鈣營養對甜菜幼苗生長和表觀光合作用的影響

何敏敏, 王 堽, 耿 貴,2

(1.黑龍江大學 生命科學學院, 哈爾濱 150080; 2.黑龍江大學 現代農業與生態環境學院, 哈爾濱 150080)

0 引 言

甜菜(BetavulgarisL.)屬二年生草本植物。甜菜作為主要糖料作物之一,是經濟作物的主導產業[7]。我國甜菜主產區在新疆、內蒙古和黑龍江,而東北地區土壤主要為黑土和黑鈣土[8-10],黑鈣土中有石灰富積的鈣積層,肥沃的土壤利于甜菜生長發育,進而提高甜菜產量,給地區帶來經濟效益。目前,國內外關于Ca2+對植物生長和抵御脅迫環境方面的研究較多[11-13],而對Ca2+能否促進甜菜光合作用影響方面的研究較少。因此,本文通過設置不同的Ca2+濃度(0.5～9.0 mmol·L-1),探究Ca2+對甜菜幼苗生長形態及其光合作用的影響,為甜菜培育提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設計

將甜菜種子(KWS1176)置于蛭石中培養發芽,后移至培育室。培育室光照強度450 μmol·m-2·s-1,每日光照/黑暗時長14/10 h,溫度白天/夜間(25±1) ℃/(23±1) ℃,相對濕度60%～70%。待子葉展開(7 d),選取長勢均勻的幼苗移栽至含2.5 L改良1/2 Hoagland營養液(1.00 mmol·L-1MgSO4·7H2O、0.50 mmol·L-1NH4H2PO4、3.50 mmol·L-1KCl、3.00 mmol·L-1NaCl和0.06 mmol·L-1FeSO4-EDTA)和阿農微量元素營養液的水槽中培養。通常甜菜育苗實驗中營養液Ca2+濃度為3.50 mmol·L-1,因此,通過添加Ca(NO3)2·4H2O、CaCl2和NH4NO3以設置Ca2+濃度分別為0.50、0.75、1.50、3.50、7.50和9.00 mmol·L-16個梯度,保證每個Ca2+濃度處理的N濃度為3.00 mmol·L-1。每槽8株,培養5 d后間苗至每槽4株,每個處理重復5次。培養至第5、10和14 d各更換一次營養液,于培養第18 d收獲并進行植株株高、表觀光合指標、干重、鮮重、葉片相對含水量和葉綠素含量等指標的測定。

1.2 測定項目及方法

株高為最長甜菜葉子葉基部所在水平面到頂端所在水平面的垂直距離,從每個處理中隨機抽取5株植株,使用直尺測量;植株樣品收獲后分為根、葉柄、葉三部分,按照各項指標量取樣并測定其鮮重,后經105 ℃殺青30 min,70 ℃烘干至恒重,測定其干重;根系和葉片面積使用Win RHIZO軟件掃描分析;凈光合速率(Net photosynthetic rate, Pn)、蒸騰速率(Transpiration rate, Tr)、氣孔導度(Stomatal conductance, Gs)和胞間CO2濃度(Intercellular CO2concentration, Ci)使用CI-340手持式光合作用測量儀器測定甜菜幼苗第二對真葉;葉綠素測定采用丙酮(AR)比色法。

1.3 數據分析

數據統計與分析采用Microsoft Excel 2013 (Microsoft Corp, Redmond, WA, USA)、IBM SPSS Statistics 26.0 (IBM Corp, Armonk, NY, USA)進行,作圖軟件使用Microsoft Excel 2013。

2 結果與分析

2.1 鈣營養對甜菜幼苗形態特征的影響

2.1.1 鈣營養對甜菜幼苗形態的影響

圖1和圖2分別為不同Ca2+濃度對甜菜幼苗表型和株高的影響,由圖可知,不同Ca2+濃度處理下植株長勢差異明顯,株高隨Ca2+濃度的增加呈先上升后下降的趨勢。當添加Ca2+濃度為3.50 mmol·L-1時,植株長勢最好,株高最高為14.88 cm;當添加Ca2+濃度為0.50 mmol·L-1時,植株矮小,株高7.28 cm,較3.50 mmol·L-1處理下降51.09%;當Ca2+濃度增加至7.50和9.00 mmol·L-1時,株高呈下降趨勢,但較0.50和0.75 mmol·L-1處理長勢較好。

圖1 不同Ca2+濃度下甜菜幼苗生長17天時表型

圖2 不同Ca2+濃度對甜菜幼苗株高的影響

2.1.2 鈣營養對甜菜幼苗各部分干重和鮮重的影響

圖3為不同Ca2+濃度對甜菜幼苗各部分干重和鮮重的影響,由圖可知,甜菜幼苗各部分的生物量均隨Ca2+濃度的增加呈先上升后下降趨勢,在Ca2+濃度為3.50 mmol·L-1時達到最大值。根系干重和鮮重在各處理間差異顯著性相同,其中0.50 mmol·L-1處理與其他濃度處理的差異顯著(P<0.05);在葉柄干重和鮮重中,3.50 mmol·L-1處理與其他濃度處理的差異顯著(P<0.05);在葉片干重和鮮重中,1.50、3.50和7.50 mmol·L-1處理間差異不顯著(P>0.05)。當Ca2+濃度提升至9.00 mmol·L-1時,各部分干重和鮮重與3.50 mmol·L-1處理相比,生物量均顯著降低。

圖3 不同Ca2+濃度對甜菜幼苗各部分干重和鮮重的影響:(a) 根系鮮重;(b) 根系干重; (c) 葉柄鮮重;(d) 葉柄干重;(e) 葉片鮮重;(f) 葉片干重

2.1.3 鈣營養對甜菜幼苗葉片相對含水量的影響

圖4為不同Ca2+濃度對甜菜幼苗葉片相對含水量的影響,由圖可知,在不同Ca2+濃度處理下,植株葉片相對含水量均為60%～90%,在3.50 mmol·L-1中達到最大值84%,與其他處理存在顯著差異(P<0.05);其他濃度處理間差異不顯著(P>0.05)。葉片相對含水量在0.50 mmol·L-1處理下最低,為67.67%。

圖4 不同Ca2+濃度對甜菜幼苗葉片相對含水量的影響Fig.4 Effects of different Ca2+ concentrations on leaf relative water content of sugar beet seedlings

2.1.4 鈣營養對甜菜幼苗根系面積和葉片面積的影響

圖5為不同Ca2+濃度對甜菜幼苗根系面積和葉片面積的影響,由圖可知,不同Ca2+濃度處理下,甜菜幼苗根系面積和葉片面積呈先上升后下降的趨勢,在3.50 mmol·L-1處理下均達到最大值,分別為397.56和191.25 cm2。在最低濃度(0.50 mmol·L-1)處理下,根系面積和葉片面積均最小,且與其他處理存在顯著性差異(P<0.05),分別為30.86和91.83 cm2,較3.50 mmol·L-1處理分別下降83.86%和76.90%;當Ca2+濃度達到0.75 mmol·L-1時,根系面積和葉片面積顯著增大(P<0.05);當Ca2+濃度進一步增加至7.50和9.00 mmol·L-1時,根系面積和葉片面積開始下降,但仍顯著性高于0.50 mmol·L-1處理。

圖5 不同Ca2+濃度對甜菜幼苗根系面積(a)和葉片面積(b)的影響

2.2 不同鈣營養對甜菜幼苗葉片光合作用的影響

2.2.1 不同鈣營養對甜菜幼苗葉片中葉綠素含量的影響

圖6為不同Ca2+濃度對甜菜幼苗葉片葉綠素含量的影響,由圖可知,不同Ca2+濃度處理下,甜菜幼苗葉片葉綠素a和葉綠素b的含量均呈先上升后下降的趨勢,在3.50 mmol·L-1處理下達到最大值,分別為0.816 mg·g-1和0.70 mg·g-1。 葉綠素a含量在0.50 和0.75 mmol·L-1處理間顯著升高(P<0.05),在1.50 mmol·L-1處理中平穩上升,與3.50 和7.50 mmol·L-1處理無顯著性差異(P>0.05);隨著Ca2+濃度進一步增加至9.00 mmol·L-1,葉綠素a含量逐漸下降,與3.50 mmol·L-1處理差異顯著(P<0.05)。葉綠素b在0.75 mmol·L-1處理下差異不顯著(P>0.05),而后隨著Ca2+濃度的增加,各處理間葉綠素b含量呈先上升后下降的趨勢,且各組含量均大于0.75 mmol·L-1處理,差異顯著(P<0.05)。

圖6 不同Ca2+濃度對甜菜幼苗葉片葉綠素a含量(a)和葉綠素b含量(b)的影響

2.2.2 不同鈣營養對甜菜幼苗葉片表觀光合作用的影響

圖7為不同Ca2+濃度對甜菜幼苗表觀光合作用的影響,由圖可知,Pn、Tr、Gs和Ci隨Ca2+濃度的增加變化趨勢一致,均呈先上升后下降趨勢,且在Ca2+濃度為3.50 mmol·L-1處理中達最大值。在Ca2+濃度為3.50和7.50 mmol·L-1處理下,4項指標差異均不顯著(P>0.05),其他濃度處理中各指標存在顯著性差異(P<0.05)。Pn最大值為28.38 μmol·m-2·s-1,其他各組相較最大值分別下降61.32%、50.46%、25.12%、4.52%和34.87%,Tr、GS和Ci最大值分別為2.837、80.917和270.893 μmol·m-2·s-1。

圖7 不同Ca2+濃度對甜菜幼苗表觀光合作用的影響:(a) Pn;(b) Tr;(c) Gs;(d) Ci

2.3 不同鈣營養處理下甜菜幼苗各指標間相關性及主成分分析

運用SPSS對甜菜各項指標進行相關性分析,結果如表1所示。可以看到,甜菜幼苗生長形態與光合作用各指標之間存在不同程度的正相關關系。甜菜幼苗株高與其他各項指標均表現為顯著(P<0.01)的正相關關系,相關系數除相對含水量和葉綠素b外均在0.95～0.99。此外,在光合作用相關指標中,Pn、Tr、Gs和Ci間存在不同程度的正相關關系,均達到極顯著水平(P<0.005)。Ci與Tr間相關系數為0.999,兩者變化趨勢極相似;Pn與Gs間相關系數為0.988,變化趨勢一致。

表1 甜菜幼苗各指標間相關關系矩陣

對甜菜各項指標進行主成分分析,結果如表2所示,同時計算特征向量和貢獻率,得出Ca2+濃度對各項指標的影響程度。兩個主成分的累計貢獻率達到94.64%(>90%),包含原始變量的絕大部分信息。第一主成分的貢獻率為86.81%,其中特征向量中絕對值較大的分量是株高、干重以及Tr,其值分別為0.994、0.988和0.986,這三個指標從植物表型、生物量和生理方面反映了不同Ca2+濃度對甜菜幼苗生長的影響程度。第二主成分貢獻率為7.83%,特征向量中絕對值較大的分量是相對含水量、葉綠素b和葉面積。

表2 不同Ca2+濃度對甜菜幼苗各指標間主成分分析

3 討 論

隨著添加Ca2+濃度的升高,各組處理中甜菜幼苗在生長表型和表觀光合作用等方面均呈先上升后下降趨勢,在Ca2+濃度為3.50 mmol·L-1處理中達到最大值。結果表明,外源鈣的添加顯著促進了甜菜幼苗生長,3.50 mmol·L-1為最適Ca2+濃度。Vanneste等研究發現,一定濃度Ca2+可通過誘導植物體內生長素運輸速率和流向,促進植物生長發育[14];汪洪等實驗也證明,添加Ca2+可增加玉米植株的生物量[15];但Ropokis等研究發現,Ca2+積累到過高水平導致植物營養物質間比例失衡,產量降低[16]。Ca2+作為植物細胞第二信使,與鈣調蛋白結合形成鈣-鈣調蛋白(Ca2+-CaM)復合體,參與信息傳遞;Ca2+信號轉導不僅發生在細胞質中,也發生在葉綠體、線粒體和內膜系統等細胞器中。Pirayesh等研究發現,Ca2+濃度變化影響葉綠體內光合作用等過程,可促進葉綠素產生[17]。本實驗發現,Ca2+能夠顯著促進甜菜幼苗生長,提高生物量的積累,增加甜菜幼苗葉片中總葉綠素的含量,且各組處理間差異顯著(P<0.05),該結果與前人研究結果相似。

4 結 論

適宜的鈣營養可明顯促進甜菜幼苗生長。當添加Ca2+濃度為3.50 mmol·L-1時,鈣營養對甜菜幼苗生長的促進作用最明顯,主要表現在株高、根、葉面積和干鮮重方面;Ca2+可通過增加甜菜葉片葉綠素含量,促進其光合作用的進行;Pn、Tr、Gs和Ci在不同Ca2+濃度處理的葉片中均表現出正相關關系,呈先上升后下降趨勢,說明添加適宜濃度Ca2+可增強甜菜幼苗的光合作用。