外施不同形态硼对棉花吸收利用硼及其他矿质元素的影响

2022-01-07李鸣凤彭文勇何华刘新伟赵竹青

棉花学报 2021年5期

李鸣凤，彭文勇，何华，刘新伟，赵竹青

（1.武汉生物工程学院，武汉 430070；2.湖北省天门市耕地质量保护与肥料管理局，湖北天门 431700；3.华中农业大学微量元素研究中心，武汉 430070）

硼是植物生长必需的微量营养元素，硼缺乏被认为是全世界最严重的农业问题之一[1]，80多个国家共有132种农作物出现缺硼症状。植株缺硼常常表现出根系短小、发黑，新叶发育迟缓、皱缩，花朵脱落，花粉活力下降等现象[2-4]。

根系吸收硼主要靠水分蒸腾将其从植物根部移动到地上部，并在叶、茎或生殖器官等生长点积累。因此，硼缺乏症状首先出现在幼叶和分生组织，而硼毒性症状主要出现在较老的叶片中，尤其是在蒸腾流结束的叶尖[5-6]。值得注意的是，植物在缺硼环境中生长，即使老叶中含有大量的硼，其顶端分生组织的生长和幼叶的发育也会受到抑制，原因在于硼主要在木质部移动，而在韧皮部移动性弱[7-8]。不过，也有研究表明硼在不同植物韧皮部的迁移率差异较大，且硼在植物韧皮部的流动性是个复杂问题[9]。Stangoulis等[10]在小麦和油菜韧皮部分泌物中发现了双蔗糖硼酸和双N-乙酰丝氨酸硼酸复合物，然而蔗糖类化合物对硼的亲和力较低。为了促进植物生长和发育，在低硼胁迫下，少量植物可将老叶等部位的硼与光合产物中对硼亲和力高的顺式羟基糖醇（如甘露醇和山梨糖醇等多元醇）结合，通过韧皮部运输到快速生长的组织中再利用[9-11]。越来越多的研究证明，植物韧皮部富含多元醇时硼的移动性较高，特别是在十字花科、蔷薇科和其他韧皮部含有多元醇的植物中[12-15]。Liakopoulos等[16]研究发现，橄榄出现缺硼症状后，相比无机硼，施用甘露醇和硼酸的络合物能更加有效地缓解橄榄的缺硼症状。因此，将硼有机化可能是促进棉花硼吸收利用的有效措施。

棉花是我国重要的经济作物和纺织工业原料[17]。我国的华南区域、长江流域、黄河流域以及西北内陆等地区均适于种植棉花[18]。华南棉区和长江流域棉区土壤严重缺硼，其中长江流域棉区土壤有效硼含量仅为0.3 3mg·kg－1，低于棉花缺硼临界值（0.5 0mg·kg－1）[19-20]。棉花是需硼量较大的双子叶植物，有机硼在棉花中吸收分配的机制尚不清楚。因此探索有机硼对缓解棉花的缺硼症状的作用具有重要的实际意义。

1 材料与方法

1.1 试验土壤和材料

本盆栽试验土壤为灰潮土，取自湖北省天门市岳口镇。将磨碎过筛的12.00 kg土壤与基肥拌匀，装于直径为25 cm、高为35 cm的桶中。土壤pH为6.73 ，养分含量如下：有机质2 1.2 5 g·kg－1，碱解氮71.2 1mg·kg－1，有效磷6.0 8mg·kg－1，速效钾85.2 4mg·kg－1，有效硼0.2 7 mg·kg－1。试验地点位于华中农业大学盆栽场，棉花于2019年5―6月种植，供试品种为中棉所83。5月的平均最高气温为25℃，平均最低气温为16℃；6月的平均最高气温为30℃，平均最低气温为21℃。

1.2 试验设计

棉花种子在40℃水中浸泡2 h后放置在充满超纯水的无菌海绵上催芽，以无菌纱布覆盖。2 h后，选取露白相对一致的种子种在装好土的桶中，以透明薄膜覆盖，出苗后每个桶中留苗2株。试验设3个处理：对照（无硼，CK），硼酸（无机硼酸，硼质量分数为17%，B），硼酸二甘油酯（有机硼，质量分数为5.4%，OB），每个处理4个重复。硼酸和有机硼的施硼量均为纯硼1mg·kg－1，施用前将硼酸和有机硼配成水溶液，均匀喷洒在花盆中已经过筛的土壤中，混匀。

肥料为尿素（N质量分数为46%）、氯化钾（K2O质量分数为60%）、过磷酸钙（P2O5质量分数为14%），施肥量为N 0.3 0g·kg－1、K2O0.3 2 g·kg－1、P2O50.1 6 g·kg－1，施入土壤后混匀。

1.3 采样与测定

1.3.1生物量的测定。棉花种植65 d后取样，分为根、茎、叶3部分，用去离子水洗净、擦干，部分新鲜叶片用于切片制备和细胞壁提取，其他样品于105℃杀青30m in，于65℃烘干至恒重后称量，测定植株的含水量，保存用以测定硼含量。

1.3.2细胞壁粗提。提取方法参照Hu等[7]的方法，将3.000 0 g的植物样品剪碎，在10倍体积的冰水中混成匀浆，1 000×g下离心10min，再用10倍体积的冰水冲洗残渣后离心；用10倍体积的80%（体积分数，下同）乙醇冲洗3次，10倍体积的甲醇-氯仿（体积比1∶1）混合物冲洗1次，10倍体积丙酮冲洗2次，最后的不溶性残渣即为粗细胞壁，将其烘干并称量，计算植物的细胞壁提取率，测定细胞壁硼含量。

1.3.3超显微结构观察。取棉花主茎最上部的4片完全展开叶，用去离子水冲洗干净后，将叶片剪成1mm×1mm左右的小块，快速放入质量分数为2.5%的戊二醛固定液中固定12 h。叶片用0.1mol·L－1的磷酸缓冲液冲洗4次。将叶片组织依次放入50%、70%、90%的乙醇中分别脱水15m in。接着用90%乙醇和90%丙酮的等体积混合液脱水，再用90%的丙酮脱水，最后在纯丙酮中脱水2次。整个脱水过程保持组织温度为0～4℃。将植物组织用丙酮和包埋液进行包埋和固化处理后，用超薄切片机将样品组织切成厚度为50～60 nm的切片，染色后在华中农业大学的透射电子显微镜（日立H-7650，日立制作所，日本）下观察拍照。

1.3.4硼氮磷钾钙镁测定。采用蒸馏法测定植物氮含量，火焰光度法测定植物钾含量，钼锑抗比色法测定植物磷含量，电感耦合等离子发射光谱（ICP-MS）法测定养分离子硼、钙、镁含量。

1.4 数据处理和分析

硼累积分配比（%）＝各部位硼含量×各部位对应生物量/单株硼累积量×100；

细胞壁提取率（%）＝提取的细胞壁质量/（样品质量×（1－样品含水量））×100；

细胞壁硼比例（%）＝各部位细胞壁硼含量×各部位的细胞壁提取率/各部位硼含量×100。

用MS Excel和SPSS Statistics 17.0 软件进行图表编辑和试验数据的统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同形态硼对苗期棉花不同部位生物量的影响

相比对照，施用无机硼酸和有机硼后，棉花叶片生物量均显著增加，分别增加26.7 4%和38.37%，棉花茎生物量和根部生物量无显著变化，单株生物量分别显著增加15.0 9%和22.4 9%（表1）。值得注意的是，相比无机硼酸，施用有机硼后棉花叶、茎及根的生物量均无显著变化。表明缺硼环境下，适量施用无机硼酸或有机硼均可以促进棉花的生长发育。

表1 不同形态硼肥对苗期棉花各部位生物量的影响Table 1 Effects of different form s of boron fertilizers on cotton biomass at the seedling stage g

2.2 不同形态硼对苗期棉花不同部位硼含量及其累积分配比的影响

不同硼处理下棉花各部位硼含量和累积分配比均为叶＞茎＞根，表明棉花叶片是硼的主要累积器官（表2）。相比对照，施用无机硼酸后，棉花叶、茎和根的硼含量分别显著增加264.8 7%、237.1 9%和148.5 2%，其中棉花叶片中硼的累积分配比增加8.22 百分点，而茎和根的硼累积分配比均显著降低，分别降低3.73 和4.49 百分点。值得注意的是，相比无机硼酸，施用有机硼后，棉花叶和茎的硼含量显著增加16.8 8%和10.7 2%，其中棉花叶中硼累积分配比显著增加，而茎和根中硼累积分配比无显著变化。表明施硼处理下棉花各部位硼含量显著增加，且有机硼较无机硼酸效果更明显。

表2 不同形态硼肥对苗期棉花各部位硼含量和累积分配比的影响Table 2 Effects of different forms of boron fertilizers on the boron concentration and cumulative distribution ratio in different parts of cotton at the seedling stage

2.3 不同形态硼对苗期棉花不同部位细胞壁硼含量及其质量分数的影响

不同形态硼处理后，棉花各部位细胞壁硼含量均为叶＞茎＞根，说明棉花叶片需硼量较大（表3）。相比对照，施用无机硼酸后，棉花叶、茎和根的细胞壁硼含量分别显著增加182.3 9%、83.2 6%和63.7 5%，而棉花叶、茎和根的细胞壁硼比例显著降低，分别降低16.92 、19.82 和15.70 百分点。值得注意的是，相比施用无机硼酸，施用有机硼后，棉花叶、茎和根的细胞壁硼含量均无显著差异，而叶的细胞壁硼比例显著降低，但茎和根的细胞壁硼比例无显著变化。表明增施硼肥增加了棉花叶、茎和根部细胞壁硼含量，且有机硼与无机硼酸之间无显著差异。

表3 不同形态硼肥对苗期棉花各部位细胞壁硼含量和比例的影响Table 3 Effects of different forms of boron fertilizers on the concentration and proportion of boron in the cell wall of different organs of cotton at the seeding stage

2.4 不同形态硼对苗期棉花叶片细胞壁结构的影响

从图1可以看出，对照叶片的细胞壁不规则增厚，出现厚薄不均匀现象，叶绿体出现轻微变形和解体，淀粉粒增多。增施硼肥后，棉花叶片叶绿体呈饱满的梭状，细胞壁较薄，且厚度相对均匀，淀粉粒较少。施用有机硼或无机硼酸的棉花叶片细胞壁结构和叶绿体形态无明显差异。

图1 不同形态硼肥对苗期棉花叶片细胞壁结构的影响Fig.1 Effects of different form s of boron on the cell wall structure of cotton leaves at the seedling stage

2.5 不同形态硼对苗期棉花叶片氮、磷、钾、钙、镁含量的影响

不同处理对苗期棉花叶片氮含量和钾含量均无显著影响（表4）。相比对照，增施无机硼酸后棉花叶片中磷含量显著增加0.05 百分点。增施无机硼酸和有机硼后，棉花叶片钙含量分别显著降低0.32 和0.65 百分点；相比无机硼酸处理，施用有机硼后棉花叶片钙含量显著降低0.33 百分点。增施无机硼酸或有机硼后，棉花叶片镁含量显著增加，分别增加0.12 和0.11 百分点，2个硼肥处理间无显著差异。

表4 不同形态硼肥对苗期棉叶矿质元素含量的影响Table 4 Effects of different form s of boron fertilizers on the m ineral elements content in cotton leaves at the seedling stage %

3 讨论

本研究结果表明，硼缺乏会抑制棉花叶片的生长，降低苗期单株生物量，这与缺硼对其他植物生物量影响的研究结果[21-23]一致。本研究发现，对照处理中棉花叶片细胞壁不规律增厚，施用无机硼酸或有机硼后，叶片的细胞壁厚度均匀、叶绿体结构完整，有利于光合作用，从而促进了生物量的累积，且无机硼酸与有机硼处理之间无显著差异，表明适量有机硼和无机硼酸具有相似的生理作用，均可缓解棉花的缺硼症状。闫磊等[24]研究发现，多元醇络合硼处理后，油菜长势明显好于无机硼酸处理，表明相比无机硼酸，适量的有机硼更有利于油菜的生长。

不同形态硼处理下棉花各部位硼含量和累积分配比例均为叶＞茎＞根，表明叶片是硼的主要累积器官。土壤施入无机硼酸和有机硼后，苗期棉花各部位的硼含量均显著增加（表2）。植物对硼的吸收和累积受多种因素影响，如植物品种、施硼方式和外源硼形态等[8,25-28]。W ill等[29]研究表明，无机硼酸与多元醇混合施用可促进大豆叶片对硼的吸收，提高植物叶片硼含量，主要原因在于多元醇的保湿作用会促进大豆对硼的吸收。本研究结果表明，棉花吸收有机硼的能力显著大于其吸收无机硼酸的能力，相比施用无机硼酸，施用有机硼后，棉花叶和茎的硼含量显著增加了16.8 8%和10.7 2%，且显著增加了叶片的硼累积分配比（表2），暗示有机硼不仅促进了棉花对硼的吸收，还促进了硼向地上部的转运。原因在于植物一般以硼酸的形式吸收硼，硼酸是一种不带电荷的小分子，并且在生物膜上渗透性较高，可穿过韧皮部的质膜；而有机硼——硼酸二甘油酯分子量较大，在韧皮部质膜上的渗透性较低，可减少韧皮部硼的渗透，从而促进棉花中硼的迁移和再利用[9]。

硼在植物中主要作用于细胞壁，在细胞壁中与鼠李糖半乳糖醛酸聚糖Ⅱ交联增加了细胞壁的机械强度并维持植物细胞生长[30]。本研究表明，相比对照，增施有机硼和无机硼酸均显著增加了棉花各部位细胞壁硼含量，促进了棉花的生长发育。硼在植物细胞壁的相对分布取决于硼的供应[31]。缺硼对照处理中，棉花各部位细胞壁硼质量分数为45.1 6%～64.2 3%。施用无机硼酸或有机硼后，棉花各部位细胞壁硼比例显著降低。Dannel等[32]发现，在低硼环境下，向日葵中硼主要存在于细胞壁；而在硼充足的环境下细胞壁硼的比例下降，自由态硼和原生质体硼含量增加。值得注意的是，与无机硼酸相比，施用有机硼后，棉花叶、茎和根的细胞壁硼含量均无显著变化，我们推测棉花细胞壁的硼结合位点是有限的，而在烟草中的研究[33]支持这一推测。施用有机硼后，叶片细胞壁硼比例显著降低，表明棉花吸收有机硼后，硼主要以自由态硼或原生质体态硼的形式存在。自由态硼或原生质体态硼具有较高的移动性，这也是有机硼在植物体内转运能力强的原因之一[31]。

缺硼会导致烟草对镁、钙、钾或磷酸盐等营养元素的吸收能力下降，增施硼肥则会促进其对相关元素的吸收[33]。油菜中研究发现，植株对硼、镁的吸收有相互促进作用[24]。本研究结果表明，施用无机硼酸或有机硼后，棉叶氮和钾含量无显著变化，而磷和镁含量增加。增施无机硼酸或有机硼后，棉叶钙含量较对照分别显著降低0.32 和0.65 百分点，这是由于在缺硼环境中植物会快速激活体内钙离子通道，促进植物对钙的吸收[34]。与无机硼酸处理相比，施用有机硼后棉叶钙含量显著降低0.33 百分点，原因在于硼与钙具有竞争效益[34]，此现象也从侧面说明有机硼更有利于棉花对硼的吸收。