施氮量對甘蔗葉綠體超微結(jié)構(gòu)和光合速率的影響

摘要：【目的】研究施氮量對甘蔗葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)和光合速率的影響，明確氮素影響甘蔗光合作用的細(xì)胞學(xué)機(jī)理，為甘蔗合理施肥提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā恳愿收崞贩NGT11、ROC22和GXB9為試驗材料，在溫室內(nèi)進(jìn)行桶栽試驗，設(shè)低氮、中氮和高氮3個施氮水平，即分別施用0、150和300 kg/ha尿素，于伸長期取葉片樣品分析葉綠素相對含量（SPAD）、葉面積、比葉重和葉綠體超微結(jié)構(gòu)，并測定光合速率。【結(jié)果】3個甘蔗品種葉片的SPAD和葉面積均隨施氮水平的增加而增加。GT11和ROC22的比葉重隨施氮量的增加顯著降低（P<0.05，下同），GXB9的比葉重在中氮水平最低。GT11在高氮水平下葉綠體超微結(jié)構(gòu)正常；ROC22在中氮水平下葉綠體數(shù)量最多，但基粒片層數(shù)量顯著少于高氮水平；GXB9在中氮水平下葉綠體數(shù)量最多，基粒片層與高氮水平時無明顯差異。GT11和ROC22的凈光合速率隨施氮水平的增加而增加，GXB9凈光合速率在中氮水平最高。【結(jié)論】甘蔗光合速率與葉綠體數(shù)量、葉綠體超微結(jié)構(gòu)及基粒片層數(shù)量密切相關(guān)，且均受甘蔗品種和施氮量的共同影響。

關(guān)鍵詞： 甘蔗；施氮量；葉綠體超微結(jié)構(gòu)；光合速率

中圖分類號： S566.101 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）07-1190-06

0 引言

【研究意義】氮是作物生長的主要營養(yǎng)元素，是作物體內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)、磷脂和葉綠素等物質(zhì)的重要組成部分（孫羲，1997）。甘蔗是我國最重要的糖料作物，在其生長期間，各器官的氮素積累以葉片最多（蔣媛，2016），其中約80%的總?cè)~片氮素集中在葉綠體中，這部分氮素主要是光合作用蛋白的組成部分，約70%的葉綠體氮素位于基質(zhì)中，其余部分在類囊體膜上（Giles，2005）。葉綠體是植物及光合自養(yǎng)生物特有的細(xì)胞器，由葉綠體膜、類囊體和基質(zhì)3部分組成。由類囊體垛疊成的基粒片層能夠增加植物光合作用的反應(yīng)面積，有利于植物將更多的光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，加快物質(zhì)的同化速度，即植物葉片能夠通過增加光合作用的反應(yīng)面積制造更多有機(jī)物，為提高植物光合速率奠定結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和物質(zhì)基礎(chǔ)（潘瑞熾，2008）。因此，研究不同施氮量對甘蔗葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)和光合速率的影響，對指導(dǎo)甘蔗合理施肥具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】Bondada和Syvertsen（2003）研究發(fā)現(xiàn)，低氮處理的柑橘葉片凈光合速率低，單個葉綠體中淀粉粒大，質(zhì)體小球數(shù)量多。郭衛(wèi)東等（2009）研究發(fā)現(xiàn)，佛手葉片葉綠體在氮素不足時，表現(xiàn)為基質(zhì)區(qū)域膨脹，基粒片層排列紊亂。劉林等（2010）研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)體小球的增多與葉綠體功能衰退相關(guān)。劉艷（2011）研究發(fā)現(xiàn)，玉米生長后期氮素不足會導(dǎo)致葉綠體膨脹變形、結(jié)構(gòu)異常，基粒片層開始膨大，雙層膜結(jié)構(gòu)逐漸解體，葉綠體在結(jié)構(gòu)上開始表現(xiàn)出衰老跡象。任麗花等（2011）研究發(fā)現(xiàn)，氮不足或過量均會破壞甘薯葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)為葉綠體膨脹變形、雙層膜模糊、基粒類囊體排列不規(guī)則等現(xiàn)象?！颈狙芯壳腥朦c】目前關(guān)于施氮量對不同甘蔗品種葉綠體超微結(jié)構(gòu)和光合速率影響的研究鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】探討不同施氮量對不同甘蔗品種葉片葉綠素相對含量（SPAD）、葉面積、比葉重、葉綠體超微結(jié)構(gòu)和光合速率的影響，為甘蔗生產(chǎn)中合理施肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試的3個甘蔗品種分別為桂糖11號（GT11）、新臺糖22號（ROC22）及從巴西引進(jìn)后系統(tǒng)選育而成的氮高效品種桂選B9（GXB9）。供試肥料為尿素（含N 46%）。所用試驗桶規(guī)格：桶口直徑36.3 cm、內(nèi)高30.0 cm。供試土壤為赤紅壤，主要理化性狀：pH 7.32，有機(jī)質(zhì)4.23 g/kg，全氮0.27 g/kg，全磷0.33 g/kg，全鉀7.85 g/kg，水解性氮21.55 g/kg，有效磷8.4 mg/kg，速效鉀96.0 mg/kg。

1. 2 試驗方法

試驗于2016年在廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院甘蔗研究所玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行。采用桶栽試驗，3個甘蔗品種均設(shè)低氮、中氮和高氮3個施氮水平，即分別施用0、150和300 kg/ha尿素，共9個處理，每處理9桶，共81桶，采用完全隨機(jī)區(qū)組排列。3月3日進(jìn)行甘蔗沙培育苗，4月20日選取長勢健康一致的沙培苗進(jìn)行移栽，每桶移栽兩株。以氮肥作追肥，低氮、中氮和高氮3個施氮水平的施肥量分別為0、1.55和3.10 g/桶。

1. 3 測定指標(biāo)及方法

1. 3. 1 農(nóng)藝性狀測定 于甘蔗伸長期（9月15日）每處理隨機(jī)選取9株，分別測定其+1葉（最高可見肥厚帶）的SPAD、葉面積和比葉重。葉片SPAD使用柯尼卡美能達(dá)公司生產(chǎn)的SPAD-520型號葉綠素含量測定儀測定。葉面積使用美國CID公司生產(chǎn)的CI-203激光葉面積儀測定。比葉重（g/m2）=葉片干重/葉面積。

1. 3. 2 葉綠體超微結(jié)構(gòu)測定 于甘蔗伸長期（9月3日）每處理選取有代表性蔗株3株，取其+1葉，在葉中部處取樣，避開主脈，在中脈至葉緣1/2處取0.5 cm×1.0 cm大小葉片，然后快速用刀片切成1 mm×3 mm的小塊，立即將切好的小塊葉片投入2.5%戊二醛固定液固定過夜，0.1 mol/L磷酸緩沖液沖洗3次，每次15 min，1%鋨酸固定1～2 h，乙醇與丙酮逐級脫水，丙酮與包埋劑逐級浸透，環(huán)氧樹脂618包埋聚合，Leica UC7超薄切片機(jī)橫切葉片，醋酸雙氧鈾與檸檬酸鉛雙重染色，日立H-7650型透射電子顯微鏡觀察、照相。

1. 3. 3 光合速率測定 于伸長期每處理選取代表性蔗株6株，用LCPro-SD便攜式光合儀測定甘蔗+1葉的凈光合速率。儀器設(shè)置參數(shù)如下：氣體流速（u）200 μmol/s；人工光源光照強(qiáng)度（Qleaf）1504 μmol/m2·s；葉室溫度未進(jìn)行控制。

1. 4 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 18.0進(jìn)行繪圖和統(tǒng)計分析，采用Duncan’s對各處理進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2. 1 不同施氮量對3個甘蔗品種葉片SPAD、葉面積和比葉重的影響

2. 1. 1 不同施氮量對葉片SPAD的影響 由圖1可知，在伸長期，3個甘蔗品種的SPAD均隨施氮量的增加而增加。其中，GT11和GXB9在中氮和高氮水平下的SPAD差異不顯著（P>0.05，下同）。低氮水平下，GXB9和ROC22的葉片SPAD顯著高于GT11（P<0.05，下同）；高氮水平下，ROC22的葉片SPAD顯著高于GT11和GXB9，其原因可能與GT11的低生物固氮能力和ROC22的耐高氮能力有關(guān)。

2. 1. 2 不同施氮量對葉面積的影響 由圖2可知，在伸長期，3個甘蔗品種的葉面積均隨施氮量的增加而顯著增加。在同一施氮水平下，GXB9的葉面積顯著高于GT11和ROC22，GT11和ROC22的葉面積間無顯著差異?？梢?，增施氮肥有利于甘蔗葉片的生長和葉面積的擴(kuò)大，但不同品種間存在明顯差異。

2. 1. 3 不同施氮量對比葉重的影響 比葉重是衡量葉片光合作用性能的參數(shù)，將葉片單位干重水平和單位葉面積水平的指標(biāo)聯(lián)系在一起，表示葉片的厚薄。由圖3可知，GT11和ROC22的比葉重均隨施氮量的增加顯著降低；GXB9的比葉重則表現(xiàn)為高氮>低氮>中氮，且各處理間均差異顯著。低氮水平下，ROC22的比葉重顯著高于GXB9，但與GT11無顯著差異；中氮水平下，3個品種間無顯著差異；高氮水平下，GXB9的比葉重顯著高于GT11和ROC22，可能是GXB9在高氮水平下葉片增厚所致?？梢?，不同氮素水平對不同甘蔗品種葉片的厚薄有明顯影響，可能與不同品種對氮素水平變化的敏感性有關(guān)。

2. 2 不同施氮量對3個甘蔗品種葉綠體超微結(jié)構(gòu)的影響

由圖4可看出，GT11在低氮水平下葉綠體基質(zhì)片層較少且結(jié)構(gòu)紊亂（圖4-A1），在中氮水平下葉綠體基質(zhì)片層疏松，基粒片層較低氮水平時多（圖4-A2），在高氮水平下葉綠體結(jié)構(gòu)正常，基粒和基質(zhì)片層結(jié)構(gòu)良好，且基粒片層較多（圖4-A3）。由圖4-B1、圖4-B2和圖4-B3可看出，ROC22的葉綠體結(jié)構(gòu)隨施氮量的增加由長橢圓形逐漸膨脹，其中，低氮水平下基粒片層明顯少于中氮和高氮水平；中氮水平下基粒和基質(zhì)片層結(jié)構(gòu)良好，與葉綠體長軸方向平行，排列規(guī)則有序。由圖4-C1、圖4-C2和圖4-C3可看出，GXB9在低氮和中氮水平下葉綠體結(jié)構(gòu)正常，基粒和基質(zhì)片層結(jié)構(gòu)良好，與葉綠體長軸方向平行；高氮水平下，形狀不規(guī)則，葉綠體結(jié)構(gòu)膨脹，基質(zhì)片層疏松，中間有大量的空隙。

由表1可知，GT11單個細(xì)胞含有的葉綠體數(shù)量隨施氮量的增加而增加，中氮和高氮水平間無顯著差異，但均顯著高于低氮水平。ROC22和GXB9葉綠體數(shù)量均在中氮水平下最多，且顯著高于低氮水平和高氮水平。3個甘蔗品種單個葉綠體中基粒數(shù)量均隨施氮量的增加而增加。3個甘蔗品種單個葉綠體中的質(zhì)體小球數(shù)量均以中氮水平最少，其中GT11和GXB9在3個施氮水平下無顯著差異。

2. 3 不同施氮量對3個甘蔗品種葉片凈光合速率的影響

由圖5可知，在伸長期，GT11的凈光合速率在中氮和高氮水平無顯著差異，但均顯著高于低氮水平；ROC22的凈光合速率在高氮水平顯著高于中氮和低氮水平，中氮和低氮水平間無顯著差異；GXB9的凈光合速率在中氮水平顯著高于低氮和高氮水平。低氮水平下，GXB9的凈光合速率高于GT11和ROC22，但三者間無顯著差異；中氮水平下，GXB9的凈光合速率顯著高于GT11和ROC22，GT11的凈光合速率顯著高于ROC22；高氮水平下，3個品種間的凈光合速率均無顯著差異。

3 討論

葉片是植物進(jìn)行光合作用最主要的器官。葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，在光合作用的光吸收及光能轉(zhuǎn)化中起核心作用。李京濤等（2007）研究發(fā)現(xiàn)，施用氮肥能顯著提高小麥的葉綠素含量和葉面積系數(shù)。葉綠素含量與光合作用的強(qiáng)弱存在直接關(guān)系，其中葉綠素含量與光合速率通常呈正相關(guān)（邵璽文等，2009）。本研究結(jié)果表明，不同施氮水平對3個甘蔗品種的葉綠素含量和葉面積的影響一致，均隨施氮量的增加而增加；對光合速率的影響表現(xiàn)為GT11和ROC22隨施氮量的增加而增加，但GXB9在中氮水平的光合速率最高，且顯著高于GT11和ROC22，這一現(xiàn)象可能與3個甘蔗品種的本身生物固氮能力有關(guān)。本課題組多年的研究結(jié)果已證實，相對于GT11和ROC22，GXB9是具有高生物固氮能力的氮高效甘蔗品種，要求的氮素水平相對較低（藍(lán)立斌等，2010；張艷梅，2015；蔣媛，2016；吳朝興，2016）。本研究中，GXB9在高氮水平下的比葉重顯著高于其他施氮水平及其余兩個品種。李海波等（2003）研究表明，高氮處理的水稻葉片比葉重低于低氮處理，可能是由于氮肥施用量多，促進(jìn)葉片伸長變寬，葉片變薄。本研究中，GT11和ROC22也有相似表現(xiàn)，而GXB9的比葉重在高氮水平下有所提高，說明其葉片結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，不易因增施氮肥而變薄。

植物體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與生理功能統(tǒng)一，光合速率的改變必然與光合器官的解剖學(xué)特征緊密相關(guān)（Zhang et al.，2009）。寧克莉等（2010）認(rèn)為類囊體結(jié)構(gòu)的完整性和有序性對于葉綠體在光合作用中正常發(fā)揮作用非常必要。本研究結(jié)果表明，GT11氮素不足時葉綠體數(shù)目少且結(jié)構(gòu)的有序性相對較差，基粒片層少，排列不規(guī)則，質(zhì)體小球數(shù)量多，光合速率低；ROC22在低氮水平下基粒片層也較少；而GXB9在低氮水平下結(jié)構(gòu)良好，光合速率高于同等條件下的GT11和ROC22，可能與GXB9具有高固氮能力和氮高效利用能力及對低氮有較強(qiáng)的適應(yīng)調(diào)節(jié)能力有關(guān)（張艷梅等，2015）。當(dāng)然，本研究結(jié)果也表明，不施氮肥處理下3個甘蔗品種的光合速率均較低，生長嚴(yán)重受抑制，莖徑明顯較小，說明種植任何甘蔗品種均要適當(dāng)施用氮肥；高氮水平下，GT11結(jié)構(gòu)最完整，葉綠素數(shù)量和基粒片層數(shù)量最多，其光合速率也最高；ROC22雖然在中氮水平下葉綠體數(shù)量最多，但每個葉綠體中的基粒片層顯著低于高氮水平，其光合速率在高氮水平下最高，屬耐高氮品種。GXB9在中氮水平下葉綠體結(jié)構(gòu)比高氮水平好，葉綠體數(shù)量顯著高于高氮水平；基粒片層含量與高氮水平下無顯著差異，光合速率也顯著于高氮水平。可見，光合速率受葉綠體結(jié)構(gòu)、葉綠體數(shù)量及基粒片層數(shù)量的共同影響。

4 結(jié)論

甘蔗光合速率與葉綠體數(shù)量、葉綠體超微結(jié)構(gòu)及基粒片層數(shù)量密切相關(guān)，且均受甘蔗品種和施氮量的共同影響。

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（責(zé)任編輯 鄧慧靈）