石灰种茎处理对木薯萌发和幼苗生长的影响

李 天,魏云霞,黄 洁*,王 娟,李 倩

(1.海南大学 热带农林学院,海南 海口 570228;2.中国热带农业科学院 热带作物品种资源研究所/农业部 木薯种质资源保护与利用重点实验室,海南 儋州 571737)

0 引言

木薯栽培管理粗放,且在种植时又常遇干旱及其它恶劣条件,导致出苗率与成活率低,幼苗长势弱,最终影响到木薯中后期生长,导致木薯大幅度减产,严重制约了木薯产业的发展[1-2]。钙是植物生长所需的中量元素之一,且作为信号物质,参与植物种子休眠、萌发及生长发育等一系列生理过程[3]；适宜的外源钙浸种对打破种子休眠、提高作物出苗率[4]、促进植株生长[5]、促使壮苗健苗[6]具有重要作用。因此,探讨不同浓度石灰水浸(蘸)种对木薯发芽出苗、苗期生长的影响,对木薯产业的发展具有重要意义。前人研究表明,用氯化钙溶液浸种可提高黄瓜[7]、番茄[8]的发芽率;吕金凤等[9]指出,15 mmol/L的Ca(NO3)2对马铃薯试管苗的生长有显著的促进作用;陆小静等[10]研究发现,1%和2%石灰水浸种24 h均能提高木薯的成活率、鲜薯产量、薯干产量和淀粉产量;苏必孟等[11]研究表明,在中度干旱胁迫下,2%石灰水浸种24 h能提高木薯苗期的抗旱能力。目前,有关石灰水浸种在木薯增产增收、提高淀粉含量方面已有部分研究[10],而关于石灰处理对木薯苗的茎叶生长以及细根形态特征的影响研究还鲜见报道。为此,本研究以南植199木薯为材料,探讨了不同浓度石灰水浸(蘸)种对木薯萌发、苗期生长、细根形态特征及块根品质的影响,旨在筛选出促进木薯苗生长的石灰处理,为优化木薯种茎处理技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

在海南省儋州市的中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所试验基地开展袋栽试验。采用30 cm×35 cm的无纺布袋,每袋装20 kg混合基质(V红土∶V细砂土∶V腐熟椰糠=2∶9∶1),混合基质的基本理化性质为pH值6.31，有机质17.01 g/kg，碱解氮20.00 mg/kg，速效磷17.46 mg/kg，速效钾159.00 mg/kg。从市场购买熟石灰,主要成分是Ca(OH)2。

试验木薯品种为南植199。选取在树荫下竖立贮存4个月、芽眼和种皮基本无损伤、长约1.7 m的种茎,统一锯去每条种茎生根的基部和发芽的顶部,再把种茎自下而上锯为6节茎段,每节长15 cm左右。

1.2 试验设计

设不浸种(CK1)、清水浸种12 h(CK2)、2%石灰水浸种12 h(Ca1)、石灰浆蘸种(Ca2)、石灰粉蘸种(Ca3)共5个处理;按植后40、60、80和100 d共4个取样大区,分别集中摆放无纺布袋;每个取样大区均按5个处理、3次重复共15个取样小区摆放无纺布袋,每个小区定植6袋;每次每个处理均取3次重复(小区)共18袋。按M石灰∶M清水=1∶50的质量比配制2%石灰水,按M石灰∶M清水=3∶4的质量比配制石灰浆。用石灰浆和石灰粉蘸种时,仅蘸种茎两端,不蘸中间。在室外平地的塑料地布上,摆放试验袋。每袋直插1条种茎,芽眼朝上,露土2 cm。2016年4月21日定植,8月1日结束取样。在试验过程中不淋水不施肥,植后20 d内均未降雨,从植后21 d开始陆续有降雨。

1.3 测定项目与方法

从植后12 d开始,每隔3 d调查一次发芽、出苗情况,记录每个处理的出苗株数,以植后40 d时的出苗株数为最终出苗株数,计算出苗率。分别在植后40、60、80和100 d,调查记录木薯的农艺性状,并取样测定根茎叶干物质量、根冠比、细根形态特征和块根品质。

出苗率:按每个处理种植72株,从植后12 d开始记录每个处理的出苗株数n,出苗率(%)=n/72×100。

株高和茎径:株高是从地面到植株顶端生长点的高度；茎径是离地面5 cm处主茎的直径。

细根形态特征:取样时,先剪下茎、叶,然后轻拍无纺布袋,使袋中的基质松散后,再小心倒出基质,认真细心地取出完整的块根和细根,并捡出所有的断根(细根)。在室内剪下种茎上的块根和细根,小心冲洗干净。用EPSON Expression 11000xl扫描细根,用WinRHIZO软件分析单株木薯细根的总长、表面积、体积和平均直径。

干物质量和根冠比:先将每株木薯苗分为茎叶、细根(扫描后)、块根三个部分;考虑到单株木薯苗的样品过少,故将每一个小区的茎叶、细根、块根分别混合为一个样品,再分别称其鲜重并剪碎,装入信封袋,于105 ℃杀青30 min后,在80 ℃下烘干至恒重,称其干重,从而计算出单株木薯的茎叶、细根、块根平均干重。由单株木薯的茎叶、细根、块根平均干重计算出单株木薯的根冠比,根冠比=(细根干重+块根干重)/茎叶干重。

块根品质:用磨粉机粉碎烘干后的块根,过100目筛网,保存于密封袋中,待用。用蒽酮比色法测定块根的可溶性糖和淀粉含量[12];用HNO3-HClO4消煮-原子吸收分光光度法测定块根的钙含量[13]。

1.4 数据分析

采用Excel 2010和SPSS 20.0对试验数据进行统计分析,用Duncan新复极差法检验处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 石灰处理种茎对木薯苗生长的影响

2.1.1 对出苗率的影响 石灰处理种茎对木薯出苗率的影响见图1。CK2和Ca1处理集中在植后12～18 d出苗,CK1在植后15～27 d出苗较为集中,而Ca2和Ca3在植后12～40 d陆续缓慢出苗。在植后18 d, CK1的出苗率为36.11%,CK2和Ca1处理的出苗率分别达83.33%、95.83%,接近齐苗,而Ca2和Ca3处理的出苗率均仅为13.89%。可见,CK2和Ca1处理有利于早出苗、早齐苗和提高出苗率,以Ca1为最优处理,而Ca2和Ca3处理不利于出苗。

图1 石灰处理种茎对木薯出苗率的影响

2.1.2 对株高、茎径的影响 石灰处理种茎对木薯苗株高和茎径的影响见图2。在植后40～60 d,Ca1的株高(图2a)明显高于其余处理的;植后60～80 d,5个处理的木薯苗均快速增高,株高高低排序为Ca1>CK1≈CK2>Ca2>Ca3,且植后60 d的Ca1与Ca2、Ca3处理间差异达到显著水平;植后80～100 d,CK2、Ca2、Ca3处理株高的增高速度均高于CK1、Ca1的。在植后40～100 d,除Ca3处理在植后80～100 d期间快速增粗且超过Ca2外,5个处理的茎径(图2b)均表现为先快速后缓慢增粗的趋势,且大小排序均为Ca1>CK2>CK1>Ca2>Ca3;其中,植后40 d的Ca1和Ca3处理间茎径差异达到显著水平,植后60 d的Ca1和CK1、Ca2、Ca3处理间茎径差异达到显著水平,植后80 d的Ca1和Ca2、Ca3处理间茎径差异达到显著水平。总之,CK2、Ca1处理能促进木薯苗的长高增粗,以Ca1为优,而Ca2、Ca3处理抑制木薯苗的长高增粗。

图2 石灰处理种茎对木薯苗株高和茎径的影响

2.1.3 对细根形态特征的影响 石灰处理种茎对木薯根系形态特征的影响见图3。植后40 d时,CK2、Ca1处理的细根总长(图3a)分别是CK1的114.88%、152.97%,而Ca2和Ca3处理的细根总长分别仅是CK1的68.55%、70.92%;此外,5个处理的细根总长在植后40～60 d迅速缩短,植后60～100 d缓慢缩短并趋于平稳。在植后40 d,CK2、Ca1处理的细根总表面积(图3b)分别是CK1的119.53%、145.36%,Ca2仅为CK1的66.21%,Ca3处理的细根总表面积略大于CK1;植后60～100 d,5个处理的细根总表面积大小排序均为Ca1>CK2≈CK1>Ca3≈Ca2,其中,Ca1处理的细根总表面积是CK1的108.80%～116.28%。植后40～80 d,5个处理的细根直径(图3c)均先快速后缓慢增粗;植后80～100 d,CK1、Ca2、Ca3处理的细根直径继续趋于平稳,而Ca1和CK2处理又快速增粗;植后100 d时,5个处理的细根直径大小排序为CK2≈Ca1>CK1>Ca3≈Ca2。植后40～60 d,5个处理的细根总体积(图3d)均较快增长,随后平缓波动;植后60 d,5个处理的细根总体积大小排序为Ca1>CK2≈CK1>Ca3≈Ca2,且前3个处理和后2个处理之间差异达到显著水平;在植后100 d,5个处理的细根总体积大小排序为Ca1>CK2≈CK1>Ca3>Ca2,且Ca1和Ca2处理间差异达到显著水平。总体上,Ca1处理能有效提高木薯苗细根的总长、总表面积、直径和总体积,CK2处理能提高植后40 d木薯苗的根总长和总表面积,而Ca2和Ca3处理抑制木薯细根生长。

2.1.4 对干物质量和根冠比的影响 从图4可以看出：5个处理单株木薯苗的茎叶、细根、块根干重及根冠比在植后40～100 d均不断提高。植后40～100 d,5个处理的木薯茎叶干重(图4a)排序均为Ca1>CK2>CK1>Ca3>Ca2,其中,Ca2、Ca3处理的茎叶干重分别是CK1的40.15%～80.05%、46.15%～94.49%。除CK2处理的细根干重(图4b)在植后80～100 d高于CK1外,5个处理的细根干重在植后40～100 d的排序均为Ca1>CK1>CK2>Ca3>Ca2,Ca1处理的细根干重是CK1的107.46%～152.75%,Ca2、Ca3处理的细根干重分别是CK1的43.82%～88.39%、46.22%～92.99%;植后100 d时,CK2处理的细根干重是CK1的117.48%。植后40 d,5个处理均未见块根(图4c);植后60～100 d,5个处理的块根干重排序均为Ca1>CK2>CK1>Ca3>Ca2,CK2、Ca1处理的块根干重分别是CK1的119.01%～258.95%、128.60%～388.70%,其中植后60 d时Ca1与CK1间的块根干重差异达到了显著水平；植后60 d时Ca2处理的块根干重仅是CK1的1.97%～81.71%；Ca3处理的块根干重在60～80 d仅是CK1的55.65%～55.75%。除在植后40 d时CK2处理的根冠比(图4d)略低于CK1、Ca2、Ca3外,植后40～100 d,CK2、Ca1处理的根冠比均高于CK1、Ca2、Ca3,分别是CK1的118.70%～162.75%、112.57%～152.99%。可见,CK2、Ca1处理能提高木薯苗的茎叶、细根、块根干重及根冠比,以Ca1为优,而Ca2和Ca3处理表现为抑制作用。

2.2 石灰处理种茎对木薯块根品质的影响

2.2.1 对可溶性糖含量的影响 石灰处理种茎对木薯块根(干)可溶性糖含量的影响见图5。植后40 d时未见块根;植后60～100 d,Ca1、Ca2、Ca3处理的块根可溶性糖含量分别是CK1的107.57%～121.23%、117.36%～166.43%、121.28%～143.69%;5个处理的块根可溶性糖含量均随生长时间的延长而下降；在植后60 d,Ca1、Ca2、Ca3处理间块根可溶性糖含量无明显差异,而在植后80～100 d,Ca2、Ca3处理的块根可溶性糖含量分别是Ca1的128.94%～137.29%、118.53%～132.34%。可见,钙处理能提高木薯的块根可溶性糖含量,越到木薯的生长后期,蘸种比浸种越有利于提高木薯的块根可溶性糖含量。

图3 石灰处理种茎对木薯细根形态特征的影响

图4 石灰处理种茎对木薯苗的茎叶、细根、块根干重及根冠比的影响

2.2.2 对淀粉含量的影响 石灰处理种茎对木薯块根(干)淀粉含量的影响见图6。在植后40 d时未见块根;在植后60～100 d,5个处理的块根淀粉含量随着生长时间的延长而提高。在植后60 d,除CK2的块根淀粉含量略高于CK1外,3个钙处理的块根淀粉含量均低于CK1;在植后80～100 d,CK2、Ca1、Ca2和Ca3处理的块根淀粉含量分别是CK1的113.69%～117.82%、116.40%～127.48%、42.06%～87.63%、50.97%～99.00%。因此,与CK1相比,CK2、Ca1处理能有效提高木薯的块根淀粉含量,而Ca2、Ca3处理会明显甚至显著降低块根淀粉含量。

不同小写字母表示在同一采样日期差异显著(P<0.05)。下同。

图6 石灰处理种茎对木薯块根(干)淀粉含量的影响

2.2.3 对钙含量的影响 石灰处理种茎对木薯块根(干)钙含量的影响见图7。在植后40 d时未见块根;在植后60～80 d,5个处理的块根钙含量均有较大提高,且Ca2、Ca3处理的钙含量明显甚至显著高于CK1;在植后100 d,虽然CK2、Ca1处理的块根钙含量继续有较大提高,但CK1、Ca2、Ca3处理的钙含量有较大幅度的下降,使CK2、Ca1处理的块根钙含量显著高于CK1,且分别是CK1的173.57%、188.55%。总之,CK2、Ca1、Ca2和Ca3处理均能提高木薯块根的钙含量,但随着木薯苗生长时间的延长,CK2、Ca1处理的块根钙含量不断提高,而Ca2、Ca3处理的块根钙含量先升后降。

3 讨论

本研究结果表明,清水和2%石灰水浸种12 h有利于木薯早出苗、早齐苗和提高出苗率,以2%石灰水浸种处理的效果最好；而石灰粉和石灰浆蘸种会抑制木薯的出苗。这与适宜Ca2+溶液处理黄瓜种子有利于促进发芽,而过高Ca2+溶液处理不利于种子萌发[14]的研究结果相似。因钙是植物生长的必需元素之一[15-16],钙可通过活化ATP水解酶、琥珀酸酶、脱氢酶等酶的活性间接地影响种子的萌发[14]。至于钙处理是否通过调控木薯种茎内的酶活性来促进发芽,值得进一步研究。

图7 石灰处理种茎对木薯块根(干)钙含量的影响

本研究发现,清水和2%石灰水浸种12 h可提高木薯苗的株高、茎径，细根的总长、总表面积、直径、总体积,茎叶、细根、块根干重以及根冠比,以2%石灰水浸种为最优处理。这与适宜浓度的外源钙溶液浸泡枇杷[17]、西瓜[18]、青蒜[19]、花生[20]等种子有利于作物生长的研究结果相似。相关研究表明,Ca2+可通过调节钙调蛋白以及微管的组建,调控细胞分裂[21]而促进作物生长,Ca2+还能加强IAA对细胞伸长的促进作用[22]。钙处理是否通过调节木薯苗的钙调蛋白等生理活动来促进植株生长,值得进一步研究。

在本研究中,清水和钙处理均可提高木薯块根的可溶性糖和钙含量,仅有清水和2%石灰水浸种12 h能提高木薯块根的淀粉含量,而石灰浆和石灰粉蘸种会降低木薯块根的淀粉含量。这与杜强等[23]用含有不同浓度CaCl2的MS培养基培养马铃薯试管苗的研究结果相似,他认为适当浓度的外源钙能促进马铃薯茎叶生长,通过增加光合面积来促进光合产物的合成及向块茎运输与积累,并提高块茎淀粉合成相关酶的活性,从而提高块茎中淀粉含量。因此,值得进一步研究钙处理对木薯淀粉合成相关酶活性的调控机理。

用清水浸泡水稻陈种适当时间可以提高其出苗率,且出苗率随浸种时间的延长表现为先提高后降低[24];用电解水浸种可促进苦瓜种子发芽[25]。本研究结果显示,石灰水是最优的浸种处理；其次,清水浸种比不浸种明显促进木薯发芽及其苗期生长。这与陆小静等[10]的研究结果“钙液浸种比不浸种显著提高木薯成活率和块根产量”一致,但不同于其结果“清水浸种的木薯种茎成活率和块根产量与不浸种差异不明显”,其原因可能是陆小静等使用新鲜木薯种茎,且种植时土壤较湿,种茎含水量足以保证其正常萌发和苗期生长,故清水浸种意义不大,而本试验故意使用已贮藏4个月的木薯种茎,其含水量较低,萌芽力差,故清水浸种可以提高种茎含水量，从而促进其发芽以及苗期生长。是否清水浸种也能提高木薯种茎的相关酶活性从而促进其萌发及幼苗生长,值得进一步研究。

前人研究表明,石灰水浸种可以防治半夏根腐病[26]、水稻恶苗病和苗瘟[27]、甘蔗粉蛴[28]等,并且经石灰水浸种后会在种茎表层包裹上一层CaCO3薄膜,可以起到隔绝空气和封闭切口的作用,以减少切口的细菌感染、水分和养分流失[10]。因此,相对于清水浸种来说,石灰水浸种不仅可以为种茎萌发提供生理需水,还可以减轻病原菌侵害对植物体造成的伤害。

4 结论

清水和2%石灰水浸种12 h均能促进木薯的发芽出苗及其苗期生长,其中,2%石灰水浸种12 h的促进效果最佳,且对于新鲜或者贮藏已久的木薯种茎均有明显效果,因此,建议在木薯种植前,采用2%石灰水浸泡种茎12 h来提高木薯出苗率及促进苗期生长。

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