硝酸鑭浸種對(duì)低磷脅迫下紅小豆幼苗生長(zhǎng)的影響

(山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000)

磷是植物必需的三大元素之一。土壤中，絕大部分被固定的磷是無(wú)效態(tài)的，能被植物利用的有效態(tài)正價(jià)磷酸鹽含量非常低，而且磷在土壤溶液中又?jǐn)U散得很慢，于是就形成了植物根系邊緣有效磷的虧缺[1]。中國(guó)有67%的土地是缺磷的[2]，磷已經(jīng)成為限制作物產(chǎn)量、影響我國(guó)糧食安全的重要因子。所以，發(fā)現(xiàn)植物自身磷含量高效利用的優(yōu)質(zhì)品種，深入探討低磷脅迫下作物的適應(yīng)反應(yīng)是現(xiàn)今植物磷營(yíng)養(yǎng)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[1,3]。

稀土具有多種生理活性[4-5]。植物的外部形態(tài)直接或間接的受到稀土元素的影響，同時(shí)稀土還對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有著重要的影響。稀土元素可以增加植株的生物量、使植物果實(shí)的品質(zhì)得到改善、提高植株抵抗逆境的能力[4-5]。富鑭稀土可提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，近年來(lái)對(duì)鹽脅迫、干旱脅迫緩解效應(yīng)的研究報(bào)道較多，但在低磷脅迫方面的研究未見(jiàn)報(bào)道。

紅小豆(Phaseolusangularis)為豆科菜豆屬一年生草本植物，是黃土高原地區(qū)的主要小雜糧作物之一，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值特別高，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)其需求增加迅猛。人們對(duì)紅小豆的吸肥規(guī)律和施肥的增產(chǎn)效果進(jìn)行了一些研究，有研究表明，土壤養(yǎng)分三要素中，影響紅小豆產(chǎn)量的第一要素是土壤速效磷[6]，一定濃度硝酸鑭浸種有利于鹽脅迫下紅小豆幼苗生長(zhǎng)[5,7]，但硝酸鑭浸種對(duì)低磷脅迫下紅小豆幼苗的形態(tài)指標(biāo)及生理適應(yīng)性的研究未見(jiàn)報(bào)道。為此，本試驗(yàn)選用了2個(gè)不同品種的紅小豆，主要研究低磷脅迫下硝酸鑭浸種對(duì)紅小豆幼苗的形態(tài)和生理指標(biāo)的影響，為以后研究紅小豆在低磷環(huán)境下的適應(yīng)機(jī)制和稀土元素在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)計(jì)

供試紅小豆品種為白紅4號(hào)和保紅8824-17，由山西農(nóng)科院提供。試驗(yàn)于2014年5月在山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室，生化培養(yǎng)箱中進(jìn)行，以水培法為主。選擇健壯飽滿、外觀大小一致的紅小豆種子，先用配置好的10%雙氧水消毒30 min,然后用蒸餾水沖洗若干次，再分別用0，20，50，100 mg·L-14種質(zhì)量濃度的硝酸鑭浸種6 h后均勻擺放在鋪有2層紗布和1層濾紙的小培養(yǎng)皿中，黑暗條件下培養(yǎng)，保持溫度在(25±2)℃，每天固定時(shí)間澆灌固定量的蒸餾水。種子長(zhǎng)出幼苗后，選取長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的健康強(qiáng)壯幼苗，移入水培盆中培養(yǎng)，配制1/2 Hoagland缺磷營(yíng)養(yǎng)液作為低磷脅迫進(jìn)行試驗(yàn)，每盤(pán)30株，每天定時(shí)通氣，每隔3 d給幼苗加1次營(yíng)養(yǎng)液，7 d換1次水。

1.2 方 法

1.2.1形態(tài)指標(biāo)測(cè)定方法

株高：從每個(gè)浸種濃度中分別取6株幼苗，用尺子直接測(cè)定從地面到主莖葉間拉直的長(zhǎng)度；

莖粗：用游標(biāo)卡尺直接測(cè)定植株主莖底部莖的粗細(xì)；

葉面積：用10 cm×10 cm的網(wǎng)格測(cè)定(不足半格的忽略不計(jì)，超過(guò)半格的按一格計(jì)算)。

鮮重、干重：各處理分別取8株幼苗，分開(kāi)地上、地下兩部分，用電子天平直接稱量鮮重；然后用烘干箱在80 ℃下烘干至恒重，分別稱量地上和地下部分干重。

1.2.2生理指標(biāo)的測(cè)定方法

隨機(jī)選取3株紅小豆幼苗，放入冰箱中冷藏保存，用于生理指標(biāo)的測(cè)定，各指標(biāo)重復(fù)3次測(cè)量，比色時(shí)均采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)。

過(guò)氧化物酶(peroxidase,POD)活性的測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚比色法[8-9]；超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性的測(cè)定采用氮藍(lán)四唑法[8-9]；丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量的測(cè)定采用硫代巴比妥酸顯色法[8-9]；葉綠素含量的測(cè)定采用96%乙醇研磨法[8-9]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2007軟件整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用DPS軟件進(jìn)行方差分析和Duncan多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)紅小豆幼苗莖葉形態(tài)指標(biāo)的影響

2.1.1對(duì)株高的影響

由表1可知，隨著浸種時(shí)硝酸鑭濃度的增加，保紅8824-17的植株高度呈上升趨勢(shì)，增加幅度分別為14.80%、2.26%和10.48%，各處理間差異顯著(p<0.05)，浸種對(duì)保紅8824-17的紅小豆植株高度起著促進(jìn)的作用。白紅4號(hào)株高的變化趨勢(shì)為先增大后降低，50 mg·L-1濃度時(shí)達(dá)到最高值，增加幅度分別為2.80%和16.21%，之后下降了5.01%。同一水平濃度相比，保紅8824-17的株高均大于白紅4號(hào)。

2.1.2對(duì)莖粗的影響

從表1可以看出，與清水對(duì)照相比，硝酸鑭浸種對(duì)2種紅小豆的莖粗表現(xiàn)為抑制作用，但抑制幅度不大，差異不顯著。其中在50 mg·L-1濃度浸種時(shí)保紅8824-17的莖粗達(dá)到了最小，下降了9.98%，而使白紅4號(hào)的莖粗達(dá)到最小值的浸種濃度為20 mg·L-1，比清水對(duì)照下降了1.16%。

表1 不同濃度硝酸鑭浸種對(duì)2種紅小豆幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響

品種硝酸鑭濃度/(mg·L-1)株高/cm莖粗/mm葉面積/cm2保紅8824-17016.667±2.536bc2.037±0.170a13.500±3.122ab2019.133±2.432ab1.960±0.122ab14.833±2.930a5019.567±1.823ab1.833±0.075bc15.333±0.577a10021.617±1.777a1.923±0.080ab15.167±2.021a白紅4號(hào)013.100±0.934d1.720±0.052c8.833±1.528c2013.467±0.431d1.700±0.114c8.667±1.607c5015.650±0.346cd1.723±0.038c10.833±2.930abc10014.867±0.231cd1.780±0.020bc10.000±2.784bc

注：同列不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。下同。

表2 不同濃度硝酸鑭浸種對(duì)2種紅小豆幼苗生物量及根冠比的影響

品種硝酸鑭濃度/(mg·L-1)地上部鮮重/g地上部干重/g根冠比/%保紅8824-1700.4869±0.0786d0.0590±0.0079d0.1216±0.0127c200.5361±0.0786c0.0606±0.0079c0.1033±0.0023c500.5970±0.0786b0.0619±0.0079b0.1385±0.0075c1000.6487±0.0786a0.0657±0.0079a0.1305±0.0052c白紅4號(hào)00.4127±0.0786h0.0439±0.0079h0.2424±0.0290b200.4258±0.0786g0.0452±0.0079g0.2708±0.0023b500.4729±0.0786e0.0495±0.0079e0.2351±0.0122b1000.4515±0.0786f0.0468±0.0079f0.3943±0.1210a

2.1.3對(duì)葉面積的影響

從表1可以看出，隨著浸種時(shí)硝酸鑭濃度的增加，2個(gè)品種紅小豆的葉面積都出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在濃度達(dá)到50 mg·L-1時(shí)葉面積達(dá)最大值，分別比清水對(duì)照增加了13.58%和22.64%，均達(dá)到顯著差異水平。但硝酸鑭濃度繼續(xù)增加，紅小豆的葉面積變化趨勢(shì)開(kāi)始下降，但還是比對(duì)照水平高。0～50 mg·L-1濃度時(shí)，保紅8824-17的葉面積分別增加9.88%和3.37%，之后下降1.09%。而白紅4號(hào)的葉面積隨著濃度增加的變化趨勢(shì)為：與清水對(duì)照相比先降低1.89%，在此基礎(chǔ)上后增加25.00%，之后又下降7.69%。

2.2 對(duì)紅小豆生物量及根冠比的影響

2.2.1對(duì)生物量的影響

從表2可看出，在磷脅迫下，隨著硝酸鑭浸種濃度的增加保紅8824-17幼苗的地上部鮮重、干重均表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，與清水對(duì)照相比，保紅8824-17的莖鮮重、莖干重分別增加了10.10%、11.36%、8.65%和2.73%、2.13%、6.10%。白紅4號(hào)的生物量隨著硝酸鑭濃度的增加，表現(xiàn)為先增大后減小，在50 mg·L-1濃度時(shí)都達(dá)到最大值。同一濃度的水平相比，保紅8824-17的地上部鮮重、干重都比白紅4號(hào)的高。

2.2.2對(duì)根冠比的影響

由表2可知，低磷脅迫下經(jīng)硝酸鑭浸種2種紅小豆的根冠比發(fā)生了顯著的變化。20、50 mg·L-1濃度時(shí)，保紅8824-17的根冠比分別達(dá)到最小和最大，與清水對(duì)照相比，變化幅度分別為降低15.05%和增加13.90%。白紅4號(hào)的根冠比在100 mg·L-1濃度時(shí)達(dá)到了最大值，與清水對(duì)照的相比增加62.67%。由此可以看出，硝酸鑭浸種對(duì)白紅4號(hào)根冠比的促進(jìn)作用極顯著(p<0.01)的大于保紅8824-17，說(shuō)明在作物苗期，白紅4號(hào)的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)條件明顯優(yōu)于保紅8824-17。

2.3 對(duì)抗氧化物酶活性的影響

2.3.1對(duì)SOD活性的影響

從圖1可看出，隨硝酸鑭濃度增加，保紅8824-17的SOD活性先增大后減小，在50 mg·L-1濃度時(shí)降到了最低值，比20 mg·L-1時(shí)下降50.32%，之后SOD的活性上升40.99%，整體變化幅度較大，差異顯著，白紅4號(hào)SOD活性的變化趨勢(shì)為遞增，隨濃度的增加，SOD活性的下降幅度分別為12.05%、4.24%、14.16%。硝酸鑭濃度在0～20 mg·L-1時(shí)，保紅8824-17的SOD活性高于白紅4號(hào)，濃度大于20 mg·L-1后保紅8824-17的SOD活性開(kāi)始下降，并低于白紅4號(hào)SOD活性。由此可知，硝酸鑭浸種對(duì)保紅8824-17的SOD活性的影響明顯大于對(duì)白紅4號(hào)的影響。

圖1 不同硝酸鑭濃度浸種對(duì)2種紅小豆SOD活性的影響

2.3.2對(duì)POD活性的影響

從圖2可知，保紅8824-17的POD活性變化隨著浸種濃度的增加表現(xiàn)為先增大后減小，0～50 mg·L-1濃度之間POD的含量變化差異顯著，增加幅度分別為1.28%和5.01%，在50 mg·L-1濃度時(shí)保紅8824-17的POD活性達(dá)到最大值，之后POD的活性開(kāi)始以17.06%的幅度下降；白紅4號(hào)POD的活性一直增加，分別為4.81%、9.53%和1.81%，100 mg·L-1時(shí)達(dá)到最大值，整體變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)。同一濃度相比，保紅8824-17的POD活性在各個(gè)濃度均高于白紅4號(hào)POD的活性。

圖2 不同硝酸鑭濃度浸種對(duì)2種紅小豆POD活性的影響

2.4 對(duì)細(xì)胞膜穩(wěn)定性和葉綠素含量的影響

2.4.1對(duì)MDA含量的影響

植物體內(nèi)活性氧積累所引發(fā)的膜脂過(guò)氧化強(qiáng)弱與低磷環(huán)境對(duì)植物造成的傷害密切相關(guān)，MDA積累的多少直接可以反映膜脂過(guò)氧化程度的高低，所以，通過(guò)測(cè)定實(shí)驗(yàn)材料中MDA含量的多少來(lái)了解膜脂過(guò)氧化的程度，從而了解植物膜系統(tǒng)的受損程度[3]。

圖3 不同硝酸鑭濃度浸種對(duì)2種紅小豆MDA含量的影響

從圖3可以看出，硝酸鑭浸種后紅小豆細(xì)胞中的MDA含量明顯降低，從而也降低了低磷環(huán)境對(duì)紅小豆生長(zhǎng)造成的傷害。隨著硝酸鑭濃度的增加，保紅8824-17和白紅4號(hào)MDA含量的變化規(guī)律一致，都為先降后增，且在濃度為50 mg·L-1時(shí)含量達(dá)到最低。0～50 mg·L-1濃度之間，保紅8824-17的MDA含量下降幅度分別為5.17%和2.63%，白紅4號(hào)以4.98%和8.52%的幅度下降，濃度為100 mg·L-1時(shí)，保紅8824-17的MDA含量比50 mg·L-1增加7.67%，白紅4號(hào)MDA含量增加13.32%，變化幅度大于保紅8824-17。在硝酸鑭濃度相同的前提下相比，保紅8824-17的MDA含量低于白紅4號(hào)。

2.4.2對(duì)葉綠素含量的影響

在一定的范圍內(nèi)，判斷植物光合作用強(qiáng)弱的一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)是葉綠素含量的高低[4,10]。由圖4可以看出，低磷脅迫下白紅4號(hào)葉片的葉綠素a，葉綠素b以及葉綠素總含量(a+b) 與清水對(duì)照相比，都有明顯的增加，而保紅8824-17葉片的葉綠素a、葉綠素b以及葉綠素總含量(a+b)隨著硝酸鑭濃度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，在濃度為20 mg·L-1時(shí)達(dá)到最大，之后以7.41%和7.01%的幅度下降。另外，在低磷脅迫時(shí)，同一濃度相比，清水對(duì)照和20 mg·L-1濃度浸種時(shí)保紅8824-17的葉綠素含量顯著高于白紅4號(hào)的葉綠素含量，但在100 mg·L-1濃度處理時(shí)，白紅4號(hào)葉綠素含量顯著高于保紅8824-17葉綠素的含量。

圖4 不同硝酸鑭濃度浸種對(duì)2種紅小豆葉綠素含量的影響

3 討論與結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)研究了在低磷環(huán)境下，不同濃度硝酸鑭浸種對(duì)植物種子萌發(fā)的影響及對(duì)地上部分形態(tài)指標(biāo)、生理指標(biāo)的調(diào)節(jié)作用。2種紅小豆應(yīng)對(duì)低磷脅迫在形態(tài)上表現(xiàn)出了不同的適應(yīng)性變化，反映了植物內(nèi)在的不同的抗逆境機(jī)制。深入研究不同品種紅小豆應(yīng)對(duì)磷脅迫表現(xiàn)出的不同應(yīng)對(duì)機(jī)理，為有效篩選磷高效紅小豆新品種和對(duì)磷的高效使用提供有力的依據(jù)[2]。

低磷脅迫會(huì)導(dǎo)致植物的生理變化，對(duì)植物的器官造成不同程度的影響，抑制植物的生長(zhǎng)，而緩解低磷脅迫對(duì)其生長(zhǎng)造成傷害的有效途徑之一就是浸種。本試驗(yàn)中，隨著硝酸鑭濃度的增加，對(duì)2個(gè)品種紅小豆的不同指標(biāo)表現(xiàn)出不同程度的促進(jìn)或抑制作用。

與清水對(duì)照相比，低磷環(huán)境下隨著硝酸鑭濃度的增加，保紅8824-17的株高、莖鮮重、莖干重、根冠比表現(xiàn)出不同程度的增加。硝酸鑭對(duì)低磷脅迫下紅小豆幼苗形態(tài)指標(biāo)的促進(jìn)作用較為顯著。白紅4號(hào)的株高、葉面積、莖鮮重、莖干重、根冠比隨著硝酸鑭濃度的增加均有所增加，在50 mg·L-1濃度時(shí)達(dá)到最大，之后開(kāi)始下降。這表明硝酸鑭可以很積極的促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，但要注意的是濃度要適量，過(guò)量則會(huì)適得其反，抑制植物生長(zhǎng)。硝酸鑭浸種對(duì)逆境脅迫下植物的生長(zhǎng)起到促進(jìn)作用，一定程度上改善了紅小豆的生長(zhǎng)狀況。

研究表明，植物的抗逆性可以通過(guò)植物組織中SOD、POD活性及MDA含量以及在逆境中的變化趨勢(shì)來(lái)表現(xiàn)[3]。用硝酸鑭浸種時(shí)，由于紅小豆的品種不同，所以其在低磷脅迫下表現(xiàn)出的適應(yīng)機(jī)制也不同。本實(shí)驗(yàn)中，硝酸鑭浸種對(duì)2種紅小豆的SOD活性均有抑制作用，對(duì)POD活性則起到促進(jìn)作用，濃度越高，作用越顯著，并且對(duì)于保紅8824-17的調(diào)節(jié)作用表現(xiàn)得更為明顯。試驗(yàn)通過(guò)對(duì)比得出，浸種使2種紅小豆MDA的含量均呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明植物在逆境脅迫下的膜脂過(guò)氧化程度較低，受到的傷害較嚴(yán)重。綜合各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，硝酸鑭浸種對(duì)保紅8824-17在逆境脅迫下的緩解作用更顯著。

浸種是一項(xiàng)既簡(jiǎn)單方便、效率又高的栽培措施，農(nóng)民又比較容易接受，并且能夠避免因?yàn)閲姙r(shí)的不均勻而造成的不良影響[3]。本研究表明，50 mg·L-1濃度的硝酸鑭浸種對(duì)紅小豆幼苗在受到逆境脅迫時(shí)的調(diào)節(jié)作用最顯著，在種植農(nóng)作物之前選擇合適濃度的硝酸鑭浸種，就可以在一定程度上緩解低磷脅迫對(duì)紅小豆造成的不利影響，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。