干旱条件下不同砧木对“蜜脆”苹果幼苗养分吸收利用的影响

赵 琪,张志军,李 超,邹养军

(西北农林科技大学 园艺学院，陕西 杨凌 712100)

在干旱和半干旱地区，水分是影响植物生长的主要因素之一。干旱胁迫会导致作物减产，威胁农业和畜牧业的可持续发展。干旱胁迫影响植物新陈代谢和蛋白质组学等过程，从而影响植物的生长[1-2]。在干旱条件下，植物诸多生理指标通常会下降[3]，并且生理指标下降的程度取决于干旱程度及其持续时间[4]。干旱胁迫对植物生长的影响可以用以下几种方式分析，如生物量积累、气体交换能力、光合系统活性、活性氧代谢、营养同化和运输过程等[5-6]。在干旱条件下，植物通过关闭气孔来减少水分蒸发、降低CO2摄入量，从而削弱光合能力，而光合同化物的减少以及蒸腾拉力的下降会影响植物生物量的积累[7]。尽管干旱胁迫会影响植物的生长，但是植物往往通过调节生理、形态、新陈代谢及其他机制来适应干旱胁迫，以实现蒸腾失水量和根系吸水量的平衡[8]。

矿物质营养在植物的生长发育过程中发挥着至关重要的作用[9]。矿质养分的运输极大程度上依赖于水分运输，木质部汁液中矿质阳离子的浓度又调节着水分的长距离运输[10]，这种相互关系称之为“离子效应”，对于植物养分和水分能够最优化分配到不同部位及抗旱性有重要作用[11]。由于矿质元素参与众多生理生化过程，所以矿质元素含量不足会导致植物生长受抑制和产量受损。集流、扩散和接触交换是高等植物吸收矿物元素的三大机制[12-14]。水分亏缺可以通过以下3种方式影响植物的养分状况：首先，土壤含水量减少会影响土壤养分矿化，从而减少土壤中可利用的养分[12]；其次，集流、扩散不畅会抑制养分的吸收和转运[13]；最后，叶片气孔导度下降会影响光合作用和蒸腾速率[14]。虽然目前关于干旱与水分利用效率的相关研究很多，但干旱条件下苹果养分吸收与利用的研究还较少。

苹果是世界主栽水果之一，种植范围广，在世界果品生产中占有重要地位，中国是世界苹果生产大国。中国苹果栽培主要集中在北方，而这些地区土壤干旱及贫瘠化严重，成为制约苹果优生栽培区域扩大的主要因素之一。在苹果生产上，其抗逆性主要取决于砧木。砧木抗旱性是由多种因素相互作用构成的一个复杂的综合性状。刘丙花[15]研究了不同砧木对干旱胁迫的响应，但干旱胁迫下砧木对接穗矿质养分吸收差异的影响还不是很清楚。为此，本研究调查了干旱对嫁接在不同砧木上的“蜜脆”苹果苗生长量积累、叶片矿质养分含量、植株养分吸收通量及利用效率的影响，以期筛选出干旱条件下矿质养分高效吸收利用的苹果砧木。

1 材料与方法

1.1 植物材料与试验设计

2017年3月，将苹果品种“蜜脆”的接穗嫁接在10种(G11、G30、Gx、G935、Pajam2、Pajam1、T337、M9、M26和G41)2年生苹果砧木上，砧木均采用压条繁殖。所有材料移植在塑料盆(盆口直径38 cm，盆底直径23 cm，盆高35 cm)中培养，盆中装混合土(V(土壤)∶V(沙)=1∶1)，均放置于大棚中。为了避免边缘效应，所有盆栽苗的位置每周随机轮换，使每株材料完全随机摆放。

试验开始前所有材料正常供水，在充分浇水条件下生长4个月后，每个砧木选取80株生长良好且长势一致的苹果苗进行处理。试验设计2种水分处理：对照正常浇水，以保持盆土达到75%～85%田间最大持水量(CK)；中度干旱胁迫处理(MD)保持盆土达到45%～55%田间最大持水量，每个处理各40株。采用称重法计算土壤含水量并记录每天水分散失量，隔天18：00 补充损失水分。土壤表面均匀覆沙，尽量减少土壤表层水分蒸发。试验开始于2017年7月1日，结束于2017年9月1日，历时62 d。

1.2 不同砧木苹果嫁接苗生长指标的测算

处理开始后0 d和62 d取样测定各处理苹果植株生长指标，每个处理10株重复。株高用米尺(精度1 mm)测定(从嫁接口至主干顶芽)，主干基部直径用电子游标卡尺(精度0.001 mm)测定。收获每组处理的整株植株，并分为叶片、枝干和根系3部分，首先用自来水冲洗根部，然后分别用自来水、0.1 mol/L HCl和蒸馏水洗涤所有样品，吸水纸擦干，记录植株的总鲜质量。之后在105 ℃烘箱中杀青15～20 min，然后70 ℃烘干至恒质量，生物量的总干质量为根、茎、叶干质量的总和，净生物量和相对生长速率按下式计算：

净生物量=W2-W1；

相对生长速率=(lnW2-lnW1)/(t2-t1)[16]。

式中：W1是第0天(t1)的植物干质量，W2是第62天(t2)的植物干质量。

1.3 不同砧木苹果嫁接苗矿质元素含量的测定

处理62 d时取样测定苹果植株根、茎、叶的矿质元素含量，每个处理重复5次。将烘干的植物材料用普通研磨机粉碎后过孔径0.300 mm(50目)筛。称取0.2 g干物质粉末放入100 mL消煮管中，用浓硫酸(H2SO4,AR,98%)和过氧化氢(H2O2,GR,≥30%)消化。消煮结束后，用去离子水定容至100 mL，上下颠倒混匀。用AA3连续流动分析仪(SEAL Analytical,Norderstedt,Germany)测定N和P含量， K含量通过火焰光度计(M410;Sherwood Scientific Ltd.,Cambridge,United Kingdom)测定。取0.1 g样品，使用微波反应系统(Multiwave PRO;Anton Paar GmbH,Graz,Austria)将样品用硝酸(HNO3,AR,65%)消化，采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(iCAP Q ICP-MS;Thermo Fisher Scientific Co.,Waltham,MA,United States)对Ca和Mg元素含量进行测定。

1.4 不同砧木苹果嫁接苗矿质养分吸收通量和养分利用效率的计算

采用Kruse等[17]和Sánchez-Rodríguez等[18]的方法，根据相对生长速率、干质量以及根、茎、叶中矿质元素的含量来计算养分吸收通量和养分利用效率，公式如下：

养分吸收通量J(mg/(株·d))=矿质元素含量(mg/g)×干质量(g/株)×相对生长速率(mg/(g·d))；

J总=J根+J茎+J叶；

养分利用效率(g/g)=净生物量(g/株)/养分含量(g/株)。

1.5 统计分析

在进行数据分析时，计算了各项指标的胁迫变化幅度，公式如下：

指标胁迫变化幅度=(干旱处理植株测量值-对照植株测量值)/对照植株测量值×100%。

所有数据均使用SPSS 20.0软件进行分析，用Excel制图。单因素方差分析(ANOVA)用于比较处理间的差异，对差异显著者采用Duncan’s法进行多重比较。运用Two-way ANOVA方法对每个变量进行LDS检验(P<0.05)。以矿质养分吸收通量和养分利用效率的原始值为依据，采用欧氏距离并运用离差平方和法，对不同砧木苹果幼苗的养分吸收利用效率进行聚类分析。文中数据均为5到10个重复样本的“平均值±标准偏差(SD)”。

2 结果与分析

2.1 干旱条件下不同砧木对“蜜脆”苹果幼苗生长的影响

由方差分析结果可知，砧木、水分及砧木×水分的交互作用均极显著(P<0.001)影响“蜜脆”苹果幼苗的净生物量和相对生长速率。由表1可知，与CK相比，干旱显著降低了“蜜脆”苹果幼苗的净生物量、相对生长速率、茎粗和株高；2种供水条件下，“蜜脆”苹果幼苗的上述指标均因砧木不同而表现各异。干旱胁迫后，引起植株净生物量和相对生长速率下降幅度最大的砧木为Pajam2(-91.76%，-86.51%)，最小的为T337(-64.26%，-50.12%)；引起植株茎粗下降幅度最大的砧木为G935(-27.36%)，最小的为Pajam1(-10.95%)；引起植株株高下降幅度最大的砧木为M9(-43.79%)，最小的为G30(-28.11%)。

表1 干旱条件下不同砧木对“蜜脆”苹果幼苗净生物量和相对生长速率的影响Table 1 Effects of different rootstocks on net biomass and relative growth rate of “Honey Crisp” apple trees under drought stress

注：同列数据后标不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

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

2.2 干旱条件下不同砧木对“蜜脆”苹果幼苗叶片大量矿质元素含量的影响

由方差分析结果可知，砧木、水分和砧木×水分的交互作用极显著(P<0.001)影响 “蜜脆”苹果幼苗叶片中大量元素的含量。由表2可知，干旱条件下，植株叶片中N、P、K、Ca、Mg含量最高的砧木分别为M26、M26、Gx、M9和G11，最低的分别为G30、M9、G41、T337和T337。与CK相比，干旱降低了大多数植株叶片中的大量元素含量。与CK相比，植株叶片中N、P、K、Ca、Mg含量受干旱胁迫影响，下降幅度最大的砧木分别为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别为M26(1.39%)、M26(5.99%)、Pajam2(-1.16%)、M9(38.98%)和M9(18.56%)。

表2 干旱条件下不同砧木对“蜜脆”苹果幼苗叶片大量矿质元素含量的影响Table 2 Effects of different rootstocks on content of macronutrients of “Honey Crisp” apple trees leaves under drought stress

表2(续) Coniuned table 2

2.3 干旱条件下不同砧木对“蜜脆”苹果幼苗大量矿质元素吸收通量的影响

方差分析结果表明，砧木、水分和砧木×水分的交互作用极显著(P<0.001)影响“蜜脆”苹果植株的大量元素吸收通量。与CK相比，干旱显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)条件下，植株N、P、K、Ca、Mg吸收通量最大的砧木分别为G935、G935、G935、G11和M26，而以Pajam1为砧木的植株N、P、K、Ca、Mg吸收通量均最小。干旱条件下，植株N、P、K、Ca、Mg吸收通量最大的砧木分别为M26、M26、T337、T337和M26；而以Pajam2为砧木的植株N、P、K、Ca、Mg的吸收通量均最小。干旱处理后，以Pajam2为砧木的植株N、P、K、Ca、Mg的吸收通量下降幅度最大，分别降低94.97%，95.97%，95.09%，94.62%和95.04%，以T337为砧木的植株N、K、Ca、Mg的吸收通量下降幅度最小，分别降低71.46%，75.15%，71.06%和71.17%，以M26为砧木的植株P吸收通量下降幅度最小，降低74.28%。

表3 干旱条件下不同砧木对“蜜脆”苹果幼苗大量矿质元素吸收通量的影响Table 3 Effects of different rootstocks on absorption fluxes of macronutrients of “Honey Crisp” apple trees under drought stress

2.4 干旱条件下不同砧木对“蜜脆”苹果幼苗养分利用效率的影响

由方差分析结果可知，砧木、水分和砧木×水分的交互作用显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)影响“蜜脆”苹果植株的养分利用效率。表4表明，与CK相比，干旱处理降低了大多数植株的N、Ca、Mg利用效率，但提高了K、P的利用效率，不同砧木对“蜜脆”幼苗养分利用效率的影响不同。正常供水(CK)条件下，植株N、P、K、Ca、Mg养分利用效率最高的砧木分别为Pajam1、Pajam1、Pajam1、Gx和Gx，最低的分别为G11、G11、Gx、G11和G11。干旱条件下，植株N、P、K、Ca、Mg养分利用效率最高的砧木分别为G30、M9、G30、G30和T337，最低的分别是G11、G11、Gx、G11和M9 。与CK相比，植株叶片N、P、K、Ca、Mg利用效率降幅最大的砧木分别为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别为G30(-0.40%)、Gx(36.61%)、G41(20.92%)、G11(19.83%)和G30(14.91%)。

表4 干旱条件下不同砧木对“蜜脆”苹果幼苗矿质养分利用效率的影响Table 4 Effects of different rootstocks on nutrient use efficiency of “Honey Crisp” apple trees under drought stress

2.5 干旱条件下不同砧木苹果幼苗基于养分吸收利用效率的聚类分析

以不同砧木“蜜脆”苹果幼苗干旱条件下的大量元素吸收通量和养分利用效率原始数据为依据，采用欧氏距离并运用离差平方和法，对10个砧木的养分吸收利用效率进行聚类分析，结果见图1。由图1可以看出，根据欧氏距离可将嫁接在10个砧木上的“蜜脆”苹果幼苗在干旱条件下的养分吸收利用效率分为3组。其中第Ⅰ组包括M26、T337和Gx，属高养分吸收利用效率砧木；第Ⅱ组包括G11、G41和M9，属低养分吸收利用效率砧木；第Ⅲ组包括G935、Pajam1、Pajam2和G30，属中等养分吸收利用效率砧木。

图1 干旱条件下不同砧木“蜜脆”苹果幼苗基于大量元素吸收通量和养分利用效率的聚类结果Fig.1 Cluster analysis results of “Honey Crisp” based on absorption fluxes of macronutrients and nutrient use efficiency under drought conditions

3 讨 论

干旱胁迫下，植物生长会在很多方面受到影响，如叶片水势降低、植物水势和营养关系发生变化[19]等。本试验结果表明，干旱胁迫导致很多参数下降，但砧木的基因型会影响“蜜脆”苹果嫁接苗对干旱胁迫的响应。这是由于地上部的接穗都相同，所以植株生长上的差异主要归因于砧木基因型的不同[20]。本试验结果显示，以M26和T337为砧木的植株生物量在干旱胁迫下较其他植株高，这与其有较快的相对生长速率有关。干旱胁迫降低了供试幼苗总的干物质积累量及其对营养物质的吸收，所以水分亏缺下植物组织中营养物质的最终含量，将取决于相对于干物质积累而减少的营养物质吸收量[21]。本试验结果显示，中度干旱处理后，苹果叶片中P、K、Ca、Mg含量的变化幅度很大，而N含量变化幅度较小，这可能是由于每种元素对生物量积累的贡献不同。白泽晨[22]研究表明，轻度水分胁迫在一定程度上有助于赤霞珠葡萄对N的吸收，但随胁迫程度增大会抑制N的吸收。水分是控制养分吸收的关键变量，干旱胁迫可通过减少元素的摄取、运输和再分配来抑制植物生长[23]。例如，干旱会阻碍樱桃番茄吸收大量和微量营养元素[24]，而且这种胁迫会导致植物出现矿物质缺乏的症状[25]。与前人研究结果类似[26-27]，本试验数据显示，干旱胁迫显著降低了苹果幼苗对N、P、K、Ca、Mg的吸收，这也是导致植株同化能力下降及生物量积累减少的原因。本课题组之前的研究也发现，在干旱条件下，苹果植株向叶和茎中的营养运输速率降低，而且叶片中的降低幅度高于茎或根[28]，这可能是由于叶片对干旱更加敏感。张明锦等[29]研究表明，干旱处理下巨能草对N、P的利用效率均显著低于正常水分条件，与之不同的是，本研究发现，干旱处理后苹果幼苗对N的利用效率降低，而对P的利用效率基本都升高，这可能是由物种之间的差异造成的。

苹果嫁接苗的砧木为接穗提供水分和矿物质养分，而接穗也会提供碳水化合物供根系生长[30]。Poling等[31]发现，砧木基因型对苹果叶片中的元素含量有显著影响。常聪[32]的研究表明，砧木的基因型差异会影响苹果植株对K的吸收，以新疆野苹果和丽江山定子为砧木则植株K+浓度相对较高。季萌萌[33]研究了不同苹果砧木的磷吸收利用效率后发现，富平楸子相对P效率和P吸收效率最高，P的利用效率也较高。王海宁[34]的研究表明，平邑甜茶和八棱海棠对N的利用率属中低水平，楸子对N的利用率最高，新疆野苹果对N的利用率仅次于楸子，东北山荆子对N的利用率最低。本试验结果显示，以M26为砧木的苹果植株叶片N、Mg含量较高，以Gx为砧木的植株叶片K含量较高；而且M26对N、P、K、Mg的吸收较多，T337对K和Ca的吸收较多。上述研究均表明，砧木基因型差异会影响树体对养分的吸收，这是由于不同砧木对营养物质的吸收及营养物质的向上运输速率有很大差异，同时地上部光合产物向下运输的速率也不同，砧穗组合影响着这一切[30,35]。此外，周开兵等[36]调查发现，不同砧木的橙树叶片矿质元素含量年变化趋势差异明显。Zarrouk等[37]研究表明，嫁接在砧木Cadaman和GF677上的桃树品种“Queen Giant”，其叶片中N含量最高，而嫁接在砧木Adarcias上的N含量最低。赵德英等[38]研究发现，不同矮化中间砧也会影响植物矿质元素的含量。所以研究砧木对养分的吸收利用不仅需要研究砧木本身，更要结合接穗进行系统研究。

4 结 论

本研究探讨了不同苹果砧木对干旱的响应，以及干旱胁迫下不同苹果砧木对苹果品种“蜜脆”养分吸收利用的影响，表明不同砧木对干旱胁迫的响应程度不同，并且在干旱下具有不同的养分吸收利用能力。干旱条件下，以M26、Gx和T337为砧木的“蜜脆”苹果幼苗养分吸收利用能力较高，而以G11、G41和M9为砧木的“蜜脆”苹果幼苗养分吸收利用能力较低。