吴婷婷, 陈佳宝, 袁虎威, 郑炳松, 闫道良
叶面喷施有机碳对铁皮石斛碳水化合物代谢及Fe、Zn含量的影响
吴婷婷, 陈佳宝, 袁虎威, 郑炳松, 闫道良*
浙江农林大学省部共建亚热带森林培育国家重点实验室, 杭州 311300
碳是植物体的结构与能量物质, 植物所需要的碳主要来自于自然界的二氧化碳, 就对植物生长需求而言, 远远满足不了对碳的需求, 植物常处于碳饥饿状态。为分析外施有机碳对铁皮石斛碳水化合物积累及微量元素铁、锌含量的影响, 通过叶面分别喷施20 mg·L–1的蔗糖和α-酮戊二酸, 研究了外施蔗糖和α-酮戊二酸对铁皮石斛总碳、总氮、总磷、几种糖类物质含量及蔗糖合成酶活性的影响, 分析了各测定指标之间的相关性。结果表明, 外施有机碳均显著提高了铁皮石斛总碳含量, 对总氮和总磷含量没有明显影响。施加α-酮戊二酸对铁皮石斛蔗糖、可溶性多糖、非结构性碳水化合物含量和蔗糖合成酶活性均有显著提高, 与对照相比, 分别提高了16.35%、29.76%、22.1%和40%。施加α-酮戊二酸显著提高了铁皮石斛铁、锌含量, 与对照相比, 分别提高了36.46%和7.23%。相关分析表明, 蔗糖合成酶与蔗糖、可溶性多糖、铁、锌和非结构性碳水化合物均呈极显著正相关(<0.01)。可见, 施加α-酮戊二酸对提高铁皮石斛的可溶性多糖及微量元素铁、锌含量, 提高铁皮石斛抗逆性比蔗糖有更好的肥效; 通过对铁皮石斛叶面喷施有机碳α-酮戊二酸可以促进其生长发育、提高品质, 起到用量少、见效快的显著效果。
有机碳; α-酮戊二酸; 铁皮石斛; 碳水化合物; Fe; Zn
碳是名列首位的植物生长必需营养元素, 也是植物光合作用必需的底物元素。长期以来, 植物基本依靠自然状态的二氧化碳作为碳源合成有机碳水化合物, 即使在目前大气二氧化碳浓度升高的大背景下, 就其对植物生长需求而言, 也远远满足不了植物对碳的需要[1–2],因而, 碳成为了对植物生长发育起限制作用的元素。研究资料报道表明, 增富环境中的碳, 显著提高了植物的生长包括根系的生长, 特别在干旱、高氮等逆境环境下, 增施碳显著提高了植物对不良环境的抵抗能力[3–4]。由此可见, 植物生长的“碳短板”现象引起作物低产、劣质、抗逆性降低等一系列不良问题[5]。同时, 随着常规氮、磷等化学肥料施用增加, 植物正常生长所需碳、氮、磷等元素间的平衡关系被打破, 引起植物生长的“碳饥饿”加剧[6]。由于增施二氧化碳气体碳肥, 只能受限于密闭的空间, 使其推广应用于常规农业生产受到了限制, 因而寻求使用方便、能被作物吸收利用的碳源是解决作物碳需求的迫切任务。研究表明, 通过叶面喷施有机碳肥补充碳不足, 可以有效地弥补碳缺的短板, 从而达到促进植物生长、作物增产、品质提高、抗逆性增强的施肥效果[7–10]。同时, 植物营养“最少养分限制律”原理也揭示了因营养元素短板对增产的重要性。
铁皮石斛(Kimura et Migo)是我国濒危珍贵药材, 具有滋养阴津、提高免疫力等显著效果[11]。近年来, 铁皮石斛利用实现了以野生采挖为主到人工设施栽培的转变, 但设施栽培的铁皮石斛由于无序施肥导致产量和品质良莠不齐, 严重影响了其制成品的质量[12]。因此, 对铁皮石斛精准科学施肥, 在常规元素氮、磷等富足的情况下, 弥补碳短缺, 是实现铁皮石斛增产、增收及提升其品质的关键要素。同时, "隐性饥饿", 即铁、锌等微量元素缺乏症, 已成为困扰我国居民的首要营养不良问题[13]。中国生物强化项目的实施就是通过改善作物的品质, 提高微量元素含量, 以满足我国人群中(尤其是贫困地区)广泛存在的铁(Fe)、锌(Zn)等微量营养的缺乏, 最终实现改善微量元素特别是Fe、Zn缺乏的状况[14]。本试验通过叶面喷施有机碳肥, 分析其对铁皮石斛碳水化合物代谢及微量元素Fe、Zn含量的影响, 以期为栽培出高产优质的铁皮石斛提供新的思路, 也为推动我国有机碳肥行业的发展提供参考。
选取同批次长势一致的二年生红杆铁皮石斛幼苗, 定植于塑料穴盘中, 栽培基质为腐熟的树皮, 每穴栽植铁皮石斛幼苗1丛(4—6株), 每穴盘共栽25丛为1个重复, 3个重复作为一个处理。将铁皮石斛穴盘苗置于人工气候箱内缓苗2周后, 开始用含0.2%的尿素(分析纯)溶液对铁皮石斛生长的基质充分浸透和叶面均匀喷施(前期试验表明, 0.2%尿素处理下的铁皮石斛多糖含量表现最高, 故本试验用0.2%的尿素作为补充铁皮石斛生长所需的氮源), 每2周施加1次, 共施加2次。
气候箱内植物生长环境参数设置为: 白天/夜晚的温度为25℃/23℃, 光周期为14 h/10 h, 光强为85 μmol·m–2·s–1, 相对湿度为70%—75%。施氮处理的同时, 对铁皮石斛叶片均匀喷施处理液: 水(CK)、20 mg·L–1α-酮戊二酸(α-KG)和20 mg·L–1蔗糖(Suc)(两有机碳浓度根据前期预实验), 每隔5 d均匀喷施一次, 共喷施6次, 于最后一次喷施后第5天, 即处理35 d后采样分析。
剪取茎段, 蒸馏水洗净后, 于120℃烘箱中杀青20 min, 然后置于80℃下烘干至恒重。茎段粉碎后进行各生理指标参数含量测定。同时把剪取的茎段迅速置于液氮中速冻, 并存放于-80℃下保存备用, 用于测定蔗糖合成酶(Sucrose synthetase, SS)活性。
铁皮石斛茎中总碳(C)含量采用重铬酸钾外加热法[15]测定, 总氮(N)、总(P)含量采用硫酸-过氧化氢法[16]测定, 可溶性糖、淀粉含量采用蒽酮硫酸法[17]测定; 非结构性碳水化合物(non-structural carbohydrate, NSC)定义为可溶性总糖(葡萄糖、蔗糖、果糖等)和淀粉的总和。蔗糖合成酶活性采用二糖酶测定试剂盒(比色法)[18]测定, Fe和Zn含量采样原子吸收法[19]测定。
利用软件SPSS 13.0和Excel 2013对试验数据进行差异显著性分析(Duncon法,<0.05)并作图, 结果以平均值±标准误表示。
由表1可以看出, 外施有机碳并没有明显影响铁皮石斛总氮和总磷含量。外施α-酮戊二酸和蔗糖却显著提高了茎中总碳含量, 与对照相比, 分别增加了2.56%和4.23%。以上结果说明外施有机碳对铁皮石斛氮、磷代谢并没有明显影响, 却显著有利于铁皮石斛总碳的积累。
由表2可以看出, 施用有机碳对铁皮石斛多糖含量具有不同程度的影响, 与对照相比, 施用α-酮戊二酸显著提高铁皮石斛蔗糖和可溶性多糖含量,比对照分别增加了16.35%和29.76%, 相反, 施用α-酮戊二酸则显著降低了果糖含量, 与对照相比, 减少了22.02%。施用α-酮戊二酸对铁皮石斛淀粉的含量并无明显的影响。施用蔗糖仅显著提高了可溶性多糖含量, 与对照相比, 增加了4.39%。相反, 施用蔗糖则显著降低了果糖和淀粉含量, 与对照相比, 分别减少了5.13%和7.57%。外施蔗糖对铁皮石斛蔗糖含量并无明显的影响。
蔗糖是铁皮石斛光合作用的主要直接产物, 也是体内碳水化合物运输的主要物质类型。蔗糖合成酶是一种可溶性酶, 可以催化蔗糖的合成和分解, 从而影响糖分的积累。由图1可以看出, 施用2种有机碳对铁皮石斛SS活性的影响程度并不相同, 外施α-酮戊二酸显著提高了SS活性, 与对照相比, SS活性上升了40%。外施蔗糖则显著降低了SS活性, 与对照相比, SS活性下降了9.86%。相关分析发现, SS活性与蔗糖含量呈极显著正相关(相关系数r = 0.951,<0.01), 说明在铁皮石斛中, SS是蔗糖合成的关键酶, 对铁皮石斛糖分的积累起着重要作用。
表1 外施有机碳对铁皮石斛总C、总N、P含量的影响
注: 同一列不同小写字母表示不同处理间存在显著差异, 下同。
NSC主要包括可溶性糖和淀粉, 是植物生长代谢过程中的重要能量供应物质, 它对提升植物尤其在逆境环境下的适应能力、维持生长和提高存活率等方面具有重要作用。由图2可见, 外施有机碳对铁皮石斛茎中NSC储存的影响不尽相同, 外施α-酮戊二酸显著提高了NSC的储量, 和对照相比, 增加了22.1%, 外施蔗糖却没有明显影响NSC的储量。以上研究结果表明, 外施α-酮戊二酸对于促进铁皮石斛新陈代谢以及增强其对环境的适应能力具有重要的作用。
Fe、Zn是植物生长必须的矿质微量元素, Fe、Zn含量多少是评价铁皮石斛品质的重要指标。由图3可知, 外施α-酮戊二酸显著增加了铁皮石斛茎中Fe、Zn含量, 与对照相比, Fe、Zn含量分别增加了36.46%和7.23%。外施蔗糖没有明显影响Fe的含量, 相反却降低了Zn的含量。以上结果表明, 外施α-酮戊二酸可以有效提高铁皮石斛Fe、Zn含量, 从而满足特殊人群对微量元素Fe、Zn的需求。
表2 外施有机碳对铁皮石斛几种糖类物质含量的影响
Figure 1 Effect of external application of organic carbon on the activity of sucrose synthetase of
图2 外施有机碳对铁皮石斛NSC含量的影响
Figure 2 Effect of external application of organic carbon on NSC content of
对有机碳处理下各指标间的相关性分析表明(表3), 铁皮石斛茎中的蔗糖与可溶性多糖、蔗糖合成酶、非结构性碳水化合物、Fe和Zn均呈极显著(<0. 01)或显著(<0. 05)相关, 而可溶性多糖除与蔗糖极显著相关外, 还与蔗糖合成酶、Fe和非结构性碳水化合物极显著相关, 蔗糖合成酶则与Fe、Zn和非结构性碳水化合物呈极显著正相关。以上研究结果表明, 蔗糖合成酶是影响铁皮石斛多个指标的关键酶。
图3 外施有机碳对铁皮石斛Fe、Zn含量的影响
Figure 3 Effect of external application of organic carbon on Fe and Zn contents of
碳是组成植物体重要的结构元素, 又是能量物质, 植物通过吸收自然界的二氧化碳仅能满足其碳需求的1/5[20], 因而施加有机碳是解决植物碳短缺的有力措施。蔗糖是植物体内主要的糖类形式之一, 对植物的生长发育和提高抗逆性起着重要作用。外施蔗糖可显著提高桃幼苗生物量, 增加体内可溶性多糖含量[21]。我们的研究也表明了施加有机碳均显著地提高了铁皮石斛总碳和可溶性多糖含量。由此说明, 有机碳补充可以有效地促进铁皮石斛更多地合成碳水化合物。由于铁皮石斛生长极其缓慢, 以后应延长试验期, 通过生物量变化这一指标更直观地反映有机碳对铁皮石斛增产的效果。
表3 铁皮石斛各指标相关性
注: *相关系数r表示显著相关(<0.05), **相关系数r表示极显著相关(<0.01)。
在自然状态下, N、P往往是植物生长发育的限制元素, 通过施加N、P能够有效提高植物的生物量[22]。本研究结果表明, 施加有机碳并没有影响铁皮石斛对N、P的吸收及利用效率(可通过C/N和C/P得出)(表1), 这与增施有机碳对蕹菜N、P的利用均有显著影响并不一致[23], 造成此原因可能是不同的植物生长特性有差异外, 还与环境中N、P供应有关。总之, 由于本试验仅施加有机碳单个浓度, 并不能全面反映有机碳对铁皮石斛N、P利用的影响, 需要在后续的试验中通过增施有机碳肥提高铁皮石斛可溶性多糖含量的同时, 如何提高环境中N、P的利用效率, 明确有机碳的阈值及其有效范围, 是需要进一步展开研究的内容。
蔗糖合成酶是植物糖代谢过程的关键酶, 可以催化蔗糖的合成与分解, 对植物的生长发育、植物品质及产量的提高有着极其重要的作用[24]。研究表明, 柑橘、桃、梨、葡萄等果实中的糖积累特征与蔗糖合成酶的活性密切相关, 直接影响着果实的口感与品质。增施有机碳肥(蔗糖)可以提高植物体内可溶性糖含量, 改善植物的品质, 提高植物对逆境的抗性[25]。本研究进一步证明了增施有机碳肥α-酮戊二酸可以提高蔗糖合成酶的活性, 从而促进蔗糖的合成及可溶性糖含量的增加, 同时, 蔗糖合成酶活性与铁皮石斛茎中的Fe、Zn和NSC含量显著正相关, 这为实践中通过施加有机碳肥提高铁皮石斛生长发育及口感与品质提供了理论依据。在此基础上, 有机碳施加后如何通过蔗糖合成酶基因调控蔗糖的合成与向铁皮石斛茎中运输是需要深入研究的方向, 这对于利用蔗糖合成酶基因改良铁皮石斛的品质有重要的现实意义。
CO2是植物从头合成碳水化合物的主要来源。已有研究表明, 提高环境中气体CO2浓度, 没有明显影响番茄的品质[26], 显著提高了枸杞蔗糖含量[27], 同时, 却降低了小麦、大豆和水稻等作物中Fe、Zn及蛋白质含量[28], 由此影响了作物的品质。以上研究结果说明, 增加CO2浓度作为碳补的形式虽然发挥了一定的积极作用, 但是在实际作物的栽培中, 使用受到极大的限制。通过有机碳“肥补”是开发碳肥的新途径。已有研究表明, 叶面喷施有机碳肥提高了稻米中Fe、Zn及粗蛋白含量[29], 降低了蕹菜亚硝酸盐含量, 同时提高了蕹菜中Fe、Zn含量[23], 这些研究结果表明了在提高植物品质方面, CO2不能替代有机碳营养, 二者对植物增产、提质的机制存在差异。Fe和Zn作为人体必需的微量元素, 我们的研究结果也同样说明了增施有机碳α-酮戊二酸显著提高了铁皮石斛茎中Fe、Zn的含量。今后, 阐明α-酮戊二酸施加后促进铁皮石斛Fe、Zn积累的机制, 有助于改良作物的品质, 实现优质高产。
本研究结果表明, 叶面喷施有机碳显著提高了铁皮石斛茎中总碳含量。与叶面喷施蔗糖相比, 喷施α-酮戊二酸显著促进了铁皮石斛蔗糖、可溶性多糖的积累, 同时, α-酮戊二酸施加后显著增加了蔗糖合成酶活性。相关分析表明, 其活性与蔗糖、可溶性多糖、非结构性碳水化合物、Fe和Zn含量显著正相关。综上所述, 有机碳肥施加可以提高铁皮石斛的品质, 具体表现在蔗糖、可溶性多糖及微量元素Fe、Zn含量增加。通过叶面喷施有机碳肥可以起到增质的效果。蔗糖合成酶在提高铁皮石斛品质方面起着关键性的作用。
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Effects of foliar spraying organic carbon on carbohydrate metabolism and Fe, Zn content of
WU Tingting, CHEN Jiabao, YUAN Huwei, ZHENG Bingsong, YAN Daoliang*
State Key Laboratory of Subtropical Silviculture,Zhejiang A&F University, Hangzhou 311300,China
Carbon is the structure and energy substance of plants. The carbon needed by plants comes mainly from carbon dioxide in nature. Plants are often in a state of carbon starvation.To analyze the effect of externally applied organic carbon on the accumulation of carbohydrates and trace elements, iron and zinc insucrose and α-ketoglutarate solution were sprayed at 20 mg·L-1, respectively. The effects of ketoglutarate on total carbon, total nitrogen, total phosphorus, contents of several carbohydrates, and sucrose synthase activity ofwere analyzed, and the correlations between the measured indicators were analyzed. The results showed that externally applied organic carbon significantly increased the total carbon content ofand had no significant effect onthe total nitrogen and total phosphorus content. The application of α-ketoglutarate significantly increased the sucrose, soluble polysaccharide, non-structural carbohydrate content and sucrose synthase activity of, compared to the control, which increased 16.35%, 29.76%, 22.1% and 40%. The application of α-ketoglutarate significantly increased the iron and zinc contents of, and increased by 36.46% and 7.23% respectively compared with the control. Correlation analysis showed that sucrose synthase was significantly positively correlated with sucrose, soluble polysaccharides, iron, zinc, and non-structural carbohydrates (<0.01). These results show that the application of α-ketoglutarate improves the soluble polysaccharides and the trace element iron and zinc content of, and has better fertilizer resistance than sucrose.The organic carbon α-Ketoglutarate can promote its growth and development, improve quality, andsignificantly effect of less dosage and immediate effect.
organic carbon; α-ketoglutarate;; carbohydrate; Fe; Zn
吴婷婷, 陈佳宝, 袁虎威, 等. 叶面喷施有机碳对铁皮石斛碳水化合物代谢及Fe、Zn含量的影响[J]. 生态科学, 2021, 40(1): 31–36.
WU Tingting, CHEN Jiabao, YUAN Huwei, et al. Effects of foliar spraying organic carbon on carbohydrate metabolism and Fe, Zn content of[J]. Ecological Science, 2021, 40(1): 31–36.
10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.01.005
S181
A
1008-8873(2021)01-031-06
2020-03-11;
2020-04-21
江苏省苏州市科技发展计划(S2S2015298)资助
吴婷婷(1997—), 女, 安徽黄山人, 硕士, 主要从事植物逆境生理生态研究, E-mail:2856997456@qq.com
闫道良(1975—), 男, 安徽宿州人, 博士, 副教授, 主要从事植物逆境生理生态研究, E-mail: liangsie@zafu.edu.cn