施钼对黑果枸杞幼苗生长及荧光参数的影响

聂必林，田中平，巫利梅，如马南木·尼合买提，吕海英,3

（1.新疆师范大学生命科学学院，新疆 乌鲁木齐 830053；2.干旱区植物逆境生物学实验室，新疆 乌鲁木齐 830054；3.新疆特殊环境物种保护与调控生物学实验室，新疆 乌鲁木齐 830054）

【研究意义】黑果枸杞（Lycium ruthenicum）系茄科（Solanceae）枸杞属（Lycium）多年生落叶小灌木植物［1-2］，主要分布于我国西北地区，特别是柴达木盆地和塔里木盆地分布尤广［3］。黑果枸杞是一种重要的经济作物，具有极高的药用价值和生态学价值。其药用价值主要体现于果实富含维生素、原花青素、枸杞多糖等生物活性物质［4-6］，具有抗氧化［7］、抗机体衰老［8］、抗疲劳［9］等多种生理功能；其生态学价值主要体现于植株的独特形态结构，叶片属肉质化叶型，角质膜增厚，根系属根蘖型，主根发达，根毛浓密［10］。这些特征使黑果枸杞对盐碱、干旱、土壤贫瘠等不良环境具有很强的耐受性，常作为荒漠干旱区治理盐碱地土壤、防风固沙、保持水土的优选树种［11-12］，是世界公认的三大碱性土壤指示植物和先锋植物之一［13］。

【前人研究进展】钼（Mo）是高等植物必须的微量元素之一，尽管多数植物对钼的需求量极低，但钼元素在植物体内的生物学功能不可忽视。钼作为固氮酶和硝酸还原酶（NR）等多种酶的固有成分［14］，通过影响酶的化学活性进而影响植物内部的碳代谢、氮代谢、激素代谢、谷胱甘肽循环、次生代谢和活性氧代谢等生理过程［15-17］。植物缺钼导致氨基酸和蛋白质合成减少，硝酸盐过量积累，叶绿体结构遭受破坏，光合色素与还原糖含量降低［18］，外在表现为植株矮小、生长缓慢、叶片失绿，且有大小不一的黄色或橙黄色斑点，严重时叶缘萎蔫，叶片扭曲呈杯状，老叶变厚、焦枯，直至死亡［19］，且这些症状通常先出现在较老叶片，然后逐步向新叶和生长点发展。尽管缺钼严重影响植物生长，但钼含量过高同样也会对植物产生毒害作用，导致作物减产和农产品品质下降［20］。【本研究切入点】据报道，全球土壤中全钼平均含量约为2.3 mg/kg［21］，而我国土壤的全钼含量范围在0.1～6.0 mg/kg，平均含钼量约为1.7 mg/kg，明显低于全球平均水平，还存在南方地区土壤含钼量普遍高于北方地区的现象［22］，地处西北的新疆地区土壤缺钼尤为严重［23］。【拟解决的关键问题】鉴于新疆地区土壤缺钼现状和黑果枸杞的重要价值，本研究采用水培种植法，从生长指标、元素含量与分布、荧光特性的角度探究不同浓度梯度外源钼肥对黑果枸杞幼苗生长的影响，为黑果枸杞人工施肥提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试材料 供试黑果枸杞种子于2019 年9月采自库尔勒市哈拉玉宫乡，为多年生人工种植。地理坐标41°42'26″ N、86°02'73″E，海拔892 m，属暖温带大陆性干旱气候。种子采集后人工去除果肉，漂洗干净并自然风干，保存于5 ℃冰箱中备用。

1.1.2 钼处理液配置 采用改良的霍格兰营养液，其基础营养元素配比如下：Ca（NO3）2·4H2O 945 mg/L、MgSO4·7H2O 493 mg/L、KH2PO4136 mg/L、NH4NO380 mg/L、KNO3506 mg/L、ZnSO4·7H2O 0.22 mg/L、CuSO4·5H2O 0.08 mg/L、FeSO4·7H2O 5.56 mg/L、MnCl2·4H2O 1.81 mg/L、H3BO32.86 mg/L。以改良的霍格兰营养液为基础，在预试验基础上，配置含钼浓度分别为0、5、10、20、40 μmol/L 的含钼处理液，并依次记为CK、Mo5、Mo10、Mo20、Mo40。注：以（NH4）6Mo7O24·4H2O（M=1236）为钼源，所有试剂均为分析纯级别。

1.2 试验方法

1.2.1 幼苗培养 黑果枸杞幼苗培养于2019 年3月15 日开始，在新疆师范大学生命科学学院生地楼干旱区植物逆境生物学实验室进行。挑选适量籽粒饱满且大小均一的黑果枸杞种子，用75%的乙醇消毒5～10 min，蒸馏水冲洗3～5 次，在40 ℃水浴锅中恒温催芽24 h。选择长宽高为35 cm×25 cm×8 cm 的育苗盘5 个并消毒，在每个育苗盘中平整铺2～3 cm 海绵，在海绵上均匀撒适量催芽处理后的种子，置于RXZ 智能型人工气候箱（宁波江南仪器厂），设置昼夜温度25/15 ℃，相对湿度80%～90%，昼夜相对光照度100%/0%，昼夜周期16 h/8 h。定时向育苗盘中喷洒蒸馏水，保证海绵全部湿润，待幼苗长出2 片真叶时，改用喷洒1/2 改良霍格兰营养液，待幼苗株高为3 cm左右时，进行试验处理。

1.2.2 试验处理 采用水培种植法，设0（CK）、5、10、20、40 μmol/L 5 个钼浓度梯度，每个处理3 次重复。挑选长势一致的试验幼苗，均分为15 份，每份20 株。取长宽高为40 cm×25 cm×10 cm 的种植托盘15 个，在每个种植托盘高6 cm处固定一块厚度约为1 cm 的泡沫板，每个泡沫板上均匀打20 个直径为2 cm 种植孔，将幼苗根茎分界部位用海绵轻轻包裹（刚好能填充整个种植孔且不挤压幼苗根茎为宜），定植于种植孔内。将定植后的托盘按随机区域方式置于RXZ 智能型人工气候箱，设置昼夜温度25/15 ℃，相对湿度80%～90%，昼夜相对光照度100%/0%，昼夜周期16 h/8 h。定植当日向每个托盘内加入3 L 对应浓度的含钼处理液，每隔2 d 更换1 次，保证处理液浓度稳定，培养3 个月后进行各项指标测定。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 生长指标测定 试验结束时，从每个种植托盘内随机选取3 株幼苗，去除表面杂物，去离子水冲洗干净并吸干表面水分。将幼苗的根、茎、叶各部位分离，称得各部位鲜重，计算出根冠比，根冠比=根鲜重/地上部分鲜重。接着用泸工数显卡尺（上海九量五金工具有限公司）测量幼苗根长及株高。最后于105 ℃杀青30 min，75 ℃下烘干至恒重，称得各部位干重。

1.3.2 微量元素含量测定 将同一钼浓度处理下的所有黑果枸杞幼苗干物质按根、茎、叶部位分别混合，送检（中国科学院新疆生态与地理研究所生态与环境分析测试中心，2019 年8 月2 日接收），测定各部位微量元素（锌、钼、铁）含量。

1.3.3 荧光参数测定 利用叶绿素荧光测定仪（Junior-PAM）进行荧光参数测定。从每个种植托盘内随机选择3 株幼苗，充分暗适应20 min后测定初始荧光（Fo），然后施加0.8 s 强度为6 000 μmol/m2·s 的饱和脉冲光，测得暗适应下的最大荧光产量（Fm），利用Fv=Fm-Fo计算可变荧光产量，依此获得充分暗适应的最大光化学效率（Fv/Fm）。于当日使用强度6 000 μmol/m2·s的饱和脉冲光将叶片活化约30 min 后，测定出光下最大荧光（Fm′）和实际光化学效率（ΦpsⅡ）［24］。

试验数据用Microsoft Excel 2019 分析整理，用ANOVELSD法进行多重比较，用origin8.5绘图。

2 结果与分析

2.1 施钼对黑果枸杞幼苗生长的影响

由图1 可知，随钼处理浓度升高，黑果枸杞幼苗根部和茎部生物量（鲜重和干重）均呈现先升后降的变化趋势，峰值出现在Mo10 处理，根部各处理间均差异显著，茎部Mo5 和Mo10处理差异不显著，但与其他处理间差异显著。就叶片而言，生物量呈现两个峰值，Mo5 处理时有最大值，Mo10 处理时略有降低，Mo20 处理时部分回升，Mo40 处理时显著低于CK。说明适合黑果枸杞幼苗生物量积累的综合钼浓度在5～20 μmol/L，但不同器官生物量积累的最适钼浓度有一定差异。黑果枸杞幼苗的根冠比也随钼处理浓度升高呈现先升后降的变化趋势（图1 C），Mo10 处理时根冠比最大，与Mo20处理间差异不显著，说明适合黑果枸杞幼苗生长的钼浓度在10～20 μmol/L。黑果枸杞幼苗的根长和株高与生物量的变化趋势一致（图1 D），随钼处理浓度升高先升后降，均在Mo10 达到峰值，与其他处理差异显著，进一步说明钼浓度为10 μmol/L 对黑果枸杞幼苗促进效果更佳。

图1 不同施钼浓度对黑果枸杞幼苗生长的影响Fig.1 Effects of different molybdenum concentrations on the growth of Lycium ruthenicum seedlings

2.2 施钼对黑果枸杞幼苗微量元素含量的影响

图2 显示，随处理钼浓度升高，黑果枸杞幼苗（整株）Mo 元素含量逐渐增加，Zn 元素含量逐渐降低，Fe 元素含量先增加后保持稳定，以Mo10 为转折点。说明施钼能够促进黑果枸杞幼苗对Mo 元素的吸收利用，钼浓度越高促进效果越强；对Zn 元素的吸收利用有抑制作用，钼浓度越高抑制越强；对Fe 元素的吸收利用有促进作用，但促进存在饱和点。对各部位进一步分析发现，随钼处理浓度升高，黑果枸杞幼苗根部、茎部、叶片中Mo 元素含量均呈逐渐升高趋势，且升高速率表现为根部＞茎部＞叶片；Zn 元素含量在根部（CK 除外）、茎部和叶片中都随施钼浓度升高逐渐降低；Fe 元素含量在根部随施钼浓度升高呈现先升高后保持稳定的趋势，且以Mo10 处理为拐点，在茎部和叶片中Fe 元素含量与施钼浓度之间线性关系不明显，与CK 相比，各处理叶片中的Fe 元素含量均有所降低。以上结果说明施钼促进黑果枸杞幼苗各部位对Mo 元素吸收及利用效率；施钼对黑果枸杞幼苗各部位Zn 元素的吸收及转移利用有抑制作用；低浓度施钼引起Fe 元素含量增加是由根部对Fe 元素的吸收效率快速升高所致，而茎部和叶片中Fe 元素的利用效率并没有增加，而是随钼浓度升高而降低。

图2 不同施钼浓度对黑果枸杞幼苗微量元素含量的影响Fig.2 Effects of different molybdenum concentrations on trace elements content of Lycium ruthenicum seedlings

2.3 施钼对黑果枸杞幼苗叶片荧光参数的影响

由图3 可知，随钼处理浓度升高，黑果枸杞幼苗Fo呈先降后升的变化趋势，在Mo10 处理时有最小值，且Mo5、Mo10、Mo20 处理间差异不显著；Fm与Fo变化趋势正好相反，表现为先升后降，并在Mo10时最大，且Mo10同其他处理相比，差异均达到显著水平；Fv/Fm及ΦpsⅡ同Fm变化趋势一致，表现为随钼处理浓度升高而先升后降，分别在Mo5 和Mo10 处理最大，Fv/Fm在Mo5 和Mo10 处理间差异不显著，ΦpsⅡ在Mo5、Mo10、Mo20 处理间差异不显著。具体而言，Mo5、Mo10、Mo20 处理时Fv/Fm同CK 相比分别提高1.72%、1.74%、0.19%，Mo40 处理时降低0.78%，而ΦpsⅡ同CK 相比依次显著提高2.68%、3.62%、2.14%、1.89%。以上结果表明，黑果枸杞幼苗的光合作用潜力随施钼浓度升高表现为两重性，低中浓度施钼对幼苗的光合作用潜力有不同程度促进，过高浓度的施钼则产生抑制作用，施钼浓度在5～20 μmol/L 幼苗光合作用潜力更佳。

图3 不同施钼浓度对黑果枸杞幼苗叶片荧光参数的影响Fig.3 Effects of different molybdenum concentrations on the fluorescence parameters of leaves of Lycium ruthenicum seedlings

3 讨论

植物响应环境变化最直接的表现是外部形态改变、内部元素和有机物含量及分布的变化［25］，本试验从黑果枸杞幼苗生物量、根茎长、微量元素水平及分布状况、叶片荧光参数变化方面研究了施钼对黑果枸杞幼苗生长的影响，旨在为黑果枸杞人工施钼提供一定参考。

生物量、根长及株高是反映植株生长状态最直观的外部生长指标［26］。本研究发现，随施钼浓度升高，黑果枸杞幼苗各部位生物量、根长及株高均呈先升后降的变化趋势，峰值出现在Mo10或Mo20 处理，且Mo40 处理时显著低于CK，说明施钼对黑果枸杞幼苗各部位生物量积累及根茎生长具有双重作用，低中浓度时促进，浓度过高时则产生部分抑制效果，施钼浓度在5～20 μmol/L时对黑果枸杞幼苗生长指标的综合促进效果更佳。分析原因，可能是钼素作为硝酸还原酶和黄嘌呤脱氢酶等酶的重要组成成分，参与氮代谢、嘌呤代谢等多种基础代谢［27-28］，这些基础代谢水平决定着黑果枸杞幼苗长势，当施钼浓度适当时能明显促进，浓度过高时造成钼在黑果枸杞幼苗内部大量积累，产生毒害作用，表现为长势变弱。

元素分布及含量变化反映植株对各元素的吸收、转移及利用效率［29］，在外部生长指标参数的基础上测定各部位微量元素（Mo、Zn、Fe）含量及分布变化是对试验结果的有效补充。本研究结果表明，施钼明显促进了黑果枸杞幼苗对Mo元素的吸收；施钼对Zn 元素的吸收有抑制作用，浓度越高抑制作用越明显；施钼在根部对Fe 元素的吸收先促进后保持稳定，在茎部和叶片中有部分抑制作用。说明黑果枸杞幼苗生长过程中，Mo与Zn 呈现相互拮抗关系，Mo 与Fe 在不同部位存在协同和拮抗双重关系［27］，这与刘红恩［30］的研究结果基本一致。原因可能是当环境中钼浓度升高，Mo 元素通过扩散、质流方式或在钼转运蛋白的参与下快速转运到黑果枸杞幼苗根系及其他部位［31］，而Mo 与Fe、Zn 元素一方面发生维茨效应，一定程度上促进了根部对Fe、Zn 元素的吸收，另一方面又与原生质膜上的结合位点和内部负电势产生竞争作用，抑制Fe、Zn 元素的吸收以及从根部向其他部位的转移，实际吸收量为促进和抑制作用之和。

叶绿素荧光动力学参数是研究植物在某一时间段光合作用能力的快速、无损伤探针［32］，其参数变化与光合作用过程密切相关［33］，可作为评价植株光合作用潜力的重要指标，是对形态参数和微量元素含量及分布的进一步补充。试验发现，Fo随施钼浓度升高呈现先下降后上升趋的势，Mo10 处理时有最小值，并与Mo5、Mo20 处理间差异不显著，这说明黑果枸杞叶片中叶绿素的含量施钼浓度升高先升后降，且施钼浓度为5、10、20 μmol/L 时差异不显著；Fm、Fv/Fm及ΦpsⅡ的变化趋势与Fo相反，表现为随钼浓度升高先升后降，峰值出现在Mo5 或Mo10 处理，这说明黑果枸杞幼苗叶片中光合色素吸收的光能中，以热和荧光形式散失的能量先升高后降低，PS Ⅱ的原初光能转化效率和原初光能捕获效率也随施钼浓度升高先升后降。以上结果表明，黑果枸杞幼苗的光合作用潜力随施钼浓度升高呈先升后降的变化趋势，以施钼浓度为5～20 μmol/L 间时的光合作用潜力更佳。分析原因，可能是钼在植物体内作为亚硫酸盐氧化酶的金属组分，缺乏时影响硫酸盐的代谢，抑制含巯基物质的形成，从而抑制ALA 脱水酶（ALAD）、胆色素原脱氨酶（PBGD）活性，导致氨基酮戊酸（ALA）的转化受阻，叶绿素前体合成受阻，叶绿素合成受到影响［31］，浓度过高时又引起钼素中毒效应。

4 结论

综上所述，黑果枸杞幼苗的生物量、根长及株高，微量元素（Mo、Zn、Fe）水平，叶绿素荧光参数（Fo、Fm、Fv/Fm、ΦpsⅡ）均随施钼浓度升高表现为两重性，适当低中浓度促进，浓度过高时产生抑制作用，适合黑果枸杞幼苗生长的钼浓度范围为5～20 μmol/L，以10 μmol/L 最佳。在实际生产过程中，可利用这一结论合理施钼，为黑果枸杞在小浆果产业及荒漠化盐碱地治理提供一定理论参考。