盆栽牡丹补偿生长与非结构性碳水化合物积累特征

史帅营,史 田,周 爽,高双成,史国安*

(1 河南科技大学 牡丹学院/河南省牡丹综合利用工程技术研究中心,河南洛阳 471023;2 洛阳国家牡丹园,河南洛阳 471003)

自然状态下植物经常被采食、割刈和砍伐,其光合器官结构和功能遭到破坏,对此植物依靠自身的补偿生长对空缺的部位进行填补,继续保持对光能和空间的充分利用[1]。根据植物生长的恢复程度,补偿生长可分为超补偿、等补偿和欠补偿等不同水平[2]。因受遗传和外界环境因素的影响,植物补偿生长具有一定可塑性[3]。研究认为克隆伴生植物的补偿生长能力要强于非克隆植物[4]。豆科植物可以通过轻度和中度割刈实现超补偿生长,而菊科植物无论在何种割刈程度下均表现为欠补偿生长[5]。补偿生长受外界的光照和土壤肥力的影响[6]。植物补偿生长不仅体现在其生物量的增加上,植株分枝数、分蘖数、新生芽、叶片数和叶片光合效率的提高以及资源分配的改变,均可以作为植物补偿生长的表现形式[7]。植物的补偿生长以储存的非结构性碳水化合物(NSC)为基础[8],由不同器官间NSC动态的负偶联关系来实现[9-10]。但迄今补偿生长理论多用于放牧和割刈对牧草产量可持续性供应方面,而对盆栽园艺植物的生长补偿机制研究则鲜有报道。

盆栽是指园林苗木自繁育开始至成型出圃的全过程都在盆中进行,通过容积的变化、基质的更换进行苗木的栽培。国内推广应用盆栽起步较晚,随着盆栽技术的普及和提高,盆栽育苗的生产方式将会成为中国培育苗木的重要途径。目前,在林木、果树、花卉等工程苗繁育上较多采用盆栽,高效轻简化栽培是重要的发展趋势[11-13]。牡丹盆花[14],因其可移动性强、便于设施化管理成为异地观花和反季节盆花的主要栽培形式[14]。由于牡丹是肉质根且根系庞大,盆栽条件下牡丹根系生长空间狭小,粗大的根系在盆内盘曲折叠,阻碍了侧根生长,以及水分与养分吸收和转运[15]。通常牡丹种苗上盆前通过修根来解决其根系和容器的适合度问题,适度修根可以抑制牡丹主根并促进侧根的生长、增加根密度、改善根团结构,有利于提高苗木品质[16],但过度修根会导致根系养分流失严重抑制植株的生长。因此,研究实现盆栽牡丹超补偿生长的适宜修根程度,以及相应配套处理措施是生产高质量盆花的关键。

牡丹为分蘖能力较强的灌木,较容易实现超补偿生长,轻度和中度去除牡丹枝叶可以实现其地上部分的补偿生长[17]。牡丹幼苗经过30%修根处理可以增加其根条数和根系吸收面积[18]。使用ABT生根粉可以促进盆栽牡丹新生根的萌发、提高成花质量[19]。在牡丹生长季,喷施芸苔素内酯可以降低牡丹叶片丙二醛含量,提高叶片SPAD值[20]。绿僵菌(Metarhizomaaeruginosa)作为新型绿色生物农药不仅具有抗虫的作用,而且能促进植物根系的生长和分枝[21]。关于盆栽条件下,牡丹补偿生长过程中形态变化和养分积累机制还有待探索。本试验以2年生牡丹‘洛阳红’嫁接苗为材料,进行修根、生根剂、绿僵菌的3因素正交处理,研究不同处理对盆栽‘洛阳红’补偿生长和NSC积累的影响,为盆栽牡丹理想株型管理提供理论基础和技术支持。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于河南省洛阳市纵横园艺有限公司盆栽基地(34°79′N,112°59′E),属于暖温带大陆性季风气候,以草炭土+腐熟有机肥为盆栽基质。基质的容重0.3 g/cm3左右,pH为6.7,有机质、全碳、全氮、速效磷和速效钾含量分别达到400 mg/g、230 mg/g、15 mg/g、500 μg/g和30 μg/g。

1.2 试验材料

2020年10月份选用大小一致无病虫害的2年生‘洛阳红’嫁接苗,将大小一致的牡丹苗平茬后,随机分为10个组。试验采用3因素3水平的正交设计 L9(34),共包括9个处理及1个对照。其中,因素A(修根处理):将老根自根顶端起分别修除25%、33%和50%(轻、中和重度水平);因素B(生根剂处理):分别浇灌浓度为250,500,750 mg/L(低、中和高浓度)牡丹移栽生根剂,每盆500 mL;因素C(绿僵菌处理):分别浇灌浓度为1 000,1 500,2 000 万单位/mL(低、中和高浓度)的生物杀虫剂绿僵菌,每盆500 mL;以不修根、浇灌等量自来水为空白对照(CK)。试验设计详见表1。栽培容器为黑色塑料盆,高26 cm, 盆口内径23 cm,填装基质5 kg。每组合设置40个单株重复,上盆后各组合按常规的水肥管理模式进行养护。

表1 正交试验设计表

1.3 测定指标与方法

1.3.1 光合性能

于2021年6月中旬,在牡丹叶片光合性能旺盛期,用Li-6400XT便携式光合仪,在1 000 μmol/(m2·s)的额定光强下测定叶片的光合性能,包括净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度,并计算水分利用效率。用CCM200叶绿素测定仪测定顶部叶片相对叶绿素含量(SPAD)。每株测定3片叶,每组做3株重复。

1.3.2 生物量

每组挑选9株具有代表性植株用厘米刻度尺测量株高、茎粗;挑3株代表性植株用自来水洗净根部基质,测定单株的叶片、叶柄、茎、老根、木质化新根、须根的鲜样质量,用Digimizer软件分析叶面积。取部分样品用液氮速冻后,存入-40 ℃冰箱中用于生理生化指标的测定,其余样品放入烘箱中75 ℃干燥至恒重,计算植株干物质质量、植株生物量增量(试验测定时植株鲜样质量-上盆时植株鲜样质量)和植株生长补偿指数(植株生物量增量/上盆时植株鲜样质量)。

1.3.3 生理指标

采用硫酸-蒽酮法测定植株各部位可溶性糖和淀粉含量[22]。非结构性碳水化合物(NSC)含量为可溶性糖含量与淀粉含量之和。植株各部位NSC积累量为各部位生物量与NSC含量之积;单株NSC积累量为各部位NSC积累量之和。

1.4 数据处理

试验数据经过Excel 2019整理后,用SPSS 17.0对不同处理进行多重比较、相关性分析、方差分析、极差分析、通径分析,用Photoshop CS6处理图片。

2 结果与分析

2.1 盆栽牡丹植株形态特征与生长补偿状况

地栽牡丹根系为粗大的肉质根系,夏季盆栽植株特征发生明显的须根化现象、株高降低和分枝数增加,秋季部分新根开始木质化的同时又有大量新的须根开始发生(图1)。将株高、分枝数、茎叶、根系形态和生物量分别进行考察,与对照(CK)相比,各处理株高降低了16.7%～33.2%,矮化效果明显(表2);单株分枝数增加0.6～1.8个,并以处理2最少,处理5最多;修根程度对植株形态调控的效应比较明显,轻度修根和高浓度生根剂处理均有利于牡丹植株茎叶和根鲜样质量的增加,其中处理1、2、3、4和6生长旺盛,全株生物量增量(BIP)均超过了对照,重度修根导致植株的生长明显受到抑制,其中处理3各部位生物量均超过了对照,处理7、8、9,除茎外,各部位生物量均低于对照。因此,通过适度修根等处理,结合浇灌生根剂和绿僵菌液能使盆栽牡丹植株生长健壮、株型更加紧凑。

图1 盆栽‘洛阳红’植株生长状况

表2 盆栽 ‘洛阳红’单株株高、茎数及鲜生物量变化

以植株生长补偿指数为指标,考察盆栽牡丹植株的生长状况。正交试验结果(表3)分析发现,各处理对植株生长补偿指数的影响主次表现为:修根>生根剂>绿僵菌,最优组合为修根25%、浇灌生根剂750 mg/L和绿僵菌1 000 万单位/mL,没有出现在试验组合内。除处理7外,各组合植株生长补偿指数均超过了对照的1.09,其中修根25%、浇灌生根剂750 mg/L和绿僵菌2 000 万单位/mL比对照提高了 65.14%,为试验9个组合中的较优组合。以上结果说明,修根处理的生长补偿效应最强,但重度修根不利于植株生长的恢复;轻度和中度修根、辅以生根剂和绿僵菌处理可以更好促进植株的补偿生长。

表3 盆栽‘洛阳红’植株生长补偿指数极差分析

2.2 盆栽牡丹叶片光合性能变化

叶片光合作用是植株生物量和NSC积累的基础。与对照相比,轻度和中度修根处理盆栽牡丹‘洛阳红’叶片Pn、Tr、Gs、Ci和WUE大多与对照无显著差异,其单株叶面积在处理3下显著提高,在处理2、5下显著降低。重度修根处理导致牡丹单株叶面积和叶片WUE均显著降低;Tr均显著升高,Gs和Ci也均不同程度高于对照,且大多达到显著水平,但随生根剂浓度的提高,其有WUE升高、Tr降低的趋势;重度修根处理叶片Pn仍无显著变化(表4)。

表4 盆栽‘洛阳红’叶片光合性能

故重度修根对盆栽‘洛阳红’叶片光合面积和Pn有潜在的负面影响,但可以通过生根剂和绿僵菌处理进行调节。

2.3 盆栽牡丹植株NSC含量和积累特征

2.3.1 可溶性糖含量

可溶性糖是NSC的主要组成成分,被直接用于植株的生长发育或通过输导组织运送到茎和根等贮藏器官。由表5可知,植株自上而下不同组织中可溶性糖呈现逐渐下降的趋势,这可能与可溶性糖的顺浓度梯度运输有关。

表5 盆栽‘洛阳红’植株各器官可溶性糖含量

与对照相比,轻度和中度修根对叶片、木质化新根中可溶性糖含量影响不显著,却使叶柄中可溶性糖显著升高;重度修根使叶片中可溶性糖含量显著上升,却使老根中可溶性糖含量有下降趋势;随着修根程度的提高,须根中可溶性糖含量有升高的趋势;中度和重度修根处理使茎中可溶性糖含量随生根剂浓度的增加呈现先增后减的趋势。以上结果表明修根、浇灌生根剂和绿僵菌液有调节牡丹植株各器官可溶性糖积累与分配的效应。

2.3.2 淀粉含量

淀粉亦是牡丹植株NSC最重要的储存形式之一。从表6可知,盆栽牡丹植株各器官以老根和木质化新根淀粉含量最高,茎、叶柄和叶片依次降低,须根中淀粉含量最低。同时,与对照相比,总体上各处理叶片、叶柄和须根中淀粉含量差异较小;不同处理间的淀粉含量差异主要表现在老根和木质化新根等储存能力较强的根系中,轻度和中度修根处理老根中淀粉含量随生根剂浓度增加呈现先减后增的趋势,重度修根表现为先增后减。另外,须根中淀粉含量低于其他器官,说明夏季植株生长旺盛期须根的储存能力较弱。植株不同器官的淀粉含量与可溶性糖含量的分布趋势相反,从叶片到根系自上而下呈现上升的趋势。说明老根和增粗木质化新根是盆栽牡丹关键的淀粉贮藏器官,通过修根和生根剂处理能够调节光合产物在根系里的分配与贮藏。

表6 盆栽‘洛阳红’植株各器官淀粉含量

2.3.3 NSC含量

NSC含量是衡量植株能量水平的重要指标,反映植株储能与恢复生长的潜力。盆栽牡丹植株各器官NSC含量以老根和木质化新根最高,叶片和叶柄次之,茎居中,须根最低;各处理叶柄和茎中的NSC含量均高于对照;植株叶片和叶柄也是NSC的主要储藏器官,重度修根处理叶片的NSC含量显著高于对照(表7)。以上结果说明NSC的转运和分布受到了修根的影响,重度修根不利于NSC向其他贮藏器官的转运。

2.3.4 NSC积累量

NSC积累量是植物生长质量的重要体现。表8显示,盆栽牡丹植株老根中NSC积累量最高,木质化新根次之,叶片居中,茎、叶柄和须根中积累量最低;重度修根导致牡丹植株叶柄、老根、木质化新根和全株NSC积累量显著低于对照,但各处理茎中NSC积累量均高于对照。各因素对盆栽牡丹全株NSC积累量的影响由大到小依次为:修根>生根剂>绿僵菌(表9),各因素的最优水平依次为:修根25%、浇灌生根剂浓度750 mg/L和绿僵菌液剂量1 000 万单位/mL;最优组合未出现在试验组合内,较优组合为:修根25%、浇灌生根剂浓度750 mg/L和绿僵菌剂量2 000 万单位/mL,此时盆栽牡丹全株NSC积累量比对照提高了33.35%,积累的补偿效应明显。

表9 盆栽牡丹‘洛阳红’植株NSC积累量的极差分析

2.4 盆栽牡丹叶片光合性能和形态特征与其NSC积累量相关性

植株叶片光合性能与NSC积累关系密切。相关分析结果(表10)显示,盆栽牡丹单株叶面积与植株各器官中NSC积累量呈极显著正相关,叶片WUE和Tr与全株NSC积累量分别呈极显著正相关和负相关;叶片、叶柄、茎、木质化新根和须根鲜样质量与植株各器官NSC和全株NSC积累量均呈显著正相关;老根中NSC含量与全株NSC积累量呈极显著正相关,而叶片中NSC含量与全株NSC积累量呈极显著负相关,说明地上部分养分向地下的运输是影响植株NSC积累的的主要因素。因此,采取简单高效的盆栽牡丹管理措施,促进牡丹叶片和根系发育对植株光合产物积累和改善植株生长状况具有重要意义。

表10 ‘洛阳红’叶片光合特征和生物量与NSC积累量相关性系数

同时,以盆栽牡丹植株的光合性能指标、各器官生物量和NSC含量为自变量(x),以全株NSC积累量为因变量(y)进行逐步回归分析得到方程:y=-10.872+0.093x1+0.139x2+ 0.2226x3+0.005x4,R2=0.916(x1、x2、x3和x4分别为老根NSC含量、老根鲜样质量、木质化新根鲜样质量和单株叶面积)。

进一步对筛选出的指标进行通径分析,4个显著变量的通径系数均超过0.75,故自变量中单株叶面积、老根和木质新根鲜样质量及老根NSC含量对全株NSC积累量的影响较大。各指标的直接通径系数大小依次为:老根鲜样质量>老根NSC含量>单株叶面积>木质化根鲜样质量(表11)。说明协调盆栽牡丹叶(源)和根(库)关系在植株NSC的积累过程中发挥着重要作用。

表11 植株NSC积累关键因子通径分析

3 讨 论

3.1 容器栽培牡丹理想株型的调控策略

牡丹作为国人心目中的国花[23-24],地栽、盆栽、切花等应用形式呈现多样化的发展趋势[11,14,25-26]。在牡丹生长季积累的光合产物,通过输导组织向根系转运,并以NSC的形式贮藏在肉质根中。秋冬季牡丹叶片和部分枝条干枯褪缩,即“牡丹长一尺褪八寸”现象[27],地上养分进一步向根系回流。地栽牡丹根系生长空间和营养需求相对容易得到满足,因此根系多为粗壮的肉质根系,须根相对较少[28]。盆栽牡丹的核心是降低株高、增加分枝,以生产出便于管理的紧凑型株型[29]。而盆栽条件下,牡丹植株根系生长空间有限,易发生缠绕,株型难以控制,需要采取平茬、修根、生根剂处理等一系列措施[16,30]来规范株型。另外,提高须根密度补偿根系吸收面积是保证地上部分养分供应充足和应对环境波动的重要策略,应用植物激素和生长调节剂是主要的技术手段[11,19]。容器栽培条件下植株根系更加裸露,受病虫害的威胁更大,为此向基质中施入绿僵菌可以起到改善根际菌落、杀灭害虫的作用,而且绿僵菌作为新一代绿色生物农药对人安全无毒,可以较好地解决园艺产品农残过高的问题[31]。因此,高效、简便、绿色的调控措施应是容器栽培牡丹的基本策略。

3.2 修根、生根剂和绿僵菌处理效应

植物根系不仅具有重要的吸收、固着、储存功能,还是合成氨基酸和植物内源激素的重要器官[32],故根系结构的变化势必会影响地上部分的代谢。牡丹作为多年生木本植物,其库、源关系复杂,存在着季节转换现象。在春季萌发期叶片和花蕾是库器官,此时根系中养分储存量是新器官生长的物质基础[33];旺盛生长期叶片成为源器官,其光合作用是植株养分的重要来源[34]。本试验结果显示重度修根处理‘洛阳红’单株叶面积和叶片、叶柄、茎、老根、木质新根鲜样质量均下降,说明修根导致根系储存养分的损失对‘洛阳红’地上部分的生长有负面影响;同时,修根处理降低了单株叶面积,植株的光能捕获捕获面积减小,导致了植株NSC积累量降低;轻度修根有利于刺激植株的补偿生长,而过度修根抑制了植株生物量的恢复和NSC的积累。WUE与叶柄、老根和木质新根以及全株中NSC积累量均呈极显著正相关,修根导致‘洛阳红’的WUE下降,Ci和Tr升高,这可能与根系中ABA的合成和向地上的转运有关[35]。

商用生根剂通常由植物激素或生长调节剂组合而成,能够促进植物新根的生长发育,加速完成根形态的建成,在苗木移栽和扦插中均有广泛的应用[36-38]。研究表明生根剂处理可以提高落叶松幼苗的成活率、苗高和基径,改善根系结构[39];薄皮核桃在移栽过程中使用生根剂可以提高幼苗的根长、根表面积以及苗木成活率[40]。本研究发现生根剂对盆栽牡丹单株叶面积、水分利用效率和全株鲜样质量的影响显著,具有双向提高库和源的作用,可在一定程度上弥补因修根所造成植株生物量的减少,增加其对光能的利用能力,并促进补偿生长。

绿僵菌作为新型生物农药,不仅可以杀灭土壤中的害虫[41],而且能与植物互利共生[42],具有促进植物根系早期伸长和分枝的作用[43-44]。本研究中虽然绿僵菌对牡丹全株NSC的积累影响最小,但可能会影响各器官NSC的调配。有研究表明土壤中宿存的绿僵菌会随时间的推移而减少[44],故移栽后定期浇灌绿僵菌孢子悬浮液补充土壤中的绿僵菌数量对于防虫和调控‘洛阳红’株型具有重要作用。

3.3 盆栽‘洛阳红’植株生长和NSC积累的补偿特征

植株的生长状况取决于叶片的光合生产能力和养分的高效转运及积累[45-46]。木本植物体内积累的NSC除了作为碳和能量来源外,还在韧皮部运输、渗透调节和耐寒性方面起着重要作用[9]。本研究中盆栽牡丹发生了明显的须根化现象,适度修根和生根剂处理能促进根系发育;正交试验分析表明,影响盆栽牡丹生长补偿指数和全株NSC积累的因素均依次为修根>生根剂>绿僵菌,最优组合为修根25%、浇灌生根剂浓度750 mg/L和绿僵菌液剂量1 000万单位/mL。由于最优组合没有出现在试验组合内,需要在后续工作中进行试验验证,同时发现较优组合修根25%、浇灌生根剂浓度750 mg/L和绿僵菌液剂量2 000万单位/mL,其生长补偿指数和全株NS C积累量比对照分别提高了65.14%和33.35%,盆栽牡丹植株生长和NSC积累实现了超额补偿。进一步的相关分析和统计分析表明,盆栽牡丹单株叶面积、老根和木质新根在全株NSC积累过程中起重要作用,这与用岳桦幼苗的研究结果[47]相一致。通过修根、生根剂和绿僵菌处理能有效地促进盆栽‘洛阳红’植株根系发育,增加分枝,降低株高,调节植株NSC积累与分配从而使株型更加紧凑,实现了促进植株生长和规范株型的技术优化目的。

4 结 论

盆栽牡丹日渐成为工程化应用的主要栽培方式,而轻简化是牡丹容器栽培的重要发展方向。移栽上盆时对‘洛阳红’苗进行25%强度的修根,辅以浇灌750 mg/L的牡丹移栽生根剂和2 000万单位/mL 孢子的绿僵菌菌悬液,可以高效地促进盆栽‘洛阳红’植株实现补偿生长,积累较多光合产物(NSC),形成了适度矮化、分枝增加、生长旺盛的理想株型,为培养高品质牡丹工程苗和盆花奠定了技术基础。而通过三因素组合措施促进盆栽牡丹植株超额补偿生长的分子生理机制需要进一步深入研究。