碱性土上GF677与毛桃植株铁素分配规律及根系铁吸收差异研究

涂美艳，陈 栋，邱东昀，祝 进，钟小江，宋海岩，李 靖，杨文渊，江国良*

(1.四川省农业科学院园艺研究所·农业部西南地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室，四川成都 610066;2.乐山市市中区脆红李技术协会，四川 乐山 614000;3.四川省园艺推广总站，四川 成都 610016;4.宜宾县农业局果树站，四川 宜宾644600)

【研究意义】四川盆地桃产区土壤大多数是由石灰性紫色页岩风化形成，这类土壤物理风化强烈，化学风化缓慢，始终停留在脱钙阶段，土壤碳酸钙含量高，一般为 5% ～10%，pH 7.5 ～8.5［1］，极易引起桃树黄化现象，目前已成为制约四川盆地乃至全国石灰性紫色土桃产区发展的一大难题。【前人研究进展】目前，针对碱性土上桃树植株黄化问题已经有过不少研究［2－5］，但大多停留在黄化植株与正常植株的叶片矿物质营养元素分析、土壤理化性质分析或病原菌分离与鉴定等。桃砧木GF677(P.amygdalus× P.persica)是由法国 INRA(Institut Nationaldela Recherche Agronomique)于20世纪60年代杂交选育而成，根系发达，长势健壮，且与桃/油桃品种间嫁接亲和力强，并具有抗钙质碱性土缺铁性黄化、抗重茬、抗旱等优良特性［6］。然而目前，关于GF677的研究主要集中于组培快繁技术上［7－8］，其抗性的生理机制研究较少。本课题组于2014年先后将GF677扦插苗与毛桃实生苗栽植到四川省龙泉驿区、简阳市等多地紫色页岩发育的碱性土壤上(pH≥8.0)，均发现毛桃黄化严重、长势弱，但GF677叶绿枝茂、生长势旺盛，表现出了极强抗黄化特征。【本研究切入点】在此基础上，本研究在碱性土立地条件下比较了2年生的GF677扦插苗与毛桃实生苗在碱性土壤上的植株不同器官全Fe含量及土壤相关化学性质进行动态测定，并对生长根表面根毛用扫描电镜进行观察比较。【拟解决的关键问题】以期找出其植株体内Fe素分配规律及根系Fe素吸收的生理机制，为未来抗性桃砧木育种中优良品种筛选提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验地点

供试材料为桃砧木品种GF677(扦插苗)，以普通毛桃(实生苗)为对照。

试验地位于四川省简阳市周家乡南冲堰村四川省农业科学院园艺研究所晚熟桃示范基地(N30°30'50.97″，E104°26'35.21″)，属亚热带湿润气候，年平均气温17℃，年降雨量900 mm。试验地块上茬作物为桃树，种植20余年，园区土壤侏罗系和白垩系紫色沙页岩发育而成的石灰性紫色土［10］，背景值为:pH 值 8.44，有机质 6.53 g/kg，全氮 0.60 g/kg，全磷 0.63 g/kg，全钾 20.03 g/kg，阳离子交换量CEC 19.20cmol(+)/kg，全铁 63.30g/kg，有效锌 0.54 mg/kg，有效铁19.40 mg/kg，有效锰5.50 mg/kg，交换性钙 81.00 cmol1/2Ca2+/kg，交换性镁 1.60 cmol1/2Mg2+/kg。2014年采取聚土起垄方式改土重建，株行距为1.0 m×4.5 m，栽植时GF677和毛桃均为1年生苗，本试验测定时间为2016年1－10月。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 试验于2016年春季GF677与毛桃实生苗功能叶成熟开始，选取生长势一致的GF677与毛桃实生苗，单株为1重复，每个处理设置5个重复。自1月上旬起每隔1个月左右于植株树冠南向、无病虫害新梢中部成熟功能叶，枝条选取南向一年生枝条，根系选择直径1.5～5.0 mm的生长根，叶片待3月份有成熟功能叶后，选取一年生枝条上基部往上数的第6～8片叶，并放入冰盒或液氮中，带回四川省农科院园艺研究所实验室进行测试。于2016年6月29日采集GF677和毛桃健康的白色生长根(直径1.5 mm以内)保存于3%的戊二醛固定液中用于根系表面扫描电镜观察。取植株生长根时会附着土壤，用力抖落表土后轻轻刮下根系表层10 mm以内的土样视为根际土壤，用于测定相关理化性质。

1.2.2 不同时期植株不同器官全Fe含量测定 采用高氯酸－硝酸－氢氟酸消化－原子吸收分光光度法，参照刘凤枝等［9］，仪器为德国耶拿ContraAA300原子吸收分光光度计。

1.2.3 不同时期根际土样全Fe、有效 Fe含量及pH值测定 pH值参照标准NY/T 1377-2007，使用Eutech CyberScan pH510 pH/ORP测量仪测定，土壤有效Fe含量测定采用DTPA浸提法，参照标准NY/T 890-2004，使用德国耶拿ContraAA300原子吸收分光光度计测定，土壤全Fe含量测定采用高氯酸－硝酸－氢氟酸消化－原子吸收分光光度法，参照鲍士旦［10］。

1.2.4 不同时期根际土样碳酸根、碳酸氢根离子含量测定 双指示剂中和法，参照鲍士旦［10］。

1.2.5 不同品种生长根表面根毛扫描电镜观察于6月29日取直径小于1.5 mm的白色生长根，注意保证根表皮的完整性，蒸馏水冲洗干净后放入3%戊二醛固定液。将固定后的样品取出，尽量保证观察表面平整、整洁，用PBS缓冲液洗涤两次，每次10 min;再用系列梯度酒精(30%、50%、70%、80%、90%、95%、100%)脱水，每次 15 min(植物根水分并不多，各梯度过一次)。之后将样品标记好放入临界点干燥器进行干燥。最后将干燥后的样片用两面胶贴到样品台上，用洗耳球轻轻吹，样品不掉为合格，然后将样品台放入离子溅射仪镀金，镀金完成后，取出，选择适当倍数进行观察。

所有测量结果制作成 Excel表格并使用SPSS22.0软件进行统计分析，采用Duncan＇s新复极差法进行显著性检验。

图1 碱性土上不同时期GF677与毛桃叶片全铁含量变化Fig.1 Total iron content in leaves of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

2 结果与分析

2.1 不同时期植株叶片、枝条和根系全铁含量变化

由图1可知，碱性土上不同时期GF677与毛桃叶片全Fe含量均呈先下降后略微上升，最后再下降的趋势，但略有不同。GF677叶片全Fe含量在3月10日至5月27日3个时期均极显著高于毛桃，之后随着GF677叶片全Fe含量的下降，毛桃叶片全Fe含量在7月29日反而极显著高于GF677。在6月29日和9月2日2个时期，两者之间全Fe含量差异不显著。GF677和毛桃叶片全Fe含量均以3月10日最高，以9月2日最低。这种变化规律与枝条全Fe含量的变化规律基本一致(图2)，GF677枝条全Fe含量在1月25日至6月29日多个时期显著或极显著高于毛桃，但在7月29日显著低于毛桃，在9月2日两者间枝条全Fe含量差异不显著。但G F677和毛桃枝条全Fe含量均以1月25日最高，以9月2日最低。

图2 碱性土上不同时期GF677与毛桃枝条全铁含量变化Fig.2 Total iron content in branches of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

图3 碱性土上不同时期GF677与毛桃根系全铁含量变化Fig.3 Total iron content in roots of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

GF677与毛桃根系全Fe含量变化规律与枝条、叶片间存在较大差异。从图3可知，GF677和毛桃根系全Fe含量最高峰均在5月5日，且GF677根系全Fe含量在1月25日、3月10日、5月5日、5月27日、6月29日5个时期极显著或显著高于与毛桃，但在7月29日和9月2日2个时期反而低于毛桃，这可能与GF677植株体内铁素的再分配有关。综合图1～3分析可知，GF677根系在生长前期(5月5日前)吸收Fe的能力较毛桃强，这可能是引起枝条和叶片在5月5～27日全Fe含量显著或极显著高于毛桃的重要原因。

2.2 不同时期根际土壤全Fe、有效Fe含量变化

图4 碱性土上GF677和毛桃不同时期根际土壤全铁含量变化Fig.4 Total Fe content in rhizosphere soil of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

图5 碱性土上GF677和毛桃不同时期根际土壤有效铁含量变化Fig.5 Active Fe content in rhizosphere soil of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

图6 碱性土上GF677和毛桃不同时期根际土壤pH值变化Fig.6 Potentiel hydrogène of rhizosphere soil of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

图7 碱性土上GF677和毛桃不同时期根际土壤碳酸根离子含量变化Fig.7 Carbonate ion content of rhizosphere soil of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

由图4～5可知，碱性土上GF677与毛桃根际土壤全 Fe含量、有效 Fe含量变化趋势相近，但GF677根际土壤全Fe含量在5月5日和7月29日2个时期均极显著高于毛桃，GF677根际土壤有效Fe含量在5月5日极显著高于毛桃。桃树根系生长的高峰恰逢4－5月，表明GF677在5月能够富集根际附近土壤中的Fe素，且富集能力强于毛桃。

2.3 不同时期根际土样pH值、碳酸根和碳酸氢根离子含量变化

由图6可知，碱性土上不同时期GF677与毛桃根际土壤pH值均呈先下降后上升的趋势，pH值最低值均出现在5月27日，但GF677根际土壤在5月5日、5月27日和7月29日至9月2日4个时期均极显著低于毛桃，这可能与GF677根系受胁迫后所分泌的酸性物质有关。

由图7～8可知，碱性土上毛桃根际土壤碳酸根离子在5月5日、5月27日、7月29日和9月29日四个时期显著或极显著高于GF677，而毛桃根际土壤碳酸氢根离子在1月25日极显著高于GF677，然后下降并在5月5日极显著低于GF677，之后再上升并在5月27日至9月29日多个时期高于GF677，但差异不显著。表明毛桃根际土壤pH的升高和铁素的钝化与碳酸根离子、碳酸氢根离子含量较高有关。

2.4 GF677与毛桃生长根系表面扫描电镜观察结果

图8 碱性土上GF677和毛桃不同时期根际土壤碳酸氢根离子含量变化Fig.8 Bicarbonate ion content of rhizosphere soil of GF677 and wild peach on alkaline soil during different periods

部分桃树野生资源在长期的进化过程中，获得了适应碱性(低Fe)生长环境的各种能力，如增强根系Fe吸收的能力及植物组织中Fe再利用的能力等，具体包括:诱导高Fe还原酶和Fe转运体，分泌质子，增加亚根尖根毛发育和侧根发育以及分泌酚类物质等还原性小分子有机物。由图9可知，碱性土上GF677和毛桃在6月29日生长根表面扫描电镜发现:GF677根系根毛在不同倍数下均多于毛桃，表明GF677在碱性土上适应能力更强，增加了对土壤养分的吸收面积。

3 讨论

目前针对果树植株黄化病症的研究，常用的方法有:补素矫正、对叶片和土壤中矿质营养元素的含量分析，以及对土壤酸碱度、矿化度等［11－14］相关指标的分析。本试验通过对碱性土上GF677和毛桃不同时期植株不同器官全Fe含量的分析发现，GF677与毛桃的根系在生长高峰期对Fe营养元素的吸收能力明显强于毛桃，且GF677能够顺利将Fe素分配至枝条和叶片，表明GF677与毛桃植株抗黄化能力出现差异与其根系对Fe的吸收能力以及体内营养元素的转运和再分配能力有关，这与冯海艳［15］对石灰性土壤花生的Fe营养与黄化机理研究所得出的结论有相似性，冯海艳还认为石灰性土壤上Fe可以在花生根部大量积累，尤其是营养生长和成熟衰老期，而后用于植株体内铁素的再分配。同时也证明了四川省龙泉山脉桃树黄化病症与植株生理性Fe素缺乏有关，这与涂美艳和陈栋等人对四川省龙泉山脉桃树黄化病症的研究结论一致［1，5］。

图9 碱性土上GF677与毛桃根系表面扫描电镜观察Fig.9 Surface of roots of GF677 and wild peach observed by scanning electron microscope

土壤中Fe素形态不同，因此植物一般能够吸收的Fe素形态为有效Fe。土壤有效Fe供给能力对植物的是否黄化起到关键作用［16］。对碱性土上不同时期GF677与毛桃根际土壤全Fe和有效Fe含量分析发现:整个生长期全Fe含量变化差异不大，而GF677根际土壤有效Fe含量在3月10日至5月5日期间均高于或极显著高于毛桃，这一时期恰逢植株根系生长的一个高峰，表明GF677根系在此期间富集大量有效Fe从而保证了植株在最需要Fe素的时期得以补充。李利敏［17］等人针对樟树黄化土壤因子进行周年测定，结果同样发现夏季(8月份)当植株生长旺盛，根系可能会分泌较多的酸性物质，根系对Fe素的吸收速度更快。

部分桃树野生资源在长期的进化过程中，获得了适应低Fe生长环境的各种能力［22］，主要包括两个方面:增强根系Fe吸收的能力及植物组织中Fe再利用的能力。具体包括:诱导高Fe还原酶和Fe转运体，分泌质子，增加亚根尖根毛发育和侧根发育以及分泌酚类物质等还原性小分子有机物。本试验中，对于碱性土上GF677和毛桃根系表面扫描电镜观察发现:GF677根系根毛在不同倍数下均多于毛桃，表明GF677在碱性土上适应能力更强，能够通过增加根系表面根毛数量从而增加对土壤养分的吸收面积。李贤宇［23］研究化感作用与宿根甘蔗苗期黄化的相关性时也发现，宿根甘蔗黄化苗与宿根正常苗和新植蔗苗相比:根系数量(尤其是新生根系数量)较少，根系活力较低。而刘平［24］通过接种AM菌根菌研究对柑橘Fe素吸收效应的影响，结果发现在栽培条件下柑橘根系根毛少且短，甚至无，需要依赖丛枝菌根的吸收作用维持其生长，从而对丛枝菌根的依赖性强，高pH值土壤上接种AMF使卡里佐枳橙根系吸收根增加，对Fe素吸收表现出了明显的促进效果。

4 结论

综上所述，四川省龙泉山脉桃树黄化主要生理性病因是Fe素吸收障碍以及植株体内Fe素转运和再分配受阻，在碱性土上影响最明显的指标包括:植株枝条和叶片Fe元素代谢变化、根际土壤有效Fe含量变化、根际土壤pH和碳酸根离子含量。这些指标将有利于今后进一步鉴定碱性土上桃树植株黄化问题。GF677在碱性土上通过增加生长根表面根毛数量和密度，增加了对土壤养分的吸收，保证了Fe元素的同化与吸收，并且通过分泌某些酸性物质提高了根际土壤的有效Fe含量，降低了pH和碳酸根离子含量，从而保证了植株在碱性胁迫下的正常生长。本研究为今后进一步探究GF677植株Fe素转运和再分配以及根系分泌物提供了可靠的理论依据。