缺素對甜菜幼苗生長和生理的影響

（新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所，烏魯木齊 830091）

0 引言

甜菜具有耐旱、耐寒、耐鹽堿等特性，是一種適應(yīng)性廣、抗逆性強的經(jīng)濟作物[1-2]。在我國主要分布在東北、華北和西北3 個地區(qū)，是北方制糖的主要加工原料。在甜菜生產(chǎn)中，常常會因缺乏N、P、K 及微量元素影響植株生長發(fā)育，造成品質(zhì)下降、產(chǎn)量和含糖降低的現(xiàn)象[3-5]。同時研究報道提出N、P、K、Ca等元素在一定程度上能增強植株對干旱逆境的適應(yīng)能力[6-7]。植物營養(yǎng)元素缺乏可通過癥狀表現(xiàn)、栽培介質(zhì)分析、植株測定等方法進行診斷。在生產(chǎn)中可根據(jù)植株出現(xiàn)的癥狀，在發(fā)生初期及時補充所缺乏的養(yǎng)分。在20世紀早期至今，我國對甜菜缺素癥狀相關(guān)的研究報道較多。李桂琴等[8]開展了甜菜苗期缺N、K、Ca、Fe、Zn、B 時，幼苗根系、液泡細胞結(jié)構(gòu)和葉綠素含量的研究。朱繼正等[9]對甜菜缺素癥狀及焉耆墾區(qū)甜菜營養(yǎng)生理性病害進行研究，提出具體表型診斷。王柏林[10]報道了黑龍江省甜菜缺素病的表現(xiàn)和防治辦法。這些研究都表明不同種植區(qū)域、不同植物的缺素癥狀差別較大，各種缺素條件下植物生物量和根系的變化形態(tài)的情況也不相同。本試驗采用營養(yǎng)液栽培方法[11]，研究了新疆自育‘新甜14號’和Bata公司‘Bata218’甜菜幼苗在缺素條件下的表型變化、生長變化和部分生理代謝變化。試驗初次對甜菜幼苗在缺硫生長進行研究比較，這在以往的缺素研究里沒有相關(guān)報道。本試驗研究為室內(nèi)甜菜種植缺素癥狀診斷和養(yǎng)分管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試甜菜品種

自育品種‘新甜14號’（XT14）和Beta 公司的‘Beta218’甜菜品種由新疆農(nóng)科院經(jīng)濟作物研究所甜菜研究室提供。

1.1.2 供試營養(yǎng)物質(zhì)

大量元素：Ca(NO3)2、KNO3、MgSO4、KH2PO4、K2SO4、CaCl2、NaH2PO4、NaNO3、Na2SO4、MgCl2、EDTA-Fe(1)[將0.1mol/L 的EDTA-Na、FeSO4等體積混合]、EDTA-Fe(2)[將0.1mol/L 的EDTA-Na、FeCL3等體積混合]；微量元素：H3BO3、MnCl2·4H2O、CuSO4·5H2O、ZnSO4·7H2O、H2MoO4·H2O。

1.2 試驗方法

1.2.1 營養(yǎng)液配方配制

試驗依據(jù)植物生長所需的大量和微量元素，共設(shè)8個處理：全素（CK）、缺氮（-N）、缺磷（-P）、缺鉀（-K）、缺鈣（-Ca）、缺鎂（-Mg）、缺硫（-S）、缺鐵（-Fe）。每周更換1次營養(yǎng)液，每次1 L，將pH調(diào)至6～7，詳見表1。

表1 缺素培養(yǎng)各營養(yǎng)元素含量Table 1 Nutrient content table for nutrient deficiency culture

1.2.2 水培裝置準備

取1～3 L 的培養(yǎng)缸，在其外壁用黑紙?zhí)缀?，使甜菜植株根系處在黑暗環(huán)境（模擬根系生長環(huán)境，減少容器壁上青苔的產(chǎn)生），蓋上應(yīng)打有數(shù)孔，一側(cè)用醫(yī)用脫脂棉固定幼苗，再通有橡皮管，使管的另一端與通氣泵連接，作根系生長供氧之用。

1.2.3 移植與培養(yǎng)

將播種30 d后，長勢整齊有一對真葉甜菜幼苗根系洗干凈，小心穿入孔中，用棉花固定，使根系全浸入不同培養(yǎng)液中，放在光線充沛、白天溫度24～26 ℃，晚上溫度18～20 ℃，光照14 h室內(nèi)溫室培養(yǎng)30 d。

試驗于2018年3—8月，在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所甜菜栽培實驗室完成。

1.3 測量項目及數(shù)據(jù)分析

本試驗在在甜菜幼苗培養(yǎng)30 d后均出現(xiàn)缺素現(xiàn)象（其中缺氮培養(yǎng)15 d時，已出現(xiàn)植株部分死亡的現(xiàn)象，即終止培養(yǎng)，文中數(shù)據(jù)均為培養(yǎng)15 d時所測），統(tǒng)一測量生長指標（株高、葉片數(shù)、葉鮮重、葉干重、根長和根鮮重）和生理指標（葉綠素含量、電導(dǎo)率、SOD、MDA）。收獲的植株將地上部與根部分開，測定生物量。根部用蒸餾水清洗干凈，測量總根長、測定根部鮮重。100 ℃烘干法至恒重測定干物質(zhì)量。SOD 活性，丙二醛含量的測定按照南京建成試劑盒說明書的方法。葉綠素測定、細胞率電導(dǎo)（電導(dǎo)法）參照李合生[12]。試驗數(shù)據(jù)均為相同處理下每次取3株，重復(fù)取3次結(jié)果的平均數(shù)。

試驗數(shù)據(jù)均利用DPS V14.10統(tǒng)計軟件進行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 甜菜缺乏不同元素的癥狀

試驗在缺素培養(yǎng)30 d，6種缺素培養(yǎng)下的全部幼苗都出現(xiàn)缺素的癥狀，記錄植株相關(guān)的外觀形態(tài)，取相應(yīng)部位觀察取數(shù)據(jù)。試驗中植物學(xué)特征同一品種以全素培養(yǎng)的為判定標準，并結(jié)合前人研究報道，將外觀形態(tài)調(diào)查的試驗結(jié)果進行比較，認為這兩個甜菜品種對不同營養(yǎng)元素缺乏應(yīng)答（如葉片卷曲皺縮與否、葉色深淺變化、葉脈變化、主根系變化）表現(xiàn)相似（表2）。

表2 缺素對甜菜幼苗植株植物學(xué)特征的影響Table 2 The effects of nutrient deficiency on the botanical characteristics of sugar beet seedlings

2.1.1 甜菜缺氮癥狀

在7 種缺素處理中，缺N 培養(yǎng)最先出現(xiàn)缺素癥狀，且最為明顯。培養(yǎng)一周后，5 株甜菜幼苗都出現(xiàn)癥狀。病癥首先出現(xiàn)在最先長出的葉片上，最先長出子葉的葉片由濃綠色轉(zhuǎn)變?yōu)榈G色，進而變?yōu)辄S色，繼續(xù)培養(yǎng)，真葉也開始失綠發(fā)黃，植株完全停止生長或死亡，植株和正常植株相比明顯矮小，無法再繼續(xù)培養(yǎng)。根系極少，幾乎無側(cè)根。

2.1.2 甜菜缺磷癥狀

磷直接參與光合作用的同化和光合磷酸化。甜菜缺P 培養(yǎng)，較對照比表現(xiàn)為植株葉面積小，葉片狹窄，葉色比對照深，為暗綠色，葉柄多為紫紅色，葉脈較粗，植株矮小。根系發(fā)達，長且須根多。

2.1.3 甜菜缺鉀癥狀

老葉葉尖邊緣黃化，并逐漸向葉中部擴展，葉緣向外卷曲，老葉易萎蔫，新葉片皺縮，葉片厚。根系一般、不長，須根數(shù)量變化不顯著。

2.1.4 甜菜缺鈣癥狀

植株較對照并無明顯矮小，葉色較淺、黃綠色、葉色不均，新葉向外卷曲。后期缺鈣嚴重時，新葉狹長、葉尖枯死、生長點死亡。主根細長，側(cè)根基本無變化。

2.1.5 甜菜缺鎂癥狀

甜菜缺Mg 時，植株生長受抑制。植株矮小、生長緩慢，葉色淺黃，新老葉均向內(nèi)皺縮，嚴重時葉緣枯焦。根系短，側(cè)根數(shù)較少，不發(fā)達，根色稍有些發(fā)黑。

2.1.6 甜菜缺鐵癥狀

植株矮小，新葉發(fā)黃，葉片小、狹窄；葉脈間網(wǎng)狀失綠，呈現(xiàn)花斑，嚴重時新葉干枯。根系不發(fā)達，不是很長，側(cè)根數(shù)不多且短。

2.1.7 甜菜缺硫癥狀

以往的研究中未見對缺硫（S）的相關(guān)報道。本試驗中缺硫元素時，甜菜幼苗植株比對照矮小，葉片顏色淺且葉色不均、裂葉大，葉片向地面鋪開。根系比對照沒有明顯減少，主根不發(fā)達，側(cè)根增加。

2.2 不同缺素處理對甜菜幼苗生長的影響

試驗測定了缺素培養(yǎng)30 d 時（缺氮培養(yǎng)為15 d），兩個不同品種甜菜幼苗的株高、葉片數(shù)、葉干鮮重及根系長和鮮重。通過比較分析（表3）可以看出，氮素對兩個甜菜品種幼苗生長的各項生物指標都有顯著影響。自育品種‘新甜14號’，在其它6種缺素培養(yǎng)下，6項指標中，與CK比，葉片數(shù)、葉干鮮重及根鮮重，表現(xiàn)突出，差異顯著；株高和根系總長差異相對不顯著。引進品種‘Beta218’，表現(xiàn)為：葉片數(shù)、葉鮮重和干重及根鮮重，差異都顯著（與CK比），株高、根系總長不同處理，差異有顯著或不顯著。

表3 不同缺素處理對甜菜幼苗生長的影響Table 3 The effects of nutrient deficiency on growth sugar beet plant grown

2.3 不同缺素處理后甜菜幼苗生理指標的變化

試驗選取葉綠素、電導(dǎo)率、SOD 和MDA 與植物逆境相關(guān)的生理指標進行測定。結(jié)果（表4）表明，兩個品種甜菜幼苗在缺氮培養(yǎng)與全素培養(yǎng)處理下的4 個指標差異極顯著。在其它6 種缺素培養(yǎng)下，幼苗葉片中MDA 的含量比對照有顯著提高。在缺鉀和缺鈣培養(yǎng)下，甜菜幼苗葉綠素含量較全素變化不大，差異不顯著，其他處理則表現(xiàn)差異顯著?！瓸eta218’的幼苗在缺素培養(yǎng)下，SOD 含量顯著增加，‘新甜14 號’表現(xiàn)略有不同。在缺素培養(yǎng)下，電導(dǎo)率變化不大，差異基本不顯著，植株細胞膜透性變化小，膜結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。

表4 不同缺素處理對甜菜幼苗植株生理指標的影響Table 4 The effects of nutrient deficiency on physiological indexes of sugar beet seedlings

3 討論

植物體在缺乏不同營養(yǎng)元素時，會表現(xiàn)出特有的癥狀。在甜菜生產(chǎn)中，缺素癥狀會表現(xiàn)復(fù)雜多樣，缺素與病害在病癥上存在相似處，僅僅從植株外觀表現(xiàn)不易區(qū)分，還需借助一些其他的診斷。在6種缺素外形生物學(xué)特癥上，表現(xiàn)結(jié)果與前人描述有相符之處，試驗進一步從生物量、葉綠素含量、酶活性、細胞膜透性作展開研究，試著從機理上研究了缺素對甜菜幼苗的影響作用。

（1）甜菜幼苗生長對氮、磷、鉀，需求量很高。一般情況下，氮素占植物體干重的0.3%～5%，同時氮、磷、鉀參與調(diào)空植物對其他養(yǎng)分的吸收、根系發(fā)育、光合生理[13-14]，缺氮使葉綠素及蛋白質(zhì)含量下降[15]。李文華[16]在探討氮素水平和形態(tài)對甜菜形態(tài)建成與氮素同化的影響中也提出，在生育初期，單株枯葉數(shù)與施氮水平呈負相關(guān)，在快速生長期，變?yōu)檎嚓P(guān)。磷虧缺條件下，植物合成的碳水化合物增加向根系運輸，促進根系生長，根冠比增加。周建朝等[17]認為磷脅迫影響甜菜根表皮酸性磷酸酶活性，影響根系表皮細胞的生長分裂，從而影響甜菜的生長。曲揚[18]認為甜菜各器官的相對含鉀量，隨著生育進程呈降低趨勢，甜菜在苗期的絕對含鉀量很低，同時體內(nèi)85%以上的鉀都供給了地上部分。楊云等[19]在研究不同鉀離子對甜菜幼苗的影響時認為：缺乏鉀離子時，幼苗的株高、根系、葉面積和干物質(zhì)積累都受到抑制，植株體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)受到影響，SOD、GPX 活性升高，MDA 含量增加，而CAT活性基本無變化；同時鉀離子的缺乏會影響N、P的吸收代謝，從而影響幼苗的生長。本試驗通過對甜菜幼苗生長的生物量指標及4 個生理測定統(tǒng)計分析，可以認為缺氮、磷、鉀對甜菜幼苗生長影響大，表現(xiàn)癥狀明顯；缺氮素后幼苗生長嚴重受阻，生物量積累顯著減少，生理指標發(fā)生明顯變化，停止生長，甚至死亡。

（2）植物體對多種營養(yǎng)元素的吸收利用是相互作用、相互影響的。營養(yǎng)元素缺少時，或促進或抑制其它營養(yǎng)元素的吸收利用。試驗選用的其他營養(yǎng)元素直接或間接參與植物體的新程代謝，影響植物正常生長，表現(xiàn)在生物合成量減少，根系不發(fā)達，生理指標也會受到影響。王秀榮等[20]在大豆缺素培養(yǎng)過程中認為，缺S會影響對P、K 的吸收和積累，不會影響植株對N 的吸收。同時大豆鈣和鉀的吸收存在拮抗作用。王靜[21]在板栗的鈣素營養(yǎng)研究中得出，鈣能促進板栗幼苗對N、P、K的吸收，呈極顯著正相關(guān)。曲揚[18]認為鉀對氮素的吸收有促進作用。于海彬等[15]研究認為N、P協(xié)同促進甜菜葉片光合作用。

4 結(jié)論

（1）缺素培養(yǎng)與對照全素相比，缺少氮、磷、鉀元素對甜菜幼苗的各項生物指標都有顯著影響，6 種缺素處理甜菜幼苗的葉鮮重、干重及根鮮重的影響差異顯著，株高和根系總長差異相對不顯著。幼苗葉片綠素含量減少，光合作用會受到影響；MDA 的含量都較對照有顯著提高，變化差異顯著；細胞電導(dǎo)率的值變化不大，植株細胞膜透性變化小，結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。

（2）試驗中微量元素的缺失也會引起甜菜生長和生理代謝變化。甜菜幼苗植株表現(xiàn)葉片顏色淺、葉脈清晰、根系主根不發(fā)達，側(cè)根較多；MDA的含量會增加。