含量僅在定植后5 d時略低于對照,此后均高于對照,且在定植后20 d和30 d時均顯著高于對照。

圖1 不同處理的大白菜母株定植后葉片中葉綠素含量的變化

2.2 氨基多糖水溶肥對大白菜母株定植后根系活力的影響

根系活力是反映植物根對營養(yǎng)物質及水分吸收能力的一個指標。如圖2所示,不同處理的大白菜母株的根系活力在定植后10 d時略有下降,之后則持續(xù)升高,至定植后50 d時再次降低。氨基多糖水溶肥處理的大白菜母株的根系活力只在定植后5 d 時與對照持平,之后均高于對照,且在定植后20、30 d時的根系活力均顯著高于對照。

圖2 不同處理的大白菜母株定植后根系活力的變化

2.3 氨基多糖水溶肥對大白菜母株定植存活率的影響

大白菜母株定植20 d后進行存活率調查和統(tǒng)計。由表1可知,對照的大白菜母株的自然存活率平均為59.52%,氨基多糖水溶肥處理的大白菜母株的平均存活率為78.57%,比對照提高了19.05個百分點,說明施用氨基多糖水溶肥可以顯著提高大白菜母株定植后的存活率。

表1 大白菜母株在定植20 d后的存活率統(tǒng)計結果

2.4 氨基多糖水溶肥對大白菜母株定植后葉片中抗氧化酶活性的影響

SOD、POD、CAT是植物體內重要的抗氧化酶,其活性與植株抗逆性的強弱密切相關。由圖3可知：兩個處理的大白菜在定植初期其葉片的SOD活性呈先下降的趨勢,至定植后10 d時達到最低值,此后其活性則迅速上升,在定植后20 d時對照與氨基多糖水溶肥處理的SOD活性分別是定植后10 d時的4.01倍、4.81倍；定植后30 d的SOD活性有所下降,之后仍維持較高的活性；氨基多糖水溶肥處理的SOD活性僅在定植初期略低于對照,此后迅速增強并在定植后20 d時顯著高于對照。

圖3 不同處理的大白菜母株定植后葉片中抗氧化酶活性的變化

兩個處理的POD活性在定植后10 d時較5 d時有顯著下降；定植后20 d時又迅速回升到高位水平,對照與氨基多糖水溶肥處理的POD活性分別較定植后10 d時提高了60.22%、52.86%；此后的POD活性仍維持高位運行；氨基多糖水溶肥處理的植株葉片POD的活性在定植后50 d內均高于對照。

CAT活性的變化趨勢與POD類似。對照與氨基多糖水溶肥處理的CAT活性均在定植后10 d時達到最低值,之后迅速上升,并維持活性高峰；氨基多糖處理的CAT活性僅在定植后5 d時略低于對照,但在定植后10 d時則顯著高于對照,活性比對照提高了23.63%；之后其活性也始終高于對照。

2.5 氨基多糖水溶肥對大白菜母株定植后葉片中可溶性糖和可溶性蛋白含量的影響

可溶性糖和可溶性蛋白是植物體內重要的滲透調節(jié)物質。由圖4可見：大白菜母株葉片的可溶性糖含量于定植后10 d時下降到最低值,在定植后20 d時達到第一個峰值,其后有所降低,并在定植后50 d時達到最高值；氨基多糖水溶肥處理植株葉片的可溶性糖含量在定植后不同時期均高于對照。

圖4 不同處理的大白菜母株定植后葉片中可溶性糖和可溶性蛋白含量的變化

不同處理的可溶性蛋白含量在定植后0～10 d均處于一個較低水平,在定植20 d后則持續(xù)上升,并在定植50 d時達到峰值；氨基多糖水溶肥處理的可溶性蛋白含量始終高于對照,且在定植后20 d時的含量較對照提高了29.17%,呈顯著性差異。

2.6 氨基多糖水溶肥對大白菜母株定植后葉片中MDA含量的影響

丙二醛(MDA)是膜脂過氧化的重要產物,其含量可以反映細胞膜脂過氧化的水平及細胞受傷害的程度。從圖5可以看出：兩個處理的MDA含量均呈先降低后升高的趨勢,在定植后10 d時的MDA含量為最低值,且氨基多糖水溶肥處理的植株葉片MDA含量在定植后50 d內均明顯低于對照,其中在定植后30 d時相差最大,比對照降低了31.66%。

圖5 不同處理的大白菜母株定植后葉片中MDA含量的變化

2.7 氨基多糖水溶肥對大白菜母株定植后單株種子產量、千粒重及種子發(fā)芽的影響

氨基多糖水溶肥處理對大白菜母株種子產量、千粒重及種子發(fā)芽的影響見表2。從表2可以看出：噴施氨基多糖水溶肥的大白菜母株的平均單株種子產量為29.29 g,比對照高31.82%；所產種子的千粒重為1.73 g,比對照高10.19%,均呈顯著性差異。

表2 氨基多糖水溶肥處理對大白菜母株種子產量、千粒重及種子發(fā)芽的影響

種子發(fā)芽試驗結果表明,氨基多糖水溶肥處理的大白菜母株所結種子除發(fā)芽率略低于對照外,發(fā)芽指數(shù)高于對照,發(fā)芽勢和種子活力指數(shù)則顯著高于對照。說明氨基多糖水溶肥處理可以顯著提高大白菜母株的單株種子產量和千粒重,有效地提高所產種子的發(fā)芽能力。

3 討論

植物生長調節(jié)劑在調控植物的光合作用、光合產物分配及植物抗逆性等方面具有十分重要的作用[13]。氨基多糖是雜多糖的一種,現(xiàn)有研究認為其在促進作物生長、提高抗逆性、抗菌保鮮等方面具有一定作用[14-15]。本研究對育種用大白菜母株在定植前使用氨基多糖水溶肥進行處理,發(fā)現(xiàn)氨基多糖對提高大白菜母株定植后的生理生化活性及對種子生產都有積極的影響。

葉綠素是植物進行光合作用的物質基礎,也是決定植物光合能力和產量形成的重要基礎[16]。葉綠素含量的高低在一定程度上可以作為判斷植物生長能力的重要指標?，F(xiàn)有研究表明,葉綠素含量與光照、土壤、營養(yǎng)及內源激素等變化密切相關[17-18]。在本研究中,經過氨基多糖水溶肥處理的大白菜母株在定植10 d后的葉片葉綠素含量一直高于對照,說明氨基多糖處理可以有效提高大白菜母株葉片中的葉綠素含量,從而增強植株的光合作用,提高植株的營養(yǎng)生長能力。氨基多糖提高葉片葉綠素含量的原因可能是其對主要作用于葉綠素分解途徑的葉綠素酶的活性具有一定的抑制作用,從而抑制了葉綠素的降解,但也有可能是其直接或間接參與了葉綠素合成或是其對葉綠素的合成途徑起到了一定的誘導作用。

SOD、POD、CAT這3種酶共同構成了植物體的抗氧化酶系統(tǒng)。SOD在植物體內主要起著清除活性氧自由基的作用。POD的活性在低溫脅迫等逆境下也會升高,以便增強對活性氧的清除能力。CAT的主要作用是清除過氧化氫,以減輕其對植物體的毒害作用。本研究發(fā)現(xiàn)：經氨基多糖水溶肥處理的大白菜母株在定植后其葉片中SOD、CAT活性除定植初期略低于對照外,其后均一直高于對照;POD活性、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量在整個檢測期內均一直高于對照;MDA含量則在定植后50 d內均低于對照。說明氨基多糖處理可以有效提高大白菜母株定植后的抗氧化酶活性,提高可溶性糖、可溶性蛋白等滲透調節(jié)物質的含量,降低MDA含量?；钚匝鯇W說認為,當植株處于逆境時,其活性氧代謝失調,造成原生質膜脂過氧化反應,從而引起細胞衰老或凋亡[19-20]。植株為了抵抗逆境造成的傷害,發(fā)展了一整套的活性氧清除機制,包括酶促系統(tǒng)和非酶促系統(tǒng)等。在本試驗中,噴施氨基多糖水溶肥可能被植物體視為一種逆境脅迫,從而激發(fā)了大白菜植株通過增強抗氧化酶活性、增加滲透調節(jié)物質含量、降低脂質過氧化最終產物丙二醛的含量,來提高植株的生理生化活性,增強植株的抗逆性。

根系活力主要表征的是根系新陳代謝的能力,是反映植物根系吸收功能的重要指標之一[21]。氨基多糖水溶肥處理提高了大白菜母株的根系活力,增強了植株對營養(yǎng)物質的吸收和代謝能力,顯著提高了大白菜母株的定植存活率。結合本文對大白菜其它生理生化特性的研究結果,可以認為,氨基多糖處理顯著促進了大白菜母株生理活性的提高。這與黃繼川等[22]通過增施氨基酸來處理大白菜得到的結論類似。

作物種子的產量由各產量構成要素共同決定。在牧草種子的生產中,生殖枝數(shù)量是增產的關鍵因素[23]。現(xiàn)有研究認為,植物生長調節(jié)劑可以通過改變種子產量的構成要素來改變種子產量[24]。EI-Fouly M M等[25]發(fā)現(xiàn),噴施適宜濃度的矮壯素能促進小麥的分蘗,從而通過形成更多的生殖枝來增加產量。但在對高羊茅和多花黑麥草的研究中發(fā)現(xiàn),生長調節(jié)劑的濃度和噴施時間對種子產量沒有顯著的影響[26-27]。大量研究表明,植物生長調節(jié)劑可以通過調節(jié)花期和雌雄花發(fā)生比例、增加生殖枝數(shù)量、提高坐果率和結實率等來達到增加種子產量的目的[28]。本研究發(fā)現(xiàn)氨基多糖顯著提高了大白菜母株的單株種子產量,以及所產種子的千粒重，并且提高了所產種子的發(fā)芽能力。推測氨基多糖提高大白菜種子產量和種子活力主要是通過調節(jié)植株內源激素分配、增加生殖枝數(shù)量、提高結實率來實現(xiàn)。但是氨基多糖提高大白菜種子產量和質量的具體作用機理及其最佳施用方式仍有待進一步研究。

本研究還發(fā)現(xiàn),大白菜母株在定植后初期(定植后20 d內)其體內SOD、POD、CAT活性及可溶性糖、可溶性蛋白含量的變化都是呈先下降再上升的趨勢。大白菜母株在定植后0～10 d期間根系尚未存活,其體內以營養(yǎng)消耗為主,生理生化活性趨于下降,待根系存活后則逐漸上升。大白菜母株在定植后30～50 d期間正處于現(xiàn)蕾期向抽薹期的過渡,此階段植株體內會發(fā)生一系列復雜的生理生化改變,并激發(fā)新的基因表達,促進植株從營養(yǎng)生長向生殖生長的轉變。SOD、POD、CAT等抗氧化酶的活性均在現(xiàn)蕾期時下降,在抽薹后又迅速上升,可能是這些生理活性物質共同參與了植株現(xiàn)蕾抽薹相關基因的表達調控。糖在植物生長發(fā)育過程中起到重要的信號調節(jié)作用,可溶性糖不僅可以為植物生長發(fā)育提供能量和代謝中間產物,而且還是基因表達的重要調節(jié)因子[29]。在本試驗中,大白菜葉片的可溶性糖含量在現(xiàn)蕾期時先下降,到抽薹期又迅速升高,其原因應該是可溶性糖在大白菜成花過程中起到重要的調控作用[30]；在花芽分化期一部分可溶性糖可能作為呼吸基質被消耗[31],導致可溶性糖含量降低；但隨后可溶性糖合成途徑表達量上調,以提供更多的糖參與植株的成花生理。蛋白質是生命活動的重要載體,植物在抽薹開花過程中蛋白質組成會發(fā)生一系列改變,這與植物的發(fā)育密切相關[32]。在抽薹過程中必然還會伴隨著特異功能蛋白的產生。因此,本試驗中大白菜母株在現(xiàn)蕾抽薹階段其體內可溶性蛋白含量的持續(xù)上升,也正印證了以上的基本觀點,這與杜正香[31]、王真真[33]等在不結球白菜上的研究結果相似。

4 結論

噴施150 mg/L的氨基多糖能明顯提高大白菜母株的定植存活率和根系活力,提高大白菜葉片中的葉綠素含量和可溶性糖、可溶性蛋白含量,增強SOD、POD、CAT等抗氧化酶的活性,降低MDA的含量。此外,還有效提高了大白菜的單株種子產量、種子千粒重、種子發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢和種子活力指數(shù)。研究表明,使用氨基多糖水溶肥處理大白菜母株可以有效促進大白菜母株的生長,提高存活率,增強植株的抗逆性,也顯著提高大白菜的種子產量和種子的發(fā)芽能力。