海藻提取物對(duì)干旱脅迫下蘋果砧木幼苗抗旱性和養(yǎng)分吸收的影響

馮敬濤，劉照霞，徐新翔，于天武，葛順峰，姜遠(yuǎn)茂

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018)

近年來我國蘋果產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，2016年種植面積232.38萬hm2，居世界首位，產(chǎn)量高達(dá)4 388萬t，占世界蘋果總產(chǎn)量的57%[1]。作為蘋果主產(chǎn)區(qū)和生態(tài)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)區(qū)的西北黃土高原屬于干旱半干旱地區(qū)，供水不足成為限制蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素之一[2]。水分虧缺引起水勢(shì)下降，導(dǎo)致細(xì)胞膨壓降低，直接影響氣孔的開閉；而氣孔是進(jìn)行二氧化碳和水氣交換的門戶，氣孔的閉合必然影響到蒸騰作用和光合生產(chǎn)，干旱脅迫會(huì)使植株生長受到抑制，光合強(qiáng)度減弱，細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生過量活性氧，打破氧化代謝平衡，引起膜脂過氧化加重，導(dǎo)致植株死亡[3]。干旱會(huì)影響抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成等生理活動(dòng)，同時(shí)影響植株對(duì)養(yǎng)分的吸收，最終引起蘋果品質(zhì)和產(chǎn)量的下降[4]。

海藻提取物是一種純天然的海洋生物產(chǎn)品，富含海藻酸、氨基酸、礦物質(zhì)、多糖、維生素及生理活性物質(zhì)。近幾年海藻提取物開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，在提高作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)等方面表現(xiàn)出積極的效果[5]。相關(guān)研究表明葉面噴施海藻提取物能夠促進(jìn)黃瓜的生長，噴施不同濃度的生物海藻肥對(duì)蘋果葉綠素含量、坐果率及果實(shí)產(chǎn)量均有不同程度的促進(jìn)作用[6-7]。目前國內(nèi)外對(duì)海藻提取物在番茄、黃瓜等蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)方面研究較多[8-9]，但是關(guān)于海藻提取物在干旱脅迫下對(duì)蘋果生理特性及養(yǎng)分吸收的綜合研究鮮見報(bào)道。因此，本試驗(yàn)以矮化蘋果砧木M9T337幼苗為試材，研究葉面噴施海藻提取物對(duì)不同程度干旱脅迫下蘋果幼苗抗旱性及養(yǎng)分吸收的影響，為通過葉面噴施途徑提高蘋果抗旱性提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年4—6月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝試驗(yàn)站和蘋果土壤營養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試材為1 a生蘋果矮化砧M9T337幼苗，植株定植于內(nèi)徑20.5 cm、高28 cm的塑料盆中，每盆裝土6.5 kg。供試土壤為壤土，pH值為6.7，土壤有機(jī)質(zhì)13.92 g·kg-1，全氮0.88 g·kg-1，速效鉀189.14 mg·kg-1，速效磷39.73 mg·kg-1。所有處理每盆施純N 0.67 g，P2O51.72 g，K2O 0.68 g，肥料均在移栽前一次性施入。3月20日進(jìn)行移栽，4月18日選取長勢(shì)一致、無病蟲害的植株進(jìn)行干旱脅迫。5月10日將盆栽幼苗置于可移動(dòng)的防雨棚內(nèi)，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行干旱脅迫。

為消除植株重量對(duì)控水的影響，各處理均毀苗1盆測(cè)定植株鮮重，并確定稱重標(biāo)準(zhǔn)。干旱脅迫處理前進(jìn)行充分灌水，使土壤含水量達(dá)到田間持水量的80% 以上，此后每天18∶00根據(jù)土壤水分蒸發(fā)散失情況，并結(jié)合稱重法進(jìn)行定量補(bǔ)水，以確保各處理土壤水分含量保持在處理的梯度水平。干旱脅迫20 d后，于6月1日和6月8日上午9∶00進(jìn)行海藻提取物噴施，對(duì)照噴施清水，以葉片濕潤而不滴水為度。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，選擇噴施18 d后進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。

試驗(yàn)分為5個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)5盆。(1)對(duì)照(CK)，維持田間最大持水量的75%～80%；(2)中度干旱脅迫(MD)，維持田間最大持水量的60%～75%；(3)中度干旱+海藻提取物(MD+SE)；(4)重度干旱脅迫(SD)，維持田間最大持水量的30%左右；(5)重度干旱+海藻提取物(SD+SE)。海藻提取物由陜西丹楓百麗有限公司提供，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，其中富含海藻酸(28.5 g·L-1)，海藻多糖、多酚、甜菜堿、多胺類等≥22%，有效活菌數(shù)≥10.0億·ml-1，NPK≥8%。

1.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.2.1 農(nóng)藝性狀調(diào)查 用直尺測(cè)定株高，用游標(biāo)卡尺測(cè)量莖粗(距離地面5 cm處)，用電子天平測(cè)定根、莖、葉鮮重，并于105℃下殺青30 min后經(jīng)80℃烘干測(cè)定干重。

1.2.2 根系活力的測(cè)定 根系活力采用李合生[10]的氯化三苯基四氮唑(TTC)還原法進(jìn)行測(cè)定。

1.2.3 葉綠素含量測(cè)定 采用95%乙醇浸提法，參照李合生[10]方法測(cè)定。

1.2.4 抗氧化酶活性及丙二醛含量測(cè)定 采用氮藍(lán)四唑還原法測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定過氧化物酶(POD)活性和抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性，采用紫外吸收法測(cè)定過氧化氫酶(CAT)活性，采用硫代巴比妥酸法(TBA)測(cè)定丙二醛(MDA)含量[11]。

1.2.5 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)測(cè)定 采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定可溶性蛋白的含量[10]，采用酸性茚三酮法測(cè)定脯氨酸的含量[10]。

1.2.6 光合相關(guān)指標(biāo)測(cè)定 采用LI-6400XT便攜式光合系統(tǒng)測(cè)定儀(LI-COR，美國)于晴天無風(fēng)的上午9∶00—11∶00選取成熟完整的功能葉片進(jìn)行測(cè)定。主要測(cè)定蘋果葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。每個(gè)葉片測(cè)定10次，取平均值。測(cè)定時(shí)設(shè)置光強(qiáng)1 200 μmol·m-2·S-1，葉室溫度25℃，CO2濃度400 μmol·mol-1。

在各處理中選取生長一致的蘋果幼苗5株，各選取照光一致的功能葉，暗適應(yīng)30 min，用英國Hansatech生產(chǎn)的FMS2型調(diào)制式熒光儀，測(cè)定相應(yīng)光強(qiáng)下的初始熒光(F0)、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、有效光化學(xué)效率(Fv′/Fm′)和實(shí)際量子產(chǎn)量(PSII)。

1.2.7 植株根、莖、葉的氮、磷、鉀含量測(cè)定 全氮含量采用凱氏定氮法進(jìn)行，全鉀含量采用火焰光度法進(jìn)行，全磷含量的測(cè)定采用鉬銻抗比色法[12]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)使用Excel 2007進(jìn)行處理；用SPSS Statistics 17.0處理系統(tǒng)單因素試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行顯著性和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同程度干旱脅迫下海藻提取物對(duì)蘋果砧木幼苗生物量及根系活力的影響

由表1可以看出，與正常供水(CK)相比，不同程度干旱脅迫顯著抑制了蘋果砧木幼苗的生長，中度干旱脅迫下噴施海藻提取物后總生物量和根系活力較MD處理提高了15.4%和27.3%；重度干旱脅迫下葉面噴施海藻提取物后總生物量和根系活力較SD處理提高了13.7%和20.1%。表明葉面噴施海藻提取物有助于緩解不同程度干旱脅迫對(duì)蘋果砧木幼苗地上部和地下部的傷害。

2.2 不同程度干旱脅迫下海藻提取物對(duì)蘋果砧木幼苗葉片葉綠素及光合性能的影響

2.2.1 對(duì)葉綠素含量的影響 由表2可知，干旱脅迫條件下葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量均顯著低于CK(P<0.05)。其中，在中度干旱脅迫條件下，葉面噴施海藻提取物后葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素含量較MD處理分別提高了10.3%、36.3%、23.2%和16.4%；在重度干旱脅迫下噴施海藻提取物后葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素含量較SD處理分別提高了10.4%、42.9%、26.7%和14.4%。由此可見，不同干旱脅迫條件下葉面噴施海藻提取物能夠在一定程度上緩解干旱脅迫對(duì)蘋果砧木幼苗葉片葉綠素的降解。

表1 各處理蘋果砧木幼苗的生物量及根系活力

表2 各處理蘋果砧木幼苗葉片的葉綠素含量

2.2.2 對(duì)光合特性的影響 由表3可以看出，不同程度干旱脅迫下凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)和氣孔導(dǎo)度(Gs)均呈下降趨勢(shì)。葉面噴施海藻提取物效果顯著，在中度干旱脅迫條件下，Pn、Tr、Ci及Gs較MD處理分別提高了12.1%、8.8%、10.5%和8.5%；在重度干旱脅迫條件下，Pn、Tr、Ci及Gs較SD分別提高了10.2%、21.5%、20.5%和8.8%。表明葉面噴施海藻提取物能夠減輕不同程度干旱脅迫對(duì)蘋果砧木幼苗葉片光合作用的影響，提高光合效率。

2.2.3 對(duì)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響 由圖1(A)～圖1(D)可得，在中度干旱脅迫條件下噴施海藻提取物，F(xiàn)0、Fv/Fm、Fv′/Fm′和PSII分別較MD處理提高了24.4%、26.1%、8.6%和15.9%；重度干旱脅迫下葉面噴施海藻提取物F0、Fv/Fm、Fv′/Fm′和PSII分別較SD處理提高了22.6%、12.4%、10.4%和31.6%。表明葉面噴施海藻提取物能夠緩解不同程度干旱脅迫對(duì)蘋果葉片光合系統(tǒng)的傷害作用。

2.3 不同程度干旱脅迫下海藻提取物對(duì)蘋果砧木幼苗葉片MDA含量和抗氧化酶活性的影響

由圖2(A)可得，蘋果葉片中MDA含量隨著干旱脅迫程度的增加逐漸提高。在中度干旱脅迫條件下，葉面噴施海藻提取物能夠降低MDA含量，相較于MD處理降低了1.29%；在重度干旱脅迫條件下，MDA含量達(dá)到最高，噴施海藻提取物能夠降低MDA含量，較SD處理降低了3.29%，重度干旱脅迫緩解效果優(yōu)于中度干旱。表明海藻提取物可以減少干旱脅迫下蘋果砧木幼苗葉片細(xì)胞膜脂過氧化產(chǎn)物MDA的積累，緩解干旱脅迫對(duì)細(xì)胞膜造成的傷害。

如圖2(B)～圖2(E)所示，隨著干旱脅迫程度的增強(qiáng)，SOD、POD、CAT和APX活性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在中度干旱脅迫下噴施海藻提取物處理SOD、POD、CAT和APX活性分別較MD處理提高了4.5%、8.4%、30.6%和9.8%。在重度干旱脅迫條件下SOD、POD、CAT和APX活性較SD處理分別提高了16.6%、18.1%、30.2%和8.9%。表明不同程度干旱脅迫條件下海藻提取物能夠?qū)μO果M9T337幼苗的葉片起到一定的保護(hù)作用。

表3 各處理蘋果砧木幼苗葉片的光合指標(biāo)

2.4 不同程度干旱脅迫下海藻提取物對(duì)蘋果砧木幼苗葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

植物在滲透脅迫下，可溶性蛋白含量會(huì)隨著干旱脅迫程度的加深而逐漸降低。如圖3(A)所示，蘋果砧木幼苗葉片的可溶性蛋白含量顯著低于CK，在中度干旱脅迫條件下葉面噴施海藻提取物較MD處理提高了19.1%；在重度干旱脅迫條件下葉面噴施海藻提取物較SD處理提高了14.1%，以中度干旱脅迫緩解效果更顯著。

由圖3(B)可以看出，脯氨酸含量隨著供水量的下降逐漸降低，在正常供水條件下的脯氨酸含量高于干旱脅迫時(shí)的含量，在中度干旱脅迫條件下葉面噴施海藻提取物較噴施MD處理提高了8.9%；在重度干旱脅迫下葉面噴施海藻提取物較SD處理提高了13.1%。表明海藻提取物在不同程度干旱脅迫條件下對(duì)蘋果砧木幼苗葉片脯氨酸累積具有顯著促進(jìn)作用。

2.5 不同程度干旱脅迫下海藻提取物對(duì)蘋果砧木幼苗養(yǎng)分吸收的影響

由表4可得，干旱脅迫條件下蘋果砧木幼苗的養(yǎng)分含量均顯著低于對(duì)照。在中度干旱脅迫條件下葉面噴施海藻提取物較MD處理植株全氮、全磷、全鉀含量分別提高了19.2%、22.7%和40.5%；在重度干旱脅迫下噴施海藻提取物較SD處理植株全氮、全磷、全鉀含量分別提高了12.4%、21.7%和38.4%。由此可見，不同程度干旱脅迫條件下葉面噴施海藻提取物均能夠緩解干旱脅迫對(duì)植株養(yǎng)分吸收的影響，提高蘋果植株幼苗在干旱脅迫時(shí)的養(yǎng)分含量。

3 討論與結(jié)論

蘋果砧木幼苗M9T337對(duì)逆境條件的適應(yīng)性較差，當(dāng)遭遇干旱、高溫等逆境時(shí)植株的生長發(fā)育、生理代謝會(huì)受到嚴(yán)重影響。隨著脅迫程度的加深受抑制的程度更加明顯，海藻肥的應(yīng)用能提高油菜在逆境脅迫下的抗性和促進(jìn)滲透脅迫下油菜種子的萌發(fā)和幼苗生長[13-14]。本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)海藻提取物能夠緩解干旱脅迫對(duì)蘋果幼苗生長的抑制作用，提高蘋果幼苗對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)能力。根系是植株吸收水分的主要器官，當(dāng)干旱來臨時(shí)根部最先感知，并迅速產(chǎn)生化學(xué)信號(hào)向上傳遞以促使氣孔關(guān)閉，減少水分散失[15]。武永軍等[16]研究表明，隨著干旱脅迫程度的增加，蠶豆的葉片含水量和自由水含量逐漸下降，束縛水含量逐漸增加，葉片含水量降低，可利用的水分減少，組織代謝減弱，生長緩慢。本試驗(yàn)研究表明，葉面噴施海藻提取物能夠提高植株的根系活力，其原因可能是因?yàn)橹参矬w內(nèi)可以通過提高海藻糖的生成量來增強(qiáng)其抗非生物脅迫的能力。水分脅迫下根系的生長發(fā)育受到抑制，為了增強(qiáng)抗旱能力，植物能夠通過調(diào)節(jié)根系自身形態(tài)和生理生化特征以適應(yīng)干旱逆境[17]。在干旱脅迫條件下，氮素對(duì)作物的影響非常復(fù)雜，同時(shí)受環(huán)境和作物內(nèi)部兩方面因素的共同影響[18]。趙魯[19]研究發(fā)現(xiàn)施用海藻提取物可顯著促進(jìn)生菜旺盛生長期對(duì)氮、磷、鉀的吸收及其由地下部向地上部的轉(zhuǎn)移，與本試驗(yàn)研究結(jié)果一致。其原因可能是因?yàn)楹Ｔ逄崛∥镏泻胸S富的礦物質(zhì)，能夠提高植株對(duì)養(yǎng)分的吸收能力，但是其機(jī)理還需進(jìn)一步研究。

圖2 各處理蘋果砧木幼苗葉片的MDA含量和抗氧化酶活性Fig.2 Effects of seaweed extract on MDA content and antioxidant enzyme activity in appleleaves under different degrees of drought stress

圖3 各處理蘋果砧木幼苗葉片的可溶性蛋白及脯氨酸含量Fig.3 Effects of seaweed extract on soluble protein and proline content in apple leaves under different degrees of drought stress

表4 各處理蘋果砧木幼苗不同器官及全株的養(yǎng)分含量/g

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，干旱脅迫會(huì)造成葉綠素含量下降，從而導(dǎo)致光合能力降低[20]。同時(shí)本研究也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)蘋果幼苗遭受不同程度干旱脅迫時(shí)，葉片氣孔關(guān)閉，分解速度加快，葉綠素含量迅速下降，導(dǎo)致蘋果葉片的葉綠素及類胡蘿卜素含量呈下降趨勢(shì)[21]，但葉面噴施海藻提取物能夠提高葉綠素含量，其原因可能與海藻提取物不僅含有豐富的礦物質(zhì)、多糖類、植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)(細(xì)胞分裂素、赤霉素、生長素和脫落酸等)，還含有氨基酸、大量元素(氮、磷、鉀)及微量元素(鐵、硼、鉬、碘)等成分有關(guān)系，具體原因還應(yīng)進(jìn)一步分析。光合作用是植物生長的基礎(chǔ)，當(dāng)植物遭受干旱脅迫時(shí)葉片氣孔關(guān)閉、蒸騰速率下降，導(dǎo)致細(xì)胞固化和同化CO2能力下降[22]。Harb等[23]研究發(fā)現(xiàn)，氣孔限制是造成葉片光合速率下降的主要原因。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，葉面噴施海藻提取物能夠提高Pn，而王貴芳等[24]發(fā)現(xiàn)海藻糖處理番茄后凈光合速率下降，這與本研究結(jié)果不一致。但玉米上的研究表明海藻提取物在干旱脅迫下會(huì)減輕氣體交換對(duì)植株造成的不利影響[25]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫時(shí)間的加長和脅迫程度的增加，光合的非氣孔限制因素大于氣孔限制因素，海藻提取物能夠緩解這一現(xiàn)象，其原因是海藻提取物中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)能夠起到保護(hù)光合機(jī)構(gòu)的作用，其機(jī)理需進(jìn)行深入研究。葉綠素?zé)晒馓匦钥奢^為準(zhǔn)確地反映植株的生長情況。一般植物Fv/Fm值處于0.75～0.85之間時(shí)為植株正常環(huán)境條件生長時(shí)的狀態(tài)[26]。當(dāng)蘋果幼苗遭受重度干旱脅迫時(shí)，下降趨勢(shì)更加明顯。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，葉面噴施海藻提取物能夠緩解不同程度干旱脅迫所造成的Fv/Fm和PSII的降低，其原因可能是海藻提取物中含有的海藻糖能夠?qū)︻惸殷w膜起到保護(hù)作用，但是其機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。

在干旱脅迫下，植物體因脫水而產(chǎn)生活性氧等有害物質(zhì)，植物體內(nèi)活性氧失衡，SOD、POD、CAT相互協(xié)同作用防御活性氧自由基對(duì)細(xì)胞膜的傷害，抑制膜脂過氧化，從而減輕逆境脅迫對(duì)植物細(xì)胞的損傷作用[27]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，SOD、POD、CAT、APX活性隨著干旱脅迫程度的加劇酶活性有不同程度的降低，在不同程度干旱脅迫條件下，葉面噴施海藻提取物可提高蘋果幼苗的細(xì)胞抗氧化酶活性，清除活性氧對(duì)膜脂的損傷，維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，這與焦志麗等[28]在馬鈴薯上的研究一致。同時(shí)本試驗(yàn)也表明，海藻提取物之所以對(duì)干旱脅迫效果顯著，其原因可能是海藻提取物中的細(xì)胞分裂素通過清除或阻止活性氧的形成及抑制黃嘌呤氧化等方式來抵抗逆境；也可能是因?yàn)楹Ｔ逄崛∥镌诟珊得{迫下能夠提高抗氧化酶對(duì)活性氧的清除能力，從而增強(qiáng)植株對(duì)逆境的抵抗能力[29]；還可能是通過植株體內(nèi)超氧化物歧化酶、抗壞血酸過氧化物酶活性的增加來抵抗逆境脅迫，其機(jī)理還需進(jìn)一步研究。植物的滲透調(diào)節(jié)是適應(yīng)逆境脅迫的重要生理機(jī)制之一[30]，可溶性蛋白和脯氨酸含量是衡量植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)水平的重要指標(biāo)，當(dāng)植物遭受干旱脅迫時(shí)含量增加，以降低植物細(xì)胞水勢(shì)來增強(qiáng)其抗旱能力[31]，緩解滲透脅迫對(duì)植株造成的傷害。本試驗(yàn)結(jié)果表明，葉面噴施海藻提取物能夠提高蘋果葉片的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，增強(qiáng)植株對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)能力，提高植株的抗旱性。干旱處理下隨著干旱脅迫程度的增強(qiáng)，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量上升，這與前人的研究結(jié)果一致[32]。

綜上，海藻提取物能夠提高葉片光合色素含量、光合作用強(qiáng)度、抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和植株養(yǎng)分含量，降低MDA含量，從而緩解干旱脅迫對(duì)蘋果植株的傷害，促進(jìn)植株生長和根系對(duì)養(yǎng)分的吸收。噴施海藻提取物對(duì)不同程度的干旱脅迫均有良好的緩解效果，以中度干旱噴施效果最佳。海藻提取物中富含的營養(yǎng)物質(zhì)在不同程度干旱條件下使植株的抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量提高，起到保護(hù)效果，因此我們可以將提高蘋果植株的抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量作為下一步試驗(yàn)的研究重點(diǎn)，進(jìn)行深入研究。