甜菜葉片硼素形態(tài)與光合性能的相關(guān)性研究

黎莉莎，王響玲，宋 昕，吳貞禎，趙霄宇，宋柏權(quán)

(黑龍江大學(xué)/國家糖料改良中心，哈爾濱 150080)

0 引言

甜菜(Betavulgaris.L)屬藜科甜菜屬植物，是全球最重要的糖料作物之一，為全球提供了30%的糖產(chǎn)量[1]。葉片是植物進(jìn)行光合作用的主要器官[2]，也是甜菜植株中硼含量最多的部位，施硼能直接影響植株光合作用，從而影響糖分積累，進(jìn)而影響甜菜的產(chǎn)量和含糖量。早在20世紀(jì)40年代，硼在植物體內(nèi)的形態(tài)已經(jīng)開展了研究。1942年，植物中硼被劃分為水溶性硼和水不溶性硼[3]，根據(jù)硼的溶解性以及生理作用又將植物體內(nèi)的硼劃分為水溶性硼庫和不溶性硼庫[4]；隨后又將植株中的硼元素分為自由態(tài)硼、半束縛態(tài)硼和束縛態(tài)硼[5]，自由態(tài)硼是硼的主要運(yùn)輸形式[6]，自由態(tài)硼和半束縛態(tài)硼具有提高光合速率、促進(jìn)糖運(yùn)輸?shù)茸饔肹7]；束縛態(tài)硼反映了細(xì)胞壁對硼的需求量且移動性較差[8]。

硼能促進(jìn)光合產(chǎn)物在植物體內(nèi)的吸收，并影響碳水化合物的合成和轉(zhuǎn)運(yùn)[9]。目前已有許多針對硼元素與光合作用的研究，施硼能顯著增強(qiáng)大蒜葉片的光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度[10]，提高葉片光合性能[11]。適量的硼還能有效緩解其他脅迫對植株的傷害[12]，促進(jìn)植物生長[13]。當(dāng)前對不同甜菜品種的葉片不同形態(tài)硼及光合指標(biāo)的相關(guān)研究鮮少報(bào)道。因此，本研究以BETA165、KWS1197、KWS5145和KWS0143為供試甜菜品種，探討不同形態(tài)硼的含量及光合性能間相關(guān)性,為作物硼素施肥提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)處理

水培試驗(yàn)于2018年4月開始，試驗(yàn)地點(diǎn)為國家糖料改良中心(哈爾濱，中國)的人工光照培養(yǎng)室(經(jīng)度：126.61°，緯度：45.71°)，供試品種為甜菜遺傳單粒種BETA165、KWS1197、KWS5145和KWS0143，經(jīng)過流水沖洗等浸種操作后，使用已高溫消毒的蛭石播種，發(fā)芽過程澆灌蒸餾水。發(fā)芽7 d后選取子葉完全展開、長勢一致的幼苗移植到裝有Hoagland營養(yǎng)液的4 L聚乙烯培養(yǎng)箱(24 cm×17 cm×16 cm)中培養(yǎng)，每盆定苗4株。人工光照培養(yǎng)室相對濕度為65%，室溫為26℃/20℃(白天/晚上)，光照周期為12 h/12 h(光照/黑暗)。營養(yǎng)液每5 d更換1次，營養(yǎng)液硼酸濃度為50 μmol/L，更換5次后收苗。

1.2 取樣及測定方法

1.2.1 不同形態(tài)硼的提取及測定

樣品提取方法參照杜[14]等方法：取完全展開的功能葉片，取樣后將其分別剪成1 mm2左右的碎片，加入10 ml蒸餾水，于25℃水浴振蕩24 h，將提取液通過0.15 mm細(xì)紗網(wǎng)，然后用定量濾紙過濾，所得濾液即為自由態(tài)硼；殘?jiān)?0 mL的1 mol/L NaCl洗入塑料瓶，25℃水浴振蕩24 h，細(xì)紗網(wǎng)過濾后用定量濾紙過濾，所得濾液即為半束縛態(tài)硼；剩余殘?jiān)?0 mL的1 mol/L HCl洗入塑料瓶中，25℃水浴振蕩24 h，用定量濾紙過濾，所得濾液即為束縛態(tài)硼；采用甲亞胺比色法對測定待測液中不同形態(tài)硼含量[15]。

1.2.2 光合參數(shù)測定

選取植株完全展開的第5片真葉進(jìn)行光合參數(shù)的測定，利用CI-340手持式光合作用測量系統(tǒng)(CID，美國)，于上午9∶00-11∶00測定相同葉位不同甜菜品種葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度，每個(gè)處理6個(gè)重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算及統(tǒng)計(jì)方法

數(shù)據(jù)使用SPSS 23.0硼處理下不同甜菜品種的不同形態(tài)硼及光合參數(shù)進(jìn)行差異顯著性分析，使用Microsoft Excel整理數(shù)據(jù)繪制表格，使用Origin18 (U.S.A, Origin Lab Corp.)作圖。涉及計(jì)算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 不同甜菜品種葉片不同形態(tài)硼含量

2.1.1 不同甜菜品種葉片自由態(tài)硼、半束縛態(tài)硼含量變化

圖1表明，不同甜菜品種自由態(tài)硼含量整體趨勢為BETA165>KWS0143>KWS5145>KWS1197。甜菜品種BETA165顯著增加了葉片自由態(tài)硼含量為75.44 μg/g；KWS1197顯著降低了葉片自由態(tài)硼含量最低為37.15 μg/g，相差高達(dá)38.29 μg/g。

圖1 不同甜菜品種葉片自由態(tài)硼含量

由圖2可得，不同甜菜品種半束縛態(tài)硼含量整體趨勢為KWS5145>KWS0143>BETA165>KWS119，KWS5145品種的葉片半束縛態(tài)硼含量最高達(dá)到34.66 μg/g，與其他三個(gè)甜菜品種差異顯著。

圖2 不同甜菜品種葉片半束縛態(tài)硼含量

2.1.2 不同甜菜品種葉片束縛態(tài)硼相對含量變化

圖3可知，不同甜菜品種束縛態(tài)硼含量整體趨勢為BETA165>KWS0143>KWS1197>KWS5145，不同甜菜品種在硼處理下葉片束縛態(tài)硼含量差異不顯著，BETA165束縛態(tài)硼含量最高為30.49 μg/g，KWS5145束縛態(tài)硼含量最低為25.54 μg/g。

圖3 不同甜菜品種葉片束縛態(tài)硼含量

2.2 不同甜菜品種葉片光合參數(shù)的變化

2.2.1 不同甜菜品種葉片凈光合速率、蒸騰速率差異

如圖4所示，甜菜不同品種中葉片凈光合速率表現(xiàn)為BETA165>KWS1197>KWS5145>KWS0143，BETA165葉片凈光合速率最高為34.25 μmol/(m2·s)，與KWS5145和KWS0143差異顯著，KWS0143葉片凈光合速率最低為27.53 μmol/(m2·s)。

圖4 不同甜菜品種凈光合速率

通過對圖5分析發(fā)現(xiàn)，在甜菜不同品種中葉片蒸騰速率趨勢為BETA165>KWS1197>KWS0143>KWS5145，BETA165葉片蒸騰速率相對最高為3.42 mmol/(m2·s)，KWS5145葉片蒸騰速率相對最低為2.24 mmol/(m2·s)，差異顯著；KWS1197和KWS0143蒸騰速率差異顯著，數(shù)值分別為3.20和2.31 mmol/(m2·s)。

圖5 不同甜菜品種葉片蒸騰速率

2.2.2 不同甜菜品種葉片氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度變化

圖6結(jié)果表明，在甜菜不同品種中葉片氣孔導(dǎo)度趨勢為KWS1197>BETA165>KWS0143>KWS5145，KWS1197葉片氣孔導(dǎo)度相對為169.75 mmol/(m2·s)，與其他三個(gè)甜菜品種差異顯著；KWS0143葉片氣孔導(dǎo)度相對最低為88.53 mmol/(m2·s)，BETA165和KWS5145葉片的氣孔導(dǎo)度分別為152.83和88.40 mmol/(m2·s)。

圖7表明，甜菜不同品種葉片胞間CO2濃度趨勢為KWS1197>BETA165>KWS0143>KWS5145，KWS1197胞間CO2濃度相對最高為961.00 μmol/(m2·s)，KWS0143葉片胞間CO2濃度相對最低為586.98 μmol/(m2·s)。

圖6 不同甜菜品種對葉片氣孔導(dǎo)度的影響

圖7 不同甜菜品種對葉片胞間CO2濃度的影響

2.3 不同甜菜品種不同形態(tài)硼與葉片光合參數(shù)相關(guān)性研究

以甜菜不同形態(tài)硼及光合參數(shù)等指標(biāo)為變量，進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析。表1所示，氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.95；胞間CO2濃度與氣孔導(dǎo)度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.98；甜菜凈光合速率與自由態(tài)硼呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.54；束縛態(tài)硼與光合相關(guān)指標(biāo)呈正相關(guān)，其中束縛態(tài)硼與蒸騰速率相關(guān)性最顯著為0.64。

表1 不同形態(tài)硼與光合的皮爾遜相關(guān)性分析

3 結(jié)論

(1)甜菜品種BETA165自由態(tài)硼及束縛態(tài)硼含量相對較高，分別為75.44 μg/g、30.49 μg/g。KWS5145品種半束縛態(tài)硼含量相對較高達(dá)到34.66 μg/g;KWS1197葉片自由態(tài)硼、半束縛態(tài)硼含量相對較低，分別為37.15 μg/g、22.41 μg/g。

(2)BETA165葉片凈光合速率、葉片蒸騰速率相對較高分別為34.25 μmol/(m2·s)、3.42 mmol/(m2·s)，KWS0143葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度相對較高分別為27.53 μmol/(m2·s)、88.53 mmol/(m2·s)。

(3)皮爾遜相關(guān)性結(jié)果表明，氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.95，胞間CO2濃度與氣孔導(dǎo)度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.98，束縛態(tài)硼與蒸騰速率相關(guān)性最顯著為0.64。

4 討論

硼與光合作用有密切聯(lián)系，能促進(jìn)光合作用產(chǎn)物碳水化合物在植物體內(nèi)的吸收并影響其合成和轉(zhuǎn)運(yùn)[16]。目前已有許多針對硼元素與光合作用的研究，施硼能夠增加葉片長度和寬度，促進(jìn)葉片生長，延緩甜菜功能葉片衰老，增加光合色素值和光合速率，提高葉片光合性能[11]。

BETA165、KWS1197和KWS0143均表現(xiàn)為自由態(tài)硼>束縛態(tài)硼>半束縛態(tài)硼的趨勢，且自由態(tài)硼含量所占比例最大。半束縛態(tài)在不同品種間的變化差異不顯著，且半束縛態(tài)和束縛態(tài)含量相對較低。研究發(fā)現(xiàn)，半束縛態(tài)硼含量在不同施硼處理中表現(xiàn)穩(wěn)定[17]。本研究結(jié)果為束縛態(tài)硼含量相對較低，出現(xiàn)這種結(jié)果的原因可能是試驗(yàn)對象為甜菜幼苗，其葉片正處于細(xì)胞大量分裂時(shí)期，需硼量較大，對硼運(yùn)輸強(qiáng)度較大，出現(xiàn)自由態(tài)硼含量最高，而束縛態(tài)硼含量較低的現(xiàn)象。自由態(tài)硼主要是存在于自由空間內(nèi)的硼，其含量的高低直接反映了植物對硼的利用能力[18]。BETA165的自由態(tài)硼含量相對較大，說明該品種硼的利用能力較弱[5]。皮爾遜相關(guān)性結(jié)果表明，凈光合速率與自由態(tài)硼和束縛態(tài)硼成正相關(guān)關(guān)系，硼的利用能力較低，而KWS5145的硼的利用能力更高。