氨基多糖水溶肥对花心大白菜母株定植后生长及种子生产的影响

王 玮,赵建锋,吴传万,汪国莲*,孙玉东,梁双林

(1.江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所,江苏 淮安 223001;2.江苏省环洪泽湖生态农业生物技术重点实验室(淮阴师范学院),江苏 淮安 223300;3.江苏双林海洋生物药业有限公司,江苏 启东 226200)

0 引言

大白菜是十字花科芸薹属二年生作物,原产于我国华北,是全国栽培面积最大的蔬菜作物[1]。其品种类型多样,营养丰富,广受各地民众喜爱,在北方地区享有“当家菜”的美誉,是我国居民重要的“菜篮子”蔬菜之一。苏北地区花心大白菜在当地又名黄芽菜,尤其是“狮子头”大白菜,是苏北淮安等地特有的优质特色大白菜品种。但是在苏北特殊的气候条件下,“狮子头”等花心大白菜在育种过程中,其母株入冬储存后期腐烂率极高,翌年移栽存活率较低,种子产量低,严重影响了当地大白菜育种工作的效率,增加了品种选育的难度,因此,如何通过技术手段来切实提高苏北地区花心大白菜母株的移栽存活率以及种子生产质量,就成为了本地区大白菜品种选育工作的当务之急。

氨基多糖,又称糖胺聚糖、粘多糖等,为杂多糖的一种。甲壳素和壳聚糖属于氨基多糖的衍生物,其中甲壳素在自然界中的含量仅次于纤维素,是唯一大量存在的碱性多糖[2-3]。现有研究发现,氨基多糖类物质可以广泛应用于工业、医药、保健、食品加工等领域,在农业上应用具有调节作物生长、增强抗逆性、抗菌保鲜等重要作用[4-7]。本研究以花心大白菜“狮子头”为材料,使用氨基多糖处理大白菜母株,研究了其对大白菜母株定植后生长及对种子生产的影响，以期为提高苏北地区花心大白菜母株繁种的定植存活率、提高大白菜品种的繁育效率提供配套技术解决方案。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为经提纯复壮后的狮子头大白菜，由江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所提供。氨基多糖水溶肥由江苏双林海洋生物药业有限公司生产提供,其浓度≥20 g/L(其中Zn+Mg+Ca+Fe含量≥100 g/L),产品形态为水剂。

1.2 试验设计

在大白菜入冬收获后,将所有母株统一置于晴天室外集中晾晒2～3 d,再堆藏处理20 d左右,待白菜外帮开始脱落时,选取整齐一致、感官品质好、无病虫害的大白菜母株120株,平均分为2份。将氨基多糖母液对水稀释为150 mg/L的溶液(前期已做过不同浓度梯度比较试验,研究结果表明此浓度的效果较好)；使用小型电动喷雾器对其中1份大白菜母株均匀喷施150 mg/L的氨基多糖溶液,每颗喷施40 mL,其余大白菜喷施等量的清水作为对照。喷施完后将所有母株统一置于晴天室外集中晾晒1～2 d,再将菜头斜切3刀后提前定植到塑料大棚中(前期开展过不同贮藏方式的试验,堆藏+提前定植方式的效果最好,大白菜母株的存活率最高)。试验采取随机区组设计,设氨基多糖与对照2个处理,每个处理3次重复,共6个小区,每个小区的面积为5 m2(2.5 m×2.0 m)。白菜定植后不要浇水,以控制棚内湿度。保持大棚内白天温度在0～5 ℃,夜间不低于-3 ℃。在定植后5、10、20、30、50 d时，分别取部分大白菜心叶用于测定叶绿素含量及其它有关生理生化指标,并取适量根系用于测定其根系活力。在定植后20 d时田间统计大白菜的存活率,并拔除死颗烂颗,及时清理畦面。大白菜抽薹开花后进行人工自交授粉制种,当荚皮变黄、籽粒呈黄褐色时及时收获。收获时分单株单独采收；种荚采收后,经后熟5 d左右再脱粒,脱粒后及时晒干；然后测定单株种子的产量及千粒重,再取部分形态完好的优良种子用于发芽试验。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 叶绿素含量的测定 每个处理随机取3株白菜的完整心叶各1片,采用比色法[8]测定其叶绿素含量。

1.3.2 其它生理生化指标的测定 分别于母株定植后5、10、20、30、50 d时，取不同处理的大白菜植株部分心叶,将叶片擦拭干净后称重分装,用液氮预冷后存于-84 ℃的超低温冰箱中,分批次进行生理生化指标的检测。

超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)法测定[9],以NBT光还原50%为1个酶活单位(U),酶活性单位以U/g表示。过氧化物酶(POD)活性的测定采用愈创木酚法[9],以1 min A470变化0.01为1个酶活性单位,酶活性单位以U/(g·min)表示。过氧化氢酶(CAT)活性的测定采用过氧化氢比色法[9],以1 min A240变化0.01为1个酶活性单位(U),酶活性单位以U/(g·min)表示。采用蒽酮比色法[9]测定可溶性糖含量；用考马斯亮蓝G-250染色法[10]测定可溶性蛋白含量；用硫代巴比妥酸法[11]测定丙二醛(MDA)含量,其计量单位为nmol/g FW。

1.3.3 根系活力的测定 根系活力测定采用四氮唑(TTC)染色法[12]。称取白菜根尖0.5 g,以TTC还原量[mg/(h·gFW)]表示根系活力。每处理随机取样，3次重复测定。

1.3.4 单株种子产量与千粒重的测定 将不同处理的大白菜所产种子分单株单独称重,计算平均单株种子产量。再随机取不同处理的大白菜所产种子各3份,每份1000粒,用电子天平称重,计算种子的千粒重。

1.3.5 大白菜种子发芽率(%)、发芽势(%)、发芽指数和活力指数的测定 随机取不同处理的大白菜所产种子各3份,每份随机取50粒种子播于铺有双层滤纸的培养皿中,用蒸馏水浸种2 h,再将盛有种子的培养皿统一置于(25±1)℃、相对湿度85%～90%的恒温培养箱中培养7 d。在种子培养期间,每天观察并统计发芽种子数,以胚根长2 mm作为种子发芽的标准；于培养7 d后计算其发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数,并测定根长。

白菜种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数的计算公式如下:

发芽率(%)=(第7天的发芽种子数/供试种子总数)×100%；

发芽势(%)=(第3天的发芽种子数/供试种子总数)×100%；

发芽指数=∑(t天的发芽数/相应的发芽天数)；

活力指数=根长度×发芽指数。

1.4 数据处理

利用DPS数据处理软件和Microsoft Office Excel 2010对试验数据进行处理和统计,用LSD法进行差异显著性分析。使用SigmaPlot 12.0软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 氨基多糖水溶肥对大白菜母株定植后叶片中叶绿素含量的影响

叶绿素含量是反映植物光合能力强弱和植株生长状况的重要指标。如图1所示,对照与处理的大白菜植株在定植后其心叶中的叶绿素含量均呈先降低后增加再降低的趋势。具体来说，在定植后10 d时对照植株叶片的叶绿素含量最低,只有0.867 mg/gFW；之后两个处理的叶绿素含量均迅速增加,在定植后30 d时达到峰值；但在定植后50 d时又显著降低。氨基多糖水溶肥处理的大白菜植株心叶叶绿素含量仅在定植后5 d时略低于对照,此后均高于对照,且在定植后20 d和30 d时均显著高于对照。

图1 不同处理的大白菜母株定植后叶片中叶绿素含量的变化

2.2 氨基多糖水溶肥对大白菜母株定植后根系活力的影响

根系活力是反映植物根对营养物质及水分吸收能力的一个指标。如图2所示,不同处理的大白菜母株的根系活力在定植后10 d时略有下降,之后则持续升高,至定植后50 d时再次降低。氨基多糖水溶肥处理的大白菜母株的根系活力只在定植后5 d 时与对照持平,之后均高于对照,且在定植后20、30 d时的根系活力均显著高于对照。

图2 不同处理的大白菜母株定植后根系活力的变化

2.3 氨基多糖水溶肥对大白菜母株定植存活率的影响

大白菜母株定植20 d后进行存活率调查和统计。由表1可知,对照的大白菜母株的自然存活率平均为59.52%,氨基多糖水溶肥处理的大白菜母株的平均存活率为78.57%,比对照提高了19.05个百分点,说明施用氨基多糖水溶肥可以显著提高大白菜母株定植后的存活率。

表1 大白菜母株在定植20 d后的存活率统计结果

2.4 氨基多糖水溶肥对大白菜母株定植后叶片中抗氧化酶活性的影响

SOD、POD、CAT是植物体内重要的抗氧化酶,其活性与植株抗逆性的强弱密切相关。由图3可知：两个处理的大白菜在定植初期其叶片的SOD活性呈先下降的趋势,至定植后10 d时达到最低值,此后其活性则迅速上升,在定植后20 d时对照与氨基多糖水溶肥处理的SOD活性分别是定植后10 d时的4.01倍、4.81倍；定植后30 d的SOD活性有所下降,之后仍维持较高的活性；氨基多糖水溶肥处理的SOD活性仅在定植初期略低于对照,此后迅速增强并在定植后20 d时显著高于对照。

图3 不同处理的大白菜母株定植后叶片中抗氧化酶活性的变化

两个处理的POD活性在定植后10 d时较5 d时有显著下降；定植后20 d时又迅速回升到高位水平,对照与氨基多糖水溶肥处理的POD活性分别较定植后10 d时提高了60.22%、52.86%；此后的POD活性仍维持高位运行；氨基多糖水溶肥处理的植株叶片POD的活性在定植后50 d内均高于对照。

CAT活性的变化趋势与POD类似。对照与氨基多糖水溶肥处理的CAT活性均在定植后10 d时达到最低值,之后迅速上升,并维持活性高峰；氨基多糖处理的CAT活性仅在定植后5 d时略低于对照,但在定植后10 d时则显著高于对照,活性比对照提高了23.63%；之后其活性也始终高于对照。

2.5 氨基多糖水溶肥对大白菜母株定植后叶片中可溶性糖和可溶性蛋白含量的影响

可溶性糖和可溶性蛋白是植物体内重要的渗透调节物质。由图4可见：大白菜母株叶片的可溶性糖含量于定植后10 d时下降到最低值,在定植后20 d时达到第一个峰值,其后有所降低,并在定植后50 d时达到最高值；氨基多糖水溶肥处理植株叶片的可溶性糖含量在定植后不同时期均高于对照。

图4 不同处理的大白菜母株定植后叶片中可溶性糖和可溶性蛋白含量的变化

不同处理的可溶性蛋白含量在定植后0～10 d均处于一个较低水平,在定植20 d后则持续上升,并在定植50 d时达到峰值；氨基多糖水溶肥处理的可溶性蛋白含量始终高于对照,且在定植后20 d时的含量较对照提高了29.17%,呈显著性差异。

2.6 氨基多糖水溶肥对大白菜母株定植后叶片中MDA含量的影响

丙二醛(MDA)是膜脂过氧化的重要产物,其含量可以反映细胞膜脂过氧化的水平及细胞受伤害的程度。从图5可以看出：两个处理的MDA含量均呈先降低后升高的趋势,在定植后10 d时的MDA含量为最低值,且氨基多糖水溶肥处理的植株叶片MDA含量在定植后50 d内均明显低于对照,其中在定植后30 d时相差最大,比对照降低了31.66%。

图5 不同处理的大白菜母株定植后叶片中MDA含量的变化

2.7 氨基多糖水溶肥对大白菜母株定植后单株种子产量、千粒重及种子发芽的影响

氨基多糖水溶肥处理对大白菜母株种子产量、千粒重及种子发芽的影响见表2。从表2可以看出：喷施氨基多糖水溶肥的大白菜母株的平均单株种子产量为29.29 g,比对照高31.82%；所产种子的千粒重为1.73 g,比对照高10.19%,均呈显著性差异。

表2 氨基多糖水溶肥处理对大白菜母株种子产量、千粒重及种子发芽的影响

种子发芽试验结果表明,氨基多糖水溶肥处理的大白菜母株所结种子除发芽率略低于对照外,发芽指数高于对照,发芽势和种子活力指数则显著高于对照。说明氨基多糖水溶肥处理可以显著提高大白菜母株的单株种子产量和千粒重,有效地提高所产种子的发芽能力。

3 讨论

植物生长调节剂在调控植物的光合作用、光合产物分配及植物抗逆性等方面具有十分重要的作用[13]。氨基多糖是杂多糖的一种,现有研究认为其在促进作物生长、提高抗逆性、抗菌保鲜等方面具有一定作用[14-15]。本研究对育种用大白菜母株在定植前使用氨基多糖水溶肥进行处理,发现氨基多糖对提高大白菜母株定植后的生理生化活性及对种子生产都有积极的影响。

叶绿素是植物进行光合作用的物质基础,也是决定植物光合能力和产量形成的重要基础[16]。叶绿素含量的高低在一定程度上可以作为判断植物生长能力的重要指标。现有研究表明,叶绿素含量与光照、土壤、营养及内源激素等变化密切相关[17-18]。在本研究中,经过氨基多糖水溶肥处理的大白菜母株在定植10 d后的叶片叶绿素含量一直高于对照,说明氨基多糖处理可以有效提高大白菜母株叶片中的叶绿素含量,从而增强植株的光合作用,提高植株的营养生长能力。氨基多糖提高叶片叶绿素含量的原因可能是其对主要作用于叶绿素分解途径的叶绿素酶的活性具有一定的抑制作用,从而抑制了叶绿素的降解,但也有可能是其直接或间接参与了叶绿素合成或是其对叶绿素的合成途径起到了一定的诱导作用。

SOD、POD、CAT这3种酶共同构成了植物体的抗氧化酶系统。SOD在植物体内主要起着清除活性氧自由基的作用。POD的活性在低温胁迫等逆境下也会升高,以便增强对活性氧的清除能力。CAT的主要作用是清除过氧化氢,以减轻其对植物体的毒害作用。本研究发现：经氨基多糖水溶肥处理的大白菜母株在定植后其叶片中SOD、CAT活性除定植初期略低于对照外,其后均一直高于对照;POD活性、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量在整个检测期内均一直高于对照;MDA含量则在定植后50 d内均低于对照。说明氨基多糖处理可以有效提高大白菜母株定植后的抗氧化酶活性,提高可溶性糖、可溶性蛋白等渗透调节物质的含量,降低MDA含量。活性氧学说认为,当植株处于逆境时,其活性氧代谢失调,造成原生质膜脂过氧化反应,从而引起细胞衰老或凋亡[19-20]。植株为了抵抗逆境造成的伤害,发展了一整套的活性氧清除机制,包括酶促系统和非酶促系统等。在本试验中,喷施氨基多糖水溶肥可能被植物体视为一种逆境胁迫,从而激发了大白菜植株通过增强抗氧化酶活性、增加渗透调节物质含量、降低脂质过氧化最终产物丙二醛的含量,来提高植株的生理生化活性,增强植株的抗逆性。

根系活力主要表征的是根系新陈代谢的能力,是反映植物根系吸收功能的重要指标之一[21]。氨基多糖水溶肥处理提高了大白菜母株的根系活力,增强了植株对营养物质的吸收和代谢能力,显著提高了大白菜母株的定植存活率。结合本文对大白菜其它生理生化特性的研究结果,可以认为,氨基多糖处理显著促进了大白菜母株生理活性的提高。这与黄继川等[22]通过增施氨基酸来处理大白菜得到的结论类似。

作物种子的产量由各产量构成要素共同决定。在牧草种子的生产中,生殖枝数量是增产的关键因素[23]。现有研究认为,植物生长调节剂可以通过改变种子产量的构成要素来改变种子产量[24]。EI-Fouly M M等[25]发现,喷施适宜浓度的矮壮素能促进小麦的分蘖,从而通过形成更多的生殖枝来增加产量。但在对高羊茅和多花黑麦草的研究中发现,生长调节剂的浓度和喷施时间对种子产量没有显著的影响[26-27]。大量研究表明,植物生长调节剂可以通过调节花期和雌雄花发生比例、增加生殖枝数量、提高坐果率和结实率等来达到增加种子产量的目的[28]。本研究发现氨基多糖显著提高了大白菜母株的单株种子产量,以及所产种子的千粒重，并且提高了所产种子的发芽能力。推测氨基多糖提高大白菜种子产量和种子活力主要是通过调节植株内源激素分配、增加生殖枝数量、提高结实率来实现。但是氨基多糖提高大白菜种子产量和质量的具体作用机理及其最佳施用方式仍有待进一步研究。

本研究还发现,大白菜母株在定植后初期(定植后20 d内)其体内SOD、POD、CAT活性及可溶性糖、可溶性蛋白含量的变化都是呈先下降再上升的趋势。大白菜母株在定植后0～10 d期间根系尚未存活,其体内以营养消耗为主,生理生化活性趋于下降,待根系存活后则逐渐上升。大白菜母株在定植后30～50 d期间正处于现蕾期向抽薹期的过渡,此阶段植株体内会发生一系列复杂的生理生化改变,并激发新的基因表达,促进植株从营养生长向生殖生长的转变。SOD、POD、CAT等抗氧化酶的活性均在现蕾期时下降,在抽薹后又迅速上升,可能是这些生理活性物质共同参与了植株现蕾抽薹相关基因的表达调控。糖在植物生长发育过程中起到重要的信号调节作用,可溶性糖不仅可以为植物生长发育提供能量和代谢中间产物,而且还是基因表达的重要调节因子[29]。在本试验中,大白菜叶片的可溶性糖含量在现蕾期时先下降,到抽薹期又迅速升高,其原因应该是可溶性糖在大白菜成花过程中起到重要的调控作用[30]；在花芽分化期一部分可溶性糖可能作为呼吸基质被消耗[31],导致可溶性糖含量降低；但随后可溶性糖合成途径表达量上调,以提供更多的糖参与植株的成花生理。蛋白质是生命活动的重要载体,植物在抽薹开花过程中蛋白质组成会发生一系列改变,这与植物的发育密切相关[32]。在抽薹过程中必然还会伴随着特异功能蛋白的产生。因此,本试验中大白菜母株在现蕾抽薹阶段其体内可溶性蛋白含量的持续上升,也正印证了以上的基本观点,这与杜正香[31]、王真真[33]等在不结球白菜上的研究结果相似。

4 结论

喷施150 mg/L的氨基多糖能明显提高大白菜母株的定植存活率和根系活力,提高大白菜叶片中的叶绿素含量和可溶性糖、可溶性蛋白含量,增强SOD、POD、CAT等抗氧化酶的活性,降低MDA的含量。此外,还有效提高了大白菜的单株种子产量、种子千粒重、种子发芽指数、发芽势和种子活力指数。研究表明,使用氨基多糖水溶肥处理大白菜母株可以有效促进大白菜母株的生长,提高存活率,增强植株的抗逆性,也显著提高大白菜的种子产量和种子的发芽能力。