葉施α-酮戊二酸對鐵皮石斛品質(zhì)和養(yǎng)分含量的影響

黃楠， 酈千喜， 閆道良

(浙江農(nóng)林大學(xué) 亞熱帶森林培育國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300)

鐵皮石斛(DendrobiumofficinaleKimura et Migo)是蘭科石斛屬中的極品，其莖具有獨(dú)特的藥用和保健價值[1]。由于野生資源稀少，人工種植鐵皮石斛是市場的主要來源。近年來，鐵皮石斛產(chǎn)業(yè)在浙江、江蘇、云南和貴州等地得到了較快的發(fā)展，其產(chǎn)量和品質(zhì)仍具有較大的提升潛力。氮、磷、鉀是植物生長發(fā)育的必需大量元素，也是作物施肥關(guān)注的重點(diǎn)元素，然而對于居植物需求首位的碳素營養(yǎng)的補(bǔ)充卻常常被忽略[2]。

在植物體內(nèi)，碳約占植物干物質(zhì)的50%[3]，主要通過植物吸收空氣中的CO2同化而來。研究[4]表明，增施碳肥對陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳具有正向作用，因而碳成為植物生長發(fā)育的短板。有機(jī)碳肥在水稻[5]、小麥[6]、嘉寶果[7]和香榧[8]等栽培中的試驗(yàn)結(jié)果證明碳對植物增產(chǎn)和提高品質(zhì)所發(fā)揮的重要作用。研究還發(fā)現(xiàn)，對植物葉面補(bǔ)施有機(jī)碳(如蔗糖、丙三醇和α-酮戊二酸等)對植物具有增產(chǎn)提質(zhì)、增強(qiáng)氮素營養(yǎng)和植株抗逆性的作用，具有氣肥CO2無法替代的明顯優(yōu)勢[9-12]。而補(bǔ)充有機(jī)碳營養(yǎng)對藥用植物鐵皮石斛品質(zhì)、氮素代謝和磷、鉀積累有何作用？深入探討這些問題對于豐富植物營養(yǎng)理論和鐵皮石斛高產(chǎn)高質(zhì)栽培的平衡施肥具有重要的意義。

在前期試驗(yàn)基礎(chǔ)上，本文以α-酮戊二酸作為有機(jī)碳肥料，以人工氣候箱中盆栽的鐵皮石斛為試驗(yàn)材料，研究外施有機(jī)碳營養(yǎng)對鐵皮石斛品質(zhì)(主要是石斛可溶性總糖和人體需求量較多的微量元素鐵、鋅)和氮、磷、鉀養(yǎng)分元素的影響，以期為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鐵皮石斛栽培提供新的方法和思路。

1 材料與方法

1.1 供試材料

紅桿鐵皮石斛2 a生種苗。

1.2 處理設(shè)計

把種苗栽植于塑料穴盤中，基質(zhì)由粉碎的腐熟樹皮和羊糞按照5∶1(V/V)混合均勻。供試的鐵皮石斛種苗材料置于人工氣候箱中培養(yǎng)，其生長環(huán)境為：白天光照時間為14 h，光照強(qiáng)度為85 μmol·m-2·s-1；白天/夜晚溫度為25 ℃/22 ℃，相對濕度為80%～85%。試驗(yàn)設(shè)置4組處理，每組3個重復(fù)，每10穴(3～5株/穴)為1個重復(fù)。分別對每組試驗(yàn)材料葉面均勻噴施0(CK)、10、50和100 mg·L-1的α-酮戊二酸溶液，CK噴施蒸餾水作為對照。噴施頻次是每周噴施2次，共持續(xù)2個月。整個試驗(yàn)期間對基質(zhì)澆灌3次1/2 MS大量元素營養(yǎng)液。試驗(yàn)材料處理完畢后剪取莖部，于120 ℃殺青后，轉(zhuǎn)至80 ℃烘干至恒重，粉碎過篩備用。

1.3 指標(biāo)測定及方法

所測定的指標(biāo)：反映鐵皮石斛品質(zhì)的主要指標(biāo)可溶性總糖、微量元素鐵(Fe)和鋅(Zn)的含量；反映鐵皮石斛氮代謝的重要生理參數(shù)水溶性氮/總氮(WN/TN)，其值高低反映鐵皮石斛氮合成代謝的強(qiáng)弱；反映鐵皮石斛養(yǎng)分積累的總氮(N)、總磷(P)和總鉀(K)含量。

采用蒽酮比色法[13]測定可溶性總糖含量；采用硝酸消解ICP-AES測定樣品中磷、鉀、鐵、鋅含量[14]；采用硫酸雙氧水消解、凱氏法測定植物總氮含量[15]；采用去離子水熱浸提、凱氏法測定植物水溶性氮含量[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0軟件分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Duncan法進(jìn)行多重比較(P<0.05)，采用Microsoft Excel 2013 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 對可溶性總糖和水浸出物含量的影響

研究[17]表明，鐵皮石斛的主要活性成分是石斛多糖，因此，其含量高低是衡量鐵皮石斛品質(zhì)好壞的重要指標(biāo)之一。本文測定了可溶性單糖和多糖的總和，即可溶性總糖含量(圖1)。隨著葉施α-酮戊二酸濃度的增加，鐵皮石斛可溶性總糖含量也呈現(xiàn)不同程度的提高，當(dāng)α-酮戊二酸濃度為10 mg·L-1時，可溶性總糖含量增加較為明顯，顯著高于對照，比對照提高了27.84%，隨著α-酮戊二酸濃度的增高，可溶性總糖含量增加逐漸趨緩。當(dāng)外施α-酮戊二酸濃度為100 mg·L-1時，可溶性總糖含量達(dá)28.99%，同樣顯著高于對照。隨著葉施α-酮戊二酸濃度的增高，水浸出物含量顯著增加，但均顯著低于對照。當(dāng)外施α-酮戊二酸濃度為100 mg·L-1時，水浸出物含量比對照減少了11.13百分點(diǎn)。

同一指標(biāo)不同處理間沒有相同字母表示差異顯著(P<0.05)。圖2～5同。

2.2 對總氮和水溶性氮含量的影響

水溶性氮/總氮(WN/TN)是反映植物氮代謝的重要生理參數(shù)，反映鐵皮石斛合成代謝的強(qiáng)弱。水溶性氮/總氮比值低，表明其轉(zhuǎn)化為大分子養(yǎng)分或自身組織結(jié)構(gòu)物質(zhì)的合成過程強(qiáng)，是反映植物生長和產(chǎn)量的重要指標(biāo)。施加低濃度的α-酮戊二酸(10 mg·L-1)并沒有明顯增加鐵皮石斛的總氮含量。當(dāng)α-酮戊二酸濃度為50 mg·L-1時，總氮含量達(dá)到最高，為4.44 g·kg-1，比對照增加了12.41%。由此可見，外施較高濃度的α-酮戊二酸可以促進(jìn)鐵皮石斛對氮素的吸收(圖2)。水溶性氮含量隨著外施α-酮戊二酸濃度增加呈下降的趨勢(圖3)。當(dāng)外施α-酮戊二酸濃度為50和100 mg·L-1時，水溶性氮含量顯著低于對照，分別比對照降低了26.23%和31.25%，同樣水溶性氮/總氮也均顯著低于對照。由此可見，外施較高濃度的α-酮戊二酸(本試驗(yàn)濃度為50～100 mg·L-1)可以促進(jìn)鐵皮石斛氮的合成代謝。

圖2 外施α-酮戊二酸對總氮和水溶性氮含量的影響

圖3 外施α-酮戊二酸對水溶性氮/總氮的影響

2.3 對磷和鉀含量的影響

磷、鉀是植物生長發(fā)育必需的大量元素，對植物生理功能的發(fā)揮起著重要作用。外施α-酮戊二酸后并沒有明顯影響鐵皮石斛對磷、鉀的積累(圖4)。鐵皮石斛吸收α-酮戊二酸后沒有明顯影響磷、鉀間的平衡及其功能的發(fā)揮。

圖4 外施α-酮戊二酸對鐵皮石斛磷、鉀含量的影響

2.4 對Fe和Zn含量的影響

Fe、Zn是植物必需的微量元素，也是人體需求量較多的元素。通過食用植物源產(chǎn)品補(bǔ)充Fe、Zn的不足是契合人類對健康追求的理念。本研究表明，外施一定濃度的α-酮戊二酸顯著增加了鐵皮石斛Fe、Zn的含量，當(dāng)α-酮戊二酸濃度為50 mg·L-1時，F(xiàn)e、Zn含量均達(dá)到最高(圖5)，研究結(jié)果為生產(chǎn)中富鐵、富鋅鐵皮石斛品質(zhì)的提升提供了可借鑒的栽培手段。

圖5 外施α-酮戊二酸對鐵皮石斛Fe、Zn含量的影響

3 小結(jié)與結(jié)論

本研究表明，外施α-酮戊二酸對鐵皮石斛的碳氮代謝具有重要的調(diào)節(jié)作用。施加α-酮戊二酸不同程度地提高了可溶性總糖含量。水溶性氮和水溶性氮/總氮作為碳氮代謝的量化指標(biāo)，其值在施加α-酮戊二酸后均呈現(xiàn)不同程度的下降，該值低反映植物的合成代謝強(qiáng)，生物量積累快，因而增產(chǎn)。由于鐵皮石斛生長緩慢的生物學(xué)特性，在短暫的試驗(yàn)期間本文沒有測定鐵皮石斛的生物量積累與水溶性氮和水溶性氮/總氮的關(guān)系，這有待下一步試驗(yàn)證實(shí)。深入研究α-酮戊二酸對碳氮代謝的生理生化機(jī)制，在提升鐵皮石斛產(chǎn)量的基礎(chǔ)上改善其品質(zhì)具有重要的理論和實(shí)踐意義。

施加一定濃度的α-酮戊二酸后可以增加鐵皮石斛總氮含量，而對磷鉀含量沒有明顯的影響，這與已有的研究施加有機(jī)碳后降低蕹菜的磷鉀含量有所不同，可能與鐵皮石斛的生長緩慢及養(yǎng)分的吸收特性有關(guān)，即在一定時間內(nèi)，施加α-酮戊二酸后沒有引起鐵皮石斛的快速生長，導(dǎo)致生物量積累從而稀釋植株內(nèi)的磷、鉀含量。本試驗(yàn)也從另一方面說明了有機(jī)碳α-酮戊二酸外施后鐵皮石斛并沒有打破磷、鉀間的養(yǎng)分平衡。由此引發(fā)一個值得思考的問題，施加有機(jī)碳α-酮戊二酸在調(diào)節(jié)鐵皮石斛碳氮代謝的同時如何穩(wěn)定體內(nèi)磷鉀的平衡？需要今后進(jìn)一步研究。

鐵、鋅等微量元素缺乏癥是困擾中國居民，特別是兒童的首要營養(yǎng)不良問題[25-26]，提升富含鐵、鋅等微量元素的鐵皮石斛品質(zhì)對人體健康至關(guān)重要[27]。本研究表明，外10～50 mg·L-1的α-酮戊二酸均顯著增加了鐵皮石斛鐵、鋅含量，這與在其他作物和動物方面的研究結(jié)果一致[28]。在自然狀況下，植物對碳的需求主要來源于CO2。研究[12]表明，氣候變化等因素導(dǎo)致CO2濃度升高，結(jié)果降低了作物鐵、鋅等微量元素的含量，而有機(jī)碳肥α-酮戊二酸施加后卻使鐵皮石斛鐵、鋅含量表現(xiàn)相反的一面，顯示了有機(jī)碳肥α-酮戊二酸在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的優(yōu)越性。植物對鐵、鋅元素的積累是主動吸收過程，受到體內(nèi)代謝的影響。施加α-酮戊二酸后，鐵皮石斛碳氮代謝得到改善，使其對鐵、鋅的吸收更為順暢，因而含量增加。

綜上所述，外施α-酮戊二酸可增強(qiáng)鐵皮石斛的碳氮代謝，提高了鐵皮石斛可溶性總糖含量，降低了水溶性氮/總氮比值，增強(qiáng)了鐵皮石斛氮合成代謝。外施一定濃度的α-酮戊二酸后明顯增加了鐵皮石斛微量元素鐵、鋅含量，提升了鐵皮石斛的品質(zhì)，這對于補(bǔ)充人體鐵、鋅有重要的意義。但是施加α-酮戊二酸后調(diào)節(jié)了鐵皮石斛碳氮平衡，并沒有明顯改變磷、鉀含量，兩者之間的平衡機(jī)制與鐵皮石斛的生長緩慢特性是否有關(guān)，及其生理生化機(jī)制如何？需要進(jìn)一步通過試驗(yàn)加以探討。