鈣、鎂、鐵虧缺對(duì)煙草生長(zhǎng)和生理指標(biāo)的影響

王佩云，李 璐，陳照峰，黃鈺迪，朱 維，陳建軍，李淮源

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐訓(xùn)練中心，廣東 廣州 510642）

鈣、鎂、鐵是影響烤煙（Nicotiana tabacumL.）產(chǎn)量和品質(zhì)的重要礦質(zhì)元素[1]。鈣在維持植物葉片結(jié)構(gòu)和發(fā)揮生理功能方面作用顯著，不僅影響細(xì)胞壁、細(xì)胞膜的形成以及生物膜結(jié)構(gòu)的完整性、穩(wěn)定性及功能性等，還是細(xì)胞質(zhì)中的主要信號(hào)分子，參與植物體內(nèi)各種生理生化過(guò)程[2-4]。有研究表明，土壤和淡水中植物可利用的鈣含量呈逐年下降趨勢(shì)。鎂是植物必需的大量元素之一，其需求量?jī)H次于鈣。在植物體中，鎂是葉綠素的中心原子，同時(shí)也是多種酶的活化劑，在細(xì)胞光合作用和呼吸作用過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[2,5-7]。據(jù)調(diào)查，全國(guó)有54%的土壤缺鎂，需不同程度地補(bǔ)充鎂肥。鐵是植物需求量最大的微量元素，廣泛參與植物的葉綠素合成、光合作用、呼吸作用及電子傳遞等過(guò)程[8-13]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球約有40%的耕地存在潛在性缺鐵問(wèn)題。鈣、鎂、鐵等的缺乏已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的主要營(yíng)養(yǎng)障礙因子。

筆者以烤煙K326 為研究對(duì)象，通過(guò)水培試驗(yàn)研究了在營(yíng)養(yǎng)虧缺條件下鈣鎂鐵對(duì)煙株農(nóng)藝性狀、煙葉抗氧化酶活性的影響，探索植物在鈣鎂鐵虧缺條件下的生長(zhǎng)和生理響應(yīng)，為煙草種植過(guò)程中缺素診斷和合理施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018 年12 月至2019 年5 月在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)東區(qū)實(shí)驗(yàn)樓進(jìn)行。供試烤煙品種為K326，種子由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草研究室提供。育苗前，種子先用硫酸銅進(jìn)行消毒，采用煙苗盤(pán)淺水法育苗，剪葉2 次。當(dāng)幼苗長(zhǎng)至5 葉一心時(shí)，挑選長(zhǎng)勢(shì)均勻的煙草幼苗，用蒸餾水將根系洗凈并移栽到統(tǒng)一規(guī)格的套有黑色袋子的白色塑料桶中進(jìn)行水培預(yù)培養(yǎng)。預(yù)培養(yǎng)時(shí)，培養(yǎng)液為完全營(yíng)養(yǎng)液，每桶裝液量1 L，預(yù)培養(yǎng)時(shí)間為7 d。營(yíng)養(yǎng)液按照《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》[14]中“植物的溶液培養(yǎng)及缺素培養(yǎng)”配制。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用水培試驗(yàn)設(shè)置4 個(gè)處理，分別為完全營(yíng)養(yǎng)（CK）、缺鈣（-Ca）、缺鎂（-Mg）和缺鐵（-Fe）。每處理120 桶，每桶1 株烤煙，共計(jì)480 株煙。試驗(yàn)周期為35 d，每7 d 取樣，期間利用pH 計(jì)測(cè)定并調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液pH，保證在5.0 左右。每天用吸耳球和漏斗配合打氣20 min。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

按照YC/T 142—2010[15]的方法測(cè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)，包括株高、葉片數(shù)、單株葉面積等。采用分光光度法[14]測(cè)定過(guò)氧化物酶（POD）活性、過(guò)氧化氫酶（CAT）活性。采用TTC 法[14]測(cè)定根系活力，采用稱重法測(cè)定整株和根系鮮重，計(jì)算根冠比。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 和SPSS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析；用單因素方差分析比較處理之間的差異性，采用鄧肯氏新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈣、鎂、鐵虧缺對(duì)煙草農(nóng)藝性狀的影響

如表1 所示，鈣、鎂、鐵虧缺對(duì)煙株農(nóng)藝性狀造成了一定的影響。從株高來(lái)看，除缺鐵培養(yǎng)35 d 時(shí)，株高顯著降低外，其他處理的株高在試驗(yàn)期間均與CK 差異不顯著；但在培養(yǎng)7、14 d 時(shí)，缺素培養(yǎng)的烤煙株高均高于CK；培養(yǎng)21、28 d 時(shí)，缺鎂培養(yǎng)的煙株仍高于CK，但缺鈣和缺鐵培養(yǎng)的煙株均矮于CK；培養(yǎng)35 d 時(shí)，鈣、鎂、鐵虧缺培養(yǎng)的烤煙株高分別表CK 降低了35.97%、0.32%和4.60%。從葉片數(shù)來(lái)看，各處理各時(shí)期有效葉片數(shù)均少于CK；其中，培養(yǎng)7 d時(shí)，缺素培養(yǎng)的烤煙葉片數(shù)均顯著少于CK；培養(yǎng)14 d 時(shí)，各處理葉片數(shù)差異均不顯著；培養(yǎng) 21、28 d 時(shí)，缺鈣和缺鎂培養(yǎng)的烤煙葉片數(shù)均顯著少于CK，但缺鐵培養(yǎng)的烤煙葉片數(shù)與CK 差異不顯著；各時(shí)期均以缺鈣培養(yǎng)的烤煙葉片數(shù)最少，培養(yǎng)35 d 時(shí)顯著低于其他處理；培養(yǎng)35 d 時(shí)，鈣、鎂、鐵虧缺培養(yǎng)的葉片數(shù)分別降低了66.67%、14.89%和14.89%。從葉面積來(lái)看，缺鈣培養(yǎng)的烤煙葉面積最小，且培養(yǎng)21、28 和35 d時(shí)與其他3 個(gè)處理差異顯著；缺鎂與缺鐵培養(yǎng)的烤煙葉面積在培養(yǎng)35 d 時(shí)小于CK，在此之前均大于CK，但處理間差異均不顯著；培養(yǎng)35 d 時(shí)，鈣、鎂、鐵虧缺培養(yǎng)的烤煙葉面積分別比CK 減少82.51%、13.03%和8.89%。

表1 鈣、鎂、鐵虧缺對(duì)煙草農(nóng)藝性狀的影響

2.2 鈣、鎂、鐵虧缺對(duì)煙草葉片抗氧化酶活性影響

由圖1 可知，培養(yǎng)7 d 時(shí)，缺鈣處理的煙葉CAT活性顯著高于其他3 個(gè)處理；缺鎂與缺鐵處理的煙葉CAT 活性相當(dāng)，均顯著低于CK 的。培養(yǎng)14 d 時(shí)，缺鈣處理的煙葉CAT 活性顯著低于其他3 個(gè)處理；缺鎂處理的煙葉CAT 活性顯著高于其他3 個(gè)處理；缺鐵處理與CK 差異不顯著性。培養(yǎng)21 d 時(shí)，缺素處理的煙葉CAT 活性均高于CK 的，其中缺鎂處理與CK 的差異顯著。培養(yǎng)28 d 時(shí)，缺素處理的煙葉CAT 活性均高于CK 的，其中缺鎂處理的煙葉CAT活性顯著高于缺鐵處理的，而缺鐵處理的煙葉CAT活性又顯著高于CK 的。培養(yǎng)35 d 時(shí)，缺鈣處理的煙葉CAT 活性顯著高于缺鎂處理和CK 的，而缺鎂處理和CK 的煙葉CAT 活性又顯著高于缺鐵處理的。

圖1 鈣、鎂、鐵虧缺培養(yǎng)不同時(shí)期煙葉的CAT 活性變化

由圖2 可知，培養(yǎng)7 d 時(shí)，缺鈣處理的煙葉POD活性與CK 相當(dāng)，均顯著高于缺鎂和缺鐵處理的；而缺鐵處理的煙葉POD 活性又顯著高于缺鎂處理的。培養(yǎng)14 d 時(shí)，缺鈣處理的煙葉POD 活性顯著高于CK 的，而缺鎂、缺鐵處理的煙葉POD 活性顯著低于CK 的。培養(yǎng)21 d 時(shí)，缺鈣處理的煙葉POD 活性顯著高于其他處理；其次是CK 和缺鐵處理的，二者差異不顯著；缺鎂處理的煙葉POD 活性最低，與其他處理差異顯著。培養(yǎng)28 d 時(shí)，各處理間煙葉POD 活性差異均達(dá)顯著水平，由高到低排列依次為缺鈣＞CK ＞缺鐵＞缺鎂。培養(yǎng)35 d 時(shí)，各處理間煙葉POD 活性差異均達(dá)顯著水平，由高到低排列依次為缺鈣＞缺鎂＞CK ＞缺鐵。

圖2 鈣、鎂、鐵虧缺培養(yǎng)不同時(shí)期煙葉POD 活性的變化

2.3 鈣、鎂、鐵虧缺對(duì)煙草根系的影響

由表2 可知，鈣鎂鐵虧缺培養(yǎng)降低了烤煙的根系體積，除了培養(yǎng)7 和21 d 時(shí)缺鎂處理與CK 相比差異不顯著外，其他處理各時(shí)段煙草根系體積均與CK 差異顯著；在培養(yǎng)35 d 時(shí)，缺鈣、缺鎂、缺鐵處理的烤煙根系體積分別較CK 降低了63.98%、42.24%和41.61%。鈣、鎂、鐵虧缺培養(yǎng)顯著降低了烤煙的根系活力，缺素處理的烤煙根系活力在培養(yǎng)的各個(gè)時(shí)期均顯著低于CK，以缺鈣處理培養(yǎng)28 d 時(shí)煙草根系活力最低，僅0.08 mg/(g·h)，缺鎂、缺鐵處理的煙草根系活力培養(yǎng)35 d 時(shí)達(dá)各自最低值，分別為0.37 和0.29 mg/(g·h)。

2.4 鈣、鎂、鐵虧缺對(duì)烤煙幼苗生物量和根冠比影響

由表2 可知，除培養(yǎng)7 d 時(shí)整株鮮重與CK 差異不顯著外，其他各時(shí)期缺鈣處理的整株鮮重和根鮮重均顯著低于CK 的；培養(yǎng)14、28 和35 d 時(shí)缺鈣處理的根冠比均顯著大于CK 的，培養(yǎng)7、21 d 時(shí)差異不顯著。而缺鎂、缺鐵處理對(duì)烤煙幼苗生物量和根冠比的影響較相似。從整株鮮重來(lái)看，培養(yǎng)7 d 時(shí)缺鎂、缺鐵處理顯著大于CK 的，隨后與CK 差異均不顯著，其中培養(yǎng)14、21 d 時(shí)大于CK，培養(yǎng)28、35 d 時(shí)小于CK。從根鮮重來(lái)看，缺鎂處理的根鮮重在培養(yǎng)7 d時(shí)大于CK，此后均小于CK，在培養(yǎng)28 和35 d 時(shí)差異達(dá)顯著水平；缺鐵處理的根鮮重均小于CK，除培養(yǎng)14 d 時(shí)差異與CK 不顯著外，其他時(shí)期差異均達(dá)差顯著水平。從根冠比來(lái)看，缺鎂、缺鐵處理的根冠比均小于CK，除缺鐵處理在培養(yǎng)7 和21 d 時(shí)根冠比與CK 差異顯著外，2 個(gè)處理其他時(shí)期根冠比與CK 的差異均不顯著。

表2 鈣鎂鐵虧缺培養(yǎng)不同時(shí)期煙草根系及地上部的生長(zhǎng)情況

3 討論與結(jié)論

鈣、鎂、鐵在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起著重要作用。研究表明，植株缺鈣時(shí)生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制，表現(xiàn)為植株矮小瘦弱；其缺素癥狀首先出現(xiàn)在幼嫩組織，表現(xiàn)為幼葉卷曲畸形，葉緣焦枯、失綠、變形，出現(xiàn)彎鉤狀，嚴(yán)重時(shí)生長(zhǎng)點(diǎn)壞死，葉尖和生長(zhǎng)點(diǎn)呈現(xiàn)果膠狀[16]。缺鎂對(duì)養(yǎng)分吸收、光合作用、抗氧化代謝均有重要影響，進(jìn)而影響植株生長(zhǎng)發(fā)育[17]。缺鐵通常會(huì)導(dǎo)致植物出現(xiàn)失綠以及光合速率降低的癥狀，極大地影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[18-20]。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，鈣、鎂、鐵虧缺時(shí)煙株生長(zhǎng)受到影響，缺鈣處理最早出現(xiàn)抑制效應(yīng)，且受抑制程度最為嚴(yán)重。從農(nóng)藝性狀來(lái)看，培養(yǎng)35 d 時(shí)，缺鈣、缺鎂、缺鐵處理的株高分別比CK 降低了35.97%、0.32%和4.60%，葉片數(shù)分別比CK 降低了66.67%、14.89%和14.89%，葉面積分別比CK 降低了82.51%、13.03%和8.89%，其中缺鈣處理與CK 的差異達(dá)顯著水平。

鈣、鎂、鐵虧缺使植株根系受到明顯抑制[21]。研究結(jié)果顯示，缺鈣處理煙株根鮮重、根系體積和根系活力顯著低于CK，缺鈣處理整株鮮重也顯著低于CK；缺鎂、缺鐵處理整株鮮重與CK 差異不顯著，其根鮮重、根系體積和根系活力顯著低于CK。結(jié)合農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)可知，缺鈣對(duì)煙株根系和地上部分生長(zhǎng)的影響顯著；而缺鎂、缺鐵對(duì)煙株根系生長(zhǎng)的影響顯著，對(duì)地上部分生長(zhǎng)的影響不顯著。

根冠比是反映植株根與地上部分生長(zhǎng)相關(guān)性的重要指標(biāo)。隨著培養(yǎng)時(shí)間的推移，CK 的根冠比呈逐漸變小的趨勢(shì)，表明正常營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的煙株地上部分生長(zhǎng)快于地下部分，鎂、鐵虧缺處理也呈現(xiàn)類似規(guī)律，只是其根冠比小于CK，但是缺鈣處理的根冠比卻呈現(xiàn)出先下降后上升的變化規(guī)律，表明缺鈣對(duì)烤煙根系生長(zhǎng)的影響大于對(duì)地上部分的影響。

有報(bào)道稱，缺鈣培養(yǎng)顯著降低蘋(píng)果的POD 和CAT 活性[22]；缺鎂培養(yǎng)顯著提高杉木的POD 和CAT活性[23]；缺鐵培養(yǎng)顯著降低了溫州盤(pán)菜的CAT 活性，但提升了POD 活性[24]。筆者的試驗(yàn)結(jié)果顯示，缺鈣培養(yǎng)對(duì)煙葉CAT 活性的影響無(wú)明顯規(guī)律，但整體上提高了煙葉POD 活性；缺鎂培養(yǎng)提高了煙葉CAT 活性，降低了煙葉POD 活性；缺鐵培養(yǎng)對(duì)煙葉CAT 活性的影響無(wú)明顯規(guī)律，但降低了煙葉POD 活性。不同學(xué)者關(guān)于缺素培養(yǎng)對(duì)植物體抗氧化酶系統(tǒng)影響的結(jié)論不一致，一方面可能與試驗(yàn)材料不同有關(guān)，另一方面也可能與測(cè)定時(shí)期不同有關(guān)，有待進(jìn)一步系統(tǒng)研究。