芸苔素和植物油混合喷施对低温下荔枝和莲雾光合作用影响

张晓婷,庄 赟,董家辉,易晨歆,周碧燕,2,欧阳建忠

(1 华南农业大学园艺学院,广州,510642;2 农业农村部华南地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室,广州,510642;3 广州市从化区华隆荔枝产业研究院,广州,510925)

荔枝LitchichinensisSonn.是无患子科荔枝属亚热带热带常绿果树[1],其花芽分化期需要一定的低温条件;但当气温降至4 ℃时易造成低温胁迫,-2 ℃以下时会发生冻害,造成植株死亡[2-3]。莲雾Syzygiumsamarangense(Blume) Merr.et Perry属桃金娘科蒲桃属热带常绿果树,原产于马来半岛及安达曼群岛等热带地区,在中国南部亚热带栽培区常遭受寒潮的袭击而发生不同程度寒害[4-5]。近年来,由于极端低温频发,不管是莲雾还是荔枝均受到严重影响,造成产量下降[6-7]。因此,生产中增强植物抗寒性显得尤为重要,特别是对于不耐寒的荔枝和莲雾,有效喷施植物生长调节剂可以降低不良环境对其造成的伤害。

芸苔素(BR)是一种固醇类激素,已经被证明在植物生长发育过程中具有重要的调节功能,如促进植物细胞生长、分裂和分化[8]。在植物抗寒性研究中,喷施芸苔素可以明显改善植物生长,不仅可以有效减轻低温给植物带来的伤害,还可以促进植物根系和植株正常生长;在农业生产上,喷施芸苔素可以明显提高作物抗逆性,增加作物产量,减少经济损失[9]。植物油是一种新型植物源农药,其作用机理与矿物油相似,以酱油渣为原料进行提取,并乳化研制而成,无毒,故较安全。植物油的展着性和渗透力强,具有明显的增效作用和减量作用[10],生产上多用于防治害虫,较少用于植物防寒。

植物油具有较强的附着性和安全性,其在低温下可以通过封闭植物气孔来提高植物抗寒性[10];同时植物油可以在一定时间内降解,解除其对植物气孔封闭的影响。因此,本研究将植物油与芸苔素联用来探究其对植物抗寒性的影响,具体以荔枝和莲雾为试材,探讨芸苔素+植物油混合喷施对两种植物光合作用的影响,为生产上提高荔枝和莲雾抗寒性提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

华南农业大学园艺学院试验园的9年生“井岗红糯”“怀枝”“糯米糍”荔枝,4年生“黑糖芭比”“印度红”莲雾供试,均采用滴灌进行肥水一体化管理,采用微喷灌调控湿度,试材生长发育良好。植物源甘油酯,简称植物油,93%植物油乳剂,广州欧联生物科技有限公司产,广东省科学院动物研究所监制;芸苔素内酯,简称芸苔素,纯度98%,其使用浓度依据前期研究[11]。

1.2 试验设计

试验一:2021年冬在试验园挑选生长势相似且大小一致的“糯米糍”“井岗红糯”荔枝各12株,在2021年12月24日(低温胁迫前),分别喷施2 mg/L芸苔素+植物油150倍液,2 mg/L芸苔素+植物油300倍液、2 mg/L芸苔素,喷施等量清水作为对照,各处理3株,重复3次。2021年12月24日(低温胁迫前)和2022年1月1日(低温胁迫后)分别测定各处理叶片PSⅡ最大光化学量子产量(Fv/Fm),并于2022年1月1日对各处理荔枝叶片进行拍摄,观察比较不同处理的两个品种荔枝叶片田间情况。此外,低温胁迫以出现5 ℃及以下低温为标准,气温降至10 ℃时开始处理。

试验二:2021年冬在试验园挑选生长势相似且大小一致的“糯米糍”“怀枝”荔枝各8株,2022年2月17日(低温胁迫前),喷施2 mg/L芸苔素+植物油150倍液,等量清水作为对照,各处理4株,重复2次;同时,挑选生长均匀、叶片健康的“黑糖芭比”“印度红”莲雾各6株,2022年2月17日(低温胁迫前),喷施2 mg/L芸苔素和植物油150倍液,等量清水作为对照,各处理3株,重复2次;2022年2月17-25日出现4 ℃低温,各处理受到低温胁迫。2022年2月25日(低温胁迫后)和2022年3月5日(升温后)分别调查测定供试荔枝和莲雾叶片数、相对电导率、脯氨酸含量和Fv/Fm等光合相关指标。

1.3 测定方法

基于RFID的物联网技术系统大致可分为“感知”、“网络”、“应用”3部分。其中，“感知”部分主要是由各类传感器及相关的传感器网关构成，如湿度传感器、温度传感器、摄像头、RFID标签与读写器等终端。在物联网系统中，“感知”部分就像人的眼睛、耳朵、鼻子、皮肤等，发挥识别物体与采集信息来源的作用；“网络”部分则是由各种有线或无线通信网路、互联网、私有网络、云平台等组成，该部分如同人的大脑与神经中枢，传递与处理由感知系统收集的信息；“应用”部分指的是物联网与用户的应用接口，通过与行业需求结合起来，实现物联网的智能化应用[2]。

Fv/Fm测定:取成熟叶片用湿棉花包裹叶柄处令其吸收水分,并用湿纱布包裹,置于黑暗箱中避光,暗适应处理20 min以上,用Fluoroskan Ascen FL荧光化学发光分析仪(Thermo,美国产)测定。

叶绿素荧光成像:初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)和Fv/Fm成像均通过Fluoroskan Ascen FL荧光化学发光分析仪(Thermo,美国产)测定。

相对电导率测定:采用电导法[12],将新鲜叶样清洗干净用吸水纸擦干,去除叶脉和叶柄,剪碎称取0.20 g,蒸馏水冲洗干净置于250 mL三角瓶中,并加入蒸馏水20 mL,使用SHB-循环水式多用真空泵抽滤,叶片下沉后抽滤20 min后待测。将抽滤后的溶液以及叶片置于25 mL烧杯中,玻璃棒搅拌后使用雷磁电导率仪(DDSJ-308A,中国产)测定溶液的电导率R;将烧杯口用保鲜膜密封后在水浴锅(HWS28,中国产)中沸水浴15 min,冷却至室温,搅拌均匀后测定溶液的电导率Ro,计算相对电导率,相对电导率(%)=R/Ro×100。

脯氨酸含量测定:采用磺基水杨酸提取法[13]。将新鲜叶样清洗干净并用吸水纸擦干后,去除叶脉和叶柄,剪碎混匀后称取0.20 g,研磨至匀浆,加入3%磺基水杨酸溶液定容至5 mL加塞试管中,于沸水中提取15 min,冷却过滤。取提取液2 mL置于试管中,再加入冰醋酸2 mL和茚三酮试剂2 mL,加塞密封后在水浴锅中沸水浴15 min;冷却后各自加甲苯5 mL,充分摇匀萃取,避光静置4 h待完全分层,用吸管吸取甲苯层到比色杯中,利用紫外可见分光光度计(UV-2600/2007,中国产)于520 nm波长下测定吸光度值,根据标准曲线及公式计算脯氨酸含量,脯氨酸含量(μg/g)=CV提取液总体积/(W样品质量·V测定液体积)。

光合指标测定:选择荔枝不同枝条上第3～6片成熟功能叶,重复3次,用TARGAS-1型便携式光合作用仪(PP Systems,美国产)于9:00-11:00测定荔枝叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间二氧化碳浓度(Ci)和气孔导度(Gs)。

莲雾叶片数量调查:每株主轴上标记侧枝5枝,调查统计其上叶片数,取平均值。

1.4 数据处理

利用Excel处理数据和计算,用SPSS 19.0分析数据。

2 结果与分析

2.1 2021-2022年冬季温度变化

由图1看出,2021年12月25日前,试验地田间温度均较高,最低温度高于10 ℃,最高温度大于20 ℃;12月25日最低温低于10 ℃,之后1周持续低温,出现5 ℃。在此期间,对芸苔素+不同稀释倍数植物油混合进行试验,获得合适的芸苔素+一定稀释倍数的植物油。之后开展第二次试验,2022年2月18-24日持续低温,且最低温度达到4 ℃,进行芸苔素+植物油混合对荔枝和莲雾的抗寒性影响试验。

注:两次低温胁迫分别为2021年12月24日至2022年1月1日,2022年2月17-25日。图1 2021-2022年冬华南农业大学园艺学院试验园气温变化

2.2 芸苔素+不同浓度植物油处理对荔枝的影响

由图2看出,经历低温胁迫后,与低温胁迫前相比,芸苔素+不同浓度植物油处理的“井岗红糯”“糯米糍”叶片Fv/Fm均降低。其中,两个品种芸苔素+植物油150倍液处理的Fv/Fm均最高,且该处理“井岗红糯”的Fv/Fm高于“糯米糍”。说明该处理明显抑制了低温胁迫导致的PSⅡ最大光化学量子产量Fv/Fm下降,效果最好,且对“井岗红糯”的作用效果更好。

注:不同小写字母表示经邓肯氏检测同一时间上差异显著(p≤0.05,n=3)。图2 低温胁迫前后芸苔素+植物油混合处理对两个品种荔枝叶片PSⅡ最大光化学量子产量(Fv/Fm)的影响

图3看出,与“井岗红糯”的对照(清水)相比,芸苔素+植物油混合处理的“井岗红糯”荔枝叶片光泽度增加,卷曲叶片较少;与“糯米糍”的对照(清水)相比,芸苔素+植物油混合处理的“糯米糍”荔枝叶片具有一定光泽度,叶片卷曲程度轻。说明荔枝经历低温胁迫时,芸苔素+植物油混合处理可以有效地减轻低温对荔枝叶片的伤害,维持叶片正常状态。

图3 低温胁迫后(2022年1月1日)芸苔素+植物油混合处理的两个荔枝品种叶片外观变化

2.3 芸苔素+植物油处理对荔枝的影响

由图4看出,经历低温胁迫(2022年2月25日)后,对照(清水)的荔枝叶片明显受到伤害,表现为叶绿素荧光成像Fv/Fm呈绿色;而芸苔素+植物油150倍液处理的荔枝叶片卷曲程度较小,且叶绿素荧光成像Fv/Fm呈蓝绿色。

图4 低温胁迫(2022年2月25日)后芸苔素+植物油150倍液处理的两个荔枝品种叶片叶绿素荧光成像

由图5看出,在低温胁迫(2022年2月25日)后,芸苔素+植物油150倍液处理的两个荔枝品种叶片Fv/Fm均显著高于对照(清水);气温回升(2022年3月5日)后,对照(清水)和芸苔素+植物油150倍液处理的两个荔枝品种叶片Fv/Fm均有升高,且芸苔素+植物油150倍液处理的“糯米糍”叶片Fv/Fm显著高于其对照(清水)。

图5 低温胁迫后和气温回升后芸苔素+植物油150倍液处理对两个荔枝品种叶片PSⅡ最大光化学量子产量(Fv/Fm)的影响

由图6看出,气温回升后(2022年3月5日),芸苔素+植物油150倍液处理的两个荔枝品种叶片相对电导率显著低于其对照(清水),芸苔素+植物油150倍液处理的两个荔枝品种叶片脯氨酸含量显著高于对照(清水)。说明气温回升后喷施芸苔素+植物油150倍液处理的脯氨酸含量更高,而相对电导率更低,荔枝经历低温胁迫后恢复更快。

图6 低温胁迫后及气温回升后芸苔素+植物油150倍液处理对两个荔枝品种叶片相对电导率和脯氨酸含量的影响

由图7看出,在低温胁迫(2022年2月25日)后,芸苔素+植物油150倍液处理的两个荔枝品种叶片Pn均显著低于其对照(清水);而气温回升(2022年3月5日)后,该处理的两个荔枝品种叶片Pn均显著高于其对照(清水)。说明低温胁迫后芸苔素+植物油150倍液处理的荔枝叶片的净光合能力较对照(清水)弱,而气温回升后该处理有助于提升荔枝叶片净光合能力。低温胁迫后,芸苔素+植物油150倍液处理的“怀枝”叶片Tr和Gs均显著低于对照(清水);气温回升后,该处理的两个荔枝品种叶片Tr和Gs均显著高于其对照(清水)。低温胁迫后,芸苔素+植物油150倍液处理的两个荔枝品种叶片Ci显著高于其对照(清水);而气温回升后,该处理的两个荔枝品种叶片Ci均显著低于其对照(清水)。说明芸苔素+植物油150倍液处理可以在气温回升后有效提高荔枝叶片光合作用。

图7 低温胁迫后及气温回升后芸苔素+植物油150倍液处理对两个荔枝品种叶片光合参数的影响

2.4 芸苔素+植物油处理对莲雾的影响

由图8可以看出,低温胁迫(2022年2月25日)后以及气温回升(2022年3月5日)后,芸苔素+植物油150倍液处理的两个莲雾品种叶片Fv/Fm均显著高于其对照(清水)。低温胁迫后,芸苔素+植物油150倍液处理的“黑糖芭比”叶片数显著低于其对照(清水),而“印度红”叶片数则显著高于其对照(清水)。气温回升后,各处理叶片数均下降,出现一定程度落叶,但芸苔素+植物油150倍液处理的两个莲雾品种叶片数均显著大于其对照(清水),尤其“印度红”表现更明显。

图8 低温胁迫后及气温回升后芸苔素+植物油150倍液处理对两个莲雾品种叶片PSⅡ最大光化学量子产量的影响

由图9可以看出,在低温胁迫(2022年2月25日)后,芸苔素+植物油150倍液处理的两个莲雾品种叶片Pn显著降低;气温回升(2022年3月5日)后,该处理的两个莲雾品种叶片Pn显著大于其对照(清水)。低温胁迫后,芸苔素+植物油150倍液处理的“黑糖芭比”叶片Tr显著低于其对照(清水),而“印度红”莲雾叶片Tr表现相反;气温回升后,该处理的两个莲雾品种叶片Tr显著升高,“黑糖芭比”“印度红”表现一致。低温胁迫后,芸苔素+植物油150倍液处理的两个莲雾品种叶片Ci显著高于其对照(清水);而气温回升后,该处理的Ci升高幅度较小,均显著低于其对照(清水)。低温胁迫后及气温回升后,芸苔素+植物油150倍液处理的两个莲雾品种叶片Gs与Tr变化趋势一致。说明芸苔素+植物油150倍液处理可以在气温回升后有效提高莲雾的光合作用。

图9 低温胁迫后及气温回升后芸苔素+植物油150倍液处理对两个莲雾品种叶片光合参数的影响

3 讨论与结论

叶绿素荧光参数可直接反映光系统对光能的吸收、传递、耗散等特征。Fo表示PSⅡ反应中心处于完全“开放” 状态时的荧光产量,Fm是PSⅡ反应中心处于完全“关闭”状态时的荧光产量,Fo和Fv是叶绿素荧光参数的重要指标[14]。通常可以根据Fv/Fm的波动程度有效评判植物受光抑制的程度,植物在正常光环境下的Fv/Fm为0.75～0.85,一般高等植物的Fv/Fm会大于0.80;而当其受到光抑制时,该值会小于0.75,Fv/Fm越低表明该植物受到的光抑制程度越大[15]。植株遭受低温胁迫可导致光合器官出现暂时的光抑制或直接被逆境条件破坏,从而叶绿素荧光参数下降[16]。本试验结果表明,经历低温胁迫后,荔枝(“怀枝”“糯米糍”“ 井岗红糯”)和莲雾(“黑糖芭比”“印度红”)的Fv/Fm均降低,这与前人研究相似[17-18];而喷施芸苔素可以提高其抗寒性[11]。与对照(清水)和单施芸苔素相比,芸苔素+植物油混合处理的叶片受伤害程度较低,且芸苔素+植物油150倍液的处理效果更佳,可能由于喷施芸苔素+植物油150倍液复配剂可以在植物组织表面形成一层保护膜,更有利于提高供试植物抗寒性。

光合参数主要包括净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、胞间二氧化碳浓度(Ci)和气孔导度(Gs)。其中,植物主要依靠气孔来实现和外界CO2、H2O交换,而CO2是植物光合作用的底物,所以Ci和Tr的高低会被Gs影响,进一步关系到光合作用的强弱[19]。Tr则表示一定时间内植物叶片单位叶面积蒸发的水量,Tr所产生的蒸腾拉力可以吸收水分并进行运输,为植物光合进程提供物质来源[20]。逆境胁迫会影响各个光合参数的正常水平,并且受影响程度会随着胁迫程度增加而加重[21]。本研究中,荔枝和莲雾在低温胁迫后的Pn、Tr和Gs均呈现逐步下降的趋势,而Ci呈现上升趋势,这与番茄中的研究相似[22]。本研究测定相对电导率和脯氨酸含量证明了喷施芸苔素+植物油150倍液可以降低低温胁迫对荔枝的不利影响;前期研究也发现低温胁迫会造成莲雾大量叶片脱落,且影响莲雾营养生长[24],本研究发现芸苔素+植物油150倍液可以缓解这一现象。本研究还发现,低温胁迫后芸苔素+植物油150倍液处理的荔枝和莲雾叶片Pn均低于对照(清水),影响其能量转换,但这一现象在气温回升后出现逆转。分析其原因可能是芸苔素+植物油150倍液处理在叶片表面形成一层膜,影响气孔中气体进出;低温胁迫后,植物油不能马上分解导致Pn低于对照(清水);随着气温回升,植物油逐渐分解,Pn逐渐升高。说明芸苔素+植物油150倍液处理会带来暂时性的光合速率下降,但并不影响其在整个低温胁迫过程中对提高植物抗寒性的效果。综合来看,喷施2 mg/L芸苔素+植物油150倍液复配剂可以有效提高荔枝和莲雾的抗寒性,在低温胁迫结束后仍会降低植物叶片的光合效率,需要一定时间恢复。