外源硼对红地球葡萄幼苗生长及抗性相关指标的影响

杨 阳，谭玉超，常睿哲，任凤山，蒋锡龙，吴新颖

(1.山东省葡萄研究院/山东省葡萄栽培与精深加工工程技术研究中心，山东 济南 250100；2.烟台张裕卡斯特酒庄有限公司，山东 烟台 264000； 3.山东省农药科学研究院，山东 济南 250100)

近年来，葡萄产业发展迅速，已成为我国较为重要的经济产业[1]。然而，在葡萄生产中会受到干旱、高温、低温、病、虫等各种因素的影响，对葡萄生产造成不可挽救的损失[2-3]。有研究表明，适当增加钙、硅、钼等矿质养分，不仅可改善植物营养状况，还能有效减少或减轻各种环境及生物胁迫对植物产生的影响，进而提升植物的生产能力[4-5]。通过合理施用矿质元素来提高植物抗性，以抵御不良环境和生物胁迫，已逐渐成为植物营养学的研究热点[6]。

硼是植物生长发育所必需的微量营养元素，不仅具有促进细胞生长和生殖器官建成，参与碳水化合物、酚类、氮素的代谢过程等多种营养生理功能[7]，还能以多种方式直接或间接地提高植物抗性[8]。有研究认为，在抵御外界不良环境上，适当的硼可提高叶片抗氧化系统的酶活性，抑制超氧阴离子产生速率，进而提高其抗旱性[9]；在抗病性上，硼可通过改变植物细胞特性[10]，诱导植物产生系统获得性抗性[11]，以提高寄主植物对病原菌的抵抗能力。有关硼对植物各种抗性的影响研究，主要集中在马铃薯[12]、大白菜[13]、黄瓜[14]、烟草[15]、桃树[16]上，但硼对葡萄抗性影响的相关研究还未见报道。

红地球葡萄(V.viniferaL.cv.Red Globe)是我国栽培面积较大的鲜食葡萄品种，粒大、色艳、耐储、含糖量高，但存在抗旱性、抗病性和抗寒性弱的特点[17]。有研究表明，与野生型葡萄相比，红地球葡萄对硼元素利用率低，是硼低效品种[18]。而有关外源硼对红地球生长及各种生理生化指标的影响研究还未见报道。鉴于此，通过分析不同质量浓度硼处理条件下红地球葡萄幼苗的生长指标、根系和叶片硼含量、叶片中抗性相关指标的变化趋势以及各指标间的相关性，探究不同质量浓度硼处理对葡萄生长以及抗性指标的影响，初步探讨硼元素在提高葡萄抗性上的作用及生理机制，为葡萄硼肥的合理施用提供理论支持。

1 材料和方法

1.1 试验设置

试验于2017年在山东省葡萄研究院温室内进行。以1年生欧洲葡萄(V.vinifera)红地球(Red Globe)为试材，选择主干粗细较均一的苗木，培养前进行统一修剪，地上部保留2个芽(约10 cm)，根系保留5 cm长度，于基质中培养3～5片叶时，再分别选择长势一致的苗木36棵，用蒸馏水洗去根部基质定植于盆中，经洗净消毒的珍珠岩培养，花盆底部放置小托盘。采用改良Hoagland营养液，在其他营养成分浓度不变的情况下，设置B0(0 mg/L)、B1(0.2 mg/L)、B2(3.1 mg/L)、B3(6.2 mg/L) 4个硼质量浓度处理。其他元素质量浓度(mg/L)：Ca(NO3)2·4H2O 945、K2SO4607、NH4H2PO4115、MgSO4493、Fe-EDTA 30、MnSO42.13、ZnSO4·7H2O 0.22、CuSO4·5H2O 0.05和H2MoO40.05。用0.1 mol/L的HCl或NaOH调节pH值到6.5。

每个处理重复3次，每个重复3株。每隔7 d，每株浇150 mL营养液，营养液处理3 d时用去离子水将珍珠岩中的残液用渗出法渗出，以防止离子积累出现盐害。处理121 d后，采集地上部上、中、下部叶片，混合后用液氮处理，放入-80 ℃冰箱待用，用以测定各种酶活性。然后按根、叶、新梢收集材料，测量新梢长度，称量各部分鲜质量，然后于105 ℃杀青、80 ℃烘干，称量各器官干质量后磨碎备用。

1.2 测定项目与方法

硼含量采用Optima 2100 DV等离子体发射光谱仪测定[19]；可溶性糖和淀粉含量采用蒽酮-硫酸比色法测定[20]；可溶性蛋白质含量采用BCA法测定[20]；脯氨酸含量采用茚三酮比色法测定[20]；丙二醛含量采用硫代巴比妥酸比色法测定[20]；SOD(超氧化物歧化酶)活性采用氮蓝四唑法测定[20]；PAX(抗坏血酸过氧化物酶)活性采用氧化法测定[20]；POD(过氧化物酶)活性采用愈创木酚法测定[20]；CAT(过氧化氢酶)活性采用紫外吸收法测定[20]。

1.3 数据处理

所有数据用 Microsoft excel 2007进行处理。采用DPS数据处理软件进行方差分析，用Duncan’s新复极差法进行显著检验。

2 结果与分析

2.1 硼处理对红地球葡萄植株生长的影响

不同质量浓度硼营养液处理121 d后，无硼(0 mg/L)和高硼(6.2 mg/L)处理的B0和B3植株均生长良好，叶片和根系未表现出明显缺硼和高硼胁迫症状，但不同处理植株的生长势出现明显差别，以硼质量浓度为3.1 mg/L和6.2 mg/L的B2和B3处理效果较好。

与B0相比，增加根系外界环境中的硼浓度有利于红地球葡萄幼苗生物质量的增加和新梢的生长(表1)。且随着外界硼浓度的增加，红地球植株的全株鲜、干质量和当年生新梢生长量呈现先增加后降低的趋势，B1、B2、B3处理的全株鲜质量和干质量分别增加14.4%、26.1%、21.2%和23.6%、50.8%、42.4%，当年生新梢生长量的增加量分别增加11.1%、20.1%、13.9%。

表1 硼处理的红地球葡萄当年新生器官生物积累量和当年新梢长度

处理B1、B2和B3的各器官(根、茎、叶)生物质量显著高于无硼处理B0。且外界硼浓度的增加对叶片的影响要大于根系，与B0相比，B1、B2、B3处理的叶片鲜质量分别增加了26.2%、43.3%、32.6%，而根系鲜质量仅增加9.4%、16.5%、15.0%。

2.2 硼处理对红地球葡萄硼含量的影响

根系环境的硼浓度直接影响葡萄植株的硼含量水平，红地球葡萄根系和叶片中的硼含量随外界硼浓度的升高而增加(图1)，与B0相比，硼处理的B1、B2、B3根系硼含量分别增加了21.7%、68.6%、159.7%，叶片硼含量则分别增加了125.4%、668.7%、810.6%。在高浓度硼条件下，硼可在叶片中大量积累，硼质量浓度为6.2 mg/L时，叶片中硼含量为448.0 mg/kg，而根系中硼含量仅为75.3 mg/kg，叶片中的硼含量极显著高于根系，是根系中硼含量的5.95倍。

不同小写字母表示处理间差异达5%显著水平Different letters indicate significant differences at 5% level

2.3 硼处理对红地球葡萄抗性相关生理指标的影响

硼可促进植物体内碳水化合物的运输和代谢。表2数据显示，红地球葡萄根系可溶性糖含量随着外界硼浓度的升高而升高，而淀粉含量则随着外界硼浓度的升高而降低，且外界硼浓度对可溶性糖含量的影响程度大于对淀粉的影响，与B0处理相比，B1、B2、B3处理的可溶性糖含量分别提高了19.9%、19.6%、37.6%，而淀粉含量却降低0.8%、4.5%、14.3%。

可溶性蛋白质和脯氨酸含量是植物体内重要的抗性生理指标。表2数据显示，红地球葡萄叶片可溶性蛋白质和脯氨酸含量随外界硼浓度的增加而升高，以B3处理的含量较高，与B0相比，分别提高了88.0%、14.4%，可见，不同浓度硼处理对可溶性蛋白含量的影响程度要大于脯氨酸含量。

丙二醛是膜脂过氧化的终产物，其含量高低可作为考察细胞受到胁迫程度的指标。外界硼质量浓度为0 mg/L和6.2 mg/L的B0和B3处理的丙二醛含量较高(表2)，分别为31.51 nmol/g和27.11 nmol/g，说明无硼和高硼条件下对葡萄叶片产生了一定的伤害作用，且无硼条件对细胞膜系统的伤害程度要高于高硼条件。同时，适当的外界硼浓度可降低葡萄叶片的丙二醛含量，B1和B2处理的丙二醛含量较低，与B0相比，分别降低了30.4%、24.6%。

表2 硼处理的红地球葡萄根系和叶片的抗性生理指标Tab.2 Resistance physiological indexes of root and leaf of Red Globe grape in boron treatment

2.4 硼处理对红地球葡萄叶片抗性相关酶活性的影响

不同质量浓度硼处理后，葡萄叶片抗氧化系统酶活性呈现不同的变化趋势(表3)。随着外界硼浓度的升高，SOD活性呈先升高后降低的趋势，以B1和B2处理的酶活性较高，且B2与B1处理间无显著性差异，以B0活性最小，与B1相比，B0、B3处理分别降低了26.3%、23.0%；APX活性也呈现先升高后降低的趋势，以B1处理较高，B0次之，B2、B3处理则逐渐降低，与B1相比，B3处理降低了36.1%，而B0处理仅降低了16.1%。

表3 硼处理的红地球葡萄叶片POD、SOD、CAT、APX活性Tab.3 The activity of POD，SOD，CAT and APX of Red Globe grape leaves processed by boron

高硼条件降低了POD活性，却提高了CAT活性。

随着外界硼浓度的升高，POD活性呈现逐渐降低的趋势，以B0处理较高，B1、B2、B3处理则逐渐降低，与最大值B0相比，分别降低了35.5%、47.9%、63.9%；与POD活性的变化趋势相反，CAT活性呈现逐渐升高的趋势，以B0处理较低，B1、B2、B3处理逐渐升高，分别升高了11.0%、12.6%、57.9%。说明高硼质量浓度6.2 mg/L对POD和CAT的影响更大一些。

2.5 各指标间的相关性分析

通过对各指标间的相关性分析发现(表4)，红地球葡萄叶片和根系硼含量与外界硼质量浓度均呈显著正相关性(r=0.950 1，r=0.989 4)；根系中可溶性糖含量与外界硼质量浓度呈正相关(r=0.853 9)，而根系淀粉含量与外界硼质量浓度呈显著负相关(r=-0.978 2)；叶片可溶性蛋白质含量与叶片硼含量呈显著正相关(r=0.984 5)，叶片脯氨酸含量与叶片硼含量为极显著正相关(r=0.997 6)；叶片POD活性与外界硼质量浓度及各指标间均为负相关，其中与根系可溶性糖含量和叶片可溶性蛋白质含量为显著负相关(r=-0.965 7，r=-0.960 7)，叶片CAT活性与根系硼含量为显著正相关(r=0.964 7)，与根系淀粉含量为显著负相关(r=-0.978 7)。

表4 各指标间相关系数临界值及相关性分析Tab.4 Critical value and correlation analysis of correlation coefficient between indicators

3 结论与讨论

最新研究表明，葡萄对硼素的吸收量仅次于铁元素，位于微量元素中的第2位[21]。硼素在葡萄生产上的应用方式较单一，主要以叶面肥的形式于葡萄花期前后喷施，研究上更侧重于葡萄坐果率[22]及果实品质[23-24]的提高。而有关硼素对葡萄生长发育影响的研究，主要集中在缺硼胁迫和硼中毒方面，有研究认为，植物硼适宜和硼中毒的浓度范围较小，外界硼超过2 mg/kg时葡萄生长将受到抑制[25]。但也有研究表明，葡萄对硼具有较强的适应性，在极度缺硼的土壤上，葡萄仍可良好生长[26]；而当外界硼达到13.02 mg/kg和19.22 mg/kg时，葡萄叶片会出现硼中毒症状，但对葡萄产量不造成影响[25]。本试验数据显示，经过121 d不同浓度硼处理，红地球葡萄幼苗的生长表现出显著差异，新梢生长和生物量的积累随外界硼浓度的升高呈现先升高后降低的趋势，在硼质量浓度为3.1 mg/L时有最大值，且在无硼(0 mg/L)和高硼(6.2 mg/L)环境条件下植株未表现出明显胁迫症状。这一结果表明，适当的增加外界硼浓度有利于红地球葡萄的生长，而有关适宜的浓度范围及适宜量与前人研究结果有所差异，这可能与苗木品种、年龄、处理时间、试验栽培环境及硼试剂形态存在差异有关。无硼条件121 d未出现缺硼胁迫症状，这可能与幼苗储藏的硼以及在前期基质栽培时吸收的硼已足够1年生红地球葡萄生长的需求有关，也表明生产上葡萄树体可以在一定时间内抵御缺硼或高硼的环境胁迫。

本试验中，红地球葡萄叶片和根系硼含量与外源硼浓度呈显著正相关性，外源硼浓度直接影响葡萄体内硼的含量水平，这一结果与YERMIYAHU等[27]的研究结果一致。叶片中硼含量可作为硼缺乏和硼中毒的指标，有研究认为，葡萄叶片硼含量低于20 mg/kg为硼缺乏，叶片硼含量超过150 mg/kg为硼中毒[28]。本试验数据显示，在硼质量浓度分别为3.1、6.2 mg/L时，叶片硼含量可高达378.2 mg/kg和448.0 mg/kg，而叶片未表现出明显硼中毒现象，这可能与硼处理时间不够有关，在短时间内植株可能会通过其他方式来抵御硼过量的伤害。

根系中可溶性糖含量是衡量根系抗寒性能力的关键性指标之一[29]。硼可促进碳水化合物的运输和代谢，叶面喷施硼砂增加了马铃薯块茎中的蔗糖、还原性糖和淀粉含量[30]。而本试验中，葡萄根系可溶性糖含量与外源硼质量浓度呈正相关，但不显著；根系淀粉含量与外源硼质量浓度呈显著负相关。表明，外界硼浓度的增加提高了根系可溶性糖含量，但降低了淀粉含量，推测是高浓度的硼促进了根系中淀粉向可溶性糖的转化，这一结果与孙爽[31]在甜瓜上的研究一致，但与马光恕等[30]在马铃薯上的研究有所差异。

可溶性蛋白质、脯氨酸、丙二醛含量是重要的植物逆境生理指标[32]。本试验中，叶片可溶性蛋白质和脯氨酸含量与叶片硼含量分别呈显著正相关和极显著正相关，高质量浓度硼环境增加了叶片可溶性蛋白质和脯氨酸含量，这一结果与熊博等[33]的研究结果一致。而丙二醛是细胞膜过氧化的产物，可作为衡量细胞膜系统受到伤害的指标之一，POD、SOD、CAT、APX等抗氧化系统酶活性是衡量植物抗性的重要指标。本试验中，外源硼质量浓度为0.2 mg/kg时，有较低的丙二醛含量，较高的SOD和APX活性；在外源硼质量浓度为0 mg/L和6.2 mg/L时，葡萄叶片丙二醛含量显著升高，而SOD和APX活性显著降低。有研究表明，适当增加硼含量可增加逆境条件下植物的保护性酶活性[34]，硼处理洋桔梗24 h后，洋桔梗的SOD、CAT、APX活性增强，尤其CAT活性显著增强[35]。本试验中，随着外源硼浓度的增加，POD活性呈减少趋势，CAT活性呈增加趋势，SOD和APX活性为先升高后降低趋势。综上，当外界硼不足或过量时，会对细胞膜造成一定的伤害，此时，外源硼可通过调节抗性相关生理生化指标在一定时间内来协调和抵御这种伤害，以维持植株正常生长，但具体作用机制及调节方式还需要进一步研究。