缺硼胁迫对甜菜植株硼素形态的影响

郝学明，郝建雨，黎莉莎，董一帆，张铭，姜欣雨，李可欣，宋柏权

（黑龙江大学/黑龙江省寒地生态修复与资源利用重点实验室/国家糖料改良中心，哈尔滨150080）

0 引言

甜菜是我国重要的糖料作物和经济作物，主要分布在东北、西北及华北地区[1]，对中国北方农业和制糖业发展及增加农民收入有着重要作用。以甜菜作为主要制糖原料生产的食糖占世界食糖总量的20%左右[2]。1857年人们从植物中分离出了硼，1923年的蚕豆试验中证明了硼是植物生长必需的微量元素之一[3]，对植物的生长发育具有重要意义。上世纪80年代我国开始甜菜上硼的试验研究[4]，之后相继开展了硼对甜菜一年生[5-6]、二年生[7-8]等的影响研究。植物对硼的缺乏、适量和中毒含量之间的变幅很小[9]，双子叶植物因具有较大数量的形成层和分生组织[10-11]，对硼非常敏感、需硼量相对较多、易缺硼。

早在20世纪40年代，硼在植物体内的形态得到了研究。1942年，Marsh等人[12]把高等植物中硼分为水溶性硼和水不溶性硼，发现水溶性硼含量容易随环境供硼量变化而变化。1998年，Dannel等人[13]根据硼的溶解性以及生理作用进一步提出了硼库理论，并将植物体内的硼划分为水溶性硼库和不溶性硼库。2002年杜昌文等人又将植株中的硼元素分为自由态硼、半束缚态硼和束缚态硼。自由态硼是硼的主要运输形式，分布于质外体，半束缚态硼为硼的贮存形式[14]；自由态硼和半束缚态硼具有提高光合速率、促进糖运输等作用[15]，其含量取决于外界的硼供应水平；束缚态硼则主要位于细胞壁的果胶多糖中，反映了细胞壁对硼的需求量，且其移动性较差[16]。3种形态的硼在植物体内处于一种动态的平衡关系[17]。关于硼处理下植物中不同形态硼含量的变化研究已有报道[18-19]，但是不同形态硼含量在甜菜植株不同部位的分布变化规律未见报道。本试验通过对不同品种的甜菜幼苗进行硼处理，研究缺硼胁迫对甜菜植株不同部位3种形态硼含量的影响，对指导甜菜硼素营养与施肥调控具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种为甜菜遗传单粒种H003和H004。水培使用聚乙烯培养箱（24 cm×17 cm×16 cm），药品有甲亚胺-H、抗坏血酸、盐酸（优级纯）、氯化钠（优级纯）、硼酸（优级纯）。

1.2 试验设计及方法

试验于2017年11月—12月在国家糖料改良中心（哈尔滨）光照培养室进行。将甜菜品种H003、H004各100粒播于经过180℃杀菌4.5 h的蛭石中，浇适量蒸馏水进行发芽。待甜菜子叶完全展开后将长势一致的幼苗移植于1/2Hoagland全量营养液中，每箱打孔2个，每孔定苗1株。营养液每5 d更换1次，首先是1/2全量营养液进行培养，然后全量营养液培养，培养15 d后取样。每个品种设缺硼（B0，5μg/L）和正常硼（B1，1.0 mg/L）两个处理，各5个重复，单因素随机排列。每天更换培养箱位置以保证光照均匀，每天共光照12 h，通气12 h；营养液调节pH至6.50。

1.3 取样测定方法及数据处理

植株样品提取参照Du等[20]方法：每盆植株分别取完全展开的功能叶片、叶柄、根各0.5 g。取样后将其分别剪成1 mm2左右的碎片置于纯净水清洗过的干燥塑料瓶中，加入10 mL一级水，25℃水浴振荡24 h，先将提取液通过0.15 mm细纱网，然后用定量滤纸过滤，所得滤液即为自由态硼；残渣用10 mL 1 mol/L NaCl洗入塑料瓶，25℃水浴振荡24 h，细纱网过滤后用定量滤纸过滤，所得滤液即为半束缚态硼；剩余残渣用10 mL 1 mol/L HCl洗入塑料瓶中，25℃水浴振荡24 h，用定量滤纸过滤，所得滤液即为束缚态硼；最后分别用甲亚胺比色法对提取出来的不同形态硼待测液进行测定。

用Excel 2013软件和SPSS23.0软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 缺硼对甜菜植株不同部位硼含量的影响

图1、图2表明甜菜品种H003和H004正常硼处理下叶片硼含量都显著高于其他部位，占植株总硼含量的47.1%和54.3%。叶柄中的硼含量最少，占植株总硼含量的17.2%和15.6%。由图1可知，缺硼处理H003根系中的硼含量相比正常硼处理下降了14.1%；叶片硼含量降低了52.3%；而叶柄中的硼含量比正常处理增加了35.0%。由图2可知，H004在缺硼胁迫下，叶片硼含量虽然大幅下降却仍然高于其他部位，占总硼含量的36.1%，较正常处理降低了32.4%；根的硼含量缺硼处理下降了24.4%；叶柄硼含量增加了28.8%。

图1 H003和H004品种甜菜植株不同部位硼含量Fig.1 Boron content in different parts of sugar beet plant of varieties H003 and H004

2.2 缺硼对甜菜植株不同部位3种形态硼含量的影响

表1表明，甜菜品种H003、H004叶片、叶柄及根系中的自由态硼含量最高，其次是半束缚态硼，最后是束缚态硼。H003品种在缺硼处理下叶片自由态硼含量下降44.1%，半束缚态硼含量下降69.9%，束缚态硼含量增加3.9%。H004品种在缺硼处理下叶片自由态硼含量和半束缚态硼含量都有不同程度的降低，束缚态硼含量增加。H003品种的叶柄束缚态硼含量缺硼处理较正常处理降低了70.4%，半束缚态硼含量较稳定没有明显的变化，而自由态硼则有较明显的升高；H004品种叶柄不同形态硼含量的变化规律与H003品种一致。H003、H004根系中的自由态硼含量缺硼处理相比正常硼处理分别下降18.1%、38.6%，束缚态硼含量分别下降了31.1%、32.1%。而半束缚态硼含量H003品种没有明显变化，H004品种增加了30.9%。

表1 不同部位的自由态、半束缚态、束缚态硼含量（mg/kg）Table1 Boron content of free,semi-bound stateand bound in different parts

2.3 甜菜植株各部位不同形态硼相对含量的变化

由图2可以看出，无论缺硼处理还是正常硼处理甜菜品种H003与H004各部位的自由态硼相对含量远远大于束缚态硼。在缺硼处理下，叶片的束缚态硼相对含量有上升趋势。叶柄在缺硼胁迫处理下自由态硼相对含量有上升的趋势，而半束缚态、束缚态硼相对含量有下降趋势。这可能与甜菜在缺硼胁迫下诱发了某种适应机制，使得叶片中的硼向自由态硼转化，方便其运输至叶片。

图2 H003和H004品种甜菜植株各部位不同形态硼相对含量Fig.2 Relativecontent of different form boron in different parts of H003 and H004 sugar beet plant

3 结论

（1）在正常供硼水平下，甜菜植株不同部位总硼含量有着明显的差异，呈现出叶片＞根系＞叶柄的规律，即叶片的需硼量最大；在缺硼胁迫下，叶片和根的硼含量显著下降。

（2）在缺硼胁迫下，自由态硼含量叶片和根系中降低，叶柄增加；半束缚态硼含量整体上较稳定，在缺硼胁迫下没有明显的变化；束缚态硼含量在缺硼胁迫下叶片中增加、叶柄和根系中含量降低。

（3）在不同硼处理下，甜菜植株各部位束缚态硼相对含量始终最低；叶片自由态硼的相对含量远远大于束缚态硼和半束缚态硼；在缺硼胁迫下，叶柄中自由态硼相对含量有着上升的趋势，叶片中束缚态硼相对含量有上升趋势。

4 讨论

植株不同器官中的硼含量在正常硼处理下表现出叶片＞根系＞叶柄，叶片中硼含量始终都是最多，占植株总硼含量的一半左右，而叶柄中含硼量最低。这是因为叶片是甜菜最重要的功能器官，其细胞形态的完整与细胞功能的稳定决定了植物能否正常生长发育，且其细胞种类与功能较多，所以对一些微量元素的需求量较大[21-22]。在试验中也发现缺硼症状首先在叶片中表现，叶柄上缺硼症状出现较晚。研究发现不同硼处理下棉花、柑橘等植株各部位硼含量的变化规律[23-24]。其结果与上述结果一致，都是叶片中的硼含量最高[25-26]。叶柄在缺硼胁迫下其硼含量反而增加，其原因可能是硼在植株体内移动性较差，在缺硼胁迫下，叶柄中的硼未能及时运输至叶片中，导致硼在叶柄中积累，硼含量升高。

Matoh等的试验表明细胞中80%的硼分布于细胞壁，植物对硼需求量主要取决于细胞壁硼含量[27]。而本次试验结果为束缚态硼含量较低，出现这种结果的原因可能是试验对象为甜菜幼苗，其叶片正处于细胞大量分裂时期，需硼量较大，对硼运输强度较大，所以会出现自由态硼含量最高，而束缚态硼含量较低的现象。试验表明在缺硼胁迫下植物细胞中的硼大部分都集中在细胞壁中[28]。而甜菜品种H003和H004在缺硼胁迫下叶片中束缚态硼相对含量都有上升的趋势，这与其结果一致。而叶柄在缺硼胁迫时束缚态硼相对含量有下降的趋势，自由态硼与半束缚态硼相对含量上升。这可能是在缺硼环境下甜菜植株开始将叶柄中的硼加速转移至叶片中的表现。但是关于甜菜植株在缺硼胁迫下不同部位之间的3种硼含量的变化关系尚待研究。