甜菜叶片硼素形态与光合性能的相关性研究

黎莉莎，王响玲，宋 昕，吴贞祯，赵霄宇，宋柏权

(黑龙江大学/国家糖料改良中心，哈尔滨 150080)

0 引言

甜菜(Betavulgaris.L)属藜科甜菜属植物，是全球最重要的糖料作物之一，为全球提供了30%的糖产量[1]。叶片是植物进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，施硼能直接影响植株光合作用，从而影响糖分积累，进而影响甜菜的产量和含糖量。早在20世纪40年代，硼在植物体内的形态已经开展了研究。1942年，植物中硼被划分为水溶性硼和水不溶性硼[3]，根据硼的溶解性以及生理作用又将植物体内的硼划分为水溶性硼库和不溶性硼库[4]；随后又将植株中的硼元素分为自由态硼、半束缚态硼和束缚态硼[5]，自由态硼是硼的主要运输形式[6]，自由态硼和半束缚态硼具有提高光合速率、促进糖运输等作用[7]；束缚态硼反映了细胞壁对硼的需求量且移动性较差[8]。

硼能促进光合产物在植物体内的吸收，并影响碳水化合物的合成和转运[9]。目前已有许多针对硼元素与光合作用的研究，施硼能显著增强大蒜叶片的光合速率、蒸腾速率和气孔导度[10]，提高叶片光合性能[11]。适量的硼还能有效缓解其他胁迫对植株的伤害[12]，促进植物生长[13]。当前对不同甜菜品种的叶片不同形态硼及光合指标的相关研究鲜少报道。因此，本研究以BETA165、KWS1197、KWS5145和KWS0143为供试甜菜品种，探讨不同形态硼的含量及光合性能间相关性,为作物硼素施肥提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料和实验处理

水培试验于2018年4月开始，试验地点为国家糖料改良中心(哈尔滨，中国)的人工光照培养室(经度：126.61°，纬度：45.71°)，供试品种为甜菜遗传单粒种BETA165、KWS1197、KWS5145和KWS0143，经过流水冲洗等浸种操作后，使用已高温消毒的蛭石播种，发芽过程浇灌蒸馏水。发芽7 d后选取子叶完全展开、长势一致的幼苗移植到装有Hoagland营养液的4 L聚乙烯培养箱(24 cm×17 cm×16 cm)中培养，每盆定苗4株。人工光照培养室相对湿度为65%，室温为26℃/20℃(白天/晚上)，光照周期为12 h/12 h(光照/黑暗)。营养液每5 d更换1次，营养液硼酸浓度为50 μmol/L，更换5次后收苗。

1.2 取样及测定方法

1.2.1 不同形态硼的提取及测定

样品提取方法参照杜[14]等方法：取完全展开的功能叶片，取样后将其分别剪成1 mm2左右的碎片，加入10 ml蒸馏水，于25℃水浴振荡24 h，将提取液通过0.15 mm细纱网，然后用定量滤纸过滤，所得滤液即为自由态硼；残渣用10 mL的1 mol/L NaCl洗入塑料瓶，25℃水浴振荡24 h，细纱网过滤后用定量滤纸过滤，所得滤液即为半束缚态硼；剩余残渣用10 mL的1 mol/L HCl洗入塑料瓶中，25℃水浴振荡24 h，用定量滤纸过滤，所得滤液即为束缚态硼；采用甲亚胺比色法对测定待测液中不同形态硼含量[15]。

1.2.2 光合参数测定

选取植株完全展开的第5片真叶进行光合参数的测定，利用CI-340手持式光合作用测量系统(CID，美国)，于上午9∶00-11∶00测定相同叶位不同甜菜品种叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度，每个处理6个重复。

1.4 数据计算及统计方法

数据使用SPSS 23.0硼处理下不同甜菜品种的不同形态硼及光合参数进行差异显著性分析，使用Microsoft Excel整理数据绘制表格，使用Origin18 (U.S.A, Origin Lab Corp.)作图。涉及计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 不同甜菜品种叶片不同形态硼含量

2.1.1 不同甜菜品种叶片自由态硼、半束缚态硼含量变化

图1表明，不同甜菜品种自由态硼含量整体趋势为BETA165>KWS0143>KWS5145>KWS1197。甜菜品种BETA165显著增加了叶片自由态硼含量为75.44 μg/g；KWS1197显著降低了叶片自由态硼含量最低为37.15 μg/g，相差高达38.29 μg/g。

图1 不同甜菜品种叶片自由态硼含量

由图2可得，不同甜菜品种半束缚态硼含量整体趋势为KWS5145>KWS0143>BETA165>KWS119，KWS5145品种的叶片半束缚态硼含量最高达到34.66 μg/g，与其他三个甜菜品种差异显著。

图2 不同甜菜品种叶片半束缚态硼含量

2.1.2 不同甜菜品种叶片束缚态硼相对含量变化

图3可知，不同甜菜品种束缚态硼含量整体趋势为BETA165>KWS0143>KWS1197>KWS5145，不同甜菜品种在硼处理下叶片束缚态硼含量差异不显著，BETA165束缚态硼含量最高为30.49 μg/g，KWS5145束缚态硼含量最低为25.54 μg/g。

图3 不同甜菜品种叶片束缚态硼含量

2.2 不同甜菜品种叶片光合参数的变化

2.2.1 不同甜菜品种叶片净光合速率、蒸腾速率差异

如图4所示，甜菜不同品种中叶片净光合速率表现为BETA165>KWS1197>KWS5145>KWS0143，BETA165叶片净光合速率最高为34.25 μmol/(m2·s)，与KWS5145和KWS0143差异显著，KWS0143叶片净光合速率最低为27.53 μmol/(m2·s)。

图4 不同甜菜品种净光合速率

通过对图5分析发现，在甜菜不同品种中叶片蒸腾速率趋势为BETA165>KWS1197>KWS0143>KWS5145，BETA165叶片蒸腾速率相对最高为3.42 mmol/(m2·s)，KWS5145叶片蒸腾速率相对最低为2.24 mmol/(m2·s)，差异显著；KWS1197和KWS0143蒸腾速率差异显著，数值分别为3.20和2.31 mmol/(m2·s)。

图5 不同甜菜品种叶片蒸腾速率

2.2.2 不同甜菜品种叶片气孔导度、胞间CO2浓度变化

图6结果表明，在甜菜不同品种中叶片气孔导度趋势为KWS1197>BETA165>KWS0143>KWS5145，KWS1197叶片气孔导度相对为169.75 mmol/(m2·s)，与其他三个甜菜品种差异显著；KWS0143叶片气孔导度相对最低为88.53 mmol/(m2·s)，BETA165和KWS5145叶片的气孔导度分别为152.83和88.40 mmol/(m2·s)。

图7表明，甜菜不同品种叶片胞间CO2浓度趋势为KWS1197>BETA165>KWS0143>KWS5145，KWS1197胞间CO2浓度相对最高为961.00 μmol/(m2·s)，KWS0143叶片胞间CO2浓度相对最低为586.98 μmol/(m2·s)。

图6 不同甜菜品种对叶片气孔导度的影响

图7 不同甜菜品种对叶片胞间CO2浓度的影响

2.3 不同甜菜品种不同形态硼与叶片光合参数相关性研究

以甜菜不同形态硼及光合参数等指标为变量，进行皮尔逊相关性分析。表1所示，气孔导度与蒸腾速率呈显著正相关关系，相关系数为0.95；胞间CO2浓度与气孔导度呈显著正相关关系，相关系数为0.98；甜菜净光合速率与自由态硼呈正相关，相关系数为0.54；束缚态硼与光合相关指标呈正相关，其中束缚态硼与蒸腾速率相关性最显著为0.64。

表1 不同形态硼与光合的皮尔逊相关性分析

3 结论

(1)甜菜品种BETA165自由态硼及束缚态硼含量相对较高，分别为75.44 μg/g、30.49 μg/g。KWS5145品种半束缚态硼含量相对较高达到34.66 μg/g;KWS1197叶片自由态硼、半束缚态硼含量相对较低，分别为37.15 μg/g、22.41 μg/g。

(2)BETA165叶片净光合速率、叶片蒸腾速率相对较高分别为34.25 μmol/(m2·s)、3.42 mmol/(m2·s)，KWS0143叶片净光合速率、气孔导度相对较高分别为27.53 μmol/(m2·s)、88.53 mmol/(m2·s)。

(3)皮尔逊相关性结果表明，气孔导度与蒸腾速率呈显著正相关关系，相关系数为0.95，胞间CO2浓度与气孔导度呈显著正相关关系，相关系数为0.98，束缚态硼与蒸腾速率相关性最显著为0.64。

4 讨论

硼与光合作用有密切联系，能促进光合作用产物碳水化合物在植物体内的吸收并影响其合成和转运[16]。目前已有许多针对硼元素与光合作用的研究，施硼能够增加叶片长度和宽度，促进叶片生长，延缓甜菜功能叶片衰老，增加光合色素值和光合速率，提高叶片光合性能[11]。

BETA165、KWS1197和KWS0143均表现为自由态硼>束缚态硼>半束缚态硼的趋势，且自由态硼含量所占比例最大。半束缚态在不同品种间的变化差异不显著，且半束缚态和束缚态含量相对较低。研究发现，半束缚态硼含量在不同施硼处理中表现稳定[17]。本研究结果为束缚态硼含量相对较低，出现这种结果的原因可能是试验对象为甜菜幼苗，其叶片正处于细胞大量分裂时期，需硼量较大，对硼运输强度较大，出现自由态硼含量最高，而束缚态硼含量较低的现象。自由态硼主要是存在于自由空间内的硼，其含量的高低直接反映了植物对硼的利用能力[18]。BETA165的自由态硼含量相对较大，说明该品种硼的利用能力较弱[5]。皮尔逊相关性结果表明，净光合速率与自由态硼和束缚态硼成正相关关系，硼的利用能力较低，而KWS5145的硼的利用能力更高。