閩楠幼苗在不同pH處理下的生理響應

張廣濤,李 彬,劉 尖,許樊蓉,喻方圓*

(1.南方現代林業協同創新中心南京林業大學林學院,江蘇南京 210037;2．江西省吉安市青原區林業事業發展服務中心,江西吉安343009;3.江西潤和金絲楠種植開發有限公司,江西撫州 344000)

閩楠[Phoebebournei(Hemsl.) Yang]又稱楠木,屬樟科楠屬,是我國特有的國家二級保護樹種[1]。閩楠的材質優良,是工藝雕刻及造船良材,同時其木材具有香氣,加工容易,紋理美觀,是上等家具用材[2]。但閩楠生長較慢,造林成活率較低,再加上長期的人為破壞,導致目前其在我國的天然分布越來越少[3]。因此,加強對閩楠優良壯苗培育研究,對閩楠資源的保護恢復及利用具有重要意義。要培育優良的閩楠苗,須先了解其對土壤環境的適應性,確定最適的土壤酸堿范圍。容器育苗是培育苗木的重要方法,確定閩楠容器苗適合的土壤酸堿范圍,可為其育苗基質的選擇提供科學依據。

針對閩楠容器苗的培育,前人開展了一系列研究,如陳炳全等[4]在容器苗長出新葉至成熟時進行水分脅迫試驗,發現閩楠容器苗能適應輕度、中度淹水環境,因而適宜在我國干旱和多雨地區園林綠化中推廣種植。黃曉蓉等[5]研究發現,楠木對干旱和水澇條件均有一定的適應能力。唐星林等[6]研究發現,閩楠容器苗在全光照下會發生光抑制,適合在遮陰條件下生長。閔曉航[7]研究發現,50%遮陰處理有利于閩楠容器苗的生長,而且適度遮陰能夠提高其對寒冷脅迫的耐受性。張根水等[8]對不同氮沉降下閩楠容器苗的生長、干物質分配和含水量進行了比較,發現低水平氮沉降能有效促進閩楠容器苗生長,而高水平氮沉降條件處理下閩楠容器苗的生長會受到抑制。李彬等[9]研究發現,隨著氮濃度增加,閩楠容器苗的苗高、地徑和全株生物量均呈先減小后增大趨勢。安常蓉等[10]研究發現,隨著脅迫溫度的降低,閩楠容器苗的質膜透性、SOD酶活性和脯氨酸含量會不同程度增加,MDA含量先降低后升高,葉綠素含量持續下降,同時確定閩楠容器苗半致死溫度為-2.9 ℃。劉剛等[11]選取不同土壤條件的樣地進行閩楠生長量研究,發現閩楠春梢生長量與全氮呈線性正相關,在一定范圍內,閩楠春梢生長量隨全氮含量增加而增加。總結前人研究發現,目前對閩楠容器苗的研究主要集中在水分、光照、大量元素、溫度及土壤等生長因子上,對土壤酸堿性的研究較為缺乏。

筆者以當年生閩楠容器苗為試驗對象,研究不同pH處理對閩楠容器苗根系活力、葉片相對含水量、葉片葉綠素a和b含量、細胞膜透性和丙二醛(MDA)含量等方面的影響,以期確定適宜閩楠生長的土壤酸堿度,為擴大閩楠的栽培范圍及育苗基質的選擇提供理論與實踐依據。

1 材料與方法

1.1 研究地概況研究地點位于南京林業大學下蜀實習林場,該地屬于北亞熱帶季風氣候區,四季分明,光照充足,水熱資源豐富,具有發展林業生產的良好條件。

1.2 試驗材料選取原產地為江西樟樹市的當年生閩楠容器苗,于2022年4月初移栽至南京林業大學下蜀實習林場,于2022年9月中旬選擇長勢相對一致的苗木帶回南京林業大學生物科技大樓3樓平臺進行試驗。

1.3 試驗設計設定4個不同pH處理,即3、5、7、9,每處理每重復10株,每處理設3次重復。6株不進行處理,作為對照,共126株。于2022年9月16日早晨將幼苗移栽到花盆中(15.0 cm×15.2 cm),每盆1株,基質為純黃沙,裝填至距盆沿2.0 cm處。黃沙主要成分為二氧化硅(SiO2),僅起固定作用,移栽之前分別用自來水和蒸餾水將黃沙清洗后烘干,目的是洗去黃沙中的水溶性物質,提高黃沙純凈度,然后將烘干后的黃沙分別在pH為3、5、7、9的溶液中浸泡24 h,然后將水瀝干。利用1 mol/L H2SO4和NaOH配制不同pH溶液,每隔1 d澆灌1次,每次對每株澆灌200 mL。處理共持續11 d,分別于處理的第0、3、5、7、9、11天9:00進行破壞性取樣,每次每處理取6株。

1.4 指標測定方法采用TTC法測定根系活力;利用烘箱加熱法測定樣品葉片相對含水量;利用分光光度計在不同波長下測定葉綠素a、b含量;細胞質膜透性及傷害度采用電導率法測定;利用TBA法測定丙二醛(MDA)含量。

1.5 數據處理采用Excel 2013整理數據,SPSS 26完成單因素方差分析,Origin 2018進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同pH處理對閩楠容器苗根系活力的影響從圖1可以看出,閩楠容器苗根系活力隨時間變化均有不同程度的下降。其中,3 d時各處理根系活力均下降且差異不顯著;5 d時,pH 5、7處理根系活力較其他處理小,分別為23.68和24.65 mg/(g·h),pH 3、5、7處理間差異不顯著,且與pH 9處理間差異顯著(P<0.05);7 d時,pH 7、9處理間差異顯著(P<0.05),其中pH 7處理是pH 9處理的136%;11 d時,pH 7、9處理間差異不顯著,且與pH 3處理間差異顯著(P<0.05),其中pH 3處理是pH 7處理的78.80%。

注:不同小寫字母表示同一天數下不同pH處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different pH treatments on the same day (P<0.05).圖1 不同pH處理下閩楠容器苗根系活力的變化Fig.1 Changes of root activity of P.bournei container seedlings under different pH treatments

2.2 不同pH處理對閩楠容器苗葉片相對含水量的影響從圖2可知,閩楠容器苗在pH 3、9處理下葉片相對含水量前期均無明顯波動,中期出現先降后升,后期出現大幅降低的情況;pH 5處理相對含水量前、中期均無明顯波動,后期出現大幅下降;pH 7處理相對含水量前、中期出現小幅減小,后期遞增并略微超過起始相對含水量。5 d時,pH 3、5處理下的容器苗相對含水量基本一致且高于堿性處理,5 d后均低于堿性處理。前9 d各處理組間差異均不顯著。試驗進行到11 d時,pH 3、5、9處理容器苗相對含水量降至最低,分別為最高水平的64.57%、76.94%、69.22%;pH 7處理相對含水量達到最高為98.53%,且與其他3組處理差異顯著(P<0.05),是pH 3處理的157.67%。

注:不同小寫字母表示同一天數下不同pH處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different pH treatments on the same day (P<0.05).圖2 不同pH處理下閩楠容器苗葉片相對含水量的變化Fig.2 Changes of relative water content in leaves of P.bournei container seedlings under different pH treatments

2.3 不同pH處理對閩楠容器苗光合色素含量的影響

2.3.1對葉片葉綠素a含量的影響。由圖3可知,各處理閩楠容器苗葉片葉綠素a的含量隨時間變化均波動較大。3 d時,各處理葉綠素a含量均出現明顯上升趨勢,其中pH 5處理上升幅度最大,pH 7、9處理間差異不顯著,且與其他2個處理間差異顯著(P<0.05);試驗進行到5 d時,各處理葉綠素a含量均出現大幅降低,其中pH 5處理降低最多,達到0.86 mg/g,pH 5、7、9處理間差異顯著(P<0.05);7 d時,pH 3、5、7處理葉綠素a含量呈上升趨勢,其中pH 3處理達到最大值2.53 mg/g;9 d時,pH 3、9處理間差異不顯著,且與其他2組間差異顯著(P<0.05);11 d時,pH 3、5、9處理較9 d葉綠素a含量都有所增加,其中pH 9處理增加量最大,達到0.81 mg/g,pH 7、9處理間差異不顯著,且與pH 3處理間差異顯著(P<0.05)。

注:不同小寫字母表示同一天數下不同pH處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different pH treatments on the same day (P<0.05).圖3 不同pH處理下閩楠容器苗葉片葉綠素a含量的變化Fig.3 Changes of chlorophyll a content in leaves of P.bournei container seedlings under different pH treatments

2.3.2對葉片葉綠素b含量的影響。由圖4可知,閩楠容器苗葉片中葉綠素b的含量隨時間變化波動較大。其中,酸性處理下葉綠素b含量前中期變化較大,堿性處理下前期和后期變化較大。3 d時,各處理葉綠素b含量均出現明顯上升,其中pH 5處理上升幅度最大,上升了0.40 mg/g,pH 7、9處理間差異不顯著,且與其他2個處理間差異顯著(P<0.05),pH 5處理達到pH 9處理的132%;5 d時,各處理葉綠素b含量均出現大幅降低,其中pH 5處理降低最多,達到0.37 mg/g,各處理間差異不顯著;7 d時,pH 3、5、7處理葉綠素b含量均上升,其中pH 3和pH 5處理分別達到最大值0.97和1.03 mg/g,pH 3、5處理間差異不顯著,且與其他2組間差異顯著(P<0.05);9 d時,pH 3、9處理差異不顯著,且與其他2組間差異顯著(P<0.05);11 d時,pH 3、5、9處理較9 d時葉綠素b含量都有所增加,其中pH 9處理增加量最大,達到0.40 mg/g,pH 3、7處理間差異顯著(P<0.05),pH 3處理含量是pH 7處理含量的68.89%。

注:不同小寫字母表示同一天數下不同pH處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different pH treatments on the same day (P<0.05).圖4 不同pH處理下閩楠容器苗葉片葉綠素b含量的變化Fig.4 Changes of chlorophyll b content in leaves of P.bournei container seedlings under different pH treatments

2.3.3對葉片葉綠素總量的影響。由圖5可知,閩楠容器苗葉片中的葉綠素總量隨時間變化均波動較大。其中,酸性處理下葉綠素總量前中期變化較大,堿性處理下前期和后期變化較大。3 d時,各處理葉綠素總量均出現明顯上升,其中pH 5處理增加量最大,達到1.34 mg/g,pH 7、9處理間差異不顯著,且與其他2個處理組間互相差異顯著(P<0.05),pH 5處理達到pH 9處理的131.64%;試驗進行到5 d時,各處理葉綠素總量均出現大幅降低,其中pH 5處理降低量最大,達到1.22 mg/g,pH 3、7、9處理間差異不顯著,且與pH 5處理間差異顯著(P<0.05),pH 5處理為pH 7處理的120%;7 d時,pH 3、5、7處理葉綠素總量均上升,其中pH 3處理和pH 5處理分別達到最大值3.51和3.65 mg/g,pH 3、5處理間差異不顯著,且與其他2組間差異顯著(P<0.05);9 d時,pH 3、9處理間差異不顯著,且與其他2處理間差異顯著(P<0.05);11 d時,pH 3、5、9處理較9 d時葉綠素總量都有所增加,其中pH 9處理增加量最大,達到1.11 mg/g,pH 7、9處理間差異不顯著,且與pH 3處理差異顯著(P<0.05),pH 3處理含量為pH 7處理含量的73.46%。

注:不同小寫字母表示同一天數下不同pH處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different pH treatments on the same day (P<0.05).圖5 不同pH處理下閩楠容器苗葉片中葉綠素總量的變化Fig.5 Changes of total amount of chlorophyll in leaves of P.bournei container seedlings under different pH treatments

2.4 不同pH處理對閩楠容器苗細胞膜透性的影響由圖6可知,pH 3、5、9處理閩楠容器苗細胞膜相對透性隨時間變化波動較大,pH 7處理變化較為平穩。3 d時,除pH 3處理容器苗細胞膜透性有所增加,其余處理均有不同程度的下降,其中pH 9處理下降量最大達到3.75%,pH 5、7、9處理間差異不顯著,且與pH 3處理差異顯著(P<0.05),pH 3處理為pH 9處理的132.31%;5 d時,各處理間差異不顯著;7 d時,pH 3、5、9處理的細胞膜透性相較于5 d均有不同程度的增加,其中pH 5處理增加量最大達到11.49百分點,pH 3、5處理間差異不顯著;9 d時,各處理間差異均不顯著;試驗到11 d時,所有組細胞膜透性均達到最大值,pH 5、9處理間差異不顯著,且與其他2處理間差異顯著(P<0.05),其中pH 3處理是pH 7處理的212.57%。

注:不同小寫字母表示同一天數下不同pH處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different pH treatments on the same day (P<0.05).圖6 不同pH處理下閩楠容器苗葉片細胞膜相對透性的變化Fig.6 Changes of relative permeability of cell membrane in leaves of P.bournei container seedlings under different pH treatments

2.5 不同pH處理對閩楠容器苗葉片傷害度的影響從圖7可以看出,容器苗在pH 7下能夠正常生長,在pH 9下有損害,在pH 3的情況下受損表現較嚴重。

注:不同小寫字母表示同一天數下不同pH處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different pH treatments on the same day (P<0.05).圖7 不同pH處理下閩楠容器苗葉片傷害度的變化Fig.7 Changes of damage degree in leaves of P.bournei container seedlings under different pH treatments

2.6 不同pH處理對閩楠容器苗葉片MDA含量的影響如圖8所示,閩楠容器苗葉片中的MDA含量隨時間變化總體較為平穩。試驗前9 d各處理容器苗葉片MDA含量均不存在顯著差異,其中9 d時,pH 5、7、9處理含量達到最大值,分別為0.52、0.52、0.49 μmol/g;11 d時,pH 3、9處理間MDA含量差異顯著(P<0.05),pH 3處理MDA含量達到pH 9處理的192%。

注:不同小寫字母表示同一天數下不同pH處理間差異顯著(P<0.05)。Note:Different lowercase letters indicate significant differences between different pH treatments on the same day (P<0.05).圖8 不同pH處理下閩楠容器苗葉片MDA含量的變化Fig.8 Changes of MDA content in leaves of P.bournei container seedlings under different pH treatments

3 結論與討論

3.1 不同pH 對閩楠容器苗根系活力的影響土壤的酸堿性會對植物根系的活力產生影響,土壤酸性或堿性超過植物耐受范圍會使植物根系活力降低,進而影響根系對營養物質及水分的吸收利用[12]。該試驗通過統計分析不同pH 下閩楠容器苗根系活力的差異,發現根系活力會隨著處理時間的推移呈現明顯下降趨勢,11 d根系活力表現為pH 7處理>pH 9處理>pH 5處理>pH 3處理,這表明過酸過堿均會對其活力產生不利影響,其中過酸性條件對根系活力影響程度更大。

3.2 不同pH 對閩楠容器苗水分狀況的影響充足的水分是植物生長的重要條件之一,水分缺失生長就會受到影響。植物組織含水量是反映植物水分狀況的重要參數[13]。該試驗通過對不同pH 條件下閩楠容器苗相對含水量的統計分析,發現過酸過堿條件下,閩楠容器苗的相對含水量很低,并且隨著酸性或堿性的增強,降低程度加劇。pH 5～7處理條件下,相對含水量較高,植物水分狀況較好。這與不同pH 緩沖溶液處理下蠶豆葉片相對含水量的變化研究結果一致[14]。

3.3 不同pH 對閩楠容器苗光合色素含量的影響葉綠素與光合作用密切相關,其含量直接影響光合作用的效率,有研究表明,光合作用會隨著葉綠素含量的增大而增強[15-16]。pH 過高或過低均會使葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量降低,葉綠素a含量降低的趨勢比葉綠素b更大[17]。該試驗通過對不同pH 處理下閩楠容器苗葉綠素a、b的含量及其總量的統計分析,研究發現以下規律:①葉綠素a在試驗前期對酸的耐受性要強于對堿的,而到了試驗后期,對堿的耐受性處理優于對酸的。而隨著酸性的增強,葉綠素a的耐受性逐漸降低。葉綠素b與葉綠素a對酸堿耐受性規律基本一致。②閩楠容器苗葉片葉綠素總量會隨pH的降低而降低。其中,pH 5、7處理葉綠素總量一直維持在較高水平,這表明pH 5、7更有利于容器苗進行光合作用。這與酸堿脅迫對黑麥草(LoliumperenneL.)容器苗生長影響的研究結果一致[18]。

3.4 不同pH 對閩楠容器苗膜系統穩定性的影響植物細胞處于逆境環境時,細胞膜遭到破壞,細胞膜透性隨之增大,故一般用細胞膜透性大小表示細胞膜的完整性[19]。MDA是膜脂過氧化的產物,可以作為過氧化指標,表示細胞膜脂過氧化程度和植物對逆境條件反應的強弱[20]。該試驗通過對不同pH 條件下閩楠容器苗細胞膜相對透性、葉片中MDA含量的統計分析,發現以下規律:①閩楠容器苗膜相對透性在pH 過高或過低條件下會逐漸增大,而且酸性或堿性越強,細胞膜被破壞的程度越大。這與陳玉梅等[21]研究pH 對甜菜(BetavulgarisL.)生物膜選擇透性的影響結果一致。②隨著時間的推移,pH 5、7、9處理MDA含量均出現先上升后下降的規律,由此可見容器苗應對不利環境時有一個自我恢復的過程,這與吳月淼[22]對酸堿脅迫下閩楠容器苗葉片MDA含量的研究結果一致。因此pH 為5～7時更有利于閩楠容器苗細胞膜系統的穩定性。

綜上,最適宜閩楠容器苗生長的基質pH 為5～7。過酸過堿的生長環境會降低閩楠容器苗的抗逆性,并且這種不利作用會隨著基質酸堿性的增大而加劇。