何敏敏, 王 堽, 耿 貴,2

(1.黑龍江大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 哈爾濱 150080; 2.黑龍江大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)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(jīng)濟(jì)作物的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)[7]。我國(guó)甜菜主產(chǎn)區(qū)在新疆、內(nèi)蒙古和黑龍江,而東北地區(qū)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(zhǎng)發(fā)育,進(jìn)而提高甜菜產(chǎn)量,給地區(qū)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于Ca2+對(duì)植物生長(zhǎng)和抵御脅迫環(huán)境方面的研究較多[11-13],而對(duì)Ca2+能否促進(jìn)甜菜光合作用影響方面的研究較少。因此,本文通過(guò)設(shè)置不同的Ca2+濃度(0.5～9.0 mmol·L-1),探究Ca2+對(duì)甜菜幼苗生長(zhǎng)形態(tài)及其光合作用的影響,為甜菜培育提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

將甜菜種子(KWS1176)置于蛭石中培養(yǎng)發(fā)芽,后移至培育室。培育室光照強(qiáng)度450 μmol·m-2·s-1,每日光照/黑暗時(shí)長(zhǎng)14/10 h,溫度白天/夜間(25±1) ℃/(23±1) ℃,相對(duì)濕度60%～70%。待子葉展開(kāi)(7 d),選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的幼苗移栽至含2.5 L改良1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)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(nóng)微量元素營(yíng)養(yǎng)液的水槽中培養(yǎng)。通常甜菜育苗實(shí)驗(yàn)中營(yíng)養(yǎng)液Ca2+濃度為3.50 mmol·L-1,因此,通過(guò)添加Ca(NO3)2·4H2O、CaCl2和NH4NO3以設(shè)置Ca2+濃度分別為0.50、0.75、1.50、3.50、7.50和9.00 mmol·L-16個(gè)梯度,保證每個(gè)Ca2+濃度處理的N濃度為3.00 mmol·L-1。每槽8株,培養(yǎng)5 d后間苗至每槽4株,每個(gè)處理重復(fù)5次。培養(yǎng)至第5、10和14 d各更換一次營(yíng)養(yǎng)液,于培養(yǎng)第18 d收獲并進(jìn)行植株株高、表觀光合指標(biāo)、干重、鮮重、葉片相對(duì)含水量和葉綠素含量等指標(biāo)的測(cè)定。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

株高為最長(zhǎng)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(gè)處理中隨機(jī)抽取5株植株,使用直尺測(cè)量;植株樣品收獲后分為根、葉柄、葉三部分,按照各項(xiàng)指標(biāo)量取樣并測(cè)定其鮮重,后經(jīng)105 ℃殺青30 min,70 ℃烘干至恒重,測(cè)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(dǎo)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(cè)量?jī)x器測(cè)定甜菜幼苗第二對(duì)真葉;葉綠素測(cè)定采用丙酮(AR)比色法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析采用Microsoft Excel 2013 (Microsoft Corp, Redmond, WA, USA)、IBM SPSS Statistics 26.0 (IBM Corp, Armonk, NY, USA)進(jìn)行,作圖軟件使用Microsoft Excel 2013。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈣營(yíng)養(yǎng)對(duì)甜菜幼苗形態(tài)特征的影響

2.1.1 鈣營(yíng)養(yǎng)對(duì)甜菜幼苗形態(tài)的影響

圖1和圖2分別為不同Ca2+濃度對(duì)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(zhǎng)勢(shì)差異明顯,株高隨Ca2+濃度的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)添加Ca2+濃度為3.50 mmol·L-1時(shí),植株長(zhǎng)勢(shì)最好,株高最高為14.88 cm;當(dāng)添加Ca2+濃度為0.50 mmol·L-1時(shí),植株矮小,株高7.28 cm,較3.50 mmol·L-1處理下降51.09%;當(dāng)Ca2+濃度增加至7.50和9.00 mmol·L-1時(shí),株高呈下降趨勢(shì),但較0.50和0.75 mmol·L-1處理長(zhǎng)勢(shì)較好。

圖1 不同Ca2+濃度下甜菜幼苗生長(zhǎng)17天時(shí)表型

圖2 不同Ca2+濃度對(duì)甜菜幼苗株高的影響

2.1.2 鈣營(yíng)養(yǎng)對(duì)甜菜幼苗各部分干重和鮮重的影響

圖3為不同Ca2+濃度對(duì)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(shì),在Ca2+濃度為3.50 mmol·L-1時(shí)達(dá)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(dāng)Ca2+濃度提升至9.00 mmol·L-1時(shí),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(duì)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(yíng)養(yǎng)對(duì)甜菜幼苗葉片相對(duì)含水量的影響

圖4為不同Ca2+濃度對(duì)甜菜幼苗葉片相對(duì)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(duì)含水量均為60%～90%,在3.50 mmol·L-1中達(dá)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(duì)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(duì)甜菜幼苗葉片相對(duì)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(yíng)養(yǎng)對(duì)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(duì)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(shì),在3.50 mmol·L-1處理下均達(dá)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(dāng)Ca2+濃度達(dá)到0.75 mmol·L-1時(shí),根系面積和葉片面積顯著增大(P<0.05);當(dāng)Ca2+濃度進(jìn)一步增加至7.50和9.00 mmol·L-1時(shí),根系面積和葉片面積開(kāi)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(duì)甜菜幼苗根系面積(a)和葉片面積(b)的影響

2.2 不同鈣營(yíng)養(yǎng)對(duì)甜菜幼苗葉片光合作用的影響

2.2.1 不同鈣營(yíng)養(yǎng)對(duì)甜菜幼苗葉片中葉綠素含量的影響

圖6為不同Ca2+濃度對(duì)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(shì),在3.50 mmol·L-1處理下達(dá)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(wěn)上升,與3.50 和7.50 mmol·L-1處理無(wú)顯著性差異(P>0.05);隨著Ca2+濃度進(jìn)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(shì),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(duì)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(yíng)養(yǎng)對(duì)甜菜幼苗葉片表觀光合作用的影響

圖7為不同Ca2+濃度對(duì)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(shì)一致,均呈先上升后下降趨勢(shì),且在Ca2+濃度為3.50 mmol·L-1處理中達(dá)最大值。在Ca2+濃度為3.50和7.50 mmol·L-1處理下,4項(xiàng)指標(biāo)差異均不顯著(P>0.05),其他濃度處理中各指標(biāo)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(duì)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(yíng)養(yǎng)處理下甜菜幼苗各指標(biāo)間相關(guān)性及主成分分析

運(yùn)用SPSS對(duì)甜菜各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果如表1所示?？梢钥吹?甜菜幼苗生長(zhǎng)形態(tài)與光合作用各指標(biāo)之間存在不同程度的正相關(guān)關(guān)系。甜菜幼苗株高與其他各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)為顯著(P<0.01)的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)除相對(duì)含水量和葉綠素b外均在0.95～0.99。此外,在光合作用相關(guān)指標(biāo)中,Pn、Tr、Gs和Ci間存在不同程度的正相關(guān)關(guān)系,均達(dá)到極顯著水平(P<0.005)。Ci與Tr間相關(guān)系數(shù)為0.999,兩者變化趨勢(shì)極相似;Pn與Gs間相關(guān)系數(shù)為0.988,變化趨勢(shì)一致。

表1 甜菜幼苗各指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系矩陣

對(duì)甜菜各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,結(jié)果如表2所示,同時(shí)計(jì)算特征向量和貢獻(xiàn)率,得出Ca2+濃度對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的影響程度。兩個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)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(xiàn)率為86.81%,其中特征向量中絕對(duì)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(gè)指標(biāo)從植物表型、生物量和生理方面反映了不同Ca2+濃度對(duì)甜菜幼苗生長(zhǎng)的影響程度。第二主成分貢獻(xiàn)率為7.83%,特征向量中絕對(duì)值較大的分量是相對(duì)含水量、葉綠素b和葉面積。

表2 不同Ca2+濃度對(duì)甜菜幼苗各指標(biāo)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(zhǎng)表型和表觀光合作用等方面均呈先上升后下降趨勢(shì),在Ca2+濃度為3.50 mmol·L-1處理中達(dá)到最大值。結(jié)果表明,外源鈣的添加顯著促進(jìn)了甜菜幼苗生長(zhǎng),3.50 mmol·L-1為最適Ca2+濃度。Vanneste等研究發(fā)現(xiàn),一定濃度Ca2+可通過(guò)誘導(dǎo)植物體內(nèi)生長(zhǎng)素運(yùn)輸速率和流向,促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育[14];汪洪等實(shí)驗(yàn)也證明,添加Ca2+可增加玉米植株的生物量[15];但Ropokis等研究發(fā)現(xiàn),Ca2+積累到過(guò)高水平導(dǎo)致植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)間比例失衡,產(chǎn)量降低[16]。Ca2+作為植物細(xì)胞第二信使,與鈣調(diào)蛋白結(jié)合形成鈣-鈣調(diào)蛋白(Ca2+-CaM)復(fù)合體,參與信息傳遞;Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)不僅發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中,也發(fā)生在葉綠體、線粒體和內(nèi)膜系統(tǒng)等細(xì)胞器中。Pirayesh等研究發(fā)現(xiàn),Ca2+濃度變化影響葉綠體內(nèi)光合作用等過(guò)程,可促進(jìn)葉綠素產(chǎn)生[17]。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),Ca2+能夠顯著促進(jìn)甜菜幼苗生長(zhǎng),提高生物量的積累,增加甜菜幼苗葉片中總?cè)~綠素的含量,且各組處理間差異顯著(P<0.05),該結(jié)果與前人研究結(jié)果相似。

4 結(jié) 論

適宜的鈣營(yíng)養(yǎng)可明顯促進(jìn)甜菜幼苗生長(zhǎng)。當(dāng)添加Ca2+濃度為3.50 mmol·L-1時(shí),鈣營(yíng)養(yǎng)對(duì)甜菜幼苗生長(zhǎng)的促進(jìn)作用最明顯,主要表現(xiàn)在株高、根、葉面積和干鮮重方面;Ca2+可通過(guò)增加甜菜葉片葉綠素含量,促進(jìn)其光合作用的進(jìn)行;Pn、Tr、Gs和Ci在不同Ca2+濃度處理的葉片中均表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系,呈先上升后下降趨勢(shì),說(shuō)明添加適宜濃度Ca2+可增強(qiáng)甜菜幼苗的光合作用。