施鉬對黑果枸杞幼苗生長及熒光參數(shù)的影響

聶必林，田中平，巫利梅，如馬南木·尼合買提，呂海英,3

（1.新疆師范大學生命科學學院，新疆 烏魯木齊 830053；2.干旱區(qū)植物逆境生物學實驗室，新疆 烏魯木齊 830054；3.新疆特殊環(huán)境物種保護與調(diào)控生物學實驗室，新疆 烏魯木齊 830054）

【研究意義】黑果枸杞（Lycium ruthenicum）系茄科（Solanceae）枸杞屬（Lycium）多年生落葉小灌木植物［1-2］，主要分布于我國西北地區(qū)，特別是柴達木盆地和塔里木盆地分布尤廣［3］。黑果枸杞是一種重要的經(jīng)濟作物，具有極高的藥用價值和生態(tài)學價值。其藥用價值主要體現(xiàn)于果實富含維生素、原花青素、枸杞多糖等生物活性物質(zhì)［4-6］，具有抗氧化［7］、抗機體衰老［8］、抗疲勞［9］等多種生理功能；其生態(tài)學價值主要體現(xiàn)于植株的獨特形態(tài)結(jié)構(gòu)，葉片屬肉質(zhì)化葉型，角質(zhì)膜增厚，根系屬根蘗型，主根發(fā)達，根毛濃密［10］。這些特征使黑果枸杞對鹽堿、干旱、土壤貧瘠等不良環(huán)境具有很強的耐受性，常作為荒漠干旱區(qū)治理鹽堿地土壤、防風固沙、保持水土的優(yōu)選樹種［11-12］，是世界公認的三大堿性土壤指示植物和先鋒植物之一［13］。

【前人研究進展】鉬（Mo）是高等植物必須的微量元素之一，盡管多數(shù)植物對鉬的需求量極低，但鉬元素在植物體內(nèi)的生物學功能不可忽視。鉬作為固氮酶和硝酸還原酶（NR）等多種酶的固有成分［14］，通過影響酶的化學活性進而影響植物內(nèi)部的碳代謝、氮代謝、激素代謝、谷胱甘肽循環(huán)、次生代謝和活性氧代謝等生理過程［15-17］。植物缺鉬導致氨基酸和蛋白質(zhì)合成減少，硝酸鹽過量積累，葉綠體結(jié)構(gòu)遭受破壞，光合色素與還原糖含量降低［18］，外在表現(xiàn)為植株矮小、生長緩慢、葉片失綠，且有大小不一的黃色或橙黃色斑點，嚴重時葉緣萎蔫，葉片扭曲呈杯狀，老葉變厚、焦枯，直至死亡［19］，且這些癥狀通常先出現(xiàn)在較老葉片，然后逐步向新葉和生長點發(fā)展。盡管缺鉬嚴重影響植物生長，但鉬含量過高同樣也會對植物產(chǎn)生毒害作用，導致作物減產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降［20］。【本研究切入點】據(jù)報道，全球土壤中全鉬平均含量約為2.3 mg/kg［21］，而我國土壤的全鉬含量范圍在0.1～6.0 mg/kg，平均含鉬量約為1.7 mg/kg，明顯低于全球平均水平，還存在南方地區(qū)土壤含鉬量普遍高于北方地區(qū)的現(xiàn)象［22］，地處西北的新疆地區(qū)土壤缺鉬尤為嚴重［23］。【擬解決的關(guān)鍵問題】鑒于新疆地區(qū)土壤缺鉬現(xiàn)狀和黑果枸杞的重要價值，本研究采用水培種植法，從生長指標、元素含量與分布、熒光特性的角度探究不同濃度梯度外源鉬肥對黑果枸杞幼苗生長的影響，為黑果枸杞人工施肥提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試材料 供試黑果枸杞種子于2019 年9月采自庫爾勒市哈拉玉宮鄉(xiāng)，為多年生人工種植。地理坐標41°42'26″ N、86°02'73″E，海拔892 m，屬暖溫帶大陸性干旱氣候。種子采集后人工去除果肉，漂洗干凈并自然風干，保存于5 ℃冰箱中備用。

1.1.2 鉬處理液配置 采用改良的霍格蘭營養(yǎng)液，其基礎營養(yǎng)元素配比如下：Ca（NO3）2·4H2O 945 mg/L、MgSO4·7H2O 493 mg/L、KH2PO4136 mg/L、NH4NO380 mg/L、KNO3506 mg/L、ZnSO4·7H2O 0.22 mg/L、CuSO4·5H2O 0.08 mg/L、FeSO4·7H2O 5.56 mg/L、MnCl2·4H2O 1.81 mg/L、H3BO32.86 mg/L。以改良的霍格蘭營養(yǎng)液為基礎，在預試驗基礎上，配置含鉬濃度分別為0、5、10、20、40 μmol/L 的含鉬處理液，并依次記為CK、Mo5、Mo10、Mo20、Mo40。注：以（NH4）6Mo7O24·4H2O（M=1236）為鉬源，所有試劑均為分析純級別。

1.2 試驗方法

1.2.1 幼苗培養(yǎng) 黑果枸杞幼苗培養(yǎng)于2019 年3月15 日開始，在新疆師范大學生命科學學院生地樓干旱區(qū)植物逆境生物學實驗室進行。挑選適量籽粒飽滿且大小均一的黑果枸杞種子，用75%的乙醇消毒5～10 min，蒸餾水沖洗3～5 次，在40 ℃水浴鍋中恒溫催芽24 h。選擇長寬高為35 cm×25 cm×8 cm 的育苗盤5 個并消毒，在每個育苗盤中平整鋪2～3 cm 海綿，在海綿上均勻撒適量催芽處理后的種子，置于RXZ 智能型人工氣候箱（寧波江南儀器廠），設置晝夜溫度25/15 ℃，相對濕度80%～90%，晝夜相對光照度100%/0%，晝夜周期16 h/8 h。定時向育苗盤中噴灑蒸餾水，保證海綿全部濕潤，待幼苗長出2 片真葉時，改用噴灑1/2 改良霍格蘭營養(yǎng)液，待幼苗株高為3 cm左右時，進行試驗處理。

1.2.2 試驗處理 采用水培種植法，設0（CK）、5、10、20、40 μmol/L 5 個鉬濃度梯度，每個處理3 次重復。挑選長勢一致的試驗幼苗，均分為15 份，每份20 株。取長寬高為40 cm×25 cm×10 cm 的種植托盤15 個，在每個種植托盤高6 cm處固定一塊厚度約為1 cm 的泡沫板，每個泡沫板上均勻打20 個直徑為2 cm 種植孔，將幼苗根莖分界部位用海綿輕輕包裹（剛好能填充整個種植孔且不擠壓幼苗根莖為宜），定植于種植孔內(nèi)。將定植后的托盤按隨機區(qū)域方式置于RXZ 智能型人工氣候箱，設置晝夜溫度25/15 ℃，相對濕度80%～90%，晝夜相對光照度100%/0%，晝夜周期16 h/8 h。定植當日向每個托盤內(nèi)加入3 L 對應濃度的含鉬處理液，每隔2 d 更換1 次，保證處理液濃度穩(wěn)定，培養(yǎng)3 個月后進行各項指標測定。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 生長指標測定 試驗結(jié)束時，從每個種植托盤內(nèi)隨機選取3 株幼苗，去除表面雜物，去離子水沖洗干凈并吸干表面水分。將幼苗的根、莖、葉各部位分離，稱得各部位鮮重，計算出根冠比，根冠比=根鮮重/地上部分鮮重。接著用瀘工數(shù)顯卡尺（上海九量五金工具有限公司）測量幼苗根長及株高。最后于105 ℃殺青30 min，75 ℃下烘干至恒重，稱得各部位干重。

1.3.2 微量元素含量測定 將同一鉬濃度處理下的所有黑果枸杞幼苗干物質(zhì)按根、莖、葉部位分別混合，送檢（中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所生態(tài)與環(huán)境分析測試中心，2019 年8 月2 日接收），測定各部位微量元素（鋅、鉬、鐵）含量。

1.3.3 熒光參數(shù)測定 利用葉綠素熒光測定儀（Junior-PAM）進行熒光參數(shù)測定。從每個種植托盤內(nèi)隨機選擇3 株幼苗，充分暗適應20 min后測定初始熒光（Fo），然后施加0.8 s 強度為6 000 μmol/m2·s 的飽和脈沖光，測得暗適應下的最大熒光產(chǎn)量（Fm），利用Fv=Fm-Fo計算可變熒光產(chǎn)量，依此獲得充分暗適應的最大光化學效率（Fv/Fm）。于當日使用強度6 000 μmol/m2·s的飽和脈沖光將葉片活化約30 min 后，測定出光下最大熒光（Fm′）和實際光化學效率（ΦpsⅡ）［24］。

試驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2019 分析整理，用ANOVELSD法進行多重比較，用origin8.5繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施鉬對黑果枸杞幼苗生長的影響

由圖1 可知，隨鉬處理濃度升高，黑果枸杞幼苗根部和莖部生物量（鮮重和干重）均呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢，峰值出現(xiàn)在Mo10 處理，根部各處理間均差異顯著，莖部Mo5 和Mo10處理差異不顯著，但與其他處理間差異顯著。就葉片而言，生物量呈現(xiàn)兩個峰值，Mo5 處理時有最大值，Mo10 處理時略有降低，Mo20 處理時部分回升，Mo40 處理時顯著低于CK。說明適合黑果枸杞幼苗生物量積累的綜合鉬濃度在5～20 μmol/L，但不同器官生物量積累的最適鉬濃度有一定差異。黑果枸杞幼苗的根冠比也隨鉬處理濃度升高呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢（圖1 C），Mo10 處理時根冠比最大，與Mo20處理間差異不顯著，說明適合黑果枸杞幼苗生長的鉬濃度在10～20 μmol/L。黑果枸杞幼苗的根長和株高與生物量的變化趨勢一致（圖1 D），隨鉬處理濃度升高先升后降，均在Mo10 達到峰值，與其他處理差異顯著，進一步說明鉬濃度為10 μmol/L 對黑果枸杞幼苗促進效果更佳。

圖1 不同施鉬濃度對黑果枸杞幼苗生長的影響Fig.1 Effects of different molybdenum concentrations on the growth of Lycium ruthenicum seedlings

2.2 施鉬對黑果枸杞幼苗微量元素含量的影響

圖2 顯示，隨處理鉬濃度升高，黑果枸杞幼苗（整株）Mo 元素含量逐漸增加，Zn 元素含量逐漸降低，F(xiàn)e 元素含量先增加后保持穩(wěn)定，以Mo10 為轉(zhuǎn)折點。說明施鉬能夠促進黑果枸杞幼苗對Mo 元素的吸收利用，鉬濃度越高促進效果越強；對Zn 元素的吸收利用有抑制作用，鉬濃度越高抑制越強；對Fe 元素的吸收利用有促進作用，但促進存在飽和點。對各部位進一步分析發(fā)現(xiàn)，隨鉬處理濃度升高，黑果枸杞幼苗根部、莖部、葉片中Mo 元素含量均呈逐漸升高趨勢，且升高速率表現(xiàn)為根部＞莖部＞葉片；Zn 元素含量在根部（CK 除外）、莖部和葉片中都隨施鉬濃度升高逐漸降低；Fe 元素含量在根部隨施鉬濃度升高呈現(xiàn)先升高后保持穩(wěn)定的趨勢，且以Mo10 處理為拐點，在莖部和葉片中Fe 元素含量與施鉬濃度之間線性關(guān)系不明顯，與CK 相比，各處理葉片中的Fe 元素含量均有所降低。以上結(jié)果說明施鉬促進黑果枸杞幼苗各部位對Mo 元素吸收及利用效率；施鉬對黑果枸杞幼苗各部位Zn 元素的吸收及轉(zhuǎn)移利用有抑制作用；低濃度施鉬引起Fe 元素含量增加是由根部對Fe 元素的吸收效率快速升高所致，而莖部和葉片中Fe 元素的利用效率并沒有增加，而是隨鉬濃度升高而降低。

圖2 不同施鉬濃度對黑果枸杞幼苗微量元素含量的影響Fig.2 Effects of different molybdenum concentrations on trace elements content of Lycium ruthenicum seedlings

2.3 施鉬對黑果枸杞幼苗葉片熒光參數(shù)的影響

由圖3 可知，隨鉬處理濃度升高，黑果枸杞幼苗Fo呈先降后升的變化趨勢，在Mo10 處理時有最小值，且Mo5、Mo10、Mo20 處理間差異不顯著；Fm與Fo變化趨勢正好相反，表現(xiàn)為先升后降，并在Mo10時最大，且Mo10同其他處理相比，差異均達到顯著水平；Fv/Fm及ΦpsⅡ同F(xiàn)m變化趨勢一致，表現(xiàn)為隨鉬處理濃度升高而先升后降，分別在Mo5 和Mo10 處理最大，F(xiàn)v/Fm在Mo5 和Mo10 處理間差異不顯著，ΦpsⅡ在Mo5、Mo10、Mo20 處理間差異不顯著。具體而言，Mo5、Mo10、Mo20 處理時Fv/Fm同CK 相比分別提高1.72%、1.74%、0.19%，Mo40 處理時降低0.78%，而ΦpsⅡ同CK 相比依次顯著提高2.68%、3.62%、2.14%、1.89%。以上結(jié)果表明，黑果枸杞幼苗的光合作用潛力隨施鉬濃度升高表現(xiàn)為兩重性，低中濃度施鉬對幼苗的光合作用潛力有不同程度促進，過高濃度的施鉬則產(chǎn)生抑制作用，施鉬濃度在5～20 μmol/L 幼苗光合作用潛力更佳。

圖3 不同施鉬濃度對黑果枸杞幼苗葉片熒光參數(shù)的影響Fig.3 Effects of different molybdenum concentrations on the fluorescence parameters of leaves of Lycium ruthenicum seedlings

3 討論

植物響應環(huán)境變化最直接的表現(xiàn)是外部形態(tài)改變、內(nèi)部元素和有機物含量及分布的變化［25］，本試驗從黑果枸杞幼苗生物量、根莖長、微量元素水平及分布狀況、葉片熒光參數(shù)變化方面研究了施鉬對黑果枸杞幼苗生長的影響，旨在為黑果枸杞人工施鉬提供一定參考。

生物量、根長及株高是反映植株生長狀態(tài)最直觀的外部生長指標［26］。本研究發(fā)現(xiàn)，隨施鉬濃度升高，黑果枸杞幼苗各部位生物量、根長及株高均呈先升后降的變化趨勢，峰值出現(xiàn)在Mo10或Mo20 處理，且Mo40 處理時顯著低于CK，說明施鉬對黑果枸杞幼苗各部位生物量積累及根莖生長具有雙重作用，低中濃度時促進，濃度過高時則產(chǎn)生部分抑制效果，施鉬濃度在5～20 μmol/L時對黑果枸杞幼苗生長指標的綜合促進效果更佳。分析原因，可能是鉬素作為硝酸還原酶和黃嘌呤脫氫酶等酶的重要組成成分，參與氮代謝、嘌呤代謝等多種基礎代謝［27-28］，這些基礎代謝水平?jīng)Q定著黑果枸杞幼苗長勢，當施鉬濃度適當時能明顯促進，濃度過高時造成鉬在黑果枸杞幼苗內(nèi)部大量積累，產(chǎn)生毒害作用，表現(xiàn)為長勢變?nèi)酢?/p>

元素分布及含量變化反映植株對各元素的吸收、轉(zhuǎn)移及利用效率［29］，在外部生長指標參數(shù)的基礎上測定各部位微量元素（Mo、Zn、Fe）含量及分布變化是對試驗結(jié)果的有效補充。本研究結(jié)果表明，施鉬明顯促進了黑果枸杞幼苗對Mo元素的吸收；施鉬對Zn 元素的吸收有抑制作用，濃度越高抑制作用越明顯；施鉬在根部對Fe 元素的吸收先促進后保持穩(wěn)定，在莖部和葉片中有部分抑制作用。說明黑果枸杞幼苗生長過程中，Mo與Zn 呈現(xiàn)相互拮抗關(guān)系，Mo 與Fe 在不同部位存在協(xié)同和拮抗雙重關(guān)系［27］，這與劉紅恩［30］的研究結(jié)果基本一致。原因可能是當環(huán)境中鉬濃度升高，Mo 元素通過擴散、質(zhì)流方式或在鉬轉(zhuǎn)運蛋白的參與下快速轉(zhuǎn)運到黑果枸杞幼苗根系及其他部位［31］，而Mo 與Fe、Zn 元素一方面發(fā)生維茨效應，一定程度上促進了根部對Fe、Zn 元素的吸收，另一方面又與原生質(zhì)膜上的結(jié)合位點和內(nèi)部負電勢產(chǎn)生競爭作用，抑制Fe、Zn 元素的吸收以及從根部向其他部位的轉(zhuǎn)移，實際吸收量為促進和抑制作用之和。

葉綠素熒光動力學參數(shù)是研究植物在某一時間段光合作用能力的快速、無損傷探針［32］，其參數(shù)變化與光合作用過程密切相關(guān)［33］，可作為評價植株光合作用潛力的重要指標，是對形態(tài)參數(shù)和微量元素含量及分布的進一步補充。試驗發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)o隨施鉬濃度升高呈現(xiàn)先下降后上升趨的勢，Mo10 處理時有最小值，并與Mo5、Mo20 處理間差異不顯著，這說明黑果枸杞葉片中葉綠素的含量施鉬濃度升高先升后降，且施鉬濃度為5、10、20 μmol/L 時差異不顯著；Fm、Fv/Fm及ΦpsⅡ的變化趨勢與Fo相反，表現(xiàn)為隨鉬濃度升高先升后降，峰值出現(xiàn)在Mo5 或Mo10 處理，這說明黑果枸杞幼苗葉片中光合色素吸收的光能中，以熱和熒光形式散失的能量先升高后降低，PS Ⅱ的原初光能轉(zhuǎn)化效率和原初光能捕獲效率也隨施鉬濃度升高先升后降。以上結(jié)果表明，黑果枸杞幼苗的光合作用潛力隨施鉬濃度升高呈先升后降的變化趨勢，以施鉬濃度為5～20 μmol/L 間時的光合作用潛力更佳。分析原因，可能是鉬在植物體內(nèi)作為亞硫酸鹽氧化酶的金屬組分，缺乏時影響硫酸鹽的代謝，抑制含巰基物質(zhì)的形成，從而抑制ALA 脫水酶（ALAD）、膽色素原脫氨酶（PBGD）活性，導致氨基酮戊酸（ALA）的轉(zhuǎn)化受阻，葉綠素前體合成受阻，葉綠素合成受到影響［31］，濃度過高時又引起鉬素中毒效應。

4 結(jié)論

綜上所述，黑果枸杞幼苗的生物量、根長及株高，微量元素（Mo、Zn、Fe）水平，葉綠素熒光參數(shù)（Fo、Fm、Fv/Fm、ΦpsⅡ）均隨施鉬濃度升高表現(xiàn)為兩重性，適當?shù)椭袧舛却龠M，濃度過高時產(chǎn)生抑制作用，適合黑果枸杞幼苗生長的鉬濃度范圍為5～20 μmol/L，以10 μmol/L 最佳。在實際生產(chǎn)過程中，可利用這一結(jié)論合理施鉬，為黑果枸杞在小漿果產(chǎn)業(yè)及荒漠化鹽堿地治理提供一定理論參考。