孫煥榮,李靜,封曉輝,劉小京,張秀梅
(1 河北省南皮縣自然資源和規(guī)劃局, 河北 南皮 061500;2 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心,河北 石家莊 050021)
嫁接通過接穗和砧木細(xì)胞的融合、基因交換和特異蛋白合成,可以改變嫁接體的特性,是果樹改良的重要手段[1]。嫁接可以提高植株的抗性,如嫁接葡萄可以提高其抗凍和抗病能力,柑橘嫁接可以提高耐鹽能力[2]。通過嫁接提高植物耐鹽能力的生理機(jī)制的研究,主要在果類蔬菜中開展。研究表明,西瓜、茄子和黃瓜嫁接苗對(duì)比未嫁接原株具有較高的耐鹽能力[3- 4],通過嫁接砧木截留Na+和Cl-等對(duì)植物體有害的離子,優(yōu)化了鹽脅迫下植物對(duì)離子的吸收和分配,并增加體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成,減少膜質(zhì)過氧化物的傷害,改變植物激素的合成和運(yùn)輸,從而提高了植物的耐鹽能力[1,5]。共生嫁接同樣可以提高植株的抗性,如茄子與番茄共生嫁接可以提高植株的抗病能力[6]。但目前為止對(duì)果樹嫁接提高耐鹽能力的生理機(jī)制,尚未有報(bào)道。
在鴨梨(PyrusbretschneideriRehd.)的砧木中,杜梨(PyrusbetulaefoliaBge.)具有較高的耐鹽和耐干旱能力[7-9]。研究表明,以杜梨為砧木可提高梨的耐鹽能力[10-12],同時(shí)高位嫁接也可以增加梨的耐鹽能力[13]。在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn),在濱海重鹽堿地以杜梨為砧木嫁接梨,可以成活,但是植株鹽害程度加重,生長(zhǎng)勢(shì)降低甚至死亡。而杜梨砧木基部偶然生長(zhǎng)枝條的植株,卻生長(zhǎng)良好,有一定的結(jié)實(shí)。這說明保留砧木枝條可以提高嫁接梨的耐鹽能力。但是砧木枝的生長(zhǎng)和梨的生長(zhǎng)存在競(jìng)爭(zhēng),隨著砧木枝的增多,梨的生長(zhǎng)必然受到限制,因此必須保留合理數(shù)量的砧木枝,才能保證最佳的生長(zhǎng)結(jié)合。由此,為深入探究杜梨留枝嫁接的耐鹽機(jī)制,驗(yàn)證保留適量的杜梨砧木枝是否將鹽分離子吸收儲(chǔ)存在杜梨葉片中,并且產(chǎn)生了有利于植物水分利用的物質(zhì),以此提高了接合體的耐鹽能力等相關(guān)問題,本試驗(yàn)通過杜梨砧木留枝嫁接梨,在杜梨砧木上保留不同數(shù)量的枝條,比較不同砧木枝處理的生理差異,分析最合適的留枝數(shù)量,探討共生嫁接后的耐鹽機(jī)制,以期為重鹽堿地發(fā)展水果產(chǎn)業(yè)提供理論參考。
試驗(yàn)地在河北省海興縣中科院濱海農(nóng)業(yè)高效示范區(qū)。該地位于渤海灣西岸,由于地勢(shì)低洼排水不暢,土壤脫鹽困難,土壤含鹽量4~13 g/kg,年均降水量560 mm,土壤表層鹽分含量具有鮮明的季節(jié)動(dòng)態(tài)特征,初夏土壤含鹽量最高,夏秋季由于雨水淋洗含鹽量最低。
本試驗(yàn)將杜梨作為砧木,梨接穗為鴨梨。
試驗(yàn)葉的采集及測(cè)量按照葉片類型分為以下3類:(取葉時(shí),每株均按照以下分類采取各類型葉片;測(cè)量時(shí),每株中的不同類型葉片重復(fù)3次)。
(1)杜梨葉:杜梨砧木枝條上的葉片(包括未嫁接梨的杜梨即杜梨原株和保留不同數(shù)量杜梨枝條的已嫁接杜梨的處理)。
(2)功能葉:2011年生長(zhǎng)的枝條上的梨葉片,即主要的光合葉。
(3)1 a生枝條葉:取2012年當(dāng)年生的枝條上的葉片,即新葉。
試驗(yàn)設(shè)留砧木枝的個(gè)數(shù)分別為0、1、2、3,共4個(gè)處理,各處理編號(hào)分別為T0、T1、T2、T3,每個(gè)處理嫁接12株。杜梨留取40~50 cm高的主干截樁,每株嫁接3個(gè)接穗,杜梨砧木主干保留不同數(shù)量的直徑相近的砧木枝。
其中于2010年進(jìn)行杜梨(當(dāng)?shù)匾吧贩N)育苗工作,2011年3月移栽,杜梨平均株高100 cm,4月初選擇生長(zhǎng)一致的杜梨植株嫁接梨。5月調(diào)查接穗的成活率,10月測(cè)量成活后接穗的長(zhǎng)度。
1.4.1 生長(zhǎng)量 分別于2011年10月及2012年10月測(cè)量植株的接穗長(zhǎng)(測(cè)定接穗基部到枝條末端的長(zhǎng)度),分別用L1、L2表示,二者差值即為枝條生長(zhǎng)量,用△L表示。
1.4.2 光合生理 2012年7月選擇天晴的時(shí)間,在上午9~11時(shí)和15~17時(shí)用Li-6400以人工光源(光強(qiáng)度為1 200 mol/s),進(jìn)行光合生理測(cè)定。包括光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Cond),胞間CO2濃度(Ci)。同時(shí)用SPDA葉綠素含量?jī)x測(cè)定葉片葉綠素含量指數(shù);
1.4.3 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量 采集上述對(duì)應(yīng)的葉片,烘干后用鹽酸浸提原子吸收法測(cè)定Ca2+,Mg2+,K+,Na+的含量,用AgNO3滴定法測(cè)定Cl-含量;用蒽酮和茚三酮比色法,分別測(cè)定可溶性糖和脯氨酸的含量。
1.4.4 土壤水、鹽含量 用土鉆取土分別測(cè)定土壤中的水分鹽分含量。
2012年7月測(cè)定的不同深度的土壤水分和鹽分特征情況,見表1。
表1 2012年7月土壤水分和鹽分特征Table 1 The water and salt content of the soil
采用Excel 2010和Sigmaplot 11.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與統(tǒng)計(jì)分析,用Canoco 4.5對(duì)葉片中離子含量與光合生理及調(diào)節(jié)物質(zhì)進(jìn)行RDA分析,分析不同類型葉片離子、調(diào)節(jié)物質(zhì)和光合生理特征之間的相關(guān)性。
留取不同砧木數(shù)量對(duì)接穗成活率和生長(zhǎng)量的影響,見表2。
表2 留枝對(duì)接穗成活率和生長(zhǎng)量的影響Table 2 The effect of reserved rootstock branch on survival rate and the growth of scions
如表2所示,相較于不留枝,保留砧木枝可以提高接穗的成活率,留1枝的處理接穗成活率最高,而不留枝的處理成活率最低,兩者相差超過29.57%;但是隨著留枝數(shù)量的增加接穗的成活率逐漸降低。2011年接穗枝總長(zhǎng)L1結(jié)果表明,留砧木枝降低接穗的生長(zhǎng)量,接穗枝長(zhǎng)顯著降低,不留砧木枝的接穗生長(zhǎng)量最大,而留3枝的生長(zhǎng)量最小,留3個(gè)砧木枝的處理較不留砧木枝的處理枝長(zhǎng)低17.56%??梢娬枘局εc接穗之間存在競(jìng)爭(zhēng),砧木枝數(shù)量越多越不利于接穗的生長(zhǎng)。由表中不同處理的生長(zhǎng)量△L來看,當(dāng)保留2個(gè)砧木枝時(shí)其生長(zhǎng)量最大。
留枝對(duì)不同葉片的葉綠素含量(指數(shù)SPAD值)的影響不大,如圖1所示。不同類型的葉片葉綠素含量存在差異,杜梨葉的葉綠素含量最高,1 a生枝條葉的葉綠素含量最低。但是留取砧木枝數(shù)量不同對(duì)相同類型葉片的葉綠素含量的影響不顯著(圖中的杜梨葉中的T0為杜梨原株)。
留取不同砧木枝數(shù)量對(duì)葉片中鹽離子含量的影響,見圖2。
圖1 不同留砧數(shù)量的葉片中葉綠素指數(shù)
Figure 1 The SPAD index of different leaves with different number of branches
圖2 不同留砧數(shù)量的葉片中的鹽離子含量Figure 2 The salins ions content in leaves with different number of reserved branches
由圖2可知,留砧木枝對(duì)杜梨葉和1 a生枝條葉的Ca2+含量影響較大。在杜梨葉中,與杜梨原株相比,留砧木枝的葉中Ca2+含量顯著較高,但留枝的處理之間Ca2+含量無顯著差異;在1 a生枝條葉中,無砧木枝的處理Ca2+含量顯著高于留砧木枝的處理,且隨著砧木枝數(shù)量的增加,葉片中Ca2+含量逐漸下降,無砧木枝的處理較留3個(gè)砧木枝的處理高38.77%;留枝數(shù)量對(duì)功能葉中Ca2+含量影響不顯著。不同種類型的葉片中,梨功能葉的Ca2+含量最高。Mg2+含量變化趨勢(shì)與Ca2+基本一致,功能葉中的含量最高,杜梨葉和1 a生枝條葉Mg2+含量較低。杜梨葉中留砧木枝的葉中Mg2+的含量較杜梨原株高,梨功能葉中Mg2+含量隨著砧木枝的增加有逐漸降低的趨勢(shì),但是各個(gè)處理之間的差異不顯著。無砧木枝的處理 1 a生枝條葉Mg2+含量8.34 mg/g,顯著高于留砧木枝的處理,比含量最低的3砧木枝的處理高近1倍,且隨著砧木枝增加,Mg2+含量呈逐漸下降的趨勢(shì)。
在不同葉片中,杜梨葉中K+含量最低,1 a生枝條葉中K+含量最高。嫁接梨后,杜梨砧木枝葉中K+顯著高于杜梨原株,杜梨葉中K+含量隨著砧木枝數(shù)量增加而逐漸升高。砧木枝枝數(shù)量對(duì)梨功能葉中K+含量影響不大,各個(gè)處理之間無顯著差異;而在1 a生枝條葉中,K+含量隨著留枝數(shù)量增加而增加,無砧木枝的處理含量最低,只有14.93 mg/g,顯著低于有砧木枝的處理。
Na+的含量在杜梨原株葉片中最高,為5.28 mg/g,是留2砧木枝處理的3.46倍,杜梨砧木枝葉中Na+的含量平均只有1.67 mg/g,顯著低于杜梨原株。但在梨功能葉和1 a生枝條葉的各個(gè)處理之間Na+含量并無顯著差異。
同樣,不同砧木枝數(shù)量的杜梨葉、梨功能葉的Cl-含量差異不顯著。但是留砧木枝處理的1 a生枝條葉中Cl-含量顯著高于不留砧木枝的處理。
杜梨葉中的K+/Na+差異最大,并且留2砧木枝的處理K+/Na+最高,為17.38,而杜梨原株葉K+/Na+最低,只有3.28。同時(shí)留枝顯著提高了1 a生枝條葉片的K+/Na+,且隨著砧木枝的增加,1 a生枝條K+/Na+逐漸升高;在功能葉中,留2砧木枝處理的K+/Na+最高,但功能葉各處理間K+/Na+的差異不顯著。
留取不同砧木枝數(shù)量對(duì)葉片中可溶性糖和脯氨酸含量的影響,見圖3。
圖3 不同留砧數(shù)量的葉片中可溶性糖和脯氨酸含量Figure 3 The content of soluble sugar and proline in leaves with different number of reserved branches
由圖3可知,嫁接梨后,杜梨砧木枝葉中可溶性糖含量顯著低于杜梨原株,且隨著砧木枝的增多,杜梨葉中可溶性糖含量逐漸增加;同樣,梨功能葉和1 a生枝條葉中的可溶性糖含量都隨著砧木枝的數(shù)量增加而逐漸增加。說明砧木枝可以提高植株體內(nèi)的可溶性糖含量。
不同類型的葉片之間,脯氨酸的含量差異較大,杜梨砧木枝葉片中的脯氨酸含量顯著高于杜梨原株,其中留2砧木枝處理的脯氨酸含量最高,為3.45 mg/kg,顯著高于無砧木枝的處理。而留砧木枝數(shù)量對(duì)功能葉中的脯氨酸含量無明顯影響;無砧木枝處理的1 a生枝條葉中脯氨酸含量最高,為2.62 mg/kg,較留2砧木枝的處理高58.28%。
留取不同砧木枝數(shù)量對(duì)葉片中光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度含量的影響,見圖4。
圖4 不同砧木枝數(shù)量的葉片光合生理的差異Figure 4 The photosynthetic differnce of leaves with different numbers of reserved branches
由圖4可知,不同類型的葉片中,功能葉的光合速率最高,杜梨葉的光合速率最低。杜梨葉的光合生理結(jié)果表明,杜梨砧木葉的光合速率顯著高于杜梨原株。而在杜梨砧木葉中,光合速率Pn并不隨著砧木枝的增加而升高,留2個(gè)砧木枝的處理光合速率最高。1 a生枝條葉中,留2個(gè)砧木枝的光合速率也顯著高于其他處理。隨著砧木枝的增加杜梨葉片和功能葉的氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度,都有逐漸增大的趨勢(shì)。而1 a生枝條葉中,留2個(gè)砧木枝處理的氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度最大,光合速率也最大。留2個(gè)砧木枝的杜梨葉水分利用效率最高。功能葉中留2砧木枝的處理,光合速率和水分利用效率最高。同時(shí),留枝顯著的增加了氣孔導(dǎo)度,有利于植物光合,但是留砧木枝的數(shù)量越多葉片的蒸騰速率也越高。結(jié)果表明,留砧木枝可以顯著提高1 a生枝條的水分利用效率,且留2砧木枝的杜梨葉和功能葉水分利用效率也較高。
在杜梨葉中,光合速率與脯氨酸、Ca2+、Mg2+含量正相關(guān),氣孔導(dǎo)度與Cl-和Na+顯著負(fù)相關(guān)。在功能葉中,光合速率與可溶性糖、Mg2+和K+/Na+顯著正相關(guān);但是光合速率與氣孔導(dǎo)度和脯氨酸的含量關(guān)系不大。在1 a生枝條葉中光合速率與K+的含量顯著正相關(guān),而與可溶性糖的含量有一定的負(fù)相關(guān),與脯氨酸關(guān)系不明顯(圖5)。
圖5 不同葉片離子、調(diào)節(jié)物質(zhì)和光合生理 特征之間的RDA分析Figure 5 The redundancy analysis between the ions, regulatory substances and photosynthetic characteristics
在嫁接當(dāng)年,杜梨砧木枝可以通過主干為接穗提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),有利于接穗的成活,因此保留砧木枝可以提高接穗的成活率。然而杜梨砧木枝和接穗之間存在對(duì)根部養(yǎng)分和水分的競(jìng)爭(zhēng),因此砧木枝也抑制接穗的生長(zhǎng),且砧木枝越多,接穗的生長(zhǎng)量越小。在嫁接后第2年,砧木枝可以提高當(dāng)年新生枝條的生長(zhǎng)速度,這是由于留砧木枝的植株耐鹽能力較不留砧木枝的個(gè)體高,留2個(gè)砧木枝處理的1 a生枝條的長(zhǎng)度,顯著高于不留砧木枝的處理,光合特征也印證了留2個(gè)砧木枝生長(zhǎng)較快。
杜梨砧木的離子分配特征與杜梨原株有顯著不同,未嫁接梨的杜梨葉片中Cl-和Na+較高,特別是Na+含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于嫁接梨葉片中的含量。嫁接后杜梨葉中Cl-和Na+含量則顯著下降,而Ca2+、Mg2+、K+的含量顯著升高。杜梨葉中的Cl-和Na+含量顯著低于杜梨原株,但同時(shí)各類型葉片的不同處理的梨葉中的Cl-和Na+含量也無顯著差異,說明并不是留砧木枝截留了大量NaCl在杜梨葉中,也沒有促進(jìn)NaCl向上運(yùn)輸?shù)浇铀胫?,因此我們提出的假設(shè)被否定,保留杜梨的砧木枝并不能將鹽離子儲(chǔ)存在杜梨葉片中從而降低對(duì)梨接穗中的輸送,以降低對(duì)梨的離子毒害。而相反,嫁接后杜梨葉片中的Na+和Cl-反而顯著降低。
在所有類型的葉中,K+的含量都隨著留砧木枝數(shù)量的增加逐漸升高,說明砧木枝促進(jìn)K+的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn),這有利于接合體抗逆性的提高。研究證明K+在杜梨的滲透調(diào)節(jié)中有重要作用,K+含量在NaCl脅迫條件下逐漸升高[14]。留2個(gè)砧木枝的處理中,杜梨葉和1 a生枝條葉中的K+/Na+較高,當(dāng)嫁接梨以后,由于梨和杜梨的生理差異,接合體中離子分配發(fā)生變化。
脯氨酸、可溶性糖和K+是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),可降低植物葉片的水勢(shì)以應(yīng)對(duì)鹽分脅迫。而脯氨酸也具有穩(wěn)定細(xì)胞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、防止酶變性失活的作用。隨著留砧木枝數(shù)量的增加,杜梨和梨葉片中的可溶性糖含量逐漸升高。研究證明鹽脅迫下杜梨葉片中的脯氨酸和可溶性糖的含量會(huì)升高[15]。在杜梨葉片中可溶性糖含量與光合速率的關(guān)系密切,而在梨葉中脯氨酸對(duì)光合速率的影響較大,這是由于杜梨葉片中的Na+含量較高,Na+與K+存在競(jìng)爭(zhēng),使杜梨葉片中無法積累較多的K+,杜梨葉中積累較多的脯氨酸調(diào)節(jié)滲透勢(shì)。而梨葉片中的Na+含量較低,可以積累較多的K+,有利于葉片的光合作用。
與同屬的其他砧木相比較,杜梨具有較高的光飽和點(diǎn)和較高的水分利用效率,嫁接梨后接合體葉片在低鹽條件下的光合速率變化不敏感[9]。植物光合作用的限制可分為氣孔因素和非氣孔因素,前者由于氣孔的部分關(guān)閉導(dǎo)致的氣孔限制,表現(xiàn)為氣孔導(dǎo)度下降,導(dǎo)致CO2進(jìn)入葉片受阻,CO2供應(yīng)不足,后者因?yàn)楣夂霞?xì)胞機(jī)構(gòu)和功能受到了損害,而導(dǎo)致葉肉細(xì)胞光合活性下降[16]。3種葉片氣孔導(dǎo)度與光合速率都為正相關(guān),氣孔導(dǎo)度降低使胞間CO2濃度降低,光合作用的底物含量降低,導(dǎo)致光合速率的較低,光合限制為氣孔因素。這與高光林的研究結(jié)果相同,在低鹽脅迫下杜梨與梨的接合體光合作用的限制為氣孔因素[10]。
杜梨葉的氣孔導(dǎo)度與Cl-和Na+含量顯著負(fù)相關(guān),與脯氨酸的含量顯著正相關(guān),說明在杜梨葉片中Cl-和Na+降低氣孔導(dǎo)度,而脯氨酸作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可以促進(jìn)氣孔的開放,促進(jìn)光合。而在梨葉片中K+是促進(jìn)氣孔開放的主要物質(zhì),脯氨酸的升高反而不利于氣孔的開放。杜梨葉片中脯氨酸含量與光合速率正相關(guān),但是1 a生枝條葉中脯氨酸含量和光合速率負(fù)相關(guān),說明在杜梨葉中積累脯氨酸有利于光合作用,而在1 a生枝條葉中脯氨酸是在受到脅迫之后產(chǎn)生的,脯氨酸的含量越多表明葉片受到的脅迫越強(qiáng),光合速率反而降低。留2個(gè)砧木枝的處理,功能葉和1 a生枝條葉的K+/Na+較高,K+/Na+也是植物耐鹽的重要指標(biāo),較高的K+/Na+可提高植物的耐受能力[17],促進(jìn)了氣孔的開放,有利于生長(zhǎng)。留2個(gè)砧木枝既可以提高耐鹽能力,又不因?yàn)橄拗茪饪组_放而降低光合速率,因此水分的利用效率較高,可以在有限的水分供應(yīng)中獲得較大的生長(zhǎng)量。
杜梨嫁接梨對(duì)砧木葉片的影響較大,杜梨砧木枝與原株相比,生理特征和離子含量發(fā)生顯著變化。留枝數(shù)量對(duì)植株的影響是量的變化。留枝雖然對(duì)功能葉的影響不大,但可以顯著提高1 a生枝條葉的耐鹽能力,降低鹽害;梨的生長(zhǎng)和光合測(cè)量的結(jié)果都顯示:留2個(gè)砧木枝既提高了植株的耐鹽性又具有較大的生長(zhǎng)量,保留2個(gè)砧木枝可以均衡砧木和接穗的競(jìng)爭(zhēng),既可以提高耐鹽能力同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)梨枝條較高的生長(zhǎng)量。但是留砧木枝是否對(duì)后期梨的生長(zhǎng)狀況以及果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生影響,有待于繼續(xù)研究。