钙营养对甜菜幼苗生长和表观光合作用的影响

何敏敏, 王 堽, 耿 贵,2

(1.黑龙江大学 生命科学学院, 哈尔滨 150080; 2.黑龙江大学 现代农业与生态环境学院, 哈尔滨 150080)

0 引 言

甜菜(BetavulgarisL.)属二年生草本植物。甜菜作为主要糖料作物之一,是经济作物的主导产业[7]。我国甜菜主产区在新疆、内蒙古和黑龙江,而东北地区土壤主要为黑土和黑钙土[8-10],黑钙土中有石灰富积的钙积层,肥沃的土壤利于甜菜生长发育,进而提高甜菜产量,给地区带来经济效益。目前,国内外关于Ca2+对植物生长和抵御胁迫环境方面的研究较多[11-13],而对Ca2+能否促进甜菜光合作用影响方面的研究较少。因此,本文通过设置不同的Ca2+浓度(0.5～9.0 mmol·L-1),探究Ca2+对甜菜幼苗生长形态及其光合作用的影响,为甜菜培育提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设计

将甜菜种子(KWS1176)置于蛭石中培养发芽,后移至培育室。培育室光照强度450 μmol·m-2·s-1,每日光照/黑暗时长14/10 h,温度白天/夜间(25±1) ℃/(23±1) ℃,相对湿度60%～70%。待子叶展开(7 d),选取长势均匀的幼苗移栽至含2.5 L改良1/2 Hoagland营养液(1.00 mmol·L-1MgSO4·7H2O、0.50 mmol·L-1NH4H2PO4、3.50 mmol·L-1KCl、3.00 mmol·L-1NaCl和0.06 mmol·L-1FeSO4-EDTA)和阿农微量元素营养液的水槽中培养。通常甜菜育苗实验中营养液Ca2+浓度为3.50 mmol·L-1,因此,通过添加Ca(NO3)2·4H2O、CaCl2和NH4NO3以设置Ca2+浓度分别为0.50、0.75、1.50、3.50、7.50和9.00 mmol·L-16个梯度,保证每个Ca2+浓度处理的N浓度为3.00 mmol·L-1。每槽8株,培养5 d后间苗至每槽4株,每个处理重复5次。培养至第5、10和14 d各更换一次营养液,于培养第18 d收获并进行植株株高、表观光合指标、干重、鲜重、叶片相对含水量和叶绿素含量等指标的测定。

1.2 测定项目及方法

株高为最长甜菜叶子叶基部所在水平面到顶端所在水平面的垂直距离,从每个处理中随机抽取5株植株,使用直尺测量;植株样品收获后分为根、叶柄、叶三部分,按照各项指标量取样并测定其鲜重,后经105 ℃杀青30 min,70 ℃烘干至恒重,测定其干重;根系和叶片面积使用Win RHIZO软件扫描分析;净光合速率(Net photosynthetic rate, Pn)、蒸腾速率(Transpiration rate, Tr)、气孔导度(Stomatal conductance, Gs)和胞间CO2浓度(Intercellular CO2concentration, Ci)使用CI-340手持式光合作用测量仪器测定甜菜幼苗第二对真叶;叶绿素测定采用丙酮(AR)比色法。

1.3 数据分析

数据统计与分析采用Microsoft Excel 2013 (Microsoft Corp, Redmond, WA, USA)、IBM SPSS Statistics 26.0 (IBM Corp, Armonk, NY, USA)进行,作图软件使用Microsoft Excel 2013。

2 结果与分析

2.1 钙营养对甜菜幼苗形态特征的影响

2.1.1 钙营养对甜菜幼苗形态的影响

图1和图2分别为不同Ca2+浓度对甜菜幼苗表型和株高的影响,由图可知,不同Ca2+浓度处理下植株长势差异明显,株高随Ca2+浓度的增加呈先上升后下降的趋势。当添加Ca2+浓度为3.50 mmol·L-1时,植株长势最好,株高最高为14.88 cm;当添加Ca2+浓度为0.50 mmol·L-1时,植株矮小,株高7.28 cm,较3.50 mmol·L-1处理下降51.09%;当Ca2+浓度增加至7.50和9.00 mmol·L-1时,株高呈下降趋势,但较0.50和0.75 mmol·L-1处理长势较好。

图1 不同Ca2+浓度下甜菜幼苗生长17天时表型

图2 不同Ca2+浓度对甜菜幼苗株高的影响

2.1.2 钙营养对甜菜幼苗各部分干重和鲜重的影响

图3为不同Ca2+浓度对甜菜幼苗各部分干重和鲜重的影响,由图可知,甜菜幼苗各部分的生物量均随Ca2+浓度的增加呈先上升后下降趋势,在Ca2+浓度为3.50 mmol·L-1时达到最大值。根系干重和鲜重在各处理间差异显著性相同,其中0.50 mmol·L-1处理与其他浓度处理的差异显著(P<0.05);在叶柄干重和鲜重中,3.50 mmol·L-1处理与其他浓度处理的差异显著(P<0.05);在叶片干重和鲜重中,1.50、3.50和7.50 mmol·L-1处理间差异不显著(P>0.05)。当Ca2+浓度提升至9.00 mmol·L-1时,各部分干重和鲜重与3.50 mmol·L-1处理相比,生物量均显著降低。

图3 不同Ca2+浓度对甜菜幼苗各部分干重和鲜重的影响:(a) 根系鲜重;(b) 根系干重; (c) 叶柄鲜重;(d) 叶柄干重;(e) 叶片鲜重;(f) 叶片干重

2.1.3 钙营养对甜菜幼苗叶片相对含水量的影响

图4为不同Ca2+浓度对甜菜幼苗叶片相对含水量的影响,由图可知,在不同Ca2+浓度处理下,植株叶片相对含水量均为60%～90%,在3.50 mmol·L-1中达到最大值84%,与其他处理存在显著差异(P<0.05);其他浓度处理间差异不显著(P>0.05)。叶片相对含水量在0.50 mmol·L-1处理下最低,为67.67%。

图4 不同Ca2+浓度对甜菜幼苗叶片相对含水量的影响Fig.4 Effects of different Ca2+ concentrations on leaf relative water content of sugar beet seedlings

2.1.4 钙营养对甜菜幼苗根系面积和叶片面积的影响

图5为不同Ca2+浓度对甜菜幼苗根系面积和叶片面积的影响,由图可知,不同Ca2+浓度处理下,甜菜幼苗根系面积和叶片面积呈先上升后下降的趋势,在3.50 mmol·L-1处理下均达到最大值,分别为397.56和191.25 cm2。在最低浓度(0.50 mmol·L-1)处理下,根系面积和叶片面积均最小,且与其他处理存在显著性差异(P<0.05),分别为30.86和91.83 cm2,较3.50 mmol·L-1处理分别下降83.86%和76.90%;当Ca2+浓度达到0.75 mmol·L-1时,根系面积和叶片面积显著增大(P<0.05);当Ca2+浓度进一步增加至7.50和9.00 mmol·L-1时,根系面积和叶片面积开始下降,但仍显著性高于0.50 mmol·L-1处理。

图5 不同Ca2+浓度对甜菜幼苗根系面积(a)和叶片面积(b)的影响

2.2 不同钙营养对甜菜幼苗叶片光合作用的影响

2.2.1 不同钙营养对甜菜幼苗叶片中叶绿素含量的影响

图6为不同Ca2+浓度对甜菜幼苗叶片叶绿素含量的影响,由图可知,不同Ca2+浓度处理下,甜菜幼苗叶片叶绿素a和叶绿素b的含量均呈先上升后下降的趋势,在3.50 mmol·L-1处理下达到最大值,分别为0.816 mg·g-1和0.70 mg·g-1。 叶绿素a含量在0.50 和0.75 mmol·L-1处理间显著升高(P<0.05),在1.50 mmol·L-1处理中平稳上升,与3.50 和7.50 mmol·L-1处理无显著性差异(P>0.05);随着Ca2+浓度进一步增加至9.00 mmol·L-1,叶绿素a含量逐渐下降,与3.50 mmol·L-1处理差异显著(P<0.05)。叶绿素b在0.75 mmol·L-1处理下差异不显著(P>0.05),而后随着Ca2+浓度的增加,各处理间叶绿素b含量呈先上升后下降的趋势,且各组含量均大于0.75 mmol·L-1处理,差异显著(P<0.05)。

图6 不同Ca2+浓度对甜菜幼苗叶片叶绿素a含量(a)和叶绿素b含量(b)的影响

2.2.2 不同钙营养对甜菜幼苗叶片表观光合作用的影响

图7为不同Ca2+浓度对甜菜幼苗表观光合作用的影响,由图可知,Pn、Tr、Gs和Ci随Ca2+浓度的增加变化趋势一致,均呈先上升后下降趋势,且在Ca2+浓度为3.50 mmol·L-1处理中达最大值。在Ca2+浓度为3.50和7.50 mmol·L-1处理下,4项指标差异均不显著(P>0.05),其他浓度处理中各指标存在显著性差异(P<0.05)。Pn最大值为28.38 μmol·m-2·s-1,其他各组相较最大值分别下降61.32%、50.46%、25.12%、4.52%和34.87%,Tr、GS和Ci最大值分别为2.837、80.917和270.893 μmol·m-2·s-1。

图7 不同Ca2+浓度对甜菜幼苗表观光合作用的影响:(a) Pn;(b) Tr;(c) Gs;(d) Ci

2.3 不同钙营养处理下甜菜幼苗各指标间相关性及主成分分析

运用SPSS对甜菜各项指标进行相关性分析,结果如表1所示。可以看到,甜菜幼苗生长形态与光合作用各指标之间存在不同程度的正相关关系。甜菜幼苗株高与其他各项指标均表现为显著(P<0.01)的正相关关系,相关系数除相对含水量和叶绿素b外均在0.95～0.99。此外,在光合作用相关指标中,Pn、Tr、Gs和Ci间存在不同程度的正相关关系,均达到极显著水平(P<0.005)。Ci与Tr间相关系数为0.999,两者变化趋势极相似;Pn与Gs间相关系数为0.988,变化趋势一致。

表1 甜菜幼苗各指标间相关关系矩阵

对甜菜各项指标进行主成分分析,结果如表2所示,同时计算特征向量和贡献率,得出Ca2+浓度对各项指标的影响程度。两个主成分的累计贡献率达到94.64%(>90%),包含原始变量的绝大部分信息。第一主成分的贡献率为86.81%,其中特征向量中绝对值较大的分量是株高、干重以及Tr,其值分别为0.994、0.988和0.986,这三个指标从植物表型、生物量和生理方面反映了不同Ca2+浓度对甜菜幼苗生长的影响程度。第二主成分贡献率为7.83%,特征向量中绝对值较大的分量是相对含水量、叶绿素b和叶面积。

表2 不同Ca2+浓度对甜菜幼苗各指标间主成分分析

3 讨 论

随着添加Ca2+浓度的升高,各组处理中甜菜幼苗在生长表型和表观光合作用等方面均呈先上升后下降趋势,在Ca2+浓度为3.50 mmol·L-1处理中达到最大值。结果表明,外源钙的添加显著促进了甜菜幼苗生长,3.50 mmol·L-1为最适Ca2+浓度。Vanneste等研究发现,一定浓度Ca2+可通过诱导植物体内生长素运输速率和流向,促进植物生长发育[14];汪洪等实验也证明,添加Ca2+可增加玉米植株的生物量[15];但Ropokis等研究发现,Ca2+积累到过高水平导致植物营养物质间比例失衡,产量降低[16]。Ca2+作为植物细胞第二信使,与钙调蛋白结合形成钙-钙调蛋白(Ca2+-CaM)复合体,参与信息传递;Ca2+信号转导不仅发生在细胞质中,也发生在叶绿体、线粒体和内膜系统等细胞器中。Pirayesh等研究发现,Ca2+浓度变化影响叶绿体内光合作用等过程,可促进叶绿素产生[17]。本实验发现,Ca2+能够显著促进甜菜幼苗生长,提高生物量的积累,增加甜菜幼苗叶片中总叶绿素的含量,且各组处理间差异显著(P<0.05),该结果与前人研究结果相似。

4 结 论

适宜的钙营养可明显促进甜菜幼苗生长。当添加Ca2+浓度为3.50 mmol·L-1时,钙营养对甜菜幼苗生长的促进作用最明显,主要表现在株高、根、叶面积和干鲜重方面;Ca2+可通过增加甜菜叶片叶绿素含量,促进其光合作用的进行;Pn、Tr、Gs和Ci在不同Ca2+浓度处理的叶片中均表现出正相关关系,呈先上升后下降趋势,说明添加适宜浓度Ca2+可增强甜菜幼苗的光合作用。