外源钙对果实发育过程中肥城桃钙素动态变化的影响

张泽杰 王 雷 付喜玲 杨宪林 姜 山高东升 陈修德 李 玲

(1山东农业大学园艺科学与工程学院/作物生物学国家重点实验室/山东省果蔬协同创新中心,山东 泰安 271018；2中国原子能科学研究院,北京 102413)

肥城桃(Prunus persicacv.Feicheng),别名佛桃,具有悠久的栽培历史,其外形美观,果大质优,被赞誉为“桃中之王”。 近年来,由于过度施用氮肥、忽视有机肥及钙肥的施用等问题,导致肥城桃缝合线褐变、裂果等问题日益严重[1]。 Lin 等[2]研究发现植物钙营养元素的缺乏,是导致桃果实缝合线软化的重要原因之一。桃果实顶腐病的发生正是由于钙素缺乏导致的,并且树体钙分配不均是引起肥城桃品质降低、口感丧失的重要原因。 此外,苹果苦痘病[3]、番茄脐腐病[4]、梨黑心病[5]等园艺植物病害也是由于缺钙引发的。 研究发现采前喷钙对于延长溶质桃货架期具有积极的作用[6],对鸭梨适度喷钙有助于其贮藏期的延长[7]。 但关于肥城桃钙元素周年动态及喷钙对肥城桃钙含量的影响尚鲜见报道。 因此,研究果树钙素含量的动态变化,进一步明确果树对钙素的需求动态、吸收能力等,对解决肥城桃缺钙问题具有重要意义。

同位素示踪技术是研究植物体元素吸收及分布的主要方式之一,其中13C[8]、15N[9]等在研究桃、水稻等作物对其吸收分配及利用效率等方面已有大量报道。郭智成等[10]通过15N 示踪技术对番茄中稳定性氮同位素丰度进行测定,发现氮素由根部吸收经过茎到达叶片和果实的过程中,15N 逐步富集。 门永阁等[11]对苹果进行研究,发现负载量的增加可促进叶片制造的13C同化物向果实转移,降低向根系的运输,对15N 的吸收利用降低。 目前,关于钙同位素在作物对钙的吸收利用方面的研究相对较少。 自然界中存在7 种钙同位素(40Ca、41Ca、42Ca、43Ca、44Ca、45Ca、48Ca),前人研究中多以45Ca[12]作为分析植物钙动态的一种途径,但由于45Ca 在衰变时产生的电子会造成辐射损伤,所以45Ca 并非进行钙同位素的首选。 相比其他同位素,41Ca 具有半衰期长、辐射损伤小等特点,更适合进行示踪试验,但痕量检测41Ca 的仪器灵敏度低等原因限制了其在果树方面的应用。 加速器质谱技术(accelerator-based mass spectroscopic technique,AMS)作为一种新型的结合离子源、加速器等手段的核分析技术[13],具有灵敏度高、样品用量少等特点,可以用于样品中41Ca 的检测,为41Ca 的生物学应用提供了可能。本研究以肥城桃为试验材料,利用加速器质谱技术进行41Ca 同位素示踪试验[14],探究钙在肥城桃树体中的周年动态变化。 同时针对钙在植物中的移动性较差,果树根系吸收的钙难以到达果实[15]等问题,利用不同形态外源钙肥处理,探究叶面补钙对肥城桃不同器官总钙含量影响,旨在全面了解钙在肥城桃中的竞争分配情况,明确喷钙最佳时期,为肥城桃科学合理补钙提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试验地概况

供试材料为树势健壮的11年生肥城桃(Prunus persicacv.Feicheng),砧木为毛桃(Prunus persicaL.),由山东省肥城桃研究所提供。

试验在山东省肥城桃研究所试验站(36°18′N,116°74′E)进行,果园为理化性质良好的砂壤质风积黄壤土,土壤基本理化性质为碱解氮43.50 mg·kg-1、速效磷35.62 mg·kg-1、速效钾289.91 mg·kg-1、有机质23.72 g·kg-1。

1.2 试验设计

1.2.141Ca 示踪试验 于2015年5月28日在桃园内选取长势健壮的3 株肥城桃作为试验材料,在距离地面50 cm 处的树干中部打孔至木质部,然后利用注射器在打孔处滴注41Ca(NO3)2溶液(称取30 mg 含有41Ca 的CaO 样品,适量硝酸溶解后,用去离子水稀释至50 mL),最后用黄泥封口。 其中,41Ca 试剂由中国原子能科学院提供；41Ca/Ca 为4.20×10-5；标准样品41Ca/Ca 为(1.78±0.05)×10-8。

1.2.2 不同形态的钙处理试验 试验共设3 个处理,即0.5%氨基酸钙溶液、0.5%硝酸钙溶液、清水(对照,CK),每10 株树为1 个处理,每个处理3 次重复。 花后30 d 起每隔30 d 处理一次,共计5 次。 于上午10：00点前喷施,在处理6 h 内若有降雨补施1 次。

样品的采集：处理后,从4月28日起,每隔30 d 采集处理的枝条、新梢等组织,用超纯水洗净,105℃杀青1 h,75℃烘干,利用植物组织粉碎机研磨后,于室温(25℃)保存,用于测定总钙含量。41Ca 同位素示踪于处理后每隔30 d 进行取样,前处理参照总钙测定[16]方法。

1.3 测定项目及方法

1.3.141Ca 丰度测量 采用AMS 法[17]测量41Ca 丰度：精确称取1.0 g 研磨样品于250 mL 烧杯中,加适量HNO3-H2O2(4 ∶1,v/v)混合提取液,盖表面皿。 在电热板上加热消解至透明,加超纯水,继续加热以去除残留酸。 在近干状态时,取下冷却。 氟化钙与氟化铅按4 ∶1 的质量比压入靶锥进行检测,标准样和空白样采用相同方法检测。

1.3.2 总钙含量的测定 采用湿灰化法[18]测定总钙含量：精确称取0.5 g 烘干样于250 mL 烧杯中,加HNO3-HClO4(4 ∶1,v/v)提取液25 mL,盖表面皿。 在电热板上加热除去多余酸,剩余1 ～2 mL 液体时,取下冷却。 用20 g·L-1氧化镧转移,定容至刻度,利用TAS-990原子分光光度计(北京普析仪器有限公司)进行测定。

1.4 数据处理

利用SPSS 20.0 进行数据分析；采用Microsoft Excel 2007 作图。

2 结果与分析

2.1 41Ca 同位素在肥城桃不同器官中的动态分布

2.1.141Ca-AMS 检测肥城桃不同器官41Ca/Ca 丰度的动态变化 利用41Ca 同位素-AMS 检测肥城桃不同器官41Ca/Ca 丰度动态变化。 由表1可知,叶片41Ca 随着生长期进程的推进呈下降的趋势,6月29日较6月3日下降了30.78%,7 ～8月份下降了47.26%； 果肉中41Ca 含量自6月29日至9月2日呈下降趋势；多年生枝则表现为先下降后上升的趋势,6月29日较6月3日下降了89.53%。

表1 多年生枝、叶、果肉钙含量变化Table1 Calcium content change of perennial branches， leaves and fruit pulp

2.1.241Ca 在肥城桃成熟期不同器官的分布与分配 由表2可知,树干中、上部的41Ca 含量均显著高于其他器官(P＜0.05),分别为99.70×10-10、57.00×10-10,共占67.78%；其次是叶片,为33.8×10-10；树干皮和枝皮含量最低,均占0.93%；果肉与果皮相差不大,分别占1.12%、1.54%,二者间无显著性差异。 枝条和新梢含量分别占10.77%与2.31%,且枝条含量显著高于新梢。

表2 肥城桃成熟期各器官41Ca 分布Table2 41Ca distribution of different organs in mature period of Feicheng peach

2.2 不同形态钙处理对肥城桃不同器官钙含量变化的影响

2.2.1 喷钙处理对肥城桃叶片总钙含量动态变化的影响 由图1可知,在果实发育过程中,叶片总钙含量呈先增加后降低的趋势,硝酸钙处理及CK 均在6月28日达到峰值,而氨基酸钙处理在7月28日达到峰值。 不同处理在5月28日-6月28日总钙含量增加了13%～28%。 8月28日,与CK 相比,施加氨基酸钙、硝酸钙处理,叶片中总钙含量分别提高了9.8%和8.0%。 喷钙处理叶片各时期的钙含量均明显高于CK,但喷施氨基酸钙和硝酸钙处理间无明显差异。

图1 喷施不同钙对叶片总钙含量的影响Fig.1 Effect of spraying different calcium on total calcium content of leaf

2.2.2 喷钙处理对肥城桃枝条总钙含量动态变化的影响 由图2-A 可知,氨基酸钙处理、CK 下新梢的总钙含量均呈先增加后降低的趋势,而硝酸钙处理下新梢的总钙含量则呈波动式变化,各处理钙含量自4月28日起迅速增加,在30 d 内约增加了40%～68%。 喷钙处理能显著提高新梢中的总钙含量(P＜0.05),但在新梢生长前期钙含量增加的效果明显优于后期。 由图2-B 可知,多年生枝的总钙含量变化与新梢不同,总体呈先下降后上升的趋势。 多年生枝与新梢相比,在初期多年生枝中的钙含量较高,是新梢的1.65 倍,且喷钙处理对新梢钙含量的增加较多年生枝明显,但不同的钙肥对钙含量的提升并无明显差异。

2.2.3 喷钙处理对肥城桃果实总钙含量动态变化的影响 由图3可知,在整个发育期,果实中钙含量总体呈下降趋势,其中4-5月钙含量下降最为明显,下降了49.3%～53.8%,5月28日后下降趋势变缓。 不同形态钙处理间变化较小。

3 讨论

图2 喷施不同钙对枝条总钙含量的影响Fig.2 Effect of spraying different calcium on total calcium content of branches

图3 喷施不同钙肥对肥城桃果实总钙含量的影响Fig.3 Effect of spraying different calcium on total calcium content in Feicheng peach fruit

研究发现植物体主要通过木质部进行矿质元素的运输,以钙素为例,在木质部中利用蒸腾流从元素源端运输到花、果及顶端分生组织等库端,随后在组织中稳定储存,极少发生再分配与运输[19]。 研究表明,新生器官如新梢、叶片与多年生枝等老器官对元素的需求不同[20]。 这与本研究结果相同。 本研究利用41Ca 加速器质谱技术检测肥城桃树体各样品中41Ca 的分配情况[21],发现6月3日,在果肉、多年生枝、叶片中检测出41Ca 同位素的分布,说明树干中的钙素可以迅速到达果肉、多年生枝、生长旺盛的叶片等部位；在8月份后随着叶片、新梢等器官生长减缓,对钙的竞争力减弱,部分钙通过韧皮部向下运输,外运超过了吸收,占据主导位置,表现为41Ca 向枝干中“倒流”,出现多年生枝41Ca 丰度上升的现象。 薛炳烨[22]研究肥城桃和草莓果实发育成熟软化生理机理,发现钙在枝条及叶片内的动态与其生长发育进程密切相关,多年生枝在整个时期生长速度较慢,但钙含量较高,呈先下降后上升的趋势。 这与本研究利用41Ca 同位素示踪的结果一致。 本研究中,肥城桃新梢在6月前钙含量迅速增加,而叶片在6月后迅速增加,这是由新梢与叶片的生长高峰期不同引起的。 但叶片中总钙呈先升高后下降趋势与本试验41Ca 同位素一直呈下降趋势的结果并不一致,这可能是由于总钙的增加速度大于41Ca 的增加速度,对41Ca 产生了稀释作用。

肥城桃果实发育大体可划分为：第1 次膨大期(5月初-6月初)、硬核期(6月初-7月初)、2 次膨大期(7月初-8月中旬)3 个阶段[23-24]。 本研究结果表明,41Ca 在果实中呈逐渐下降的趋势,6月29日-8月4日下降了约71.14%；4月28日-5月28日一次膨大期下降了约49.3%～53.8%,5月28日后下降趋缓,说明果实中的Ca2+多数在幼果期进行获取[25],钙在果实内的变化趋势与果实的双“S”发育进程存在密切的联系[26]。 导致发育期桃钙含量下降的原因可能是：一是,在果实生长发育中,草酸钙结晶积累,果柄中钙的运输通道阻塞[27],即在细胞分裂完成后,进入果实的钙所占比例较小[28]；二是,随着桃细胞体积、数量的迅速增大,加之果实对钙的吸收受到阻碍,使得果实中钙产生稀释现象,因而出现果实钙含量降低的现象；三是,钙的运输受蒸腾速率影响,在果实发育期果实的蒸腾强度远小于叶片[29],对钙的竞争力不足也是果实钙含量下降的重要原因。 成熟期是果实发育的重要时期。 本研究对肥城桃成熟期各器官41Ca 含量进行测定,发现树干中41Ca 的丰度最高,这可能与树干作为41Ca的注射部位,加上木质部细胞壁对二价钙离子的交换吸附作用[30],使之在树干中产生钙聚集有关。 研究表明,果实发育前期钙的运输主要通过木质部进行,并受各器官蒸腾强度的影响[31]。 本研究中,成熟期各器官41Ca 分配率表现为叶片41Ca 丰度高于枝条和新梢,高达15%；果实中41Ca 丰度仅高于枝皮与树皮,说明在果实成熟期肥城桃各器官钙的竞争能力存在差异。

4 结论

通过41Ca 在肥城桃各器官的动态变化及不同钙肥处理结果可知,钙的迁移受各器官竞争力的影响而存在一定的差异,其中果实对树体中钙的竞争能力较弱；喷施不同钙肥对新梢及叶片钙含量的增加较多年生枝显著；不同器官对钙的需求及吸收的高峰期主要集中在生长旺盛期,4-6月叶面喷施钙肥能起到最佳补钙效果。