趙 琪,張志軍,李 超,鄒養(yǎng)軍

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

在干旱和半干旱地區(qū)，水分是影響植物生長(zhǎng)的主要因素之一。干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致作物減產(chǎn)，威脅農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。干旱脅迫影響植物新陳代謝和蛋白質(zhì)組學(xué)等過程，從而影響植物的生長(zhǎng)[1-2]。在干旱條件下，植物諸多生理指標(biāo)通常會(huì)下降[3]，并且生理指標(biāo)下降的程度取決于干旱程度及其持續(xù)時(shí)間[4]。干旱脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的影響可以用以下幾種方式分析，如生物量積累、氣體交換能力、光合系統(tǒng)活性、活性氧代謝、營養(yǎng)同化和運(yùn)輸過程等[5-6]。在干旱條件下，植物通過關(guān)閉氣孔來減少水分蒸發(fā)、降低CO2攝入量，從而削弱光合能力，而光合同化物的減少以及蒸騰拉力的下降會(huì)影響植物生物量的積累[7]。盡管干旱脅迫會(huì)影響植物的生長(zhǎng)，但是植物往往通過調(diào)節(jié)生理、形態(tài)、新陳代謝及其他機(jī)制來適應(yīng)干旱脅迫，以實(shí)現(xiàn)蒸騰失水量和根系吸水量的平衡[8]。

礦物質(zhì)營養(yǎng)在植物的生長(zhǎng)發(fā)育過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[9]。礦質(zhì)養(yǎng)分的運(yùn)輸極大程度上依賴于水分運(yùn)輸，木質(zhì)部汁液中礦質(zhì)陽離子的濃度又調(diào)節(jié)著水分的長(zhǎng)距離運(yùn)輸[10]，這種相互關(guān)系稱之為“離子效應(yīng)”，對(duì)于植物養(yǎng)分和水分能夠最優(yōu)化分配到不同部位及抗旱性有重要作用[11]。由于礦質(zhì)元素參與眾多生理生化過程，所以礦質(zhì)元素含量不足會(huì)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受抑制和產(chǎn)量受損。集流、擴(kuò)散和接觸交換是高等植物吸收礦物元素的三大機(jī)制[12-14]。水分虧缺可以通過以下3種方式影響植物的養(yǎng)分狀況：首先，土壤含水量減少會(huì)影響土壤養(yǎng)分礦化，從而減少土壤中可利用的養(yǎng)分[12]；其次，集流、擴(kuò)散不暢會(huì)抑制養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[13]；最后，葉片氣孔導(dǎo)度下降會(huì)影響光合作用和蒸騰速率[14]。雖然目前關(guān)于干旱與水分利用效率的相關(guān)研究很多，但干旱條件下蘋果養(yǎng)分吸收與利用的研究還較少。

蘋果是世界主栽水果之一，種植范圍廣，在世界果品生產(chǎn)中占有重要地位，中國是世界蘋果生產(chǎn)大國。中國蘋果栽培主要集中在北方，而這些地區(qū)土壤干旱及貧瘠化嚴(yán)重，成為制約蘋果優(yōu)生栽培區(qū)域擴(kuò)大的主要因素之一。在蘋果生產(chǎn)上，其抗逆性主要取決于砧木。砧木抗旱性是由多種因素相互作用構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜的綜合性狀。劉丙花[15]研究了不同砧木對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，但干旱脅迫下砧木對(duì)接穗礦質(zhì)養(yǎng)分吸收差異的影響還不是很清楚。為此，本研究調(diào)查了干旱對(duì)嫁接在不同砧木上的“蜜脆”蘋果苗生長(zhǎng)量積累、葉片礦質(zhì)養(yǎng)分含量、植株養(yǎng)分吸收通量及利用效率的影響，以期篩選出干旱條件下礦質(zhì)養(yǎng)分高效吸收利用的蘋果砧木。

1 材料與方法

1.1 植物材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年3月，將蘋果品種“蜜脆”的接穗嫁接在10種(G11、G30、Gx、G935、Pajam2、Pajam1、T337、M9、M26和G41)2年生蘋果砧木上，砧木均采用壓條繁殖。所有材料移植在塑料盆(盆口直徑38 cm，盆底直徑23 cm，盆高35 cm)中培養(yǎng)，盆中裝混合土(V(土壤)∶V(沙)=1∶1)，均放置于大棚中。為了避免邊緣效應(yīng)，所有盆栽苗的位置每周隨機(jī)輪換，使每株材料完全隨機(jī)擺放。

試驗(yàn)開始前所有材料正常供水，在充分澆水條件下生長(zhǎng)4個(gè)月后，每個(gè)砧木選取80株生長(zhǎng)良好且長(zhǎng)勢(shì)一致的蘋果苗進(jìn)行處理。試驗(yàn)設(shè)計(jì)2種水分處理：對(duì)照正常澆水，以保持盆土達(dá)到75%～85%田間最大持水量(CK)；中度干旱脅迫處理(MD)保持盆土達(dá)到45%～55%田間最大持水量，每個(gè)處理各40株。采用稱重法計(jì)算土壤含水量并記錄每天水分散失量，隔天18：00 補(bǔ)充損失水分。土壤表面均勻覆沙，盡量減少土壤表層水分蒸發(fā)。試驗(yàn)開始于2017年7月1日，結(jié)束于2017年9月1日，歷時(shí)62 d。

1.2 不同砧木蘋果嫁接苗生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)算

處理開始后0 d和62 d取樣測(cè)定各處理蘋果植株生長(zhǎng)指標(biāo)，每個(gè)處理10株重復(fù)。株高用米尺(精度1 mm)測(cè)定(從嫁接口至主干頂芽)，主干基部直徑用電子游標(biāo)卡尺(精度0.001 mm)測(cè)定。收獲每組處理的整株植株，并分為葉片、枝干和根系3部分，首先用自來水沖洗根部，然后分別用自來水、0.1 mol/L HCl和蒸餾水洗滌所有樣品，吸水紙擦干，記錄植株的總鮮質(zhì)量。之后在105 ℃烘箱中殺青15～20 min，然后70 ℃烘干至恒質(zhì)量，生物量的總干質(zhì)量為根、莖、葉干質(zhì)量的總和，凈生物量和相對(duì)生長(zhǎng)速率按下式計(jì)算：

凈生物量=W2-W1；

相對(duì)生長(zhǎng)速率=(lnW2-lnW1)/(t2-t1)[16]。

式中：W1是第0天(t1)的植物干質(zhì)量，W2是第62天(t2)的植物干質(zhì)量。

1.3 不同砧木蘋果嫁接苗礦質(zhì)元素含量的測(cè)定

處理62 d時(shí)取樣測(cè)定蘋果植株根、莖、葉的礦質(zhì)元素含量，每個(gè)處理重復(fù)5次。將烘干的植物材料用普通研磨機(jī)粉碎后過孔徑0.300 mm(50目)篩。稱取0.2 g干物質(zhì)粉末放入100 mL消煮管中，用濃硫酸(H2SO4,AR,98%)和過氧化氫(H2O2,GR,≥30%)消化。消煮結(jié)束后，用去離子水定容至100 mL，上下顛倒混勻。用AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀(SEAL Analytical,Norderstedt,Germany)測(cè)定N和P含量， K含量通過火焰光度計(jì)(M410;Sherwood Scientific Ltd.,Cambridge,United Kingdom)測(cè)定。取0.1 g樣品，使用微波反應(yīng)系統(tǒng)(Multiwave PRO;Anton Paar GmbH,Graz,Austria)將樣品用硝酸(HNO3,AR,65%)消化，采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(iCAP Q ICP-MS;Thermo Fisher Scientific Co.,Waltham,MA,United States)對(duì)Ca和Mg元素含量進(jìn)行測(cè)定。

1.4 不同砧木蘋果嫁接苗礦質(zhì)養(yǎng)分吸收通量和養(yǎng)分利用效率的計(jì)算

采用Kruse等[17]和Sánchez-Rodríguez等[18]的方法，根據(jù)相對(duì)生長(zhǎng)速率、干質(zhì)量以及根、莖、葉中礦質(zhì)元素的含量來計(jì)算養(yǎng)分吸收通量和養(yǎng)分利用效率，公式如下：

養(yǎng)分吸收通量J(mg/(株·d))=礦質(zhì)元素含量(mg/g)×干質(zhì)量(g/株)×相對(duì)生長(zhǎng)速率(mg/(g·d))；

J總=J根+J莖+J葉；

養(yǎng)分利用效率(g/g)=凈生物量(g/株)/養(yǎng)分含量(g/株)。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，計(jì)算了各項(xiàng)指標(biāo)的脅迫變化幅度，公式如下：

指標(biāo)脅迫變化幅度=(干旱處理植株測(cè)量值-對(duì)照植株測(cè)量值)/對(duì)照植株測(cè)量值×100%。

所有數(shù)據(jù)均使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行分析，用Excel制圖。單因素方差分析(ANOVA)用于比較處理間的差異，對(duì)差異顯著者采用Duncan’s法進(jìn)行多重比較。運(yùn)用Two-way ANOVA方法對(duì)每個(gè)變量進(jìn)行LDS檢驗(yàn)(P<0.05)。以礦質(zhì)養(yǎng)分吸收通量和養(yǎng)分利用效率的原始值為依據(jù)，采用歐氏距離并運(yùn)用離差平方和法，對(duì)不同砧木蘋果幼苗的養(yǎng)分吸收利用效率進(jìn)行聚類分析。文中數(shù)據(jù)均為5到10個(gè)重復(fù)樣本的“平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)”。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱條件下不同砧木對(duì)“蜜脆”蘋果幼苗生長(zhǎng)的影響

由方差分析結(jié)果可知，砧木、水分及砧木×水分的交互作用均極顯著(P<0.001)影響“蜜脆”蘋果幼苗的凈生物量和相對(duì)生長(zhǎng)速率。由表1可知，與CK相比，干旱顯著降低了“蜜脆”蘋果幼苗的凈生物量、相對(duì)生長(zhǎng)速率、莖粗和株高；2種供水條件下，“蜜脆”蘋果幼苗的上述指標(biāo)均因砧木不同而表現(xiàn)各異。干旱脅迫后，引起植株凈生物量和相對(duì)生長(zhǎng)速率下降幅度最大的砧木為Pajam2(-91.76%，-86.51%)，最小的為T337(-64.26%，-50.12%)；引起植株莖粗下降幅度最大的砧木為G935(-27.36%)，最小的為Pajam1(-10.95%)；引起植株株高下降幅度最大的砧木為M9(-43.79%)，最小的為G30(-28.11%)。

表1 干旱條件下不同砧木對(duì)“蜜脆”蘋果幼苗凈生物量和相對(duì)生長(zhǎng)速率的影響Table 1 Effects of different rootstocks on net biomass and relative growth rate of “Honey Crisp” apple trees under drought stress

注：同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note:Different lowercase letters indicate signifcant difference (P<0.05).The same below.

2.2 干旱條件下不同砧木對(duì)“蜜脆”蘋果幼苗葉片大量礦質(zhì)元素含量的影響

由方差分析結(jié)果可知，砧木、水分和砧木×水分的交互作用極顯著(P<0.001)影響 “蜜脆”蘋果幼苗葉片中大量元素的含量。由表2可知，干旱條件下，植株葉片中N、P、K、Ca、Mg含量最高的砧木分別為M26、M26、Gx、M9和G11，最低的分別為G30、M9、G41、T337和T337。與CK相比，干旱降低了大多數(shù)植株葉片中的大量元素含量。與CK相比，植株葉片中N、P、K、Ca、Mg含量受干旱脅迫影響，下降幅度最大的砧木分別為G935(-9.33%)、M9(-35.70%)、G41(-27.59%)、G11(-29.63%)和G30(-24.07%)；上升幅度最大或下降幅度最小的分別為M26(1.39%)、M26(5.99%)、Pajam2(-1.16%)、M9(38.98%)和M9(18.56%)。

表2 干旱條件下不同砧木對(duì)“蜜脆”蘋果幼苗葉片大量礦質(zhì)元素含量的影響Table 2 Effects of different rootstocks on content of macronutrients of “Honey Crisp” apple trees leaves under drought stress

表2(續(xù)) Coniuned table 2

2.3 干旱條件下不同砧木對(duì)“蜜脆”蘋果幼苗大量礦質(zhì)元素吸收通量的影響

方差分析結(jié)果表明，砧木、水分和砧木×水分的交互作用極顯著(P<0.001)影響“蜜脆”蘋果植株的大量元素吸收通量。與CK相比，干旱顯著降低了所有植株的元素吸收通量，不同砧木的降低程度不同(表3)。正常供水(CK)條件下，植株N、P、K、Ca、Mg吸收通量最大的砧木分別為G935、G935、G935、G11和M26，而以Pajam1為砧木的植株N、P、K、Ca、Mg吸收通量均最小。干旱條件下，植株N、P、K、Ca、Mg吸收通量最大的砧木分別為M26、M26、T337、T337和M26；而以Pajam2為砧木的植株N、P、K、Ca、Mg的吸收通量均最小。干旱處理后，以Pajam2為砧木的植株N、P、K、Ca、Mg的吸收通量下降幅度最大，分別降低94.97%，95.97%，95.09%，94.62%和95.04%，以T337為砧木的植株N、K、Ca、Mg的吸收通量下降幅度最小，分別降低71.46%，75.15%，71.06%和71.17%，以M26為砧木的植株P(guān)吸收通量下降幅度最小，降低74.28%。

表3 干旱條件下不同砧木對(duì)“蜜脆”蘋果幼苗大量礦質(zhì)元素吸收通量的影響Table 3 Effects of different rootstocks on absorption fluxes of macronutrients of “Honey Crisp” apple trees under drought stress

2.4 干旱條件下不同砧木對(duì)“蜜脆”蘋果幼苗養(yǎng)分利用效率的影響

由方差分析結(jié)果可知，砧木、水分和砧木×水分的交互作用顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)影響“蜜脆”蘋果植株的養(yǎng)分利用效率。表4表明，與CK相比，干旱處理降低了大多數(shù)植株的N、Ca、Mg利用效率，但提高了K、P的利用效率，不同砧木對(duì)“蜜脆”幼苗養(yǎng)分利用效率的影響不同。正常供水(CK)條件下，植株N、P、K、Ca、Mg養(yǎng)分利用效率最高的砧木分別為Pajam1、Pajam1、Pajam1、Gx和Gx，最低的分別為G11、G11、Gx、G11和G11。干旱條件下，植株N、P、K、Ca、Mg養(yǎng)分利用效率最高的砧木分別為G30、M9、G30、G30和T337，最低的分別是G11、G11、Gx、G11和M9 。與CK相比，植株葉片N、P、K、Ca、Mg利用效率降幅最大的砧木分別為Pajam1(-10.75%)、M26(-2.22%)、Pajam2 (-0.64%)、M9(-23.07%)和M9(-23.43%)，上升幅度最大或下降幅度最小的分別為G30(-0.40%)、Gx(36.61%)、G41(20.92%)、G11(19.83%)和G30(14.91%)。

表4 干旱條件下不同砧木對(duì)“蜜脆”蘋果幼苗礦質(zhì)養(yǎng)分利用效率的影響Table 4 Effects of different rootstocks on nutrient use efficiency of “Honey Crisp” apple trees under drought stress

2.5 干旱條件下不同砧木蘋果幼苗基于養(yǎng)分吸收利用效率的聚類分析

以不同砧木“蜜脆”蘋果幼苗干旱條件下的大量元素吸收通量和養(yǎng)分利用效率原始數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用歐氏距離并運(yùn)用離差平方和法，對(duì)10個(gè)砧木的養(yǎng)分吸收利用效率進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見圖1。由圖1可以看出，根據(jù)歐氏距離可將嫁接在10個(gè)砧木上的“蜜脆”蘋果幼苗在干旱條件下的養(yǎng)分吸收利用效率分為3組。其中第Ⅰ組包括M26、T337和Gx，屬高養(yǎng)分吸收利用效率砧木；第Ⅱ組包括G11、G41和M9，屬低養(yǎng)分吸收利用效率砧木；第Ⅲ組包括G935、Pajam1、Pajam2和G30，屬中等養(yǎng)分吸收利用效率砧木。

圖1 干旱條件下不同砧木“蜜脆”蘋果幼苗基于大量元素吸收通量和養(yǎng)分利用效率的聚類結(jié)果Fig.1 Cluster analysis results of “Honey Crisp” based on absorption fluxes of macronutrients and nutrient use efficiency under drought conditions

3 討 論

干旱脅迫下，植物生長(zhǎng)會(huì)在很多方面受到影響，如葉片水勢(shì)降低、植物水勢(shì)和營養(yǎng)關(guān)系發(fā)生變化[19]等。本試驗(yàn)結(jié)果表明，干旱脅迫導(dǎo)致很多參數(shù)下降，但砧木的基因型會(huì)影響“蜜脆”蘋果嫁接苗對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)。這是由于地上部的接穗都相同，所以植株生長(zhǎng)上的差異主要?dú)w因于砧木基因型的不同[20]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，以M26和T337為砧木的植株生物量在干旱脅迫下較其他植株高，這與其有較快的相對(duì)生長(zhǎng)速率有關(guān)。干旱脅迫降低了供試幼苗總的干物質(zhì)積累量及其對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，所以水分虧缺下植物組織中營養(yǎng)物質(zhì)的最終含量，將取決于相對(duì)于干物質(zhì)積累而減少的營養(yǎng)物質(zhì)吸收量[21]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，中度干旱處理后，蘋果葉片中P、K、Ca、Mg含量的變化幅度很大，而N含量變化幅度較小，這可能是由于每種元素對(duì)生物量積累的貢獻(xiàn)不同。白澤晨[22]研究表明，輕度水分脅迫在一定程度上有助于赤霞珠葡萄對(duì)N的吸收，但隨脅迫程度增大會(huì)抑制N的吸收。水分是控制養(yǎng)分吸收的關(guān)鍵變量，干旱脅迫可通過減少元素的攝取、運(yùn)輸和再分配來抑制植物生長(zhǎng)[23]。例如，干旱會(huì)阻礙櫻桃番茄吸收大量和微量營養(yǎng)元素[24]，而且這種脅迫會(huì)導(dǎo)致植物出現(xiàn)礦物質(zhì)缺乏的癥狀[25]。與前人研究結(jié)果類似[26-27]，本試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，干旱脅迫顯著降低了蘋果幼苗對(duì)N、P、K、Ca、Mg的吸收，這也是導(dǎo)致植株同化能力下降及生物量積累減少的原因。本課題組之前的研究也發(fā)現(xiàn)，在干旱條件下，蘋果植株向葉和莖中的營養(yǎng)運(yùn)輸速率降低，而且葉片中的降低幅度高于莖或根[28]，這可能是由于葉片對(duì)干旱更加敏感。張明錦等[29]研究表明，干旱處理下巨能草對(duì)N、P的利用效率均顯著低于正常水分條件，與之不同的是，本研究發(fā)現(xiàn)，干旱處理后蘋果幼苗對(duì)N的利用效率降低，而對(duì)P的利用效率基本都升高，這可能是由物種之間的差異造成的。

蘋果嫁接苗的砧木為接穗提供水分和礦物質(zhì)養(yǎng)分，而接穗也會(huì)提供碳水化合物供根系生長(zhǎng)[30]。Poling等[31]發(fā)現(xiàn)，砧木基因型對(duì)蘋果葉片中的元素含量有顯著影響。常聰[32]的研究表明，砧木的基因型差異會(huì)影響蘋果植株對(duì)K的吸收，以新疆野蘋果和麗江山定子為砧木則植株K+濃度相對(duì)較高。季萌萌[33]研究了不同蘋果砧木的磷吸收利用效率后發(fā)現(xiàn)，富平楸子相對(duì)P效率和P吸收效率最高，P的利用效率也較高。王海寧[34]的研究表明，平邑甜茶和八棱海棠對(duì)N的利用率屬中低水平，楸子對(duì)N的利用率最高，新疆野蘋果對(duì)N的利用率僅次于楸子，東北山荊子對(duì)N的利用率最低。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，以M26為砧木的蘋果植株葉片N、Mg含量較高，以Gx為砧木的植株葉片K含量較高；而且M26對(duì)N、P、K、Mg的吸收較多，T337對(duì)K和Ca的吸收較多。上述研究均表明，砧木基因型差異會(huì)影響樹體對(duì)養(yǎng)分的吸收，這是由于不同砧木對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及營養(yǎng)物質(zhì)的向上運(yùn)輸速率有很大差異，同時(shí)地上部光合產(chǎn)物向下運(yùn)輸?shù)乃俾室膊煌杷虢M合影響著這一切[30,35]。此外，周開兵等[36]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不同砧木的橙樹葉片礦質(zhì)元素含量年變化趨勢(shì)差異明顯。Zarrouk等[37]研究表明，嫁接在砧木Cadaman和GF677上的桃樹品種“Queen Giant”，其葉片中N含量最高，而嫁接在砧木Adarcias上的N含量最低。趙德英等[38]研究發(fā)現(xiàn)，不同矮化中間砧也會(huì)影響植物礦質(zhì)元素的含量。所以研究砧木對(duì)養(yǎng)分的吸收利用不僅需要研究砧木本身，更要結(jié)合接穗進(jìn)行系統(tǒng)研究。

4 結(jié) 論

本研究探討了不同蘋果砧木對(duì)干旱的響應(yīng)，以及干旱脅迫下不同蘋果砧木對(duì)蘋果品種“蜜脆”養(yǎng)分吸收利用的影響，表明不同砧木對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)程度不同，并且在干旱下具有不同的養(yǎng)分吸收利用能力。干旱條件下，以M26、Gx和T337為砧木的“蜜脆”蘋果幼苗養(yǎng)分吸收利用能力較高，而以G11、G41和M9為砧木的“蜜脆”蘋果幼苗養(yǎng)分吸收利用能力較低。