外施不同形態(tài)硼對棉花吸收利用硼及其他礦質元素的影響

李鳴鳳，彭文勇，何華，劉新偉，趙竹青

（1.武漢生物工程學院，武漢 430070；2.湖北省天門市耕地質量保護與肥料管理局，湖北 天門 431700；3.華中農業(yè)大學微量元素研究中心，武漢 430070）

硼是植物生長必需的微量營養(yǎng)元素，硼缺乏被認為是全世界最嚴重的農業(yè)問題之一[1]，80多個國家共有132種農作物出現(xiàn)缺硼癥狀。植株缺硼常常表現(xiàn)出根系短小、發(fā)黑，新葉發(fā)育遲緩、皺縮，花朵脫落，花粉活力下降等現(xiàn)象[2-4]。

根系吸收硼主要靠水分蒸騰將其從植物根部移動到地上部，并在葉、莖或生殖器官等生長點積累。因此，硼缺乏癥狀首先出現(xiàn)在幼葉和分生組織，而硼毒性癥狀主要出現(xiàn)在較老的葉片中，尤其是在蒸騰流結束的葉尖[5-6]。值得注意的是，植物在缺硼環(huán)境中生長，即使老葉中含有大量的硼，其頂端分生組織的生長和幼葉的發(fā)育也會受到抑制，原因在于硼主要在木質部移動，而在韌皮部移動性弱[7-8]。不過，也有研究表明硼在不同植物韌皮部的遷移率差異較大，且硼在植物韌皮部的流動性是個復雜問題[9]。Stangoulis等[10]在小麥和油菜韌皮部分泌物中發(fā)現(xiàn)了雙蔗糖硼酸和雙N-乙酰絲氨酸硼酸復合物，然而蔗糖類化合物對硼的親和力較低。為了促進植物生長和發(fā)育，在低硼脅迫下，少量植物可將老葉等部位的硼與光合產物中對硼親和力高的順式羥基糖醇（如甘露醇和山梨糖醇等多元醇）結合，通過韌皮部運輸?shù)娇焖偕L的組織中再利用[9-11]。越來越多的研究證明，植物韌皮部富含多元醇時硼的移動性較高，特別是在十字花科、薔薇科和其他韌皮部含有多元醇的植物中[12-15]。Liakopoulos等[16]研究發(fā)現(xiàn)，橄欖出現(xiàn)缺硼癥狀后，相比無機硼，施用甘露醇和硼酸的絡合物能更加有效地緩解橄欖的缺硼癥狀。因此，將硼有機化可能是促進棉花硼吸收利用的有效措施。

棉花是我國重要的經濟作物和紡織工業(yè)原料[17]。我國的華南區(qū)域、長江流域、黃河流域以及西北內陸等地區(qū)均適于種植棉花[18]。華南棉區(qū)和長江流域棉區(qū)土壤嚴重缺硼，其中長江流域棉區(qū)土壤有效硼含量僅為0.3 3mg·kg－1，低于棉花缺硼臨界值（0.5 0mg·kg－1）[19-20]。棉花是需硼量較大的雙子葉植物，有機硼在棉花中吸收分配的機制尚不清楚。因此探索有機硼對緩解棉花的缺硼癥狀的作用具有重要的實際意義。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤和材料

本盆栽試驗土壤為灰潮土，取自湖北省天門市岳口鎮(zhèn)。將磨碎過篩的12.00 kg土壤與基肥拌勻，裝于直徑為25 cm、高為35 cm的桶中。土壤pH為6.73 ，養(yǎng)分含量如下：有機質2 1.2 5 g·kg－1，堿解氮71.2 1mg·kg－1，有效磷6.0 8mg·kg－1，速效鉀85.2 4mg·kg－1，有效硼0.2 7 mg·kg－1。試驗地點位于華中農業(yè)大學盆栽場，棉花于2019年5―6月種植，供試品種為中棉所83。5月的平均最高氣溫為25℃，平均最低氣溫為16℃；6月的平均最高氣溫為30℃，平均最低氣溫為21℃。

1.2 試驗設計

棉花種子在40℃水中浸泡2 h后放置在充滿超純水的無菌海綿上催芽，以無菌紗布覆蓋。2 h后，選取露白相對一致的種子種在裝好土的桶中，以透明薄膜覆蓋，出苗后每個桶中留苗2株。試驗設3個處理：對照（無硼，CK），硼酸（無機硼酸，硼質量分數(shù)為17%，B），硼酸二甘油酯（有機硼，質量分數(shù)為5.4%，OB），每個處理4個重復。硼酸和有機硼的施硼量均為純硼1mg·kg－1，施用前將硼酸和有機硼配成水溶液，均勻噴灑在花盆中已經過篩的土壤中，混勻。

肥料為尿素（N質量分數(shù)為46%）、氯化鉀（K2O質量分數(shù)為60%）、過磷酸鈣（P2O5質量分數(shù)為14%），施肥量為N 0.3 0g·kg－1、K2O0.3 2 g·kg－1、P2O50.1 6 g·kg－1，施入土壤后混勻。

1.3 采樣與測定

1.3.1生物量的測定。棉花種植65 d后取樣，分為根、莖、葉3部分，用去離子水洗凈、擦干，部分新鮮葉片用于切片制備和細胞壁提取，其他樣品于105℃殺青30m in，于65℃烘干至恒重后稱量，測定植株的含水量，保存用以測定硼含量。

1.3.2細胞壁粗提。提取方法參照Hu等[7]的方法，將3.000 0 g的植物樣品剪碎，在10倍體積的冰水中混成勻漿，1 000×g下離心10min，再用10倍體積的冰水沖洗殘渣后離心；用10倍體積的80%（體積分數(shù)，下同）乙醇沖洗3次，10倍體積的甲醇-氯仿（體積比1∶1）混合物沖洗1次，10倍體積丙酮沖洗2次，最后的不溶性殘渣即為粗細胞壁，將其烘干并稱量，計算植物的細胞壁提取率，測定細胞壁硼含量。

1.3.3超顯微結構觀察。取棉花主莖最上部的4片完全展開葉，用去離子水沖洗干凈后，將葉片剪成1mm×1mm左右的小塊，快速放入質量分數(shù)為2.5%的戊二醛固定液中固定12 h。葉片用0.1mol·L－1的磷酸緩沖液沖洗4次。將葉片組織依次放入50%、70%、90%的乙醇中分別脫水15m in。接著用90%乙醇和90%丙酮的等體積混合液脫水，再用90%的丙酮脫水，最后在純丙酮中脫水2次。整個脫水過程保持組織溫度為0～4℃。將植物組織用丙酮和包埋液進行包埋和固化處理后，用超薄切片機將樣品組織切成厚度為50～60 nm的切片，染色后在華中農業(yè)大學的透射電子顯微鏡（日立H-7650，日立制作所，日本）下觀察拍照。

1.3.4硼氮磷鉀鈣鎂測定。采用蒸餾法測定植物氮含量，火焰光度法測定植物鉀含量，鉬銻抗比色法測定植物磷含量，電感耦合等離子發(fā)射光譜（ICP-MS）法測定養(yǎng)分離子硼、鈣、鎂含量。

1.4 數(shù)據處理和分析

硼累積分配比（%）＝各部位硼含量×各部位對應生物量/單株硼累積量×100；

細胞壁提取率（%）＝提取的細胞壁質量/（樣品質量×（1－樣品含水量））×100；

細胞壁硼比例（%）＝各部位細胞壁硼含量×各部位的細胞壁提取率/各部位硼含量×100。

用MS Excel和SPSS Statistics 17.0 軟件進行圖表編輯和試驗數(shù)據的統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同形態(tài)硼對苗期棉花不同部位生物量的影響

相比對照，施用無機硼酸和有機硼后，棉花葉片生物量均顯著增加，分別增加26.7 4%和38.37%，棉花莖生物量和根部生物量無顯著變化，單株生物量分別顯著增加15.0 9%和22.4 9%（表1）。值得注意的是，相比無機硼酸，施用有機硼后棉花葉、莖及根的生物量均無顯著變化。表明缺硼環(huán)境下，適量施用無機硼酸或有機硼均可以促進棉花的生長發(fā)育。

表1 不同形態(tài)硼肥對苗期棉花各部位生物量的影響Table 1 Effects of different form s of boron fertilizers on cotton biomass at the seedling stage g

2.2 不同形態(tài)硼對苗期棉花不同部位硼含量及其累積分配比的影響

不同硼處理下棉花各部位硼含量和累積分配比均為葉＞莖＞根，表明棉花葉片是硼的主要累積器官（表2）。相比對照，施用無機硼酸后，棉花葉、莖和根的硼含量分別顯著增加264.8 7%、237.1 9%和148.5 2%，其中棉花葉片中硼的累積分配比增加8.22 百分點，而莖和根的硼累積分配比均顯著降低，分別降低3.73 和4.49 百分點。值得注意的是，相比無機硼酸，施用有機硼后，棉花葉和莖的硼含量顯著增加16.8 8%和10.7 2%，其中棉花葉中硼累積分配比顯著增加，而莖和根中硼累積分配比無顯著變化。表明施硼處理下棉花各部位硼含量顯著增加，且有機硼較無機硼酸效果更明顯。

表2 不同形態(tài)硼肥對苗期棉花各部位硼含量和累積分配比的影響Table 2 Effects of different forms of boron fertilizers on the boron concentration and cumulative distribution ratio in different parts of cotton at the seedling stage

2.3 不同形態(tài)硼對苗期棉花不同部位細胞壁硼含量及其質量分數(shù)的影響

不同形態(tài)硼處理后，棉花各部位細胞壁硼含量均為葉＞莖＞根，說明棉花葉片需硼量較大（表3）。相比對照，施用無機硼酸后，棉花葉、莖和根的細胞壁硼含量分別顯著增加182.3 9%、83.2 6%和63.7 5%，而棉花葉、莖和根的細胞壁硼比例顯著降低，分別降低16.92 、19.82 和15.70 百分點。值得注意的是，相比施用無機硼酸，施用有機硼后，棉花葉、莖和根的細胞壁硼含量均無顯著差異，而葉的細胞壁硼比例顯著降低，但莖和根的細胞壁硼比例無顯著變化。表明增施硼肥增加了棉花葉、莖和根部細胞壁硼含量，且有機硼與無機硼酸之間無顯著差異。

表3 不同形態(tài)硼肥對苗期棉花各部位細胞壁硼含量和比例的影響Table 3 Effects of different forms of boron fertilizers on the concentration and proportion of boron in the cell wall of different organs of cotton at the seeding stage

2.4 不同形態(tài)硼對苗期棉花葉片細胞壁結構的影響

從圖1可以看出，對照葉片的細胞壁不規(guī)則增厚，出現(xiàn)厚薄不均勻現(xiàn)象，葉綠體出現(xiàn)輕微變形和解體，淀粉粒增多。增施硼肥后，棉花葉片葉綠體呈飽滿的梭狀，細胞壁較薄，且厚度相對均勻，淀粉粒較少。施用有機硼或無機硼酸的棉花葉片細胞壁結構和葉綠體形態(tài)無明顯差異。

圖1 不同形態(tài)硼肥對苗期棉花葉片細胞壁結構的影響Fig.1 Effects of different form s of boron on the cell wall structure of cotton leaves at the seedling stage

2.5 不同形態(tài)硼對苗期棉花葉片氮、磷、鉀、鈣、鎂含量的影響

不同處理對苗期棉花葉片氮含量和鉀含量均無顯著影響（表4）。相比對照，增施無機硼酸后棉花葉片中磷含量顯著增加0.05 百分點。增施無機硼酸和有機硼后，棉花葉片鈣含量分別顯著降低0.32 和0.65 百分點；相比無機硼酸處理，施用有機硼后棉花葉片鈣含量顯著降低0.33 百分點。增施無機硼酸或有機硼后，棉花葉片鎂含量顯著增加，分別增加0.12 和0.11 百分點，2個硼肥處理間無顯著差異。

表4 不同形態(tài)硼肥對苗期棉葉礦質元素含量的影響Table 4 Effects of different form s of boron fertilizers on the m ineral elements content in cotton leaves at the seedling stage %

3 討論

本研究結果表明，硼缺乏會抑制棉花葉片的生長，降低苗期單株生物量，這與缺硼對其他植物生物量影響的研究結果[21-23]一致。本研究發(fā)現(xiàn)，對照處理中棉花葉片細胞壁不規(guī)律增厚，施用無機硼酸或有機硼后，葉片的細胞壁厚度均勻、葉綠體結構完整，有利于光合作用，從而促進了生物量的累積，且無機硼酸與有機硼處理之間無顯著差異，表明適量有機硼和無機硼酸具有相似的生理作用，均可緩解棉花的缺硼癥狀。閆磊等[24]研究發(fā)現(xiàn)，多元醇絡合硼處理后，油菜長勢明顯好于無機硼酸處理，表明相比無機硼酸，適量的有機硼更有利于油菜的生長。

不同形態(tài)硼處理下棉花各部位硼含量和累積分配比例均為葉＞莖＞根，表明葉片是硼的主要累積器官。土壤施入無機硼酸和有機硼后，苗期棉花各部位的硼含量均顯著增加（表2）。植物對硼的吸收和累積受多種因素影響，如植物品種、施硼方式和外源硼形態(tài)等[8,25-28]。W ill等[29]研究表明，無機硼酸與多元醇混合施用可促進大豆葉片對硼的吸收，提高植物葉片硼含量，主要原因在于多元醇的保濕作用會促進大豆對硼的吸收。本研究結果表明，棉花吸收有機硼的能力顯著大于其吸收無機硼酸的能力，相比施用無機硼酸，施用有機硼后，棉花葉和莖的硼含量顯著增加了16.8 8%和10.7 2%，且顯著增加了葉片的硼累積分配比（表2），暗示有機硼不僅促進了棉花對硼的吸收，還促進了硼向地上部的轉運。原因在于植物一般以硼酸的形式吸收硼，硼酸是一種不帶電荷的小分子，并且在生物膜上滲透性較高，可穿過韌皮部的質膜；而有機硼——硼酸二甘油酯分子量較大，在韌皮部質膜上的滲透性較低，可減少韌皮部硼的滲透，從而促進棉花中硼的遷移和再利用[9]。

硼在植物中主要作用于細胞壁，在細胞壁中與鼠李糖半乳糖醛酸聚糖Ⅱ交聯(lián)增加了細胞壁的機械強度并維持植物細胞生長[30]。本研究表明，相比對照，增施有機硼和無機硼酸均顯著增加了棉花各部位細胞壁硼含量，促進了棉花的生長發(fā)育。硼在植物細胞壁的相對分布取決于硼的供應[31]。缺硼對照處理中，棉花各部位細胞壁硼質量分數(shù)為45.1 6%～64.2 3%。施用無機硼酸或有機硼后，棉花各部位細胞壁硼比例顯著降低。Dannel等[32]發(fā)現(xiàn)，在低硼環(huán)境下，向日葵中硼主要存在于細胞壁；而在硼充足的環(huán)境下細胞壁硼的比例下降，自由態(tài)硼和原生質體硼含量增加。值得注意的是，與無機硼酸相比，施用有機硼后，棉花葉、莖和根的細胞壁硼含量均無顯著變化，我們推測棉花細胞壁的硼結合位點是有限的，而在煙草中的研究[33]支持這一推測。施用有機硼后，葉片細胞壁硼比例顯著降低，表明棉花吸收有機硼后，硼主要以自由態(tài)硼或原生質體態(tài)硼的形式存在。自由態(tài)硼或原生質體態(tài)硼具有較高的移動性，這也是有機硼在植物體內轉運能力強的原因之一[31]。

缺硼會導致煙草對鎂、鈣、鉀或磷酸鹽等營養(yǎng)元素的吸收能力下降，增施硼肥則會促進其對相關元素的吸收[33]。油菜中研究發(fā)現(xiàn)，植株對硼、鎂的吸收有相互促進作用[24]。本研究結果表明，施用無機硼酸或有機硼后，棉葉氮和鉀含量無顯著變化，而磷和鎂含量增加。增施無機硼酸或有機硼后，棉葉鈣含量較對照分別顯著降低0.32 和0.65 百分點，這是由于在缺硼環(huán)境中植物會快速激活體內鈣離子通道，促進植物對鈣的吸收[34]。與無機硼酸處理相比，施用有機硼后棉葉鈣含量顯著降低0.33 百分點，原因在于硼與鈣具有競爭效益[34]，此現(xiàn)象也從側面說明有機硼更有利于棉花對硼的吸收。

4 結論

施用無機硼酸或有機硼均可以有效緩解棉花的缺硼癥狀，促進棉花細胞壁生長和生物量增加。與施用無機硼酸相比，施用有機硼增加棉花葉片硼含量的效果更顯著，且主要增加的是移動性高的自由態(tài)硼或原生質體硼，有機硼可促進其在棉花韌皮部轉運?？傊袡C硼較無機硼酸更有利于植物對硼的吸收轉運。